（控制理论与控制工程专业论文）考虑输电约束的电力远期和现货市场联合均衡建模及分析.pdf

上海大学硕士学位论文摘要 摘要 全球性电力工业结构重组和解除管制的市场化改革，带来了电力系统运营方式的深 刻变革。在电力市场环境下，市场参与者需要密切关注自己的决策行为及其产生的后果， 而市场监管者更需要研究不同批发市场模式的特性和效率，因此科学合理的电力市场决 策分析模型和方法的研究具有重要的理论和现实意义。面对当前国内外电力市场实际运 营中出现的多市场交易情况，本论文主要涉及考虑输电约束的电力远期和现货市场联合 均衡模型研究，主要内容和创新工作包括： 第一，在考虑输电约束的基础上建立了一个电力远期和现货市场的联合均衡模型。 在该模型中，同时采用了c o u m o t 模型来模拟发电商在策略性远期合同市场和现货市场 中的竞争行为。该模型可归结为一个带有均衡约束的均衡问题( e p e c 问题) ，可用非 线性互补方法求解。在此基础上研究了输电约束和发电商策略性远期合同交易对市场均 衡结果的影响，通过一个6 节点的区域电力市场算例验证了模型的合理性和算法的有效 性，并且表明：发电商参与策略性远期合同交易，有利于缓解市场力的滥用行为；输电 网络约束、发电边际成本以及需求弹性等因素都会影响发电商的远期合同交易策略，而 且整个市场中发电商的策略性远期合同电力比例跟合同电价与各节点发电边际成本的 加权平均值之差呈递增关系。 第二，采用更加符合实际电力市场竞争模式的供应函数均衡模型，建立了考虑输电 约束的电力远期和现货市场的线性供应函数均衡( l s f e ) 模型。在该模型中，采用l s f e 模型来描述发电商在现货市场中的竞争行为，采用c o u m o t 模型来模拟其在策略性远期 合同市场中的竞争行为。该联合均衡模型可归结为一个e p e c 问题，采用非线性互补方 法对其进行求解。本文利用一个6 节点的区域电力市场算倒，验证了模型的合理性和算 法的有效性。算例结果表明：不论输电阻塞与否，发电商都将自愿参与策略性远期合同 交易，从而可使均衡价格下降，有效抑制发电商市场力；输电网络约束、发电边际成本 以及需求弹性等因素都会影响发电商的远期合同交易策略。而且，与现货市场c o u m o t 竞争模式相比，现货市场采用l s f 竞争模式时发电商的策略性远期合同电力比例更高， 且策略性合同电力比例对于发电成本和需求弹性的敏感性更低。 上海大学硕士学位论文 摘要 关键词：电力市场、输电约束、策略性远期合同、c o u m o t 均衡、供应函数均衡、非 线性互补方法 i l 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew o r l d w i d er e s t r u c t u r i n ga n dd e r e g u l a t i o no fe l e c t r i c i t yi n d u s t r yh a v es i g n i f i c a n t l y c h a n g e dt h ew a yo fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n i nt h ed e r e g u l a t e dm a r k e te n v i r o n m e n t , p a r t i c i p a n t sa r es u p p o s e dt op a ym u c ha t t e n t i o nt ot h ec o n s e q u e n c e so ft h e i ro w ud e c i s i o n s w h i l em a r k e tr e g u l a t o r sn e e dt of i g u r eo u tt h ec o r r e s p o n d i n gm a r k e tf e a t u r e sa n de f f i c i e n c y o fd i f f e r e n tm o d e so fw h o l e s a l em a r k e t t h e r e f o r et h e d e v e l o p m e n to fr e a s o n a b l e d e c i s i o n - m a k i n gm o d e l sa n dm e t h o d sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c eb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y t h i st h e s i si sp r i m a r i l yo r i e n t e dt o w a r d st h em u l t i s e t t l e m e n ts y s t e mc u r r e n t l yi m p l e m e n t e d i nm o s te l e c t r i c i t ym a r k e t sa r o u n dt h ew o r l d ，a n da d d r e s s e sp r o b l e m so f t h e j o i n te q u i l i b r i u m m o d e l i n ga n da n a l y s i sf o rs p o ta n df o r w a r dg a m i n gi nat r a n s m i s s i o n - c o n s t r a i n e de l e c t r i c i t y m a r k e t t h em a i nw o r ka n dk e yc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，a j o i n tc o u r n o te q u i l i b r i u mm o d e li se s t a b l i s h e df o rs p o ta n df o r w a r dg a m i n gi na t r a n s m i s s i o n - c o n s t r a i n e dp o w e rm a r k e t t h ec o u r n o t e q u i l i b r i u mm o d e li su s e dt om o d e lt h e g e n e r a t o r s c o m p e t i t i o n sb o t hi ns p o ta n df o r w a r dm a r k e t s ，a n dt h i sj o i n te q u i l i b r i u mm o d e l c a l lb ef o r m u l a t e da sa ne q u i l i b r i u mp r o b l e mw i t he q u i l i b r i u mc o n s t r a i n t s ( e p e c ) ，w h i c h c a nb es o l v e db yan o n l i n e a r c o m p l e m e n t a r i t ym e t h o d t h ei m p a c to ft r a n s m i s s i o n c o n s t r a i n t sa n ds t r a t e g i cf o r w a r dt r a n s a c t i o n so nm a r k e te q u i l i b r i u mc a l lt h e nb ea n a l y z e d n u m e r i c a le x a m p l e sa r eg i v e nt os h o wt h er a t i o n a l i t ya 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 o d e la n ds o l u t i o nm e t h o d i ti ss h o w nt h a ts t r a t e g i c g e n e r a t o r sw o u l dv o l u n t a r i l yp a r t i c i p a t e i ns t r a t e g i cf o r w a r dc o n t r a c t i n gr e g a r d l e s so ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n , a n dt h u st h e i rm a r k e t p o w e ra b u s ec a l lb ee f f e c t i v e l ym i t i g a t e d i tc a na l s ob ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ei n c e n t i v eo f s t r a t e g i cf o r w a r dc o n t r a c t i n gi sc l o s e l yr e l a t e dt og e n e r a t o r s c o s tp a r a m e t e r s ，d e m a n d e l a s t i c i t ya sw e l la st r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s i na d d i t i o n ，t h ec o n t r a c tc o v e r a g eo ft h ew h o l e m a r k e ti n c r e a s e sw i t ht h ed i f f e r e n c eb e t w e e nf o r w a r dp r i c ea n d w e i g h t e dg e n e r a t i o nm a r g i n a l c o s 忸 s e c o n d ，as u p p l yf u n c t i o ne q u i l i b r i u mm o d e lf o rt h em u l t i s e t t l e m e n te l e c t r i c i t ym a r k e t i sd e v e l o p e dt a k i n gt r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t si n t oa c c o u n t ，w h i c hi sm u c hm o r ei nl i n ew i t h t h ei m p l e m e n t e db i d b a s e d p o o lt r a n s a c t i o nm o d e s p e c i f i c a l l y , t h el s f em o d e li su s e dt o i l i 上海大学硕士学位论文 s i m u l a t et h eg e n e r a t o r s b i d d i n g si nt h es p o tm a r k e t ，w h i l et h ef o r w a r dm a r k e ti sm o d e l e d w i mc o u m o tc o m p e t i t i o n t h i sj o i n te q u i l i b r i u mm o d dc a r tb ef o r m u l a t e d 髂a ne p e c w h i c hc a nb es o l v e db yan o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t ym e t h o d n u m e r i c a le x a m p l e sa r c p r e s o n t e dt ot e s tt h er a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dm o d e la n ds o l u t i o nm e t h o d i ti ss h o w nt h a ts t r a t e g i c g e n e r a t o r sw o u l dv o l u n t a r i l yp a r t i c i p a t ei ns t r a t e g i cf o r w a r d c o n t r a c t i n gb o mi nt r a n s m i s s i o nc o n g e s t e da n du n c o n g e s t e dc a s e s a n dt h u st h e i rm a r k e t p o w e ra b u s ec a nb ee f f e c t i v e l ym i t i g a t e d a n di tc a na l s ob ep r o v e dt h a tt h ei n c e n t i v eo f s t r a t e g i cf o r w a r dc o n t r a c t i n gi sc l o s e l yr e l a t e dt og e n e r a t o r s c o s tp a r a n l e t e r s ，d e m a n d e l a s t i c i t ya sw e l la st r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s i na d d i t i o n , c o m p a r e dw i t ht h ee q u i l i b r i u m r e s u l t su n d e rc o u r n o tj o i n te q u i l i b r i u mm o d e l ，t h ec o n t r a c tc o v e r a g eo ft h ew h o l em a r k e t u n d e rl s f j o i n te q u i l i b r i u mm o d e li sm u c hl l i g h e r , a n dt h es e n s i t i v i t yo f c o n t r a c tc o v e r a g et o g e n e r a t i o nc o s t sa n dd e m a n de l a s t i c i t yi ss m a l l e rt h a nt h a to fc o u m o tj o i n te q u i l i b r i u m m o d e l k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，t r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s ，s t r a t e g i cf o r w a r dc o n t r a c t i n g , c o u m o te q u i l i b r i u m ，s u p p l yf u n c t i o ne q u i l i b r i u m ，n o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r i t ym e t h o d 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已发 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：穆缈帐 本论文使用授权说明 面、；、呸。 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：毽师签名： 日期：生! 三：癸。 上海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文研究的实际背景 自2 0 世纪7 0 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2 0 世纪9 0 年代后，其发展逐渐形成了以下 三个特点：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；电力技术的发展向效率、环保的更高目标迈进；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( r e s t r u c t u r i n g ) 和放松政府管制 ( d e r e g u l a t i o n ) 的改革【旧。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。9 0 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【3 川。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p l 。 我国从2 0 世纪8 0 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，竟价上网”成为可能。同时为了适应市场经济的要求，电力行业急需迸一步打 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“竟价上 网”成为必须。随着国家电力公司于1 9 9 9 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。 2 0 0 2 年1 2 月2 9 目，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”，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 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 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( m a r k e tp o w e r ) ， 即在一定条件下可以有很大的操纵市场价格的能力【9 】。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【l o l 。另 外，输电约束也是影响市场力的重要因素【】，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，远期合 同( f o r w a r dc o n t r a c t ) 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。研究表明，远期合同交易会影响发电商的投标策略和缓解市场力滥 用行为。虽然风险回避的发电商利用远期合同可有效回避现货电价的波动风险，但分析 表明【l ”，风险中立的发电商也有可能利用远期合同交易对现货市场的策略性影响，并试 图增加收益而进入合同市场，这种合同行为也称为策略性远期合同交易，本文主要涉及 发电商的这种策略性远期合同行为。因此，发电公司在市场环境下将面临诸多问题，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。对 于市场规则制定机构来说，这样的模型可以帮助其分析研究新的市场规则可能带来的市 场运行结果，也就是市场运行特性分析。以上的这些问题都属于中长期的预测和规划问 题，需要考虑所有参与者的市场竞争结果，因此比较适合用均衡模型来研究。 博弈论研究表明【1 3 】，相互竞争的所有理性市场参与者在n a s h 均衡点上均无单方面 改变其策略的动机，也即n a s h 均衡策略是各竞争者最可能采取的策略，因而只有在n a s h 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n a s h 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【1 4 1 。正因为如此，基于博弈论的各类n a s h 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 嘲。为了更全面地反映电力市场的实际情况，要 求均衡模型还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 2 上海大学硕士学位论文第一章绪论 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。 1 2 国内外相关领域的研究现状 1 2 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。 1 2 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( e n e r g ym a r k e t ) 和维护系统安全可靠运行的辅助服务市场( a n c i l l a r ys e r v i c e m a r k e t ) 和输电权( t r a n s m i s s i o nr i g h t ) 市场1 6 】。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( f o r w a r dc o n t r a c t ) 和期货合同交易 ( f u t u r ec o n t r a c t ) 所取代。 ( 2 ) 现货交易 现货交易一般是指日前( d a y a h e a d ) 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：种是将长期合 3 上海大学硕士学位论文 第章绪论 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。 1 2 1 2 电力市场的交易模式 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( p 0 0 1 ) 模式，也称为单一买方或“n + i ”模式。市场的运作是由发电 商报价、p o o l 接受报价并按最小成本收购电力，交易计划通常在目前进行。市场改革 方案上，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1 9 9 1 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”模式，也称自愿型库联营( v o l u n t a r yp 0 0 1 ) 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( w h e e l i n g ) 服务，并收取过网引切。加拿大的a l b e r t a 、 美国的p j m 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( b r o k e r ) 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1 8 】；其次，要求配电和售电分离，允许不具有配电网的电 4 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 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2 0 0 1 年3 月实施 的新交易机制n e t a 即为该模式，其运营已取得良好的成效。 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 处于起步阶段的我国【1 9 】。但联营体垄断了市场的买卖，有可能造成市场操纵，且用户没 有选择权，市场竞争程度有限，因此随着我国电力改革的进一步深入，“库联营+ 双边 交易”模式正逐步展开。因此本文采用的市场交易模式主要为以上两种较为符合我国电 力市场改革实际的模式。 1 2 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( p x ，p o w e r e x c h a n g e ) ，基本职能是接受报价、制定电力交易方 案； ( 2 ) 系统运行人( s o ，s y s t e m o p e r a t o r ) ，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( t o ，t r a n s m i s s i o no w n e r ) ，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，s o 和t o 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s o 和t o 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，s o 和t o 分离，s o 就变成了i s o ( 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。 p x 与s o 的关系则表现在市场运作与系统运行是否分离，若p x 与s o 相互独立， 上海大学硕士学位论文第章绪论 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1 9 9 8 年改革时的市场结构；若p x 与s o 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。 1 2 2 电力市场中市场力分析的方法与指标 市场力( m a r k e tp o w e r ) 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 9 1 。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【1 垂直市场力( v e r t i c a lm a r k e tp o w e r ) 、水平市 场力( h o r i z o n t a lm a r k e tp o w e r ) 和地区( 局部) 市场力( 1 0 c a l i z e dm a r k e tp o w e r ) 。 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【2 0 】：i ) 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；3 ) 发电富裕容量及其分布； 4 ) 现有的长期合同；5 ) 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【2 1 】： ( 1 ) 静态集中度指数h h i ：经济学中常以产业的集中度作为衡量市场力的标准。其中 以h h i 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( f e r c ) 规定：h h i 1 0 0 0 ，电力市场低度集中；1 0 0 0 h h i 1 8 0 0 ，电力市场高度集中。 ( 2 ) 动态集中度指数d h h i ：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d h h i ，其值只计调度内市场的各发电商的份 额。d h h i 考虑了竞价过程中负荷的变化对市场力的影响，较静态h h i 更符合市场的要 求。 ( 3 ) 价格一成本比较指数l e r n e r ：l e r n e r 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1 2 1 ： 6 上海大学硕士学位论文第一章绪论 ( 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间后，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c o u r n o t 模型、b e t r a n d 模型和供 应函数均衡模型等。 1 2 3 电力市场寡头竞争均衡模型及其应用 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，迸而为 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) 、s t a c k l b e r g 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 模型和供应函数均衡( s f e ) 模型是本论文涉及的两种模型。 1 2 3 1 基于c o u r n o t 模型的电力市场均衡研究 c o u r n o t 模型中发电商的竞争策略是发电出力。目前基于c o u r n o t 模型的电力市场 研究主要用于市场力分析。文献c 2 2 利用c o u r n o t 均衡模型分析了加州电力市场中的市 场力。文 2 3 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c o u r n o t 均 衡解。文献 2 4 对基于c o u r n o t 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c o u r n o t 模型。输电网是影响电力 市场中市场力的一个重要因素，而c o u r n o t 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 2 5 - 2 9 假设电力市场交易模式是p o o l 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( i s o ) 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 7 上海大学硕士学位论文第一章绪论 发电出力。将里层优化问题用其一阶的最优性条件( k k t 条件) 来表示，则各发电商的 决策问题构成一类m p e c ( m a t h e m a t i c a lp r o g r a mw i t he q u i l i b r i u mc o n s t r a i n t s ) 非 线性优化问题【划。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e p e c ( e q u i l i b r i u mp r o b l e mw i t he q u i l i b r i u mc o n s t r a i n t s ) 问题【3 l l 。对于此类均衡问题。 文 2 5 中采用罚函数法求解各发电商的优化问题，并利用g a m s 软件包求解得到均衡问 题的解。y u 2 7 - 2 9 采用的是把每个发电商优化闯题的k k t 条件组合在一起形成一个 混合的互补问题( m i x e dc o m p l e m e n t a r yp r o b l e m ，m c p ) ，然后再对其求解的方法。此处 所形成的m c p 是一个混合的非线性互补问题( n o n l i n e a rc o m p l e m e n t a r yp r o b l e m , n c p ) ，对于这类n c p 问题，y u 采用虚拟一个目标函数的方法( t h em e t h o do fd u m m y o b j e c t i v e ) ，将n c p 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 3 2 考虑了具有远期交易合同的电力市场，发展了一个二 阶段的电力远期和现货市场c o u r n o t 均衡模型，其均衡是一个子博弈精练纳什均衡，文 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。 由于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，因此均衡价格将对需求曲线的表达式非常敏感，通常高于实际的价格，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【3 3 1 。但是，c o u r n 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 r n o t 模型的建模和求解难度加大，但是现成的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 均衡解。 1 2 3 2 基于供应函数竞争模型的研究 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 模型同样适合于需求弹 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 r n o t 模型。 文献 3 4 以英格兰和威尔士的电力市场为例，基于一般的s f e 模型，用解析的方法 8 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 研究了不对称双寡头发电市场中的市场力，得出的结论是：对于大的发电商而言，由于 电价的增加会使其利润增多，因此它会选择比较平坦的供应函数( 即报高价) ：而小发 电商由于面对弹性较小的剩余需求，则更趋于提高它的报价而获利。这将导致按照供应 曲线定出的市场电价将远远高于系统的边际成本。文献 3 5 1 在n 个对称发电商和给定需 求函数的假设下，得出了供应函数均衡价格的表达式，并在此基础上比较了市场力评定 的两种指标( i j h i 指标和l e r n e r 指标) 的不同。文 3 7 中考虑不确定需求，假设发电 商具有零截距线性边际成本，采用线性供应函数均衡( l s f e ) 模型，进一步研究了两个 发电商在合同市场中的竞争行为。文献 3 6 在考虑发电厂出力限制的条件下，针对多个 具有非零截距线性边际成本的非对称发电商，给出了考虑远期合同交易的发电市场分段 l s f e 模型，并分析了市场规则对均衡价格的影响。文 3 8 在考虑传输约束和不考虑传 输约束两种情况下，比较了四种l s f e 模型参数选取( 即发电商的决策变量) 对均衡结 果的影响。该文还比较了不同模型参数的l s f e 均衡与c o u r n o t 均衡和完全竞争结果之 间的关系。然而该文针对的是一个两节点、一条联接线的简单电力系统网络，并用解析 的方法求得结果。它的缺点是，若用于多个节点多个发电商的复杂网络系统，将会由于 变量的增多而无法求解。文 3 9 3 等人在线性直流潮流模型下给出了有阻塞和无阻塞情形 下的二节点和四节点系统的线性供应函数均衡解，但没说明对于有阻塞情形是如何求解 的。文献 4 0 1 基于线性的直流潮流模型，将整个市场的均衡问题归结为e p e c 问题。该 文利用一种带有惩罚项的内点法( p i p a ) 求解各发电商的决策问题，进而用启发式的迭 代算法求得均衡问题的解。文献 4 1 建立一个两层的电力市场供应函数均衡模型，外层 为各个发电商的决策问题，内层是s o 的调度模型，因此各个发电商的决策闯题是一个 m p e c ( 具有均衡约束的数学规划问题) ，并提出了一个非线性互补方法对其进行求解。 另外，文献n 2 在不考虑输电约束的情况下研究了发电商报价多时段有效时，发电商的 策略性远期合同行为，表明在现货市场为l s f 竞争模式和合同市场为c o u r n o t 竞争模式 下，发电商没有进入策略性合同市场的激励。 1 3 本文的研究内容与主要贡献 综上所述，在寡头竞争的电力市场环境下，市场监管者、市场规则制定机构和各个 发电公司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 9 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 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，要求均衡模型能切 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是十分有意义的。另外，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