（控制理论与控制工程专业论文）寡头电力市场价格的随机预测研究.pdf

上海大学硕+ 学位论文 摘要 在电力市场环境下，精准的电价预测不仅有助于发电商推测短期市场行为的走势，从 而有利于形成高效的竞价策略；同时也有助于电力投资者进行中长期的投资决策。另外， 监管机构通过分析未来市场价格的信息，可以捕捉电价发生异常的时段，发现可能实施了 市场力的机组或发电商，进而改进监管规则，提高监管效率。因此电价预测已成为电力市 场相关领域的研究热点之一。本文主要进行了三个方面的研究工作，即发电机组报价给定 时考虑需求弹性的电力市场边际电价概率学估计方法研究，寡头竞争电力市场电价随机预 测研究，以及考虑合同交易的寡头电力市场价格随机预测研究。 首先，在发电机组报价给定时考虑需求弹性的电力市场边际电价概率学估计方法研究 方面，本文基于系统边际发电单元的概念，应用有关概率理论和随机生产模拟技术，提出 了一个计入需求价格弹性因素的边际电价概率学预测方法。该方法考虑了负荷需求和发电 机组强迫停运的随机不确定性，并严格处理了系统有效发电容量概率分布固有的离散特 性，而且能计入不同预测提前时间对发电机组随机强迫停运的影响。给出的算例证明了方 法的合理性和有效性，并且表明：当预测提前时间较短时，采用系统有效容量概率分布连 续近似表示的预测方法具有较大的预测误差，而且这种误差不敏感于需求价格弹性的变 化：需求弹性增加，不仅可以降低边际电价，而且可以减少边际电价的不确定性 其次，在寡头竞争电力市场电价随机预测研究方面，本文针对古诺竞争和线性供应函 数竞争电力市场价格的随机预测问题，在发电商利润函数中充分计入需求侧和供应侧的随 机不确定性，利用寡头竞争均衡理论，通过迭代求解的方法获得均衡解，从而求得期望市 场均衡价格。算例分析表明，在古诺竞争模式下，市场的期望电价要远高于完全竞争时的 电价，而供应函数竞争下的电价处于完全竞争价格与古诺竞争价格之间；市场参与者越多， 市场的期望电价也将得到抑制，因此拆分较大规模的发电公司将有利市场高效竞争。 最后，在考虑合同交易的寡头电力市场价格随机预测研究方面，采用寡头竞争均衡方 法，在古诺竞争和线性供应函数竞争模式下，进一步考虑合同交易对电力市场价格进行随 机预测。算例分析表明：引入合同交易能够缓解发电商的市场力滥用行为，降低市场的期 望电价，且合同交易量越大，市场期望电价越低。 v 上海大学硕士学位论文 关键词：电力市场、电价预测、c o u r n o t 模型、供应函数模型、合同交易 v i 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t ，a c c u r a t ee l e c t r i c i t yp r i c ef o r e c a s t i n gc a nn o to n l y h e l pg e n e r a t i n gf i r m st op r e d i c tt h et e n d e n c yo ft h es h o r t t e r mm a r k e tb e h a v i o u r sa n dt h u sc a n m a k ee f f e c t i v eb i d i n gs t r a t e g i e s ，b u ta l s oh e l pi n v e s t o r st om a k er i g h tm i d a n dl o n g t e r m i n v e s t m e n td e c i s i o n s i na d d i t i o n ，b ya n a l y z i n gt h ei n f o r m a t i o no ft h ef u t u r em a r k e tp r i c e ， r e g u l a t o r sc a ni d e n t i f yu n u s u a le l e c t r i c i t yp r i c ep e r i o d sa n df i n dg e n e r a t o r so rf i r m sw h om i g h t e x e r c i s et h e i rm a r k e tp o w e ra b u s e t h i sw i l lh e l pr e g u l a t o r st oi m p r o v er e g u l a t i o nr u l e sa n d i n c r e a s er e g u l a t i o ne f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，f o r e c a s t i n go fe l e c t r i c i t yp r i c e sh a sb e c o m eo n eo ft h e r e s e a r c hf o c u s e si ne l e c t r i c i t ym a r k e t t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si n c l u d e st h r e ep a r t s ， i e p r o b a b i l i s t i cf o r e c a s t i n go fm a r g i n a lp r i c ei ne l e c t r i c i t ym a r k e t sw i t l le l a s t i cd e m a n dt a k i n g a sg i v e nt h eb i d d i n gp r i c e so fg e n e r a t i n gu n i t s ，p r o b a b i l i s t i cf o r e c a s t i n go fp r i c e si no l i g o p o l i s t i c e l e c t r i c i t ym a r k e t s ，p r o b a b i l i s t i cf o r e c a s t i n go fp r i c e si no l i g o p o l i s t i ce l e c t r i c i t ym a r k e t s 淅t l l b i l a t e r a lc o n t r a c t st r a d i n g f i r s t p r o b a b i l i s t i cf o r e c a s t i n go fm a r g i n a lp r i c ei ne l e c t r i c i t ym a r k e t sw i t he l a s t i cd e m a n d i sa d d r e s s e dt a k i n ga sg i v e nt h eb i d d i n gp r i c e so fg e n e r a t i n gu n i t s ，u s i n gt h ep r o b a b i l i t yt h e o r y a n dp r o b a b i l i s t i cp r o d u c t i o ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，ap r o b a b i l i s t i cm e t h o df o re s t i m a t i n g m a r g i n a lp r i c ei ne l e c t r i c i t ym a r k e t sw i t he l a s t i cd e m a n di sd e v e l o p e db a s e do nt h ec o n c e p to f m a r g i n a lg e n e r a t i n gu n i t i nt h i sm e t h o d ，t h eu n c e r t a i n t i e sa s s o c i a t e dw i t hl o a dd e m a n da n d g e n e r a t i n gu n i t sf o r c e do u t a g ea r et a k e ni n t oa c c o u n t ；a n dt h ed i s c r e t e n e s si n h e r e n ti nt h e a v a i l a b l ec a p a c i t yp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o ni sp r e c i s e l yt a c k l e d i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to ft h e f o r e c a s t i n gl e a dt i m eo ng e n e r a t i n gu n i t sf o r c e do u t a g er a t e c a na l s ob ei n c o r p o r a t e d ，a n u m e r i c a le x a m p l ei sp r e s e n t e dt ov a l i d a t et h er e a s o n a b l e n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d m e t h o d i ti ss h o w nt h a tw h e ns h o r t - t e r mf o r e c a s t i n gi sc o n s i d e r e d ，t h ef o r e c a s t i n gm e t h o du s i n g c o n t i n u o u sa p p r o x i m a t i o no ft h ea v a i l a b l ec a p a c i t yp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nm a yg i v er i s et o c o n s i d e r a b l ee r r o r s ，a n dt h e s ee r r o r sa r ei n s e n s i t i v et ot h ed e m a n de l a s t i c i t y i ti sa l s os h o w nt h a t w i t hi n c r e a s i n gd e m a n de l a s t i c i t y , t h em a r g i n a lp r i c ea n di t su n c e r t a i n t yc a nb er e d u c e d s e c o n d ，p r o b a b i l i s t i cf o r e c a s t i n go fp r i c e si no l i g o p o l i s t i ce l e c t r i c i t ym a r k e t si sa d d r e s s e d t h ec o u r n o ta n dl i n e a rs u p p l yf u n c t i o n ( l s f ) c o m p e t i t i o nm o d e l sa r eu s e dt o d e p i c tt h e e l e c t r i c i t ym a r k e tc o m p e t i t i o n t h eg e n e r a t i n gf i r m s p r o f i t sa r ed e r i v e dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h e d e m a n da n ds u p p l ys i d eu n c e r t a i n t i e s a ni t e r a t i v em e t h o di se m p l o y e dt oo b t a i nt h ee x p e c t e d e q u i l i b r i u mo u t c o m e si n c l u d i n gt h ee x p e c t e de q u i l i b r i u mp r i c e sf o rt h ec o u m o ta n dl s f v i i 上海大学硕。l 学位论文 m o d e l s n u m e r i c a le x a m p l e ss h o wt h a tt h ee x p e c t e dm a r k e tp r i c e si nt h ec o u r n o tm o d e la re m u c hh i g h e rc o m p a r i n gt ot h ep e r f e c tc o m p e t i t i o nm o d e l 。t h ee x p e c t e dm a r k e tp r i c e si nl s f m o d e l ，h o w e v e r , a r eh i g h e rt h a nt h a to ft h ep e r f e c tc o m p e t i t i o nm o d e la n dl o w e rt h a nt h a to ft h e c o u r n o tm o d e l i ti sa l s os h o w nt h a t 谢t hi n c r e a s i n gg e n e r a t i n gf i r m s ，t h ee x p e c t e dm a r k e t p r i c e sc a nb er e d u c e d t h e r e f o r e ，d i v e s t i t u r eo fl a r g eg e n e r a t i n gf i n n si sh e l p f u lt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fm a r k e tc o m p e t i t i o n f u r t h e r , p r o b a b i l i s t i cf o r e c a s t i n go fp r i c e si no l i g o p o l i s t i ce l e c t r i c i t ym a r k e t si sa d d r e s s e d t a k i n g c o n s i d e r a t i o no fb i l a t e r a lc o n t r a c t t r a d i n g s i m i l a r l y , o l i g o p o l i s t i cc o m p e t i t i o n e q u i l i b r i u mt h e o r ya n di t e r a t i v em e t h o da r eu s e dt od e r i v et h ee x p e c t e dm a r k e tp r i c e s a n u m e r i c a le x a m p l es h o w st h a tw h e nc o n t r a c tt r a d i n gi si n t r o d u c e d ，g e n e r a t i n gf i r m s m a r k e t p o w e rc a nb em i t i g a t e da n dt h ee x p e c t e dm a r k e tp r i c ec a nb er e d u c e d t h el a r g e rt h ev o l u m eo f b i l a t e r a lc o n t r a c t s t h el o w e rt h ee x p e c t e dm a r k e tp r i c e - , v i i lb e k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，e l e c t r i c i t yp r i c ef o r e c a s t i n g ，c o u r n o tm o d e l ，s f em o d e l ， c o n t r a c tt r a d i n g v i l i 上海大学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 1 1 日期： 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 本论文研究的实际背景 1 1 1 国外电力工业的市场化改革 2 0 世纪8 0 年代以来，世界上许多国家开始改革电力工业运营体制【l 】，电力行业自然 垄断开始被打破，虽然各国做法各异，但目标是为了开放市场，打破垄断，鼓励竞争，最 终使消费者受益。 现代意义上的电力工业改革始于南美，早在1 9 7 8 年智利就开始了其电力工业解除管 $ 1 ( d e r e g u l a t i o n ) 的改革，1 9 8 2 年颁布了新的电力法。阿根廷是世界上进行电力改革比较成 功的国家之一，其电力市场的自由化程度以及科学的电力调度方式都达到了世界先进水 平。该国从1 9 9 1 年开始进行着手电力改革，1 9 9 2 年制定了电力改革的法律体系，规定 了发、输、配三方相互独立，建立统一的电力市场，鼓励公平自由竞争的机制。接着进行 体制改革，实施政企分开，进行公司化改组，并对电力企业进行私有化改造，将国有电力 资产向国内外市场招标出售。阿根廷电力体制改革使得全国发电成本下降，电价降低，服 务水平也明显提高。 英国是世界上较早进行电力体制改革的国家之一，其先进经验为世界上许多国家借鉴 【2 】。1 9 8 9 年，英国议会通过了苏格兰、威尔士、英格兰电力企业民营化计划，批准了新的 电力法。该国改革的突出特点是将电力系统的发、输、配、售电分离，分别采用不同 的方式进行管理，在电力行业的发电与销售侧引入竞争机制，而输配电环节被认为是天然 垄断，因此对发电和销售环节的限制逐渐将取消，对输配电的管制仍将继续保留。虽然英 国电力工业改革取得了巨大的成功，在开始的三年内几乎减少了半劳动力，大大改进了 电力生产效率，并有效地控制了电力投资成本【3 】，但也存在众多不足之处，已作了进一步 的改革和完善 4 , 5 1 。 在美国，该国国会于1 9 9 2 年9 月通过了一个国家能源政策条例( e p a ) ，使得中小规模 独立电厂( i p p ) 和非电力公司电厂q g ) 能与电力公司在发电领域进行公平的竞争，也预示 着电力工业结构性变革的真正开始。1 9 9 6 年，联邦能源管理委员会( f e r c ) x 颁布了条例 8 8 8 和8 8 9 ，其实质就是在全国范围内打破电力垄断，将用电选择权交给用户。具体内容 上海大学硕士学位论文 包括：强化竞争，让用户可以自由选择，可以跨州购电，而输电公司只能以同一价格收取 转运费( w h e e l i n gf e e ) 。而输电网开放经营( o p e na c c e s s ) 是美国电力工业改革中一项极富创新 精神的举措。美国的电力工业改革主要是在各州分别进行的，绝大多数州都采取了相应的 改革措施，其中以加州的力度最大。 1 9 9 6 年1 2 月，欧盟1 5 个成员国达成了建立内部统一电力市场的协议，颁布了9 6 9 2 e c 指令，对各国电力市场改革提出要求。从1 9 9 9 年2 月1 9 日起欧盟国家正式开放电力市场， 目前，芬兰、瑞典、德国和英国已经全部开放，丹麦、荷兰、意大利的开放程度也较高。 开放程度较低的法国、比利时、卢森堡、西班牙、葡萄牙、奥地利等国正在紧锣密鼓地着 手电力体制改革。2 0 世纪9 0 年代以来，澳大利亚、新西兰、俄罗斯等许多国家都在进行 类似改革。这些国家电力改革有的已经获得成功，有的尚在进行之中。 电力工业的市场化改革已是大势所趋，传统的电力行业天然垄断特性已经在某种程度 上得以打破，世界性的电力工业改革浪潮已席卷全世界。 1 1 2 我国电力工业改革现状 电力工业既是国民经济和社会发展的基础产业，又是公共事业。电气化程度是衡量一 个国家现代化水平的一个重要标志。我国改革开放以来，电力工业快速发展，但是与发达 国家相比，我国人均拥有发电装机容量和电力消费占能源消费的比重还很低；电力工业快 速发展中多年积累的结构性矛盾和体制性障碍开始显现；电力用户对降低价格、改善服务 的要求日益提高。经过近2 0 年的努力，我国已经在电力改革方面取得了很大进展，通过 引入竞争和监管机制，有利于提高整个电力行业的技术和经济效率，为建立竞争性电力市 场奠定了必要的基础。我国电力市场化改革可以分为三个阶段哺3 ： ( 1 ) 第一阶段：2 0 世纪8 0 年代开始 推行多家办电、多渠道筹资办电和利用外资办电的政策，发电领域投资主体多元化； 上网电价的形成制度以还本付息为主要特征，按个别建设成本核定。1 9 9 5 年中国出台第 一部电力法。 ( 2 ) 第二阶段：2 0 世纪9 0 年代后期 实行以政企分开为主要特征的电力体制改革，1 9 9 7 年组建国家电力公司，电力工业部 行使政府电力管理职能，国家电力公司依法经营国有电力资产。1 9 9 8 年撤销电力工业部， 政府管理职能移交国家综合经济管理部门，标志着电力工业基本上实现了政企分开。1 9 9 8 2 上海大学硕：十= 学位论文 年年末国家有关部门出台了“厂网分开，竞价上网 的改革试点方案，并确定山东、上海、 浙江以及东北的辽宁、吉林、黑龙江6 个电网为首批“厂网分开的试点单位，这标志着 我国电力市场已经正式起步。2 0 0 0 年1 月，山东、上海、浙江的发电侧电力市场正式投 入商业化运行，东北三省电力市场在2 0 0 0 年4 月正式投运。通过各试点单位的市场化运 作，为在发电侧引入市场机制，实行竞价上网积累了宝贵的经验。 ( 3 ) 第三阶段：2 0 0 2 年以来 2 0 0 2 年以国务院5 号文件行使颁发的电力体制改革方案出台。明确中国电力体制 改革目标是：打破垄断，引入竞争：健全电价体制，优化资源配置，促进电力发展，推进 全国联网，构建政府管制下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。 自2 0 0 2 年以来，我国电力市场化改革在下述方面取得了主要进展：发电重组，电网重 组，电价改革，市场建设，监管体系，投资体制，法规制度。国家电监会根据国务院5 号 文件确定了建立区域电力市场，我国的电力市场化改革进入了一个新的阶段 7 1 。但从国内 电力市场的实践来看，电力工业市场化改革如果处理不当，将带来严重的风险。例如2 0 0 0 年投入运营的浙江省发电市场，在2 0 0 0 年到2 0 0 2 年上半年运行平稳，从2 0 0 2 年夏开始， 市场出清电价经常上升到上限设定的水平，并且强烈波动，为了不影响社会的电力供应， 不得不经常中止市场。2 0 0 3 年开始，电力供求关系进一步恶化，出清电价几乎总是处于 上限水平，市场作为有效配置资源的手段已经不能发挥作用，因此只能停止市场的运营。 面临众多别国没有的难题，如发电企业重组、电价机制创新、市场监管等问题，有关专家 正在对这些问题进行积极的探索和研究。相信随着我国电力体制改革的深入，以及有关适 合我国国情的改革方案的提出和实施，我国电力市场化改革将不断深入和完善。 1 1 3 电力市场中的电价预测 由于电力商品的特殊性，如难以有效存储，较低的需求弹性，要求供需瞬时平衡，巨 大的投资要求以及输电网容量的限制等，使得电力市场更类似于寡头竞争的市场而非完全 竞争的市场，而且市场价格的波动性明显强于一般的商品市场。市场的核心是价格，电力 市场价格的准确预测，不仅有助于推测短期市场行为的走势，从而有利于发电商形成高效 的竞价策略；同时也有助于电力投资者进行中长期的投资决策。另外，监管机构通过分析 未来市场价格的信息，可以捕捉电价发生异常的时段，发现可能实施了市场力的机组或发 上海大学硕士学位论文 电商，进而改进监管规则，提高监管效率。因此电力市场的电价预测已成为电力市场中的 研究热点之一。 在电力市场环境下，电价不仅受预测提前时间、发电成本、负荷需求、机组停运等确 定性和随机物理因素的影响，而且受需求价格弹性、市场竞争模式以及合同交易等经济因 素的影响，因此，考虑市场各种影响因素的电价预测问题研究具有重要的实际意义，同时 也是一个颇具复杂性和挑战性的研究课题。 1 2 国内外相关领域的研究状况 电力市场的出现为电力工业界和经济学界开辟一个全新的理论研究领域，从2 0 世纪 8 0 年代开始，至今已经积累了大量的理论文献，本节不打算作全面系统的介绍。由于本 论文主要涉及寡头电力市场的电价预测研究，以下将就与本论文有关的电力市场定价理 论、寡头竞争模型以及合同交易等问题研究的国内外现状作一概述。 1 2 。1 电力市场的定价理论 科学合理的电力价格应能引导市场的供需平衡( 即市场出清) ，达到电能资源的最有 效利用。从2 0 世纪3 0 年代发展起来的边际成本定价原理，利用边际方法和静态均衡方法 确定市场价格。按这种理论定价，市场将以一种内部调节机制趋向均衡和出清状态，并使 得有限的社会资源分配最优。这种理论于2 0 世纪6 0 年代引入电力系统的定价，2 0 世纪 7 0 年代世界能源危机后，更在发展中国家的电力定价中得到广泛应用。 早期的电力系统边际成木定价大多基于系统的长期边际成本( 1 0 n g - r u nm a r g i n a lc o s t ) ， 长期边际成本由于考虑了电力系统最优扩建的容量成本，因而更适合于系统长期行为的分 时电价( t i m e o f - d a yp r i c e ) 预测，且较适用于市场化程度不高的电力系统定价【8 。 随着2 0 世纪9 0 年代以来电力工业的市场改革和竞争的加剧，电力交易日趋频繁，市 场参与方更关心的是短期交易行为的价格信号，即要求能根据按小时或更短时间段区分的 电价信号来决定电力买卖，这种即时即地的电价称为s p o t 电价或实时电价( r e a l t i m e p r i c e ) ，它随时间、地点和供电可靠性等级的不同而不同。 电力实时定价的思想由美国m i t 学者e c s c h w e p p e 等【lo 】在1 9 8 0 年首先提出，当时被 称为协态控制定价( h o m e o s t a t i cc o n t r o lp r i c i n g ) ，其主题是电力价格的时变特性，即电价依 4 上海大学硕上学位论文 赖于用电时间，通过电价变化来反映电力供应成本的时变性。后来f c s c h w e p p e 等人【l 卜1 5 l 对该理论做了很大的发展，形成了较为完整的基于短期边际成本( s h o r t - r u nm a r g i n a lc o s t ) 的实时定价理论 1 6 1 ，并部分应用于实践 1 7 , 1 8 。 边际成本定价从原理上来说要用到供需双方的完全的信息，包括用户的需求函数和发 电商的成本函数等。而在充满竞争的电力市场，这种完全信息一般很难精确获得，因此大 多数基于边际成本的定价模型中都引入了不同程度的简化假设，这影响了边际成本定价的 市场调节效率。因此，目前大多数国家均引入了基于需求侧和供电侧报价的竞价拍卖定价 机制，而且大多采用单一电价拍卖( u n i f o r mp r i c ea u c t i o n ) 的竞价机制。有关电力市场竞价 机制的理论研究日益深入，目前已经成为一个非常活跃的研究领域 1 9 - 3 0 】。 1 2 2 电力市场中的市场力 市场力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，在电力市场中， 如果发电公司通过策略性投标而非降低成本来成功增加利润，则称该发电公司具有市场 力。电力市场中的市场力可以分为三种：1 ) 垂直市场力，指拥有发电、输电和配电的电 力公司的垄断能力。2 ) 水平市场力，通常指发电公司或负荷所具有的市场力，市场占有 率大的发电公司通常具有强的市场力；3 ) 区域市场力，由于输电容量约束导致一些地区 的发电公司具有垄断市场的能力。由于由于负荷的价格弹性低、电能难以大量存储、电力 供需实时平衡和输电约束等问题，电力市场的市场力很严重，使得电价升高，从而把财富 从用户侧转移到发电侧，同时造成了社会福利的流失。国内外电力市场的实践和理论研究 表明 3 1 - 3 3 1 ，电力市场中普遍存在着市场力，并在已经运行的电力市场中出现了滥用市场力 的问题，市场力的存在导致了市场电价总体水平的提升，甚至出现电力危机，降低了市场 的效率和社会效益。因此，电力市场中市场力的研究己成为热点，研究主要集中在市场力 的来源、表现形式、分析方法以及抑制方法等问题上。 当前对电力市场中市场力的分析方法主要有p 4 1 ：1 ) 指数度量法，如h i l l 指数 ( h e r h i n d a h l - h i r a c h m a n - i n d e x ) 、来纳( l e m e r ) 指数以及价格一边际成本指数( p r i c em a r g i n a l c o s ti n d e x p m c i ) ；2 ) 仿真模拟的市场力分析方法【3 5 】，它可以通过对市场结构、报价规则、 竟价策略等各个影响市场力的因素进行建模，然后通过仿真模型模拟复杂的电力市场运 营，从而分析市场力及其影响因素；3 ) 基于寡头博弈均衡理论的市场力分析方法 3 6 1 ，这种 上海大学硕上学位论文 方法可以得到期望的市场均衡状态。 抑制市场力的主要方法有：1 ) 限制发电公司的市场份额；2 ) 消除市场准入壁垒，增加 市场竞争性；3 ) 设定价格上限；4 ) 鼓励远期合同交易；5 ) 加强输电网络的建设，等等。 1 2 3 电力市场寡头竞争模型概述 电力工业的特征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电力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b e r t r a n d 模型( 价格竞争模型) 、c o u r n o t 模型( 产量竞争模型) 、供应函数均衡 ( s u p p l yf u n c t i o ne q u i l i b r i u m ，s f e ) 模型( 产量一价格关系竞争模型) 、猜测供应函数 ( c o n j e c t u r e ds u p p l yf u n c t i o n ，c s f ) 模型等。其中c o u r n o t 模型和s f e 模型是本论文涉 及的两种模型。 c o u r n o t 模型中各发电商的决策变量是发电出力，其均衡价格是由需求曲线决定的， 因此均衡价格对需求曲线的表达式非常敏感，通常高于实际价格，并且c o u r n o t 模型无法 适用于电力需求无弹性情形。但是，c o u m o t 模型也有其优点，主要表现在以下两个方面： 1 ) 若忽略输电网约束，c o u r n o t 模型均衡解的存在性和唯一性等相关理论较为成熟，并且 其解析求解比s f e 更为简单。2 ) 若考虑输电网约束，虽然c o u m o t 模型的建模和求解难度 加大，但是现有的一些求解方法和软件包可用来求解一些大规模的c o u r n o t 均衡模型。 供应函数均衡( s f e ) 模型的决策变量是价格和产量之间的函数关系，因此它同时考虑到 价格和产量两个因素，从这一点来讲，s f e 更符合当前电力市场中广泛采用的b b p ( b i d b a s e d p 0 0 1 ) 模式；此外，由于s f e 模型中发电商的递增报价曲线使得即使在刚性需求 下，每个发电商面对的剩余需求也是有弹性的，所以s f e 模型同样适用于需求弹性为零的 情况。基于以上原因，一般认为s f e 模型要优于c o u m o t 模型。但一般意义上的s f e 均衡 模型要求求解一组微分方程，其解通常不是唯一的。因此，针对大多数实际应用场合是非 对称发电商的情况，一般采用发电商线性的供应函数( l s f e ) 竞争模型，该模型能得到较 接近于实际的市场均衡价格。 6 上海大学硕士学位论文 1 2 4 电力市场中的合同交易 电能不同于其它一般商品，不能大规模有效存储，要求供需双方瞬时平衡，由于供需 双方的突变不能通过储量来平衡，因而电力市场均衡价格具有剧烈的波动性。因此越来越 多的市场参与者认识到电力市场中风险管理的重要性。合同交易作为风险管理的有效方 法，在各国电力市场中，得到了广泛的采用【3 7 1 。 合同交易是指在确定的将来时间以某事先确定的价格、数量和方式购买或出售电力 商品的合同。合同内容包括合同电量、时间、合同电价、交易双方的权力和义务、拒绝供 电或拒绝接受供电时的惩罚等参数等。合同可以是一种固定的协议，要求合同交货时保证 供电或接受供电；也可以是一种可选择的协议，如允许独立发电商违约，中断给用户的供 电，或用户违约，拒绝独立发电商的供电等。电力合同交易在一定程度上实现了电能的“虚 拟 存储，为各市场参与者提供选择机会以满足价格和风险方面的特定要求。而且电力合 同交易减少了发电商可以操纵的现货电量，降低了其在现货市场中的份额，削弱了发电商 的市场力，这将有利于市场的公平和高效竞争。 1 2 5 电价预测方法 国内外的很多文献已对电力市场的电价预测问题进行了有益探索【3 引。电价预测根据 其预测时间长短可分为中长期电价预测和短期电价预测。中长期电价预测指月度电价预测 和年度电价预测等预测提前时间较长的电价预测，中长期电价预测能够为市场参与者的中 长期交易( 如双边合同价格的谈判、最优合同电量等) 提供决策依据，同时也为电力监管 部门提供市场监管的客观依据。由于中长期电价预测包含太多不确定因素，这方面的研究 还相对很少。短期电价预测则包括周电价预测、日前电价预测和小时前电价预测，其中日 前电价预测是电价预测方面的重点。短期电价预测可为市场参与者的短期竞价策略提供指 导，参与者可根据预测电价来制定相应的竞价参数和竟价策略。准确的短期电价预测能减 少参与者的竞价风险，为市场参与者带来稳定的收益。 现有的电价预测方法大致可分为两类，即基于历史数据的预测方法和市场模拟法。基 于历史数据预测电价的方法包括时间序列法和基于神经网络的人工智能预测方法。通过对 历史电价数据的分析建模，文献 3 9 4 1 采用动态回归模型和自回归滑动平均模型进行短期 电价预测。以上的时间序列法无法处理多变量的时间异方差问题，为此可采用多变量模型 上海大学硕十学位论文 和时间异方差模型，这将能提高时间序列法的预测精度。由于神经网络可以有效处理多变 量和非线性问题，因此更多的学者倾向于采用神经网络预测短期电价。文献 4 2 4 4 采用b p 神经网络预测短期电价，文献 4 5 4 9 分别采用回归神经网络、径向基函数( r b f ) 神经网 络、自适应神经网络、递归神经网络、模糊逻辑和神经网络预测日前市场电价。文献 5 0 】 则结合模糊逻辑和神经网络预测短期电价。 研究人员在市场模拟方法方向的研究也取得了进展。市场出清电价是系统总供给曲线 和需求曲线交点所对应的均衡价格，部分学者通过预测的市场总供给曲线和预测的系统负 荷来模拟电力的拍卖过程，从而得到市场出清价【5 l 】。文献【5 2 】通过需求和供给均衡的随机 模型得到市场价格及其概率分布。文献【5 3 】进一步模拟市场出清后的安全校核过程，从而 得到考虑系统约束、备用需求等因素的预测电价。随机生产模拟也可以根据各发电商的报 价安排机组出力，并得到系统的边际电价【5 4 1 ，因此也可以用该方法来模拟市场出清过程， 从而预测市场边际电价【5 5 1 。文献 5 6 ，5 7 ，5 8 运用随机生产模拟对电价进行了预测，该方法 方便地计入发电机故障和负荷随机性对市场电价的影响，可以得到电价的概率分布。文献 5 9 进一步考虑机组报价的不确定性，基于序列运算理论来计算系统边际电价的概率分布。 但以上研究均未考虑负荷需求弹性因素对边际电价的影响。文献 6 0 6 3 涉及寡头竞争电力 市场中长期价格持续曲线( p r i c ed u r a t i o nc u r v e ) 的预测研究，并未给出未来某一时段系统边 际电价的完全概率分布。而且文献 6 1 6 3 基于传统随机生产模拟技术中等效负荷概率分布 的连续近似( 累积量法1 6 4 ) 表示，并未严格处理系统有效发电容量概率分布固有的离散特 性。现有的基于电力市场寡头竞争均衡模型的随机预测方法，大多没有考虑合同交易对市 场价格预测的影响，而考虑合同交易的电价预测方法大多属于确定性的市场模拟方法。 1 3 本文的研究内容与主要贡献 基于以上实际和理论背景，电力市场的价格预测应充分考虑需求侧和供应侧的随机不 确定性以及市场环境下各种经济因素的影响。本文采用随机生产模拟技术和寡头竞争均衡 方法，研究发电机组报价给定时的边际价格随机预测问题，以及古诺竞争和供应函数竞争 电力市场价格的随机预测问题。不仅计入电力需求不确定性、发电机组可靠性等物理因素 对市场价格的影响，而且考虑了市场竞争模式、需求价格弹性以及合同交易等经济因素的 影响。主要内容和贡献包括： 上海大学硕十学位论文 1 3 1 发电机组报价给定时考虑需求弹性的电力市场边际电价概率学预测 需求侧和供应侧的随机不确定性以及市场环境下各种经济因素对电力市场价格具有重 要影响。基于系统边际发电单元的概念，应用有关概率理论和随机生产模拟技术，提出了 一个发电机组报价给定时计入需求价格弹性因素的边际电价概率学预测方法。该方法考虑 了负荷需求和发电机组强迫停运的随机不确定性，并严格处理了系统有效发电容量概率分 布固有的离散特性，而且能计入不同预测提前时间对发电机组随机强迫停运的影响。给出 的算例证明了方法的合理性和有效性，并且表明：( 1 ) 当预测提前时间较短时，采用系统 有效容量概率分布连续近似表示的预测方法具有较大的预测误差，而且这种误差不敏感于 需求价格弹性的变化：( 2 ) 需求弹性增加，不仅可以降低边际电价，而且可以减少边际电 价的不确定性；( 3 ) 随着需求不确定性的增加，市场的期望边际电价将随之上涨，变价电 价的不确定性也将随之增加；( 4 ) 预测提前时间增加会增加机组运行的不确定性，从而导 致电价上涨。 1 3 2 应用寡头竞争均衡理论的电力市场价格随机预测 采用寡头竞争均衡方法研究古诺竞争、线性供应函数竞争电力市场价格的随机预测问 题。不仅考虑预测提前时间、电力需求不确定性、发电机组可靠性等物理因素对市场价格 的影响，而且考虑市场竞争模式和需求价格弹性等经济因素的影响。对于古诺竞争以及线 性供应函数竞争电力市场价格的随机预测问题，首先在发电商利润函数中充分考虑需求侧 和供应侧的随机不确定性，然后利用寡头竞争均衡理论，通过迭代求解的方法获得古诺竞 争均衡解，从而求得市场价格。算例分析表明了模型和方法的有效性。仿真结果表明：( 1 ) 随着负荷的升高、需求弹性系数的降低以及预测提前时间的增大，电价将随之升高；( 2 ) 在 古诺竞争模式下，市场的期望电价要远高于完全竞争时的电价；( 3 ) 在古诺竞争模式下， 市场参与者越多，市场的期望电价也将得到抑制，因此打破垄断，拆分较大规模的发电公 司将有利于市场高效竞争。( 4 ) 在供应函数竞争模式下，市场的期望电价要高于完全竞争 时的电价，但远低于古诺竞争时的电价。 9 上海大学硕士学位论文 1 3 3 考虑合同交易的寡头电力市场价格随机预测 在古诺竞争和线性供应函数竞争模式下，分别考虑合同交易对电力市场价格预测的影 响，在不同需求价格弹性( 高弹性和低弹性) 情况下，分析不同合同交易电量对市场期望 电价的影响。仿真算例表明：( 1 ) 引入合同交易能够促使发电商报低价，降低市场的期望 电价；( 2 ) 合同交易量越大，市场期望电价越低；( 3 ) 合同交易对用户有利，社会福利得 到改善。 l o 上海大学硕j ：学位论文 第二章发电机组报价给定时考虑需求弹性的电力市场边际 电价概率学预测 2 1 引言 电力市场的价格预测对于市场参与者的风险管理、竞争策略以及电力市场的监管和发 展具有重要的指导意义，因而电价预测问题已成为近几年电力市场领域的研究热点之一 汹3 。我国发电侧电力市场是以边际电价进行结算的，边际电价成为联系用户、监管者和发 电企业的经济纽带，市场边际电价预测对于市场中的各个参与者显得格外重要。 边际定价原理在电力市场中得到较广的应用，按照该理论，某时刻的电力批发市场价 格应等于该时刻系统的边际电价( 即边际发电机组的报价) 。通常，未来条件不可避免地存 在各种不确定性，如负荷需求的随机不确定性、发电机组随机故障的不确定性等。考虑到 这些随机不确定性，未来任何时刻的边际电价是一个随机变量，需