电力市场中发电厂竞价策略研究1.docx

1、电力市场中发电厂竞价策略研究1摘 要电力市场化是当今电力工业发展的必然趋势，它引起了电力工业产权结构的变革，同时引发了一系列新的技术问题。本文针对电力市场中的发电商竞价策略问题进行了研究，首先介绍了电力市场的运营交易模式及出清电价结算机制。其次，把竞价问题看成是竞价者和市场之间的零和二人混合对策问题来制定竞价方案的方法，给出了竞价方案，指出了发电厂应根据自己成本来进行竞价。接着介绍了电力市场中发电厂商竞价现状和博弈论方法，最后用概率论描述竞争对手的报价行为，建立了不完全信息下的基于概率论的双层竞价策略模型，提出了针对该数学模型的求解算法及框架，即用遗传算法寻优，从而得到最优报价参数。关键词：电

2、力市场；博弈论；竞价曲线；遗传算法；竞价策略第一章 绪 论概 述电力是具有自然垄断特性的准公共产品，多年以来，电力行业在世界各国都由国家进行垄断经营，无一例外的实行发、输、配、售垂直一体化的垄断型结构，由政府进行电价调控和生产调度。随着全球经济的迅速增长，电力工业面临着前所未有的挑战，电力工业高度垄断经济的负面影响逐步体现出来，电力工业缺乏竞争压力，经营管理因循守旧。严重阻碍了技术进步乃至社会生产力的提高。增加电力工业的活力，自20世纪80年代末起，电力工业的市场化在全世界的范围内展开，电力工业的经营方式正面临着重大的改革。尽管各国的改革方案不尽相同，但改革的核心都是打破垄断，通过在电力行业引

3、入市场机制来进行资源的优化配置和利用，从而为社会提供更廉价、更可靠的电力。到目前为止，全球已有不少国家都进行了电力工业的市场化改革。早在上世纪八十年代智利和英国就开始了电力工业改革，是世界上最早进行电力工业市场化的国家。随后美国、日本、澳大利亚、挪威、瑞典、新西兰，印度、阿根廷、智利及东欧国家都先后卷入了这股电力工业改革的洪流，并激励了世界上其他各国的市场化发展进程。尽管有美国加州电力市场失败的教训，但更多的是成功的经验。在世界电力工业改革大潮的推动下，我国的电力改革也正在逐步深化。1998年开始，在辽宁、吉林、黑龙江、山东、上海和浙江6个电网内开展模拟电力市场。2002年底，电力工业进行了资

4、产重组，新成立了11家电力公司。2004年，规划了东北、华东、南方、华中、华北和西北6个区域电力市场。着眼于电力工业在新形势下的新发展，“厂网分开、竞价上网”推进电力市场化改革已经成为共识。2011年进入“十二五”规划，电力体制改革开始实施“主辅分离”方案。电力工业的市场化，导致电力的调度、运行、结算等一系列的环节都发生了较大的变化，同时也带来了一些新的问题。新的运营环境要求采用先进的经济手段和研究新的技术支撑方法，以保证电力市场的高效运行。在此背景下，电力市场基本理论、特别是电力市场中发电厂商竞价策略研究电力市场运营技术以及电力市场技术支持领域的研究已成为当前电力市场研究的关键和热点。新的电

5、力市场环境给电力工业提出了更高的要求和许多值得深入研究的课题，总体来看，电力市场理论研究的方向大致分为九个方面，分别为政策环境和市场结构、电价体系、交易机制、技术支持、市场环境下的调度和控制、市场机制下电力系统安全稳定分析方法和控制策略、电力市场经济稳定性及阻塞管理机制、电力市场中安全与经济的协调以及市场环境下输电网络管理。研究发电商在电力市场环境下的竞价策略问题以及分析电力市场中发电商的策略性行为就是技术支持领域中的一个热点问题。发电商的竞价策略是指发电商在电力市场进行电力交易时根据市场规则进行报价决策时所采取的一整套策略。在理想的、完全竞争的电力市场中，发电商为了最大化个体利润，其最优的竞

6、价策略是将电力价格设定在系统边际成本。但由于电力工业存在着许多特殊性，如存在进入壁垒(投资规模大)、市场成员相对固定而且个数有限、输电约束和输电损耗等问题，在给定的地区内只有有限的若干电厂参与竞争，电力市场事实上更接近于寡头垄断的市场。这样，发电商可以不按边际成本作为竞价策略，而是利用电力市场结构和规则的不完美性，合法的进行投机来获得更大的利润。对于发电商而言，策略性的报价可以增加自身的利益。尤其是我国的电力市场刚刚起步，新组建的发电公司对市场环境还不熟悉，急需完善的报价策略理论作为指导，以及高效的报价辅助决策工具来帮助决策人员和报价人员进行报价决策。所以本课题的研究具有重要的理论和实际意义。

7、对于电力运营者而言，必须提供有效的竟价算法和规则，使所有参与竞价的电力用户处于平等和合理的地位；同时竞价算法还应使竞价的过程公正和高效的进行。因此研究和考察发电公司的报价行为，有助于考察发电公司滥用市场力的行为，从而识别市场结构和市场规则中存在的漏洞，促进电力市场政策法规的不断完善。所以本课题的研究结果对制定电力市场的政策有一定的帮助。第二章 电力市场的运营交易模式及出清电价结算机制2.1电力市场的概念狭义的电力市场一般是指发电市场、输配电市场、供电市场、用电市场、电建市场等。广义的电力市场，可以根据商品的市场属性和电力商品的特殊性加以说明，但目前还没有统一的定义。目前比较流行的定义为：电力市

8、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、用电等各环节的成员，组织协调运行的管理机制和执行系统的的总和。电力市场的管理机制是指，主要借助经济手段进行管理，不同于传统的行政管理机制。电力市场的执行系统包括贸易场所、计量系统、计算机系统、通信系统等。电力市场的基本特征是：开放性、竞争性、计划性和协调性。与传统垄断的电力系统相比，电力市场最大特征是具有开放性和竞争性。与普通商品市场相比，电力市场则具有计划性和协作性。电力市场的实质是通过建立一个充满竞争和选择的电力市场运营环境来提高整个电力工业的经济效益。竞争和选择是电力市场相互依存的两个方面。对发电商来说

9、，电力市场的本质是引入竞争机制，使各发电公司提高效率，从而获得更大的经济效益；对电网公司来说，电力市场的本质是按照公平、公正、公开的原则，以实现全社会福利最大化的目标进行经济调度和运营，实现资源的优化配置；对电力用户来说，电力市场的实质是为他们提供了选择电力供应商的权利，使他们能获得低价优质的电能。电力市场的总体目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。2.2电力市场的结构和运营模式电力工业放松管制后出现了许多全新的实体。这些实体包括：发电商、发电经纪商、电力交易

10、中心、系统操作员、辅助服务供应商、电网拥有者、计划协调者、配电商和零售商。研究和确定这些实体的功能及其组合，以及相应的市场结构和交易模式，是电力市场成功运营的前提。电力市场与普通商品市场一样，生产者按照“边际收益等于边际成本”的收益最大化原则确定产量，既存在垄断，也存在竞争。从世界各国电力工业的发展来看，总的趋势是朝着完全竞争的市场结构发展。在不同电力管理体制下，电力市场的运营模式可以分为以下4种：(1) 垄断模式集发电、输电、配电为一体，进行统一垄断经营，如图21所示。为限制垄断利润，国家通过法律法规手段对电价实行管制。图21垄断模式这种模式在一段时期内，对工业积累资金、大规模滚动发展、统一

11、电网规划和建设起到了重大的作。但随着电力供应的不断扩大，电力供需矛盾的缓和，这种模式的弊端就逐步显露出来。国家已不堪电力投资的重负，而且国有资产的增值、保值责任难以落实。因此这种模式已不能适应当今电力市场的发展，必须引入竞争的市场机制。(2) 发电竞争模式该模式即厂网分开、竞争上网的运营模式。在这一模式下，输电和配电仍然是垄断经营。这种模式允许存在独立发电商IPP(Independent Power Producer)，但IPP生产的电力仍由电网垄断企业单独收购，再卖给广大电力用户。IPP的出现表明，发电侧电力市场得以形成，单一购买者从许多不同的发电商中选择，以鼓励发电阶段的竞争。不允许直接进

12、入输电网络卖电给最终用户。购买中介在输电网和与最终用户的交易上有垄断权。这是将竞争引入到电力工业的最初模式，如图22所示。图22发电竞争模式(3)趸售竞争模式这种模式的标志是：发电竞争，输电网开放(但配电网仍然垄断经营)，大用户获得选择权，其核心是输电网开放。签于此，又有人将其称为电力转运模式。发电企业公平竞争、竞价上网，允许电力大用户直接从发电企业购买低价的电力，通过统一电网或互联电网予以转运。所谓转运就是由发电企业和用户直接签订购电合同，通过交纳过网费的办法，利用输配电网，由输电公司负责转运电能。在电力转运模式中，有竞争的发电市场，也有垄断经营的输电市场和竞争的销售市场。这一阶段是电力市场

13、的成长阶段，在发电与电网分离后，输电与配电分开经营、发电竞争、输电网丌放，并提供有偿的服务：配电公司对最终用户仍然有垄断权。发电、输电、配电以及售电各个环节之问的交易流向如图23中的实线箭头所示。图23趸售竞争模式和零售竞争模式(4)零售竞争模式零售竞争模式的标志是：发电竞争，输电网和配电网开放，所有用户均获得选择权，其核心是配电侧电力市场全面开放。它是电力市场发展较成熟的阶段，发电竞争，输电开放，配电被从完全竞争的零售活动中分离出来。零售竞争通过将所有用户都带入市场来产生非常强大的竞争力。这一阶段，不仅在发电环节，而且在零售环节，都展开较完全的竞争。发电、输电、配电以及售电各个环节之间的交易

14、流向如图23中的实线箭头和虚线箭头所示。2.3电力市场的交易模式电力市场的交易模式通常按进行电力电能交易的主市场的组织形式来定义，按市场开放程度不同，主要有三种模式：(1)单一买方电力库(Pool)模式英国1991年改革采用的模式就是典型的电力库模式，该模式也称单一买方或“N+1模式，我国六个试点省市的发电侧电力市场均采取该交易模式。该模式只要求“厂网分开，在交易形式上，只有发电厂商报价，由电力交易中心接受报价并按最小成本收购电力；交易计划通常在同前进行，属于电力现货批发交易。其最大的特点就是将电网看作电能交易中心，所有发电商和用户与电网运营中心发生经济关系。英国、智利、阿根廷等国以及美国PJ

15、M电力市场、澳大利亚Victoria电力市场都属于这一类市场模式。该模式的优点是：模型简单，而且易于操作，由于PX与SO同属于一个公司，系统操作与原来的垂直一体化的经济调度基本一致，利于平稳过渡；发电厂商仍服从集中计划和调度，各种辅助服务一般在同市场上同时计划，利于系统安全稳定运行；采用暗标拍卖的方式，统一的市场清算价方法；发电公司和用户通过(P001)进行交易。缺点：由于电力交易中心PX(Power Exchange)与系统操作员SO(Syste Operator)同属于一个公司，使得电网的权力过大，市场的透明程度不高，调度不公的问题依然存在；电力交易中心是唯一的买方，对用户而言又是唯一的卖

16、方，可能操纵市场，且用户没有选择权，市场竞争有限，必须加强监管。输电网的运行费用及其它花费都由用户负担，很不合理。(2)“电力库+双边交易”模式该模式在电力库交易外，允许配电商和大、中电力用户直接与发电厂商进行双边交易，由买卖双方通过协商确定价格；同时，要求在厂网分开的基础上进行“输配分开，至少输电和配电独立核算，输电网的运营者为双边交易提供“过网”服务、并收取过网费。双边交易通常采取远期合约交易的方式，它给用户以选择权，起到增进市场竞争性、平抑电价的作用。根据国发20025号文件，我国将逐步开放大用户和发电厂商间的双边交易。在双边交易中，过网费的收取是一个相当复杂的问题，它不仅涉及到输电网的

17、投资回收和网损补偿，还涉及到为保证双边交易实施所需的辅助服务获取和付费问题，此外，双边交易的具体实施和调度还涉及到输电可用容量和系统安全性等一系列复杂问题。(3)“双边+多边交易模式该模式的主要优点是为用户提供了更多的选择权。首先，用户仍然可以保留远期合约为主的双边交易方式，而现货市场采用经纪人系统，这是一种多边交易，它不同于电力库的主要特点是同时接受发电厂商和用户的报价，以最小成本实现最大效用为原则进行购售匹配；其次，该模式要求配售分开，允许史多的用户、包括一些不具备配电网的电力零售商参与经纪人系统的报价和竞争；第三，多边交易的形式可以用于电力远期和期货交易，这些交易可直接由多个交易谈判达成

18、、也可通过经纪人撮合成交，因此交易形式最为自由。然而，由于发、输、配、售完全分离，该模式下系统的安全稳定运行需要复杂的协调机制。与Pool模式相比，模式下的竞争更加充分。美国加州电力市场以及北欧电力市场、新西兰等国的电力市场就是属于这种模式。我国近期(2000-2010年)采用国家一大区一省级三级电力市场结构，其间多采用基于交易中心的联营交易模式，我国随着现行的Power Pool运行方式主要是“l+N模式。“l”是指电力市场的单一购买者，即电网经营企业；“N”是指参与市场竞争的各个独立发电企业。电网经营企业是发电侧电力市场的单一购买者，负责经营所有发电企业的上网电量，并保证用户用电。省级电力

19、公司及区域性电力市场竞争机制的不断完善，省内和省间双边/多边交易将成为市场的主要模式。由此可见，我国电力市场环境下，基于交易中心的联营交易模式和直接双边/多边交易模式将会长期共存。2.4电价的形成机理由于电力不能存储以及电力工业的特殊性，决定了电力市场不是完全竞争市场而是更接近于寡头垄断市场，存在着博弈行为和一些未知的、不确定的因素，发电企业可以通过策略化的竞价投标来达到企业收益的最大化。策略性报价是发电商根据负荷预测、输电约束等公共信息报高于机组边际成本的价格。日前现货市场是整个电力市场的核心和基础，日前现货市场竞价上网的竞价机制对电力投资和交易市场都具有非常重大的意义。竞价机制也是影响发电

20、厂商策略性报价行为的重要因素，合理的R前市场竞价规则和竞价机制是促进电力市场健康稳定发展的关键所在。不同的电力市场交易模式，采用不同的竞价机制。目前世界各国电力市场采用的竞价机制多为统一价格(Uniform Pdce)竞价机制，我国的6个试点省市除上海外，采用的都是这一方法。在该机制下，发电商向交易中心提交次同某一交易时段的最大可发电量与相应的发电报价，交易中心按报价从低到高的顺序择发电商，直至所选择的发电商的最大可发电量之和与该时段的需求电量平衡，最后一位被选中的发电商的报价即为市场出清电价(Market Clearing Price)，所有投标获胜的厂商均按此价格进行结算。发电商与交易中心

21、的关系可用图24来表示。图24发电商与交易中心的关系根据微观经济学的原理，在市场情况下，商品的价格是在该商品的供需双方竞争过程中自发形成的。一般来说，商品的价格越高，商品的供给者就愿意多供给商品；价格越低，就少供给商品。而对于消费者而言则恰恰相反，商品的价格越低，他们就越愿意多购买商品；价格越高，就少买商品。供给曲线和需求曲线的交点就是商品的均衡价格(市场价格)及成交数量。价格和供需关系如图25所示。图25价格和供需关系电力作为一种特殊商品，其价格在不同的时间、不同的地点都是不同的。目前世界上很多电力市场采用的都是市场出清价结算，电力市场出清价的形成过程和上述一般商品的形成过程基本相似但也有其

22、特殊性。如在华东地区电力市场中，月度竞价市场的出清价的形成是由供需双方共同竞争的结果，供给方(发电公司)报出供给曲线(包括电力、电价)，用户方(电网公司)报出需求曲线(包含负荷、电价)，双方的曲线交点就是无系统约束条件下的系统出清电价。而在同 市场中，由于电力瞬时平衡的特殊性，为保障电网安全，供给方(发电厂)只报供给电力和电价，但用户(电网公司)只报负荷需求，而不报价，即需求是刚性的、平行于价格轴、不同时刻结果不同的直线。价格形成如图2.6所示。图2.6 日前市场中某时段电力市场价格的形成发电侧电力市场中，发电商向交易中心申报价格，电力交易中心作为单一的购电商代表用户买电，出清方式一般采用全网

23、统一价格结算，即按照最后一个满足电量需求的发电商报价进行结算。图2.7 出清电价的形成过程例如，三个发电商的报价分别如图2.7所示，某时刻市场的平衡点E处对应电价是名，则所有的出清价都按五结算。在统一出清电价下，对发电商而言，如果报高价，可能竞价不成功，也可能竞价成功但成为边际机组，得到的上网电量不多，在此情况下，报高价的风险较大，且让其他报低价而获得更多上网电量的发电商获得了巨额利润，这是任何一个发电商都不愿意看到的。所以，在统一出清电价下，有电力市场曾出现过报负价的现象，各发电商都报低价造成了恶性竞争。因此，电力市场中一般设置了最高限价和最低限价。在此条件下，发电商按成本报价是比较稳妥的做

24、法。在统一出清电价下，发电厂商在价格决策时，一般都有偏离成本报高价的倾向：在产量决策时，发电商可利用市场力，通过持留发电容量导致市场出清电价上涨，一定条件下可获得超额利润，因此也有持留发电容量的倾向，但它能提供丰富的经济学信号，这是它突出的优点。第三章 电力市场中发电厂商竞价现状和博弈论方法3.1发电厂商竞价策略研究现状PowerPool通常采用“暗标拍卖”并按统一市场价格结算，采用这种机制的依据是：当PowerPool的是一个完全竞争的市场，则发电厂商追求利润最大化的唯一可行的竞价策略是按照机组的边际成本报价，这时，市场的运行也是最有效率的。然而，实际的PowerPool往往不是一个完全竞争

25、市场，而是更接近于寡头垄断市场。在实际的PowerPool中，市场成员相对固定且个数有限，少数几个规模较大的发电厂商可能拥有较强的市场力。也就是说，发电厂商可以不按边际成本报价，而是采用一定的竞价策略，以期影响市场结算价格，从而获得比按边际成本报价更高的利润。PowerPool中具体采用的不同竞价方式，竞价策略可分为：电能多部分投标、电能单部分投标、电能与辅助服务同时投标。电能多部分投标最早建立的England&Wales Power Pool采用的是多部分投标的竞价方式，发电企业申报能量价格、启动费用、停机费用等多个参数，Pool采用类似传统的优化机组组合算法进行市场结清。早在1993年，A

26、.K. David即研究了针对该种竞价方式下发电厂商的竞价策略问题，以动态规划为基础构造了优化竞价策略。 电能单部分投标 ，单部分投标发电厂商只申报能量价格，发电厂商在构造竞价策略时要自己计及启动成本、停机费用等各项成本，自己考虑运行约束，而Pool则只需根据报价作一排序，确定各发电厂商的成交量。如加州和澳大利亚电力市场都采用单部分投标。 在单部分投标机制下，发电厂商在报价中应考虑多时段机组启停约束和启动、停机等成本。J.M. Arroyo和A.J. Conejo建立了作为价格接受者的火电机组对多个时段现货电价优化响应的混合整数规划模型，指出混合整数规划模型可以比动态规划模型更真实严格地描述机

27、组的成本特性和约束条件。实际上，发电厂商在构造策略性的投标试图影响市场价格时，也必须考虑多时段竞价策略的协调，然而目前这方面的研究很少见。 电能与辅助服务同时投标 在新西兰、西班牙、加州等电力市场中，各种旋转备用、AGC、冷备用等一些辅助服务与电能一样，也是通过竞价的方式购买。由于这些辅助服务与电能都占用发电机的容量资源，因此，它们的市场结清过程与电能的结清过程关系密切。F. Wen和A.K. David以加州电力市场为背景，提出了一种协调能量市场和旋转备用市场的投标策略的方法，并采用遗传算法进行求解。如何构造辅助服务的竞价策略以及如何和电能的竞价策略相协调是一个新兴的研究领域。 3.2按成本

28、分析进行报价 平均报价 按成本分析进行报价中最简单的是平均电价法，只给出一个上网电价的平均值，其计算公式： 上网电价=（发电成本+发电税金+发电利润）/厂供电量 (3.1)容量和电量综合报价,这种方法在原理上是把上网电价分为两部分,即容量电价和电量电价,最后合成统一保价。 运行时段综合报价,按运行时段计算上网电价时,将电价分成基本电价和电度电价。3.3电力市场中发电厂商竞价的博弈论方法 3.3.1 博弈论的基本概念 博弈论的基本概念包括参与人、行动、信息、战略、支付、结果和均衡等等。其中，参与人、战略和支付是描述一个博弈所需要的最少的要素，而行动和信息是其“积木”。参与人、行动和结果统称为“博

29、弈规则”。博弈分析的目的是使用博弈规则预测均衡。 （1）参与人（players）：参与人指的是一个博弈中的决策主体，他的目的是通过选择行动或者战略以最大化自己的支付水平。参与人可能是自然人，也可能是团体。在本文所讨论的参与人指的是电力市场环境下的发电厂商。 （2）行动（actions or moves）：行动是参与人在博弈的某个时点的决策变量。一般的，用表示第i个参与人的一个特定行动，表示可供选择的所有行动集合（action set）。参与人的行动可以使离散的，也可以使连续的。 在n人博弈中，n个参与人的行动的有序集 称为“行动组合”，其中第i个元素是第i个参与人的行动。和行动相关的一个重要问

30、题是行动顺序（the order of play）。行动顺序对于博弈的结果是非常重要的。事实上，有关静态博弈和动态博弈的区别就在于行动顺序的做出。我们看到，同样的参与人，同样的行动组合，行动的顺序不同，每个参与人的最优选择就不同，博弈的结果也就不同.。（3）信息（information）：信息是参与人有关博弈的知识，特别是有关“自然”的选择，其他参与人的特征和行动的知识。信息集（information set）是博弈论中描述参与人信息特征的一个基本概念，可以理解为参与人在特定时刻有关变量的值的知识。 在博弈论中，“完美信息”和“完全信息”是既有联系又有区别的两个概念。完美信息（perfect

31、information）指的是一个参与人对其他参与人（包括自然）的行动选择有准确了解的情况；完全信息（complete information）是指自然不首先行动或者自然的初始行动被所有参与人准确观察到的情况，即没有事前的不确定性。 共同知识（common knowledge）指的是“所有参与人知道的知识。共同知识是博弈论一个很强的假定。（4）战略（strategy）：战略是参与人在给定信息集的情况下的行动规则，它规定参与人在什么时候选择什么行动。因为信息集包含一个参与人有关其他参与人之前行动的知识，战略告诉该参与人如何对其他参与人的行动做出反应，因而战略是参与人“相机行动方案”（contin

32、gent action plan）一般的，用表示第i个参与人的一个特定战略，代表第i个参与人的所有可选择的战略集合。如果n个参与人每人都选择一种战略，n维向量称为一个战略组合（strategy profile） （5）支付（payoff）：在博弈论中，支付指的是在一个特定的战略组合下参与人得到的确定效用水平，或者是指参与人得到的期望效用水平。博弈的参与人的目标是选择自己的战略以最大化自己的支付。博弈的一个基本特征是，一个参与人的支付不仅仅取决于自己的战略函数，而且取决于所有其他参与人的战略选择，是所有参与人的战略选择的函数。 （6）结果（outcome）：结果是博弈分析者感兴趣所在，如均衡战略组合，均衡行动组合和均衡支付组合等等。（7）均衡（equilibrium）：均衡是所有参与人的最优战略组合，一般做 (3.2) 其中， 是第i个参与人在均衡情况下的最优战略，它是参与人的所有可能的战略中使得支付最大化的战略。 在博弈论中，一个博弈可用两种不同的方式表述，一种是战略式表述（Strat