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中国产品设计：新能源电力交易的预测与优化模型
工作设计文档 —— v0.1（2026年7月）
配套文档： ../us/pjm/design_models_zh.md（PJM 设计，模型 A–C）与 market_vendor_dd_zh.md（市场与供应商背景，尤其 1.4–1.6 节）。
范围：中国产品线。模型 A–C 以引用方式导入，其中国化调整在第一节汇总；模型 D——中长期头寸优化器，在 PJM 无对应物——在本文档中获得完整的一级规格说明，包括合同头寸问题的数学表述。
〇、总体架构：四个模型、六个决策时间尺度
┌──────────────────────────┐
│ 模型 B：出力预测 │── 日度分位数 ────────────────┐
│（为 D 新增月度尺度 │── 月度分布 ───────────────┐ │
│ 出力分布） │ │ │
└──────────────────────────┘ ▼ ▼
┌──────────────────────┐ 市场状态 ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
│ 模型 A：现货价格 │───────────────────────────▶│ 模型 D： │ │ 日前申报优化器 │
│ 水平/状态（分省， │── 月度分时段预测 ─────────▶│ 中长期头寸 │ │（报童模型 + │
│ 日前与实时） │ │ 优化器 │ │ 协方差修正 + │
└──────────────────────┘ │（年度/月度/ │ │ 两个细则项） │
┌──────────────────────────┐ │ 滚动） │ └──────────────┘
│ 模型 C：日前–实时偏差价差 │─▶└──────────────┘ ▲
│（分省） │ │ 剩余现货敞口 Q_open │
└──────────────────────────┘ └────────────────────┘
决策时间尺度：（1）机制电价年度竞价 →（2）年度中长期窗口 →（3）月度调整 →（4）月内/多日滚动 →（5）日前申报（报量报价）→（6）实时。模型 D 负责（1）–（4）；日前优化器负责（5）–（6），其中模型 B/C 的用法与 PJM 设计完全一致。
一、模型 A–C：中国化调整（引用导入）
| 模型 | PJM 规格 | 中国增量 |
|---|---|---|
| A——价格水平/状态 | ../us/pjm/design_models_zh.md 第 1 节 |
分省现货预测（日前与实时）；负电价/触底与触顶分类器；供需格局。 新任务：按合同分段的月度尺度加权现货预测（D 的关键输入）。 轻量结构化特征相应调整：省级供给堆栈、煤价、省间来电、机制/中长期披露数据 |
| B——出力分位数 | 第 2 节 | 两阶段管线与校准纪律不变。 新要求：月度出力分布 （逐小时加总且保留月内相关性——优先采用集合/情景路线而非纯分位数回归）。双重变现：规避"两个细则"考核 + 竞价 |
| C——日前–实时价差 | 第 3 节 | 在日前对实时的偏差结算上沿用"状态分类 × 条件分布 × 协方差"架构。阻塞层大体被省级供需与新能源过剩状态取代（分区/统一定价）；"两个细则"考核项与价差一同进入优化器（即"BORD 类"机制的对应物——见 PJM 设计文档 4.1 节的对照） |
时点纪律（PJM 文档 5.1 节）原样适用，仅以各省申报截止时刻替代美东 10:30 的日前闭市；且比 PJM 更难的是，"以当时为准"的存档必须涵盖 中长期窗口披露数据 （挂牌价格、成交电量）——各省交易中心发布不规律且事后修订。
二、模型 D——中长期头寸优化器（完整规格）
2.1 决策问题
对省份 p 中的电站（或组合），在每个签约窗口 w（年度、月度、滚动）决策：
- x_s ——各交割月 m、各时段 s（峰/平/谷或更细，依省定义）持有的合同电量；
- 限价 ——各窗口双边/挂牌/竞价参与的价格上下限；
- 时机 ——在强制性约束范围内选择在哪些窗口成交；
已知：模型 B 的月度出力分布、模型 A 的分时段现货预测、当前合同账簿、机制电量，以及该省规则手册（签约比例要求、曲线颗粒度、调整权、头寸限制）。
2.2 目标函数：结算恒等式
对每个交割小时 t（省略电站下标），合同账簿给出逐小时合同电量 Q_c(t) = Σ_s x_s·1[t ∈ s]、电量加权合同价 P_c(t)，机制电量 Q_m(t)、机制价 P_m：
R(t) = Q_da(t)·P_da(t) + [Q_rt(t) − Q_da(t)]·P_rt(t) （现货两层）
+ [P_c(t) − P_ref(t)]·Q_c(t) （中长期差价；P_ref 通常=日前价）
+ [P_m − P_ref_m(t)]·Q_m(t) （机制差价）
− A(t) （"两个细则"考核）
模型 D 针对现货相关量的分布优化 合同条款 {x_s, P_c}；日前优化器随后在给定账簿下优化 Q_da。注意可分性：在 Q_c 固定时，日前/实时问题正是 PJM 的报童模型（外加考核项）。模型 D 的问题是外层的组合问题。
月度聚合：设月份 m 的时段小时集为 H_s(m)。按时段定义：
- W_s = Σ_{t∈H_s} P_ref(t) / |H_s| ——该时段的已实现加权现货（"时段指数"），在签约时点是随机变量；
- G_s = Σ_{t∈H_s} Q_rt(t) ——电站在该时段的出力，随机，且与 W_s 相关（光伏在午间时段为负相关：全网出力高压低指数，恰逢自身出力也高）。
于是中长期层的月度盈亏为 Σ_s x_s·(P_c,s − W_s)·|H_s|（按度电口径），电站未套保的市场收入为 Σ_s G_s·（时段平均获得电价）。合同头寸的经济学归结为一个 时段级基差头寸的组合 ：在每个时段以规模 x_s 做多基差 (P_c,s − W_s)。
2.3 核心优化
风险调整表述（按月，可跨月扩展）：
max_{x} Σ_s x_s·( P_c,s − E[W_s] )·|H_s| （基差期望盈亏）
− λ · Risk( Σ_s [ G_s·Ŵ_s + x_s·(P_c,s − W_s)·|H_s| ] )
s.t. L_p ≤ Σ_s x_s·|H_s| / E[Σ_s G_s] ≤ U_p （签约比例区间）
x_s ≥ 0（或依省允许的分时段形式） （头寸/做空限制）
x_s ≤ κ_s·（实物基数） （与实物规模挂钩的规则）
其中 Risk(·) 为总收入的方差或 CVaR，λ 为客户风险厌恶系数，Ŵ_s 为电站在时段 s 的获得电价简记。在单时段的均值–方差情形下，得到两个经典结论：
最优套保比例。 设出力 G（均值 μ_G）、时段指数 W（方差 σ_W²）、出力–指数协方差 σ_GW、合同价 P_c：
x* = [ β·μ_G ] + [ (P_c − E[W]) / (2λ·σ_W²·|H|) ]
最小方差 投机倾斜
套保项 （基差观点）
其中 β = −Cov(G·W 收入, W)/Var(W)·(1/|H|) ≈ μ_G + Cov(G,W)/σ_W²
解读——以及使其超越教科书套保的三个中国特有修正：
- 最小方差套保并非预期出力的 100%。 修正项 Cov(G,W)/σ_W² 在光伏的午间时段为 负 （自身出力高 ⇔ 指数低），将纯套保头寸压到预期出力 之下 ——由于电量集中在指数偏低的实现路径上，电站经由收入敞口"做空指数"的程度低于朴素假设。这是模型 C 协方差修正在合同市场的镜像；忽略它会系统性地对光伏过度套保。
- 投机倾斜项正是模型 A 基差预测的入口。 在 PJM 我们将该项置零（远期 ≈ 有效）。在中国，依尽调报告 1.5 节，(P_c − E[W]) 持续非零且可预测——该倾斜是合法、有界的头寸，实践中由比例区间 [L_p, U_p] 与头寸规则而非优化器本身封顶。
- 电站无法出力的时段是纯粹的基差赌注。 对 G_s ≈ 0 的时段（光伏之于晚高峰），x_s 完全没有套保功能——最小方差项消失，x* 只剩倾斜项。默认姿态：除非基差观点强烈，x_s ≈ 0；在谈判中为"补全曲线"而接受此类时段，应显式按"做空指数头寸"定价，并计入 W_s 的全部尾部风险（晚高峰飙升敞口）。
多月、多窗口扩展。 将各月叠成账簿；在每个窗口 w，用（a）模型 A/B 更新后的 E[W_s] 与分布、（b）以现有账簿为初始头寸、（c）各窗口的交易成本与流动性限制重新求解。滚动问题即标准的随机规划 / 模型预测控制（MPC）循环：求解、执行第一阶段、向前滚动。窗口择时（在哪个窗口成交）通过比较当前窗口可成交价格与模型对后续窗口价格的预测（扣除流动性/执行折价）完成——尽调报告 1.5 节的日历资金流规律（年度窗口压力、月末效应）作为该预测的特征进入。
2.4 阶段结构
- D1——时段基差预测器。 目标：分省、交割月、时段、各窗口时点（12 个月前至 D-2）的 E[W_s] 与分位数。特征：模型 A 的状态预测；省级供给堆栈演化（装机投退产管线）；煤价与区间政策；新能源装机增速对需求增速；已披露的中长期窗口价格与成交量（现有意义上的"远期曲线"）；日历/窗口虚拟变量；政策事件标志。须战胜的基线："W_s = 当前中长期价格水平"（市场正确论）与"W_s = 去年实现值"（朴素外推）。
- D2——形状风险量化器。 各时段 (G_s, W_s) 的联合分布：分状态估计相关性，用模型 B 的集合情景穿过模型 A 的价格情景生成场景。输出：任意候选账簿的协方差输入与收入分布。
- D3——组合优化器。 2.3 节的规划问题，内置省级规则手册（比例区间、时段定义、调整权、头寸限制）。输出：各月/时段目标账簿、各窗口交易清单、限价。
- D4——窗口择时与谈判支持。 分时段公允价值标尺（来自 D1）、离场价格、对手方报价评估（"这条曲线在这个价格 = 隐含基差 X，对照我们的预测 Y"）、日历压力择时信号。
- D5——机制电价竞价器。 年度机制电价竞价：报价须低到能入选、高到胜过市场化替代。决策规则：报价 ≈ 市场收入分布（来自 D1–D3 的未套保 + 最优套保预测）的确定性等值，再加机制覆盖之期权价值的边际；出清价预测基于往届结果、省级上限与竞争对手成本曲线。
2.5 评估协议
- D1： 按时段/时点的 pinball loss 对照上述两条基线；校准检验集中于下行尾部（伤害卖方的基差变动）。
- D2/D3 经济回测： 对照已实现现货模拟完整滚动循环，比较（i）满足最低比例的平直曲线朴素策略、（ii）按预期出力 100% 比例套保、（iii）优化器。指标：风险调整后的 元/MWh 提升与最差实现月份的回撤——该市场的客户高度厌恶损失；销售指标与其说是平均提升，不如说是"避免 2021 式爆仓"。
- 分状态切片： 分别对买方市场与紧张市场时期打分；在 2024–26 买方市场数据上调优的模型会在下一个紧张周期中错误定价（无论数据工作多么痛苦，都要显式编码 2021–23 那段历史）。
- 时点纪律： 逐窗口的信息集；中长期披露数据以各窗口当时版本为准，而非事后修订版。
2.6 模型间交互与组合风险
- B → D 的规格变更： 模型 B 必须交付保留月内相关性的月度分布（情景/集合形式），而不只是日度分位数。
- D → 日前优化器： 账簿 {Q_c(t), P_c(t)} 是每日申报问题的输入；反向地，已实现的日前/实时结算回馈 D 的下一窗口重求解。
- 跨客户相关性（与模型 C 同样是生存级问题）： 各客户的最优倾斜方向一致（同为新能源卖方、同一省级基差观点）。分省的合计倾斜敞口——客户账簿中偏离最小方差头寸的总 MWh——是一级风险指标，并须针对"政策重置情景"（区间调整一夜之间重定价整条曲线）做压力测试。
- 合规： 谈判支持类输出（公允价值、离场价格）属咨询性质、风险较低；任何形似在同一省份跨客户协同建仓的行为须经法务审查（尽调报告 4.5 节的算法合谋关切同样适用于合同市场）。
2.7 合同盈亏与价差盈亏的可分性：从 PJM 迁移的部分与四处差异
PJM 设计文档 4.2 节确立了三层论断——套保账簿与价差账簿 在会计与一阶决策上可分、在风险上相关、在风险调整决策上耦合 。该论断原样迁移到中国，因为中长期层同样是对"电站报价撼动不了的参考价"结算的差价合约——这正是模型 D 能包裹住原封不动的内层报童问题的结构基础（见 2.2 节的可分性注记）。中国市场的四个特征使其边界更加尖锐：
- 相关性更紧——同一结算价格。 PJM 的枢纽套保与节点价差账簿之间隔着"相关但不同"的价格和一层基差缓冲。中国的中长期差价合约通常对 同一个省级日前价 结算，而申报也在同一价格上出清：套保腿与价差腿的盈亏由字面上同一个随机变量驱动。
- 决策耦合是双向的——两本账同时活着。 在 PJM，套保先于运营且几乎从不重签，第三层耦合只是竞价优化器的一个静态参数。在中国，同一个团队每月/月内调整合同账簿、每天做申报：当前账簿决定最优倾斜，而价差模型已被验证的表现（在敞口上赚到的 元/MWh）又理性地反馈到模型 D 应留多少敞口。
- 强制性签约截断了联合优化。 比例区间 [L_p, U_p] 常使联合最优解落在角点：持有强制性最低量，让有意思的优化发生在曲线 形状 与窗口 择时 上，而非套保总量。可分性依然成立；内点的二阶最优解却常常不复存在。
- "你的报价不影响指数"这一假设在组合规模下退化。 在 PJM 它无懈可击（单个电站对 Western Hub）。在省级市场，一个以相关方式优化的大型新能源组合可能撼动其自身差价合约所结算的省级出清价——尤其在新能源处于边际的午间小时。对服务商而言，这同时是一个建模修正（组合规模下的价格冲击项）与一条 合规红线 ：以系统性压低"己方机组差价合约受益的指数"为效果的报价模式，正是监管层紧盯的市场操纵情形（江苏 AI 事件的镜像）。与 2.6 节合规条目互为参照；这需要常设审查，而非一次性检查。
有一条注意事项在迁移中变了形：PJM 的"合同形式很重要"警示（按实发结算的 PPA）在中国对应 "两个细则"考核层 ——一条位于价格恒等式之外的第三盈亏流，它与 申报 耦合（按申报计划考核预测偏差），即使价差观点主张倾斜，也会把 Q_da 拉向最优预测。PJM 的 BORD 扮演同样角色但是"价格化"且温和；省级考核公式是"规则化"的，对较小电站有时锋利到盖过价差信号。
三、数据需求（模型 D 专属）
按优先省份：中长期窗口结果（分时段的挂牌/成交价格与电量——交易中心披露、会员端口）、时段定义及其修订史、签约比例要求文件、燃煤基准价与区间文件、机制电价竞价规则与历届结果、装机/需求管线（省能源局规划、项目投产数据），以及——最难的——上述全部数据的"以当时为准"存档。尽调报告后续行动第 4 项（数据供给测绘）是 D1 的前置条件。
四、建设顺序
| 阶段 | 交付物 | 依赖 |
|---|---|---|
| D-1 | 2–3 个优先省份的规则手册编码（窗口、时段、比例要求、限制） | 尽调后续行动 #7 |
| D-2 | 时段基差图谱：历史 W_s 对照同期中长期价格水平，分省/月/时段——"基差持续且有方向"的经验证明 | 数据测绘 |
| D-3 | D1 预测器 v1（基于图谱特征的回归/GBM）+ 评估框架 | D-2 |
| D-4 | 使用模型 B 月度情景的 D2 形状风险量化器 | 模型 B 升级 |
| D-5 | D3 优化器 + D4 谈判支持包（可售卖的楔子：年度窗口咨询） | D-3、D-4 |
| D-6 | D5 机制电价竞价器（季节性产品，对齐各省竞价日历） | D-3 |
| D-7 | 滚动 MPC 循环 + 组合倾斜风险看板 | D-5 |
注意商业化排序：D-2（图谱）几乎立即可作为分析产品售卖——与 PJM 价差图谱"先出经验图谱"的模式一致——而 D-5 的年度窗口咨询在任何实时基础设施建成之前，就直接命中尽调报告识别出的董事会级痛点。
五、开放问题
- 时段颗粒度套利：优先省份的时段定义有多细？逐小时现货形状在哪些地方系统性地逃出时段定义？（决定 D1 的分辨率。）
- 调整权估值：月度/滚动窗口赋予账簿期权价值——D3 是否应将含灵活性条款的合同按互换期权（期权调整基差）而非远期定价？成熟期大概率应当；暂缓至 v2。
- 绿电通道：对特定客户，何时捆绑绿证（绿电交易）优于普通中长期？D3 是否需要"绿电/普通"的配置维度？
- 零售侧镜像：同一套机器可为售电公司买方估值合同——买方侧是否构成模型 D 的第二个市场（并对冲卖方侧的周期性头寸）？
- 省间层：随着省间现货与中长期扩容，D 是否需要为多省组合客户提供跨省套利/配置模块？
- 2021–23 数据集问题：如何编码紧张周期（不同区间、不同规则、合同重谈）而不污染买方市场模型——状态虚拟变量还是分立模型？