传统电力市场安全备用成本分摊存在不足 [page::1][page::2]

• 备用成本主要源于最关键的可置信事故，传统成本分摊多按比例分配，引发补贴和效率低下问题。

- 大多数市场未充分考虑备用交付的传输限制及动态需求，导致定价缺乏准确性和激励效果。

引入安全费的因果关系定价框架 [page::2][page::3][page::8]

• 提出一种基于拉格朗日乘子构建的因果关系定价方法，将安全费纳入发电机成本分摊，依据其对备用需求的贡献程度收取费用。

- 统一电能、备用和传输的定价框架，保证发电商利润非负且无缺口（收入充足性和中性）。

• 安全费有效映射了单个发电机对应的风险责任，改善了传统uniform pricing下出现的缺钱问题。

简化单母线模型示例验证 [page::4][page::5][page::6][page::8][page::9]

• 示例中三个发电机故障与负荷120MW，传统定价导致发电商总收入超出用户支付，产生缺失资金5200美元。

- 新方案计算安全费后，总收入与用户支付完全匹配，消除缺口。

• 发电机1因对备用需求贡献最大，被收取安全费，激励其减少风险责任。

网络约束下的扩展模型及上下调备用、传输定价 [page::9][page::10][page::11][page::12][page::19][page::20]

• 扩展考虑网络拓扑、发电机与输电线路故障、需求响应，分别定价上下调备用。

- 通过双边市场拉格朗日对偶函数，精确计算各节点输电拥堵费和备用价格，实现传输资产收益补偿。

• 两节点示例显示：生成商2、3的上调备用收入增加，生成商2的下调备用收入下降，发电机1承担安全费。

- 新定价模型使得用户支付覆盖生成商和传输商收入，无需场外补偿金。

收益充足性和中性的理论与实践保障 [page::24][page::25][page::26]

• 证明定价框架保证所有市场参与者非负利润，且消费者总支付等于生产者和输电商总收益。

- 理论基础依据优化问题强对偶性与KKT条件，确保市场清算的数学一致性。

未来方向

• 拟扩展多期模型捕捉时间关联性；

- 引入可再生能源不确定性，提高定价反映多变性；

• 深入研究安全费及备用激励对市场参与者行为的经济影响。[page::20][page::27]

金融研究报告详尽分析报告

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1. 元数据与概览

• 报告标题： A Causation-Based Framework for Pricing and Cost Allocation of Energy, Reserves, and Transmission in Modern Power Systems

- 作者及隶属机构：
- Luíza Ribeiro、Alexandre Street（里约热内卢教皇天主教大学电气工程系，巴西里约热内卢）
- José M. Arroyo（卡斯蒂利亚-拉曼恰大学工业学院，西班牙Ciudad Real）
- Rodrigo Moreno（智利大学FCFM，圣地亚哥，智利）

• 发布时间： 未明确具体日期，参考引用时间截止2025

- 研究主题： 现代电力系统中的电能、储备及输电定价与成本分摊，提出基于成本因果关系的定价机制。

核心论点摘要：
报告针对现代电力系统中运营储备（Operating Reserves, OR）的成本分摊难题，提出一种基于成本因果关系的定价和成本分配框架。该方法基于考虑事件约束（contingency-constrained）的能源与储备联合调度模型，通过引入“安全费”（security charge）机制，明确区分上调储备、下调储备及输电服务的价格，保证市场的收入充足性与中立性。该框架旨在反映储备成本真正的诱因，激励发电厂提升可靠性，同时对输电资产的经济激励也给予明确定义，最终实现更合理高效的电力市场。报告中还附带两案例数值实验验证方法的有效性。

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2. 逐节深度解读

2.1 引言（Introduction）

• 总结：

引言指出，电力系统安全性（系统能承受发电机故障、线路故障、负载变化且无非自愿负荷切除）是行业首要目标。近年来，由于自然灾害频发和低惯性发电（如可再生能源）渗透率激增，系统脆弱性增强，运营储备成本比例快速上升。现行市场设计多采用联动（joint）或顺序（sequential）模式清算能量与储备，但均存在不足：顺序模式因储备传输容量配置不理想导致效率损失，联动模式虽然效率高但储备需求静态设定，未充分反映动态运行特征且储备传输可交付性难以保证。且储备成本分摊上通常按用电量比例分配，缺乏公平性和成本因果关联性。作者指出，只有澳大利亚部分电网尝试应用因果成本原则，且执行情况不一。研究需求在于融合能量、储备、输电的统一定价且真正体现成本因果关系。

• 论据与假设：

- 系统安全靠储备保障，且其成本不断增长。
- 市场设计未充分考虑储备的动态特性和传输约束。
- 成本因果关联性原则尚未普遍应用，导致效益和公平性不足。

• 关键数据与文献支持：

多篇文献支持联动市场实践及其优势（PJM、CAISO等），并强调低惯性系统下大机组故障是储备成本主因（Matamala et al., 2024），指出现有按用电比例分摊引起的交叉补贴等问题。

2.2 简化模型下的安全费（Section 2）

• 模型建立：

采用单母线单时段模型，考虑发电机故障的确定性安全约束，调度发电与向上旋转备用（上调储备），目标为最小化发电成本和储备成本。主要约束有功平衡（含故障态）、发电机产能和储备容量限制。

• 现有定价框架缺陷：

复现Arroyo and Galiana (2005)的均价原则，能源和储备价格分别由功率平衡方程的拉格朗日乘子确定。通过数值案例分析（单母线，三台发电机，负荷120 MW），发现生成商收入远高于消费者支付，产生"missing money"现象，系统收支不平衡。

• 新定价系统的提出：

作者沿用拉格朗日对偶理论拆解现有的价格机制，引入“安全费”，即对导致储备需求的发电机进行额外收费，依据其在各种故障状态下的贡献。该机制实现了：
- 透明、公平的成本分配，
- 市场结算的收支平衡（消费者支付=发电商收入），
- 保障发电商利润非负，避免发生亏损失去激励。

• 关键公式解析：

- 拉格朗日函数分解后，每个发电机的利润拆解为：能源收入 + 储备收入 - 安全费。
- 安全费计算机制是基于故障状态下发电机的调度容量乘以对应的乘子价格。

• 案例效果：

按新机制，示例中关键发电机1因其故障导致储备需求，需支付安全费，总收入与消费者总付费完全对应，之前的资金缺口消失。

• 定理：

- 收入充足性定理：发电机利润保证非负。
- 收入中立性定理：市场总消费支付等于发电收入，避免资金缺口。

2.3 复杂网络与传输约束扩展（Section 3）

• 模型扩展：

引入多节点网络（两母线一条线路）、同时调度上下旋转备用以及纳入负荷响应，引入线路故障共轭。目标函数增添消费效用及储备成本减项，约束包括潮流限制、节点功率平衡等。

• 现有框架挑战：

在复杂网络条件下，沿用均价法产生显著经济不合理现象：
- 生成商与消费者利润总和远超社会福利价值，透明度和经济性下降，
- 消费者支付不足以覆盖发电商收入与输电费用，需市场外补偿，恶化市场信号。

• 新定价系统设计：

对偶优化框架下分拆能量价格、上下旋转备用价格和线路拥堵价格：
- 输电价格基于线路流量约束乘子，反映传输拥堵带来的费用，输电资产可得明确补偿。
- 旋转备用价格分别计价上调与下调储备，区分不同服务价值，推动合理调度。
- 安全费机制保留，按发电机和负荷贡献调整分摊储备成本。

• 价格机制的解释：

- 运用拉格朗日乘子对偶变量，精确识别正常态与故障态的价格差异，且考虑发电机可用性（aigk参数）。
- 对每个故障态热备需求分别计价，赋予责任主体。

• 实例验证：

基于两母线案例，结果显示：
- 能量价格与旧方案保持一致，保证兼容。
- 备用价格显著调整，上调储备收入普遍增加，下调储备收入降低，有效区分价值。
- 输电价格反映现实线路拥堵成本，输电资产收入明确，消除补偿缺口。
- 总的，系统支付平衡，保留了经济效率，提高了市场公平性和透明度。

2.4 结论（Section 4）

• 贡献总结：

本研究创新性地将成本因果原则引入能源、储备及输电的联合定价系统，结合安全费机制和差异化备用价格，解决了现有模型资金缺口、成本不公、激励不足等问题。提出的框架基于拉格朗日对偶理论，具有数学严密性，获得收支平衡与利润非负的良好性质。

• 实证支持：

数值案例验证了提出机制的公平性与效率，确认大规模机组负责任务明显，安全费实质激励可靠性提升。

• 后续工作展望：

建议未来将模型拓展为多时段版本，考虑可再生能源的不确定性，更好模拟现实电力系统的动态与不确定行为。同时研究参与者的行为响应，以完善激励设计。

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3. 图表深度解读

表1–7（单母线案例）

• 描述：

- 表1总结旧框架的定价及结算方法。
- 表2展示3发电机成本及容量数据。
- 表3为优化下发电及储备调度结果，负荷120MW。
- 表4显示不同故障态下的拉格朗日乘子（价格信号）。
- 表5–7呈现旧定价下价格、各机组结算及系统整体结算差异，暴露总发电收入大于总消费者支付导致的“missing money”问题。

• 数据趋势及意义：

- 乘子只有关键故障（如发电机1失效）对应价格非零，指明该态为约束紧。
- 收入差表明旧定价不平衡，安全费机制亟待引入。

表8–10（新提出定价单母线场景）

• 描述：

- 表8汇总新安全费机制的定价与结算方式。
- 表9细分每台机组新结算收支，重点展示安全费对发电机1的收取。
- 表10为系统整体结算，确认收入支付平衡消除资金缺口。

• 数据解读：

- 安全费使发电机1利润降低但非负，反映其承担关键储备责任。
- 系统收支恰好对等，体现收入充足及中立的市场特性。

图1（两母线一线系统）

• 说明： 简单网络示意，展示2节点发电机分布及负载，模型从单母线拓展，体现输电约束的影响。

表11–21（两母线模型旧定价）

• 描述：

- 表11为旧定价的节点评价。
- 表12–13分别为发电机和需求方结算。
- 表14–16给出发电机与负荷数据及优化结果。
- 表17报告功率平衡拉格朗日乘子（价格）。
- 表18–20显示对应点价格、结算及系统收支差异，揭露显著资金收支失衡。
- 表21总结资金缺口。

• 趋势：

- 系统拥堵及故障状态引起的线路约束未计入价格，导致支付无法覆盖收入。
- 市场外补偿需要，增加不确定性和不公平。

表22–29（两母线模型新定价）

• 内容：

- 表22呈现新定价的价格结构，细分能量、上下旋转储备及输电价格。
- 表23–24为新结算对应发电机和消费者。
- 表25–29为案例应用数据，显示能量价格保持一致，储备价格区别明显，输电价格体现实际拥堵成本。
- 系统收支平衡，提升市场效率和公平。

• 解析：

- 新定价区分上下调储备，反映服务实际价值不同，促进资源合理配置。
- 输电价格体现拥堵成本，输电资产获得合理盈利，产权激励明确。
- 安全费贡献于关键机组和负荷，强化成本因果分摊。

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4. 估值分析

报告基于线性规划和拉格朗日对偶理论构建定价体系，无传统意义上的估值目标或股票市场分析。其“估值”实为市场结算结构设计：

• 方法论： 采用Lagrangian对偶问题，拉格朗日乘子对应节点能量价格、储备价格和输电拥堵价格；结合约束条件，定义安全费作为成本因果费用分配的关键。
• 关键假设： 约束包含功率平衡（含故障态）、发电与备用容量限制、输电线路流量限制。成本函数线性。
• 输出估算（即市场结算）： 结算收入等于消费者支付，保证无资金缺口。发电商和输电商利润非负。
• 敏感性分析： 报告未明确提供。可以推断价格对故障状态的严重程度及设施容量限制敏感。

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5. 风险因素评估

• 潜在风险未明确以章节形式列出，但隐含于研究内容及后续研究方向：

- 故障模型假设： 所选确定性准则（N-1）虽然广泛使用，但未考虑更复杂、多重故障场景或不确定性风险，这可能影响储备需求和成本分担。
- 市场参与者行为： 假设参与者完全响应价格信号，实际反应可能滞后或不完全理性。
- 模型扩展限制： 当前模型为单时段设置，未覆盖时间关联性及储能、可再生能源波动风险。
- 传输约束参数： 需准确估计线路容量及其动态变化，否则输电价格及安全费可能失真。

• 风险应对建议：

报告建议未来考虑多时段调度、可再生能源不确定性、经济激励研究，均为缓解上述风险的重要路径。

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6. 批判性视角与细节

• 优势

- 充分兼顾系统安全与经济激励，系统性整合能量、储备及输电价格。
- 应用拉格朗日对偶理论，数学推导严谨，有完整理论支持（定理与证明）。
- 现实案例验证，凸显实际可行性。

• 潜在不足或局限

- 模型较为理想化，主要基于线性规划，未涵盖非线性、非凸性等现实市场复杂性。
- 仍未覆盖多时段互动、高频交易及动态不确定性案例，未来需改进。
- 对参与者行为假设较强，未深入探讨策略性行为或市场操纵风险。
- 报告中部分数学表达极为复杂，部分章节（特别从第13页后）排版混乱，可能影响读者理解。

• 细微差异

- 安全费仅针对生成端成本因果，但报告说明原则同样适用于需求侧。
- 储备价格分拆创新，尚需实际市场接受与验证。

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7. 结论性综合

本报告系统性提出了一套基于成本因果关系的现代电力系统价格与成本分配框架，弥补了传统均价方法在储备、输电和故障成本分摊上的不足。通过数学严谨的拉格朗日对偶分析，设计了含有“安全费”机制的差异化储备定价和输电拥堵定价方法，达成了以下关键成果：

• 收入充足性与中立性：

- 确保所有发电商和输电资产利润非负，激励其参与及投资。
- 保证消费者支付总额恰好匹配全部收入，避免市场资金缺口与不公平补贴。

• 成本因果对应：

- 安全费体现具体发电机或参与者对储备需求的贡献，提升价格信号的公平与效率。
- 储备价格分上下调细分，更反映储备的真实价值与市场需求差异。

• 输电资源激励明确：

- 通过乘子反映线路拥堵费用，输电资产获得合理回报。

• 数值案例验证：

- 简化单母线案例和更复杂的两母线案例均验证框架的有效性，能够消除旧框架资金缺口问题。

• 未来方向：

- 多时段、多不确定性场景拓展。
- 引入可再生能源波动性及储能参与。
- 考察经济激励对市场行为的影响。

该框架为现代电力市场设计提供了理论创新与实务指导，具有重要的学术价值和实际应用潜力，为电力系统安全与经济性的协调提供了坚实基础。

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重要图表示例呈现

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参考文献

报告引用了大量关键文献，包括Arroyo and Galiana (2005)、Strbac and Kirschen (2000)、Shi et al. (2023)、Badesa et al. (2025)等，体现研究内容严谨范围涵盖现有电力市场设计、储备定价和成本分摊领域的前沿工作，以此支撑其创新点和理论论证。

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＊综上，该报告为电力市场机制设计领域一项严谨且实用的重要贡献，尤其在储备与输电价格分配方面构筑了理论严密且市场适用的创新框架，值得相关领域深度关注。＊[page::0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]

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