4.1 市场结构和价格构成
4.1.1 现货和远期市场
任何*化进程的总体范围都是支持更有效地分配经济资源，尤其是在这些资源稀缺的情况下。有效配置是指将资源分配给能够最经济地利用资源的主体。这种经济效率的概念应该会导致所有市场参与者的满意度更高。供求的*互动是竞争性市场的特征，应该会产生稀缺资源的这种有效配置。然而，完全竞争只是一个理论概念，往往根本无法保证最终消费者效用的提高。
电力的物理特性对电力市场开放的进程有很大影响。在不同时间和不同地点输送的电力对于最终用户来说是一种不可替代且不可储存的商品。为了使*化进程有效，有必要确保所有市场参与者（生产者和消费者）都能不受歧视地进入市场本身。为此，有组织的电力现货和衍生品交易所应运而生。显然，这些交流的内部组织不能忽视电力的物理特性。因此，为了促进电力交易的目的，已经设计了特殊的规则。
电力现货市场是日前市场，从某种意义上说，以兆瓦/小时 (MWh) 表示的物理量和一天 24 小时的市场交易期间协商的价格将在特定时间实际交付最近，在实际交割前 1 小时内进行了日内市场交易。这些将在第 4.2 节中进一步讨论，当我们研究可再生能源的大规模整合对内部市场增长的影响时，我们将进一步讨论这些问题。日交易量，实际上是针对日前或现货价格的波动。
电力现货交易所的第一个例子是 1993 年的 Nordpool（北欧电力交易所，挪威）。如今，在几乎所有欧盟国家、美国和澳大利亚，许多交易所都在积极开展短期实物交易。
有组织的电力交易所的主要目标应该是通过改善市场信息、竞争和流动性来促进电力短期实物交易。电力交易所也代表中立的市场，交易可以在这里进行，降低交易成本和交易对手风险。价格参考也可能代表场外 (OTC) 交易（金融或实物合约）的重要基准。
竞争性电力市场通常围绕一个或多个拍卖组织，但这些拍卖的具体方式可能因市场而异。电力生产商通常希望出售他们的产品，而消费者代表市场的买方。 供应商和需求商的出价（以价格-数量对表示）提交给市场，按经济价值顺序排列，并由市场经营者以达到市场出清（均衡）。市场模型在拍卖类型和参与规则方面可能会有很大差异。对于后者，我们可能会进行强制性或非强制性拍卖，具体取决于市场参与者是否有义务向市场提交出价。
投标方代表拍卖类型分类的第一标准。如果只要求发电商投标，则称为单面市场，1 如果买卖双方都参与竞价，则称为双面市场。拍卖类型分类的第二个标准由价格形成规则表示。我们可以有一个统一的定价规则，其中所有参与者独立于他们的出价而获得相同的价格，或者按出价付费的定价规则，其中出价人支付或接收其接受的报价的价格（按出价支付） 2001 年，根据新电力交易安排 (NETA)，英国现货市场采用了投标机制。通常，统一定价规则与经典的系统边际价格机制有关。这意味着市场参与者支付或接收的统一价格是按经济价值顺序最后接受的报价的价格。
如前所述，经济效益并不是电力市场的唯一范围。物理可持续性和电网平衡是必须由特定市场框架确保的基本问题。因此，简单的日前或日内拍卖不足以令人满意地分配已装机和可用发电容量。调度服务拍卖和输电权拍卖是有效电力市场的基本要素。
在*化制度下，有组织的交易所确定的电力现货价格根据电力供需的相互作用而变化很大。在以下部分中，我们将研究这种不稳定的行为，其规模可能很大。价格不确定性是发电商、零售商和最终消费者面临的经济风险的基础。电力衍生品合约和电力衍生品市场已经被引入以对冲这种风险。电力衍生品代表对未来电力输送的债权。实物交割可以被参考实物电力现货价格的纯财务结算规则所取代。
图 4.1 英国 APX 电力交换供应堆栈和边际发电源 (05/03/14) 资料来源：© 2013 Bloomberg Finance L.P. 保留所有权利。 经许可使用。
标准衍生工具有：远期、期货和期权。然而，正如稍后将看到的，功率结构产品代表了市场的一个重要部分。
电力衍生品可以实物结算或财务结算。这一传统商品衍生产品通常不具备的特性，使得电力衍生品对金融市场参与者特别感兴趣。因此，潜在的市场流动性显着增强。工具标准化进一步增加了市场流动性。当合同条款的数量通过标准化受到限制时，流动性通常会最大化。 在清算机制和日常结算程序上，电力衍生品市场的运作方式与传统衍生品市场并无不同。因此，我们通常会找到一个清算所作为每笔交易的交易对手，以及一个保证金通知系统，以防止任何交易中嵌入的信用风险。
4.1.2 供需互动
古典经济学理论指出，在*竞争的市场中，任何交易商品或服务的价格完全由总需求和总供给之间的相互作用决定。为了理解电价行为，了解和分析总需求和供应的形状和动态至关重要。 即使在“按投标付费”的市场中，系统边际价格的概念也具有根本的重要性。系统边际价格由系统优序曲线与系统总需求的交点逐小时精确确定。
图 4.1 所示的优先顺序曲线是生产系统在给定时间内以不同价格提供不同数量电力的能力的地图。因此，它为我们提供了有关系统中运行的发电机组的边际生产成本的信息（即，图 4.1 中的 £40.10/MWh 对应于 CCGT 发电技术和固定时间间隔内 40,000 MW 的容量水平13.30–14.00 GMT）以及他们经理的投标策略。非常高效但不是非常灵活的工厂有助于曲线形状的左下角，而效率较低或非常灵活的发电机组则位于右上角。堆栈曲线实际上是一个短期供给函数。所定义的供给函数总是向上倾斜，通过构造，但它的形状显然取决于生产系统的内部物理特征。
总电力需求通常是价格无弹性的，至少在短期内是这样。这个特征可以从它的陡度以图形方式推断出来。事实上，曲线几乎是垂直的。此外，在总需求的情况下，系统的特性，在电力消费结构方面，显着影响需求曲线的斜率和形状。通常，电力需求可分为工业需求和国内需求。工业和国内需求具有不同的行为，大多表现出不同的价格弹性。因此，某一国家或地理区域的总需求曲线的斜率和形状受工业和国内消费在总需求中的比例的影响。
通过观察图 4.1 可以看出，“正常”水平附近的需求波动会导致价格波动。需求波动幅度与价格波动幅度之比取决于正常负荷区供给曲线的斜率。但是，如果需求在接近最大可用容量的区域波动，则小的需求冲击可能会导致价格大幅飙升。例如，图 4.1 显示，如果这些技术需要按照优先顺序进行调度，则开式循环燃气轮机 (OCGT) 或石油峰值装置的边际生产成本会导致系统边际价格的急剧增加。
供给曲线变动也会引起类似的价格效应。由于生产成本（燃料成本、税收或其他成本）的增加或减少，供给曲线可以平滑地向上或向下移动。更常见的是，供应曲线的中断出现在工厂停产时，这会导致生产停止（图 4.2）。
此外，竞价策略显然会影响总供给的短期形态。此外，如果某个国家或地理区域的生产系统本质上不足以满足同一地区的消费需求（即该系统本质上是在容量不足的情况下），那么用于输入电力的输电线路拥堵等其他因素可以在确定总电力供应方面发挥重要作用。
图 4.2 供给局部震荡（向上供给价格震荡）
电力总需求主要由两个主要部分组成：工业需求和国内需求。
工业用电量受不同经济因素的驱动，因行业而异。工业用电需求可能反映不同的周期和季节性。如果某个国家或地理区域的产业结构足够多样化，那么组成部门的特殊性和季节性成分往往会在消费篮子中相互平衡。显然，由于某些因素仍然是系统性的，因此并非所有组件都被多样化。
总的来说，工业用电需求的主要特点是短期内对电价的相对不敏感。这自然会影响大型工业企业的电力采购合同和对冲策略。
国内需求可能是总电力需求的重要组成部分，有时是主要组成部分。典型的家庭消费集中在人们使用电力取暖、冷冻或烹饪的一天中的特定时间。这会生成典型的日内负载形状。与供暖或空调相关的家庭用电量基本上与天气条件有关。尤其是许多实证研究证明，气温与国内消费密切相关，尤其是在发达国家。
工业和国内消费在不同国家以不同的比例融合在一起，形成了典型的总需求形态，具有通常的每小时和每月行为（例如见图 4.3）。
电力不是本质上可储存的商品。 因此，在分析电力供应动态的驱动因素时，主要关注可用产能的决定因素（比装机容量更重要）。 电力供应的静态形状，即优序曲线，取决于构成生产系统的工厂的特性。 与水力发电厂或核能发电厂相比，热电厂在效率和灵活性方面具有明显不同的特性。 因此，特定国家的生产系统结构对其电力供应能力的动态有很大影响。
图 4.3 两个欧洲国家（意大利和法国）的平均每小时消耗量示意图
显然，装机容量会影响总供应量。以更现代技术为特征的新进入工厂具有降低给定数量提供的电力价格的效果。这种效应可以描述为优值曲线的右平行（或几乎平行）偏移。中短期来看，燃料成本对电力供应有较强的影响。燃料成本影响生产的边际机会成本，通过电力生产商的短期竞价策略影响电价。在存在燃料流动性市场的情况下，机会成本和实际生产成本趋于趋同，从而导致燃料成本对最终电价的更直接影响。电力供应的另一个重要的长期决定因素是不同燃料价格的依存结构。
事实上，即使在技术多样化的生产系统中，如果不同的燃料价格趋向于同一方向（高度依赖燃料价格），燃料成本对最终价格的影响会更深。发电系统内技术、效率和燃料消耗的更大程度的多样化减轻了燃料成本对最终电价的影响。
在过去几年中，可再生能源发电（尤其是风能和太阳能）的显着增加以及不同国家采用的相应经济激励计划明显影响了电力供应和供应价格动态。
系统内不可编程的发电机组（其生产负荷不完全由机组管理者决定，而是由不可预测的外部因素决定的机组）的相关存在增加了电网平衡服务的需求，从而增加了成本。日内价格波动的增加是这种情况的市场价格结果。此外，可再生能源的经济激励系统在它们与传统发电机之间引入了竞争不对称。
在较短的时间内，传输限制（国际和区域互连器和商业线路）发挥着非常重要的作用，特别是在装机容量本质上供应不足的国家或地区。通过分析相邻国家或同一国家内地区之间的价格差，可以充分了解输电限制对价格（区域或国家）的影响。根据无套利论点，如果两个相邻区域相互连接良好，则它们之间的电力交易流动性更大，价格也趋于相似。在相反的情况下，价格可能会以非常不同的方式在长期、中期和短期内变动。在非常短期内，不可预测的工厂停运和机组承诺策略决定了供应函数的形状，因为它们决定了在特定市场时刻有效可用的容量。
除了迄今为止描述的供需动态决定因素列表之外，还有一些经济驱动因素在中长期共同影响电力需求和供应。这些驱动因素包括利率、国家生产和收入趋势。宏观经济变量对电力需求和供应的影响不在此处讨论的范围内。然而，值得注意的是，宏观经济变量（如利率和生产水平）对电力市场行为的影响与其他更传统的金融市场的影响并无不同。
4.1.3 电力衍生品
*化电力市场的特点是高度波动，这对电力生产商和消费者都意味着高风险。 这种高风险水平并不总是与代理人的风险态度相符。 因此，为了协调代理人的经济紧迫性与电力市场的自然特征，衍生工具是必要的。
远期和期货合约是衍生产品最简单的例子。 这些合约的区别仅在于相关的结算程序，期货合约涉及每日“盯市”，而远期合约涉及到期结算。 全球几乎所有能源交易所都积极交易基荷电价和峰荷电价的期货合约。 在不同市场交易的实际合约显示出与以下相关的不同特征：
远期和期货合约可以有实物或纯粹的金融交割类型。
在 T 到期并在 [T (1) , T (2)] 期间交割的远期合约的标准收益为 (E (T) − K)，其中 K 是合约启动时确定的远期价格，E(T) ) 是合同交付期间测得的平均电力现货价格。 这种亚洲式的收益特征使得远期合约与相应的普通电力掉期几乎没有区别。 普通的普通掉期也被称为“差价合约”（CFD）。 基本上，它是一种将浮动电价交换为固定电价的合同。 通常，合同的浮动部分与在某个（通常很长）时间段（例如一个月、一个季度或一年）（即日历掉期）内计算的平均现货电价相关联。 这种工具的单一收益由以下公式给出：
其中 E 是现货电价，K 是合约启动时设定的固定掉期价格。
定期交易期权的电力交易所并不多（尽管德国 EEX 交易所是一个明显的例外）。一般而言，交易所交易期权是基于具有相当长期限（即，一个季节或更长）的远期或期货合约的纯金融（意味着金融而非实物结算）期权。然而，与场外交易量相比，此类工具的交易量非常低。场外交易市场不仅可以交易普通的期货期权，还可以交易奇特的期权，例如具有灵活获利特征的摆动期权。此类文书包括： 阻止选项。场外期权，其底层证券是某一天或某一天的一组小时（例如，17-20）。它们显示出典型的期权或掉期特征，即行使的机会可以限制在一个时期或多个时期。
每小时选项。场外期权的底层证券是一天或一组天的一个小时。此类合约或多或少显示出与大宗期权相同的特征。它们很重要，因为它们代表了电力市场可交易的最大灵活性。它们的交易并不密集，因为它们是极具风险的工具。
普通期权可以进一步组合或捆绑在一起，以创建衍生品结构，例如利率和货币衍生品交易者熟悉的上限、下限或自筹资金项圈 。
由于电力市场通常与其他商品市场（例如通过发电过程）（例如天然气或石油）高度相关，因此交易商品价差衍生品（例如火花价差期权或远期）很常见。火花差价是电力和天然气价格之间的差价，一旦根据现代燃气发电厂的典型发电效率进行调整。火花传播是与这种发电相关的毛利率的一个很好的代表。因此，很自然地，火花价差衍生品将被用于对冲和确保其可变性。
复杂的电力衍生品通常也嵌入在传统的电力供应合同中。周转权或收费协议是最重要的电力结构性产品之一。
周转权是嵌入在实物天然气和电力合同中的典型期权。在摆动合约中，买方同意在给定的时间段内以固定价格购买最多数量的标的商品（天然气或电力）。合同通常受到买方必须在同一时期起飞的最低交易量的限制。长期协议通常在合同的全球期限内配备不止一个摆动机会，并且通常是全球最大和最小交易量，可以分别小于或大于周期最大和最小交易量的简单总和（代表非平凡的交易量限制）。如果超过数量限制，通常会征收罚款，以激励买方遵守所施加的限制。
Swing 合约通常定义为将总交割期 [0, T] 划分为 N 个子期，如下所示：
在 N 个子周期中的每个子周期以及整个合同期限内，最小和最大交付量确定如下：
合同买方应尊重以下关系：
和
子时期的体积约束相对于全局体积约束是重要的，如果和
图 4.4 收费合同方案
合同的目的是允许买方在可以采取的数量上有一定程度的灵活性，因为通常天然气和电力消费者并不总是能够准确地、先验地知道他将要消耗的数量。逐期或总计。由于标的商品通常存储成本高，因此摆动权保证的交易量灵活性非常重要且极具价值。
收费协议是通常涉及电力生产商和电力营销商（收费商）的合同。一般来说，在收费合同中，收费人有权（选择权）使用生产者的发电厂，将一定数量的燃料转化为电能。另一方面，对于这项服务，发电厂有权收取固定的通行费，该费用应涵盖其固定生产成本和能源转换服务价格（有关通行费合同总体方案的图形表示，请参见图 4.4）。
收费协议的期限分为多个子期。在每个子周期开始时，收费员通知发电商他希望在该周期内转化为电能的燃料量。除了周转权之外，还可以建立最小和最大周期数量水平，以满足双方的特定需求。收费合同通常是实物合同。因此，它们通常配备附属条款，以规范各方在资产违约、燃料错误采购、运输问题等情况下的权利和义务。
收费协议也可能是纯粹的财务协议。在这种情况下，收费者并不实际使用电力，而只是通过在现货市场上出售电力而获得等价的金融服务。 通过签订收费协议，电力生产者仅对与发电活动相关的运营风险负责，而燃料和电力价格波动引起的市场风险则属于收费者（火花传播风险）。
此类产品在电力市场上交易活跃，因为它们代表了对发电资产风险的自然对冲。出于这个原因，收费协议通常支持发电方面的项目融资计划，以稳定项目的现金流。
4.1.4 电价模型
随着电力已成为成熟的现货和衍生品市场的普遍交易商品，电力价格建模越来越成为定价和风险评估问题的基本练习。价格建模对于预测目的也很重要，但在本节中，重点将放在定价和风险管理需求上，重点介绍描述现货和远期电价的最常用概率模型。
通常，概率模型是简化形式的模型，从某种意义上说，所涉及的随机变量没有特定和确切的经济或金融意义，而仅具有描述性作用。纯粹的概率模型被认为和建立来描述某个可测量现象显示的概率特性（轨迹和分布）。它们传统上广泛用于模拟物理现象，但到 1970 年代初，它们的使用在金融分析中也变得普遍，尤其是在衍生产品和实物资产估值领域。
迄今为止，用于电价建模的随机过程类别可分为两大类：传统模型和更高级的模型。传统的建模方法受到除电力以外的金融建模应用的启发和发展。出于这个原因，它们通常不提供典型电价特征的现实描述。相比之下，高级模型是指为模拟电价而明确开发的所有模型。因此，即使这些模型的数学复杂度更高，这些模型也能够提供更真实的描述。区分现货电价模型和远期电价模型也很重要，因为价格模式和分布特征可能非常不同。
4.1.4.1 电力现货价格模型
传统的现货价格模型通常属于通用的 It ̄o 过程：
其中 W(t) 是标准布朗运动；