（系统工程专业论文）电力市场竞价模式的博弈分析.pdf

电力市场竞价模式的博弈分析 研究生：王祝成导师：吴广谋教授东南大学 摘要 2 0 0 2 年底，国家电力公司正式“厂网分开”，新成立了五大发电集团和两 家电网公司，为实行发电商竞价上网奠定了坚实的基础，标志着中国电力市场化 改革已迈出了关键的一步。在竟价上网的过程中，所有的发电公司都想使自身的 收益最大化，而电网公司却想使购电费用最小化。在建立电力市场过程中，找到 一种有效合理的竟价模式就显得很重要，既激励发电企业强化管理、提高效率， 从而降低了上网电价，又要考虑到电力改革的市场风险与平稳过渡。 本文对国内试点的两种竟价模式( 差价合约模式与有限竞价模式) 进行了深 入研究与分析，揭示了两种竞价模式的本质区别在于发电商的上网电量小于合约 电量时收益的结算差别；运用博弈论、微观经济学、电力市场理论的相关部分分 析了在发电侧电力市场中，各发电公司和电网公司面对两种竞价模式的博弈行 为，基于发电商竟价是完全信息博弈模型，相继分析了一次性博弈和重复博弈的 均衡；在分析重复博弈时，研究了发电商合作的必要条件，为竟价规则的设计提 供了防止发电商合谋的思路；在完全信息静态博弈的基础上，建立了在两种竞价 模式下，由多个发电商参加的产量博弈模型，并给出了数学解；最后在综合比较 两种竞价模式的基础上，本文提出了某个区域电网的电源结构对选择竞价模式的 影响。 本文主要是为当前的中国电力市场改革的实旌提供一些理论支持，希望通过 对竞价模式的理论研究，深化对中国电力工业市场化改革的认识。 关键词：发电侧电力市场；差价合约模式：有限竞价模式；博弈均衡 g a m e a n a l y s i s o n b i d d i n g m o d e l so f e l e c t r i c i t ym a r k e t g r a d u a t e ：w a n gz h u c h e n gs u p e r v i s o r ：p r o f w ug u a n g m o u s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a tt h ee n do f 2 0 0 2 ，t h es t a t ep o w e rc o r p o r a t i o np u t “s e p a r a t i o no fp l a n t sf r o m p o w e rg r i d i n t oo p e r a t i o na n dn e w l ye s t a b l i s h e df i v eg e n e r a t i n gg r o u p sa n dt w o e l e c t r i cg r i dc o r p o r a t i o n s ，w h i c hl a i das o l i df o u n d a t i o nf o r c o m p e t i t i v eb i d d i n gi n e l e c t r i c i t ys u p p l y ”，ak e ys t e pf o rt h er e f o r mo f c h i n e s ep o w e rm a r k e t i nt h ep r o c e s s o f c o m p e t i t i v eb i d d i n gi ne l e c t r i c i t ys u p p l y ”，e v e r yg e n e r a t i n gc o r p o r a t i o nh o p e st o m a x i m i z ei t sp r o f i tw h i l ee l e c t r i cg r i dc o r p o r a t i o n s 、丽s ht om i n i m i z et h ee l e c t r i c i t y p u r c h a s ef e e s d u r i n g t h ec o u r s eo f b u i l d i n gp o w e rm a r k e t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt of i n d a ne f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e b i d d i n gm o d e l ，w h i c h w i l ln o t o n l y m o t i v a t et h e g e n e r a t i n ge n t e r p r i s e s t o s t r e n g t h e nm a n a g e m e n t a n d i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y , c o n s e q u e n t l yd e c r e a s i n g t h ee l e c t r i c i t yp r i c e ，b u ta l s ob r i n gt h em a r k e tr i s ka n d s t e a d y t r a n s i t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h ea u t h o rm a k e sa d e e ps t u d y a n da n a l y s i so nt w o e x p e r i m e n t a lb i d d i n gm o d e l s ( d i f f e r e n t i a lp r i c ec o n t r a c tm o d e l a n dl i m i t e d b i d d i n gm o d e l ) ，d i s c o v e n n gt h e e s s e n t i a ld i f f e r e n c eo ft w ob i d d i n gm o d e l sr e s u l t i n gf r o mt h e p r o c e e d ss e r l e m e n t d i f f e r e n c et h a ti sg e n e r a t e db yt h ef a c tt h a tt h eb i d d i n ge l e c t r i c i t ye n e r g yi ss m a l l e r t h a nt h ec o n t r a c te l e c t r i c i t ye n e r g y r e l e v a n tp a r t so fg a m e t h e o r y , m i e r o e c o n o m i c s a n dp o w e rm a r k e tt h e o r ya r eu s e dt oa n a l y z et h eg a m i n gb e h a v i o r so f t h e g e n e r a t i n g c o r p o r a t i o n sa n de l e c t r i c 鲥dc o r p o r a t i o n sw h e nf a c i n g t h et w o b i d d i n gm o d e l s i nt h e g e n e r a t i o n - o r i e n t e d m a r k e t o nt h e a s s u m p t i o n t h a tt h e b i d d i n g o fg e n e r a t i n g e n t e r p r i s e si sap e r f e c ti n f o r m a t i o ng a m em o d e l ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ee q u i l i b r i u m o f o n e s t a g eg a m ea n dr e p e a t e dg a m e t h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rt h ec o r p o r a t i o n o f g e n e r a t i n ge n t e r p r i s e si sd i s c u s s e di nt h ea n a l y s i so fr e p e a t e dg a m e ，w h i c ho f f e r sa n i d e ao nh o wt op r e v e n tt h eg e n e r a t i n ge n t e r p r i s e sf r o m c o n s p i r i n gw h e nd e s i g n i n gt h e b i d d i n gr u l e s b a s e do np e r f e c ti n f o r m a t i o na n ds t a t i cg a m e ，t h eo u t p u tg a m e m o d e l w i t l lm a n y g e n e r a t i n ge n t e r p r i s e sa sa c t o r si se s t a b l i s h e da n d am a t h e m a t i c a le x p l a i n i sg i v e n g r o u n d e do nt h ec o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no ft w ob i d d i n gm o d e l s ，t h e a u t h o r b r i n g sf o r w a r dt h eo p i n i o n t h a tt h ec h o i c eo f b i d d i n gm o d e l s c o u l db ea f f e c t e d b y t h es t r u c t u r eo f p o w e rs o u r c e si nac e r t a i nt e r r i t o r i a lp o w e r g r i d t h ea u t h o ra i m st o p r e s e n tt h e o r i e s f o rd e r e g u l a t i n gt h e e l e c t r i c i t ym a r k e t ， h o p i n gt o 缸r t h e ru n d e r s t a n dt h er e f o r mo f c h i n e s ep o w e r i n d u s t r yb y t h et h e o r e t i c a l s t u d yo f b i d d i n g m o d e l s k e y w o r d s ：g e n e r a t i o n - o r i e n t e dp o w e r m a r k e t ，d i f f e r e n t i a lp r i c ec o n t r a c tm o d e l ， l i m i t e db i d d i n gm o d e l ，g a m e e q u i l i b r i u m i l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名 日期：兰! i ：j 夕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名望l 丝逡，师签名：涅5 毛毯二日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 中国电力市场竞价模式的问题背景 2 0 世纪8 0 年代，世界许多国家和地区相继进行了电力工业市场化改革，以 提高电力行业效率，降低电力生产成本。各国电力改革模式不尽相同，这些国际 成功经验对我国电力市场化改革有着很好的借鉴作用。 1 9 9 2 年，国家电力部提出了电网要商业化运营问题，接着电力部开展了电 力市场理论研究和探索，为建立电力市场做好准备工作。1 9 9 4 年、1 9 9 5 年浙江 省和安徽省相继建立电力模拟市场，管理模式是：省电力公司分为发电、供电、 和中心调度三个环节，由省电力公司授权中心调度向发电商购电，向供电局售电， 采用了发、购电量与频率挂钩的方法对发电商、供电局进行业绩考核。南方电网 公司利用经济手段开展了省网间电力交易和转运业务，为我国建立电力市场进行 了有益的实践探索。 1 9 9 8 年，国家电力公司确定在上海、浙江、山东、辽宁、吉林、黑龙江六 省市开展“厂网分开、竞价上网”的试点工作，旨在发电领域内引进竞争，要求 各发电商将电量卖给省电力公司，由省电力公司统一将电量售给各供电局。发电 量分为合同电量和现货电量，激励各发电商参与竞价，促使各发电商之间形成竞 争。根据实际情况，不同的试点省份采用不同的竞价上网模式。总的来说，上网 模式基本上分为两种模式，第一种是“有限电量”竞价模式，第二种是“差价合 约”模式，这两种模式相同的地方都是采用单一制电价竞价，不同的地方是合约 电量的约束条件不同，竞价规则不同，由此得到的电网公司购电费用不同，市场 竞争效率也不一致。 2 0 0 2 年底，国家电力公司正式“厂网分开”，成立了两家电网公司，五家发 电集团公司。首先将竞争引入发电领域，而输、配、供仍保持垄断。五个发电集 团平均规模相差无几，而且资产在地域上交叉性分布，在客观上创造了竞争的可 能性。2 0 0 3 年6 月，国家电监会决定在华东和东北地区分别建立区域性电力市 场，区域电力市场建设进入实质性起步阶段。尽管确定在华东、东北进行区域电 力市场试点，电监会也排出了两个电力市场建设的时间表，但改革的核心问题即 竞价上网的模式仍未确定，国内试点的两种竞价模式在新形势下如何选择，关系 东南人学硕士学位论文 第一章绪论 到电力市场化改革的成败，竞价模式已作为一项重要课题在研究与探讨。 1 2 国外电力市场概况 国外电力行业的市场化改革开始的较早，到目前为止，已经形成了较为成熟 的市场模式。其中，最具代表性的电力市场模式主要有以下几种 卜。】。 1 2 1 澳大利亚电力市场 澳大利亚的电力市场由现货交易、短期期货交易、长期差价合同三部分组成。 其中现货交易要求所有符合要求的发电商必须通过现货交易市场竞价卖电，该价 格由每半小时的供需平衡决定。短期期货交易主要是买方用以减少意外引起价格 突涨的风险，这种报价只限提前一到两天的时间；长期差价合同是电力市场交易 中的一个选项，用以减少市场风险。国家电力市场管理公司负责运营全国电力市 场，并负责对系统执行集中统一调度。 1 2 2 美国电力市场 美国电力工业改革实行发电逐步自由化。1 9 8 4 年，缅因州首次采用发电侧 竞争招标，此后多个州采用招标方式；1 9 9 4 年，墨西哥州开始转供试点，各发 电公司开展趸供竞争；为促进经济功率交换，佛罗里达卅| 建立了电力经纪人系统， 电力经纪人系统功能类似电力库的功能，各电力公司每小时报价，由电力经纪人 系统在全局最优的基础上进行贸易匹配，电力经纪人系统给参与者带来了很大的 利益，提高了电力公司整体运行效率；1 9 9 8 年，加州实行自愿电力库模式，实 行双边交易或电力库市场竞价，8 5 的电力是在电力交易中心成交。位于美国东 北部，p j m 电力市场服务区跨宾夕法尼亚、马里兰、新泽西、特立华、费吉尼亚 洲、西费吉尼亚洲、俄亥俄州、哥伦比亚特区，市场交易自愿参与，包括提前一 天现货电能交易、实时电能交易、输电权交易、容量信用交易以及调频交易等多 种交易。各州改革的基本模式是开放电网使用权、逐步开放用户选择权，但改革 进程不同。 1 2 3 北欧电力市场 北欧电力市场是目前世界上唯一的跨国电力市场。挪威、瑞典、芬兰、丹麦 四个国家先后进行了模式类似的电力市场化改革，并建立了北欧联合电力交易市 场。联合交易市场是自愿参与的市场，包括现货交易、期货交易、期权市场和平 衡市场组成。在期货市场与期权市场中，市场参与者通过签订预约合同或者契约 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 合同来回避将来可能的价格波动风险。期货交易与期权交易的区别在于期货交易 不用定金，但到期必须履行，期权交易要付定金，到期可以不履行合同，但损失 定金。在现货市场中，采用边际定价方法确定系统电价( 所有发电商报价形成的 供给曲线和所有需求报价形成的需求曲线的交点就是系统电价) ；在平衡市场中， 在运行前两小时，各发电商在既定的发电量基础上增出力或者减出力报价，交易 中心采用边际定价方式进行结算。各国电网公司的调度中心负责各自系统的安全 运行与控制，通过建立电力平衡市场和平衡机制来解决系统实时平衡问题，同时 通过合同购买各种辅助服务来维护系统的安全运行。 1 2 4 英国电力市场 英国新电力市场主要包括长期市场( 一年或更长) 、中期市场、短期市场、实 时市场。其中长期市场基于年度基本负荷，通过交易人的双边交易来完成。中期 市场基于季度、月或周的基本负荷，可以通过双边交易或由交易中心产生竟价。 在长期合同市场建立的基础上，进行衍生交易市场，如电力期货交易市场和电力 期权交易市场。短期市场和实时市场通过电力市场联营体实行电力现货交易，依 照规程，发电商将电卖给电力联合运营中心，大用户或供电公司向电力联合中心 购电。每天各发电公司向电力联合中心报上第二天机组的每半小时运行数据，包 括电量、电价及启停费用，电力联合中心根据以上数据进行排序，不仅取决于电 价，还要考虑机组调整负荷灵活性及所处位置。根据全网成本最低的原则，确定 发电计划和电价，电力市场采用全网统一电价。确定足够的发电容量以保证系统 的安全运行，使得发电和负荷在合理的价格之下达到供求平衡。 1 2 5 国外电力市场模式的启示 总结各国电力市场改革情况，电力市场交易大多由中长期市场与短期市场组 成，不能认为只有现货和实时电力市场才是真正的竞争，才能真实地反映电力资 源的稀缺程度。因为电力市场除了竞争性，还有计划性，要在更长的时间范围内 安排电力生产，组织中长期交易。电力交易一定要有长远计划，要有足够的时间 进行竞争，只有这样，价格才能越接近真实的成本，避免超额利润。另一方面， 进行电力中长期交易有利于电网的安全稳定运行，这是因为电网调度中心有足够 的时间考虑交易计划的安全性。如果在电力市场化改革中，忽略了电力系统安全， 由此产生的损失将远远超过搞电力市场所获得的效益。因此，在进行电力市场化 的改革过程中，在每天交易电量中，大部分电量应在中长期电力交易中成交，少 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 量部分才在现货市场上交易。这将有利于电价的平稳和电网安全稳定运行。 1 3 国内电力市场竟价模式的概述 1 9 9 8 年，国家明确提出：推进“厂网分开，竞价上网”，引入竞争机制，建 立规范有序的电力市场。为稳妥起见，国家要求上海、浙江、山东作为第一批试 点单位，率先开始“厂网分开，竟价上网”的改革，东北三省紧随其后。六个试 点电网依据本地区的实际情况，学习和借鉴国外经验，本着稳妥试行、逐步实现 正式实施。吉林首先于1 9 9 9 年2 月开始正式运行，除辽宁电网还处于模拟阶段， 浙江、上海、山东、黑龙江也从2 0 0 1 年1 月相继进入正式运行。各试点单位在 “发电商与电网经营管理权分开，发电商产权隶属关系暂不改变；电网、交易与 调度为一体，电网经营企业为单一购买者；竞价采取单一制电价模式”三个基本 前提下进行竞价上网改革。考虑到各自电力供求状况、管理水平等实际情况的不 同，各电网相应制订了适合自身电力市场发展的竞价模式【4 】。 浙江省发电市场的“单一购买者+ 差价合约”竞价模式是在吸收澳大利亚国 家电力市场模式的基础上，针对浙江电网的实际情况开发的。“单一购买者”指浙 江省电力公司，作为购买参与竞价的发电商的上网电量的唯一购电方。差价合约 指购、售电双方在政府物价部门的支持下确定每一年度的合约电价和合约电量， 差价合约的本质是购售电双方为了回避现货交易的风险而签订的一种合同。当现 货市场价格低于合约价格时，购货方应将少于合约价格支付的差价仍然支付给售 货方。如果现货市场价格高于合约价格，则售货方应将多于合约价格收来的部分 退还给购货方，这样就可以回避市场价格风险。 上海电网采取“长期合同电能交易+ 实时电能交易+ 协议电价电能交易”竞价 模式。长期合同电能交易是指按国家批复电价结算的电量上海市电力公司与竞价 发电商进行的电能交易；实时电能交易是指竞价发电商通过竞价与上海市电力公 司进行的电能交易；协议电价电能交易是指上海市电力公司与跨省电网经营企 业、非竞价发电商进行的电能交易。 山东、辽宁、黑龙江电网分别实行“单一购买者十双轨制上网电价”、“履行 合约、竞价超约”、“合约电量+ 限量竞价”限量竞价模式。各省电力公司作为单 一购买者统一收购所有上网电量，发电商与电网签订购电合同，约定电量，按国 家核定的电价，由电网收购发电商的合同电量；建立实时电力市场，对超过合同 东南犬学硕士学位论文第一章绪论 电量的部分，发电商通过竞价上网发电。 吉林电网目前采取“有限电量离线竞价上网”模式。有限电量为全年基本计 划电量，其余电量为竞价电量：离线竞价指非实时竟价。该模式逐月确定竞价上 网电量额度，以最后一个发电企业的报价作为成交结算价格。 根据对合约电量的处理方式不同。上述试点的竞价模式可概括为两种，即差 价合约竟价和有限电量竞价。浙江属于差价合约竞价模式，通过竞价能够上网的 电量才按合约差价结算；其他五省( 市) 电网则先按购电合同收购合同电量后，超 过合同电量的上网电量按市场价结算，属于有限电量竞价模式。两种竞价模式的 操作过程描述如下： 1 3 1 有限电量竞价模式 每年电网公司首先要和每个参与市场的发电商签订购电合同，明确合同电量 和合同电价，然后将合同电量分解到每个交易日或交易日的每个时段。每天的实 际上网电量需要通过竟价上网获得，每天电网公司预测第二天的网上电量需求曲 线，发电商根据需求曲线向电网公司申报第二天上网电量的报价曲线，电网公司 按所报价格由低到高排序，价格低的优先安排调度电量，直至电量分解完为止。 最后中标发电商的报价为统一结算的现货价格。发电商根据实际上网电量按日结 算，实际上网电量在合同电量以内的部分按合同电价结算，超出合同电量以上的 部分按现货电价结算，如实际上网电量小于合同电量，则按合同电价结算，每年 竞价上网电量约占总电量的1 5 左右【5 j 。 有限电量竞价模式中，市场电量包括合同电量和现货电量，其中合同电量是 保证各发电商有一定的机组利用小时数，现货电量是拿出一小部分用于发电企业 参与竞争，鼓励发电成本低的企业多发电。在试点初期，竞价上网电量占发电总 量的1 0 1 5 较为适宜。随着改革的深入，竞价上网电量份额可不断加大，竞 争将会更加激烈。 1 3 2 差价合约竞价模式 每年电网公司首先要和每个参与市场的发电商签订差价合约取代原来的购 电合同，明确合约电量和合约电价，然后将合约电量分解到每天交易日的四十八 个时段。每天电网公司预测第二天的网上电量需求曲线，发电商根据此信息向电 网公司申报第二天上网电量的报价曲线，电网公司按所报价格由低到高排序，价 格低的优先安排调度电量，直至电量分解完为止。最后中标发电商的报价为统一 东南大学硕士学位论文第一章绪论 结算的现货价格。发电企业的收入由市场交易电量收入和差价合约收入两部分组 成，市场交易电量收入由市场交易电量乘以市场交易价格形成，差价合约收入是 由合约电价与市场交易价格之差乘以合约电量形成，这部分收入可正可负。引入 差价合约收入机制，使得差价合约收入与现货市场价格的高低成反比。即现货市 场价格低于合约电价时，差价合约收入为正数，发电企业除了能拿到市场交易电 量收入外，还能拿到差价合约收入，保证了发电企业的收入。当现货市场价格高 于合约电价时，则差价合约收入为负数，发电企业的收入是市场交易电量收入减 去差价合约收入，保证了电网企业的利益。这样的机制比较好地保证和平衡了购 售电双方的利益，规避了市场价格的风险。 1 4 中国电力市场改革的目标 在现行调度体制的基础上有计划地建立和发展电力市场，目标是建立省级、 区域级、国家级电力市场。省级相互连接成为区域级，区域级相互连接成为国家 级。国家级电力市场负责全国电力市场的研究与监督，负责国家级电力市场操作 ( 操作内容一般包括各区域级电力负荷、电价的预报，电力交易和结算) 。区域级 电力市场监督各省级电力市场，负责区域级电力市场操作( 操作内容一般包括区 域级、省级电力负荷、电价的预报，电力交易和结算) 。省级电力市场监督地区 级电力市场，负责省级电力市场操作( 操作内容一般包括省级电力负荷、电价的 预报，电力交易和结算) 。 电力工业从一体化垄断模式向竞争的市场模式转变是一项艰巨复杂的任务， 需要慎重而行。国际电力市场改革的经验告诉我们，电力工业打破垄断的改革必 须根据本国电力发展已形成的特点选择适当的模式，经过研究论证，制定目标明 确的计划，并在法律法规的支持下，逐步有效地实施。中国的电力市场改革也应 该借鉴这样一条原则。中国电力市场化改革将从“厂网分开、竞价上网”开始， 配套开展大用户和配电网直接供电的试点工作，并在试点工作基础上，逐步推进 输配分开、售电环节引入竞争机制的改革，具体为以下三个循序渐进的环节。 1 4 1 发电侧电力市场阶段 在该阶段，电力系统中各发电商与电网分开，成为独立的法人；发电市场存 在唯一的买电机构，各个发电公司相互竞争，向这个机构提供电力，电网经营机 构向发电公司买电并向配电公司或用户供电；输电网、配电网仍然垄断经营。此 6 东南大学硕士学位论文第一章绪论 阶段电力交易模式可概括为“l + n ”模式，“l ”是指电力市场的单一购买者，即 电网经营企业；“n ”是指参与市场竞争的各个独立发电企业。用户不能与发电 商签订购电合同，只能由电网经营企业采用趸售或零售的方式供电。电网经营企 业作为电力供应的中间环节，肩负着电力调度和电力交易的双重任务，必须每时 每刻做到供需平衡。为了防范供电不足或购电价格过高的风险，电网经营企业必 须与发电公司签订一定数量的中长期合同。在有限竞价模式和差价模式中，设计 者都考虑到了中长期合同部分。此阶段可以看着是运用市场机制、开展商业化运 营的最初阶段，在技术设备、人员素质、运行管理尚未达到一定先进程度时，为 尽快提高电力工业的综合水平，保障社会用电和国民经济的发展，可采用这一模 式。 1 4 2 输电网开放，多个购买者阶段 在发电和电网分离后，输电和配电分开经营，发电竞争；输电网放开，并提 供有偿服务；配电公司仍然对最终用户垄断经营。在这种模式下发电公司既可以 将电卖给电网经营管理机构，又可以将电卖给售电公司或大用户。电网公司独家 垄断经营输电环节，负责网际功率交换、电网安全运行及电力市场运作，并负担 电力的运输功能，收取过网费。市场参与主体是：区域电网公司、省电力公司、 发电公司、配电公司。这一阶段的电力市场要素逐步完善，竞争力度增大，是电 力市场的成长阶段。 1 4 3 零售竞争阶段 配电网与输电网一样，都向用户开放，售电公司不再对c t l d , 用户垄断经营， 发电商要接受用户的选择，同时也获得选择用户的权利。零售商向用户发出告示， 用户根据电价及服务质量选择零售商，与零售商签订供用电合同；这一阶段，不 仅在发电环节，而且在零售环节，都展开完全的竞争。市场参与主体为：国家电 网经营企业、区域电网经营企业、省电力公司、发电公司、配电公司、从事售电 业务的公司、用户。此阶段选择和竞争范围加大，市场竞争更为激烈，竞争各方 承担风险，形成了有效的降低生产成本的激励机制。此阶段需要建立十分完备的 法律法规和功能完善的技术支持系统，是电力市场的成熟阶段。 上述三个阶段是中国电力市场模式逐步升级、市场开放程度逐步扩大、市场 要素逐步完善、竞争力度逐步增强的过程，也是电力企业改革和政府机构改革逐 步深化的过程。目前中国正处于第一阶段发电侧电力市场阶段的建设过程中， 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 0 2 年底，国家电力公司正式“厂网分开”，成立了电力监管机构，为实现发电 企业竞价上网改革铺平了道路。 1 5 本文研究的方法及主要内容 当前中国正在建立发电侧电力市场，以促进发电企业提高效率，降低生产成 本。在此阶段，电力系统中各发电商与电网分开，成为独立的法人；发电市场存 在唯一的买电机构，各个发电公司相互竞争，向这个机构提供电力；电网经营机 构向发电公司买电并向配电公司或用户供电；输电网、配电网仍然垄断经营。用 户不能与发电商签订购电合同，只能由电网经营企业采用趸售或零售的方式供 电。改革的核心问题即竞价模式的选择已作为一项重要课题进行研究与探讨。国 内已经试点的竞价模式主要包括有限竞价和差价合约竞价两种模式，在试点时， 发电商与电网经营机构产权并没有分开，只是在公司内部实行管理权的分割，希 望通过建立内部模拟市场来提高运行效率，优化资源配置，发电商由于产权没有 独立，就不能实现真正意义上的市场竞争，所以在两种竟价模式下实行的发电商 竞价上网也要大打折扣；现在发电商与电网公司产权已完全分开，发电商和电网 公司都取得了独立法人资格，两种竞价模式对发电商和电网公司的生存与发展必 将影响深远，发电商可以开展真正意义上的市场竞争，进行竞价上网。作为单一 购买者的电网公司，不仅要负责整个电网的负荷调度工作，而且要负责整个电网 的电力交易工作，同时也面临着一定的市场价格风险。在新建的发电侧电力市场 中，分析两种竞价模式是如何影响发电商的竞争与合作就尤为重要。在某个区域 性电力市场中，发电商的数量总是有限的，具有寡头竞争市场的典型特征，本文 运用博弈论、微观经济学、电力市场理论的相关知识，进行研究发电商和电网公 司在两种竞价模式下的博弈行为。首先对两种竞价模式的发电商收益公式进行了 研究分析，阐述了它们的本质区别；然后分析了国内发电侧电力市场的竞争格局， 基于完全信息静态博弈模型进行讨论发电商的博弈均衡，接着将博弈扩展为重复 博弈、不完全信息博弈、多个参与人博弈模型进行深入讨论，以探索在新的发电 侧电力市场中两种竟价模式对发电商和电网公司的影响。 本文主要运用博弈论理论知识研究在两种竞价模式下发电商的博弈行为，在 撰写过程中涉及到了电力市场理论和微观经济学的相关部分。在第二章中将详细 介绍这些理论的相关部分。 8 东南大学硕士学位论文 第= 章分析竞价模式的主要理论 第二章分析竞价模式的主要理论 2 1 博弈论及基本概念 博弈论( g a m et h e o r y ) ，是专门研究理性个体之间相互冲突和合作的学科【“。 1 9 4 4 年，诺依曼( n e u m a r m ) 和摩根斯坦( m o r g e n s t e n ) 合著的博弈论和经济行为 标志着系统的博弈理论的初步形成，二十世纪五十年代初，纳什( n a s h ) 的两篇非 合作博弈论的奠基性论文发表后，博弈论得到了飞速发展，不过，博弈论真正得 到重视还是近十多年的事。合作博弈论和非合作博弈论是博弈论的两个组成部 分，不过这些年来，后者不仅发展速度更快，而且在经济学等其他学科中的应用 也更为广泛。博弈是指一些个人、团队或其他组织面对一定的环境条件，在一定 的规则下，同时或先后，一次或多次，从各自允许选择的行为或策略中进行选择 并加以实施，从中各自取得相应结果的过程。因此很多领域都能应用博弈理论来 解决问题，例如军事领域、经济领域、政治领域，解决诸如战术攻防、定价定产、 国际纠纷等问题。 2 1 1 博弈论的基本概念 博弈的参加者 也祢局中人或博弈方，是指博弈中能独立决策、独立行动并承担决策结果的 个人或组织。小到一个人，大到一个跨国公司乃至一个国家，只要能独立决策和 行动，都可视作个博弈方。比如柯达与富士公司的竞争，就可看作为有二个博 弈方的博弈。一般说来，博弈的参加者越多，情况就越复杂，结果越难预料。 策略空间 是指各博弈方可选择策略的集合。每一个策略都对应一个相应的结果。因此 每个蹲弈方可选的策略数量越多，博弈就越复杂。战略是参与人选择行动的规则， 它告诉参与人在什么时候选择什么行动( 如“人不犯我，我不犯人：人若犯我， 我必犯人”是一种战略，这里，“犯”与“不犯”是两种不同的行动，行动是参 与人的决策变量：战略规定了什么时候选择“犯”，什么时候选择“不犯”。) 。 进行博弈的次序 博弈中各博弈方行动的顺序对于博弈的结果是非常重要的，同样的博奔方、 同样的策略空间，先后决策并行动和同时决策行动，其结果是大相径庭的。 9 东南大学硕士学位论文第二章分析竞价模式的主要理论 博弈的信息 信息指的是参与人在博弈中的知识，特别是有关其他参与人的特征和行动的 知识，知己知彼、百战不殆，可见信息对博弈的重要性古人早已知之。博弈中最 重要的信息是有关对手策略以及各博弈方支付的信息。例如，在各博弈方同时决 策的博弈中，必须保证不能让对手知道自己采取何种策略，否则自己将永远是博 弈的输家。 支付函数 是参与人从博弈中获得的效用水平，它是所有参与人战略或行动的函数，是 每个参与人真正关心的东西。一般用u ，表示第i 个参与者的支付函数，用 “，0 1 ，一，) 表示参与者选择战略( 口l ， 一，) 时第i 个参与者的收益。 纳什均衡( n a s he q u i l i b r i u m ) 一个博弈的“解”，也就是该博弈最可能出现的结果，称为“均衡” ( e q u i l i b r i u m ) 。博弈论有多种均衡的概念，其中最重要、最基本的是纳什均衡。 如果局中人所选的战略处于这样一种状态，在其他局中人不改变当前战略的前提 下，任何一个局中人都无法单方改变自己的战略而获取更高的支付，则称博弈达 到了一个纳什均衡。 用数学方法描述：在r 1 个参与者博弈g = 扛1 ，一，；“l ，一，u n 中，如果战略组 合k 。，a n 满足每个参与者i ，q 是它对其它0 1 ) 个参与者所选战略 g ：k 。，口。，口。，+ 的最优反应战略，则称战略组合k ，巳j 是该博 弈的一个纳什均衡， 即：虬。，以一。，口，。以+ 。，) 虬( ，。以，钆，) 对任意的 q a 都成立，q 是m a ) 【虬( 口l ，口f - j + ，q ，口+ ，) 的解。 子博弈 是能够自成一个博弈的某个动态博弈的从其某个阶段开始的后续阶段，它必 须有一个初始信息集，而且具备进行博弈所需要的各种信息。 触发战略 触发战略就是博弈方之间首先试探合作，一旦发觉对方不合作则也用不合作 进行报复，利用有后续阶段博弈的制约作用达成均衡的策略。 值得注意的是，博弈论特别强调“理性人”的前提假定，即参加博弈的各博 1 0 东南犬学硕士学位论文 第二章分析竞价模式的主要理论 弈方始终以自身利益最大化为惟一目标。除非为了实现自身最大利益的需要，否 则不会考虑其他博弈方或社会利益。 2 11 2 博弈模型的分类 博弈模型可以从不同的角度划分成不同类别【1 1 ： 按博弈方划分，可分为单人博弈和多人博弈 单人博弈因为只有一个博弈方，所以它已退化为一般的最优化问题。经济学 中常见的最优问题，实际上是博弈的特例。多个博弈方的博弈较单人博弈复杂， 而且两人以上的博弈会出现合作博弈问题。这样，多方博弈又将分为合作博弈与 非合作博弈。因为在社会与经济关系中，竞争与不合作是基本方面，所以当前的 博弈论主要研究的是非合作博弈。 按策略空间划分，可分为有限策略博弈和无限策略博弈 因为每一种策略都相应地对应一个支付结果，所以从理论上讲，有限策略博 弈的结果必然是有限的，而无限策略博弈的结果则有无穷多种可能。 按照进行博弈的次序划分，可分为静态博弈和动态博弈 各博弈方可同时决策并行动的博弈称为静态博弈。当然，严格讲各博弈方在 非常精确的同一时点同时决策是不可能的，因此，同时决策是指可近似地看作同 时作决定的过程，如乒乓球团体赛的出场顺序，双方决策可能有早有晚，但一旦 敲定便谁也不许变更，因而可看作同时决策。各博弈方不是同时决策，而是先后、 依次决策、行动的博弈叫动态博弈。弈棋就是一种典型的动态博弈，双方的每一 步都将取决于前面的情势。 按照信息划分，可分为完全信息博弈与不完全信息博弈 完全信息是指各方对自己每种策略的支付情况完全清楚，否则是不完全信 息：在动态博弈中，如按博弈进程信息分类，可分为完美信息动态博弈与不完美 信息动态博弈。完美信息，是指博弈方在决策前对其他博弈方的行为完全了解， 否则是不完美信息。 按照支付情况划分，可分为零和博奔、常和博弈和变和博弈。 一方收益必来自另一方的损失，这样的博弈叫零和博弈，零和博弈的博弈方 始终是对立关系；各方都会有收益，但收益总和是一固定常数，这样的博弈为常 和博弈；各方不同的策略组合会有不同的收益，这样的博弈称变和博弈。显然， 零和博弈是常和博弈的特例，常和博弈是变和博弈的特例。 东南大学硕士学位论文 第二章分析竟价模式的主要理论 综合分类 综合分类是将博弈次序与博弈信息结合起来的一种分类方法。按这两个标 准，可将博弈分为：完全信息静态博弈、不完全信息静态博弈、完全信息动态博 弈、不完全信息动态博弈。与上述四类博弈相对应的四个均衡概念：纳什均衡、 贝叶斯纳什均衡、子博弈精炼纳什均衡、精炼贝叶斯纳什均衡。 2 1 3 博弈均衡解的一般求法 对于能用支付矩阵表示的静态博弈，可以应用划线法和箭头法来求解。 从纳什均衡的定义可以看出，各博弈方都不愿单独改变策略的策略组合就是 纳什均衡。对于可以用支付矩阵表示的博弈，求解博弈通常用划线法和箭头法， 它们的思路就是在寻找各博弈方都不愿或不会单独改变自己策略的策略组合，只 要这种策略组合存在而且是唯一的，博弈就有确定的解。两种方法具体如下： “划线法”是通过在每一博弈方针对对方每一策略的最大可能支付下划线以 求解博弈的方法。划线法是一种非常简便的方法，如果某个支付数组的支付数字 下都划有短线，那么该支付数组就是一个纳什均衡解，但是否能得到确定性的解， 要看是否存在唯一的每个支付数字下都划有短线的支付数组了。 “箭头法”是通过反映各博弈方选择倾向的箭头寻找稳定性的策略组合求解 博弈的方法。“箭头法”的思路是对博弈中的每个策略组合，判断各博弈方能否 通过单独改变自己的策略而改善自己的支付，如能，则从所考察的策略组合的支 付引一个箭头到改变策略后的策略组合对应的支付。这样对每个可能的策略组合 都检查过以后，根据箭头反映的情况来判断博弈的结果。如果存在一组只有指向 它的箭头而没有指离它的箭头的支付数组，则该支付数组就是一个博弈的解。 当博弈方多于两个或存在无限多种可选策略的博弈，可运用严格下策反 复消去法或函数极值求解。两种方法分别如下： “严格下策”就是不管其他博弈方的策略如何变化，自己的某一策略给它带 来的支付总是比其他某些( 不必是全部) 策略给它带来的支付要小，该“某一策略” 就称为相对于“其他某些策略”的“严格下策”。如果通过比较发现某博弈方的 某策略是相对于它的其他某些策略的“严格下策”，则将它从该博弈方的策略空 间中去掉，这样只需要在剩下的较小的策略空间中进行分析。在该博弈方余下的 策略空间和其他博弈方的策略构成的策略组合中，仍然要检查是否还有“严格下 策”，如有，则再将其从相应博弈方的策略空间中去掉，如此反复，直到各博弈 东南火学硕上学位论文 第二章分析竟价模式的主要理论 方找不到任何“严格下策”。如果最后只有唯一的策略组合幸存下来，则容易理 解它一定是该博弈的解。这种求解博弈的方法称为“严格下策反复消去法”。“严 格下策反复消去法”可以简化博弈，但它不一定能得到确定的结果，经常与划线 法、箭头法结合起来运用。 函数极值法是利用划线法的原理，即在其他博弈方的一定策略下本方能够实 现自身最大支付的策略，这与数学中的函数在一定条件下求最大值是同样的道 理。对于研究的博弈有两个以上博弈方，每个博弈方有无限多种策略时，博弈方 的支付函数为连续函数，可以根据数学中求最大值的方法，求出各博弈方在给定 的其他博弈方策略时能实现自身最大支付值的策略，通过建立的方程组以求得纳 什均衡解。 对于研究的博弈不是同时，而是先后、依次进行选择或行动的动态博弈， 通常运用逆推归纳法。 动态博弈的结果不是取决于博弈方某个阶段的行为，而是取决于他们整个博 弈过程中的行为，研究动态博弈就是要求出博弈方在整个博弈过程中的战略计 划。当各博弈方对前一阶段的结果都能全部知道，博弈方都不愿意单独改变自己 的整个策略计划时，称此时达到了“子博弈完美纳什均衡”，相当于静态博弈中 的纳什均衡意义，博弈方的支付是各个阶段支付的总和。 逆推归纳法是寻找动态博弈的子博弈完美纳什均衡的基本方法，该方法的思 路就是从动态博弈的最后一个阶段或最后一个子博弈开始，逐步向前倒推以求解 动态博弈的方法。 对于重复博弈，通常分为