双结算电力市场机制与参与者行为 [page::0][page::6][page::7]

• 市场由日前交易市场（DA）和实时交易市场（RT）组成，电力供应商和负荷服务实体（LSE）在DA市场进行预订，RT市场进行调整。

- 参与者包括聚合后的LSE、常规供应商、多家随机容量的可再生能源供应商以及虚拟交易者。

• 虚拟交易者仅参与DA市场，通过INC和DEC竞价实现价差套利，无需实际电力交付。

供应函数均衡模型构建与解析 [page::9][page::10][page::12][page::13][page::14][page::15][page::16][page::17][page::18]

• 可再生能源供应商、LSE和虚拟交易者均为战略行为者，模型采用供应函数均衡框架，捕捉价格与数量同时内生的博弈行为。

- RT市场的供应函数均衡存在且唯一，供应商的供应函数具备分段连续和单调性。

• DA市场在无虚拟交易时亦有唯一均衡，LSE可低报需求以压低DA价格。

- 供给函数的解析解为阶梯形式，通过常微分方程构建并满足连续性和单调性约束。

虚拟交易的影响及市场势力调节 [page::19][page::20][page::21]

• 无虚拟交易时，LSE行使市场势力，日前市场价格低于预计实时价格，导致价格扭曲。

- 虚拟交易吸引大量虚拟竞价者进入市场，充分竞争推动DA价格与RT价格趋同，实现价格效率。

• 可再生能源供应商无法单独消除此价格差距，虚拟交易为矫正机制的核心。

- 在虚拟交易存在时，LSE的DA需求唯一且较无虚拟交易时显著减少，虚拟竞价负责弥补需求缺口。

实证验证：加州ISO与纽约ISO市场数据分析 [page::22][page::23]

• 加州ISO和纽约ISO数据表明虚拟交易实施后，DA-RT市场价格差显著缩小，价格配准效率提升。

- 同时，LSE在DA市场的需求比例下降，符合模型中虚拟交易降低LSE过度采购动机的结论。

• 数据支持虚拟交易通过竞价套利有效抑制市场失灵现象，改善电力市场运行效率。

关键数学工具及理论成果 [page::29][page::35][page::37]

• 通过求解供应函数均衡对应的常微分方程，证明均衡的存在性与唯一性。

- 证明虚拟交易规模趋于无限时DA价趋近于期望RT价，实现价格一致性。

• 解析了多参与者策略博弈的纳什均衡性质，为电力市场设计提供理论支撑。

金融研究报告全文细致分析报告

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1. 元数据与报告概览

报告标题： 《Virtual Trading in Multi-Settlement Electricity Markets》（多结算电力市场中的虚拟交易）

作者及机构： Agostino Capponi, Garud Iyengar, Daniel Bienstock（哥伦比亚大学工业工程与运筹研究系），Bo Yang（香港科技大学工业工程与决策分析系）

发布日期： 未显式标明，结合文献、数据使用期限推测为2023年左右

研究主题： 聚焦美国电力批发市场中的双重结算体系（DA日内市场和RT实时市场）内的虚拟交易机制及其对市场效率、价格和交易量的影响，尤其关注负荷服务实体（LSE）、可再生能源供应商和虚拟交易者的战略行为。

核心论点与评级：

• 作者以供应函数均衡（Supply Function Equilibrium, SFE）模型构建双阶段（DA和RT）电力市场，其中包含战略负荷方、常规和可再生能源供应商，以及虚拟交易商。

- 发现没有虚拟交易时，LSE会战略性压低DA价格，导致DA价格低于预期RT价格，产生价格错配。

• 虚拟交易通过套利行为缩小此价差，且在虚拟交易者规模趋向无限时价格趋同；

- 然而，虚拟交易并未消除数量错配，DA成交需求仍然低于实际预期需求，LSE出于避免过度采购的考虑，会减少DA投标量；

• 可再生能源供应商虽然参与市场，但无法抵消LSE的战略行为；

- 以上理论推断通过加州ISO（CAISO）和纽约ISO（NYISO）市场数据得以验证，数据分析显示虚拟交易引导价格差明显缩小，DA需求比例下降。

作者旨在阐明虚拟交易如何通过金融套利机制改善双结算电力市场的价格效率，但不会必然解决实际交易量的错配问题，从而揭示电力市场多结算设计中的内生弊端和机制改进路径。

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2. 逐节深度解读

2.1 摘要与引言

• 电力市场中DA市场作为对RT市场的提前“预约”机制，LSE与供应商分别提交需求和供给承诺；

- 任何DA的计划与RT的实际交付差异都由RT市场调整；

• 该制度兼顾供给方设备开机时间不一的现实及价格风险对冲；

- 但存在缺陷：LSE可凭借市场份额影响节点压低DA投标，制造价格错配，削弱其他参与方风险对冲能力（文中引用PJM与ISO报告强调此问题严重性）。

• 虚拟交易（INC和DEC）作为金融合约允许参与者在DA提交头寸但无实际交割，在RT市场现金结算，设计初衷是消除市场力量滥用（INC作为虚拟卖，DEC作为虚拟买）；

- PJM的政策报告显示DEC主导市场，反映LSE需求侧市场力量被抑制的重要性。

该节清晰铺设虚拟交易的制度背景及市场扭曲，指出理论模型与实证需求。

2.2 文献回顾

报告回顾虚拟交易与供应函数均衡模型相关文献，强调本研究的创新性：

• 区别于Mather et al.(2017)、Tang et al.(2016)将虚拟交易建模为数量博弈，作者构建供应函数均衡模型，更注重价格和数量的内生决定；

- 扩展You et al.(2019)研究，纳入随机需求与战略可再生供应商以及多虚拟交易者，体现市场更丰富的实际特征；

• 既有经验研究支持虚拟交易改善市场价格差（Jha & Wolak 2023, Li et al. 2015）；

- 本文方法论上，还结合了制度层面（ISO操作细节）、数学供给函数解的建构与均衡存在性的论证。

2.3 机构描述与模型建立（第2与3节）

• 介绍美国电力市场双结算结构，DA市场一天前结算，RT市场实时运行，基于实际需求和容量调整；

- 建立两阶段博弈模型，参与者包括LSE、传统供应商、多个可再生供应商、多个虚拟交易者；
-模型假设：
- 需求和可再生容量服从概率分布，DA市场仅知分布，RT市场知实现值；
- 传统供应商视为无容量限制（黑启动故障罕见）；
- 可再生供应商的供应受限且随机；
- LSE需求视为刚性，即无价格弹性；

• 提交供应函数（递增的供给量与价格关系），虚拟交易者仅参与DA市场，递减函数表示其买卖策略；

- 利用COS惩罚设定、容量限制及市场清算价格的函数关系，刻画DA和RT的均衡组成。

2.4 均衡概念定义（第3.3节）

• 定量定义了RT市场的均衡（Definition 1）及DA市场均衡（Definition 2）；

- RT市场内，战略可再生供应商调整其供应函数以最大化收益，满足连续、上升且不超容量；

• DA市场包含所有市场参与者的策略配置，需相互最优。

- 均衡的存在性与唯一性是后续分析重点。

2.5 RT市场均衡解析（第4.1节）

• 在满足假设1（残余需求非负、所有可再生供应商具剩余容量且可达最大产量）的条件下，证明所有供应商的RT供应函数同构对称，具体为前期按相同函数递增，达到容量后饱和限制；

- 通过推导一系列区间上的常微分方程(ODE)，精准刻画供应函数；

• 利用连续性与单调性限定ODE系数，确保均衡解的逻辑连贯；

- 证明此类SFE解存在且唯一（Propositions 1与2）；

• 标明了模型结构在实际调整假设时仍稳健（附录A）；

- 该部分数学严谨，系统地阐述了供给策略的形态及其调节机制。

2.6 DA市场均衡解析（第4.2与5节）

• 在无虚拟交易条件下，建立同构供应函数均衡和LSE需求曲线最优问题，证明唯一均衡存在（Proposition 3）；

- 发现在无虚拟交易时，LSE利用市场力量通过战略性压低DA竞标数量使DA价格低于预期RT价格（Proposition 4），此举使其获得价格优势；

• 引入虚拟交易者后，DEC竞标者利用DA–RT价差套利，推高DA价格，降低RT价格，缓解价格差异，且在虚拟交易者无限时价格趋同（Proposition 5）；

- 可再生供应商单独存在无法约束LSE的策略行为（Proposition 6），虚拟交易的加入是必要且有效的；

• 价格趋同时LSE的DA需求曲线唯一（Proposition 9），虚拟交易促使整个市场价格更加透明和标准化；

- 供应函数形态对比显示虚拟交易对供应商的策略并无实质影响（Proposition 8），虚拟交易主要影响价格层面。

2.7 实证分析（第6节）

• 以CAISO和NYISO数据为样本，横向对比虚拟交易实施前后的DA—RT报价差和需求的变化；

- 图3展示，CAISO虚拟交易启动后，价差从每日数十美分减少至近乎零，NYISO同样价差幅度大幅压缩同时含价格穿插；

• 图4显示虚拟交易实施后DA市场清算的需求占比显著下降（CAISO从约46%-53%降至30%左右；NYISO下降更明显）；

- 实证与理论结果高度吻合，验证了虚拟交易对价格效率的提升和对LSE需求策略调节的作用。

2.8 总结（第7节）

• 虚拟交易作为金融套利工具有效遏制了LSE利用市场力量的价格扭曲行为；

- 价格趋同时无助于解决LSE在DA市场低估需求的问题，实际成交量仍未达到社会期望；

• 可再生能源供应商在现实中无法自主抵制LSE战略行为；

- 研究帮助理解复杂电力市场的价格和量的形成机制，为监管和市场设计提供理论和实证依据。

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3. 重要图表详细解读

3.1 图1：模型时间线示意图（Page 8）

• 描述： 该示意图展示了DA和RT市场的时间序列流程，包括DA市场中供应和需求函数的提交、RT市场根据实际需求和容量更新供应函数及市场结算，最后对应时间段的实际电能交付。

- 作用：帮助理清双市场时间顺序和参与者策略调整时机。

• 联系文本：图形清晰呈现模型动态，为后续均衡分析中的供应函数和策略决策时间点做支撑。

3.2 图2：LSE无可再生供应商和无虚拟交易时的市场支付（Page 20）

• 描述： 该图绘制DA和RT市场价格随需求变化的曲线，显示LSE如何战略性压低DA需求从而获得较低DA价格；

- 趋势与观点支持：阴影区域显示LSE额外的成本节约（即供应商损失），体现了Proposition 4中LSE市场电价操控的直观经济利益；

• 联系文本：支持模型中LSE如何通过低估DA需求拉低价格差及市场效率的分析。

3.3 图3：CAISO和NYISO的DA-RT价格差前后比较（Page 22）

• 描述： 两图分别表示两大ISO市场实施虚拟交易前后每日不同时段的平均RT—DA价格差；

- 数据趋势： CAISO价格差在虚拟交易实施后在大部分时段大幅降低，价格差趋向零；NYISO出现负价差现象，且价格差幅度缩小；

• 论据呼应：验证理论中虚拟交易缩小价格差的关键结论。

3.4 图4：两地DA和RT需求比例的变化（Page 23）

• 描述： 反映虚拟交易实施前后DA市场成交量与RT市场需求量的比例变化；

- 趋势分析： 虚拟交易实施后，比例显著下降，表明LSE减少DA投标量以规避风险，符合模型中虚拟交易促进LSE减少DA出价的结论；

• 文内联系：强化模型关于数量错配和战略行为调整的预测。

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4. 估值分析

该篇研究属于理论经济学与市场设计领域，非直接财务估值报告，故无传统财务指标估值，但关键的“价值”体现在：

• 供应函数均衡模型作为市场竞争价格和数量的内生确定机制；

- 价格平衡条件 $pf^ = \mathbb{E}[ps^]$ 代表均衡估值的价格目标；

• 微分方程（ODE）通过参数$c_k$预测供给函数形态，维持均衡的持续性和唯一性；

- 虚拟交易者数量趋于无限时对市场价格估值趋同的敏感性分析反映市场竞争结构影响估值稳定性。

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5. 风险因素评估

• LSE市场力量的残存风险： 即使引入可再生能源和虚拟交易，LSE仍可能通过策略调整控制交易量，存在数量错配风险；

- 虚拟交易市场参与度不足： 若虚拟交易者数量有限，则价格趋同性不显著，市场依旧存在套利机会和价格扭曲；

• 容量约束和预测误差： 可再生能源随机容量及需求不确定性可能导致市场清算偏差，风险在于短缺惩罚和负荷无法满足；

- 模型假设局限性： 供应函数假设对实市场参与者行为近似有效，偏离可能导致预测失真；

• 政策和监管变动： 市场规则调整、例如虚拟交易限额或处罚等均会影响模型中策略均衡结果。

报告虽无直接对策细节，但模型体现了市场机制中可设计的调节杠杆如虚拟交易规模，表明通过政策可部分缓解市场风险。

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6. 批判性视角与细微差别

• 作者承认虚拟交易无法完全解决DA与RT交易数量错配，指示对数量错配问题的进一步研究必要；

- 模型依赖供应函数均衡框架及特定的价格与容量假设，实际上市场参与者更多样，可能有其他策略维度未被涵盖；

• 现实市场中虚拟交易者策略多样，部分可能利用衍生品等，可能形成复杂的价格信号和风险转移，模型未完全探讨；

- 价格趋同不保证社会总福利最大，需结合更宽广的运维和环境因素评估政策实效；

• 实证数据基于两个大型ISO，可能不适用于所有电力市场，尤其是供需结构差异大的新兴市场。

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7. 结论性综合

该报告以哥伦比亚大学与香港科技大学学者的跨国合作视角，深度剖析美国电力市场虚拟交易机制。主要贡献包括：

• 构建双阶段供应函数均衡模型，详细纳入战略负荷服务实体、传统与可再生能源供应商、虚拟交易者；

- 证明虚拟交易可消除DA与RT市场价格间的均衡价差，且价格趋同的均衡存在且唯一；

• 指出虽然价格趋同，LSE的战略减少DA成交量导致数量错配依然存在；

- 可再生供应商虽具随机容量优势，但未能约束LSE策略；

• 历史数据验证虚拟交易大幅缩小价格差与LSE减少DA需求的结论，支持理论设定；

- 研究结果为电力市场设计提供量化的理论基础，辅助理解多结算市场机制中的市场势力抑制与效率提升。

对表格和图表的洞见：

• 供应函数的数学解析体现了市场参与者策略的连续性与递增性；

- 价格时间序列图示清晰反映虚拟交易实施效果与潜在价格效率提升；

• 需求比例的统计对比揭示了虚拟交易如何影响LSE行为和整体市场负荷计划。

综上，该报告通过扎实的理论推导与严谨的实证验证，全面展现了虚拟交易在多结算电力市场抑制市场势力、优化价格形成但无法完全修正数量错配的双面效应，对行业研究和监管政策均具重要指导价值。[page::0,page::1,page::2,page::3,page::4,page::5,page::6,page::7,page::8,page::9,page::10,page::11,page::12,page::13,page::14,page::15,page::16,page::17,page::18,page::19,page::20,page::21,page::22,page::23,page::24,page::25,page::28,page::29,page::30,page::31,page::32,page::33,page::34,page::35,page::36,page::37,page::38,page::39,page::40,page::41,page::42,page::43,page::44,page::45,page::46,page::47,page::48,page::49,page::50,page::51,page::52]

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