（数量经济学专业论文）电力市场均衡条件下的绩效评价体系研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 市场绩效反映了在特定的市场结构和市场行为下市场运行的实际效果。电力产 业市场化改革的健康发展，客观上要求必须有适当的模型和绩效评估指标体系作为 指导，以此为依据进一步完善电力市场结构、市场运营规则以及政府监管政策，促 使其高效率运行。为了对不同市场条件下市场均衡模型得出的结果进行比较和分 析，需要建立起相应的电力市场绩效评价指标体系。 本文拟从区域电力市场的角度，根据发电市场总体运行状况，从反映资源配置 效率、电力市场运营效率、电力供应安全及可持续发展等方面出发，构建动静态结 合的发电市场绩效综合评价指标体系。 关键词：市场均衡，绩效评价，指标体系 a b s i r a c r 1 1 1 em a r k e tp e r f o r m a n c eh a sr e f l e c t e dt h ee f f e c to ft h em a r k e to p e r a t i o no nt h ep a r t i c u l a r s t r u c t u r eo fm a r k e ta n dm a r k e tb e h a v i o rm a k e 1 1 1 ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t r e f o r mr e q u i r e s ，o b j e c t i v e l y , t h a tt h e r em u s tb ea p p r o p r i a t em o d e la n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i n d e xs y s t e ma sg u i d a n c e , a n db a s e do nt h i st of u r t h e ri m p r o v et h ee l e c t r i cm a r k e ts t r u c t u r e , m a r k e to p e r a t i o nr u l e sa n dg o v e r n m e n t ss u p e r v i s i o np o l i c y , a n di m p e li t sh i g he f f i c i e n c yt o r u n i no r d e rt oc o m p a r ea n da n a l y z et h er e s u l to ft h eb a l a n c e dm o d e lo ft h em a r k e t e q u i l i b r i u mu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n ，i t sn e c e s s a r yt os e tu pt h ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c m a r k e tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m t h i sp a p e rw i l ls t a n do nt h es o c i a la n g l et oc o n s t r u c tt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x s y s t e mw h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h ed y n a m i ca n ds t a t i cs t a t e so fp o w e rg e n e r a t i n gm a r k e t a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h eg e n e r a t ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h i sp a p e r w i l lr e f l e c tt h er e s p e c t sw h i c ha r ee f f i c i e n c yo fa l l o c a t i o no fr e s o u r c e sa n dt h em a r k e t o p e r a t i o n ，s e c u r i t yo fs u p p l yo fe l e c t r i cp o w e r a n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t z h a n gl e i ( q u a n t i t a t i v ee c o n o m i c s ) z 1 1 l z 1 , 1 11i d i r e c t e db y p r o f l ic h u n j i e k e yw o r d s ：m a r k e te q u i l i b r i u m ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，i n d e xs y s t e m 华北电力大学硕+ 学位论文 摘要 市场绩效反映了在特定的市场结构和市场行为下市场运行的实际效果。电力产 业市场化改革的健康发展，客观上要求必须有适当的模型和绩效评估指标体系作为 指导，以此为依据进一步完善电力市场结构、市场运营规则以及政府监管政策，促 使其高效率运行。为了对不同市场条件下市场均衡模型得出的结果进行比较和分 析，需要建立起相应的电力市场绩效评价指标体系。 本文拟从区域电力市场的角度，根据发电市场总体运行状况，从反映资源配置 效率、电力市场运营效率、电力供应安全及可持续发展等方面出发，构建动静态结 合的发电市场绩效综合评价指标体系。 关键词：市场均衡，绩效评价，指标体系 a b s i r a c r 1 1 1 em a r k e tp e r f o r m a n c eh a sr e f l e c t e dt h ee f f e c to ft h em a r k e to p e r a t i o no nt h ep a r t i c u l a r s t r u c t u r eo fm a r k e ta n dm a r k e tb e h a v i o rm a k e t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t r e f o r mr e q u i r e s ，o b j e c t i v e l y , t h a tt h e r em u s tb ea p p r o p r i a t em o d e la n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i n d e xs y s t e ma sg u i d a n c e , a n db a s e do nt h i st of u r t h e ri m p r o v et h ee l e c t r i cm a r k e ts t r u c t u r e , m a r k e to p e r a t i o nr u l e sa n dg o v e r n m e n t ss u p e r v i s i o np o l i c y , a n di m p e li t sh i g he f f i c i e n c yt o r u n i no r d e rt oc o m p a r ea n da n a l y z et h er e s u l to ft h eb a l a n c e dm o d e lo ft h em a r k e t e q u i l i b r i u mu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n ，i t sn e c e s s a r yt os e tu pt h ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c m a r k e tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m t h i sp a p e rw i l ls t a n do nt h es o c i a la n g l et oc o n s t r u c tt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x s y s t e mw h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h ed y n a m i ca n ds t a t i cs t a t e so fp o w e rg e n e r a t i n gm a r k e t a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h eg e n e r a t ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h i sp a p e r w i l lr e f l e c tt h er e s p e c t sw h i c ha r ee f f i c i e n c yo fa l l o c a t i o no fr e s o u r c e sa n dt h em a r k e t o p e r a t i o n ，s e c u r i t yo fs u p p l yo f e l e c t r i cp o w e ra n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t z h a n gl e i ( q u a n t i t a t i v ee c o n o m i c s ) z 1 1 l , a l l 1i d i r e c t e db yp r o f l ic h u n j i e k e yw o r d s ：m a r k e te q u i l i b r i u m ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，i n d e xs y s t e m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力市场均衡条件下的绩效评价体系 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：纽磊 日期：型星：g 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：丝纽 日期：趔显：! ：! 导师签名 华北电力大学硕+ 学位论文 1 1 背景及意义 1 1 1 背景 第一章引言 随着技术的发展和电力产业中诸多问题的出现，2 0 世纪9 0 年代初期在世界范 围内掀起了一场以电力产业结构重组和解除管制为主要标志，以打破传统电力产业 垂直垄断的生产结构、鼓励产业竞争、提高产业效率为宗旨的深刻变革。与世界上 许多国家一样，中国电力产业目前也正处于这场巨大的变革之中。 2 0 0 2 年3 月，国务院根据对国民经济垄断行业改革的总体部署，正式批准了电 力体制改革方案。改革的总体目标是：“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 0 0 2 年1 2 月2 9 日，原国家电力公司 撤销，其所属资产被分解到1 1 家独立的公司，打破了我国电力产业几十年来垄断 的产业格局。2 0 0 3 年7 月国家电力监管委员会下发了关于印发区域电力市场建设 指导意见的通知，要求从我国的国情出发，重点建设区域电力市场。2 0 0 4 年1 月 1 5 日，东北区域电力市场模拟运行正式启动，这标志着我国区域电力市场改革迈出 了实质性的一步。紧随其后，华东区域电力市场和南方区域电力市场也进入了模拟 运行阶段。 从我国电力市场化改革的现状来看，区域电力市场刚刚建立，由于市场环境条 件及市场交易规则等还远未成熟，且发电侧业已形成以5 大发电集团为主、若干具 有一定规模的独立发电商共存的寡占格局，市场运行中暴露出了一些明显的问题。 例如：出现了市场力主导的垄断现象，价格领导作用成为推动市场价格上涨的主要 因素之一；电力交易时出现了发电商“重基荷、轻腰荷、弃峰荷 的现象；发电公 司与电网公司之间围绕发电计划安排的利益冲突同益显现，发电商从经济利益出 发，一方面要求增加发电量，要求“三公”调度，另一方面，却不愿意参加电网的 调峰、调频以及事故备用等辅助服务，电网调度无法在确保电网安全的条件下按照 经济原则进行电力电量分配，给电网安全稳定运行带来一定困难。 1 1 2 意义 电力产业作为国民经济重要的基础性产业，其运行状况必将给整个国民经济带 来巨大的影响。上述问题如果不能得到很好的解决，势必会对电力产业的健康发展 乃至国民经济持续、快速、稳定发展带来严重的影响。要从根本上解决我国电力市 华北电力大学硕士学付论文 场化改革中发电市场出现的诸多问题、完善交易规则、引导市场的健康发展，有必 要从构建发电商报价与市场均衡模型入手，以完成对市场环境、厂商行为、市场均 衡的相关研究，并结合绩效评价探讨科学的发电市场价格形成机制，进而实现有效 竞争的发电市场。 由于电力商品的特殊性和电力生产的复杂性，传统的寡占模型应用在电力市场 中的结果并不理想，而市场约束条件的不确定、信息不对称、合作和非合作博弈并 存等情况的存在更增加了这一问题的复杂性。迄今为止，国内外仍未有贴近现实、 具有决策指导意义且综合考虑市场环境、厂商行为与市场绩效的发电市场均衡模型 出现，使其成为发电市场研究中亟待解决的重点基础理论问题之一。本文计划结合 我国电力市场的实际，从研究区域电力市场中发电厂商最主要的市场行为入手，构 建相应的市场均衡模型，建立相应的绩效评估指标体系，考察市场环境条件改变时 均衡点及均衡路径的变化情况，探讨科学的发电市场价格形成机制，推进资源优化 配置，提高市场运行效率。 1 2 国内外研究动态 博弈论作为研究市场主体行为的一种重要而有力的工具，被大量用在分析发电 厂商竞价策略和建立电力市场模型方面。文献 1 将电力市场中的发电厂商划分为： 领导者、跟随者和价格接受者，据此提出适用于联营模式下的一种模型来模拟寡头 垄断的电力市场，并给出该模型的纳什均衡，比较与现有模型均衡解的区别，分析 电力需求弹性和发电容量约束等因素对市场均衡状态的影响；文献 2 分别对 c o u r n o t 、s t a c k e l b e r g 和f o r c h h e i m e r 模型模拟的电力市场寡头竞争情况下厂商所 拥有的市场力进行了比较；文献 3 认为竞价问题就是发电厂和市场之间的零和二 人混合对策问题，通过对于纳什均衡的求解，得出发电厂商出力的最佳方案和报价 水平；文献 4 提出了一种考虑输电线路约束的c o u r n o t 模型的求解和检验方法； 文献 5 分析了发、配电同时开放条件下电力市场竞价的基本过程，根据不完全信 息静态博弈的基本理论，提出了购电商在信息不完全条件下参与竞价的最优报价策 略；文献 6 分析了不完全信息条件下发电厂商间的非合作博弈过程：文献 7 在分 析策略性报价方法研究现状的基础上，通过引入虚拟对手的概念和参数估计的方法 给出了基于博弈论和概率论的电厂优化报价问题的数学模型：文献 8 分析了机组 利润、出清电量与报价策略系数之间的相互关系，得出了单机机组的最优报价策略 和在报价越界时的优化调整方法；文献 9 介绍了一种用于分析联营电力市场中竞 标行为的博弈模型，文章考虑单时段情形，研究的是纯策略意义下的n a s h 均衡点； 文献 1 0 应用了微增响应猜测方法构造了一种在不完全信息情况下的寡头竞争电 力现货市场中发电厂商通过动态学习改进对竞争对手的微增响应猜测的投标策略； 2 华北电力人学硕+ 学位论文 文献 1 1 建立了一个电力市场中基于报价中标概率信念函数的发电厂商智能个体 决策模型，用以模拟发电厂商在电力市场中的决策行为；文献 1 2 利用博弈理论中 的双向拍卖和序贯谈判理论，对单一电力大用户与单一发电厂商的购( 售) 电交易进 行了研究：文献 1 3 对纵向价格双轨制引发的煤炭企业、电力企业和政府的三方长 期博弈进行了分析，并提出纵向一体化是缓解煤、电紧张关系的有效途径。 此外，对于企业绩效评价研究的文章也有很多，对于电力产业绩效评价有一定 的借鉴意义。文献 1 4 考虑能否从财务数据本身着手，找到一种客观的方法进行指 标的筛选，提出基于粗糙集理论的指标筛选方法；文献 1 5 以现有企业绩效评价体 系为基础，根据火电企业的行业特殊性，运用平衡计分卡、层次分析法、德尔菲法 选取指标，构建火电企业绩效评价体系；文献 1 6 研究的视角选定为以公司价值为 核心来研究业绩评价系统，应用杜邦体系分析法，寻找出相应的价值驱动因素，构 建公司业绩评价系统；文献 1 7 通过对新型绩效评价指标体系，即最有代表性的平 衡计分卡和经济增加值的分析，提出我国企业应用中存在的问题；文献 1 8 对e v a 的计算方法与传统的衡量公司业绩方法进行比较，对我国企业引入e v a 的意义和要 注意的问题进行了探讨；文献 1 9 认为e v a 的应用不应局限于绩效评价，在很多其 他领域都应得到较好的推广和应用；文献 2 0 提出动态评价的方法，解决国有大型 企业对其下属企业的管理难题；文献 2 1 构建一套适合我国自然垄断行业特性的综 合评价指标体系。 一些国外文献，也对市场均衡和绩效评价问题进行了研究和探讨。文献 2 2 2 3 运用博弈论中的c o u r n o t 模型对博弈均衡点和厂商竞价策略进行了分析：文献 2 4 运用博弈论中的s t a c k e l b e r g 模型模拟了市场参与者的投标策略；文献 2 5 、 2 6 分析了不完全信息条件下发电厂商间的非合作博弈过程；文献 2 7 2 8 提出进化博 弈理论非常适合对电力市场进行了建模，并使用遗传算法对算例进行计算得到了系 统的均衡点；文献 2 9 应用协同进化方法对电力市场行为主体的动态博弈行为进行 了分析，并进行了仿真计算；文献 3 0 应用博弈论中的供给函数模型对于电力市场 中发电厂商的市场力进行了分析；文献 3 1 用进化博弈理论来研究社会学习过程。 另外，一些外文文献对多元变量时间序列的预测模型进行了研究和探讨，为构建具 有多元变量特性的绩效评价指标体系提供了借鉴和参考。文献 3 6 由于目前对于如 何选取适当的嵌入延时t 和嵌入维数所，没有统一的标准，r o s e n s t e i n 等人认为在建 立输入状态空间时，确定嵌入延迟窗，比单独求取和垅，值更合适。文献 3 7 由于 常用的自相关函数只能提取序列间的线性相关性，为了能够同时提取状态之间的非 线性相关性，文章提出了确定延迟窗初值的新方法。文献 3 8 v a l l e 等人比较了多 种处理舍弃较小奇异值的方法后，提出了一种简单直接地舍弃奇异值的方法，即， 计算每个主元的方差贡献率，并以此作为舍弃奇异值的标准。文献 4 1 着重介绍了 k o l m o g o r o v 定理，得出了三层神经网络可实现任意非线性映射的结论；文献 4 2 3 华北电力大学硕士学位论文 从理论上证明了三层前馈网络具有逼近有界闭集上任意连续函数的能力；文献 4 4 引入了均方根误差和预测精度两个性能评价指标，来定量说明网络的性能好坏。 从上述国内外的研究来看，考虑一定市场环境条件约束下，有限理性发电厂商 群体行为相互作用，共同影响市场走向的进化博弈均衡问题的研究尚属空白，对于 均衡的绩效评价也有待于进一步的研究。因此，这一课题的研究具有重要的理论意 义和实际价值，并具有广阔的研究前景，是分析电力市场问题的一条崭新思路。 1 3 本文的研究重点 市场绩效反映了在特定的市场结构和市场行为下市场运行的实际效果。电力产 业市场化改革的健康发展客观上要求必须有适当的模型和绩效评估指标体系作为 指导，以此为依据进一步完善电力市场结构、市场运营规则以及政府监管政策，并 且促使其高效率运行。为了对不同市场条件下市场均衡模型得出的结果进行比较和 分析，需要建立相应的电力市场绩效评价指标体系。本文从区域电力市场的角度， 根据发电市场总体运行状况，从反映同资源配置效率、电力市场运营效率、电力供 应安全及可持续发展等方面出发，构建动静念结合的发电市场绩效综合评价指标体 系。这部分作为本文的重点，是本文的创新之所在。以往的研究大多集中在对于单 个厂商或经济主体的绩效评价体系的建立，本文希望能够寻找到一套对于发电侧行 业整体的绩效评价体系，并且，这套体系能够刻画动态情况下的市场运行状态。当 市场状态发生变化时，所建立的指标体系能够较好地反映市场的状态，衡量市场的 运行效率，为决策提供依据。 4 华北电力人学硕十学位论文 第二章市场力对市场效率的影响 2 1 考虑节点和阻塞区域情况下的市场力的确定 传统的h h i 指数定义为市场上所有企业的市场份额的平方和，用以衡量整个市 场中的市场力水平。但是，这个指标一定的局限性：a 不能反映动态的市场力变动 情况，由于电力市场的特殊性，在不同的时间点或时间段内市场力水平会发生变化， 用静止的指标显然无法准确地衡量动态变化的过程；b 无法反映电力市场中各成员 在不同节点、不同区域的市场控制能力，以市场份额来度量市场中的市场力情况会 忽略那些在某一区域或节点上具有较强控制能力但却在整个市场中份额较小的厂 商。本文的思路是将h h i 指数进行改进，通过对不同时间不同厂商在不同区域和节 点处的控制能力指标加权，得出电力市场发电侧的动态市场力水平。 发电厂商对市场的控制能力主要是通过两个层次实现的，一是对系统中不同负 荷区域( 自然形成的负荷区域和网络约束形成的阻塞区域) 的控制能力；一是对于 系统中不同节点的控制能力。对于系统中的某一个厂商而言，它可能不具备影响整 个系统的能力，但在某些情况下，它可能在某一个负荷区域或者是某一些负荷节点 等较小的范围内具有足够强的控制能力。因此，一些传统意义上认为的没有能力影 响市场出清价格的企业在此时就具备了一定的影响市场价格的能力，进而可以影响 其利润水平。 2 1 1 对系统中不同负荷区域的控制能力 在一个系统中，可以天然的或者人为的划分为若干负荷区域，不同的发电厂商 在不同负荷区域具备不同的控制能力。这种控制能力可以用发电厂商在这个区域内 的有功出力占该区域总负荷的比重来表示： a c p , ，。= 口( 吃+ 如) ( 2 1 ) j 其中，a c p ( a r e ac o n t r o lp o w e r ) 表示区域控制能力( 假设系统内有l 个区域) ； a c p 。表示厂商i 在区域a 的控制能力；厶，。表示厂商i 的第j 台机组在区域a 的 有功出力：吃表示a 区域的总负荷；b o o 表示a 区域对外的总功率输出。 2 1 2 对系统中不同节点的控制能力 系统中还存在着许多节点，不同的发电厂商在不同的节点具有不同的控制能 力，这种控制能力可以用发电厂商在这个节点上的注入功率与节点上的总功率之比 来表示： 5 华北电力大学硕士学位论文 n c p i ，= ，嚷 ( 2 2 ) j 其中，n c p ( n o d ec o n t r o lp o w e r ) 表示节点控制能力( 假设系统内总共有m 个 节点) n c p , ，表示厂商i 在节点s 的控制能力；岛，表示厂商i 的第j 台机组在节 点s 的有功注入( 假设厂商i 共拥有z 台机组，下同) ；最表示节点s 上的总功率。 在完全竞争市场中，每个节点的负荷都会有足够多的厂商来提供，则这个指标将会 趋向于0 。 2 1 3 发电厂商在系统中的市场力 发电厂商通过对系统中不同区域和不同节点的控制能力来实现自己对于市场 的控制，通过对于市场的控制达到获取更大利润的目的。这罩可以用市场力来衡量 厂商对市场的控制水平： m 假。= 兄彳c 艺+ r c 甓 ( 2 3 ) a = i5 = l 其中，脚。表示厂商i 对于市场m 的市场力水平；五、k 为权重。 在确定权重名、k 时，要考虑市场是采用节点定价模式还是区域定价模式。如 果市场采用的是区域定价模式，则权重五应该远大于r ，即五 k ；如果采用的是节 点定价模式，则权重r 应该远大于五，即r 名。 一般认为，在采用节点定价模式的电力市场中，在节点上处于容量支配地位的 发电厂商具有较高的获利能力，从而加剧其在区域电力市场中的市场力；而区域定 价模式能够将多个节点集合成一个区域，故而能够保证竞争在相对较广的范围内进 行，从而可以限制发电厂商滥用市场力的机会。因此，有学者认为，只有在每个节 点上都具有良好的竞争，且不存在输电阻塞的情况下，采用节点定价机n - a 比较合 理。 发电厂商根据自身在各个节点和区域实际的出力情况，可以计算得出自己在该 区域电力市场中的市场力状况，同时也可以得到市场中其他发电厂商的市场力状 况。这样，就可以对该区域电力市场中所有的发电厂商进行排序，从而了解该市场 中各个厂商对于市场的控制能力。 2 2 基于寡头垄断博弈状况下的发电厂商市场力的确定 由于电力工业的规模经济性和物理上的一体性，使得电力市场并不是一个完全 竞争的市场，而是更接近与寡头垄断竞争市场，市场中的参与者或多或少都具有一 定的影响市场出清价格的能力，因此，采用博弈论中的均衡点来分析市场中的各个 发电公司的策略行为，具有一定的可行性。本文将市场分为两种情况：一种情况是 6 华北电力人学硕十学位论文 市场中只有少数几个发电厂商，每个发电厂商所具有的影响市场的能力相近；另一 种情况是市场中存在若干个发电厂商，其中一些发电厂商规模较大，能够影响市场 出清价格，而另一些发电厂商的规模不足，只能根据这些规模大的发电厂商来决定 自己的策略。 这两种市场结构下的市场力状况，可以通过发电厂商在市场内各个节点上、各 个区域内博弈达到均衡后的产量来确定。 2 2 1 成本函数和需求函数的假设 对于某一个电力市场而言，假设市场中有1 3 个发电厂商，发电厂商i 的成本函 数为二次函数： c ：( g f ) = a i + 包吼+ i 1q 吼2 ( 2 4 ) 二 其中，q 、岛、q 为成本系数，a i 为机组不出力时的静态成本，即亏损额；岛为 机组出力外推为0 时的起始边际成本；q 为机组边际成本曲线斜率；g f 为厂商i 的 发电量( 出力) ： 假设电力市场中的逆需求函数为： n p = 尸( q ) = 口一q = 口一吼 ( 2 5 ) f = i 其中，p 为市场价格，口为逆需求函数的截距，夕为逆需求函数的斜率，q 为市场 的总需求，即q = q i 。 l = l 2 2 2 不同市场状况下均衡产量的确定 2 2 2 1 市场中只有少数几个发电厂商 由于市场中的发电厂商数量较少，各厂商的实际控制市场的能力较强，它们的 发电量直接决定着市场的出清电价，此时的市场可以采取古诺( g o u r n o t ) 模型来 模拟。 在这种情况下，各发电厂商制定发电策略的依据都是利润最大化， m a x ) l - i = p ( q ) q f c ( 吼) ( 2 6 ) v 由孕= o 可以得出研的最优解为： g f 2 二一岛一夕窆g ； 口一岛一窆订 2 p + c ip + c j 7 ( 2 - 7 ) 华北电力人学硕十学位论文 由此可以得到在这种市场中的均衡电价、总发电量以及最大利润为别为： 。? + 善n 基 f 一- i ，。l ，o 舻i l 芒e+ y 上 乞p + c t 出耖怒 盟 扫i1 _ 尸 - i = lp + c ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 万= p g - c ( q ) ( 2 1 0 ) 由于最大利润的表达式过于复杂，这罩就不再列出具体的表达式。 2 2 2 2 市场中有若干发电厂商 市场中存在着若干个发电厂商，在这些厂商中存在着一些规模较大能够影响市 场出清价格的“强者”，同时也存在着为数众多的观察“强者实际行动后决定自 己策略的“弱者 。前一种厂商我们称之为领导者( l e a d e r ) ，后一种厂商称之为跟随 者( f o ll o w e r ) 或价格的接受者( p r i c e t a k e r ) 。 假设市场中存在n 个厂商，前n 1 个厂商为领导者，后n m 个厂商都是跟随者， 假设厂商k 为领导者( k ( 0 7 m ) ) ，厂商j 为跟随者( j ( m + l ，露) ) ，他们的策略空间都 是( 0 ，g 一) 中的所有实数( 其中g 一是整个市场能容纳的最大产量) ；k 厂商是领导者， 首先选择产量吼，j 厂商观察到吼后选择自己的产量g ，整个市场的价格逆需求函 数仍为式( 2 - 5 ) 所假设的，两类厂商的成本函数也仍为式( 2 - 4 ) 所假设的，则对 于跟随者j 而言，它的发电策略是根据下式决定的： m a x 万j = p ( q ) q 厂c ( q ) ( m + l ，z ) ( 2 1 1 ) 最优化条件意味着上式对g ，求一阶偏导并使其等于0 ，得： 口一乞- p 吼_ 酊口一q - p g ：一鸟； 吼。 盟竺坚= l 上生( 2 1 2 ) 2 f l + e j9 + c j ! 鱼生 磐2 嘉釜一善兰羔k = l 玩 j - = m + lp + c j彖ip + c j 华北电力火学硕十学位论文 是利润最大化： m a x 万k = p ( q t ) 吼一c ( q t )k ( o ，聊) 而此时k 厂商所面对的逆需求函数已经变为： p ( q ) = 口一夕q j = 口一多吼一夕乃 i = lt = i j = m + l 一伊惠釜 竺生 l + 。上一 象i p + c j霹 卜羲 将( 2 1 4 ) 式对q k 求一阶偏导并使其等于0 ，令叩= 堕 2 丢毪，就可以得到： j 象l p + c j a - , u叩 = 一i 一7 7 l + 。三一 智r + c k ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 拈二筮二垃( 2 - - 1 7 ) 办蔫盥一2 鬻r l，1 j rc k 七c g 车兰 ( 2 1 8 ) 乃2 面菩 皑一 簇 一i 华北电力大学硕十学位论文 2 3 市场效率最优时的市场力的确定 市场运行效率的评价标准是社会福利的最大化，效率是表示在一定的投入水平 下获得尽可能多的产出。福利经济学中采用帕累托最优来衡量资源的最优配置，要 达到这种最优的配置水平应当满足以下条件： a 无法使所有各方境况更好； b 不可能使某一方境况更好，而又不使另一方境况变坏； c 从交易中能得到的所有收益都已取尽； d 无法进一步再作互利的交易。 根据上述对于经济效率的界定可以知道，当经济系统的资源配置达到帕累托最 优状态时，经济运行就是有效率。的；反之，则是缺乏效率的。在理想化的电力市场 中，电力资源的配置是有效率的，市场中的发电厂商追求自身利润的最大化，而电 力用户追求的是自身效用的最大化。当市场中的各方通过竞争，达到均衡状态时： a 所有电力用户电能的边际效用与其购买价格的比率都相等； b 所有发电厂商发电的边际成本与其成交价格的比率都相等。 这里要说明的是，市场效率达到最优是一种理想化的状态，在现实的电力市场 中并不存在，但是对它的研究可以为分析现实电力市场运行效率提供参考。下面考 虑的是一个最简单的完全竞争的电力市场，在这个市场中包括众多的发电厂商和电 力用户，不考虑发电厂商的竞价策略、不考虑输电的物理约束，假设市场有足够的 容量能够保障充分交易，任何一个发电厂商都不能影响市场的出清价格。 q 电量 电力市场在供求关系的影响下在e 点达到均衡，此时的价格为p ，成交的电量 为q ，则价格和供给曲线围成的三角形区域p e b 的面积就是发电厂商的生产者剩余， 用p s 表示。如果发电厂商的产量为q ，发电厂商的生产者剩余就等于收益减去可变 成本，即： 1 0 华北电力大学硕+ 学位论文 窜 只( g ) = 朋一p ( t ) d t ( 2 1 9 ) 类似的，需求曲线和价格围成的三角形的面积就是电力用户的消费者剩余，用 c s 表示，假设电力用户用电量为0 时的效用为0 ，则用户的消费者剩余为： 已 e ( g ) = ”( t ) d t 一朋 ( 2 2 0 ) 0 如果用市场的总剩余作为市场效率的衡量标准的话，那么市场效率最大的目标 就可以表示为： m a 】【霉( g ) = m a ) 【( ( g ) + e ( g ) ) = m a x ( p7 ( t ) d t j c 7 ( f ) 以) ( 2 2 1 ) 0 0 对上式求导，并由c ( o ) = 0 、u ( o ) = 0 ，可以得到市场效率最大的一阶条件为： “( g ) = c ( g ) ( 2 - 2 2 ) 即，发电厂商的边际发电成本等于电力用户的边际效用时，电力市场的效率最 大。 这种情况是一种理想的状况，实际的市场是无法实现的。但是，可以假设发电 厂商按照自己的边际成本来安排生产，即选择p - - m c 时的产量作为自己的最优产量， 从而就可以求得在这种情况下各个发电厂商的市场力水平和均衡产量。虽然这种情 况下的市场力水平和产量水平是理想化的，但是仍然可以作为研究的参考。 2 4 基于蚁群算法的市场力对市场效率的影响研究 在一个电力市场中，存在着若干发电厂商。这些发电厂商所面对的是一个变动 的市场环境，在某一个时刻，系统会由于某些原因被划分成若干区域和节点。厂商 通过调整发电量来实现利益的最大化。而影响各个厂商选择不同的产量策略的原因 是多种多样的，市场力是其中最重要的原因之一。本文希望通过对市场中的发电厂 商策略的最优化，来研究市场力对市场运行效率的影响。 2 4 1 蚁群算法 2 4 1 1 蚁群算法的描述 蚁群算法( a c a ) 是模仿真实世界中的蚁群觅食行为，最早是由意大利科学家 o o r i g o 于1 9 9 6 年提出的。它通过多个代理之间的信息交换完成整个蚁群的复杂行 为，通过正反馈来加速最优解的搜索过程，在解决小规模( n 3 0 ) 问题时效果显著。 真实的蚁群在外出觅食时能够找到从蚁穴到食物的最短路径，并且它们能够在 1 l 华北电力人学硕十学位论文 环境发生改变后依然找到新的连接蚁穴到食物的最短路径。这是因为蚂蚁在运动过 程中，能够在经过的路上留下信息素，后来的蚂蚁可以通过感知这种物质的强度来 判断哪一条路上走过的蚂蚁较多，从而指导自己选择前进的方向。整个蚁群就是通 过这种信息素的交流来实现搜索食物的最优路径。 具体过程是这样的：假设蚂蚁在寻找食物的路上遇到一条岔路一一向左和向 右，这两条路都可以通向食物，但是距离不同。一开始选择向左还是向右是随机的， 向哪一个方向走的概率是相同的。假设蚂蚁都是按同样的速度前进，那么在经过一 段时间后，距离较近的路上经过的蚂蚁就会比距离较远的多，当蚁群的数量很庞大 时，在较近的路上就会留下大量的信息素，后来的蚂蚁在经过岔路口时，能够感知 到哪一条路上的信息素较多，进而选择信息素多的路。最终，所有的蚂蚁都会选择 信息素多的路，也就是距离食物最近的路。 2 4 1 2 蚁群算法的数学模型 设a t ( t ) 为t 时刻位于元素i 的蚂蚁数，r uc t ) 为t 时刻路径( i j ) 上的信息量，n 表示规模，m 表示蚂蚁的总数，f = 乃( f ) l q ，c ，cc 表示t 时刻集合c 中的城市( 元 素) 两两连接j ! ：i ，上残留的信息量的集合。在初始时刻各条路径上的信息量都相等， 设为( 0 ) = s 。 蚂蚁k ( k = 1 ，2 ，明) 在运动过程中，会根据每条路径上的信息量来决定自己的 转移方向。用禁忌表正( k = 1 ，2 ，聊) 来纪录蚂蚁k 当前所走过的城市。在搜索过程 中，蚂蚁通过各条路上的信息量以及路径的启发信息来确定状态转移概率。p ! ( f ) 表 示t 时刻蚂蚁k 从城市( 元素) i 转移到城市( 元素) j 的状态转移概率： 露( f ) = 乃( r ) 卜 ( ，) r ( f ) 卜 ( f ) r ( ea l l o w e d 。) ( 2 2 3 ) s e a l l o e d , 0 其中，a l l o w e d 。- c - 疋) 表示蚂蚁k 下一步可以选择的城市，口为信息启发因子。 反映了蚂蚁在运动过程中所积累的信息在蚂蚁运动时所起的作用，值越大，蚂蚁就 越倾向于选择其它蚂蚁经过的路径，蚂蚁之间的协作性就越强；为期望启发因子， 反映了蚂蚁在运动过程中启发信息在蚂蚁选择路径中的受重视程度，值越大，则该 状态转移概率就越接近于龠心姗l j 毗) 为启发函数，啪) 2 古，吒表示两个相 华北电力人学硕十学位论文 邻城市i 与城市j 之间的距离。该启发函数表示蚂蚁从城市( 元素) i 转移到城市( 元 素) j 的期望程度。 残留信息的过多积累可能会淹没启发信息，为了避免这种情况，在每只蚂蚁遍 历了n 个城市后，要更新残留的信息。因此，对t + n 时刻在路径( i ，j ) 上的信息量 进行调整： r o ( t + n ) = ( 1 一p ) r u ( t ) + a r o ( t ) ( 2 2 4 ) h r u ( t ) = 乃( f ) ( 2 2 5 ) k = l p 表示信息素恢复系数，( 1 - p ) 表示信息素残留系数，p o ，1 ) ；z x r o ( t ) 表示在本次循 环中路径( i ，j ) 上的信息素增加量，( o ) = 0 ；乃( f ) 表示第k 只蚂蚁在本次循环 中留在路径( i ，j ) 上的信息量。若第k 只蚂蚁在本次循环中经过了( i ，j ) ，则 ：孚 k ( 2 - 2 6 ) 否则( f ) = 0 。q 表示信息素的强度，厶表示第k 只蚂蚁在本次循环中所走路径的总 长度。 2 4 1 3 蚁群算法的实现 蚁群算法的实现步骤如下： ( 1 ) 初始化参数。令时间t = 0 ，循环次数札= 0 ，最大循环次数札，将m 只蚂 蚁放在i i 个城市( 元素) 上，令每条路径的初始化信息量r ，i ( t ) = s ，s 为常数，初 始时刻a t , j ( 0 ) = 0 。 ( 2 ) 循坏次数m 卜m + 1 。 ( 3 ) 蚂蚁的禁忌表索引号k = 1 ，即蚂蚁1 遍历了1 1 个城市一次。 ( 4 ) 蚂蚁数目k1 - - k + 1 。 ( 5 ) 每一个蚂蚁是根据状态转移概率公式( 2 2 3 ) 来计算概率，从而选择向城市j 前进的， c - t , 。 ( 6 ) 修改禁忌表。当蚂蚁选择好新的城市并转移到该城市后，将该城市写进这只 蚂蚁的禁忌表中。 ( 7 ) 集合c 中所有的城市( 元素) 未遍历完，即k m ，就跳转到第( 4 ) 步，否则 执行第( 8 ) 步。 ( 8 ) 根据( 2 - 2 4 ) 式、( 2 2 5 ) 式更新每一条路径上的信息量。 1 3 华北电力人学硕+ 学位论文 ( 9 ) 当满足结束条件札k ，循环结束，输出结果；否则清空禁忌表并跳转到 第( 2 ) 步。 2 4 2 市场力对市场效率影响的研究 2 4 2 1 效率指标 市场经济效率的评价通常是用社会总福利来表示，但是电力产业的特殊性造成 了电力市场运行的结果不可能达到帕累托最优情况下的市场效率。各发电厂商都是 追求自身利益最大化的，它们所采取的产量策略不可能符合市场经济效率最优时的 产量，因此本文拟将市场出清时的发电量与市场经济效率最优时的发电量的偏离值 定义为市场效率的损失，用以衡量电力市场在某一情况下的经济效率： ：llsq-aqimei1 0 0 ( 2 2 7 )= 1 0 0 ( 2 2 7 ) i s q 其中，m e i ( m a r k e te f f i c i e n c yi n d e x ) 是市场效率指标，i s q 理想状态产量( 各发 电厂商按边际成本安排生产时的市场总产量) ，a q 市场实际总产量。 2 4 2 2 算法实现 假设发电厂商不存在合谋定价，发电厂商l 到发电厂商n 选择产量策略的过程 为路径，每一个发电厂商都有多种市场力条