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1、 No.C2008001 2008-02 不确定需求、垂直分离与电力市场结构不确定需求、垂直分离与电力市场结构 汪 浩 汪 浩 北京大学中国经济研究中心北京大学中国经济研究中心 No.C2008001 2008 年年 2 月月 17 日日 不确定需求、垂直分离与电力市场结构 摘要：不确定需求、垂直分离与电力市场结构 摘要：本文考虑一个在发电和零售环节均为完全竞争的电力市场，电力以线性价格销售给用户，总需求不确定。模型表明，如果企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为正，即两个随机变量之间有正的线性关联度，那么在短期均衡中，垂直分离使得零售电价升高，消费者剩余减少。而在长期均衡中，垂直分离导致发
2、电企业的过度进入，不仅使电价提高，还造成社会福利的损失。因此本文认为，在输配电业务从传统的电力企业独立出去后，发电和零售仍然应实行垂直一体化。该结论对我国正在进行的电力体制改革有一定参考意义。关键词：关键词：需求不确定，电力市场，垂直一体，垂直分离 JEL 分类码：JEL 分类码：L22,L51,L94 Demand Uncertainty and Vertical Separation in a Competitive Electricity Market Abstract:Demand Uncertainty and Vertical Separation in a Competitive
3、 Electricity Market Abstract:This paper considers a perfectly competitive electricity market.The aggregate demand is uncertain.Electricity is sold to consumers via linear prices.The case where generators directly sell to consumers(vertical integration)and the case where generators sell through indep
4、endent retailers(vertical separation)are discussed.It is found that when the covariance between the electricity output and the marginal generation cost is positive,vertical separation leads to higher price to consumers in the short run.In the long run,vertical separation induces excess entry to the
5、generation sector.It leads to not only higher electricity price,but also lower social surplus.The paper thus suggests that governments should encourage vertical integration between generation and retailing in electricity markets.Keywords:Keywords:Demand uncertainty;Electricity market;Vertical integr
6、ation;Vertical separation JEL Classification:JEL Classification:L22,L51,L94 一引 言 一引 言 电力作为一种商品，具有与其它商品显著不同的特点，例如，电力基本不可储存，供求必须实时平衡，短期需求弹性甚小，需求和供应均具有一定的不确定性等。由于电力对社会经济的极端重要性和电网的自然垄断特征，电力行业在世界各国都是一个由政府高度监管的行业（Joskow，1997）。传统的电力行业主要是由发电，输电，配电和售电垂直一体的公司组成，公司拥有特定区域的垄断经营权，但是电价由政府控制。由于政府一般根据企业的成本确定电价，使得电力企
7、业脱离了市场竞争压力，失去控制成本的动机，因此传统的电力行业普遍存在成本居高不下，技术进步缓慢，服务质量较低等问题。20世纪90年代开始，许多国家对电力行业进行了大规模的改革（国家电力监督委员会，2006）。在改革过程中，各国一般首先将具有自然垄断特征的输配电业务独立出来，在政府监管下构建公平开放的输配电网络，然后在此基础上，组建电力批发交易市场，在发电和零售两个层面引入市场竞争机制。在各国电力改革实践中，虽然发电企业经常直接向大用户供电，但是在对中小用户的业务中，经常采用发电和零售独立运作的模式，从而形成垂直分离的产业结构（Pollitt，1997），本文认为这个做法是值得商榷的。首先，即使
8、在输配电业务被剥离后，发电和零售实行垂直一体化在技术上仍然是可行的。国外的经验表明，电力零售基本上仅是一个结算过程，在技术上没有明显的规模效应。特别的，如果一个发电企业通过公共电网向用户直接销售电力，相对于独立零售企业并没有成本上的劣势。其次，将发电和零售分离开来在经济学理论上没有充分的依据。一般而言，产业内进行垂直分工的目的主要是为了发挥规模效应或比较优势，但是这些因素在电力行业表现并不明显。垂直分工的弊端则是不利于产业内上下游企业之间的协调，虽然这个弊端在很多行业可能不显著，但是在经营环境相对复杂的行业则比较突出。对于一个成熟的电力市场，电力的不可储存性和供求的不确定性恰恰是市场的主要矛盾
9、之一，因而发电和零售业务之间的协调十分重要。在各国的电力体制改革过程中，电力的批发和相关衍生品市场的运行出现了很多问题（周定山，2005），如电价波动过大，投机行为严重，电网运行不稳等。为了避免这些问题，人们普遍认为政府应该加强对电力批发市场交易的监督和管制（Wolak,2003），虽然严格的监管有利于市场的稳定，但是也不可避免的影响到市场机制配置资源的效率。电力产业对电力批发市场的高度依赖正是由于发 电和零售的分离，这种分离使得必须相互合作的发电和零售企业成为独立的利益主体，它们之间的博弈造成产业内部的协调困难，最终导致电力产业的效率降低，并且这个问题不能通过增加市场的竞争程度来解决。例如，
10、在竞争的电力批发市场中，电价取决于电力的边际生产成本，当电力需求达到高峰时，发电能力的局限导致边际发电成本急剧上升，但是平均发电成本的变化甚小，这样就使得大量利润迅速地从零售企业转移到发电企业，从而给零售业务带来巨大的风险和成本，最终形成较高的电力价格。这种电力体制还使得大型发电企业有动机在需求高峰时通过各种手段人为地提高边际发电成本。国外的经验表明，一些严重的电力紧缺局面实际上是由大型发电企业的机会主义行为造成的，通过在用电高峰时间安排关键机组“故障”或“维护”，发电企业可以在短时间内制造成极高的电力价格，从而实现对零售企业的掠夺。如果发电和零售实现垂直一体化，那么上下游企业之间的博弈导致的
11、问题就不会出现，企业将得以专注于终端市场的横向竞争。同时，垂直一体化也削弱了批发市场在电力系统中的作用，从而减轻了政府监管市场的难度，也缓解了由于监管所带来的市场机制的扭曲。本文考虑在一个完全竞争的电力市场中，发电和零售实行垂直分离的后果，本文的模型主要适用于面向中小用户的电力市场。假设市场对电力的总需求是不确定的，企业通过线性价格将电力销售给终端用户。交易合同在需求实现之前签订，合同仅规定电力价格而不规定电力交易量。在发电和零售实行垂直一体的情况下，企业根据电力的市场价格决定其发电计划。而在发电零售实行垂直分离时，发电企业在现货批发市场上将电力出售给完全竞争的零售企业，价格等于实时的边际发电
12、成本，零售企业再以线性价格将电力出售给最终用户。模型表明，如果企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为正，即两个随机变量之间有正的线性关联度，那么在短期均衡中，垂直分离使得电力零售价格比垂直一体时高，导致较高的发电企业利润和较低的消费者剩余。而在长期均衡中，垂直分离诱导过多的发电企业进入市场，使得每个企业的期望产出低于其最有效率的规模，最终导致电力价格过高和社会福利下降。如果企业的发电量与边际发电成本之间有负的关联度，那么垂直分离使得发电企业的短期利润下降，在长期使得发电企业进入不足，电价仍然过高。总之，发电与零售的分离造成了产业内上下游企业之间的协调困难，不利于电力企业应对不确定的市场需求。
13、因此，本文认为在电力体制改革过程中，政府应在政策上鼓励发电和零售企业之间的整合。在经济学文献中有大量关于垂直分离，需求不确定和电力市场竞争的研究。在与垂直分离相关的文献中，研究大多集中在不完全竞争市场。人们普遍认为，当企业采用线性价格时，垂直分离可能导致双重加价（double marginalization）现象，使得产业利润，消费者剩余和社会福利均下降（Spengler，1950）。但是也有文献指出，策略性的垂直分离或类似安排也可能减弱企业之间的竞争，从而增加企业利润，如 Rey 和 Stiglitz（1988），Bonanno 和 Vickers（1988），Gal-Or（1990），以及
14、 Shaffer（1991）等。策略性垂直分离模型一般假设需求是确定的，市场为寡头结构，并且上下游企业之间的交易价格为公开信息等。在与需求不确定相关的文献中，人们对寡头企业的定价策略进行了很多讨论，相关模型一般假设产品必须在需求实现之前被生产出来，即产品在物理上或价值上可以且仅可以储存一期。在这些模型中，如果价格在“事前”（即在需求实现之前）确定，那么可能出现市场不出清的情况，如 Deneckere，Marvel 和 Peck（1996），而如果价格在“事后”（即在需求实现之后）确定，那么使市场出清的价格是不确定的，如 Deneckere，Marvel 和 Peck（1997)。在与电力市场竞
15、争有关的理论研究中，人们主要讨论了在电力体制改革后，寡头发电企业在电力批发市场的博弈，例如，针对英国电力现货批发市场的特点，Klemperer 和 Meyer（1989）考虑一个需求不确定的寡头市场，企业通过选择连续的供应函数来进行竞争。该文证明，当产品同质时，该博弈存在一个纯策略纳什均衡，并且在一定条件下均衡唯一。von der Fehr 和 Harbord（1993）考虑一个类似的模型，但是假设企业选择离散的供应函数，他们发现这个博弈可能没有纯策略的纳什均衡，并由此解释英国电力批发市场的高波动性。在本文的电力市场模型中，企业是完全竞争的，产品不可储存，价格在“事前”确定，供求实时平衡。对于
16、在这种市场条件下垂直分离的后果，据本文作者所知，目前尚没有相应的理论研究。改革开放以来，我国的电力体制经历了三次重大改革。第一次是在 1985 年，为了解决电力严重缺乏的问题，国务院下发了关于鼓励集资办电和实行多种电价的暂行规定，鼓励各地方，部门和企业投资建设电厂。这次改革形成了电力投资主体多元化的局面，为在发电领域引入竞争创造了条件。第二次始于 1997年，以国家电力公司的成立为标志。1998 年，电力部被撤消，国家电力公司颁布了 国家电力公司系统公司制改组实施方案，确定了“政企分开、省为实体”和“厂网分开、竞价上网”的主要改革思路。但是这次改革的效果并不理想，例如“省为实体”在一定程度上走
17、样成为“省为壁垒”，助长了地方保护主义，“竞价上网”试点也未能取得令人满意的结果，没有达到鼓励成本节约的目的。第三次改革始于 2002 年 4 月，国务院下发了电力体制改革方案（国发（2002）5号），确定了市场化改革的方向，包括实施厂网分开，重组发电和电网企业，推动竞价上网，建立电力市场运行规则和政府监管体系等。2002 年改革方案的第六条第二十六款要求“在做好试点工作的基础上，逐步实行输配分开，在售电环节引入竞争机制”。这项改革作为我国电力改革的长期目标之一，目前还没有进行。本文希望能为构建我国电力零售竞争机制的改革提供一些参考。二模 型 二模 型 某区域的电力市场在发电和零售环节都是完全
18、竞争的，企业为价格接受者，且为风险中性。假设电力完全不可储存，发电企业的成本函数为()C q，对任意0q 有()0C q 和()0C q。记发电企业的平均成本函数为()()C qAC qq，边际成本函数为()()MC qC q。不妨假设电力零售企业的成本为零。电力用户是同质的，他们的需求不确定，给定零售价格p，市场在一个单位时间的总需求量()x p是一个随机变量。简单起见，假设电力需求没有弹性，总需求量x服从区间,x x上的分布()F x，其中0 xx，()0F x。本文不考虑由于发电能力不足而导致电力配给的情形，即假设()MC x，那么发电企业发生亏损；反之如果eqx，发电企业获得经济利润。
19、证明：证明：如果边际发电成本()MC q严格单调上升，那么eq满足 ()()()()eeeAC qifqqMC qAC qifqqAC qifqq，（7）且平均成本函数()AC q在区间(0,)eq递减，在区间(,)eq 递增。若eqx，那么对所有可能的发电量q，我们有()()MC qAC q，因此()()()0 xFxq MC qAC q dF q=。（8）类似的可以证明若eqx。证毕。引理 1 描述了两个极端情形，在边际发电成本递增的前提下，如果电力投资严重不足时，那么批发市场价格会持续高于平均发电成本，发电企业获取巨额经济利润。反之，如果电力投资严重过度，就会导致批发市场价格持续低于平均
20、发电成本，发电企业则出现巨额亏损。显然，现实的情况可能处于这两个极端情形之间，注意到（6）式右边的第一项为负，第二项为正，即发电企业在需求较高时能获得一定的利润，而在需求较低时发生亏损，两者相抵后的净利润取决于哪种情况占主导。类似于引理 1 的结论在垂直一体情况下不成立，我们可以证明当eqx时，发电企业会发生亏损（证明略），但是当eqx，那么在垂直分离时，发电企业的短期均衡利润较 高，即 FI，电力零售价格也较高，即*rp。反之，如果(,()0Cov q MC q，那么结论相反，即 FI，*rp可以直接从（11）式看出。由于零售企业的利润为零，且需求没有弹性，发电企业获得较高的利润当且仅当零售
21、电价较高，这一点可以从比较（1）和（4）式看出。当该协方差为负时的证明类似。证毕。如果企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为正，那么需求较高时边际发电成本也较高，在垂直分离情况下，电力批发价格也较高。这样在需求较高时，发电企业可以按较高的价格出售较多的产出。由于边际发电成本上升得比平均发电成本快，发电企业从高需求中获利甚多。而在需求较低时，虽然批发价格较低，但是发电企业的产出也较低，因此损失较小。这样相对于垂直一体的情况，需求的波动在不影响发电企业成本的前提下，使其获得较高的收入。垂直分离同时也使得零售电价超过期望的边际发电成本，由于本模型假设需求没有弹性，因此过高的价格只会造成利益的转移，
22、而不会造成社会福利的损失。但是我们可以预料，在一个存在需求弹性的模型中，垂直分离可能降低需求量，形成社会福利的“无谓损失（Deadweight loss）”。如果政府不反对发电和零售企业合并，并且合并成本足够小，那么垂直分离的市场结构将不可能在均衡情况下存在。具体地，假设企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为正，在垂直分离均衡的基础上，考虑“一小部分”发电企业兼并零售企业并退出现货批发市场的情形。如果这些一体化的电力企业保持其原来的发电量和销售价格不变，那么其利润不变。但是由于市场零售电价高于垂直一体化情况下使市场出清的均衡价格，这些一体化的企业可以通过适当提高签约用户数来获取更多的利润，即
23、垂直合并是有利可图的。但是在垂直一体均衡的基础上，个别企业进行垂直分离将是不可行的，因为分离出来的零售企业将发生亏损。因此，垂直分离的市场结构最终会被垂直一体的结构所取代。如果发电量与边际发电成本之间的协方差为负，以上结论仍然成立。具体地，根据定理 1，不难证明垂直分离使得市场价格低于在垂直一体情况下使市场出清的均衡价格，因此个别企业在进行垂直整合后，可以通过适当降低签约用户数获取更多的利润。总之，垂直整合使企业能更有效地应对不确定的市场需求，从而提高产业效率和企业利润。在不考虑交易成本的前提下，市场这只“看不见的手”在竞争的电力 市场是有效的。例1：例1：假设需求可能取两个值 150 x=和
24、270 x=，概率分布为(,1)tt(0.5,0.5)=，因此期望的需求量为 60。假设边际发电成本满足(50)2MC=和(70)4MC=。于是由（1）式给出的垂直一体时的电力价格（即市场出清时的期望边际成本)为 *p=0.520.543+=。（13）根据（4）式，垂直分离时的电力零售价格为*r=50 2 0.570 4 0.519606+=3。（14）可见，垂直分离导致较高的电力价格，同时使得发电企业的期望利润增加160106=。不难验证，无论参数t取(0,1)区间的何值，均有*rp。2.22.2 长期均衡 长期均衡 发电企业的个数或发电资产的组成在长期可以进行调整，发电企业在均衡情况下应获
25、得零经济利润。仍假设每个发电企业的成本函数为()C q，并且这个对称的模型的短期均衡存在且对称。我们首先给出以下引理。引理 3：引理 3：在垂直一体情况下，发电企业的短期均衡利润随着发电企业数量的增加而降低。证明：证明：注意到在一个完全竞争的市场，给定其它条件不变，企业的利润随着市场价格的上升而上升。在垂直一体情况下，假设市场已有m个发电企业，如果一个新的发电企业进入，市场价格必然下降，否则现有m个企业的发电量即已满足所有需求，市场不能出清。因此新企业进入使得每个发电企业的利润下降。证毕。如果一个发电企业面临的需求服从区间,y y上的分布()K q，我们定义“产出不确定情况下的平均发电成本”为
26、期望的总成本除以期望的发电量，即?AC=()()()yyyyC q dK qqdK q。（15）给定电力价格p，在垂直一体时企业的利润为 =()()()yyyypqdK qC q dK q。（16）从（15）和（16）式不难看出，?AC的值越小，使得一个企业获得零利润的电力价格就越低。在完全竞争条件下，?AC必然等于市场价格，否则会有企业进入或退出市场。不妨假设市场上有()xxNqdF q个（连续统的）用户，由于本文仅考虑总需求的不确定性，假设每“个”用户都是一个代表性的用户，因此每个用户的需求服 从 区 间,x x,xxN N上 的 分 布()F Nx，每 个 用 户 的 期 望 需 求 量
27、 为()1xxqdF Nq=。记当一个发电企业服务n个用户时，“产出不确定情况下的平均发电成本”为?()AC n。不失一般性，不妨假设当一个发电企业服务“1 个”用户时，?AC取最小值，即 minn?()AC n?(1)AC=，注意到这个“不确定情况下的有效规模”不同于前面的使平均成本()AC q最小的产量eq。于是在垂直一体时的长期均衡中，发电企业的个数为()xxNqdF q。因为每个企业的期望发电量为()1xxqdF Nq=，根据（15）式，均衡电价为一个企业的期望总发电成本，即?(1)()()xIxpACC q dF Nq=。（17）市场的期望总发电成本为()()xIxNpNC q dF
28、 Nq=。由于垂直一体时的长期均衡实际上就是使得价格Ip（或期望总发电成本）达到最小的资源配置方式，因而这个均衡是社会最优的。如果实行垂直分离，发电企业的个数会偏离社会最优的企业个数，使得社会福利下降。具体的，我们有 定理 2：定理 2：在垂直分离时的长期均衡中，如果企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为正，那么发电市场存在过度进入；反之如果该协方差为负，那么发电市场存在进入不足。无论在哪种情况下，电力价格相对于垂直一体时均较高，且社会福利下降。证明：证明：假设企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为正，给定垂直分离时的长期均衡企业个数，如果实行垂直整合，那么根据定理 1，发电企业在短期将发
29、 生亏损，根据引理 3，在长期会有发电企业退出市场，直到企业的利润重新归零，形成垂直一体情况下的均衡。因此在长期均衡，垂直分离时的发电企业个数大于垂直一体时的企业个数，市场存在过度进入。由于垂直分离时的均衡企业个数多于社会最优的企业个数N，每个企业的发电量必然低于其最有效规模（即 1），使得?AC上升，因此期望总发电成本（等于各发电企业的?AC的按期望发电量加权的和）上升。由于期望总发电量确定，所以长期均衡电价上升，且社会福利下降。类似地，可以证明如果企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为负，那么垂直分离情况下的发电市场会出现进入不足现象，这样每个发电企业的期望发电量高于 1，使得?AC上升
30、，因此电力价格相对于垂直一体时仍然较高，且社会福利下降。证毕。在多数情况下，企业的发电量与其边际发电成本之间的协方差为正，因而完全竞争前提下的垂直分离在长期一般会导致过多的发电企业进入市场。注意到这里的过度进入并不能降低电价，相反，由于每个企业的期望产出低于其最有效率的规模，电价反而会上升。最后，即使企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为负，虽然垂直分离在短期可能导致较低的电力价格，但是在长期仍然会形成较高的电价。三结 论 三结 论 本文考虑一个完全竞争的电力市场，总需求不确定，价格在需求实现之前确定，电力不可储存，产销实时平衡。模型表明，如果企业的发电量与边际发电成本之间的协方差为正，即两
31、个随机变量之间有正的线性关联度，那么在短期均衡中，垂直分离导致较高的发电企业利润和零售电价，对消费者有不利影响。在长期均衡中，垂直分离诱导发电市场的过度进入，造成社会福利的损失，而不效率的电力生产还导致过高的电力价格。当该协方差为负时，虽然垂直分离在短期导致较低的发电企业利润和零售电价，但是在长期使得发电市场进入不足，仍然导致较低的社会福利和较高的电价。因此本文认为，在输配电业务从传统的电力企业独立出去后，发电和零售业务仍然应该实行垂直一体化，以促进上下游企业之间的协调，提高电力产业的运行效率。2002 年的电力体制改革方案指出，我国电力体制改革的总体目标是“构建政府监管下的政企分开、公平竞争
32、、开放有序、健康发展的电力市场体系”。目前我国的发电领域基本由五大集团主导，从国外的经验来看，我国发电领域的集中度属于中等偏高，在将来的市场化改革中，政府可能会逐步放开发电市场的准入以鼓励竞争。我国的电力零售现由输配一体的电网公司承担，目前正在研究输配分离的改革。将来一个可能的改革思路是在配电公司的基础上成立相互竞争的电力零售企业，同时建立电力批发市场，即“区域电力交易中心”。本文的研究表明，这种发电和售电分离的制度可能导致发电行业的过度进入和较高的电力价格，形成社会福利的损失。如果国家鼓励由发电企业出资成立电力零售企业，形成发售一体的市场结构，那么电力资源配置将更加有效，电价也会较低。垂直一
33、体的市场结构同时也减弱了电力批发市场的作用，降低了政府监管市场的难度。本文集中于讨论完全竞争电力市场中垂直分离的后果，忽略了电力行业其他一些特征对结论的影响，例如，电力供应的不确定性，抽水蓄能的可能性，电力需求弹性，寡头竞争，两部定价，峰谷定价等，这些都可能成为进一步研究的课题。参考文献 参考文献 国家电力监督委员会，2006，“电力改革概览与电力监督能力建设”，中国水利水电出版社。周定山，2005，“西方国家电力体制改革实践及经验教训”，中国水利水电出版社。Bonanno,G.and J.Vickers,1988,“Vertical Separation”,Journal of Indust
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