Проектирование рынков 2 - Выбор состава оборудования на бирже электроэнергии

3-9.2 Выбор состава оборудования на бирже электроэнергии
Когда в Калифорнии была введена биржа электроэнергии, сторонники этой конструкции рынка предполагали, что подача заявок для поставщиков станет настолько простой процедурой, что во время проведения аукциона они вполне смогут «отвлечься на чтение книги». Однако, несмотря на последующие упрощения конструкции биржи, оптимальная стратегия подачи заявок так и не была разработана. До настоящего дня никто не смог объяснить, какой должна быть стратегия конкурентной подачи заявок на таком аукционе. Пример 2С иллюстрирует сложность такой стратегии на чрезвычайно простом рынке.
К счастью, как было сказано выше, неэффективность, которая возникает в результате неправильного решения задачи выбора состава оборудования, оказывается незначительной², и часто эту задачу можно решить с помощью ценообразования на основе маржинальных затрат. Если же задача не решается таким способом, разумный результат с большой вероятностью можно получить с помощью некоторых эмпирических правил, хотя до сих пор такая возможность не была продемонстрирована. Тревогу вызывает еще одна проблема Некоторых сторонников пулов пугает отсутствие классического конкурентного равновесия на бирже электроэнергии. В отличие от сторонников биржи сторонники пула видят только минусы биржи.
В этом разделе представлены четыре простейших примера, в которых рассматриваются основные аргументы той и другой стороны. С помощью этих примеров анализируется поведение рынка, на котором нагрузка невелика и, следовательно, поставщики с полупиковыми агрегатами не могут покрыть свои затраты на пуск, указывая в заявках только маржинальные затраты. В каждом примере используется структура затрат, приведенная в примерах 1А и 1В, и, кроме того, добавлены специальные условия, связанные с низкой нагрузкой. Эти примеры немного отличаются между собой правилами аукциона и торговли, происходящей после аукциона (табл. 3-9.2).

Табл. 3-9.2 Заявки на бирже электроэнергии, в которых указаны затраты, превышающие маржинальные затраты

Пример 2А иллюстрирует отсутствие классического конкурентного равновесия. Пример 2В показывает, что если участникам рынка разрешают подавать заявки с указанием минимального времени работы генерирующего агрегата, то это приводит рынок к эффективному³, хотя и не классическому конкурентному равновесию. В примерах 2С и 2D используется самая простая стандартная конструкция биржи электроэнергии. В примере 2С принято предположение, что результаты работы рынка на сутки вперед являются обязательными для выполнения в реальном времени. В этом случае равновесие является неэффективным из-за периодически возникающего включения слишком большого числа генерирующих агрегатов. В примере 2D принято, что поставщики могут отклоняться от принятых на рынке на сутки вперед объемов, но в этом случае они обязаны покупать недостающие объемы электроэнергии на рынке реального времени. Это приводит к эффективному конкурентному равновесию, но его достаточно трудно достичь, и оно подвержено случайностям.

¹Утверждение 3-9.2 В некоторых случаях задача выбора состава оборудования может быть решена при ценах, основанных на маржинальных затратах

Рынок, на котором генерирующие агрегаты имеют невыпуклые функции затрат из-за наличия затрат на пуск, все же может достигать нормального конкурентного равновесия, при котором в любой момент времени обеспечивается оптимальное распределение нагрузки между станциями.

² Даже если в целом для системы снижение эффективности из-за неправильного решения задачи выбора состава оборудования оказывается незначительным, для отдельных поставщиков убытки из-за неправильного определения оптимальных моментов пуска и останова оборудования могут быть весьма существенными. —Примеч. ред.

³ Приводящему к минимуму затрат. — Примеч. ред.

Пример 2А: Отсутствие классического конкурентного равновесия

Классическое конкурентное равновесие определяется результатами «аукциона по Вальрасу»¹. Аукционист называет цены. Если некая названная им цена приводит к тому, что спрос превышает предложение, он называет новую более высокую цену, и наоборот. В поисках конкурентного равновесия экономисты стремятся определить такой результат аукциона, который мог бы быть получен, если бы и поставщики, и потребители исходили из того, что не могут повлиять на цену аукциониста. В этом случае, если существует такая цена, при которой предложение равно спросу, имеется конкурентное равновесие.
Принятое допущение относительно поведения участников торговли на рынке называется «поведением ценопринимающего субъекта». Если имеются количество товара Q и конкурентная цена Р, которые удовлетворяют сформулированным ниже двум условиям, то предложение равно спросу. Поставщики не могут увеличить свою прибыль, продавая при цене Р количество товара, отличающееся от Q. Потребители не могут увеличить полезность (значение своей функции полезности) приобретения товара, покупая при цене Р количество товара, отличающееся от Q.

Рис. 3-9.1 График нагрузки для примера 2 (А, В, С и D)

Определение
Классическое конкурентное равновесие

Состояние рынка, при котором предложение равно спросу, а участники рынка являются ценопринимающими субъектами. Более точно это означает, что имеется некоторая цена Р и некоторое количество товара Q, при этом поставщики не могут увеличить свою прибыль, продавая по цене Р количество товара, отличающееся от Q, а потребители не могут увеличить полезность (значение своей функции полезности) приобретения товара, покупая по цене Р количество товара, отличающееся от Q. (Конкурентное равновесие часто не является ни равновесием по Нэшу, ни каким-либо другим подобным состоянием рынка).
Экономическая теория гарантирует эффективность рынков, которые находятся в состоянии классического конкурентного равновесия и на которых действуют ценопринимающие поставщики, и предупреждает о возможной неэффективности рынков, на которых эти условия не выполняются. Отсутствие классического конкурентного равновесия на биржах электроэнергии иногда рассматривается как серьезный недостаток.

Условия для примера 2А.

Имеются два пиковых агрегата мощностью 100 МВт каждый и два полупиковых агрегата также мощностью 100 МВт каждый (табл. 3-9.3). Спрос (рис. 3-9.1) превышает базисную нагрузку в течение 5 ч, и на это время необходимо использовать для выработки электроэнергии полупиковые агрегаты, а превышение уровня базисной нагрузки более чем на 100 МВт происходит только в течение 1 ч. Зона более низкой (полупиковой) нагрузки имеет среднюю продолжительность 3 ч, а зона высокой (пиковой) нагрузки — примерно 0,5 ч.

¹ Конкурентное равновесие в экономике будем называть «классическим», чтобы отличить его от эффективного конкурентного равновесия по Нэшу, которое не является равновесием по Вальрасу (см Пример 2В)

Таблица. 3-9.3 Условия для примера 2 (А, В, С и D)

Чтобы показать, что рынок в примере 2А не имеет равновесия, достаточно рассмотреть его функционирование в условиях, которые должны были привести его к равновесию. Поскольку классическое конкурентное равновесие всегда эффективно, то если оно имеет место, оно должно достигаться при оптимальном распределении нагрузки. В нашем примере оптимальное распределение достигается при загрузке одного полупикового агрегата в зоне полупиковой нагрузки и одного пикового агрегата в зоне пиковой нагрузки. Трудность формирования такого распределения нагрузки заключается в том, что агрегаты обоих типов часть времени работают не полностью загруженными.
Для того чтобы пиковый агрегат находился в состоянии равновесия¹ при нагрузке агрегата 50 МВт, цена рынка должна быть в точности равна 50 долл./МВт-ч, т. е. величине переменных затрат этого агрегата. Если же цены будут выше, ею владелец может увеличить свою прибыль, загружая свой агрегат на полную мощность (100 МВт), или, если цены будут ниже, то для него будет иметь смысл снизить свою выработку до нуля. Аналогичным образом, для владельца полупикового агрегата нужна цена 30 долл./МВт-ч, чтобы достичь конкурентного равновесия при неполной загрузке. Единственная возможность достижения классического конкурентного равновесия заключается в использовании ценообразования на основе маржинальных затрат, при котором в интервале между 14.00 и 19.00 цена будет равна 30 долл./МВт-ч, за исключением пикового часа, когда она устанавливается на уровне 50 долл./МВт-ч. К сожалению, этот метод ценообразования позволяет владельцу полупикового агрегата покрывать только 20 долл./МВт-ч из полных затрат на пуск (во время пикового часа), поэтому он откажется включать свой агрегат. Оптимальный диспетчерский график не соответствует условиям равновесия при любой траектории (графике) изменения цены, поэтому конкурентное равновесие не достигается.

Утверждение 3-9.3 На бирже электроэнергии отсутствует классическое конкурентное равновесие

Если в каждый момент времени цена устанавливается равной маржинальным затратам, как этого требует условие конкурентного равновесия, часть поставщиков, которые при оптимальном диспетчерском графике должны включать свои агрегаты, могут не покрыть затрат на пуск. Очень часто в результате этого биржа электроэнергии на сутки вперед не в состоянии достичь классического конкурентного равновесия.

Как пул решает задачу выбора состава оборудования

На биржах электроэнергии часто отсутствует классическое конкурентное равновесие, но, как будет показано ниже, на них существует равновесие по Нэшу. Классическое конкурентное равновесие, если оно достигается, бывает абсолютно эффективным, но равновесие по Нэшу может также быть в высшей степени эффективным.
В рассмотренном выше примере пул будет всегда устанавливать рыночную цену в соответствии с переменными затратами. Это означает, что будет установлена цена 30 долл./МВт-ч в период между 14.00 и 19.00, за исключением «пикового часа», когда она будет установлена на уровне 50 долл./МВт-ч. Как уже говорилось выше, поставщик с полупиковым агрегатом при этом теряет 20 долл./МВт-ч, что соответствует суммарным потерям 2000 долл.
В пуле поставщик получает дополнительный платеж 2000 долл. при условии, что он включит свой агрегат и будет «выполнять диспетчерский график», т. е. увеличивать и уменьшать нагрузку агрегата в соответствии с полученными указаниями. Когда для работы системы требуется только частичная загрузка полупикового агрегата, рыночная цена равна его переменным затратам, и поэтому поставщику безразлично, с каким уровнем нагрузки работает его агрегат. При такой организации функционирования пул приводит к оптимальному распределению нагрузки между генерирующими агрегатами несмотря на отсутствие на рынке классического конкурентного равновесия.

По отношению к отдельным экономическим субъектам (поставщик, покупатель) термин «равновесие» указывает на ситуацию, при которой субъект не имеет стимулов к изменению существующего состояния, поскольку при данных условиях и существующих ограничениях он не может улучшить своего положения с точки зрения какого-либо экономического критерия. —  Примеч. ред.

Обратим внимание на то, что пул решает две проблемы: 1) как обеспечить, чтобы поставщик включил свой полупиковый агрегат; 2) как обеспечить, чтобы полупиковый агрегат увеличивал и уменьшал нагрузку в соответствии с указаниями диспетчера. Проблема набора и сброса нагрузки может быть более серьезной, чем задача выбора состава оборудования, но ни та, ни другая до настоящего времени не были оценены количественно.

Утверждение 3-9.4
Пул при объективной информации в заявках обеспечивает оптимальное распределение нагрузок между агрегатами

В пуле классическое конкурентное равновесие отсутствует, но если заявки содержат объективную информацию о затратах поставщиков, то дополнительные платежи пула вместе с ценами на основе маржинальных затрат будут обеспечивать оптимальный диспетчерский график. При достаточной конкуренции между поставщиками они должны будут подавать заявки, содержащие объективную информацию. (В этом утверждении не принимаются во внимание эластичность спроса и долгосрочные стимулы).

Пример 2В: Эффективность при подаче двухкомпонентных заявок

Аукционы по Вальрасу встречаются в трудах по экономической теории и очень редко, если это вообще возможно, их можно встретить в практике организации торговли¹. Более того, концепция равновесия по Вальрасу, используемая для определения классического конкурентного равновесия, не применяется в теории аукционов — вместо нее используется концепция равновесия по Нэшу. Концепция равновесия по Вальрасу не предназначена для прогнозирования того, как на самом деле будет функционировать рынок. Высокомонополизированный рынок может иметь конкурентное равновесие по Вальрасу, но это не указывает на то, что реально рынок будет работать как конкурентный. В то время как равновесие по Нэшу действительно является прогнозом результата деятельности рынка.
В примере 2В находится равновесие по Нэшу для биржи электроэнергии и показано, что хотя на бирже не существует классического конкурентного равновесия, на ней имеется совершенное эффективное равновесие по Нэшу. В этом случае отсутствие классического конкурентного равновесия не создает больших трудностей.
В провинции Альберта используется простой аукцион, на котором чрезвычайно эффективно и просто решается проблема, рассматриваемая в нашем примере. Поставщики в своих заявках указывают цену за электроэнергию и минимальное время работы агрегата.
В примере 2В минимальное время работы для удобства заменено минимальным объемом электроэнергии. Заявки принимаются только в том случае, если у поставщика покупается как минимум такой объем электроэнергии. Как и в пуле, системный оператор нуждается в гарантии выполнения своих команд. Правило расчета платежей предусматривает, что поставщик получает оплату за принятый объем электроэнергии только в том случае, если следует указаниям системного оператора.
На аукционе принимается набор заявок, который минимизирует затраты. При равенстве условий в заявке победитель определяется жребием. Цена, определяемая в каждый момент времени, является наиболее высокой ценой среди всех принятых в этот момент времени заявок.
При таких правилах аукциона рынок, рассматриваемый в нашем примере, имеет равновесие, если поставщики с полупиковыми агрегатами подают заявки с ценой 40 долл., а поставщики с пиковыми агрегатами — с ценой 50 долл. При этом поставщики с полупиковыми агрегатами указывают во второй компоненте заявки, что их минимальная выработка равна 300 МВт-ч. Из-за равенства условий в заявках поставщиков заявка каждого поставщика будет выбираться в половине всего времени, а так как эти поставщики полностью покрывают свои затраты, им безразлично, принимаются ли их заявки или не принимаются. Ни один поставщик не может получить большей выгоды, если будет менять свою заявку, поэтому здесь существует равновесие по Нэшу. Ни один из поставщиков не использовал рыночную силу, поэтому такое состояние может быть названо конкурентным равновесием, хотя оно и не соответствует классическому экономическому определению. Рыночная цена, установленная на этом аукционе, является конкурентной ценой, хотя в классическом экономическом смысле она не является «уравновешивающей» ценой рынка.

Утверждение 3-9.5
Биржа электроэнергии может быть эффективной, не имея конкурентного равновесия

На рынке, на котором отсутствует классическое конкурентное равновесие, биржа электроэнергии все же может обеспечивать эффективное и конкурентное равновесие по Нэшу.

Итак, отсутствие классического конкурентного равновесия не означает, что для достижения совершенного эффективного равновесия необходимо использовать пул. Приведенный выше пример важен потому что, как следует из него, можно достичь эффекта пула, не осуществляя дополнительных платежей и не обращая внимания на объективность информации в заявках. На самом деле поставщики могут указывать в заявках фиктивные минимальные объемы электроэнергии и не указывать свои затраты на пуск.
Обратим внимание на то, что этот аукцион с двухкомпонентными заявками более сложен, чем биржа электроэнергии, на которой используются только однокомпонентные заявки. При подаче двухкомпонентных заявок требуется более сложная процедура оценки заявок, однако при этом результат остается прозрачным. Важно отметить здесь, что такой двухкомпонентный аукцион не является пулом, поскольку все поставщики на нем получают одинаковую цену в каждый момент времени при отсутствии каких-либо дополнительных платежей. Единая цена рынка достаточно высока, чтобы покрывать заявленные затраты всех принятых заявок.

Пример 2С: Неэффективность при однокомпонентных заявках

Итак, по-прежнему остается вопрос: насколько хорошо простая биржа электроэнергии решает задачу выбора состава оборудования. Пример 2С дает ответ на этот вопрос с помощью расчета равновесия по Нэшу для биржи электроэнергии, которая функционирует в рассматриваемой структуре рынка.
На обычной бирже электроэнергии поставщики могут только указать свою максимальную мощность и кривую предложения. Если поставщики на такой обычной бирже электроэнергии заявляют те же цены, которые рассматривались выше для аукциона провинции Альберта, то результат будет совсем другим. В этом случае будут отобраны заявки обоих поставщиков с полупиковыми агрегатами. Один из этих поставщиков проиграет жеребьевку и будет обязан работать в пиковой зоне нагрузки, поскольку поставщики не могут указать, что это для них неприемлемо¹. Этот поставщик получит² 40 долл./МВт-ч, и, таким образом, из 40 долл./МВт, составляющих его затраты на пуск, будет покрыто только 5 долл./МВт (рента 10 долл./МВт-ч для половины полной мощности агрегата³).
Без пикового агрегата, устанавливающего высокую цену, поставщик с полупиковым агрегатом, работающим в зоне полупиковой нагрузки, также не сможет покрыть своих затрат на пуск.
Поставщикам придется изменить свою стратегию, чтобы приспособиться к новым правилам рынка. Поставщики с пиковыми агрегатами будут по-прежнему конкурировать между собой и подавать заявки с ценой 50 долл./МВт-ч, но поставщики с полупиковыми агрегатами будут использовать случайную стратегию подачи заявок в зависимости от конкретного набора вероятностей. В теории игр случайная стратегия называется смешанной стратегией, а детерминированная стратегия называется чистой стратегией⁴. Смешанная стратегия определяет вероятность подачи поставщиком каждой из возможных заявок. Для данного аукциона были рассчитаны равновесные стратегии⁵, которые представлены на рис. 3-9.2. Эта пара стратегий образует равновесие по Нэшу, поскольку ни один поставщик не может увеличить свою ожидаемую прибыль, изменяя свою стратегию, при условии, что другой поставщик твердо придерживается определенной стратегии.
Хотя оба полупиковых агрегата совершенно идентичны, поставщики используют различные стратегии, которые, как будет показано ниже, являются равновесными. Поставщик А в течение 60% времени подает заявки с ценой чуть ниже 50 долл./МВт-ч, в то время как поставщик В в течение 60% времени подает заявки с ценой выше 50 долл./МВт-ч (см. рис. 3-9.2).

¹ Аукцион, использующий однокомпонентные заявки, в которых указывается только цена и количество товара, работает иначе, чем аукцион по Вальрасу. Аукционист не объявляет цену, по которой затем разрешается торговля. Вместо этого он назначает цену и принимает определенные объемы заявок на поставку товара от каждого поставщика. Таким образом можно определить объемы торговли при отсутствии равновесной цены рынка.

² В этом случае цена в пиковой зоне будет равна заявке полупикового агрегата. — Примеч. ред.

³ Средняя нагрузка агрегата в пиковой зоне равна 50 МВт. — Примеч. ред.

⁴ Смешанные стратегии часто используются в реальной жизни и, хотя необходимые для их использования вычисления трудно выполнить, даже дети применяют их без какого-либо обучения. Любая конечная игра, которая не имеет равновесия по Нэшу при чистой стратегии, имеет равновесие по Нэшу при смешанной стратегии. В этой игре не существует удовлетворительной чистой стратегии для поставщиков с полупиковыми агрегатами, но для них должно существовать равновесие по Нэшу при смешанной стратегии. Все аукционы электроэнергии являются конечными играми, поскольку суммы в заявках округляются до цента и до мегаватта.

⁵ Набор оптимальных стратегий для каждого из поставщиков. — Примеч. ред.

Рис. 3-9.2 Вероятностная подача заявок для двух поставщиков с полупиковыми агрегатами на бирже электроэнергии

Насколько его цена выше 50 долл./МВт-ч не имеет значения, поскольку при
При любом превышении этой величины поставщик В гарантированно не будет выбран¹. Заявки поставщика А выбираются всегда. Когда поставщик В устраняется (из-за того, что подает заявки с более высокой ценой), поставщик А получает прибыль, но если поставщик В начинает конкурировать всерьез², то оказывается, что в течение 80% времени поставщик В подает заявки с ценой ниже, чем у поставщика А. В этом случае поставщик А теряет деньги, а поставщик В оказывается с прибылью³. Резюмируя, можно утверждать, что оба поставщика «съедают» в процессе конкуренции всю свою прибыль, что неудивительно, потому что это укладывается, по сути, в модель Бертрана (т. е. чистая конкуренция по цене), а такая модель ведет к совершенной конкуренции.
Хотя это равновесие является конкурентным, оно неэффективно. В течение 40% времени полупиковые агрегаты обоих поставщиков оказываются загруженными. Использование полупикового агрегата в зоне пиковой нагрузки стоит 55 долл./МВтч, в то время как использование пикового агрегата для той же цели стоит всего 25 долл./МВт-ч⁴. Поскольку такая неэффективность возникает только в течение 40% времени, в среднем переплата составляет 1200 долл./сутки (30 долл. х 100 х 0,4).
Минимальные затраты на покрытие полной нагрузки в этом примере равны 2500 долл. в зоне пиковой нагрузки и 13000 долл. в зоне полупиковой нагрузки, поэтому неэффективность составляет примерно 8% оптовой цены или 3% розничной цены. Такая оценка нереалистична по нескольким причинам, две из которых связаны с завышением затрат на пуск и занижением числа поставщиков. На реальном рынке затраты на пуск ближе к 1%, а не к 25%, а число поставщиков ближе к 400, а не к 4. Неэффективность, связанная с затратами на пуск, уменьшается пропорционально числу поставщиков на рынке. С учетом коррекции этих двух факторов приведенная выше оценка составит менее 1/100 от 1%.
Рассматриваемый аукцион имеет два равновесных состояния, в одном из которых поставщик В выходит из игры, подавая заявки с завышенной ценой в течение 60 времени, а в другом — роли меняются. Это может еще больше усложнить координацию работы поставщиков, но представляется вероятным, что каждый из них в конце концов найдет свою стратегию⁵ и придет к выводу, что менять ее невыгодно. Итак, если такая простая задача уже приводит к столь сложному поведению на рынке, возникают вопросы о том, насколько хорошо будет скоординирован большой рынок.

Утверждение 3-9.6 Биржа электроэнергии имеет практически эффективное равновесие по Нэшу

Когда на бирже отсутствует классическое конкурентное равновесие, на ней все же имеется равновесие по Нэшу. Поставщики, для которых возникают проблемы с выбором состава генерирующего оборудования, будут использовать вероятностные стратегии, приводящие в результате к некоторой неэффективности. На рынке с несколькими сотнями поставщиков эта неэффективность может составлять 1/100 от 1%.

Пример 2D: Эффективность при однокомпонентных заявках и возможности отказаться от пуска агрегатов

В примере 2С поставщики с полупиковыми агрегатами включают слишком много генерирующих агрегатов в течение 40% времени. Это обычно приводит к увеличению надежности, но надежность аукциона с однокомпонентной заявкой нельзя правильно оценить без введения второго раунда, в течение которого поставщики могут отклониться от принятых объемов. Здесь отклонение от принятых объемов подразумевает отказ от пуска соответствующего агрегата и производства электроэнергии, проданной на рынке на сутки вперед. Когда поставщик отклоняется от принятых объемов, он должен купить замещающую электроэнергию на рынке реального времени, чтобы выполнить свои обязательства по продаже электроэнергии на рынке на сутки вперед. В примере 2D условия примера 2С дополняются тем, что поставщики имеют право отклониться от объемов, принятых на рынке на сутки вперед.

¹ Поскольку будет выбран поставщик с пиковым агрегатом, который подал заявки с ценой 50 долл./МВт-ч — Примеч. ред.

² Имеется в виду часть смешанной стратегии, относящаяся к заявкам в диапазоне от 41 до 50 долл./МВт-ч — Примеч. ред.

³ Поскольку при этом 80% времени поставщик А работает в полупиковой зоне, а поставщик В — в пиковой. — Примеч. ред.

⁴ Затраты, приходящиеся на один мегаватт пиковой зоны нагрузки, равны сумме затрат на пуск и произведения среднего объема вырабатываемой этим мегаваттом электроэнергии, т. е. 0,5 МВт-ч, на величину переменных затрат.

⁵ Учитывая изменчивость внешних условий, нахождение таких оптимальных смешанных стратегий представляется исключительно сложным. — Примеч. ред.

Когда заявки обоих поставщиков с полупиковыми агрегатами приняты, поставщик, имеющий заявку с более высокой ценой, работает в пиковой зоне графика нагрузки и в результате не сможет покрыть свои затраты на пуск. В этой ситуации поставщик может отказаться от пуска агрегата, оставляя системного оператора с недостаточными ресурсами генерирующих мощностей в реальном времени.

Чтобы решить эту проблему, пул гарантирует, что все поставщики, заявки которых приняты на рынке на сутки вперед, не потеряют деньги, если они фактически будут производить проданный на этом рынке объем электроэнергии.
Когда поставщик с полупиковыми агрегатами отклоняется от принятых объемов, он обязан купить замещающий объем электроэнергии по цене 50 долл./МВт-ч. (На рынке реального времени конкуренция между поставщиками с пиковыми агрегатами будет удерживать цену на конкурентном уровне). Если поставщик с полупиковыми агрегатами продал электроэнергию на рынке на сутки вперед по цене 49,99 долл./МВт-ч, то при покупке замещающей электроэнергии вместо ее производства он потеряет лишь 0,01 долл./МВт-ч. Это намного меньше того, что он может потерять на затратах на пуск, поэтому он не станет запускать свои агрегаты и производить электроэнергию. Отказ от пуска агрегатов может приносить прибыль, поэтому следует ожидать определенное число таких отказов.

Рис. 3-9.3 Подача заявок при смешанной стратегии для обоих поставщиков с полупиковыми агрегатами в примере 2D

Возможность отклонения от принятых объемов и покупки замещающей электроэнергии меняет доходы обоих поставщиков в примере 2С. При любом изменении доходов их стратегии меняются, поэтому аукцион в примере 2D будет иметь другое состояние равновесия. Результаты соответствующих вычислений приведены на рис. 3-9.3. Поскольку риски поставщиков, связанные с пуском агрегатов, уменьшились, оба поставщика подают заявки с ценой меньше 50 долл./МВт-ч (цена заявки поставщиков с пиковыми агрегатами), и обе эти заявки принимаются. Это приводит к тому, что в 100% случаев включается слишком много генерирующих агрегатов (для пуска выбирается вдвое больше полупиковых агрегатов, чем нужно) и в результате поставщик с более высокой ценой заявки всегда отказывается включать свои агрегаты, чтобы не работать в пиковой зоне графика нагрузки.

Неопределенность прибыли в примере 2D

При том же распределении нагрузки между станциями, как и в примере 2В, цены и платежи в примере 2D будут другими. В примере 2В цена составляла 40 долл./МВт-ч во внепиковые часы и 50 долл./МВт-ч в пиковые часы, и поставщик с запланированным для включения полупиковым агрегатом полностью покрывал свои затраты. В примере 2D случайный характер цен в заявках приводит к случайным изменениям в краткосрочной прибыли.
Так, если в заявке одного поставщика указана цена 42,80 долл./МВт-ч, а в заявке другого поставщика — 43 долл./МВт-ч, поставщик с более низкой ценой в заявке будет терять 1,40 долл. в сутки на каждый мегаватт мощности агрегата, в то время как другой поставщик будет терять 3,50 долл./МВт в сутки.
Если один из них подаст заявку с ценой 49 долл./МВт-ч, а другой с ценой 49,50 долл./МВт-ч, то поставщик, который подал заявку с более низкой ценой, получит прибыль 17,50 долл./МВт в сутки, а другой (с более высокой ценой в заявке) будет иметь убыток всего 0,25 долл./МВт в сутки.
Как и предсказывают критики биржи электроэнергии, неопределенность, возникающая на обычной бирже электроэнергии, приводит к отклонениям от принятых объемов. Однако это в конечном счете приводит к оптимальному диспетчерскому графику. Отказ от пуска агрегата просто «исправляет» излишнее включение генерирующих агрегатов, запланированное на рынке на сутки вперед, поэтому такое поведение нельзя рассматривать как неправильное. Результирующий диспетчерский график является эффективным, а поставщики при этом не используют рыночную силу. Такой результат достигается несмотря на отсутствие конкурентного равновесия и невозможность для поставщиков подавать заявки, которые отражают их реальные затраты.

Эта модель слишком проста, чтобы отразить всю сложность реального рынка, которая в настоящее время еще не до конца изучена. Она показывает, что, если биржа электроэнергии использует формат заявок, который слишком прост и не отражает фактической структуры затрат производителя, это может привести к вероятностной, т. е. использующей смешанную стратегию, подаче заявок. В этом случае не исключены отказы от пуска агрегатов. Из данного примера также следует, что отказ от пуска агрегатов необязательно создает проблемы с надежностью. Эти отказы не означают выключение уже включенного агрегата, и когда отказы происходят в результате вероятностной подачи заявок на бирже электроэнергии, они могут привести к тому, что поставщики, чьи заявки были неправильно включены в диспетчерский график, просто исправят эту ошибку и не запустят свои агрегаты.
Возможно, более реалистическая модель показала бы, что отказы от пуска агрегатов могут создать проблемы, но это будет происходить крайне редко, поскольку те условия, которые приводят к потенциальным проблемам с надежностью, это те же условия, при которых отказы от пуска агрегатов становятся весьма маловероятными. Если известно, что работа какого-то агрегата в реальном времени крайне нужна, то маловероятно, что его включение окажется убыточным.

Выводы

При типичной структуре затрат на производство ни биржа электроэнергии, ни пул не имеют классического конкурентного равновесия. Однако и биржа, и пул имеют равновесие по Нэшу. Если заявки содержат объективную информацию, прогноз нагрузки является идеальным, а спрос неэластичным, то равновесие по Нэшу в пуле будет абсолютно эффективным в краткосрочном плане, а равновесие по Нэшу на обычной бирже электроэнергии также может быть на 99,99% эффективным. Это различие в эффективности, несомненно, будет малозаметным из-за действия других факторов.
Серьезный недостаток биржи заключается в том, что на ней трудно найти равновесие по Нэшу. Если на бирже электроэнергии с однокомпонентными заявками возникают трудности с нахождением состояния равновесия, проблемы с отказами от пуска агрегатов или с неэффективностью самого равновесия, следует использовать двух- или трехкомпонентные заявки. Это не превращает биржу в пул, потому что не вводится система дополнительных платежей¹. Как правильно отмечают сторонники пула, расчеты по многокомпонентным заявкам не приводят к сколько-нибудь существенному повышению стоимости электроэнергии. Не прибегая к использованию дополнительных платежей, биржа и при многокомпонентных заявках в основном сохраняет прозрачность функционирования и положительные стороны своего механизма ценообразования, при котором цены более точно отражают затраты (см. гл. 3-8 и следующий раздел данной главы).
Большим недостатком пула является его сложность. Она приводит к небольшому увеличению затрат на проведение торгов, но, что более важно, может способствовать «играм» на рынке. Аукционы по типу пула слишком сложны, чтобы их можно было проверить с помощью теории игр (за исключением лишь самых общих свойств этих аукционов) или с помощью человеческой интуиции.
Другими интересными аспектами являются рыночная сила, управление набором и сбросом нагрузки, которое осуществляет системный оператор, и влияние отказов от пуска агрегатов на эффективность рынка реального времени. В настоящее время эти вопросы еще недостаточно изучены.

3-9.3 Инвестиции в условиях пула

Пул предназначен для оптимального распределения нагрузки между генерирующими агрегатами, и он в состоянии выполнить эту функцию при условии, что заявки отражают реальные затраты, а прогнозы нагрузки точны. При этих условиях оптимальный диспетчерский график будет найден. О реальной эффективности таких рынков можно судить по ответам на три вопроса:
Насколько совместимы форматы заявок с действительными затратами на производство электроэнергии²?
Насколько хорошо ведут себя такие рынки при проявлениях рыночной силы?
Создают ли рыночные цены вместе с дополнительными платежами эффективные сигналы для принятия долгосрочных решений?

¹ Основной недостаток двух- или трехкомпонентных заявок заключается в том, что аукцион становится менее прозрачным. Тем не менее это не приводит к такой непрозрачности, которая характерна для пулов, когда участники рынка лишены возможности сравнить свои заявки с ценами, так как в цены включены дополнительные платежи, которые не являются открытой информацией.

² См. работу (Cameron and Camton, 1999, Раздел IIIА).

Форматы заявок.

В предыдущем разделе было показано, что биржа электроэнергии может вполне эффективно работать, несмотря на использование упрощенного формата заявок, который не имеет отношения к реальности, — поставщики указывают в заявках минимальные объемы производства электроэнергии, в действительности не испытывая таких ограничений. Если даже такой далекий от реальности формат заявок может успешно использоваться, то маловероятно, что при более сложной структуре заявок, применяемых в пулах, могут возникнуть какие-то проблемы. Это утверждение было бы верным, если бы поставщики точно отражали в заявках свои реальные затраты. Но они, несомненно, будут искажать реальные затраты в попытках избежать потерь из-за небольших несоответствий форматов заявок в пулах и реальных характеристик затрат, точно так же как они поступают в случае более значительных несоответствий при использовании более простых форматов заявок на бирже электроэнергии.

Рыночная сила.

Вопрос о рыночной силе остается открытым. Ни один из известных аукционов не был сконструирован с явным намерением минимизировать проявление рыночной силы. Это особенно разочаровывает, поскольку в присутствии рыночной силы оптимальным поведением при подаче заявок часто является использование вероятностных стратегий. Такие стратегии, как хорошо известно, трудно анализировать. При моделировании подобных ситуаций автор обнаружил ряд случаев, когда пул ограничивает возможности применения рыночной силы лучше, чем биржа электроэнергии, но при этом работа пула оказывается менее эффективной. Однако были найдены подтверждения и обратной ситуации. Скорее всего выбор между пулом и биржей малозначим при чрезмерных проявлениях рыночной силы. Более важное значение здесь имеют правила подачи заявок: подаются ли заявки один раз в час или один раз в сутки (см. разд. 4-4.4). Вероятно, что пулы более пригодны для использования единой заявки для всех часов суток, хотя то же могут делать и на биржах, если на них используются двух- или трехкомпонентные заявки.

Рис. 3-9.4 Изменяющиеся суточные графики нагрузки в примере 3

Долгосрочная неэффективность, возникающая при использовании гарантии покрытия затрат на пуск

Использование механизмов страхования рисков ослабляет экономические сигналы, и дополнительные платежи как способ страхования от риска неполного покрытия затрат на пуск не составляют исключения. В примере 3 показано, что, страхуя поставщиков от убытков путем покрытия затрат на пуск, пулы могут стимулировать слишком большие инвестиции в генерирующие мощности с большими затратами на пуск. Страхование риска, связанного с покрытием затрат на пуск, приводит к тому, что поставщики перестают «ощущать» затраты на пуск в те дни, когда используется данный механизм страхования.

Утверждение 3-9.7
Дополнительные платежи в пулах искажают инвестиционные сигналы для ввода генерирующих мощностей

В пулах оплачивают разность между ценами на основе маржинальных затрат и действительными затратами, включая затраты на пуск, для тех генерирующих агрегатов, которые необходимы для выполнения оптимального диспетчерского графика. Это стимулирует чрезмерные инвестиции в генерирующие мощности тех типов, которые получают самые большие дополнительные платежи в пересчете на мегаватт установленной мощности.

Условия для примера 3.

Имеются два суточных графика нагрузки с одинаково высокими пиками (рис. 3-9.4), при этом второй пик нагрузки втрое уже, чем первый. Хотя такой график нереален, он позволяет проиллюстрировать принципиальный подход к проблеме и упрощает данный пример. Структура затрат пиковых и полупиковых агрегатов показана в табл. 3-9.4. Нереально низкие постоянные затраты приняты в данном упрощенном примере для того, чтобы в сутки с низкой нагрузкой использовались дополнительные платежи.
На первом шаге необходимо найти состояние равновесия рынка, соответствующее минимальным затратам. Строительство пиковых агрегатов будет продолжаться до тех пор, пока их мощность не выйдет на уровень, при котором полностью покрываются их постоянные затраты. Однако уровень, на котором это произойдет, не имеет значения для нашего анализа. Имеет значение то, что высокие цены, которые позволяют поставщикам с пиковыми агрегатами покрывать свои постоянные затраты, обеспечивают покрытие такого же объема постоянных затрат и для поставщиков с полупиковыми агрегатами. Эти затраты равны 48 долл./МВт для заданного двухсуточного графика нагрузки, при этом % затрат покрывается в первый день и 1/4 во второй день. Таким образом, поставщики с полупиковыми агрегатами также будут покрывать 36 долл./МВт своих затрат в первый день и 12 долл./МВт во второй день за счет превышения ценами уровня 40 долл./МВт-ч. В сумме это будет равно доходам, получаемым за двое суток от ценовых пиков.

Таблица 3-9.4 Затраты агрегатов, рассмотренных в примере 3

* Единицы измерения постоянных затрат генерирующих агрегатов (долл./МВт-ч) рассмотрены в гл.1-3.

Далее необходимо найти оптимальный уровень инвестиций в полупиковые агрегаты. Этот уровень зависит от продолжительности использования пиковых агрегатов Dpeaker· Установленные мощности полупиковых агрегатов будут тем больше, чем короче продолжительность использования пиковых агрегатов. При заданном графике нагрузки продолжительность Dpeaker определяет конкретный уровень инвестиций. При этой продолжительности средние затраты на использование установленной мощности (АСК) для пикового агрегата должны быть равны соответствующей величине АСК для полупикового агрегата. Определение АСК, приведенное в уравнении (1-3.1), должно быть изменено за счет включения в него затрат на пуск следующим образом:
Средние затраты на 1 МВт установленной мощности:

Приравнивая значения АСК пиковых и полупиковых агрегатов и затем подставляя принятые в данном примере значения затрат на пуск SC, переведенные в долл./МВт ч, а также преобразуя единицы измерения, можно получить:

Теперь необходимо решить это уравнение относительно Dpeaker и затем превратить полученную продолжительность из безразмерной величины в обычные единицы, т. е. в часы за день, умножая на коэффициент (24 ч/1 сутки):

Эта продолжительность является оптимальной, поскольку при ней минимизируются полные затраты на производство, включая переменные, постоянные затраты и затраты на пуск. Эта средняя продолжительность может быть достигнута только при продолжительности 6 ч в первые сутки и 2 ч во вторые сутки, что связано с относительной шириной графиков нагрузки.
При оптимальном соотношении введенных в строй генерирующих агрегатов различных типов и при условии, что пул посылает правильные долгосрочные сигналы, экономическая прибыль поставщика с полупиковым агрегатом должна быть равна нулю (краткосрочная прибыль покрывает постоянные затраты), и, следовательно, не будет стимула увеличивать или уменьшать долю полупиковых агрегатов в общем составе генерирующих мощностей.

Используя рассчитанное значениеможно определить фактически получаемую прибыль (табл. 3-9.5).

Таблица 3-9.5 Оптимальная прибыль за сутки для поставщиков с полупиковыми агрегатами в примере 3.

Рента дефицитности для поставщиков с полупиковыми агрегатами формируется из двух источников: доходов от ценового пика (рассчитаны выше) и цен, равных переменным затратам пиковой станции, т. е. 40 долл./МВт-ч. Эта цена держится только в течение времениа затем падает до 30 долл./МВт-ч. Таким образом, данная часть ренты дефицитности равна/МВт-ч. Обратим внимание, что экономическая при быль в среднем равна нулю за двое суток, как это и должно быть. Обратим внимание также, что в течение вторых суток чистая выручка за электроэнергию составляет лишь 32 долл.¹, не покрывая затрат на пуск. Следовательно, поставщики с полупиковыми агрегатами получают дополнительные платежи в размере 8 долл./МВт в течение вторых суток. Этот приводит к тому, что полупиковые агрегаты оказываются прибыльными, и это стимулирует дополнительные инвестиции в их строительство².
Дополнительные инвестиции в строительство полупиковых агрегатов нарушают оптимальное соотношение различных типов генерирующих мощностей в энергосистеме и увеличивают общие затраты на производство электроэнергии. На реальном рынке электроэнергии этот эффект будет небольшим, поскольку дополнительные платежи также невелики, но тем не менее, этого может оказаться достаточно, чтобы свести на нет любой позитивный эффект от дополнительных платежей. Без использования количественного анализа едва ли можно с уверенностью судить об эффективности цен пула по сравнению с эффективностью цен биржи.

¹ На 1 МВт установленной мощности. — Примеч. ред.

² Если гарантия покрытия пусковых затрат действует не в течение суток, а в течение более длительного периода (в данном примере для двух суток), экономическая прибыль поставщиков с полупиковыми агрегатами будет равна нулю и инвестиции в установленную мощность будут оптимальными. — Примеч. ред.