《Energy Economics》：Programmable fairness in electricity markets: A cost-causation–consistent alternative to marginal pricing
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在电力系统日益向高比例可再生能源、分布式和灵活性驱动转型的背景下，传统的节点边际定价（LMP）架构在稀缺分配和固定成本回收方面面临挑战，导致分布不稳定和成本因果关系弱化。本文提出一种名为自动做市商（AMM）的新型市场架构，将可行性、稀缺分配和成本回收解耦为不同的计算层级。研究通过在相同物理系统上对比AMM与安全约束LMP基准模型发现，AMM在保持系统总成本和供应能量基本不变的同时，显著降低了账单分散度、稀缺驱动转移和发电商收入集中度，并使剩余成本分配更贴合合同能量规模与系统影响。这项研究发表在《Energy Economics》期刊，为在竞争性电力市场中以设计约束而非事后监管的方式嵌入公平性与成本因果性提供了新思路。
想象一下，未来的电网像一个超级繁忙的交通枢纽，无数可再生能源发电站、储能电池、电动汽车和智能家电如同车辆和行人，需要实时协调通行。传统的“红绿灯”系统——即基于节点边际定价（LCP）的电力市场，在火电为主、需求相对被动的时代运行良好。它能告诉每一度电，在特定时间和地点，增加供应或需求的边际成本是多少，从而高效引导调度。然而，随着风电、光伏占比攀升至70-80%，电网的“天气”变得难以预测，时而电力过剩（如大风、强日照时），时而因线路拥堵导致局部短缺。这时，单纯依赖“边际成本”定价的弊端显现了：它无法约束极端价格飙升带来的地区性“电费彩票”（即地理位置相近的用户因网络堵塞而面临天价电费），也难以将发电站的固定投资（如建设成本）和运维费用公平、透明地分摊给真正造成系统压力的用户。现有的补救措施，如容量市场、差价合约、不平衡结算等，虽然有效，但像是事后贴上的“创可贴”，并未从根本上解决稀缺暴露分配不清、成本因果模糊的问题。电力市场的设计，是否到了需要重构底层架构的时刻？
这正是发表于《Energy Economics》期刊的论文《Programmable fairness in electricity markets: A cost-causation–consistent alternative to marginal pricing》所探讨的前瞻性问题。该研究由帝国理工学院戴森设计工程学院的 Shaun Sweeney 完成，旨在回答：在灵活性驱动、合约异质化的未来电网中，能否将市场的物理可行性、稀缺分配和成本回收功能，从一开始就分离为明确、可编程的层级，从而将公平性和成本因果性内化为设计约束，而非事后监管的叠加？研究者给出的答案是肯定的，并提出了一种名为“自动做市商”（Automatic Market Maker, AMM）的创新市场架构。
为验证这一构想，研究者运用了几项关键技术方法。他们构建了一个简化的英国输电网络模型，包含12个节点和21台涵盖风电、核电、燃气和电池储能的发电机组，并采用了反映2024年实际情况的居民用电时序数据。研究方法的核心是比较分析：在完全相同的物理系统模型、发电报价和需求输入下，并行运行了安全约束的节点边际定价（LMP）基准模型与提出的AMM机制。AMM机制本身被分解为三层计算模块：基于网络约束调度的可行性层、基于对称缺额定价的失衡定价层，以及基于Shapley值的剩余成本分配层。评估采用了全年、半小时分辨率的大规模仿真，从系统总成本、账单分布、发电商收入集中度、成本与系统负担的匹配度以及灵活性激励等多个维度进行量化对比。
研究结果
1. 分布结果与账单稳定性
研究发现，在节点边际定价下，由于输电拥堵，地理位置相近但节点不同的家庭用户，其年度电费可能出现显著差异，形成了“邮编彩票”效应，表现为账单差异分布存在明显的右尾（即部分用户面临高得多的费用）。相比之下，AMM通过产品级订阅定价和有界稀缺表达，从设计上约束了地理暴露，极端正差异大幅减少。剩余的差异主要由用户签约的产品特性（能量额度与功率上限）驱动，而非节点位置差异。这表明，通过市场设计本身可以实现分布稳定性。
2. 系统成本与福利比较
在保持调度可行性的前提下，两种机制在总发电成本、可再生能源削减和不可控负荷削减方面的表现非常接近。AMM的有界稀缺定价并未显著增加削减或未供应能量。关键的差异在于支付结构：LMP下，总支付额远高于发电成本，反映了节点拥堵时的稀缺租金；而在AMM下，这部分被旨在回收固定成本的订阅费所取代。这表明，观察到的账单分散度和收入集中度降低，源于分配和结算规则的改变，而非系统效率的损失。
3. 成本因果关系与负担匹配
AMM的一个核心设计目标是使成本分配与系统负担（合同能量额度和功率驱动的系统压力）相匹配。结果显示，在AMM机制下，分配到每个家庭的成本在由能量额度和功率上限构成的二维合同空间中，呈现清晰、单调的顺序。成本随能量额度或功率上限的增加而系统性地增加，确认了在两个维度上的联合成本因果关系。而在社会化的LMP下，成本差异主要与能量额度对齐，功率维度的影响微弱或不一致，表明其定价规则实质上将分配压缩到了单一的能量轴上。
4. 发电商报酬与收入稳定性
LMP与AMM的核心区别不在于总收入充足性，而在于报酬的结构和稳定性。在LMP下，非燃料成本回收依赖于少数约束绑定时的稀缺租金，由于系统在大部分时间处于总体过剩状态，燃气机组调度不频繁，风电和核电机组大部分时间赚取的能源边际收益接近于零。AMM则通过明确的、由订阅支持的容量和备用支付来提供回收，将罕见的“头奖”收入转化为可预测的年度现金流。洛伦兹曲线分析显示，AMM降低了发电商收入的集中度，同时保留了不同资产（如可调度资源与可再生能源）之间的差异性报酬。
5. 逆向公平性：无持久匮乏与无持久削减
AMM包含的“公平玩法”（Fair Play）和“公平削减”（Fair Curtailment）规则旨在防止对同一用户或发电商的持续服务剥夺或削减。分析表明，在同一个可靠性等级内，如果一个节点在历史上获得的服务比例较低，其后续请求的权重会增加，从而提高了在稀缺时期获得服务的概率，形成负反馈，避免了持久性的服务不足。类似的机制也应用于发电过剩时的公平削减，防止同一发电机组被反复削减。
6. 基本机制特性
研究从数学上证明了AMM的几个关键特性：有界价格（价格被限制在基础价格±最大不平衡溢价之内）、预算平衡（总收款等于总分配）、无持久匮乏（在无限次稀缺事件中，同一节点不会永远得不到服务）以及无持久削减。这些特性为机制的可信度和公平性提供了理论保障。
7. 对Shapley值近似准确性的评估
由于精确计算所有发电机联盟的Shapley值计算量巨大，研究采用了基于节点和燃料类型的聚类近似方法。通过将近似结果与针对小子集（4台发电机）的精确计算结果进行比较，评估了近似误差。结果表明，聚类近似在捕捉个体贡献排序和相对大小时是有效的，平均绝对百分比误差在可接受范围内，验证了在大规模系统中使用近似方法的可行性。
8. 对覆盖层机制的稳健性
研究探讨了现实市场中常见的对LMP的补充机制（如容量市场、差价合约、运营备用需求曲线）是否会改变上述分布性结果。分析认为，这些覆盖层机制可以改善收入充足性，但不会实质性地改变驱动分布不稳定的结构性因素——即稀缺租金在节点价格中的波动及其在不同需求合同间的分配方式。AMM的不同之处在于，它将稀缺分配和剩余成本回收内化于出清架构之中，是内部化而非分层叠加。
结论与讨论
本研究提出并验证了自动做市商（AMM）作为节点边际定价（LMP）的一种替代架构。其核心贡献是架构性的：它将电力市场必须实现的三个经济功能——物理可行性、稀缺分配和成本回收——解耦为明确的、可编程的计算层。研究表明，这种分离是可行的，并且能够在几乎不牺牲短期调度效率的前提下，显著改善市场的分布公平性和成本因果关系。
AMM的意义在于它提供了一种将公平“编程”进市场设计的方法。在向高比例可再生能源、分布式网络物理系统转型的过程中，数百万设备将对数字信号做出响应，结算规则将深刻影响设备级参与、灵活性提供和风险分配。AMM通过有界但灵敏的价格信号、基于产品特性的稀缺分配规则（公平玩法）以及基于合作博弈论（Shapley值）的剩余成本分摊，将稀缺暴露的分配和固定成本的回收透明化、规则化。这减少了参与者面临的不确定性，增强了需求响应、储能和灵活并网等实时激励。
此外，AMM并非要完全取代边际定价的效率逻辑，而是对其进行了补充和重构。短期调度仍然基于成本，确保了物理效率；而长期投资信号和收入充足性则通过独立的、基于订阅的容量层来保证，这有助于缓解发电商为回收固定成本而扭曲能量报价的动机。研究也指出，AMM的成功实施需要相应的监管框架和市场参与者的适应，其博弈论激励特性（如是否可能诱发新的策略性行为）是未来需要深入研究的课题。
总之，这项研究为面临深刻变革的电力行业提供了一个重要的设计选项。它表明，公平和成本因果一致性不必是事后施加的监管负担，而可以成为市场竞争性运行的前瞻性、可编程基础。这对于构建更具韧性、包容性且能高效整合海量分布式资源的未来电网，具有重要的理论和实践参考价值。
