计跟燃料市场的电力供应链均衡探究新

长沙理工大学硕士学位论文计及燃料市场的电力供应链均衡研究姓名：孟宪志申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：杨洪明20090425摘要为了更好的模拟发电商的竞争行为，本文应用经济学博弈理论、非线性优化方法等的最新成果，全面系统地开展了计及燃料市场的电力供应链均衡研究，以期为电力工业的监管和运营机构提供有益的定量决策依据及措施建议。同时本文研究结果对解决我国目前煤电之争具有一定的理论价值和实际借鉴意义。文章首先引出非劣纳什均衡概念，结合电力系统输电网络固有的物理特性，提出了考虑输电网约束的电力现货市场的团队古诺博弈模型；针对团队古诺博弈模型双层优化的特点，借助非线性互补方法中具有特殊性质的非线性互补函数，实现了简单、快速求解非劣纳什均衡点；在此基础上，探讨了在输电网阻塞和不阻塞情况下，电力现货非劣纳什均衡点的特性。其次，提出结合燃料市场的电力供应链非劣Nash均衡模型。针对电力供应链均衡模型双层优化的特点，借助非线性互补函数，实现了简单、快速求解电力供应链非劣纳什均衡。在此基础上，以5节点电力系统为例，分析了发电集团采用非劣Nash策略后，发电商利润与燃料商供应量和燃料价格之间的影响关系。第三，以电力供应链非劣Nash均衡模型为基础，引入数量折扣契约与收益共享契约，建立电力供应链契约协调模型。在此基础上，以5节点电力系统为例，分析采用数量折扣契约和收益共享契约对电力供应链均衡的影响，以及燃料商与发电商之间的利润分配机制。、关键词：电力供应链；现货市场；燃料市场：输电网约束；均衡；契约协调ABSTRACTInordertosimulatetheconlpetionofpowergenerationsbetter，thispaperusethegametheoryofAppliedEconomicsandnonlinearoptimizationmethodtodeVeloptheresearchonequilibriumofelect“cpowersupplychainwithfuelmarket，withaViewtoproVidingtheuse如lbasisofquantitatiVedecision，measuresandsuggestionsf．0rthesupervisonandoperationmechanismsofpowerindustry-And，theresultsofthispaperhastheoreticalValueandref．erencemeaningtosolVeChina’scurrentcompetitionbetweenthecoalsuppliersandpowersuppliers．ThepapergiVetheconceptionofnon—inf．eriorNashequilibriumfirstly；andgiVeateamcoumotgamemodelofpowerspotmarketcombinedwiththephysicalpropertiesoftransmissionnetworkinpowersystem；aimingatthefeatureofbi·leVeloptimizationintheteamcoumotgamemodel，byusingthenonlinearcomplementarityfhnctiontoreformulatetheKKTsystemfortheoptimizationproblem，thenon-inferiorNashequ订ibriumofpowerspotmarketissolVedsimplyandfast．onthisbasis，studythecharacteristicsofnon-inf．eriorNashequilibriumpointsinpowerspotmarketunderdif．ferentoperationalconditionsofpowernetwork，i．e．，congestionandnon—congestion．Secondly；annon-inf．criorNashequilibriummodelofelectricpowersupplychainwith如elmarketisgiVed．Aimingatthefeatureofbi-leVeloptimizationintheequilibriummodelofelectricpowersupplychainwithmelmarket，byusingthenonlinearcomplementarityfunctiontoreforIIlulatetheKKTsystemforthe0ptimizationproblem，thenon-inferiorNashequilibriumofpowerpowersupplychainiss01Vedsimplyandfast．Onthisbasis，takeanexampleoffiVenodesinpowersystem，analysistheef．fectbetweentheprofitsofpowefsuppliers，supplyoff．uelsuppliersand向elpricewhenthepowergenerationgroupusingthenon—infcriorNashstrategy．Third，introducedquantitydiscountcontractandreVenue—sharingcontract，buildacontractcoordinationmodelofelectricpowersupplychainbaseonthenon·inf．eriorNashequilibriummodelofelectricpowersupplychainwith如elmarket．Onthisbasis，takeanexampleoffiVenodesinpowersystem，studytheeflfectofelectricpowefsupplychainequilibriumwhilethequantitydiscountcontractandreVenue—sharingcontractisusedandprofitdistributionmechanismbetween如elsuppliersandpowersuppliers．1(eywords：Electricpowersupplychain；Spotmarket；FueImarket；Transmissionconstraints；EquiIibrium；ContractcoOrdinatiOnII长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：姓，，一日期。矿妇’7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“√")作者签名：导师签名：舞3苡峭日期一7年f月，7日醐：沙了年朋滑日第一章绪论弟一早三百T匕1．1课题研究的目的与意义自20世纪70年代以来，世界各国的电力工业从电力生产、建设规模、电源构成到电源和电网的技术都发生了较大变化。进入20世纪90年代后，其发展逐渐形成了以下三个特点：①世界发电量的年增长率趋缓，而一些发展中国家尤其是亚洲国家仍维持着较高的电力增长速度：②电力技术的发展向效率、环保的更高目标迈进；③电业管理体制和经营方式发生变革，由垄断经营逐步转向市场化运作。特别是，以英国、美国和智利为代表的一些国家对其电力工业进行了结构重组(Resturucturing)和放松政府管制(Deregulation)的改革n吨1。这些改革大大促进了电力企业之间的竞争，降低了发电成本和电价，并使电力行业的服务水平明显提高，在世界范围内产生了重大影响。90年代以后，北美、南美、欧洲、大洋洲和亚洲的许多国家和地区都开始积极探索适合本国国情的电力体制改革之路，形成了一场世界性的电力工业改革浪潮Dql。虽然各国的改革措施不尽相同，但是总的目标是一致的：即打破行业垄断，建立有利于公平竞争的电力市场，将电力工业纳入到整个社会资源优化配置链中，以市场的机制全面提高电力工业投资与运行的效益，降低电价，最终使消费者受益哺1．我国从20世纪50年代中期开始实行集资办电政策以来，经过十几年的快速发展，缓解了长期严重缺电的现象，并逐渐形成了发电领域投资主体多元化的局面，这就使“厂网分开，竞价上网"成为可能。同时为了适应市场经济的要求，电力行业急需进一步打破垄断，提高企业运行效率，从而为降低全社会的电费负担创造条件，这就使“竞价上网’’成为必须。随着国家电力公司于1999年明确了山东、上海、浙江、辽宁、黑龙江、吉林6省(市)为试点单位后，一场标志着打破垄断、引入竞争，逐步形成统一、开放和有序竞争的电力市场化改革正式启动。2002年12月29日，我国正式成立了五大发电公司和两大电网公司，实现了“厂网分开一，下一步将逐步实施竞价上网。在这种电力工业的市场化改革背景下，电力系统的运营方式发生了很大的变化，特别是参与市场竞争的发电公司，从传统的服从集中统一调度逐渐转化为以追求自身利润最大化为决策目标的竞争主体。所有的发电公司在市场中相互竞争相互影响，根据市场的需求共同决定市场的价格并提供发电服务。然而，电力工业本身所具有的特殊性质，使得电力市场不同于一般的市场，例如巨大的投资规模导致市场进入壁垒，从而市场中只有有限数量的发电公司；输电网络的容量限制也会导致某些地区只有少数的发电公司等。这些因素决定了电力市场更接近于一个寡头竞争的市场而非理想的完全竞争市场，这就可能使发电市场中参与竞争的少数发电公司具有相当强的市场力(MarketPower)，即在一定条件下可以有很大的操纵市场价格的能力阳1。另一方面，电能难以大规模有效的存储，要求供需双方实时平衡并且需求侧具有较弱的价格弹性等因素，给少数发电公司行使市场力创造了更有利的条件，同时使得电力市场的价格呈现较强的易变性n0|。另外，输电约束也是影响市场力的重要因素⋯1，它具有分割电力市场的作用，当网络出现阻塞时，各节点电价互不相同，发电商必须对此作出相应的策略行为。特别地，现货 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 (SpotContract)交易作为规避市场价格风险的手段之一，已被广泛应用于许多国家的电力市场中。发电公司在市场环境下将面临诸多问题¨引，他们迫切需要科学合理的决策模型为其提供决策依据，实现其利润最大化的目标；同时市场监管者也非常需要合适的决策模型为其监管市场行为提供科学指导。另外，电力市场是一种人为设计的市场，通常在实施之前不可能进行大规模的真正的社会试验，因而利用科学合理的数学或仿真模型对电力市场规则进行模拟分析也具有特别重要的意义。为了更全面地反映电力市场的实际情况，要求均衡模型能同时考虑输电潮流约束。但是若把包括输电容量限制在内的潮流约束考虑进去，会使得大规模的均衡模型的求解变得相当困难。然而这些均衡模型的均衡结果是发电公司或市场监管者进一步决策的依据，同时也是电力市场规则制定机构分析研究新的市场规则的有效参考。因此考虑输电约束在内的大规模复杂电力市场均衡模型的研究和分析是一个很具理论和实际意义的课题。在电力市场中，对于发电集团而言，燃料需求，尤其是煤炭成本占了发电成本的很大比例。自2002年起，我国经济进入上升通道，钢铁、水泥等高耗能产业的快速扩张导致电力供应又趋紧张，进一步导致对煤炭的需求也大幅上升，价格持续上涨，电力企业利润空间受到大幅度挤压。煤电关系因此陷入僵局，这一严重的矛盾最终影响了全国的电力供应。究其根本，煤电之争的实质在于燃料供应商与发电商之间的利润分配之争。因此，以及讨论燃料商与发电商之间供应关系以及其之间的利润分配问题具有现实意义。1．2电力市场均衡模型研究现状博弈论研究表明n引，相互竞争的所有理性市场参与者在Nash均衡点上均无单方面改变其策略的动机，也即Nash均衡策略是各竞争者最可能采取的策略，因而只有在Nash均衡点上市场才会达到稳定，它是市场最可能的运行状态。因此若能求得该Nash均衡点，就可以根据均衡结果比较准确地预测市场中可能发生的竞争行为，并分析其对整个市场的影响n引。正因为如此，基于博弈论的各类2Nash均衡模型被广泛应用于解释理性市场参与者在电力市场中的策略性行为¨纠。电力工业的特性使得电力市场表现出明显的寡头竞争特征，因而基于博弈论的各种寡头均衡模型可用于研究各市场参与者的策略行为以及对整个市场产生的影响，进而为市场管理者提供科学的决策依据。电力市场寡头竞争的类型根据竞争变量的不同，主要可以分为Bertrand模型(价格竞争模型)、古诺(Cournot)模型(产量竞争模型)、Stacklberg模型、供应函数均衡(supplyFunctionEquilibrim，SEF)模型(产量一价格关系竞争模型)、猜测供应函数(conjecturedsupplyFuction，csF)模型等。其中Cournot模型是本论文涉及的主要模型。cournot模型中发电商的竞争策略是发电出力。目前基于Cournot模型的电力市场研究主要用于市场力分析。文献[16】利用Cournot均衡模型分析了加州电力市场中的市场力。文【l7】进一步推广了前者的方法，建立了一个仿真模型来迭代地计算Coumot均衡解。文献[18】对基于Coumot模型的市场力分析研究作了综述，并列表比较了应用于加州、新英格兰、英格兰和威尔士、挪威、新西兰的Coumot模型。输电网是影响电力市场中市场力的一个重要因素，而Coumot均衡模型在输电阻塞管理方面的研究分析也起了重要的作用。文【19．23】假设电力市场交易模式是P00l型的，因此每个发电公司的决策模型是一个两层优化问题，里层通过系统运行人(ISO)的社会福利最大化模型计算出市场出清的节点电价，外层则是各发电商以自身利润最大化为目标选择上报相应的发电出力。将里层优化问题用其一阶的最优性条件(KKT条件)来表示，则各发电商的决策问题构成一类MPEC(MathematicalProgramwithEquiIibriumConstraints)非线性优化问题心引。进一步，由所有发电商决策问题构成的均衡问题则归结为一类EPEC(EquilibriumProblemwithEquilibriumConstraints)问题心51。对于此类均衡问题，文【19】中采用罚函数法求解各发电商的优化问题，并利用GAMS软件包求解得到均衡问题的解。Yu幢卜纠采用的是把每个发电商优化问题的KKT条件组合在一起形成一个混合的互补问题(mixedcomplementaryproblem，MCP)，然后再对其求解的方法。此处所形成的MCP是一个混合的非线性互补问题(nonlinearcomplementaryproblem，NCP)，对于这类NCP问题，Yu采用虚拟一个目标函数的方法(themethodofdummyobjective)，将NCP列在优化问题的约束条件之中，构成一个非线性规划问题，求解此优化问题则求得均衡解。文献【26】考虑了具有远期交易合同的电力市场，提出了二阶段的电力远期和现货市场Coumot均衡模型，其均衡是一个子博弈精练纳什均衡，并用两种方法(惩罚内点法和最速下降法)进行求解。但是由于所用求解算法的限制，该文没有将一些合理的约束条件考虑进去，所以导致在最后的结果中出现了市场中总现货发电量小于总合同电量的不合理现象。以上文章对于NAsH均衡的研究只涉及到发电商之间的竞争，而没有考虑到3有共同利益的各个发电商之间的合作关系，以及发电商与燃料商之间的供应关系。为了促进资源在更大范围内的优化配置，满足电力的供需平衡，世界上许多国家和地区相继建立了区域电力市场，像美国的PJM电力市场新模式等。我国目前电力市场改革的重点也是建立区域电力市场，华东和东北『F在按 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 积极推进圈，针对区域电力市场结构的均衡建模目前是研究热点。根据当前国内外电力市场的实际运营情况，发电商等市场参与者面临着包括燃料市场、现货市场等在内的多个市场的联合决策问题。然而由于模型求解的困难，既将燃料量，发电量作为决策变量，又考虑输电约束的电力市场均衡模型研究工作还很不成熟。在寡头竞争的电力市场环境下，市场监管者、市场规则制定机构、各个发电公司以及各个燃料商都迫切需要科学合理的市场决策模型为各自提供有效的决策依据。而基于博弈论的各种寡头均衡模型是用来定量预测和研究各市场参与者的策略行为及其对整个市场产生的影响的重要工具。为了更全面地反映电力市场的实际情况，均衡模型需能切实考虑输电潮流约束等条件，但约束条件的增加会使得大规模的均衡模型的求解变得相当困难，因而寻找一种针对该类问题的有效求解方法具有重要的意义。1．3本文的研究内容与主要贡献基于以上的实际背景和理论背景，本文主要针对区域电力市场结构，提出非劣Nash均衡模型，开展计及燃料市场的电力供应链均衡研究以及探讨发电商与燃料商的利润再分配等问题，并采用非线性互补方法对其进行求解，其主要研究内容为：第一，针对区域电力市场结构，分别在不考虑输电约束和考虑输电约束的基础上，研究发电商在电力市场中的博弈问题，采用非劣Nash均衡模型来模拟其在电力市场中的竞争行为，利用非线性互补方法对模型进行了求解，并通过3节点区域电力市场算例验证了模型的合理性和算法的有效性。第二，在上述模型的基础上，进一步考虑发电商与燃料商的联合策略，建立了计及燃料市场的电力供应链均衡模型。该模型描述的均衡问题可归结为一个EPEC问题，可采用非线性互补方法对其进行求解。通过5节点区域电力市场算例验证了模型的合理性和算法的有效性，对应不同的输电网运行状态，分析燃料价格波动对电力价格以及整个电力现货市场均衡结果的影响，获得燃料商和发电商之间的联合决策有利于双方获得更大的利润收益。第三，引入数量折扣契约与收益共享契约，以计及燃料市场的电力供应链均衡模型为基础，建立电力供应链契约协调模型，利用非线性互补方法对模型进行了求解，并通过5节点区域电力市场算例验证了模型的合理性和算法的有效性，对应不同的输电网运行状态，分析收入共享契约和数量折扣契约对电力供应链均4衡以及发电商与燃料商之问利润分配的影响，得出通过引入数量折扣契约与收入共享契约，可以使电力供应链成员，即发电商与燃料商同时获得更高的利润，实现整体效益的最优。本文内容安排如下：第二章对电力市场以及Nash均衡研究方法进行说明；第三章介绍了电力现货市场非劣Nash均衡；第四章对计及燃料市场的电力供应链进行建模及分析；第五章通过引入数量折扣契约与收入共享契约，建立电力供应链契约协调模型；第六章给出了全文的总结与进一步的研究方向。5第二章电力市场均衡分析的理论基础本章主要介绍电力供应均衡分析中的有关理论基础。阐述了电力市场的定义与分类以及电力供应链的结构，并初步研究了多种均衡理论。2．1电力市场概述电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用户等各成员组织协调运行的管理机构和执行系统的总和。2．1．1电力市场中的交易类型、交易模式与组织结构确定市场的交易类型、交易模式与组织结构是研究具体的市场问题的前提条件。电力市场改革的目的是引入竞争机制、提高电力生产效率、降低成本、实现电力资源的优化配置和社会福利最大化。改革的总体做法是将电力工业的非网络环节和网络环节分开，形成发电、用电、输电、配电四个部分。根据各个部分的特点，发电侧规模经济逐步枯竭，引入市场竞争；输电侧电网适宜统一调度，垄断经营但开放使用：配电和输电联系紧密，应逐步分离；用电则应提高用户的选择权，以利于提高市场竞争和服务质量。2．1．1．1电力市场中的交易类型对于电力系统解捆的四个部分，应构建相应的交易市场，包括电力电量交易的能量市场(energymarket)和维护系统安全可靠运行的辅助服务市场(ancillaryservicemarket)和输电权(transmissionright)市场∞1。其中能量市场的交易方式按照交易时间的先后通常分为合同交易、现货交易和实时交易三种。(1)合同交易在电力市场开放初期，如采用“N+l"的单一买方的电力市场模式，作为单一买方的电网运营企业担负着保证向用户供电的义务。为避免供电时电价急剧上升的风险，它一般与发电企业签订很大数量的长期合同。随着市场的发展与完善，这种长期合同最终由市场决定的双边或多边的远期合同交易(f0朋ardcontract)和期货合同交易(如turecontract)所取代。(2)现货交易现货交易一般是指日前(day．ahead)市场的电能交易，即按照发电机组的报价，提前一天确定的第二天的发电计划。现货交易目前主要采取两种方式：一种是将6长期合同看成是一个财务合同而非物理合同，在编制第二天的发电计划时，按照各发电厂的申报编制交易计划。如果交易计划和长期合同不一致，采用经济手段进行补偿；另一种方式是将长期合同看作物理合同，长期合同确定的电量在现货市场首先安排，其余部分作为交易电量编制计划。(3)实时交易实时交易是指在交易日实时确定的发电计划，可以作为合同和现货交易的补充。由于电力工业的特点，要求发电与负荷实时平衡。然而，由于存在负荷预测误差及系统运行状况的变化，提前一天编制的发电计划与实际的负荷需求间存在差别，需要实时调整发电计划，起到平衡发电与负荷的目的。2．1．1．2电力市场中的交易模式各国电力工业发展的程度不同，且在改革的不同时期，对电力交易市场有不同的组织形式，由此而形成了不同的电力交易模式。电力市场的交易模式通常按能量市场的组织形式定义，按电力市场解捆的不同程度，也即按市场开放程度或改革的不同进程，主要有三种交易模式。(1)库联营(P001)模式，也称为单一买方或“N+l’’模式。市场的运作是由发电商报价、P00l接受报价并按最小成本收购电力，交易计划通常在日前进行。市场改革 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 上，该模式只要求发电侧分离，工业结构的变动小，利于平稳过渡：能保持负荷跟踪、运行备用等辅助服务，保证系统的安全可靠运营。但联营体垄断了市场的买卖，有可能操纵市场，且用户没有选择权，市场竞争程度有限。故适用于电力市场改革的初期，如英国l991年的电力改革和我国六省市的发电侧电力市场试点均采用了该模式。(2)“库联营+双边交易一模式，也称自愿型库联营(volimtaryP001)模式。该模式在库联营的基础上增加了配电公司、大用户与发电商之间的双边交易，双边交易通常采用远期合同交易的方式。该模式给电力需求侧以选择权，提高了负荷对市场价格的响应，有利于提高市场竞争。这要求电力市场进一步改革，输电和配电分离并独立核算，输电网为双边交易提供转运(wheeling)服务，并收取过网费心引。加拿大的Alberta、美国的PJM电力市场采用该模式。(3)“双边+多边"交易模式。该模式增加的多边交易表现在三个方面：首先是现货交易采用经纪人(Broker)系统，能同时接受发电商和用户的投标，以经济原则进行购售匹配，扩大了用户的选择权比9I；其次，要求配电和售电分离，允许不具有配电网的电力零售商参与经纪人系统的报价和竞争；第三，电力远期和期货交易可直接由多个交易方谈判达成，也可由经纪人撮合。该模式下发电、输电、配电、用电完全解捆，交易自由、灵活，但需要完善的协调机制保证系统的安全可靠运行。英国自2001年3月实施的新交易机制NETA即为该模式，其运营已7取得良好的成效。由于电力库联营模式只要求发电侧分离，工业结构的变动小，利于平稳过渡；能保持负荷跟踪、运行备用等辅助服务，保证系统的安全可靠运营，故适用于电力市场改革初期得我国。2．1．1．3电力市场的组织结构电力市场的改革首先需构建电力市场的交易模式，然后要建立职能机构，完成电力市场交易、系统安全可靠运行。电力市场的基本职能机构包括：(1)电力交易中心(PX，powerexchange)，基本职能是接受报价、制定电力交易方案；(2)系统运行人(So，systemoperator)，基本职能是实施调度，维护电网安全可靠运行，为各类交易提供输电服务。(3)输电网所有者(TO，transmissionowner)，投资和维护输电设备，向所有电力交易方无歧视地开放输电设备，并获得相应的使用费。各职能机构联系的紧密程度不同，电力市场的结构会有一定的差异。在电力市场改革进程中，若输电未从系统分离，SO和T0的职能合为一体，由一个职能机构完成，通常称为输电公司，适用于电力工业国家垄断的改革，如英国和西班牙。因为输电公司既有运营决策权又有所有权，所以这种SO和To相结合成一体的方式更有利于在输电系统的维护和投资决策过程中作出正确的选择，但是它具有强大的垄断性，需要对其进行严格的管制。若输电从系统中独立出来，SO和To分离，so就变成了ISo(独立系统运行人)，输电网所有者也就变成了第二个独立的实体，即电网公司。如美国和阿根廷就采用这种方式，他们认为独立系统运行人和电网公司之间的竞争状态更有利于制定出富有建设性的解决方案。Px与SO的关系则表现在市场运作与系统运行是否分离，若PX与SO相互独立，市场运作与系统运行分离，能保持市场交易与系统运行的独立性，但增加了计划和调度的交互，如美国加州1998年改革时的市场结构：若Px与SO结合，为一个机构的两个部门，易于市场调度和系统维护，有利于市场的安全，如英国的电力库结构。2．1．2电力市场中市场力分析的方法与指标市场力(marketpower)是指市场成员有利可图地操纵市场偏离完全竞争状态的能力阳’。在电力市场中，市场力是发电商为获得更多利润而使市场价格高于边际成本的能力。具体地讲，在统一出清价格的电力市场中，市场力表现为发电商影响市场出清价格的能力。电力市场的市场力一般分为n¨垂直市场力(verticalmarketpower)、水平市场力(horizontalmarketpower)和地区(局部)市场力(10calizedmarketpower)。其中，垂直市场力是指拥有发电、输电和配电的电力公司的垄断8能力；水平市场力通常指市场占有率较大的发电公司影响市场价格的能力；局部市场力是指由于输电约束所引起的一些发电公司在某些地区具有的垄断市场的能力。分析市场力需要考虑的因素很多，一般来说应包括¨0。：1)各发电公司占有的市场份额及所属的发电机组在系统中的分布；2)用电弹性系数；31发电富裕容量及其分布；4)现有的长期合同；51市场价格的形成方法；6)市场准入的难易程度；7)输电系统的强壮程度。市场力的评价指标主要有以下几种口¨：(1)静态集中度指数HHI：经济学中常以产业的集中度作为衡量市场力的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。其中以HHI最具代表性，其值为所有市场成员的市场份额的平方之和。美国联邦能源管制委员会(FERC)规定：HHI<1000，电力市场低度集中；1000<HHI<1800电力市场中度集中；HHI>1800，电力市场高度集中。(2)动态集中度指数DHHI：由于电力市场负荷变化较大，各发电商实际的发电量并不和容量严格成正比。因此，理论界提出了DHHI，其值只计调度内市场的各发电商的份额。DHHI考虑了竞价过程中负荷的变化对市场力的影响，较静态HHI更符合市场的要求。(3)价格一成本比较指数Lemer：Lemer指数定义为实际市场价格与边际成本之差除以边际成本，它反应了市场价格偏离成本的程度，可以用于界定机组是否在滥用市场力。市场力分析的方法主要有以下三种Ⅲ1：(1)研究市场运行历史数据的后验法：这类方法是市场稳定运行一段时『自J后，根据历史数据，对照机组报价，用统计学的方法分析哪些机组有滥用市场力的行为。(2)试验仿真分析法：在假设市场参与者的生产成本已知的前提下，通过模拟市场参与者在市场中的可能行为来发现市场结构中的各种因素与市场力的关系。仿真试验法有两种方式：一是由实际人员代表市场参与者参与模拟的试验；二是设计智能化仿真器，进行无人参与的仿真试验。(3)基于博弈均衡理论的市场力分析法：建立寡头竞争的均衡模型，通过寻找模型的纳什均衡点，评估潜在的滥用市场力行为，主要包括coumot模型、供应函数均衡模型等。92．2电力市场博弈模型及其应用上节提到基于博弈均衡理论的市场力分析法，因此，有必要对电力市场博弈模型进行介绍。2．2．1一般博弈模型一般的博弈模型可以形式化表示为：一个有限的刀人博弈，每个参与人f有自己的策略集合4，所有参与人得策略集合的笛卡尔乘积组成这个博弈得局势集合s，对于任何一个局势，根据博弈规则，参与人f有一个收益“，(s)，为了表示方便，通常将参与人f在局势s中得策略表示为墨，而将其对手得策略组合表示为s∥其收益为蚝(置，t，)。而所谓的Nash均衡的概念则为博弈中的任何参与人f都处在这样的位置，如果他离开目前的位置则其收益将比现在这个位置的收益小，也即，用，书Z，1表示Nash均衡得位置，那么存在如下关系：吩(i，s：，)≥吩(岛，s：。)如果将这种博弈得思想应用到电力市场研究中来，其中局势到收益的映射关系坼(墨，s一．)，则是由市场规则确定的，当进行电力市场定价规则研究时，定价机制决定了局势到收益的映射关系。通常认为Nash均衡位置是市场的最可能的结果，所以如果能够求得这个博弈模型的Nash均衡，就可以通过分析其均衡状态下的状态来分析这个定价规则的特点，分析市场定价机制的问题。从理想的状态来看，希望市场具有Pareto效益。希望博弈模型的分析能够准确预测市场的结果还有一个问题是值得关注的，那就是参与人的策略集合的构成，理论上说，这个策略集合应该包含实际市场中参与人的所有可能的策略。一般而言，这是不现实的，通常将人的这些策略行为经过一定的简化与抽象形成具有典型特征又容易处理的策略集合。2．2．2电力市场博弈模型目前电力市场的博弈模型相关研究主要是针对边际定价方法的电力市场的博弈模型。按照发电厂商的策略空间的不同选择，电力市场博弈模型构成了几种典型的类型，即瓦尔拉斯(、Ⅳalrasian)均衡模型、伯川(Bertrand)博弈、古诺(Coumot)博弈、供应函数均衡模型(SupplyFunctionEquilibriumModel)。瓦尔拉斯(、№1rasian)均衡模型。Walrasian均衡模型是从多产品均衡模型引申而来，这个模型认为发电厂一商是价格的接受者，发电厂商的个体行为不能够改变市场价格，所以，其决策模型是根据市场价格调整自己的生产量，使得自身利益最大化。在微观经济学中，正是使用这个博弈模型证明了在生产函数是凸的、连续的；消费者的效用函数是凹的、连续的、且为向右下方倾斜的；在采用边际10定价的市场，博弈存在着均衡，而且这个均衡同时也使得社会福利最大化，也即所谓的激励相容的parcto效率。这种模型对于电力市场的研究有两个意义，其一是在进行完全竞争的电力市场研究中，使得成本分析变得有意义，因为在完全竞争的条件下，市场成员按照成本报价是其自身最好的策略，这样成本分析就有了市场基础；其二则是直接建立电力市场的Walrasian均衡模型，利用这个模型讨论电力系统生产条件的约束而引起的特殊的问题。例如文献[32】讨论了电力市场报价的离散特征引起的问题及其处理，AlexisL．Motto和FranciscoD．Galiana在文献【33】则讨论了发电机组最小出力引起的问题以及对定价方法的改进，并在文献[34】讨论了walrasian均衡模型的计算问题。吴复立等人针对采用统一出清的电力市场，提出了一个别具匠心的方法引导发电厂商按照自身利益最大化调整出力，回归到按照发电成本最小化并同时考虑输电约束的发电计划上。该方法使用表示输电堵塞的“协调方程"作为引导机制，证明当发电厂商没有市场力，在公布协调方程的条件下，发电厂商以自身利益最大化为原则，可以自动调整到一个“权威的中心协调者’’优化的结果上。这个方法一个重要的特点是不需要用经济信息来表示堵塞，其基本想法是不希望堵塞“干扰”能量的交易，所以回避了堵塞费用‘351。伯川(Bertrand)博弈。这是一个寡头市场的博弈模型，发电厂商的报价行为将对市场价格产生影响。这个模型中发电厂商的决策变量是其价格，而其生产电量是一个固定的值。电力市场的伯川(Benrand)模型从优化的角度可以看成是一个典型的双层优化问题，文献[36】将该问题转化为均衡约束的数学规划模型(MathematicalProgramswithEquilibriumConstraints，MPEC)，并用MPEC的相关算法求解。应该看到，首先双层优化问题与博弈问题并不是完全相同的问题，只有在博弈均衡是单一的纯策略均衡问题时，双层优化的解才是博弈问题的均衡解，其次无论是一般的双层优化问题的解的理论，还是MPEC这样的具体问题的算法都还是正在发展的学科，更加快速有效的求解算法尚待完善口刀口引。供应函数均衡模型(SupplyFunctionEquilibriumModel)。供应函数均衡模型开始是用来讨论一般的拍卖市场的模型∞引，由Green用来研究英国电力市场，由于其报价决策实际上即改变了申报价格也改变了申报电量，所以经常被认为是介于伯川博弈与古偌博弈之间的一种博弈模型。这个模型后来被人们进一步发展包含了多人，也包含了输电网络H町nⅢ例。利用这种模型，人们提出了有说服力的关于电力市场发电厂商实施市场力引起电价上升的道理，但是随着问题的深入，这种模型的局限性也逐渐暴露，一个是在考虑了一些更加复杂的因素以后，人们已经发现这样的模型具有多均衡现象，而多均衡问题一直到现在也是博弈论本身没有很好解释的问题。另外这种模型一直以来还仅仅被用来分析最简单的一些情况，其均衡模型求解的计算效率还有待进一步提高。古诺(Cournot)博弈。古偌博弈也是寡头市场模型，发电厂商的报价会对市场产生影响，而且发电厂商的决策变量是其产量，其价格则按照成本报价。有证据表明在电力市场实践中发电厂商己经采用古诺博弈获得利益，而且古诺博弈并不容易监管H引。基于古偌博弈的电力市场分析文献比较多¨们叫圳，其中2000年以前的文献在文[5l】中给出了很好的总结，2001年以后人们的研究主要向两个方面发展，一个是尽可能地在模型中包含更加现实的电力市场实际因素，例如输电网络的影响；一个则是研究有效的算法获得博弈模型的均衡解。其中令人瞩目的工作是Hobbs及其同事进行的相关研究，他们提出了一系列的模型以及基于非线性互补函数的求解方法无论是在模型构造还是模型求解的效率方面都有明显的进步工[44儿45]o一般而言，除了理论博弈论本身的研究可以仅仅关注博弈模型本身的均衡求解方法外，博弈模型的应用重点还是在通过博弈模型均衡位置的分析获得模型中所概括的相关因素的影响分析以及作用方式等信息。从这个方面来说，目前电力市场中博弈模型的应用分析主要集中在市场力研究上。利用博弈模型人们已经讨论了在电力市场中发电厂商具有的三种可能的市场力一垂直的市场力，平行的市场力以及空间的市场力，并从这些分析中得到了一些有益的抑制市场力的条件[52】【53】【54】【55】2．3小结本章首先对电力市场进行概述说明，分别介绍了电力市场中的交易类型、交易模式以及组织结构；其次，通过对电力市场中市场力的分析，引出并详细介绍了几种电力市场博弈模型。12第三章电力现货市场的非劣Nash均衡决策能量市场的交易方式按照交易时间的先后通常分为合同交易、现货交易和实时交易三种。本文以下所有研究均针对于电力现货市场。由于电力生产的投资和运营成本巨大，技术要求高，一直以来从事电能生产的厂商数量十分有限，并且即使在市场化运营的环境下，发电企业也常以集团的形式出现。目前，我国的发电企业分为五大发电集团，每个发电集团在区域市场中拥有的发电厂数量相当。发电集团内的发电厂之间体现合作的关系，有利益最大的一致目标，而发电集团之间体现出竞争的博弈关系。在这样的市场环境下，现有的纳什均衡分析方法只反映出了个体相互间的竞争博弈关系，无法体现出发电集团内部的合作关系。基于此，本章引入非劣纳什均衡，结合电力系统输电网络固有的物理特性，提出了基于古诺博弈的电力现货市场非劣纳什均衡的两层优化模型。借助非线性互补方法，对电力现货市场的非劣纳什均衡进行了求解。3．1非劣Nash均衡策略3．1．1Nash均衡纳什均衡是指在相互影响的经济决策中每个人都依据别人的行为方式和可能采取的行动，作出自己的决策。纳什均衡为决策者提供了非合作博弈可能结果的一致性预测，也是理性决策者最优决策的结果，从而为决策者指明了决策方向。定义3．1在博弈G=豳l'．一，以；“1'．一，“开)中(S表示博弈方f的策略空间，llf表示博弈方f的得益)，如果由各个博弈方的各一个策略组成的某个策略组合(s：，⋯，《)中，任一博弈方f的策略s0都是对其余博弈方策略的组合(J：，⋯，t。，tI’．．．，《)的最佳对策，也即嘶bi，⋯，s二l，J；，J二l，⋯，J：J≥“fbi-，⋯，s：l，s盯，s二l，⋯，s：J“fpl，⋯，sj—l，Jf，Jf+l，⋯，J力72“fpl，⋯，sf—l，sJi：，，sf+l，⋯，s月，对任意％∈最都成立，则称(s：，⋯，《)为G的一个纳什均衡。利用纳什均衡概念可以对非合作博弈中(图3．1显示出非合作博弈的系统结构)，各个博弈方的决策选择和博弈的结果进行分析和预测。根据纳什均衡的定义，给定其他博弈方采用某个纳什均衡策略时，所考察博弈方同样选择该纳什均衡的策略是符合自己利益的，因此如果一个博弈方预测或判断其他博弈方都会采用某个特定的纳什均衡策略，只要这个博弈方是追求最大利13益的，该博弈方的决策选择和博弈的结果就较易判断。这种利用博弈中的纳什均衡，分析判断博弈方的选择和博弈结果的方法，就是纳什均衡分析。图3．1非合作博弈市场参与者的系统结构纳什均衡分析的首要工作是找出博弈中的纳什均衡。求解非合作博弈问题的纳什均衡的方法主要包括：经验方法、严格下策反复消去法(RepeatedlyEliminationofStrictDominatedStrategies)、逐个博弈方分别找最佳对策的方法和反应函数法(ReactionFunctions)、递推归纳法(BackwardInduction)等。当得益函数嘶b，⋯，％)为连续函数时，常常建立以下优化问题来求解。ma】【“。(sI'．一，％)(3．1)通过优化问题的求解，可得堕掣：oj唧：qG一，)(f：1，．堋)u3i其中：墨=Cfkf)被称为反应函数。所有局中人的反应函数的交点即为纳什均衡点。当反应函数没有交点时，则纳什均衡点不存在；反之，当反应函数有多个交点时，则每一个交点都是一个纳什均衡点。3．1．2非劣纳什均衡当市场参与者处于相互竞争，具有相互冲突的目标(即非合作博弈)时，纳什均衡策略提供了理性的最优决策。另一方面，若所有的市场参与者愿意合作，具有一致的目标(即合作博弈)时，非劣策略提供了很好的解概念(图3．2显示出合作博弈中市场参与者的相互关系)。定义3．2在博弈G={sl，⋯，凡；“l，⋯，“一)中(S表示博弈方f的策略空间，”f表14示博弈方f的得益)，如果由各个博弈方的各一个策略组成的某个策略组合G≯．，s：)具有q(J?，⋯，s：)≥％(即⋯，毛)，f=l’．一，疗，当且，(s“，：)=H山，⋯，％)，川，⋯，一对任意sfe薯(脚，⋯刀)都成立，则称(J：，一《)为G的一个非劣策略。在合作博弈中，非劣策略一般通过构建多目标优化问题来求解，即maxu=∑％“小l，．一，s。)(3．2)(而。⋯．而)f=I／、＼／＼＼．．／＼．市场参与者lI一"?市场参与者3、{、Jl市场参与者2。|市场参与者4|／系＼：兰：／＼珊／统／——、、＼、．／I＼1{市场参与者nIJ＼＼联盟n／图3．2团队博弈市场参与者的系统结构在复杂的系统中，往往既具有一致目标的市场参与者，同时也存在具有与之冲突目标的市场参与者，这形成了团队博弈(TeamGame)。在一个团队内部，有着多个市场参与者，他们组成联盟，进行合作博弈；但在团队之间相互竞争，开展非合作博弈。团队博弈的解概念具有非合作博弈的纳什均衡和合作博弈的非劣解的双重特性，即：特性l在团队X(共有历。个市场参与者)内，市场参与者的策略组五x=协，，五≠，⋯，五磊)对于团队x而言，是一个非劣策略。特性2在团队彳，】，之间，策略对仁x，五y)是一个纳什均衡策略。同时满足特性l和2的解，被称为非劣纳什均衡策略(NoninferiorNashEquilibriumStrategy)。在团队博弈中，非劣纳什均衡策略同样通过优化问题的求解来获得，优化问题的数学表达形式为：ma)【∑衫“，(s卜·，s乏)(3．3)15其中：团队博弈共有x个对，每对中有朋_，O=l，2⋯，x)个市场参与者。3．2考虑输电网约束的电力现货市场非劣纳什均衡分析电力市场最大的特点是具有复杂网络，电力必须借助网络才能传输，因而发电集团之间的行为既遵循市场经济的基本规律，又受到电力网络的极其独特的物理、技术特性的作用，如电不易储存，系统中发电功率必须与用电功率保持瞬间平衡，电在网络中的流动必须满足电路的基尔霍夫定律，难以人为控制和跟踪等。为了更为准确地刻画这一特点，下面考虑输电网约束，进一步研究电力现货市场的非劣纳什均衡问题。3．2．1考虑输电网约束的团队古诺博弈模型考虑输电网约束的团队古诺博弈模型是一双层优化模型。上层优化为发电集团以各自利益最优为目标，所进行的团队博弈，从而决定出最优的发电量，即非劣纳什均衡点；下层优化为发电集团自行的决策行为必须受到输电网的制约，基于古诺博弈模型，这里在考虑输电网约束的情况下，建立以市场效益最优为目标的优化模型来刻画，从而决定市场的节点电价。假设电力市场具有N个节点的输电网络，发电集团．，中电厂处于节点f的发电集合为(g‘)。于是，上层优化，即团队古诺博弈模型的数学模型为：峄善吖附一q(训(3．4)盯J‘l～．，·．r，S1．q；咖sq；墨q；一式中，口；，为对应发电集团／中电厂f收益目标的权重系数，满足卫∑卅=l(3．5)q(彰)为发电集团／中电厂f的成本函数，一般采用二次函数形式，即掣(∥)=《(g?)2+《衫《，吐为成本系数；彩为发电集团／中电厂f的发电出力，它的最大、最小出力限值为“嗽，九；只为节点电价。上层优化模型(3．4)中的节点电价需由下层优化，即考虑输电网约束的市场效益优化模型给出。在已知发电集团发电量的情况下，市场效益优化数学模型为：16maX∑E(4)』一I、l，豇∑4=∑∑∥(3．6)f=I』=If=I．Ⅳ一I，，．，．v、一K≤∑％l∑∑g．；，-4I≤K(㈧，⋯，￡)f-I＼』2Ii。I／其中，df，gf为节点f的需求和发电功率矢量；％为节点f的注入功率对线路，传输功率的灵敏度系数；K，为线路，的传输功率限值；Ⅳ为输电网的节点总数(其中节点Ⅳ为平衡节点)，￡为线路总数；色pf)为节点f的用户效益函数。设它们的数学表达式为：E(4)=q珥一去岛砰O=l，⋯，Ⅳ)(3．7)式中：口f，岛为用户效益函数的一次和二次系数。优化模型(3．6)中等式约束代表电力系统的直流潮流方程，满足系统中发电功率必须与用电功率保持瞬间平衡的要求；不等式约束代表输电线路传输功率的上下界限制。通过优化模型(3．6)的求解，获得市场的节点电价。节点电价和Lagrange乘子之间的函数关系为：』毋：允+圭伍一丝，k(f：l，2，⋯，Ⅳ一1)【知：A扛1(f：Ⅳ)【尸知=A【f=Ⅳ)其中：旯为优化模型(3．6)中等式约束所对应的Lagrange乘子，不等式约束中上界约束和下界约束所对应的Lagrange乘子。(3．8)厨，丝，分别为于是，考虑输电网约束的团队古诺博弈模型为优化模型(3．4)和(3．6)的结合，该双层优化模型的求解可以借助非线性互补方法来完成。3．2．2基于非线性互补方法的非劣纳什均衡计算非线性互补问题是数学规划的一个基本问题，在工程和经济等领域都有着重要的应用，它的一般表达形式为：工≥o／G)≥o，石r厂G)=o式中力尺一一尺刀是一个连续映射，x∈尺一为刀维向量。通过构造二元函数乃尺2一尺可得，(口，6)=oc，口≥o，6≥o，口6=o式中口、6为函数F的变量。可将非线性互补问题转化成非线性方程组17，k，五G)】=o式中F被称为非线性互补函数。为了将互补条件转化成非线性方程组，数与引：(f=1，2，⋯甩)引入Fishe卜Burmeister非线性互补函，G，6)：口+6一厮(3．9)它是半光滑的。在其求导过程中，不光滑点处需采用广义导数来处理哺6l。非线性互补函数采用的导数形式为：掣斗赢，掣斗志舳)≠oa口√口2+62’a6√口2+62。、’7皇￡萋竺』尘：l一孝，望￡霎}丛：l—p矿G，6)：oooob其中：善，p为常数，且满足IIG，p)|l≤l。考虑输电网约束的团队古诺博弈模型是一双层优化问题，采用式(3．9)的非线性互补函数，首先构建下层优化模型(3．6)等价的KKT条件，即岛z—q+五一∑∑％(历一丝)=o∑码一∑∑彩=oj=I』=If-lNfJN、局+∑％I∑∑彩一嘭I≥o丝，≥oj=l＼』2lf皇l／盟，，上旦、一局一∑％l∑∑彰一4I≥o五，≥o引入非线性互补方法中的非线性互补函数(3．9)，KKT条件(3．10)转换成如下一组半光滑的代数方程组：6}4一q+A一∑∑％(历一丝，)=o，暑If=l∑呸一∑∑彰=o巴+(K+；|；％(喜姜彰一z)]一瓦+(K一善吃(喜善彰一4]]一18=O=O(3．11)0●l，J，L0O==、，●●●，，＼●●●●，I、●●●．，、●●●●／喀4一一∥Ⅳ∑HⅣ∑烈，∑一，∑州／，●●●●●●一，，，●●●●●●L、％％Ⅳ∑州Ⅳ∑烈+一墨墨，，．．．。．．I、、／，．．．．．．＼∥一一∥然后，构建上层优化问题(3．4)的KKT条件，即巾嚣一制讪咖。g名孤一g，≥o衫≥o刀(g名践一g，)：og，一g未；n≥o丝?≥o丝；(g／一g名；n)=o(3．12)同样，借助非线性互补函数(3．