（管理科学与工程专业论文）运用智能模拟的发电公司竞价策略研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 按照电力市场月度合约竞价和现货竞价的交易规则，本文在利用市场公有数据 的基础上，以发电公司为研究对象，运用人工智能领域的神经网络方法结合传统的 机会约束规划方法对发电竞价策略进行了研究，推求出发电公司的月度竞价模型； 运用智能算法中的二元进化算法，得出发电公司在现货市场中的竞价策略；开发了 智能竟价决策系统，成功地实现了对发电公司在上述两个市场类型中竞价策略的模 拟。 关键词：发电公司，竟价策略，智能模拟 a b s t r a c t b a s e do nt h em o n t h l ya g r e e m e n ta n dt h er e a lt i m eo p e r a t i o nr u l e so fp o w e r m a r k e t t h i st h e s i sd e v e l o p sam o n t h l ym a r k e tb i d d i n gs t r a t e g ya n dar e a lt i m e m a r k e tb i d d i n gs t r a t e g yr e s p e c t i v e l yf r o map o w e rs u p p l i e r sv i e w p u b l i cm a r k e t d a t ai su s e dt os u p p o r ta l g o r i t h m so ft h o s et w op r e v i o u ss t r a t e g i e s t h et h e s i s i s s u e sa na n na n dc h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n gc o m b i n e da p p r o a c hi nt h e m o n t h l yb i d d i n gs t r a t e g ya n dat w o - p o p u l a t i o ne v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mm e t h o di n t h er e a lt i m eb i d d i n gs t r a t e g y b e s i d e st h es t r a t e g i e s ，ab i d d i n gd e c i s i o ns y s t e mi s d e v e l o p e di nt h et h e s i s a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es t u d y r e s u l t sc o n f o r m st h e s y s t e mi sa b l et os i m u l a t et h es t r a t e g i e ss u c c e s s f u l l y p e n gy a n t a o ( p r o j e c tm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gw e n j i e k e yw o r d s ：p o w e rs u p p l i e r ，b i d d i n gs t r a t e g y ，a g e n tb a s e ds i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 按照电力市场月度合约竞价和现货竞价的交易规则，本文在利用市场公有数据 的基础上，以发电公司为研究对象，运用人工智能领域的神经网络方法结合传统的 机会约束规划方法对发电竞价策略进行了研究，推求出发电公司的月度竞价模型； 运用智能算法中的二元进化算法，得出发电公司在现货市场中的竞价策略；开发了 智能竟价决策系统，成功地实现了对发电公司在上述两个市场类型中竞价策略的模 拟。 关键词：发电公司，竟价策略，智能模拟 a b s t r a c t b a s e do nt h em o n t h l ya g r e e m e n ta n dt h er e a lt i m eo p e r a t i o nr u l e so fp o w e r m a r k e t t h i st h e s i sd e v e l o p sam o n t h l ym a r k e tb i d d i n gs t r a t e g ya n dar e a lt i m e m a r k e tb i d d i n gs t r a t e g yr e s p e c t i v e l yf r o map o w e rs u p p l i e r sv i e w p u b l i cm a r k e t d a t ai su s e dt os u p p o r ta l g o r i t h m so ft h o s et w op r e v i o u ss t r a t e g i e s t h et h e s i s i s s u e sa na n na n dc h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n gc o m b i n e da p p r o a c hi nt h e m o n t h l yb i d d i n gs t r a t e g ya n dat w o - p o p u l a t i o ne v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mm e t h o di n t h er e a lt i m eb i d d i n gs t r a t e g y b e s i d e st h es t r a t e g i e s ，ab i d d i n gd e c i s i o ns y s t e mi s d e v e l o p e di nt h et h e s i s a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es t u d y r e s u l t sc o n f o r m st h e s y s t e mi sa b l et os i m u l a t et h es t r a t e g i e ss u c c e s s f u l l y p e n gy a n t a o ( p r o j e c tm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gw e n j i e k e yw o r d s ：p o w e rs u p p l i e r ，b i d d i n gs t r a t e g y ，a g e n tb a s e ds i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文运用智能模拟的发电公司竞价策略研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彰整蛰 日期：丝l ! 壁p l 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) 作者签名：i 堕鱼 日期：丝i 至查日! 田 翩签名挺 日期：! ：! ：坐 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文背景及内容 第一章引言 世界各国电力工业发展总体情况表明，实行发、输、配、售分开，推行竞争机 制，电力供应走市场化的道路是必然趋势。我国电力体制改革方案的总体目标是： 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。打破电力行业的垄断地位，引入市场经济自由竞争的法则， 建立规范运作的电力市场，是当前电力行业面临的重要课题。 电力市场就是进行电力及相关服务交易的买方群体和卖方群体，采用法律、经济等 手段，本着公平竞争、自愿互利原则，构建电力系统中发电、输电、供电、用户等各成 员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。电力市场化运作是一种管理机制，这种 机制与传统的行政机制不同，它主要以经济手段进行管理，包括贸易场所、计量系统、 计算机系统、通信系统等。 电力市场作为特殊的市场，由于电能的不可储存性，还要求其必须具有计划性和协 作性。电力系统是相互紧密联系的，任一成员的操作，均对电力系统产生影响，要求电 力市场的电力生产、使用、交换具有计划性，供应者之间、供应者与用户之间具有协调 性。另外，电力市场具有开放性和竞争性，它是以供需为基础，价格为导向的开放系统， 具有竞争性。 电力市场是供需动态平衡的市场，供需平衡的关键在于存在均衡的价格，价格是 电力市场的核心内容和主要调控手段。电力市场中的用户同样拥有普通市场消费者的权 利，即具有可选择性和相对自主性的权利。 1 1 1 国外电力改革简述 电力市场化改革始于1 9 7 8 年智利政府打破垄断、形成竞争的政策，随后世界范 围内很多国家都陆续开始了自己的电力市场化改革，包括英、美、北欧和南美诸国的 许多国家和地区。8 0 年代后期开始，在这些发达国家和发展中国家不同程度地着手 进行的电力体制改革中，影响较大的有英国、美国、澳大利亚、新西兰、挪威、阿 根廷、巴西等国。改革的主要内容包括：政企分开，引入竞争机制；建立电力商品 化市场，将发电、输电、配电环节相分离；建立能使用户通过市场购买电力或通过 市场直接与电力生产企业进行交易的机制，减少中间环节，努力降低成本，提高生 华北电力大学硕士学位论文 产效率和服务质量。虽然各国的管理体制模式、市场框架和运行机制不尽相同，但 这些国家的电力体制改革都取得了明显的经济效益和社会效果，企业经营不景气的 局面也得以改善。其中，英国电力市场经历了从电力库竞争形式( p o w e rp 0 0 1 ) 到新电 力交易规则( n e t a ) 的模式。电力库市场模式实际上是一个“卖方市场”，系统边际价 格主要取决于发电商的报价，电力需求方很少参与市场报价，最终，英国电力库的竞 价出现如下的不合理现象：有的发电公司( n a t i o n a lp o w e r 和p o w e rg e n 发电公司) 总是报高价，同时总有发电公司报零电价( 燃气机组的发电商) 。由于以上现象的存在 使供电价格依然非常高，在部分年份，供电价格甚至高于市场化前的供电价格。这样 的结果当然是英国政府所不愿意看到的。为此，英国采取双边合同模式( n e t a ) 。与 电力库模式相比，具有以下变化： ( 1 ) 市场需求者加入市场定价，双边合同成为市场的主要部分； ( 2 ) 平衡市场用于调整额外的供求发电变化； ( 3 ) 在平衡市场供给中，竞标价不等于边际价。 这种模式推行后，发电商的报价大幅度下降，大用户得到了较大收益，电价下降 了3 0 。可以看到，市场开放初期能带来大量资金，但随着竞争的展开，会对资金的 流入起阻碍作用；电力市场能够反映短期的市场信号，刺激电力系统短期快速发展， 但不能反映长远的市场变化，不利于电力系统的长期发展；竞争的确能够提高电力系 统效率，但不能反映到用户负担上，长期电价变化不大，成本还没有稳定，竞争电价还 没有反映分类成本，对系统效率提高有限，相反还限制了竞争，与改革之初的目标相 距甚远。 美国典型的电力市场化模式如以佛州电力联合集团( p c g ) 为代表的地区间功率 互供模式( 经纪人模式) ，澳大利亚的批发加零售的金融合约模式等，都是发展较成熟 的些改革体制综观各国的电力市场化进程，可以清楚地看到电力工业从垄断走向 竞争是必由之路市场主体尤其是发电公司，将不得不提高效率，降低成本和报价，以 期赢得自己的市场份额 随着电力市场化的更深入发展，发电公司将面临越来越大的竞争压力。如何在失 去市场垄断地位的情况下获得竞争优势，从而带来更大的利益，这是发电公司要解决 的最重要的问题。 1 1 2 我国电力市场现状 我国电力市场化改革正在逐步推进。6 省市“厂网分开、竞价上网”试点至今 已有7 年了，2 0 0 4 年1 月，东北电力市场作为国内首家区域电力市场正式模拟运行， 同年5 月，华东区域电力市场模拟运行，根据电监会关于区域电力市场建设的指 华北电力大学硕士学位论文 导意见的规划，未来还将建设运行南方、华中、华北、西北几个区域电力市场。 电力企业改革方面，原国家电力公司2 0 0 2 年被拆分为5 大发电公司、2 大电网公司 和4 个辅业集团公司。2 0 0 4 年1 2 月，国家发改委发布关于建立煤电价格联动机 制的意见的通知，实施煤电价格联动已经成为必然。从近两年的电力供需形势来看， 各种因素造成全国电力供应普遍紧张。正因为如此，全国掀起了新轮电力建设的 浪潮，电站建设蜂拥而上。以2 0 0 4 年为例，年内批准新建电厂的总装机容量为6 0 0 0 万千瓦，但实际开工的发电厂却达到1 8 亿千瓦。由此可以预见，电力供需失衡波 动规律在未来较长时期内还将存在，接下来仍然会有多年的电力供过于求的局面。 先前由于我国长期电力短缺，为调动社会办电的积极性，政府采用的是“一机 一价”的还本付息电力定价政策，即根据各电厂各机组的投资成本，考虑一定的利 润率，分别确定每台机组的上网电价。这种电价机制使电力投资者的利润与成本脱 钩，容易造成投资者控制成本措施不力，新老电价混乱，新电厂成本过高，企业参 与市场竞争意愿不足的弊端。同时由于政府控制销售电价，新电厂成本上升过快， 挤占了老电厂的电价空间，不利于公平竞争，也使电价节节上升。实施电力市场化 改革后，作为竞价上网试点，电监会在2 0 0 4 年5 月底批准东北区域电力市场模拟启动 两部制上网电价、全电量竞争模式。两部制电价分为容量电价和电量电价，是按照 电厂的可发电容量( k w ) 及上网的发电量( k w h ) 分别计付电费的电价模式。竞价机 组的容量电价由政府价格主管部门制定和调整，电量电价由市场竞争形成。新电价 机制的推行，鼓励发电企业参与市场竞争，有利于发电企业形成良性循环，促进整 个电力市场的发展。容量电价采用地区平均造价，由于历史原因，现有电厂的造价 差距很大，从1 0 0 0 元k w 到6 0 0 0 元k w 不等。对造价低的老电厂而言，在竞争中拥 有相当优势，而对建造成本高的新建电厂，则在竞争中将处于不利地位。电量电价 采用竞价上网，同一地区的发电企业将采取统一的电量电价结算，对低造价，低运 行成本的电厂来说，由于过去的上网电价往往偏低，而采用统一电量电价结算后， 其上网电价将有相当程度提高，利润会明显增加。目前，即使在分组竞价交易规则 下，同一分组内的各机组仍然是造价和发电成本各异的。 综合起来看，我国的电力市场现状可以归结为4 a ： ( 1 ) 已经实施厂网分开，资产重组。根据国家电力体制改革方案，全国电网资 产已重组为国家电网公司和南方电网公司，国家电力公司电厂资产重组为五个独立 的发电企业，这一步为电力市场培育了竞争主体。 ( 2 ) 电力市场尚属培育期，运行机制的制度和规则尚不完善。竟价上网试点时 间不长，还不能提供足够多的经验，支持出台全国电力市场的运营规则、建立普遍 有效、规范有序的电力市场。 ( 3 ) 独立的发电公司形不成整体规模。目前，在国家电力公司发电资产尚未剥 华北电力大学硕士学位论文 离重组前，各省市存在集资办电的独立统调发电公司，在这些独立发电公司中，除 华能集团投资的发电公司具备整体规模和自成体系外，其它发电公司普遍较零散。 由于产权的多元化，发电公司各自独立，形不成强大的整体竞争能力，因此在与其 他有整体性的发电公司的竞争中往往处于劣势，在目前的电力市场中，只能起到补 充的作用。 ( 4 ) 电价不统一。现阶段发电厂的上网电价根据发电厂的千瓦造价、还贷期限、 还本付息、运行费用等情况，报国家计委批准，实行的是一厂一价。 从上述情况可以看出，走向市场的电力行业，只有实施科学的成本和报价策略， 才能取得实际的经营效果。国内外电力市场运行实际情况表明，对于发电公司来说， 根据自身和市场情况进行策略性报价，能够提升自己的收益水平。 1 2 发电竞价的传统研究方法 现有的发电竟价决策支持研究方法非常多，总的来看，可以将这些方法分为基 于博弈论的方法和基于预测和成本的报价策略几大类。其中，尤以基于博弈论的方 法和基于预测市场交易电价( m c p ) 的方法运用得最为普遍。通过大量的研究分析和实 际运用检验表明，这些方法各有其长处和不足。 1 2 1 基于博弈论的方法 运用这类方法进行竞价决策的研究代表了一类普遍的完全信息下的最优策略求 解，按照市场环境中竞争程度的不同，可以把它们大体分成两类：首先是一类基于 矩阵博弈的模型。这类模型将备选的策略表示为离散量，当投标策略为几个离散点 时，构造各个发电公司不同策略组合的收益矩阵，进而找到一个代表最优投标策略 的平衡组合。从理论上来讲，这样的解是科学的，合乎数理和逻辑的要求。但实际 的投标策略是一个由非常多离散量组成的集合，要找到这样的平衡点，需要对大量 的组合情况进行计算。在现货市场中，每一个竞价日分为4 8 个时段，每一个时段中， 发电公司拥有的机组可以有若干出力组合( 对应若干投标电价) ，而更为复杂的是， 一个区域电力市场中，同时有数百台作为竞争对手的其他机组参与竞价，它们的策 略行为难以准确估计。而运用这种方法有一个基本的前提，那就是假定竞争者可供 选择的策略为公共信息，因此，方法的运用基础缺乏一定的现实性，这一缺点直接 造成在非完全信息条件下得到的均衡解与实际最优解相比差别较大的问题，即理论 上的最优策略往往不能在实际决策中找到。另一类是基于寡头博弈的模型( c o u r n o t ， s t a c k e l b e r g ，s u p p l yf u n c t i o n ) 。这类模型研究在寡头垄断市场中，市场占有各方 4 华北电力大学硕士学位论文 根据自身成本和规模状况，通过- - 4 十有限竞争的方式达成默契，以固定的产量分割 市场，获取各自的份额，同时形成最有利于寡头们的市场价格。求解这类方法的模 型得到的平衡点原理上对应于最优投标策略，但它们过于简化市场成员的行为，分 析对手竞价策略对市场的影响比较粗略。因此可以看出，基于寡头博弈的研究方法 更适宜于分析潜在的市场力。另外，模型还建立在所有竞争者成本信息公开的基础 上，但实际的电力市场中，发电公司的成本和竞价数据属于商业秘密，是不能公开 的。所以，与第一种博弈研究方法类似，这个与实际不符的基本假设使得模型缺乏 一定的实用性。 综上可知，博弈论方法对于从理论上探讨市场成员的最优投标策略以及比较粗 略地研究发电公司投标行为是很有用的，但由于方法的固有缺陷使得其实用性不强， 因此不适合用来研究系统的投标策略。 i 2 2 基于预测的方法 1 2 2 1 时间序列法 很多短期交易电价预测都采用数据挖掘的时间序列方法，常用的时间序列分析 模型有以下几种：自回归( a r ) 模型、动平均( m a ) 模型、a r m r 模型、累积式自回 归一动平均( a r i m a ) 模型。这些模型共同的特点是先搜索相似的时间序列段，然后 进行数据预处理，再经过降维、特征提取等步骤，最后加权求得预测值。这类方法 在对历史数据进行回归处理，找出其中潜在的规律方面很有价值，但电价受诸多随 机因素影响，除规律性外还有较大扰动，表现为一种非平稳的随机过程。因此，单 纯从一般的时间序列分析角度去预测电价曲线，就会忽略问题的一些本质特点，尤其 是在负荷需求高峰时段，预测误差非常大。遇到阻塞和人为投机等特殊情况，电价 变动更复杂化，要准确预测就更加困难了。 1 2 ，2 2 神经网络法 人工神经网络适用于处理实际中因不确定性、不精确性等引起的系统难以控制 的问题，映射复杂的输入一输出关系。基于这个特点，很多研究采用神经网络预测技 术进行电价预测。文献【1 2 】考虑历史负荷和历史交易电价对未来时段电价的影响， 对一日前电力市场交易电价进行预测。分别采用b p 神经网络和遗传算法优化b p 网 络的方法，建立了一日前电力市场交易电价预测模型，并采用实际数据分别进行了 训练和预测，结果最好预测效果的日平均误差达到0 3 2 3 。文献【1 3 】以模糊神经 网络为预测模型，训练和预测系统边际电价，得到与实际电价变化曲线较吻合的预 华北电力大学硕士学位论文 测曲线，泛化误差也很小，最大相对误差达到0 0 7 0 4 。对比研究表明，运用改进的 神经网络，能比传统的时间序列等方法更准确的预测短期交易电价。虽然如此，神 经网络预测电价的方法却仍然面临很多困难，其一是神经网络只针对历史数据进行 训练，对影响电价的随机因素考虑不到，实验表明，在电价波动较大的时段，预测 误差明显变大；其二，训练参数中特殊值的处理对精度影响较大，网络越复杂，参 数越难调整，网络输出结果越不易达到预期的误差范围内。另外，改进的神经网络 由于受改进算法独有特征限制，也会影响运算精度。从神经网络预测电价的实际来 看，进一步改进的方向是重视交易电价成因分析，从电力系统的角度，研究决定电 价变化规律的物理机理。在具体的方法运用上，应当认真分析各类神经网络的优点 和不足，从单一预测模型走向综合预测( 组合预测) ，实现策略性的升华。 综上所述，交易电价预测作为一种辅助发电报价决策的手段，能够在比较简单 的市场交易环境下发挥一定作用。但如果市场规模较大，市场成员较多，并且供给 和需求状况变化复杂时，这类方法由于不能表现出良好的适应性，不能在电价波动 较大的情况下保证预测精确度，因此它们的运用也受到一定的限制，需要进一步的 改进。 1 3 研究动态 随着国外电力市场的多年发展，有关竟价策略方面的研究层出不穷。其中，除 了上述传统的研究方法外，不少学者将新的科技和方法等引入研究，取得了一定成 果。伦敦大学商学院的d e r e kw b u n n 等人运用a g e n t 模拟，研究欧洲电力市场的 改革，发表了系列专题论文，典型的如对英格兰和威尔士电力市场的新电力交易 规则( n e t a ) 的评价【1 4 】，文中假设发电商在以智能学习方法为指导、采用合理参 数的情况下进行报价，最后分析这种活动带给市场的影响。他们的结论是，智能算 法方法能够深刻研究复杂电力市场中的定价问题，以及各方的策略行为问题。 日本名古屋( n a g o y a ) 大学的g a o f e n gx i o n g 等人对基于a b s 的发电商报价策略 进行研究，并尝试使用不同的智能a g e n t 学习方法，包括( ( i + i ) 一e s ) 【1 5 】学习法 和q 学习法( q - l e a r n i n g ) 【1 6 】。在仅考虑发电竞争的情况下，根据市场公布的信 息运用智能算法学习前一日数据，在模拟的短期市场交易中寻求最优报价，得到的 结论是在负荷变动环境中，发电商能够找到自己的报价优化策略，实现利润最大化。 而在按报价支付( p a b ) 交易规则的一日前市场中，q 学习法在寻求发电商长期收益最 大方面也具有适用性。另外，日本的tn a g a t a 等利用a b s 对机组的组合优化问题进 华北电力大学硕士学位论文 行了研究探讨【i 7 1 ，提出多智能代理系统的设计框架和工作原理，与动态规划方法 进行比较分析，并展望了a b s 运用于发电商收益优化研究的前景。 国内对智能模拟技术运用蓟电力市场方面的研究刚刚处于起步阶段。虽然有很 多竞价研究运用了智能算法，如文献【18 】运用r o t h e r e v 强化学习算法，对市场结 果进行自适应计算，在重复的拍卖市场中可以发现唯一的n a s h 均衡文献【1 9 】采用 遗传算法研究电网优化调度机组组合问题，找到一种适合大规模问题的求解的方法， 并可以有效地在整个解空间寻优，达到全局最优或准全局最优，且最优解不受初始值 影响。另外一些研究还涉及到反馈控制【2 0 1 和预测对手行为【2 1 】等思想，但都没 能从综合层次上体现智能模拟对发电竞价的系统性支持，使得这一技术在应用上受 到很大局限。文章【2 2 】对智能模拟技术在我国电力市场中的运用前景进行了展望， 从市场整体模拟和单个市场主体模拟层次，提出了一系列等待研究的新方向。 在以智能模拟技术为基础的发电公司竞价软件开发方面，也有了很多很好的成 果。其中具有代表性的例如美国电力研究院( e p r i ) 开发的电力工业智能模拟器 ( s e p i a ) ，这个软件可以用来分析因输电阻塞而造成的市场力问题，以及在发电燃料 成本函数可知的情况下，报价与电量分配的关系问题。另外，美国时代能源公司开 发出一套名为“能玫”的中文竞价支持软件，专门针对中国现行电力市场模式，不 仅具备适应东北和华东市场的年度和月度竞价的模型，还具各适应未来计划实施的 一日前和实时交易的模型。国内，西安交通大学开发了一种基于j a v a 的电力市场竞 价实验平台，运用直观的软件模拟简化市场交易，从而得出数据结果，提高了竞价 实验效率。另外，在文献【2 5 】，【2 6 1 中还有更多关于智能竞价软件的描述，提出了 一系列软件设计原则和技术措旆。这些研究成果在理论和实践方面各有其相当的合 理性和实际运用价值，在研究方法层次和应用层次上给本论文以很大的启发。 1 4 本文主要研究内容及思路 1 4 1 研究的基本问题 根据我国电力发展实际，机组按照审定的发电成本进行分组竞价。在特定的竞 价组别中，影响发电公司报价决策的因素来自三个方面：市场需求、对手行为和自 身状态。在发电公司智能模拟过程中，我们把前两种因素合并为外部环境状态集， 而把第三种因素归为内部状态集。在满足物理约束的前提下，发电公司能够采取的 所有报价行为组合称为报价决策集。本文研究在不同外部和内部环境下，发电智能 体如何在决策集中选取相应的决策以获得自身的最大利益。发电公司报价受电网总 华北电力大学硕士学位论文 电量需求及其分布情况的影响，当全网可用出力一定时，电量需求越大可能形成越 高的平均交易电价。另外由于输电容量限制，可能形成局部地区竞争不充分现象， 从而导致高电价。发电公司根据区域内机组可用出力分配情况，综合历史数据可以 进行合理报价，达到上网机会和交易电价的平衡，获得长期的最大期望收益。由于 发电竞争的寡头垄断性，发电公司必须考虑对手的报价行为，所以存在一个求解基 于估计的市场均衡问题。此时得到的优化报价决策只是一个初值，适合于暂时的预 测需求和假定的对手行为状况，需要根据第一次交易形成后公布的数据加以修正。 所以更迸一步的研究是当环境变化时，智能体如何作出准确判断，根据合理的学习 方法得出在新的更符合实际环境下的正确决策。在整个决策初值的确定和修正过程 中，我们假定发电公司对自身下属的所有机组的成本和技术状况的判断都是符台实 际的，即制订竞价策略时的估计与实际运行时产生的数据没有偏差。基于上述思路， 综合运用传统优化方法、概率理论、博弈论和智能学习算法，完成了对发电公司竞 价决策的模拟。通过对历史数据的检验，以是否达到长期利益最大为标准，可以对 这种模拟方法的优劣作出评价。 目前我国还没有运行一日前电力市场和实时平衡市场，但随着国外电力市场的 发展，很多学者已经对此进行了相关研究。文献【1 4 】中就研究了电力市场双边交 易( b i l a t e r a lt r a d i n g ) 和平衡机制( b a l a n c i n gm e c h a n i s m ) 两类市场间的联系。另 外，文献【2 7 在研究购电者和发电公司的行为时，也是以存在长期合同保留容量 ( r e s e r v e dc a p a c i t y ) 和实时市场( s p o tm a r k e t ) 交易电量为基础进行的。电力市场 在相当大的比例上需要通过中长期合同来完成交易，实时现货交易主要用于完成合 同之余的供求平衡调整。购电者对发电商在不同电力市场中的报价函数建立最小购 电成本目标下的购电模型。发电商会根据自身的发电能力、机组可利用小时数，决 定其在各级电力市场中上网电量、上网电价的申报，于是交易中心需要建立多级购 电优化模型，中长期电力市场购电模型的优化解即对各个发电商的最优发电电量影 响着一日前电力市场购电模型的建立，一日前电力市场购电模型的优化解影响着实 时电力市场购电模型的建立，各级电力市场的交易模型从上到下是存在影响的。本 论文通过对各级电力市场交易进行定量描述，建立基于购电优化模型上的发电报价 决策模型，并运用自学习的方法，对变化了的购电情况作出及时回应。 i 4 2 研究的内容 本论文研究在单一购电者的区域电力市场中，参与竞价上网发电公司如何运用 现实交易中可以得到的市场数据来制定自己报价策略的问题。按照售电价格执行时 间长短分类，将电力市场交易类型分为中长期含约市场和现货市场，中长期合约市 华北电力大学硕士学位论文 场以月度竞价为研究对象，而现货市场以一日前竞价为研究对象。在这两种市场中， 发电公司根据自身长期利益最大化原则，决定在两个不同市场内各用多少电量参与 投标，以及相应电量的竞价价格。在月度竞价电力市场中，发电公司可以利用的市 场公用数据有总需求预测值、各分区域负荷预测值( 考虑阻塞因素) 和成交电价。 在获取了这些数据的基础上，运用b p 年1 3 r b f 两种不同的神经网络对交易电价进行预 测，根据所得结果再进行条件约束规划处理，根据不同的竞价成功概率要求做出报 价，既满足使竟价电量获得相当高的交易价格的条件，又能够按照预期的中标率中 标，实现一定的风险回避。在电力现货市场中，运用智能算法中的所谓二元进化算 法，从某一特定的交易日开始，将当天的负荷需求和报价作为初值，进行类似于生 物进化优化过程的模拟运算，让发电公司根据中标成功率和交易电价的情况综合考 虑下一目的投标策略，探讨发电公司在具有不同风险偏好情况下的长期收益值。在 研究竟价决策的基础上，开发计算机软件竞价决策支持系统，模拟真实交易状况下 发电公司的竞价行为，实现决策优化和简化。 1 4 3 研究的主要方法和成果 在本论文中，基于a g e n t 的模拟是赋予智能代理发电公司的智能功能，在满足购电 主模型要求的情况下，通过对环境进行学习反应，不断优化自身行为，实现获取长期最 大利益的目标。 本文在研究电力中长期合约市场和现货市场中，按照各自的交易规则，以发电 公司月度竞价和现货市场竞价为研究对象，在实际交易中发电公司可以利用的市场 公用数据的基础上，运用人工智能领域的神经网络方法结合传统的机会约束规划进 行处理，得出中长期合约市场报价策略；运用智能算法中的所谓二元进化算法，进 行类似于生物进化优化过程的模拟运算，得出发电公司在现货市场中的投标策略。 具体成果如下： ( 1 ) 按照电力中长期合约市场在时间上的层次性，分别建立的年度和月度的购 电方模型，是为市场的主模型，发电公司的竞价模型属于从模型，根据购电主模型 的结果来确定。这些模型将年度和月度电力市场联系起来，量化了复杂的交易规则， 也是发电公司月度竞价的模型基础。 ( 2 ) 根据竞价策略对数据处理的需要，将发电公司所能得到的市场交易数据分 为市场外部环境数据集合和自身的内部数据集合，前者包括市场需求负荷状况和交 易电价，后者包括发电公司自身成本情况。将对于对手的研究简化为对市场内各个 分区域的负荷一交易电价关系的研究。 ( 3 ) 运用属于市场共有信息的历史负荷一交易电价数据训练反向传播神经网络 9 华北电力大学硕士学位论文 ( b p 网络) ，然后将每个月的负荷预测值输入训练好的网络，输出预测的交易电价， 采取多次预测求均值的方法和机会约束规划方法，结合自身成本情况，形成发电公 司的中长期竞价策略。 ( 4 ) 运用智能算法中二元进化算法，进行类似于生物进化优化过程的模拟运算， 修正每一天的投标报价，确保竞价电量在获得较高交易价格的同时，还能有一定的 成功上网概率，从而获得较大的长期收益，从而得出发电公司在现货市场中的投标 策略。 ( 5 ) 。计算机软件开发方面，基于开放式设计原则，建立购电a g e n t 和发电a g e n t 两种智能体。两种智能体分别内置各自的优化算法，相互之间通过公共数据接口相 连，在执行一次学习循环的过程中，与外部a g e n t 不进行直接交流。在任何时候， a g e n t 都向公共数据接口开放自己的全部状态信息。a g e n t 的每次适应性活动都由内 置算法计算，并将更新后的状态存入状态集。用于电力市场竞价交易的多a g e n t 开 发平台满足如下条件：首先，系统结构能够灵活改变，允许添加或删除代理。其次， a g e n t 应该具有移动性，自由撤除和加入而属性不变。再次，提供可靠的信息传递 和安全保障，满足市场通信的要求。软件平台在j 2 s e 环境下开发，利用m a t l a b 强 大方便的数值计算功能，进行a g e n t 的内置模型计算。 2 1 市场简述 第二章中长期电力市场交易规则 市场的目标是优化社会资源配置，实现社会效益的最大化。由于电力需求及电力 系统市场化的特殊性，电力市场需要建立中长期电力合约市场，以利于吸引资金，将 管制与市场相结合，更有效地强化电力系统内的竞争。建立中长期电力合约市场，签 订并执行合理的电力合约，有利于正确引导电力市场的参与者，进一步保障电力系统 可靠稳定的供电。 中长期合约交易是现货交易的一种形式，根据预先签订的合约商定付款方式买 卖电量，在一定时期内进行实物交割的交易。中长期合约是指远期实物交货合同，它可 以通过竞价产生，也可以双边签订。电力市场中长期合约交易是利用市场成员申报的 机组基本数据、机组报价数据、机组检修计划、典型日负荷预测数据、电网输送容 量、安全约束等信息，按照“公平、公正、公开”的原则，遵循市场均衡理论，制定竞 价规则、运营规则、结算规则等市场规则，进而构成优化目标。按照这个目标制定 电力市场中长期合约交易计划，以及为参与交易的每个机组分配年度和月度合约电 华北电力大学硕士学位论文 量。在发电侧竞争的单一购买者的电力市场中，中长期合约交易市场采用年度竞价方 式及月度竞价方式。从国际经验数据来看，这两种交易电量一般占电力市场初期整 个电力交易的7 0 8 0 ，是保证电价稳定的重要手段【2 8 】。本文研究的内容是在月 度竞价中，发电公司采取什么样的竞价策略的问题。 2 2 市场交易规则 竞价研究的前提之一是，市场交易模式中所有机组都在同一基础上进行平等竞 争，即基于完善成熟电力市场的情况。当前，全世界电力工业正在引入竞争机制， 电力工业走向市场是国家基础产业改革的方向。数年的实际运行表明：在电力系统 中引入市场机制后，由于电力这种商品的特殊性，在电力市场的运营过程中往往会 出现一些问题。特别是在电力市场的运营过程中，单纯的现货交易会给电力市场的 安全平稳运营带来潜在的威胁，可能出现部分市场成员的市场控制力过大、电价剧 烈波动等问题，加州电力市场的失败证明了这一点。相反，远期合约的存在使得发 电商大部分的电量和电价被提前1 个月甚至1 年确定，这样，发电商可能会失去未来 价格上涨时获得利益的机会，但同时也避免了价格下跌时遭受损失的风险。可见， 中长期合约的存在可以保证长期稳定的电力供应，并同时降低发电商和电网的运营 风险，是完善的电力市场必不可少的组成部分。 在建立完全竞争的电力市场条件还不成熟的情况下，合适的市场运营模式为： 合约交易保证交易中心以尽可能低的价格购买所需的合约电量，由电力交易中心作 为单一买主与各电厂交易，签订中长期( 年或者月) 的购电合约，再由交易中心将 各电厂竞争得到的合约电量分配到各日甚至各时段。目前我国尚处在电力市场初期， 参与电力市场的各电厂的机组类型、还贷情况、发电成本存在很大差异，需要在分组 竞价的基础上建立合约交易，以适应不同种类发电公司的技术经济实际，既充分引 进竞争，达到市场化改革的预期目的，同时又能合理保护市场竞争主体利益，从而 促进电力市场健康、有序地发展。 基于上述情况，本文的研究背景为分组竟价的电力中长期合约市场，这种竞价方 式较为符合当前我国电力商业化改革的实际，可以较好地保证交易的公平性和经济 性。 2 2 1 分组竞价 分组竟价是我国电力工业走向市场竞争的一种过渡方案。该模式考虑了各发电 公司由于历史原因造成的在市场上竞争能力的差异，从历史的角度，保证对各发电公 华北电力大学硕士学位论文 司之间竞争的公正和公平性。避免了采用由政府处理搁浅成本的计划经济手段。随 着电力市场改革的不断深入和历史遗留问题逐步得到解决，可以适时调整各组的竞 争电量，使得各组的结算电价趋于一致。最终将各组合并取消分组竞价，达到更大程度 上的公平竞争。 按照上述原则，分组竟价按照如下思路实施【2 9 】： a 在电力市场初期，根据参与电力市场的各电厂的机组类型、还贷情况、发电成 本的差异，在合约市场中，将发电机组分成若干个竞价上网组别。在各组内，依据一定 的价格机制组织竞价。 b 根据对各发电机组成本审核结果，由电力市场交易中心提出各发电机组应参与 的竞价组并报监管委员会审批。发电公司有权申请参与结算价格低的竞价组的竞争。 在同一时期，某发电机组只能在一个竞价组参与竞价。 c 以电量作为合约交易对象。各组竞价电量占总竞争电量的比例由交易中心根 据电网实际情况确定。确定的原则是：在保证新建机组有一定还贷电量、执行充分利 用水电的能源政策的前提下，各组竞价电量占总负荷电量的比例应与各组的结算电 价成反比。 d 各组竞价电量应小于本组发电厂的发电能力，制造一个买方市场，有利于竞争 的充分性。 e 为了保证引入电力市场竞争机制后综合上网电价不上涨，防止发电公司的报价 偏离其成本的过度投机，在各分组中设立最高限价。 f 当有还贷负担的机组累计利用小时数满足还贷期限规定的小时数，或者某些成 本高的机组设法降低成本之后，这些机组必须退出相应分组，进入到成本较低的下一 分组中。随着时机的逐步成熟，分组市场最终将合并成为个统一的市场。 2 2 2 月度竞价规则 根据分组竞价原则，结合目前我国典型区域电力市场实际情况，形成了月度竞 价规则，本章中设定的竟价规则以某区域电力市场实际规则【3 0 】为蓝本，在此基 础上研究发电商的竞价策略。按照这个竟价规则的规定，月度竞价市场由一个独立 的电力调度交易中心组织运作，所有下一月未安排计划检修的注册机组可以参加月 度竞价，区域所属的省( 市) 电力公司可以从月度竞价市场采购下一月度的电能，发 电公司可以在月度竞价市场出售下一月度的电能。实行峰电量、谷电量分别竞价， 发电公司对峰、谷两类电能分别提交发电报价，省( 市) 电力公司对峰、谷两类电能 分别提交购电报价。 2 2 2 1 发电报价 华北电力大学硕士学位论文 a 发电企业在规则规定的限价范围内，在每个月报价截止时间前，根据年度合 同安排后的情况向调度交易中心提交下个月的月度售电量报价。 b 发电企业月度报价曲线以机组为单位。 c 注册机组的报价必须符合以下要求： ( 1 ) 每台机组按照峰、谷时段分别申报段电价和段电量； ( 2 ) 段电量以m w h 为单位，段电价以人民币元m w h 为单位( 含增值税) ，段 电量和段电价不保留小数点： ( 3 ) 段电价必须单调增。 2 2 2 2 购电报价 a ，省( 市) 电力公司在规则规定的限价范围内，在每个月报价截止时间前，向调度 交易中心提交下个月的月度需求报价。 b 省( 市) 电力公司对于峰、谷分别提交报价曲线。 c 省( 市) 电力公司的报价必须符合以下要求： ( 1 ) 报价包括段电价和相应的段电量； ( 2 ) 最多可以报4 个段电价，4 个段电量； ( 3 ) 段电价必须单调减。 2 2 3 成交电量及价格 a 电力调度交易中心将按网损折算后的发电报价和购电报价统一排序，形成全 网累计的发电报价曲线和购电报价曲线，其中月度购电报价曲线按电价降序排列， 月度发电报价曲线按电价升序排列。 b 电力调度交易中心从购电报价曲线的最高价格与发电报价曲线的最低价格开 始，将购电报价高于发电报价的电量成交，直至不能再成交为止，市场清算价格等 于成交的最高发电报价。 c 受成交总量制约，当电量报价相同但不能全部成交时，按报此价格的电量比 例进行分配。 d 电力调度交易中心对发电公司申报的预售合约电量进行安全校核，对没有超 过稳定限额的预售合约电量进行确认；如超过稳定限额，则进行联络线约束调整， 形成修正后的该发电公司的月度中标电量。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 4 信息公布 电力调度交易中心应至少在报价截止时间前5 个工作曰发布月度竞价前的市场 信息，并在报价截止时间后3 个工作日内发布月度竞价后的市场信息。 a 月度竞价前 调度交易中心公布的本竟价月竞价前( 报价截止时间前) 的公共数据有：全网及 各省( 市) 电力需求预测量，全网及各省( 市) 日用电负荷预测曲线，已安排总合同发电 量，省( 市) 联络线可用传输容量，区外来电及分配情况，检修预计划安排。 公布的本竞价月竟价前的私有数据有：各机组已安排合同发电量，各机组已安 排出力曲线。 b 月度竞价后 调度交易中心公布的本竞价月竞价后( 成交完成时) 的公共数据有：峰、谷市场清 算价，月度竞价峰、谷市场总成交电量，月度竟价后省( 市) 联络线可用传输容量、 月度竞价市场出清过程中起作用的电网安全约束。