（技术经济及管理专业论文）电力市场经济效率评估的理论与应用研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 摘要 电力市场经济效率评估理论研究的意义在于通过对电力市场的运行效率进行经济 性评估，为市场成员的市场策略选择和监管机构的监管方案设计提供决策参考，从而进 一步完善电力市场设计，以实现优化电力资源配置、提高电力市场效率的电力工业市场 化改革的总体目标。论文基于经济学原理和电力系统特性，研究提出了电力市场运行的 经济评价理论框架，基于供给函数均衡理论建立了电力市场模型，并在考虑输电阻塞及 扩容、发电商市场力、电力市场监管等问题的情形下，研究了电力市场运行效率的评价 模型与方法，以及如何标准化电力市场结构以提高市场效率的问题。 一、以一两区域电力系统为例，研究了完全竞争条件下和存在输电阻塞情形时的电 力市场运行效率的经济学评价问题。研究表明完全竞争条件下的市场效率最高，而当存 在输电阻塞时，成本较低的发电机组不能被调度出力，从而造成市场效率的损失。同时， 还研究给出了输电扩容对电力市场效率的影响问题，采用适当的管理工具，能够鼓励输 电公司有效扩容，缓解阻塞，从而提高电力市场效率。 二、通过对多种电力市场模型的研究比较，研究给出了一种基于核函数的非参数估 计方法，该方法通过比较电力市场中发电商的实际报价行为与电力市场模型中模拟报价 行为之间的差异，以验证电力市场建模的有效性。 三、以完全竞争市场作为参考，研究了考虑输电阻塞的情形下集中交易模式中发电 商竟价行为对电力市场效率的影响问题。建立了输电阻塞对电力市场效率的影响模型， 并且基于最优潮流模型，给出了一种寻找影响市场效率的阻塞线路和发电商节点的模型 方法。 四、基于蚁群算法研究给出了一种电力市场效率评价的理论方法。基于人工智能算 法实现发电商报价策略的选择，然后根据发电商的实际报价和理想报价，用价格成本边 际系数来评估电力市场的经济效率。 五、根据产业经济学的s c p 理论，论文研究了我国电力市场的结构优化问题，给 出了中国电力市场标准化的框架，通过建立合适的电力市场结构，保证发电容量的充裕 度，引导输配投资，提高电力市场的运行效率。 研究结果表明，通过客观、深入地对电力市场经济效率评估的理论方法及应用进行 研究，也就是在目前厂网分开，发电公司和电网公司成为各自独立的经济实体参与电力 中文摘要 市场的环境下，以合理的评价方法来评价市场行为、结构对电力市场效率的影响情况， 从而为市场设计提供参考，提高电力市场运行效率。这些研究成果对电力体制改革具有 重要的理论意义和实际应用价值。 关键词： 电力市场，经济效率评价，输电阻塞，电力市场标准化 i l 华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t 1 1 l es i g i l m c 蛐c eo f 协e 陀s e a r c ho ne c o n o m i ce 伍c i e n c yo fp o w e rm a r k e tl i e si i l p r 0 v i d i n ge c o n o m i c 觞s s m 锄t 如rm a f l 【e to p e m t i o l l ，p r o v i d i n g 他f e r 锄c ef o rt l l em a 出c t m g i l l a t i o ns y 啦釉，t h u sf h r d l e r 蛳p r o v i n gp o w 盯m 纠( 毹d c s i g l l a c h i “m gn l eg o a lo f m a d ( e 删 e n 自e d 砖f o f m n i sp a p e rb a s 船伽f h ep n c i p l e so f e c o n o m i c sa n dt i l ep r i 辨蹦髂o f p 吣惯s y s t e m ，c o n s j d e 鸺t i - ei m p a c to f 打蛐s m i s s i 伽c o n g e s t i o n 锄de x p 矾s i o n 锄dp 0 嗍 g e n e m t i o nm a r i e tp o w c r 粕dp o 矾钟m a 订( e tr e g u l a t i o nf o rm 矾哦o p e r a t b ne 厢c i 锄c y u s 锄p p l yt i i n c t i o ne q u i l i b r i u mt h i yt of e a r c he c o n o m i ce m c i e n c yo f p o w c rm a r l 【c t f i r s t t i i ep a p e r 协k e so n eo r “v or e g i o np o w c rs y s t e m 鹋a ne x 锄p l e ，s t u d i e sw h e nu n d e r t i l ec 伽d i t i o no fp e 疵c tc 锄p c t i t i o n 粕dt h e 强i s t e n c eo ft r a n 锄i s s i o n c o n g c s t i o n ，t i l e g 蚰e m 6 n gs e to fl o w c rc o s tc 柚tb ed i s p a t c h e d ，w h i c hh 勰他鲫l t c di nt i i el o 船o fm a r k c t e 衢c i 朋c y a tt l i e 鞠m et i m e t h ep a p e ra l s os t i l d i 器a n dp r o d u c c st i l eq u e s t i o nt h a t 缸a n s m i s s i o nc x p a n s i o ni n f l u e n c e sp o w 盯m a r k e te f f i c i e n c y t h ea d o p t i o no f 印p r o p r i a t e m 扑a g c m e n t 伽l sc 锄e n c o u r a g et r 锄s m i s s i o nc o m p 柚yt oe x p a n de f r e c t i v e l y e a s e 姗g e s l i 鲫，彻dt h e r e b yj m p r o v ep o w 盯m a r k e te m c ；e n c y s e c o n d ，a c c o r d i n gt oc o m p a r i n gm 卸yk i n d so fc q u i l i b r j u mm o d e l ，t h ep a p c rp r o p o s c sa n o n p a m m e 啊ce s t i m a t cm e t l i o dt 0e s t i m a t em eb i d d i n gb c h a v i o ro fg e n 啪t i o nc o m p 锄y ，t o v e r i 母t i l ev a l i d i t yo f p o w e rm a f l 【e tm o d e l 1 1 l i f ；d ，b a so np e m c tc o m p e t “i v em a r k e t ，t l l ep a p 凹咖d i e sm ei n n u e n c co np o w e r m a d 瞅e 伍c i e n c yf o rh eb i d d i n gb e h a v i o ro fg e n e m t i 蚰c o m p a n y nc o n c e n t r a 把dt r a d e m o d e lu n d e rt h ec i r c u m s t 锄c e s0 ft r a n s m i s s i o nc o n g c s t i o n t h i sp a p c re s 汕i i s h e st h e i n f i u 朋c em o d e io np o w e rm a r k e te f f i c i e n c yf b rn 彻s m i s s i o nc o n g e s t i o n ，锄db a so n o p t i m a lp o w e rf l o wm o d e l ，g i v c saw a yo fs e a r c h i n gf o rc o n g e s t i o nl i n e sa l i dg e n e r a t i o n c o m p 卸yn o d ew h i c he 腩c tm a d e f n c i e n c y b a s e so n 锄tc o l 伽ya l g o r i m m s ，t 1 1 i sp a p c r 咖d i 部扰d 聊s 部am e t l l o do fe v a l u a t j n g p o w c rm a r k c te f f i c i 即c y b a s 彻a n m c i a li n t e l l i g e n c ea i g 喇t h m s ，t h ep 印c rr e a l i z e st h e c h o ho f t h eb i d d i n gs t r a t e g yo f g e n e m t i o nc o m p a n y ，t l l e na c c o r d i n gt ot h ea c t u a lq u o t a t i o n 粕di d e a i sq u o t a t i o no fg e n e m t i o nc o m p a n y ，u s e sp r i c e c o s tm a 玛i nc o e f n c i e n tt oe v a l u a t e e c o n o m i ce f f i c i c n c yo f p o w e rm a r k e t f i 舱l l y 疆c rt h es t u d yo fe f te s t i m a t i o nt l l e o 叮o fp o w e rm a r k e c o r d i n gt os c p t l l e 0 1 ) ，o fi n d u s t l 唷a le c o n o m i c s ，t h ep a p e rs t i i d i e so p t i m u ms h v c t l ，r ep m b l e mo fp o 、v e rm a r k e t i i i 中文摘要 j i ic h i n a g i v e saf m m e w o r ko fp o w 盯m a r k ns t 卸d a r d i 动t i o ni i ic h i 眦1 1 l m u g he 啦a b l i s h i n g a p p r o p r i a t cp o w e rm a r k c ts 臼c t l l r e ，锄s u r ea d e q u a 忙g e n e 髓t i n gc a p i t y ，i n d u c tt 啪s m i s s i o n 锄dd i s t r i b u t i o ni n v e 蛐m e n t a n di m p m v eo p e 豫t i n g e 硒c i c n c yo f p o w e rm a d t t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i s p a p e rs h o w sm 矾t 1 1 r o u g l lo b j e c t i v e l y 卸dt h o m u g l l l y r e a r c h i n gf o rt t l c o r ym e t h o d 卸da p p l i t i o fe c o n o m i ce 伍c i e n c ye v a l u a t i o no fp o f w c r m a r k e w h i c hi si nt i l ee n v 的n m e mt h a tp o w e r 鲥d 柚dp o w 盯p i 锄t ss 印a m t e d 卸d g c n 训i o n 锄d 鲥dc o m p 孤i e s 豁i n d e p e l l d e n tc c o n o m i ce n t i t i e sp a r t i c i p a l ei i lp o w e rm a r i ( c t u sr e a s o l l a b l ee v a l 咂t i o nm e t h o dt oe v a l u a l et l l e - m f l u e i l c e0 np o w c rm a d ( e te 儡c i e i l c yf b r m a 永e tb e h a v i o r 粕d 蛐n l c t l i ，t h 憾p r o v i d e s 陀f b r e n c ef o rm a r k c td e s i g i l ，i m p m v eo p e r 砒i n g e m c i e n c yo fp a w e rm a r k e t t h e r e a r c hr e 鲫l t sh a v ei m p o r t a n tt h c o r e n l 柚dp m c t i c a i v a l 0 ne l e c 们cp o 、槽rs y s t e m b 咖 i 奶rw o r d s ：e l e c m c 吟m a 一( 鸭e c o n 伽i ce 佑c i 朋c ya p p m i s a i ，t h 嬲m i s s i o nc o n g e s t i o n m a n a g e m e n 匕p o w e rm a r k e ts t a i i 幽坩i z a t i o n i v 声明及学位论文使用授权说明 声，明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文电力市场经济效率评估的理论与应用 研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 签名：弼日期：卅夕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者虢羚 日 期。， 导师魏i 胥3 日 期： p 7 1 华北电力大学博士学位论文 第一章引言 电力工业普遍采用发、输、配、售垂直一体的垄断运营模式已有上百年的历史。过 去，人们一般认为，电力工业是一种规模经济，具有自然垄断属性。所谓规模经济是指 一个企业能以低于两个或更多企业的成本为整个市场提供同一种物品或劳务。同时，电 力系统中发、输、配电的设备在物理上联为一体，发电、供电、用电三个环节必须保持 瞬间平衡，整个系统的安全稳定运行需要各个环节的紧密配合，采用垂直一体的结构似 乎是一种很自然的结果。因此，电力工业长期以来在垄断模式下发展、壮大和成熟。然 而，自从1 9 9 0 年英国推行电力市场改革以来，许多国家，包括经济发达国家，中等发 达国家和第三世界国家群起效仿，美国、澳大利亚、新西兰、阿根廷、挪威、瑞典、德 国、日本、新加坡、泰国以及我国等等相继对本国的电力工业进行了改革，沉寂多年的 电力工业，市场化改革一时风起云涌，成为一股时代洪流。【l 驯 虽然各国的改革方案不尽相同，但改革的核心都是打破垄断，目标都是为了在电力 行业引入市场机制来进行资源的优化配置和利用，提高市场效率，从而为社会提供更加 廉价可靠的电力。“圳 我国于上世纪9 0 年代开始电力工业市场化改革。上世纪9 0 年代末期，我国电力市 场的供求关系发生了根本性的变化，电力供应不仅不再短缺，而且实现了供需基本平衡， 甚至有些地区出现了阶段性的供大于求。这一变化导致了发电市场开始出现竞争并且竞 争程度逐步增强。为了实现发电市场的公平竞争，1 9 9 8 年1 2 月，国务院办公厅印发了 国办发( 1 9 9 8 ) 1 4 6 号文件，要求在上海、浙江、山东、辽宁、吉林和黑龙江6 省( 市) 进行“厂网分开、竞价上网”省电力市场试点工作。这一年也是我国竞争性电力市场实践 探索的开始。此后，原国家经贸委会同国家计委，国家电力公司等有关部门和单位组织 了有关改革试点工作。f 蒯 2 0 0 2 年，国务院关于印发电力体制改革方案的通知( 国发【2 0 0 2 】5 号) ，对我国 新一轮电力体制改革进行了整体部署，明确了电力市场化改革的方向，提出建立政府监 管下的开放竞争、全面发展的电力市场体系。根据5 号文规定，我国初步完成了“厂网 分开”改革，组建了国家电网公司、中国南方电网公司、五大发电集团和四大辅业集团， 打破了垂直垄断一体化的行业结构，为电力市场建设、竞价上网等后续改革奠定了体制 基础。2 0 0 3 年起，国家电力监管委员会先后印发7 关于区域电力市场建设指导意见 第一章引言 和电力市场运营基本规则( 试行) 、电力市场监管办法( 试行) 、电力市场技术支 持系统功能规范( 实行) 等一系列有关区域电力市场建设的指导性文件，有效推进了 区域电力市场建设 2 0 0 3 年2 月，电监会启动了我国第一个区域电力市场东北区域电力市场的试点 工作。6 月，印发关于建立东北区域电力市场的意见，东北电力市场作为第一个区域 电力市场的试点工作开始启动。2 0 0 4 年1 月开始部分电量竞争模拟运行，2 0 0 4 年1 2 月 正式试运行。 2 0 0 3 年6 月，电监会印发关于开展华东电力市场试点工作的通知( 电监市场 【2 0 0 3 】1 3 号) ，华东电力市场试点工作启动。2 0 0 4 年5 月华东电力市场进入月竞价模拟 运行。2 0 0 5 年l o 月份华东电力市场开始综合模拟运行，并于2 0 0 6 年4 月转入试运行。 2 0 0 4 年3 月，电监会启动南方电力市场建设工作。同年1 2 月，国家电监会出台了 南方电力市场建设方案， 2 0 0 5 年1 1 月，南方电力市场模拟运行。另外，华中、华 北等几个区域电力市场的建设也正在进行当中。在区域市场试点中，各个区域的市场规 则也各不相同，试点取得的效果也不一样。 2 0 0 7 年4 月，国务院办公厅转发了电力体制改革工作小组关于“十一五”深化电力 体制改革实施意见。针对电力工业出现的一些新情况和新问题，意见要求在“十一五一 期间，要抓住电力供需矛盾缓解的有利时机，坚持从我国实际出发，借鉴国际成功改革 经验，巩固已有改革成果，把电力体制改革继续推向深入，促进电力工业持续健康发展， 确保人民群众得到质优价廉的电力服务。 1 1 论文选题意义 在电力市场环境下，发电商和电网公司等市场成员面临很大的经营风险，他们需要 有一套合适的决策支持模型来模拟市场的运行状况，以预测和提前发现风险。另外，市 场的监管机构也需要建立市场辅助分析模型来对市场参与者的市场行为进行分析，并对 市场的经济效率进行评估。传统的电力系统运行模型由于缺乏对参与者市场行为的考 虑，没有将市场参与者基| 丁- 自身利益的市场决策行为考虑在内，不适应新的市场环境。 因此，结合竞争的市场化背景来研究电力市场的仿真问题，并对电力市场的经济效率和 运行表现进行模拟分析，就成为一个重要的研究方向。 2 华北电力大学博士学位论文 国外电力市场通常采用两种模拟方式。一种是基于数学模型和计算机软件技术开发 电力市场模拟分析系统，通过这个系统来模拟分析电力市场的各种情景，以此研究确定 电力市场的规则和主要市场参数，或修正原有的电力市场规则和一系列的市场参数。另 一种是进行实际模拟分析。我国目前采用的就是后者。许多国家通常是先采用第一种方 式，然后再采用第二种方式，进行市场模拟运行分析。 这两种模拟分析方式各有各的作用。计算机模拟分析系统的使用通常在市场规则、 甚至市场结构和模式都还没有最后确定之前，它属于电力市场研究阶段。通过这个系统 的模拟仿真，来为制订市场规则和其他市场结构和运营参数提供依据。而实际模拟运行 和分析通常是为了对既定的市场规则及其他市场主要参数作进一步的修正和调整。 通过市场效率评估，对各个区域电力市场的规则及其他市场主要参数进行修正，就 可以获得相对能够提高市场效率的标准化方案，为区域市场提供统一的规则。它有利于 区域电力市场的协调发展，可以为不同区域的市场参与者提供一个相互参照的平台。同 时，还可以减少监管成本和监管风险。 综上所述，电力1 何场经济效率评估研究的意义在于对电力市场的运行提供经济性评 估，为各市场成员的市场决策、监管机构的市场体系设计提供参考依据，从而进一步提 高决策水平，完善电力市场方案，实现电力工业市场化改革的目标。 1 2 国内外研究现状的综述与分析 1 2 1 基于均衡模型的电力市场模拟研究的综述分析 均衡模型指采用传统数学规划方法求解，并考虑市场均衡问题的模型。一般来说， 电力市场均衡模型可以分为两类。最常见的一类模型是基于c o u m o t 竞争的模型。在这 类模型中，发电公司采用电量策略进行竞争。另外一类供给函数均衡( s u p p l yf h n c t i o n c q u i l i 晰u m ，s f e ) 模型，发电公司采用报价曲线进行竞争，这种模型比c o u m o t 模型要 复杂。尽管两类模型的竞争变量不同，但均基于n a s h 均衡理论，即当每个市场参与者 的策略都是对他们竞争对手实际策略的最好反应时，市场达到均衡。 在c o u m o t 均衡中，发电商通过选择自己的最优山力来实现自身效益的最人化。 c o u m o t 模型相比于s f e 模型更容易求解，只需求解代数方程组，而s f e 模型需要求解 微分方程组。c o u m o t 模型是否适合于电力市场研究，在理论界还有争议。但是，文献 第一章引言 【9 】在研究后认为，c o 啪o t 模型可以用来研究电力市场的不完全竞争问题。袁智强、侯 志俭等在文献【l 町萍细的分析了电力市场的c o u m o t 均衡模型，通过研究认为实际的电 力市场近似于寡头垄断市场，各发电商可以通过估计对手的策略，采用最优投标来获得 较大的收益，并且可以达到n a s h 均衡。 由于c o 哪0 t 模型在均衡模型中，相对比较容易求解，因此电力市场中的大部分均 衡模型为这类模型，这类模型被广泛的应用于研究电力市场的不完善性问题，主要是市 场力问题【1 1 ，”，输电阻塞问趔13 1 ，以及水火电协调问题“4 】、风险评估问题等等。其中， 水火电协调问题是研究如何利用水电中水库的调节能力来节省火电的燃料费用，以优化 水火电资源配置，节约总的发电成本。 但是，c o u m o t 模型也存在很多缺陷。其中最主要的一个缺陷就是，发电公司的竞 争策略是通过改变投标电量的多少来表达的，而不是更为切合实际的发电商报价曲线。 因此，一些学者认为供给函数均衡模型能够更好的描述电力市场竞纠圩1 6 1 。另外，通过 对c o 咖o t 模型进行一些修正，也能克服c o 啪o t 模型的缺陷。文献【1 7 】通过在c o u m o t 模型引入推测变差法( c o n j e c t u 豫iv a r i a t i o n sa p p r o a c h ，c v ) ，描述了发电商通过研究未来市 场可能出现的情况，来推测对手可能会采用的竞争策略的可能。 2 0 0 2 年，g a r c i a - a l c a l d e 与d a y 等几乎| 一时提出了猜测供给函数( c o n j e c t u r e ds u p p j y f u n c t i o n ，c s f ) 法，并应用到电力市场运营模拟实践中【”，。d 町等直接采用c s f 的概 念构造了发电公司的线性供给曲线，分别分析了线性供给曲线的斜率或截距固定时的电 力市场交易情况。g a r c i a - a l c a l d e 基于c s f ，对c o u m o t 模型进行了改进，使之更加符合 西班牙电力市场的实际运营情况。文献【2 0 】针对前面两篇文献仍然采用发电公司出力作 为竞争策略变量，无法适用电力需求无弹性的情况，提出了一种新的基于微增响应的猜 测供给函数均衡模型，用于构造电力市场中发电公司的策略行为及其相互作用，比常用 的c o 啪o t 模型更为客观地反映了发电公司潜在的市场力。 1 9 9 8 年，k l e m p e r e i 和m e y c r 在文献【2 l 】中首次提出了供给函数均衡模型。在s f e 模型中，发电商在实际生产电能之前就要为其发电定价，这符合电力市场的实际情况。 同时，市场规则也限制发电商向市场即时增加供电或减少供电的能力。该模型一般假设 发电商在提前决定可向市场提供的发电容量段和各发电容量段的相应报价，该报价随后 不再改变，大多数实际的电力市场交易采用这种规则。这就是s f e 的主要思想，后来的 研究表明它非常适合研究电力批发市场。 s t c v e n 在文献【2 2 】中系统的阐述研究了电力市场供给函数均衡模型，由于发电公司 4 华北电力大学博士学位论文 的相互影响以及电力市场的寡头垄断特性，某些发电公司有能力影响成交价格，而有些 发电公司只是市场价格的被动接受者，因此他认为供给函数均衡模犁最适合寡头垄断市 场的建模。同时，他还将k l e m p e r e r 和m e y 盱的单一市场模型扩展到多级市场模型。 通过对研究文献的分类整理，s f e 模型的应用一般集中于两个方面，即：电力市场 的不完善性分析和电力市场仿真等。 采用s f e 模型研究电力市场的不完善性问题较早也是最具有代表性的文献是g 他 和n e w b e r y 在1 9 9 2 年针对英格兰一威尔士电力库所做的研究嘲。研究发现，当双头垄 断中两家发电公司的规模存在差异时，规模大的公司会发现涨价可以提高它的利润，因 此其供给函数是陡峭的。相应的，规模较小的那家公司的需求曲线也会变得更加缺乏弹 性，因此，为了获得更高的利润，其报价也会偏离其边际成本，提高价格。之后，他们 二人分别又在文献【2 4 1 和【2 5 】将远期合约市场纳入到供给函数均衡模型中，研究发现， 远期合约市场的交易量越多，现货市场的价格将越低，远期合约市场能够降低现货市场 的价格。另外，文献 2 6 】运用微观经济学理论研究了电力库模式中发电公司的竞价问题， 探讨了均衡解与市场力之间的关系，认为通过差价合约对均衡解的影响分析发现，引入 差价合约可降低电力公司的市场力。 在电力市场出现以前的传统电力体制下，电力工业比较薄弱，对供电容量的投资一 般要滞后于电力需求的增长，传统的电力供求模型也是基于这个前提。因此，当世界上 第一个电力市场英格兰一威尔士电力库出现时，这类电力市场模型就被s f e 模型所替 代，并被广泛的用来研究分析市场环境下可能出现的各种问题。g r e 锄和n e w b e r y 采用 s f e 模型研究英格兰一威尔士电力市场中的策略竞标行为【2 3 1 ，r u d k e v i c h 等人应用s f e 模型模拟了美国实际的电力市场【2 7 】。a l - a g t a s h 等人在文献【2 8 】中，采用s f e 模型建立了 电力市场的协调多边交易( c 0 0 r d i n a t c dm u j t j l a t e r a lt r a d e s 【2 9 】) 市场模型，进而构建了协 调多边交易电力市场效率的评估框架，并进行了算例应用。张晓东等在文献【3 0 】中建立 了分析现货市场的供给函数均衡模型。仿真计算结果表明策略竞标企业的规模越大，抬 升市场价格的能力和动机就越强。 s f e 方程的建立比c o 咖o t 均衡相对要简单，但是在求解时需要求解微分方程组， 求解存在一定的难度。阏此，研究者们比较专注于研究线性s f e 模型，即假设需求是线 性的。b a i d c k 和h o g a n 证明了线性供应函数均衡的稳定性，并提出了一种迭代法来寻 找s f e 的可行解【3 1 j 。b a l d c k 和h o g 锄以后的专家也注重线性s f e 模型的求解。文献【3 2 】 建立了分段线形均衡函数模型，然后在一个矩形可行域内对可行解进行搜索。文献【3 3 】 第一章弓l 言 提出了一种倒推法。由供给函数曲线与某一时段市场需求曲线的交点得到市场均衡电价 与总的均衡发电出力，然后倒推确定每个发电商的均衡出力。 总之，上面的这类模型的求解方法相对比较简单，但是算法的收敛性不能得到保证。 因此，一些文献试图解决这一问题。文献【1 8 】基于线性猜测供给函数，形成各市场参与 者利润最大化的一阶导数的方程组进行求解。该方程组可以形成线性互补问题f l i n e 盯 c o m p l e m e n 扭qp r o b l e m ，l c p ) ，继而利用求解l c p 的软件包来求取模型的均衡解。文献 【1 6 】在研究考虑输电约束的电力市场均衡模型时，将求解过程中可能出现的非线性互补 问题转化为求解一组非线性的代数方程，并应用改进的n e 、 ，t o n 法进行了求解。 综上所述，对于分析非完全竞争市场而言，s f e 模型比传统模型在很多方面更有优 势。不过该类模型也存在一些需要改进的问题【州。 首先，是光滑供给曲线的假设，文献【2 3 】认为如果每个发电厂规模不是很大，那么 就可以用光滑的供给曲线近似地来表示阶梯形供给曲线，但一些专家认为这一假设并不 符合实际，离散的阶梯型供给函数更合适一些【3 5 1 。其次，均衡模型存在多个均衡解的问 题，除了非常简单的s f e 模型，很难证明解的存在性和唯一性。另外，在目前所见的供 给函数均衡模型中，对实际因素考虑也有待进一步改进，例如输电阻塞问题只在非常简 化的s f e 模型中才进行了考虑p “。尽管如此，理论研究方面得到了很多令人鼓舞的成 果，这些成果将会不断的提高s f e 模型的实用性。例 1 2 2 电力市场经济效率评估理论研究的综述分析 国内外很多专家学者对实时电力市场中各主体的市场行为市场结果的影响进行了 研究，例如文献【3 8 ，3 9 ，4 0 】。文献【1 5 】在假设各发电公司都是追求自身利润最大化的市 场主体的前提下，分析了纯粹电力库模式中的电价问题，给出了价格一成本边际系数 ( 州c e - c o s tm a 唱i ni n d e kp c m l ) 用以描述价格和成本之间偏离的关系，研究发现，该 系数与发电公司的数目，可用输电容量( a t ) 以及负荷预测的精度有关。文献 2 3 1 、 【4 l 似及【4 2 】应用供给函数均衡模型分析了英国电力市场的情况，该模型考虑了需求的变 化对发电公司竞价策略的影响问题。文献【4 3 】对s f e 模型进行了扩展，以适用多家发电 公司竞争的情形。另外，文献1 1 3 】、【4 4 】、【4 5 】以及【4 6 】也运用均衡模型对电力市场绩效问 题进行了研究，并取得了一系列成果。 上述模型都是通过计算市场的效率损失来评估市场经济效率的，或者是通过计算 6 华北电力大学博士学位论文 p c m i 来对市场力进行度量。但是，采用h e f f i n d h a l h i r h m 锄i n d 麟( 咖i ) 系数和p c m i 系数衡量市场力水平时，都假设市场是一成不变的，没有考虑市场成员的竞价策略对市 场效率的影响。 到目前为止，电力市场效率分析模型一般是基于规模相同的发电公司之间的竞争， 一般没有考虑发电公司个体之间的差异，更没有考虑电力公司以及用户同时参与集中电 力市场交易的情况，而这些因素对市场经济效率的影响都不能忽视，另外输电阻塞是影 响市场效率的一个重要因素。文献【4 7 】基于电力市场多边交易的概念，对市场的经济效 率进行了评估。a 1 a g 雠h 和s u 在这篇文章中提出了一种评估电力库模式电力市场效率 的方法，以社会福利最大化为目标函数，构造了一个混合整数非线性规划，并用改进拉 格朗日方法进行了求解。文献【4 8 】研究了网络外部性对市场运行效率的影响问题，构造 了一个简单的两节点系统对起理论进行了验证。文献【4 9 】通过收集大量数据，建立了发 电配电垂直一体化的p j m 电力市场模型，通过市场效率仿真，分析了这一市场结构对 发电商市场力、发电投资等方面的影响。例 1 2 3 输电阻塞对电力市场运行效率影响研究的综述分析 许多学者对发电商竞价策略问题，也给出了各种各样的理论方法，如概率统计法、 参数动态规划法、拉格朗日松弛法，遗传算法、启发式算法、随机过程法、模糊集理论 以及博弈论法等等，文献【5 1 1 对各类竞价理论做了比较全面的综述。但是，电力市场的 一些特性，如输电阻塞约束会对市场效率造成一定影响【5 聊驯。文献【5 5 】的研究考虑了输 电阻塞成本和区域边际价格的问题，认为在研究阻塞时，需要考虑热极限、电压限制和 稳定限制。 电力市场模型对屯网模型的考虑一开始是粗略的，一般只简单的考虑了潮流的平 衡，忽略了基尔霍夫电压定律，如文献【5 6 】和【5 7 】。这类文献侧重于分析发电商的市场 行为，只是连带考虑了输电网约束。后来，随着研究的深入，这类电力市场模型在输电 列阻塞管理研究领域越来越发挥重要作用。 杨洪明、赖明勇在文献【5 8 】中提出了考虑输电网约束的有限理性c o u m o t 动态博弈 模型，定性分析了两寡头c o u m o t 博弈的n a s h 均衡点及其稳定性，研究发现，对应不 同的输电网运行状态( 阻塞与不阻塞) 市场会出现不唰的n a s h 均衡点，甚至会出现没 有n 硒h 均衡点的情况。文献【1 3 】建立了考虑电网阻塞约束的c o u m o t 模型，分析了阻塞 7 第一章引言 对发电商纯策略均衡解的影响，研究表明考虑输电容量约束后，有可能存在不同的纯策 略均衡。文献【5 9 】在研究电力市场中的双边合同以及电力库交易的不完全竞争性问题时， 通过建立直流( d c ) 模型考虑了基尔霍夫第一、第二定律的约束，同时对电网的阻塞 定价机制进行了研究。在实际电力市场中，电网对各市场参与者的市场行为的影响是非 常大的，以至文献【6 0 】专门研究了输电容量对发电商行为的影响，并通过引入参考输电 网( r e 话n c et r s m i s s i o nn e 咖叱r 1 n ) 概念，从而为抑制发电商市场力所进行的输 电扩容提供标准。 但是，已有的研究几乎没有同时考虑输电阻塞与发电商的竞价策略对市场效率的影 响问题。文献 6 l 】采用穷举法来寻找市场的n a s h 均衡点，文献 6 2 】研究了被阻塞线路分 割开来的各区域内的发电商寡头竞争问题。文献【6 3 】采用基于最优潮流的敏感性分析来 研究各个发电商的供给函数均衡问题，并分析了输电阻塞对发电商竞价策略的影响，但 是，也没有联合考虑二者对电力市场效率的影响。 1 。2 4 电力市场标准化方案设计研究的综述分析 从上世纪9 0 年代起，世界上许多国家丌始了电力工业改革，由于各国的具体国情 不同，经济发展阶段不同，电力改革的重点以及市场结构也各不相同，甚至同一个市场 在不同的历史阶段，其市场结构也在不断调整。在这种背景下，美国联邦能源管制委员 会( f e r c ) 总结了美国当时几个典型电力市场的发展和运行经验，于2 0 0 2 年7 月发布 了标准电力市场设计( s t a n d a r dm a 咄e td e s i g i i ，s m d ) 法案【6 ”，旨在为美国各区域电 力市场提供相对标准化的市场规则，指导美国电力市场的建设。美国标准电力市场设计 ( s m d ) 的目的旨在提供可靠的、价格合理的电力和服务；稳定市场规则，激励投资者的 投资信心；促进资源的有效利用；为区域电力批发市场建立规则统一的平台。【卅 为了推动我国区域电力市场建设，2 0 0 6 年4 月，国家电力监管委员会与国家电网公 司根据国务院电力体制改革方案和十一五规划纲要，委托华北电力大学开展中国 电力市场标准化方案研究课题的研究工作，总结和借鉴国内外电力市场建设的经验， 充分发挥市场配置资源的基础性作用。 华北电力大学博士学位论文 1 3 论文的主要研究内容，工作特色及难点 1 3 1 电力市场运行的经济评价理论 首先，结合经济学理论，分析电力商品的特殊性所造成的电力市场的特点。同时， 对电力市场经济效率与市场均衡的概念进行研究，找出合适的效率评价指标。 其次，研究完全竞争市场下的市场出清情形，作为研究的参照基准。但是，实践发 现电力市场更像一个不完全竞争市场。因此，这里将基于博弈论，分析不完全竞争市场 下的n a s h 均衡问题，同时分析阻塞对市场均衡的影响。 最后，研究网络外部性问题对电力市场经济效率的影响。电力市场典型的网络外部 性问题就是输电服务受益方的确定问题，这个问题处理不好会降低电力市场效率，扭曲 输电系统的投资信号。为解决这一问题，本部分还将对输电环节的监管问题进行分析。 本部分的工作特色在于结合电力市场的特点，研究电力市场运行的经济评价问题。 1 3 2 基于均衡模型的电力市场模拟研究 首先，从电力市场中发电商的策略表示以及电网模型等几方面对目前几种比较通用 的电力市场模型进行总结。这些模型包括( 1 ) 完全竞争b d 模型( 2 ) c o u m o t 竞 争模型( 3 ) s t a c k c l b e 唱模型( 4 ) 普通猜测变量( c o n j e c t u r a lv 撕a t i o n s ，c v ) 模型( 5 ) 猜测供给函数( c o n j c c t i i 佗ds u p p i yf i i n c t i ，c s f ) 模型( 6 ) 供给函数均衡( s f e ) ，等等。 然后，对这些模型各自的特点及共性进行归纳总结，分析各类模型的优点和存在的问题。 分析发现，上述模型中有几种模型属于n a s h 均衡模型。 其次，研究并建立符合集中交易和双边合同模式的电力市场均衡的数学模型表达。 数学模型包括以下几个部分，( 1 ) 各发电商和用户的利润模型。( 2 ) 输电服务提供商( 电 网公司) 利润模型，以其提供的输电服务的价值最大为目标函数。( 3 ) 市场出清模型。 然后，针对并选用c o u m o t 均衡模型和供给函数均衡模型对双边市场和集中交易市 场进行模拟分析，研究不同的电力市场结构对市场成员策略行为的影响。这里，在 c o u m o t 电力库模型基础上，研究基于均衡模型的集中交易市场模型。在电力库模式下， 各发电商的机组所在节点向交易中心售点，发电商要猜测对手的投标策略以及交易巾心 如何修改发电商投标，以调整自己的出力，力求使自己的利润最大。 9 第章引言 最后，应用这两类模型对一算例电力市场和实际电力市场进行实证研究。并考虑存 在输电约束和不存在输电约束两种情形分别研究，研究结果可以为发电商、电网公司以 及市场监管机构在进行市场决策和市场设计时提供参考。 本部分的工作特色在于结合我国各区域电力市场普遍采用的集中交易电力市场模 式，力图建立能够体现各市场成员市场动机行为的市场模型，并进行实证分析。 1 3 3 基于市场模拟的电力市场经济效率评估研究 首先，假设各发电公司之间的关系为寡头垄断竞争关系，且不存在串谋合作，发电 公司用供给函数表示竞争策略，建立集中交易电力市场的评估模型。模型中还将假设用 户对电力的需求具有一定的弹性，可以在一定范围内通过需求调整以实现净收益( 收益 减去支付) 的最大化经济效率以社会福利和p c m i 表示。 其次，研究给出集中交易电力市场评估模型的评估流程。评估模型最后需要归结为 一个规划问题，并采用优化算法或智能算法进行求解，以得到系统的全局最优运行计划， 即各机组的发电出力、负荷、电价等情况。因此，相应的评估流程如下：( 1 ) 针对负荷 变化情况，各发电商和用户向调度交易中心售电或买电，这一过程需要利用第二部分的 研究成果，考虑发电商的策略行为。( 2 ) 交易中心根据市场规则进行市场出清，得到市 场的最优运行计划。( 3 ) 根据发电商和用户的中标价格和数量，计算运行计划下的电力 市场经济效率，分别求得相应的社会福利和p c m i 。 最后，应用上述评估流程，针对不同的电力市场情形( 发电商规模或水火电因素， 输电系统约束的影响等) 结合一个算例进行实证分析。 本部分的工作特色在于电力市场经济效率的评估方法和流程。该方法不同于传统的 经济效率评估方法，考虑了发电商竞价策略对市场效率影响。同时评估流程还考虑输电 系统约束对效率的影响。 难点在于建立能够同时考虑发电商和用户对市场反应的评估模型，以及最后问题的 求解，本部分将采用人工智能算法，如蚁群算法来解决这一问题。 1 3 4 输电阻塞对电力市场运行效率的影响研究 首先，建立考虑输电阻塞的发电商市场模型。结合第二部分的发电商建模，并基于 l o 华北电力大学博士学位论文 电力系统潮流模型，建立发电商利润最大为目标的发电商竟价策略模型。在该市场中， 还要考虑调度交易中心由于线路约束，可能会对造成阻塞的交易进行削减。 其次，研究阻塞条件下的市场出清问题，研究输电阻塞情形下的电力市场经济效率 评估理论市场先在无约束条件下进行市场出清，获得基准情形。再考虑阻塞情形，根 据第三部分的经济效率评估