（电力系统及其自动化专业论文）发电投资的实物期权决策方法.pdf

第一章绪论 一市场化改革对发电投资的影响 1 电力改革的现状 电力工业进行市场化改革的必要性已被普遍认同，电力市场的建立是经济社会发展的必 然要求，是促进生产力发展的重要动力。实行电力市场可促使电力企业从市场竞争中寻找契 机、吸引投资、改进技术、提高生产效率，从而弱化政府行为，减轻国家的财政负担；可促使 电力企业优化资源配置，降低能耗，减少成本，节约资源；可促使电力企业深化改革，为广 大用户提供低价、优质、高效的用电服务；同时，还能有效地挖掘设备潜力，提高资源的有 效利用率。为此，大多数国际能源署( i e a ) 的成员国都开放了电力市场，引入竞争。 从国外的实践看，挪威电力体制改革从1 9 9 0 年开始，到现在已经1 4 年；澳大利亚从1 9 9 1 年开始，经历了几个发展阶段；英国电力改革从1 9 8 8 年开始，到现在已经1 6 年，还在完善之 中，售电环节的完全竞争也还未实现；意大利作为比较发达的资本主义国家，电力体制改革从 1 9 9 6 年开始，还处在建立竞争性市场的初级阶段。发达国家如此，发展中国家的电力改革更 具有长期性和复杂性。各国普遍的做法是政府主导，立法先行，总体设计，分阶段推进。 我国于1 9 9 8 年底对六个省( 市) 进行电力市场的试点工作，实施“厂网分开，竞价上网” 和建立相应的技术支持系统。目前，改革主体框架已初步建立，国家电力监管委员会、国家 和南方二大电网公司、五大发电集团和四大辅业集团均已挂牌成立。 2 发电投资逐步放缓 电力工业的重组和市场化改革旨在增加电力工业的活力，提高效益，然而，电力市场化 改革对发电投资产生了重要的影响。北美电力可靠性委员会( n e r c ) 在1 9 9 7 年公布的一个 评估报告中指出：备用容量已经减少到一个危险的水平；新增发电容量速度比负荷增长速度 要慢。此外，美国能源部认为发电备用容量不足是1 9 9 9 年发生的几次停电事故的主要原因之 一【1 1 2 0 0 1 年1 月中下旬，由于系统备用容量只有1 5 左右，加州经历了二次世界大战以来 首次强制性的分区轮流停电，上百万人受到影响。停电使一些公司损失了数千万美元。不少 学者将加州电力危机归咎于放松管制措施的失败，使得发电公司不愿意做长线投资，以至于 发电容量跟不上负荷增长。可以说发电容量严重不足是这次危机的主要原因【2 l 。 在其他一些已经运营的电力市场中，虽然没有出现像加州这样严重的电力危机，但已显现 出潜在的容量不足问题。在瑞典，自几年前解除管制以来，系统的备用容量大大减少。这主 要是由于经济原因，一些成本高的机组因为在市场中缺乏竞争而逐步退出。在挪威，新建容 量计划被推迟或取消，而负荷在持续增长，电力工业经历了一个从解除管制前容量过剩到不 久以后很可能出现容量不足的快速变化。在纽约，自1 9 9 3 年以来，负荷增长了1 2 2 ，而发 电容量仅增加了2 6 ，所有这些引起了对市场机制是否能够及时引导出足够的发电容量的关 注，加州电力危机实际上给这个问题提供了一个负面的答案n 在电力市场中，为避免因片面追求经济效益而带来系统的不稳定，迫切需要保持系统的 充裕性和可靠性。在实际系统中，由于发电机组的随机停运，负荷的波动等，都会造成对电 力系统平衡状态的破坏，出现有功不足，危及电力系统平衡，严重时可以造成大范围停电。 美国东区时间8 月1 4 日下午4 ：1 0 ( 东部时间下午3 ：1 0 ，北京时间1 5 日凌晨4 ：l o ) ，美国 东北部和加拿大南部互联电网发生大范围停电事故。事故发生几分钟内，数十个电厂机组和 大量输电线路相继跳闸退出运行，电网随之全面崩溃瓦解。事故累计损失负荷6 1 8 0 万千瓦， 在2 1 6 个电厂中切除了5 3 1 台发电机，美国密歇根州、俄亥俄州、纽约州、新泽西州北部、 马萨诸塞州、康涅狄格州和加拿大东部的安大略省、魁北克省等广大地区受到严重影响，纽 约、底特律等多个大城市大面积停电。大面积停电造成机场和公共交通系统瘫痪，给用户造 成了约7 0 亿美元的损失，社会影响巨大。系统备用不足仍是此次事故的重要原因之一。 3 我国供电形势趋紧 众所周知，我国近几年的供电形势比较紧张。图l 给出了1 9 8 1 年以来的装机容量和负荷 的增长情况的对比，可以看出，9 8 年之前，装机和负荷的增长基本持平，甚至在9 9 年左右， 出现了装机速度大大超过负荷增长的情况。但是在接下来的2 0 0 0 年，负荷增长一路走高，而 装机增长却逐步下降，从2 0 0 3 年开始，出现了全国性的缺电局面，在用电高峰期曾出现1 9 个省市拉闸限电，2 0 0 4 年达到了2 4 个，这在以前是从来没有过的。2 0 0 4 年，全国拉闸限电 范围进一步扩大。据国家电网公司统计，截至7 月份，共有2 7 个省级电网拉闸限电，仅国家 图1 我国电源建设与负荷增长对比 2 电网公司系统就拉闸限电8 0 多万次，电力供应紧张局面进一步加剧，高峰时段电力供需缺口 达2 0 0 0 万3 0 0 0 万千瓦。 到2 0 0 4 年上半年，全国已有2 4 个省市拉闸限电，最大的电力缺口达到了3 0 0 0 万千瓦， 电荒波及全国，就连广西、云南、贵州、山西、内蒙古、甘肃、青海、宁夏等经济欠发达的 西部地区也出现“电荒”，早先被国家发改委用来证实“非电荒”的辽宁、吉林等省，也于冬 天先后出现了大面积的拉闸限电。在全国性缺电中，其中浙江、江苏、山西和内蒙古西部四 个电网最为严重，处于持续拉闸限电状态。 电力短缺已成为国民经常发展的最大瓶颈，“电荒”持续不断，造成基于“电力总体过剩 形势”的电力体制改革方案，几乎丧失了具体实施的现实基础。虽然形式上，以人为资产划 拨为主拆分的五大发电集团与国家电网公司、南方电网公司之间形成了“厂网分离”的初步 改革成果，但事关电力体制改革成败的“竞价上网”却因“缺电”而无法真正实施。 而另一方面，电网的薄弱更进一步加剧了供需矛盾。国电公司2 0 0 4 年7 月份的统计，华 东电网电力缺口在1 8 0 0 万千瓦以上，占到全网缺电的6 0 ，其次是华北和华中。西北电网 基本平衡，东北电网则略有富余，在供电高峰期，黑龙江每天向华中和华北输送约6 0 0 万度， 但还有更多的电能，由于网络约束的存在，而送不出去，这就进一步加剧了供电的紧张。 “拉闸限电”的背后造成的直接或间接的影响之大、损失之重是可想而知的。这些现实 问题向电力工业改革提出了重要挑战：对于像中国这样的能源大国，电力需求正处在快速增 长阶段，而且装机容量又不富裕，投资体制尚未理顺的情况下，如何开放和建立电力市场： 在市场环境下又如何保证足够的发电容量和输电容量，以满足当前和将来的负荷需求。 二电力投资减缓的原因 在电力工业进行放松管制、引入竞争的大背景下，包括我国在内的许多国家出现了电力 投资减缓的现象，应该说并不是一个偶然现象，而是有其内在原因。 1 投资主体和目标发生了变化 在传统的垂直管理的电力系统中，发电、输电和配电作为一个整体向用户供电，电力投 资的主体只有一个，即电力公司，相应的目标函数是在满足规划期内负荷需求的前提下，使 得运行和投资成本最小。而电力工业重组后，发电侧引入竞争机制，发电公司成为自负盈亏、 独立经营的实体，这样，它们更多地以自身盈利最大为目标，而较少考虑整个系统的充裕性 和可靠性。也就是目标函数发生了变化。 在传统电力工业中，电力公司需要保证系统的安全可靠运行，提供充足的发电容量，政 府或其委任的监管机构保证发电投资的收回和合理的投资回报。但在电力市场环境下，对新 增发电容量没有统一的规划，发电公司由于不能保证其投资的回收和合理的投资回报，也就 不在承担保证充足电力供应的责任。因此。虽然实行电力市场之后，分配效率得到提高，但 电力供应趋向于小于社会最优的需求，储备裕度正在逐步下降。 在电力市场改革的过程中，不同的市场成员或利益主体所追求的目标各不相同：政府的 目标是保障资源优化配置和国民经济可持续发展的宏观战略计划；电力公司的目标是自身利 润最大化，并力图通过各种手段保持在市场竞争中的有利地位；消费者的目标是能购买到价 格低廉、安全、可靠的电力，同时能获得优质服务；环保机构的目标是控制电力企业造成的 环境污染，保持生态平衡；电力监管机构的目标是通过竞争实现最优选择和市场均衡，通过 监管实现整体利益和价值的最大化p ! 。 2 电源规划与电网规划难以协调 在垄断体制下，电力系统的所有资产，包括电源和电网都属于同一个电力公司，因此可 以根据负荷预测进行统一的规划。电力市场环境下，电源与电网属于不同的所有者，电源的 建设也由不同的投资者进行，因此无论是电源的规划还是电网的规划，都变得比以前更加复 杂、困难。在进行电源规划前，很难得到电网规划的相关信息，反之亦然。这显然使得电力 投资决策的难度和风险加大了，结果是使投资者放弃或推迟了某些应该投资的项目。 3 市场缺乏足够的投资激励机制 我们都知道，电力投资具有成本大、回收期长的特点，而且单机容量越大越经济，这就 导致电力投资的进入门槛比较高，承担的风险也比较大。为了保证系统的长期可靠性，需要 一种激励机制来鼓励投资。但是激励机制如何建立? 仅靠能量市场能否回收投资成本? 如果 需要容量市场，应该如何设计? 既要达到鼓励投资的目的，又要限制过度投资，是需要进一 步研究的问题。 此外，投资激励机制的缺失也直接导致高峰负荷发电投资的不足。高峰负荷通常是很特 殊的天气或者发生某些重大事件的结果，它的持续时间一般很短。这样，高峰负荷时价格必 须很高，从而使满足高峰负荷需求的投资能够得到回收并有所回报。一般来讲，由于期望的 收益非常不稳定，而且很可能无法收回投资成本，因此，高峰负荷发电投资的水平仍然是一 个很敏感的问题。在高峰负荷时只有少数发电厂的参与使得有人置疑，电力市场的价格信号 是否可以引导出足够的高峰容量。 4 缺乏适合市场条件的一整套发电规划的理论、模型和算法 大家都知道，传统的发电规划有套成熟的理论和方法，它的一般过程是，根据规划期 内的负荷预测的情况，形成等值负荷曲线，然后进行随机生产模拟，其中要考虑机组的故障 停运和计划检修，然后以系统可靠性最大或运行成本最低为目标，给出最优的电源规划方案， 这一过程还要与网络规划相互协调。但是在市场条件下，发电公司作为独立的实体，不会以 系统的可靠性为规划目标，另外规划过程也很难与网络规划相互协调。这就使得原有的规划 方法失效了。从而亟需新的理论和方法来辅助发电公司的投资决策。 三发电规划理论的研究现状 1 发电规划的市场机制研究 4 目前国际上对于在电力市场环境下如何才能保证充裕的发电容量存在广泛的争议。尽管 电力工业改革的必要性已被普遍认同，但对于应该采用什么模式却存在广泛的争议。一个相 关的基本问题是：是否仅靠能量市场就可以提供确保充裕的发电容量的激励? 或者是否需要 建立容量市场或向发电公司支付容量费用? 文献【1 对市场环境下的发电容量充裕性问题进 行了深入分析，认为支付不同形式的容量费用或建立容量市场对于保证发电容量的充裕性是 必要的。 国际上有些电力市场，如美国加州、挪威、加拿大的阿尔波特和澳大利亚等，只有能量 市场，而没有容量市场，也不支付容量费用。设计这些市场时，发电容量充裕性问题被忽视 了，这是因为在电力市场化的提议阶段，这些电力系统中有巨大的富裕容量或市场设计者认 为市场本身可以解决这个问题。 2 规划方法 g e p ( g e n e 枷o ne x p a l l s i o n p l a n n i n g ) 问题是解决在相当长的时期内，在何时何处新建发 电机组的问题，在传统的垂直管理模式下，判据通常是在各种约束条件下使得总成本最小或 可靠性最高，它是一个非线性整数规划问题，目前已有许多成熟的求解方法，可在适当化简 后通过线性规划、非线性规划、动态规划、整数规划等方法解决。 然而在新的市场环境下，g e p 问题将变得更加复杂，主要表现在如下几个方面： 1 ) 场环境下的发电规划不再是政府或垄断事业公司管理下的统一规划，而是分散到各个 独立的发电公司； 2 ) 发电规划与输电规划分离，输电规划由电网公司或区域输电组织负责，二者之间难以 协调，使得不确定因素增多； 3 ) 利润最大化是发电公司追求的目标，因而规划的目标函数由传统的系统总成本最小变 为发电公司利润最大： 4 ) 竞价上网使得电能的定价不再以成本为依据，政府不再确保发电投资能够回收： 5 ) 各发电公司的目标是使其自身利益最大化，然而他们的目标又相互联系相互制约： 上述因素使得发电投资者面临更多的挑战，能否制定灵活稳妥的规划方案，将决定其未 来的市场收益能否弥补投资成本，这要求发电公司能够较准确地把握市场走向，充分了解影 响市场运营的主要因素，借助各种工具对投资方案进行合理模拟和风险分析。显然，传统的 发电规划方法已不能胜任，而亟需研究新一代适于市场环境的规划方法。针对这一情况，目 前已有部分文献提出了不同的解决方案。 ( 1 ) 分解技术 发电扩展规划( g e p ) 是一个大规模非线性混合规划问题，为处理该问题的复杂性，多 数方法都应用了分解技术”1 。 市场环境下，各发电公司基于自己的负荷预测、市场份额及经营策略，独立做出投资决 s 策。然而一般而言，总有一个管理机构对总体投资情况进行调节，以稳定长期电力市场，防 止投资不足或过度投资。文献 4 】提出的分解方案对这种情况进行了模拟，将投资问题分为主 问题和子问题，前者是针对管理机构，其任务是应用随机生产模拟，对长期市场的电价和容 量稳定性进行评估；后者是针对各发电公司，目标是根据主问题提供的信息，应用优化算法 使得自身的利润最大化。两者之间进行迭代，最终得到投资问题的均衡解。如图2 所示： 图2 电源规划的分解方法 其过程是：各发电公司首先根据自己的决策判据( 如需求预测、市场瓜分情况、商业策 略等) ，决定最初的新增容量计划，并提交给管理者，管理者搜集所有发电公司的初始决策计 划，应用随机生产模拟技术评估未来市场的容量充裕性、燃料组合比例及市场电价，将相关 信息包括期望电价水平、燃料组合比例、发电公司的期望收益、发电公司的发电量、系统可 靠性水平等分别反馈给各发电公司，各发电公司依据这些信息和各自的决策判据，应用遗传 算法进行各自最优化，得到的最优决策方案再次返回给管理者，直至各发电公司不再改变决 策方案为止，即达到均衡。 此外，文献 5 ，6 】将电源规划问题分解为相互协调的两个模块：投资优化模型和生产模拟 模块。前者根据从生产模拟模块得到的项目利润的概率分布情况，对机组类型，装机进度和 规模，以及融资结构等决策变量进行优化，给出电厂的投产进度时间表以及各种来源的资金 在总投资中所占的比例，并将优化得到的决策变量返回给生产模拟模块；后者根据投资优化 模块给出的决策变量，考虑各种因素( 负荷，电价。水文，其他电厂的成本及报价，燃料价格 等) 的不确定性，采用蒙特卡洛方法模拟电力市场中竞价上网，按实时边际价格结算的机制， 计算并输出给定方案的利润额及概率分布，返回给投资优化模型以计算目标函数值。文中还 应用经济博弈论对投资者之间的竞争行为进行了模拟。 文献( 8 将整个扩展方案分为两个子问题，一个与新建电厂有关，印投资子问题，另一个 与系统运行有关，称运行子问题。并用迭代遗传算法( i g a ) 解决投资子问题。 6 ( 2 ) 博弈论方法 由于电源规划的资金密集特性及规模经济特性，使得发电侧市场不可能是完全竞争市场， 而更象寡头竞争市场。另一方面，各寡头尽可能地使自身利益最大，相互之间存在互动和制 约关系，普通的优化方法难以处理此类问题，而一个可行的方法是应用博弈理论。 文献( 5 认为，尽管系统中可以有多个投资商参与竞争，但竞争的结果总可以表达为两个 部分，一部分是宏观上的电源装机发展的趋势，由电源规划结果表现，采用蒙特卡洛模拟分 析；另一部分是微观上随机的扰动，由唯一的额外竞争对手表现，采用博弈论方法分析。于 是这一额外的竞争所造成的影晌，可以采用双人静态博弈模型。 f f w u 等【9 】基于非合作搏弈论，提出了适于发电投资分析的古诺寡头模型。其对问题的 求解分为两个层面，在底层，各参与者分别做出最优决策，以使自身利益最大：在上层，寻 找整个博弈问题的古诺均衡。 然而，尽管博弈论在处理市场行为方面具有内在的优势，但实际应用中仍存在计算维数 问题，即当参与者较多时，其均衡解往往很难求得【4 1 。 ( 3 ) 动态规划方法 动态规划是运筹学的一个分枝，它特别适用于多阶段决策问题。 文献【l o 】对非确定因素用离散随机过程来模拟，构造场景树风险管理模型，对场景树中 的每一个状态，计算水火电机组的发电利润，将所有电厂的利润相加，然后对期货和期权进 行动态交易，以使风险测度最小。 ( 4 ) 风险值 风险值( v a l u e - 如鼬s k ，简称峨) 是新近发展起来的一种有效的风险量化技术，它是指 在正常的市场条件和给定的置信度内，用于评估和计量任何种投资组合在既定时期内所面 临的市场风险大小和可能遭受的潜在最大价值损失【l l - 1 3 】。 度量风险值的关键在于描述投资组合在评估期间收益的概率分布，常见估算风险值的方 法有三类：协方差矩阵估算法( v a r i a n c e c o v 撕a n c ea p p r o a c h ) 、历史模拟法( h i s “捌c a l s 面u l a t i o n a p p r o a c h ) 和蒙特卡罗模拟法( m o n t ec a d os i n l u l a t i o n a p p r o a c h ) 。 文献【1 1 】认为通过建立v a r 模型可以帮助发电公司在投资决策之前进行风险评估。风险 值v a r 是对运作发电资产的风险的测度。文中应用m o n t ec 砌。方法模拟不同的定价和发电 出力场景，并计算i r ，以使g e n c o s 的经济风险最小。 ( 5 ) 其它方法 鉴于市场环境下g e p 模型的复杂性，一些文献应用了协同进化算法【1 4 】，多a g e n t 【。引，神 经p 目络、和模糊逻辑技术及其它人工智能算法f 1 6 ，对g e p 问题进行优化求解。文献f 1 8 1 提 出的发电规划方法，综合利用了人工智能、将规划分为两个层面，即国家层面和地区层面， 前者从总体上把握发电资源的最优分布，有许多目标，如环境目标、经济发展目标、节能目 标、最优利用能源目标等。后者应用博弈理论模拟发电方的竞争行为a 但总体来看，截止到目前，针对市场环境下的g e p 问题的研究成果相对较少，且相当初 步。 四市场环境下电源规划需要解决的问题 1 建立适合国情的投资激励机制 在电力市场的不同阶段，必须明确改革的主要目标和次要目标，首先，在任何时期都必 须保证电力系统的安全、可靠和稳定运行。在初期的市场改革中，应更多地关注电力投资和 融资，以适当超前国民经济发展速度的思路激励各方投资建厂，并加强电网和基础设施建设。 而在成熟和比较发达的电力市场中，买方市场的格局已经形成，市场力受到监督和制约，改 革的焦点应该集中在提高竞争力度、降低电价和成本、提高市场运行的效率。 在完全竞争的市场中，产品价格本身就是一种激励，价格信号与投资之间是一种“负反 馈”的作用，产品的高价格会刺激投资，从而导致产量增加，最终使价格达到合理的均衡点。 然而，在寡头垄断的发电市场中，市场价格这只无形的手并没有起到应用的作用。 新建电厂通常需要两年甚至更长的时间，一旦新电厂开始兴建，就不能停止投资，即使 电价已经开始下滑。加之电源投资的规模效应，导致电力行业对发电容量过剩和容量不足的 反应有些滞后，市场的高价格往往持续一段时期之后，才引起引一轮的发电投资，此时如果 监管机构引导或管制不当，很可能导致将来一段时间的容量过剩和市场低靡，随之而来的是 长时间再度没有容量投资，引起价格走高，从而引发新一轮投资。 在今后两年内，中国政府计划建设1 4 4 家新电厂，新增装机容量为7 5 千兆瓦，这应该差 不多足以使供需平衡。但另外还有装机总量为2 5 0 千兆瓦的电厂等待批建，许多电厂可能会 先建后批。2 0 0 3 年后开工的火电项目将于2 0 0 6 年前后投产，巨大的新增发电量将面临过剩 的危险。由缺电引发的电力投资热潮将可能导致2 0 0 6 年前后的电力过剩。 总之，在新的市场环境下，如何设计投资的激励机制，如何引导电源的有序投资，具有 举足轻重的意义。 2 研究市场环境下的负荷预测 负荷预测是电力系统规划的基础和依据，决定未来新建发电机组的安装，决定装机容量 的大小和地点，决定电网的建设和改造，是我国实现电力市场的必备条件，具有重要的理论 意义和实用价值。 过去2 0 年是我国电力工业快速发展时期。使我国装机容量及年发电量都跃居世界第2 位。 然而在9 0 年代后期，出现了电力建设的人为放缓，最典型的就是“三年不上火电”政策。在 1 9 9 7 年以前，国内电力投资建设的规模，平均每年都在2 0 0 0 万千瓦以上，然而，到了1 9 9 8 年，由于判断错误，认为电力需求不再增长，当年开工规模陡然下降为1 0 2 1 万千瓦，1 9 9 9 年和2 0 0 0 年，更是迸一步下跌，连续两年只有6 0 0 万千瓦。直到2 0 0 1 年，这个下跌势头才 得以恢复。 然而，此时的用电需求，已经不是1 9 9 7 年以前的水平。随着产业结构调整的完成，新一 轮经济增长开始，带动用电需求加速增长，2 0 0 0 年到2 0 0 3 年间，全社会用电量分别增长 1 1 3 6 、9 0 3 、1 1 6 和1 5 4 ，但是，此时发电装机增长量分别是6 8 8 、6 、8 3 9 ， 不仅发电装机增长远远落后于用电量增长，新开工规模也没有及时调整。缺电形势进一步加 剧，导致2 0 0 2 年出现了电力缺口2 0 3 5 万千瓦，2 0 0 3 年甚至高达4 4 8 5 万于瓦。 电力供需失衡一方面来自经济增长本身的剧烈波动，一方面来自管理机构对电力需求预 测的失误，在“十五”电力规划中，对全社会年均用电量增长的预计为5 左右。而实际上， “十五”初年，这一数字便升至1 0 以上，2 0 0 4 年，更是平均达到了约1 5 的增幅。 3 需求侧管理 电力需求侧管理是指引导电力用户优化用电方式，避开或错开用电高峰，提高终端用电 效率，达到有序用电、节约能源，实现低成本电力服务所进行的用电管理活动 为了解决短期容量不足问题，充分利用需求侧的用电灵活性和电力消费弹性非常重要， 尤其是在仅有能量市场的电力市场中。为了达到这个目的，需求侧管理是必要的。在存在潜 在的电力短缺的情况下，将终端用户分优先级供电也是个选择i l 】。 2 0 0 4 年通过加强需求侧管理，有效缓解了电力供需矛盾，调节了电力供需平衡。i 虱家电 网公司系统夏季日最大电力缺口达2 9 8 7 万千瓦，通过对用户实施需求侧管理，消减高峰用电 负荷2 1 8 6 万千瓦。南方电网最大电力缺口5 0 0 万千瓦，通过实施需求侧管理，基本实现了“限 电不拉路”“错峰不减产”。 4 分布式发电 分布式发电( d g ) 【1 9 _ 2 3 】是电力工业发展的一种新趋势。分布式发电指的是在用户附近配 置较小的发电机组( 几十千瓦到几十兆瓦) ，以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济 运行。这些小的机组包括燃料电池( 如e lc e l l s ) ，微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e ) ，光伏电池 ( p h o t o v o l t a i c ) 和风力发电等。就近发电、分散供电的分布式发电能够给用户和社会带来巨 大的效益，包括减少输配电成本、减少排放、提高可靠性。此外，由于分布式发电设施的安 装周期短，不需要现存的基础设施，而且与大型的中央电站发电设施相比总投资较少，因此 在电力竞争性市场建立后分布式发电的作用将会日益明显和重要。 ( 1 ) 分布式发电系统中各电站相互独立，由于用户可以自行控制，不会发生大规模 停电事故，所以安全可靠性较高。 ( 2 ) 分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电 己成为集中供电方式不可缺少的重要补充。 ( 3 ) 利于环保。因其采用天然气、太阳能、风能等做能源，故可减少有害物的排放 量，大大减小环保压力。 9 ( 4 )分布式发电输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，可降低或避免附加的 输配电成本，同时土建和安装成本低。 ( 5 ) 可以满足特殊场合的需求，如用于重要集会或庆典的移动分散式发电车。 ( 6 ) 调蜂性能好。 ( 7 ) 投资风险小分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短，因此可避免类似大 型发电站建设周期长带来的投资风险。 分布式发电与可替代的输电和配电投资的比较。在一些情况下，分布式发电的安装可降 低输电和配电的成本，或替代新的输电和配电的投资。这也是为什么许多电力公司已经开始 在经济可行的前提下鼓励分布式发电的发展。但是，能否节省成本在很大程度上取决于系统 的需求、分布式发电运行的规则和方式。 但d o 并网后，对系统潮流、电能质量和运行可靠性等方面也产生了一些负面影响口2 “ ， 目前仍存在某些技术瓶颈，影响了d g 的广泛推广和应用。 5 建立一整套适合市场环境的规划理论和算法 对投瓷者而言，市场环境和政策法规是外因，依据什么理论和算法做好投资抉策，则是 决定项目成败的内因。由于电源投资形成的沉淀成本非常大，回收期又比较长，如何处理回 收期内的市场不确定因素，如何计算投资方案的期望收益，是决定算法优劣的依据。虽然已 有学者对市场环境下的电源规划展开了研究，但已有的研究成果离实际应用尚有很大差距。 亟需建立一整套适合市场环境的规划理论、模型和算法。 五本文的工作 本文尝试将实物期权方法( r o a _ r e a lo p t i o 瑚a p p r o a c h ) 应用于市场环境下的发电投 资决策中，建立了两种决策模型： 1 ) 基于解析方法的发电延迟投资决策r o a 模型：随着电力工业放松管制和市场化 改革的逐步深入，发电投资将趋于分散化和多元化。由于电力市场中存在着大量 的不确定性因素，且发电投资具有资本密集性和不可逆性，这样选择有利的投资 时机对发电投资者就十分重要。本文构造了发电投资项目延迟决策的实物期权模 型，可以得到最佳投资时间，较好地计入了投资灵活性所具有的价值，体现了人 们面对不确定因素时的能动性。 2 ) 基于动态规划方法的发电投资决策r o a 模型：如果投资项目所含的宴物期权比 较单一，且方案间的相关性不大，则可以应用r o a 的解析方法直接求解。然而， 多数实际项目并不满足这一要求，决策过程往往比较复杂，难以构造相应的解析 模型。针对这一情况，本文用二叉树模拟市场电价的变化过程，并用动态规划方 法计算其隐含的实物期权价值。不仅能够处理复杂的多阶段决策问题，而且使人 们能更直观地了解决策过程。 们能更直观地了解决策过程。 在上述工作的基础上，本文最后对r o a 在电力系统中的应用前景进行了展望，指出了需 要进一步研究的问题。 第二章实物期权方法 一传统的投资决策方法 传统的发电规划作为整个电力系统规划的一部分，已有相当长的研究历史， 国内外已经发展了成熟的理论、方法和算法。一般过程为：首先根据规划期内的 负荷预测数据，形成等值负荷盐线；之后，在满足系统可靠性指标( 通常用失负 荷概率表示) 要求的前提下，计及发电机组的可用率( 主要是强迫停运率) 和检修 计划安排，以给定时期( 一般为发动机组的寿命期) 内发电生产总成本最小为目 标，采用随机生产模拟方法对方案进行优选。必要时，还需与输电规划相协调。 电力工业改革后，发电规划的主体由整个电力系统的规划部门转变为各独立的 发电公司，能否取得适当的利润甚至能否回收投资成本取决于发电公司在市场 中所处的竞争位置以及其所采用的运营策略。发电公司或投资者在进行发电投资 和规划决策时，一般无法得到其它发电公司或其它投资者关于未来的发电投资 或规划方面的信息，这些变化使得原有的规划方法不再有效，亟需新的理论和方 法来辅助发电公司进行投资决策，其中最关键的是如何合理地估算发电公司在 发电机组寿命期内的利润及相应的风险。 传统的投资决策多以净现值p 矿作为衡量项且优劣的判据，其一般包括下 述步骤： 1 ) 预测未来各个规划期内的期望现金流岛； 2 ) 估算与该项目各期现金流相对应的风险折现率七； 3 ) 用下面式( 1 ) 所表示的折现现金流公式求取其现值k n p r 邓2 善南。 a 4 ) 将矿与初始投资，相比较，如果矿 ，则项目值得投资。 由于n p v 法考虑了资金的时间价值，因而从各种投资评估方法中脱颖而出， 成为包括电力系统在内的各种投资决策过程中所广泛采用的方法。然而。随羞电 力工业市场化改革的逐步深化，发电投资所面对的不确定性因素明显增加，n p v 法受到了一些挑战，主要表现在两个方面： 1 ) 主观性较强。在n p v 法中，用不同的贴现率来体现决策者对风险程度的 估计或判断，然而如何确定计及风险调整后的贴现率是一个难题。实际 上，随着环境的变化，风险程度也在变化，相应的贴现率也应该是变化 的a 用单一的贴现率代替所有可能出现的贴现率，会导致评估可信度降 低。n p v 法一般只适用于期限短、不确定性小、变动程度不大的项目。 2 )缺乏灵活性。n p v 法隐含着这样一个基本假设：决策是一次性孤立作出 的。该方法通过直接预测未来的现金流确定投资方案，并假定会按既定 方案一直执行下去，忽略了实际决策过程中决策者针对环境的变化所具 有的主观能动性。由于不确定性因素的存在，随着时间的推移真实的现 金流可能会偏离预测值，同时原有的不确定因素也会逐步明朗化。此时， 决策者可能会根据当时的市场条件和获得的新信息对原有投资方案进 行调整，如扩展投资、延迟投资、放弃部分投资等，这些调整会使基于 n p v 方法得到的投资方案的净现值失效，从而失去对决策的指导意义。 针对n p v 方法存在的这些缺陷，经济学家们做了大量的研究工作，试图为 不确定性环境下的投资决策找到一些更好的解决途径。已经提出了很多方法，其 中以罗伯特默顿为代表的一些学者提出的实物期权法( r e a lo p t i o n sa p p r o a c h ， 简写为r o a ) 【2 6 1 ，为决策者提供了一种比较独特和科学的决策思维方式。由于 n p v 法的主要弱点在于不能为管理灵活性和不确定性定价，而金融期权的概念 恰好反映了灵活性和不确定性的价值，因而被引入到投资项目的决策分析之中， 形成了所谓的实物期权方法。 期权可以使其持有者在避免标的资产价值风险产生的不利后果的同时利用 其有利的变动趋势，这种收益和损失的不对等性形成了期权的价值内涵，既保证 了高风险所带来的高收益，又能将损失控制在一定程度内。r o a 正是借鉴期权 的思想，将人们在实际决策过程中所具有的灵活性用期权模型来表示，并能准确 给出这种灵活性的价值。 二实物期权的概念 1 金融期权 作为一种金融衍生工具，期权( 叩t i o n ) 是一种可在未来生效的选择权利， 它赋与其持有人在规定的时间内，以事先约定的价格买入( 或卖出) 一定数量的 标的资产的权利f 2 6 ，2 7 1 。它包括买权( 又称看涨期权) 和卖权( 又称看跌期权) 两 种类型。 期权的基本参数包括：标的资产( 如股票、债券等) ；执行价格或约定价格 ；到期日死权利金d ( 即为获得期权，面向合同对方支付的费用) 。 以股票买权为例，假设在股票市场上，投资者认为某支股票是看涨的，就可 以在期权交易市场上，以一定的价格购买该股票的一个买权，在期权规定的到期 日，如果股票价格确实上涨了，显然最优决策应该是执行期权，也就是以相对比 较低的约定价格购买股票，然后以相对较高的市场价出售，从中获利。相反，在 期权到期月，股票价格也有可能是下跌的，此时最优的决策是不执行期权。从这 一过程我们可以看出，期权的价值是不对称的，也就是说，当股票价格上涨的时 候，期权的盈利也是增加的，但是当股价下跌的时候，期权的损失是个固定的 值，也就是购买期权所付出的权利金。而如果直接购买股票的话，实现的盈利是 对称的，股价上涨越多，盈利越多，股价下跌越多，损失也越大，如图3 所示。 可见，通过期权这种金融工具，入们可以根据市场条件的变化采取不同的行动， 从而，既可以实现高利润，又可以避免市场风险，这就是期权的灵活性价值。 。，强l 珊 簿搬 。，f ， 。 二淫 蠢 事j 一 2 黪攀 图3 期权债值的不对称性 i h g 3 a s y m m e t r yo f o p n o n sp r o n t 2 实物期权r o a 与金融投资类似，项目投资中同样存在类似的选择权。决策者可根据环境的 变化做出不同的选择，如当前的市场情形较预期好时选择继续或扩大投资，反之 则缩小或放弃投资。正是基于项目投资与金融投资之间的这种对应关系人们开 始考虑用相对成熟的期权理论来分析实物投资项目，从而将实际投资项目看作现 金流和一系列期权的组合【2 8 。3 0 】，对项目投资进行定量分析就转化为对现金流和 系列期权的定价分析。这种将实物项目与金融期权结合的分析方法就被称为实物 期权法，即r o a 。 按照r o a 法的思想，假定决策者能够辨明和使用决策过程中的“期权”，则 增加的不确定性能够带来更高的价值，如图4 所示。 图4 项目价值与不确定性 f i g 4 p r o j t 、恤l u e n du n c e r t a i n t i e s 在投资和回报都相同的情况下，人们更愿意选择那些具有灵活性的项目，这 实际上是因为这种灵活性本身就是种有价值的期权。l u e h m l a n 提出了一种扩 展n p v ( e x t e n d e dn p v ，简写为e n p v ) 的概念，其价值被定义为： p 玉y = 巧w + f ( 式中：，为项目本身的净现值；目叨为项目所含期权( 灵活性) 的价值，它是项 目收益现值矿的函数。 三实物期权的定价方法 期权意味着相机决策，它允许人们根据市场条件的变化采取不同的行动。在 决策时刻假如情况向着比原来预期的更好的方向发展，则做出种决策，反之 则做出另一种决策。这种用期权形式表示的灵活性本身是有价值的，然而怎样定 量评估期权的价值曾是度困扰经济界和数学界的难题。1 9 7 3 年，美国经济学家 b l a c k 和s c h o l e s 根据无套利原则，导出了金融期权应满足的偏微分方程，并给出 了其精确解，即著名的“b s 期权定价模型”i 州，在期权定价方面取得了突破性 进展，并因此于1 9 9 7 年获得了诺贝尔经济学奖。此后，陆续有学者提出了不同 的期权定价方法，一般说来，有五种期权定价方法： 解析方法：基于偏微分方程，对b s 模型直接求解。 解析近似方法：对一些解析定价公式不存在的期权，如美式标准期权， 算术平均期权等，利用偏微分方程或概率方法可求得其近似解析定价公 式。 二叉树方法：是一种离散方法，它假定在每个小的时间步长，标的资产 价格面临上涨或下跌两种可能，从而标的资产价格运动的可能路径形成 一个二叉树图。从树图末端向后递归计算可求得当前期权的价格， 有限差分方法：这是偏微分方程数值解的一种常用技术，它利用差分逼 近将b s 模型转化为一组差分方程来求解。 m o n t e c a r l o 模拟：利用计算机模拟标的资产价格的随机运动和对应的 期权收益，并将收益按无风险利率进行贴现。由大量的随机样本得到的 贴现后收益的算术平均值即为这一期权价格的估计值。 上面提到的后三种方法属于数值方法，对于大多数期权而言，解析定价公式 是不存在的，并且已有的解析定价公式多数也仅仅局限于参数为常数等较特殊的 情形，因此，寻求快速高精度的数值方法才是根本的期权定价方法。与二叉树方 法及有限差分方法相比，m o n t e c a r l o 模拟的速度较慢，并且不能处理早期执行， 因而不能用来定价美式期权。此处，仅对常用的解析方法和二叉树方法作一简单 介绍。 b 1 a c k 和s c h o l e s 推导期权定价模型时，假设标的资产( 如股票) 价格变动 满足几何布朗运动( g b m ) ，基于无套利原则，得出期权价值f 应满足如下的偏 微分方程； 一r f + 堡+ ，矿堑+ 0 5 盯2 矿2 堡：o 钟a 矿a 矿2 迸一步可得到其解析解，即著名的b s 模型 f = 矿( d 1 ) 一三p - ，7 ( d 2 ) 弘坚芝产 ( 3 ) ( 5 ) d l = d l 一仃 j t ( 6 ) 式中：f 为期权价值，矿为标的资产价格，三为执行价格，为期权有效期，为 无风险利率，仃为标的资产波动率，( ) 为标准正态分布的累积概率分布函数诧e 意到在b s 方程里没有出现标的资产的期望回报率d ，这意味着期权价格与投资 者的期望回报无关。 由式( 4 ) 一式( 6 ) 可知，影响期权价值的因素有五个，如表l 所示。 表1 影响期权价值的五要素 t h b l e1 f i v ef a c t o 略a s s o c j a t e dw “h 恤ev a l u eo f o p t i o n s 在b s 模型被提出之后，c o x f 3 2 】等基于二叉树也推出了期权价值的计算方法， 二叉树方法又称动态规划方法，以对标的资产价值变化的一种简单描述为基础， 认为标的资产价格的运动是由大量的小幅度二值运动构成的。把期权的有效期分 为”个足够小的时间段，设资产当前价格为，则经过& 后，标的资产价格 运动到两个可能的新值，即以概率p 上升到甜，或以概率1 - p 下降到d ，如图 5 所示。为便于计算，通常设“d = l 。这样，经过h 期后，在到期日资产价格k 的 可能值为： k = “。d ”。j = 0 ，1 ，一一， ( 7 ) 圈5 二叉树及到期日的资产价格分布 f j g 5 b i 肋m i a ll 丑t “c e _ n dp o r b o b j i i t y d 缸t r l b u n o o f a 璐e t p r i c e o n e x p i r 丑t h l d g t e 二又树图表示了期权的标的资产价格在有效期内可能遵循的路径。由概率论 可知，随机变量服从二项分布，即= “。d ”的概率为q p 7 ( 1 一p ) ”。显 然，期权在到期目的价值为e = m a x ( 0 ，k 一三) ，为获得期权在期初的价格， 可从第期开始逐期向前递推，不难得到： r = 【c _ p 。( 1 一p ) ”m a x ( o ，甜7 d ”一。一上) 】g ”4 ( 8 ) j = 0 二叉树定价方法的关键在于确定上涨因子”和下跌因子d ，二者均与资产价 格的波动率盯有关。前面提到，b - s 模型假设资产价值服从对数正态分布，而对 一个给定的对数正态分布，可以通过选择适当的参数，用二项分布来逼近。文献 3 3 证明了通过选择适当的参数、d 和p ，可以用二项式期权定价模型( 8 ) 来逼近b s 模型( 4 ) ，从而得到： 村= p 4 一血 ( 9 ) d = e 一。n “ p = 1 + ( ( ，一仃2 2 ) 盯) _ 】2 ( 1 0 ) ( 1 1 ) 动态规划方法是解决期权定价的一个很有用的方法，它能使人对期权的价值 来源有更直观的认识，而且它能处理复杂的决策结构。 对实物期权而言，一般不存在交易市场，仅仅是借用金融期权的思维来研究 实物投资，但实物期权理论认为，金融期权与实物期权之间存在一一对应的关系。 它们之间的参数对应关系如表2 所示，上述各期权定价方法完全适用于实物期 权。 表2 金融期权与实物期权的对照 t a b l e2 c o m p a r i s o n s0 f 矗n 8 n d a io p n o n sa n dr e a lo p n s 参数 金融期权 实物期权 y 股票当前价格 项目期望现金流 三 执行价格 投资成本 丁 有效期 投资机会持有期 。 股票波动率 项目价值波动率 ， 无风险利率 无风险利率 下面通过例子对n p v 方法和实物期权法进行比较。设某投资者考虑在某地 l r 兴建电厂a ，固定成本( i 许可证、土地和设备等) 需5 0 亿，寿命期内的期望净收 益的折现值为4 0 亿。5 年后可以在该厂新增数台大容量机组，扩建机组的成本为 1 0 0 亿，估计寿命期内的净收益的折现值为9 0 亿。但市场存在较大的不确定性， 电厂收益的波动率为8 。无风险利率，；o 0 6 。现在要决策是否投建电厂a 。 按照n p v 法的观点，无论是先期项目，还是5 年后的扩张项目，净现值均小 于o ，如表3 所示，故不应投建此项目。然而，若用r o a 方法来分析，由式 ( 1 1 ) 一( 1 3 ) 可得扩展项目的扩张期权的价值为1 7 3 4 亿元，加上先期项目的净现值， 项目可实现的总净收益为7 3 4 亿元，故应投建该电厂，与n p v 法得到的结论相 反。原因在于扩展项目的价值具有波动性，且扩张项目的投资决策具有灵活性， 可根据5 年后的实际市场情况相机决策，具有灵活性价值。n p v 法则无法考虑这 种灵活性的价值。 表3n p v 法与r o a 法的比较 r a b i e 3 c o m p a r i s o n so f n p y a n d r o a m e 恤o d s 先期项目p r 胛r = 4 0 - 5 0 ；l o 扩张项目v = 9 0 - 1 0 0 ；l o 扩张期权 现值降9 0 投资成本；1 0 0 期限l = 5 波动率a = 0 0 8 无风险利率r = 0 0 6 可见，r o a 法对标的资产的相关信息要求很少，除了已知的投资成本和无风 险利率外，仅需知道其现值和波动率。此外，r o a 法中采用无风险利率，无需对 贴现率进行风险校正，使定价过程独立于个人的风险偏好。比较而言，n p v 法是 一种刚性的投资项目评估方法，其不能处理决策者根据市场情况变化灵活调整 投资决策的能力。而实物期权法则属于柔性评估方法，能够捕捉决策者对环境变 化作出的积极响应p w 。 1 9 第三章基于解析方法的发电投资r o a 方法 一r o a 在电力投资中的应用范围 随着电力工业改革