经济
我用的电来自从哪个发电厂？
本文探讨了电力市场的复杂性，包括电力的生成、传输和分配，以及市场调控对电价的影响。
2000年6月，旧金山湾区大面积停电。当时电力供应不足，超过一百万用户被断电，这是自二战以来加州最大的负荷削减事件。这只是21世纪初加州发生的一系列滚动停电中的一个。这场被称为“西部能源危机”的短缺导致了停电、电价飙升，并最终造成了约400亿美元的经济损失。但这一次，问题的主要原因与工程无关。虽然由于干旱导致水电站容量不足，确实有一些停电，但灾难的主要原因是经济问题。电力经纪人(主要是安然公司)操纵新解除管制的大宗电力市场，迫使电价飙升。公用事业公司不得不以疯狂的价格购买电力，但他们向客户收取电费时有一个上限。一家公用事业公司PG&E亏损严重，不得不申请破产。而南加州爱迪生公司也差点遭遇同样的命运。
我们大多数人都会每月支付电费。通常这些账单上充满了对我们毫无意义的晦涩条目。电网不仅在机械和电气方面非常复杂；在财务上也非常复杂。我们并没有真正参与这种复杂性——我们只是每个月支付账单。但它确实以重大方式影响着我们，因此我认为至少了解基础知识是很重要的，特别是如果你像我一样觉得这很有趣的话。我是一名工程师，不是经济学家或金融专家。但在美国，如果你想真正理解电网是如何运作的，你不能只关注电压和瓦特。你还必须看看美元。
电力不像我们买卖的任何普通商品。你不能去商店买一箱千瓦时。它实际上无法大规模存储或囤积，这意味着它必须在需要的时候几乎立即产生。而且需求相当缺乏弹性。无论白天还是黑夜，我们都希望灯、炉灶、空调和设备都能正常工作。这就要求供应方处理巨大的波动性，实时增减供应量。整个业务极其资本密集：几乎每一步都需要非常昂贵的基础设施。唯一能使这一切运作的原因是我们共享这些基础设施，分摊成本。你可以叫我书呆子，但我认为所有这些都带来了有趣的挑战，无论是对工程师的技术挑战，还是对政策制定者、监管机构和所有参与电力行业的公司的组织挑战。
就在不久之前，电力公用事业公司还包揽了一切。正如专业人士所说，他们是“垂直整合”的。每个公用事业公司在其服务区域内拥有并控制电网的三个主要部分：发电厂、输电线路(以高电压长距离输送电力)和配电系统(以较低电压向大多数客户提供电力)。这意味着他们有垄断权。客户无法选择他们的电力来源或如何获取电力。这也意味着电力公用事业公司必须受到严格监管，以确保在没有竞争的情况下，他们仍然为客户提供合理的电价。
随着时间的推移，公用事业公司意识到互联的价值，以便在需要时互相帮助。电力是一种真正的商品，即使它具有一些特殊性质。对于它所完成的工作来说，谁制造的并不重要——千瓦就是千瓦，不管它来自哪里。如果一个公用事业公司的发电厂停机或天气恶劣，他们可以达成协议，与邻近公司分享电力，满足需求。随着这种做法越来越普遍，电力池出现了，多个公用事业公司互联并同意共享电力。每个系统都不同；面临不同的风险、不同的天气条件和不同的停机时间。分散这种变化性和风险在经济上是合理的。最终，北美大部分地区通过输电线路互联，形成了我们今天所知的“电网”。美国和加拿大的主要互联电网是西部、东部、魁北克和德克萨斯。
历史上，一个公用事业公司向另一个公用事业公司支付的批发价格受到监管，就像公用事业公司向零售客户收费一样。它通常基于实际发电成本，因此大型公用事业公司不能对小公司进行价格欺诈。但在1990年代，联邦政府为解除管制打开了大门。表面上看，这个想法很简单：如果电力可以在电网中自由流动，就没有必要让主要公用事业公司成为唯一的生产者，也没有必要监管电力买卖价格。让我们让市场力量来驱动决策。这将增加竞争和效率，降低价格，投资风险将由投资者承担，而不是客户。
许多州抓住机会解除了电力生产的管制，也有许多州没有这样做。事实上，目前大约一半一半，但各州在电力生产和公用事业公司及其他公司之间的买卖方式上有很大差异，甚至在个别州内也是如此。实际上，解除管制的过程远非简单，并且实际上创造了一整套新的有趣挑战。试图钻制度空子的公司，比如在加州发生的那样，只是其中的一部分。事实上，电力专业人士经常说某些州不是解除管制，而是以不同方式管制。但这一切在实践中究竟是如何运作的呢？让我们设立一个类比。
假设我住在大湖的一边。水不属于我，但在另一边有一家水务公司。如果我想买一些水，他们可以用卡车运过来。或者他们可以把水放入湖中，我可以取出同样数量的水。这可能不是同一份水，但这并不重要。在这个类比中，水就是水。让我们扩大规模。现在，成百上千的人需要水，成百上千的公司在卖水。每个人都可以雇佣任何他们想要的公司来提供水。买家和卖家之间的距离并不重要。每个卖家都会把他们卖出的水量放入湖中，每个买家都会取走他们买的水量。只要每个人都记录下他们买了多少和卖了多少，湖就会保持满，基本物理定律会决定实际水流的方向。一方面，你知道你的水是从哪里来的：你付钱让他们提供的公司。但另一方面，你根本不知道。所有公司的水都在湖中混合在一起。这就是电网上的情况。某种程度上，进入你家的电力来自你的公用事业公司付费产生的发电厂。但电子本身可能不是。就像湖中的水一样，电力根据物理定律从高电位流向低电位，根据系统中每个人的行为流动。
这很像解除管制后的电网运作方式。向客户提供电力的公用事业公司并不自己发电。他们签订合同，从批发电力供应商那里获取电力，这些供应商只负责发电。但你可以看到这里的挑战。如果我在大湖边想喝水，我可能不想与每个水务公司协调，看看谁的价格最优惠，尤其是如果我对水的需求每天甚至每秒都在变化，老实说我甚至不确定我会有多渴。而如果我是湖边的水务公司，处理所有这些客户及其不同需求会有很大的管理开销。有一个市场会更合理。所以电网也是如此。
正如我提到的，这取决于你所在的地方，所以我尽量说得尽可能广泛。除了那些直接合同外，解除管制地区的大部分批发电力都是在日前市场上买卖的。像公用事业公司这样的批发购买者提交报价，估计他们在第二天每小时需要多少电力。而发电机则提交销售特定数量电力的报价，该报价基于他们的生产成本、燃料可用性和操作限制。每个批发市场促进者会收集每个小时的所有报价，并匹配供需，以最低的成本在正确的时间将正确的电量放到电网上。这里是一个简单的拍卖示例：
假设四个发电厂在这一个小时提交了报价：一个核电站报价1200兆瓦，价格为20美元/兆瓦时。一个天然气峰值发电厂报价400兆瓦，价格为100美元/兆瓦时。一个燃煤发电厂报价500兆瓦，价格为30美元/兆瓦时。一个风力发电场报价400兆瓦，价格为0美元。风能和太阳能可以提交非常低的报价，因为他们没有燃料成本。如果他们连接到电网，基本上不会亏本，特别是因为许多公司每发一度电都会得到外部激励。他们甚至有时会提交负报价，这意味着他们愿意花钱保持与电网的连接。无论如何，在我们的假设小时内，电力发电机向市场提供了2500兆瓦的电力。
假设购买者在这一个小时提交了2000兆瓦的需求。我们将发电报价按最低成本排序以满足需求。这个概念称为经济调度。我们以最低成本购电。我们将派遣风力发电场和核电站，以80%的容量派遣燃煤发电厂，完全不需要峰值发电厂。结算价格是最后一个被派遣单位的供应成本。在这种情况下，它是每兆瓦时30美元。每个生产商都会以这个价格获得他们在这个小时投入电网的电力报酬，即使他们报价更低，每个买家也会以这个价格购买批发电力。这就是为什么风能和太阳能有动力报价0美元。他们基本上保证他们会入选。
在我们的假设小时内，这似乎是一个简单的过程，但实际上还有很多其他因素。首先，许多类型的发电厂不能仅通过开关开关来启停。它们需要较长的启动和关闭时间。它们有最小和最大输出水平。并且他们的成本会根据运行时间有很大变化。因此，市场必须考虑这些因素。此外，我们不能完美地预测未来，即使是第二天。总是会有前一天预测的不同。需求变化，设备出现问题，以及其他不可预见的事件如破坏或太阳风暴时常发生。
因此，还有一个实时市场，有时每隔五分钟就有一次拍卖，以弥补这些差异并使供应与需求保持一致。例如，如果风力发电场在日前市场中的产量超过了他们的报价，他们可以在实时市场上出售多余的电力。如果他们产量不足，他们可能需要在实时市场上购买电力以弥补不足。如果储备不足，实时市场通常有一种方法来提高价格，甚至超出结算价格，以确保它们更接近反映电力的实际价值。
本文译自 Practical Engineering，由 BALI 编辑发布。