（电力系统及其自动化专业论文）基于市场力分析的发电报价仿真研究.pdf

声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此申明。 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： 日期： 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 1 1 1 选题背景 第一章绪论 随着现代科技和经济理论的发展，自2 0 世纪9 0 年代以来，电力行业改革的浪 潮席卷全球。电力改革的重点是建立竞争性的电力市场，打破传统的垂直一体化的 行业垄断组织结构，引入竞争机制。电力改革的目标在于提高电力生产效率，降低 成本，优化资源配置，达到社会效益最优。目前，国际上已有数十个国家的电力市 场已处于运营之中。智利、英国、美国、澳大利亚、北欧等国的电力市场改革给其 电力工业注入了新的活力，并激励了世界上其他国家的市场化发展过程。尽管有失 败的教训，而更多的是成功的经验。 放松管制、引入竞争、实现电力工业市场化是不可逆转的历史趋势，也是电力 工业发展进程中的一次深刻的革命。我国的电力市场改革在世界改革大潮的推动下 也正在逐步深化。2 0 0 2 年初国务院颁发了关于电力体制改革方案的国发2 0 0 2 1 5 号文件，拉开了新一轮电力改革的序幕。本轮电力工业改革的主要内容是在发电环 节中引入竞争机制，电力体制改革方案提出要在“十五”期间实行网厂分开、 竞价上网，“初步建立竞争、开放的区域电力市场，实行新的电价机制”。之后， 五大发电集团公司的成立为实现“厂网分开，引入竞争”，提供了坚实的“物质基 础”，这是我国电力工业改革的新里程碑。 电力市场的模式是多种多样的。各国电力工业根据自己的国情对发、输、配和 售四个环节的开放程度不同，电力市场的模式也各具特色，但无论采用何种模式， 有一点是不变的，即发电领域开放，允许多种所有制成分、多种经济形式的发电厂 存在，引入竞争机制。与垄断环境相比，发电商在电力市场环境下的运营方式和经 济策略有了本质的不同，面临着前所未有的机遇与挑战。 1 1 2 选题意义 在电力市场竞争环境下，发电商作为一个独立的经济实体，通过申报发电出力 和电价，由市场竞争形成发电计划和结算电价。因此，发电商所面临的关键问题是： 在竞争条件下，如何确定最优的报价策略以实现自身利润最大化。 华北电力大学硕士学位论文 在理想的、完全竞争的电力市场中，市场结构和运营规则等应设计良好，能够 引导市场进入一种充分竞争的状态，以实现社会效益的最大化。换句话说，在理想 情况下，市场结构和规则应无漏洞可钻，市场主体的最优投标策略是将电力价格设 定在边际成本。如果一个发电商没有以边际成本作为投标策略，而试图通过利用市 场结构、市场法规等的不完善来增加利润，这种行为就是策略性的投标。如果发电 商可以通过策略性的投标而非降低成本来成功地增加利润，则称该发电商具有市场 力。行使市场力的行为可危害系统运行或引起市场价格明显高出其成本，这是需要 监管的。然而，电力市场不是完全竞争的市场l ”，而是更接近于寡头垄断市场。这 是由电力工业的特殊性所决定的，如有限数目的发电商、大的投资规模、输电约束 和输电损耗等。这些因素决定了在电力市场中，某些地区可能只有少数发电商提供 电力，这些发电商可以采取策略性的投标或者通过行使市场力1 2 ，”，来增加利润，实 现利润最大化的目标。 因此，对于发电商而言，他们强烈地希望可以获得尽可能多的收益，通过研究 发电商的报价策略，使其在竞争中处于更加有利的地位；而电力市场监管机构则需 通过研究报价策略，从中发现市场存在的缺陷，尽早使之得到修正和完善，来保障 市场的良性运营。可见，研究发电商报价策略具有相当重要的理论意义和实践价值。 此外，为进一步模拟市场的行为，验证市场模式，提高市场运作决策的预见性 和安全性，为各市场参与者的报价策略调整提供辅助性的工具，并对其经营决策、 经营效果做出整体评估和预测指导，迫切需要建立完备的电力市场仿真系统。而对 发电商报价策略的研究在电力市场仿真系统中占有相当重要的地位。 1 2 国内外研究现状 随着电力市场的不断深化，发电商报价策略的研究工作得到了日益广泛地重 视。因此，国内外大量的专家学者、各交易主体和政策制定者等开展了大量且广泛 的研究工作，且取得了一定的研究成果，对电力市场运营产生了积极而重要的作用。 但是，由于市场角色和出发角度的不同，研究的侧重点不同，得到的结论也不尽相 同。 1 2 1 国外研究动态 文献【4 】首次针对英格兰和威尔士电力市场研究了发电商的投标策略问题，构造 了一个概念化的投标模型，提出了以动态规划为基础的方法。采用概率方法来模拟 其他发电商的投标行为，并计及负荷变化、机组启停成本等因素。但该模型基于一 华北电力大学硕士学位论文 个假设，即市场出清价不受任何一个发电商的投标策略影响( 即电力市场是完全竞 争的) ，这个假设在非完全竞争的电力市场中是不成立的。 文献【5 】在统一出清价和一些假设条件下对电力市场中发电商的竞价行为进行 了建模。通过对一系列竞价方程式的求解，报价员最大化了他们的期望收益并最终 形成了最优报价策略。该文献的研究结果表明发电商有报高于他们产品成本价的动 机。具体高报多少要依赖于他们赢得竞标的概率，这个竟标概率可以通过对所有发 电商的成本分布，市场需求和参与报价的发电商的数目建模计算得到。该文献假设 了各发电商的成本是公共信息，这与发电成本是私有信息的实际情况不符。 文献【6 】针对日前现货市场提出了一种新的构造最优报价策略的方法，文中假设 了每个发电商提交线性的报价函数，系统操作员以购电费用最低来选取竞价机组。 每个发电商通过选取线性报价函数中的策略系数来实现利益最大化。文献先构造收 益函数，然后用两种方法来解决该随机最优化问题，即蒙特卡罗法和最优化算法。 在求解最优报价策略的过程中，文献假设线性报价函数中的两个系数服从正态分 布，稍有不妥。 文献【7 】针对目前市场提出了用模糊数学和人工神经网络相结合的方法来构造 发电商报价策略。该文首先运用模糊数学的方法将日负荷曲线分为峰、平和谷三段； 其次，在将发电商分为强竞争性的和弱竞争性的；然后在此基础上运用人工神经网 络的方法来构造发电商竞价策略。其中模糊数学的运用是为了减少人工神经网络的 训练数据和减少它的输入节点。最后该文用i e e e 3 0 母线系统来证明该方法的有效 性。该文献在构造最优报价策略时，将发电商按竞争性强弱分类的思想很有创新性， 值得借鉴。 文献【8 】针对双向报价市场利用博弈论中的纳什均衡理论，研究发电商报价策 略。在双边电力市场中，发电商投标竞争发电量，而购电方( 用户) 只接受不高于 其报价的发电商的标价。该文通过对简单的3 个发电商和2 个用户成本矩阵研究， 利用代数方法求出了纳什均衡解，并推广到了n 个发电商和m 个用户的情况，具有 一定的理论意义。但其假设较多，如假设所有发电商的发电成本为已知的，在实际 电力市场中很难得到满足。 文献【9 】针对日前交易市场引入了q 学习型运算方法，该方法类似于动态规划法， 通过对状态行动下的收益的比较，形成最优的报价策略。利用q 学习型运算方 法形成的报价策略平衡了期望收益和风险之间的矛盾。文中假设了日前电力交易市 3 华北电力大学硕士学位论文 场是完全竞争的，发电商没有市场力并且该市场的结算方式是按各自报价结算。由 于该方法应用的假设条件过于苛刻，有一定的局限性。 文献 1 0 1 运用时间序列模型来预测次日的边际电价，以此来指导发电商报价。 该文提供了两种非常有效的电价预测模型：动态回归模型和转移函数模型，这两个 模型在预测时可以相互验证。通过对边际电价的预测，可以形成比较有效的报价策 略。而边际电价的准确预测需要大量的历史数据，在电力市场运行初期不适宜使用 该方法指导报价。 文献1 1 1 1 提出了一个发电商获得最优报价策略的框架。该文用一种回归预测模 型来估计次日每小时的边际出清价的概率密度函数。通过这些预测到的概率信息来 形成发电商的最优报价策略。该文得到报价策略简单有效，但存在与文献【7 l 相同的 问题，不能运用于电力市场运行初期。 文献 1 2 1 分析了电力市场中按统一出清价结算和按各自报价结算的竞价机制， 并运用博弈论和拍卖理论分析一个大发电商和一个小发电商之间的竞价行为。与预 测得到的“等收入理论”结论相反，该文证明了当需求没有弹性时，只有两个发电 商的博弈情况下，由纳什均衡理论所得结果表明，按各自报价结算的购电费用比按 统一出清价结算的购电费用低。该文还推广到需求具有弹性的情况，此时，按各自 报价结算的竞价机制下的成交电量较大。本文通过分析两个发电商之间的博弈过 程，得到了纳什均衡解，把此均衡解作为两发电厂的最优投标策略。该文的理论意 义较大，由于仅讨论了两个方电商之间竞争的策略，实际应用价值较小。 文献 1 3 1 运用优化理论解决报价策略问题。首先，将报价策略问题描述为两层 最优化问题。第一层是市场参与者在一定约束下尽可能的最大化各自的期望收益； 第二层是独立系统操作员用最优潮流的方法分配电量以最小化系统的总成本。该文 假设了每个报价是线性函数，依据概率论估计负荷需求和竞争对手的报价行为，在 此基础上制定自己的报价策略。该文用蒙特卡罗算法来计算期望收益，并采用遗传 算法来寻找最优策略。最后，对计算公式进行推广，以便于将不同市场参与者的风 险喜好度考虑进来。研究表明风险喜好能够影响发电商最优报价策略。 1 2 2 国内研究动态 文献 1 4 1 针对火力发电商参与竞价的情况提出了运用时间序列中的指数平滑法 华北电力大学硕士学位论文 和采用模糊数学中的模糊线性回归法来预测边际电价的思路。是国内较早提出预测 边际电价的报价策略之一。该文献没能理论联系实际，不能为发电商报价提供指导。 文献1 1 5 是国内较早的研究发电侧市场报价策略的文献之一。该文献基于实时 成本理论，提出了一种适合于发电商报价的成本报价模型。该模型充分考虑到目前 中国电力市场的特点，以实时成本为基础，考虑在不同的时段发电商获得利润不同， 以此制定报价策略。成本报价模型立足于发电商的发电成本，根据目前中国电力市 场的特点，通过让机组在峰、平和谷时段分别完成不同的利润来制定报价策略，皆 可以提高发电商竞价的成功率，同时也可以完成全年的利润指标，在电力市场运行 初期不失为一个好的报价模型。 文献【1 6 】从发电商角度出发，提出了一种较简单实用的b a y e s 博弈策略模型， 即进行发电商和电网公司间的博弈。以前人们往往以发电商与其他发电商之间的相 互博弈为研究对象，并且假设已知成本情况和决策概率等信息。这些假设具有相当 大的不确定性和未知性，因此在此基础上做出的竞价策略的有效性也令人怀疑。另 外，两个以上发电商之间的博弈( 或多次两厂博弈) 情况比较复杂，且理论研究与 现实中的应用还有一定差距，而该文的研究对象是发电商和电网公司间的博弈，在 对所有发电商竟价结果进行统计分析的基础上，将全部发电商等效为一个主体，然 后将所有发电商的报价信息结果综合为电网公司的策略，这样就把原来必须多厂博 弈( 或多次两厂博弈) 才能解决的问题转化两主体博弈。该理论颇为新颖，有待进 一步深入研究。 文献【1 7 】在分析了报价策略方法研究现状的基础上，提出了发电商最优报价策 略的数学模型，并给出了基于博弈论和概率论的求解方法。该解法通过引入虚拟对 手的概念和参数估计的方法，较好地解决了通常难以处理的多人搏弈和不完全信息 问题。同时研究了重复博弈模型，其结论是：当各个博弈方采用相同报价机制时， 最终收敛于纳什( n a s h ) 均衡点。 文献【1 8 】针对发电商报价策略应用中存在的问题，如用动态规划算法存在“维 数灾”的问题、用序优化法存在计算工程量大耗时久的问题、用泛函分析法存在计 算精度等问题，提出一套基于遗传算法的最优报价策略模型。该文首先根据模糊神 经网络的方法预测出系统边际电价，并由一定的置信区间控制其误差范围，在满足 发电机组技术约束的条件下，依据报价员的报价心理将报价方案分为冒险型、中立 型和保守型3 种类型，构造初始的报价方案群，然后运用遗传算法进行寻优。但为 5 华北电力大学硕士学位论文 了收敛，遗传算法的初始种群不易太多，使得寻找到的最优策略的可行性受到了一 定的置疑。 文献【1 9 】针对浙江电力市场的模型和规则，运用博弈论中的第一价格暗标拍卖 原理，研究当各发电商报价电量不同时，发电商的不完全信息竞价策略模型。该模 型考虑了发电商的单位成本、竞价成功的可能性概率及预期的市场出清价格等因 素，通过求解模型得出发电商报价的一般表达式。该文同样存在实际应用价值不高 缺陷。 文献 2 0 1 在p a b 竞价机制下运用博弈论的方法构造了发电商的报价策略。在对 实际情况作了一定程度的简化后，建立了不完全信息静态博弈模型，此时所获得的 报价策略现实意义比较小，但其理论价值很大。通过该文的研究表明，在p a b 竞价 机制下，发电商不会按照真实成本报价。其报价值与成本之间有一个提升量，提升 量的大小取决于发电成本分布、发电商的类型、发电商的数量及电力需求量等。 文献【2 1 】在统一价格竞价机制下，考虑电力需求弹性，建立了完全信息静态博 弈模型，并求解得到了发电商的最优报价策略。通过分析，指出了发电商的报价行 为特点以及统一价格竞争机制所存的缺陷，证明了该机制不是成功的竞价机制。同 样该文是建立在完全信息的假设上，使其研究成果的可信度受到了一定的影响。 文献1 2 2 1 首先利用古诺寡头模型研究了完全信息的静态博弈下发电商报价策 略，接着分析了2 3 个发电商在不完全信息的静态博弈情况，其中将1 个发电商 的成本作为公共信息，而另一个发电商的成本有高、中、低三种可能，然后分别估 计各种可能成本情况的概率，求出纳什均衡解。该文发现由于一些发电商不完全知 道某一发电商的成本，他们只有对其成本的高低以一定的概率进行估计，这时所求 得的均衡解与完全信息下的均衡解有所不同。在不完全信息条件下所得的结果较为 复杂，受发电成本概率估计的影响较大。 文献 2 3 1 在比较宽泛的假设条件下建立了发电商竞价策略模型，与其他博弈论 报价策略文献相比，它假设每个发电商都不知道其他厂商的单位发电成本和上网电 价等信息，这个假设更加符合实际情况。该文通过研究2 3 个发电商的报价行为 及获益情况，找到n a s h 均衡点，并对所得均衡解进行分析，得到了发电商报价走 势的结论。 文献 2 4 1 在分析了机组利润、出清电价与报价策略系数之间的相互关系的基础 上，得出了单机组的最优报价策略和在报价越界时的优化调整方法，并提出了同一 6 华北电力大学硕士学位论文 发电商不同机组间的组合报价策略模型。文中采用了博弈论的方法来求解机组的报 价策略系数，并通过算例验证了所提方法的有效性。但该文献认为竞争对手的成本 是已知信息，这显然是不现实的。 文献【2 5 】在分析了已有竞标策略研究的基础上，假设电力市场是需求刚性的发 电侧市场，采用暗标拍卖的竞价方式，并统一使用市场出清价结算，发电商提交的 竞标曲线是其发电出力与电价之间的线性单调不减函数的前提下，建立了最优投标 策略的数学模型，给出了最优投标反应函数。同时根据可获取的市场信息量的不同， 提出了3 种具体的竞标方案，即分别估计竞争对手策略的方法、假定所有发电商策 略相同的方法和将所有其它发电商视为单一竞争对手的方法。该文献很有理论深 度，但距实际应用还有一段距离。 文献【2 6 】通过进化博弈论的思想对电力市场发电报价过程进行了建模和求解。 进化博弈论是博弈论分析和动态进化过程结合起来的一种理论。进化博弈论中最重 要的思想是进化稳定策略，其基本思路是：假设在一个全部选择某一特定策略的大 群体中，闯入一个选择不同策略的小群体( 变异或外来入侵等) ，如果该突变小群体 在混合群体的博弈中所得到的支付( 适应度) 大于原群体中个体得到的支付，则该小 群体能够侵入大群体，在演化过程中该小群体将逐步壮大并可能取而代之成为大群 体；反之，该小群体在演化过程中将自然消亡。如果一个群体能够消除任何小群体 的入侵，那么就称该群体达到了一种进化稳定状态，此时该群体选择的策略就是进 化稳定策略e s s 。该文献正是运用进化稳定策略来形成报价策略，虽然该文献的分 析比较简单，但其理论意义非常深刻。 1 2 3 策略模式与分类 综上所述，目前国内外发电商报价策略大体可归为以下四类 2 8 , 2 9 1 ： 1 基于成本分析的报价策略 这种方法的基本思路是将发电商的电能生产成本加上合理的利润( 由发电商自 己确定) 作为申报价格。此方法对发电商来说比较简单、容易掌握，缺点是没有将 其他竞争对手的报价情况考虑进去，很难做到最大化自己的利润。不过，发电成本 分析是发电商进行报价的基础，发电商需要计算出机组的发电成本，在报价时做到 对成本“心中有数”。 对发电成本进行准确分析和预测是这种方法的核心。因为在电力市场环境下存 华北电力大学硕士学位论文 在各种不确定因素，负荷需求、发电机组强迫停运和燃料价格等因素都可能影响到 生产成本，如我国2 0 0 3 年底煤电行业之争，煤价的上涨，电煤产能和运输的不足， 直接导致了一些电厂机组被迫停运的局面。在市场体制下，类似的情况今后可能还 会发生。如何才能使市场的变化对企业的影响最f b ? 因此发电成本分析在传统的分 析方法基础上必然还要加入一些新的内容。 2 基于预测市场电价的报价策略 这类方法的基本原理是首先对电力市场中相应的电价进行预测，发电商只要报 一个比预测电价略低的电价即可。这种方法原理上简单，但准确预测市场电价是非 常困难的。因为电价预测需要对系统负荷需求、其他发电商的投标行为、输电网络 的拥挤状况、电力市场的运行状况等有全面的了解，需要有充分的历史数据。由于 电力市场参与者少( 相对于其他类型的市场) ，随机性和投机性大，电价变化起伏 性大，电价规律不易掌握。目前预测电价的方法有很多种，例如时间序列预测法、 灰色系统预测方法、回归分析、人工神经元网络预测方法、组合预测方法、小波分 析方法等，但电价预测的准确度还不尽人意。 3 基于估计竞争对手报价行为的报价策略 这类方法是通过估计其他发电商的投标行为来构造自己的报价策略，目前大多 数研究者都采用这种方法。这种方法的原理是首先用概率的方法或模糊数学的方法 来估计竞争对手的报价行为，在此基础上建立最优竞价模型，求解此优化问题得到 最优报价策略。该方法的困难在于能否准确的估计竞争对手的报价行为，可采用统 计方法或者预测方法如神经网络来估计。但准确的估计竞争对手的报价行为需要充 分掌握竞争对手的历史报价数据。但是，由于世界上不少电力市场运行尚未成熟而 且市场规则仍在调整中，竞争对手的历史报价数据一般不太充分，而且在有些电力 市场中历史报价数据是保密的，只能通过估计竞争对手的成本在加上对竞争对手市 场力的分析来估计其报价行为。此外，由于电力市场中只有有限数目的发电商，且 报价中存在投机行为，所以很难掌握竞争对手的报价规律，有待进一步深入研究。 目前研究者大多首先假设已经估计到竞争对手的报价行为，然后再构造自己的 最优报价策略。描述竞争对手报价行为的形式有很多种，如假设竞争对手的报价服 从概率分布，如离散概率分布、均匀分布和正态分布，或者将其看作一个模糊集合 等。 4 基于博弈论的报价策略 博弈论主要运用于研究经济、政治及其他决策活动的规律。它是专门研究2 个 或2 个以上有冲突的个体在有相互作用的情况下如何进行各自优化决策的理论，因 此它可以应用到发电商报价策略的研究中。它的原理是根据电力交易构造一个博弈 模型( 包括c o u r n o t 模型、s t a c k e l b e r g 模型和供给函数模型s u p p l yf u n c t i o nm o d e l ) ， 华北电力大学硕士学位论文 然后寻找这些模型的平衡点，这些平衡点就对应发电商的最优报价策略。这类方法 存在下列问题：在应用这些模型时做了很多简化和假设，这样得到的平衡点对构造 投标策略可能没有什么实际意义，而且理论上还不清楚电力市场中是否存在这样的 平衡点。 1 3 论文的主要工作 发电竞价策略的研究不但是发电商关心的一个热点问题，而且也是电力监管者 密切关注的问题。本论文作为电力市场模拟仿真系统研究的一部分，从市场力分析 出发，开展了基于市场力分析的发电商报价策略的研究，本文的主要研究工作分为 以下几个部分： 1 较详细地综述了国内外发电商报价策略研究的情况。 2 在市场力的成因与机理分析的基础上，研究了评估市场力的常用指标体系 及其方法，并将日前市场中发电商容量持留行为的机理引入到年度远期竞价交易 中，重点讨论了发电商在年度竞价交易中利用其市场力进行电量持留行为的机理模 型，为后续章节的论述与展开提供了理论依据与方法基础。 3 在分析现有发电商报价策略的制定方法的基础上，本文针对年度远期竞价 交易，使用了一种发电商的年度竟价策略模型，并运用目前使用较广的蒙特卡罗方 法模拟仿真发电商的市场力情景，采用遗传算法进行报价策略模型的求解；即在各 发电商各段的报价和段电量均服从一定的概率分布的假设条件下，通过分析各发电 商的市场力情景，估算其报价的概率分布参数；通过对各发电商的最优持留电量的 计算，估算其各段段电量的概率分布参数；最后通过蒙特卡罗方法和遗传算法综合 求解发电商的竞价策略模型。 4 运用c # n e t 语言编程开发了本文所提的发电商报价策略模型的仿真计算 系统。通过模块化程序设计理念，将蒙特卡洛模拟法和遗传算法以类的形式引入， 能够更好地实现与其他市场仿真软件的衔接。 5 最后，运用某实际电力市场中6 个发电商的真实数据，在两种不同负荷需 求条件下，对本文提出的竟价策略模型进行了验证，结果表明了本文模型和方法的 合理性和有效性。本文模型和方法的研究具有一定的实践指导意义，可以为电力监 管部门和发电商提供监管和报价参考。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章市场力分析与建模 市场力是指某一产品或服务的提供者能够持续地操纵市场的价格，使之高于完 全竞争情况下的市场价格的能力【3 0 l 。市场力通常表现为在一段较长时间内，市场参 与者能够控制价格使其高于边际成本之上，即能够抬高价格的能力。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在一段较长时间内高于边际成本的 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。电力市场所具有的特点更容易使参与者利用市场力操纵价格。 电力行业由于进入的资金壁垒、技术壁垒都非常高【2 7 1 ，而且具有典型的规模经 济性，因此，无论在发达国家还是在我国的各区域的电力市场，电力主要都是由几 家大型发电企业来提供。从电力企业规模效应看，发电企业的竞争有明显的寡头垄 断性质。在理想的、完全竞争的电力市场中，发电企业的最优投标策略是将电力价 格设立在边际成本。在寡头垄断的电力市场，为实现企业利润最大化，发电商不以 边际成本作为投标策略，而试图通过市场结构的不完善，利用市场力，采用策略性 投标来增加利润。也就是说，如果一个发电商没有以边际成本作为投标策略，而试 图通过利用市场结构的不完善来增加利润，这种行为就是策略性的报价。如果发电 商可以通过策略性报价而非降低成本来成功地增加利润，则称发电商具有市场力。 例如，由于单个发电企业面对的需求曲线是递减曲线，各发电企业往往为了追求自 身的最大利润而限制产量，使市场的价格高于完全竞争市场的价格，从而获得超额 利润。 根据市场力的买卖地位不同，市场力可以分为买方市场力和卖方市场力，其中 买方市场力是指电能购买企业具有的市场力；而卖方市场力是指电能生产企业具有 的市场力。本文主要研究的是卖方市场力情景下发电商报价策略问题。 根据市场力的来源环节不同，市场力还可以划分为：垂直市场力和水平市场力。 垂直市场力是指从电力生产到销售的整个过程中，若某一环节出现瓶颈，则该环节 的控制者就具有垂直市场力。如输电网络出现阻塞时，就认为输电环节具有垂直市 场力，它将借用这种能力对其他交易主体施加不公正的待遇。而水平市场力则指从 电力生产到销售的整个过程中，若某一环节由一个公司或者公司联盟所控制，则这 个( 些) 公司就具有水平市场力。当前在电力市场中，由于输配电公司具有天然垄 断地位，所有衡量水平市场力的焦点就放在发电侧。这也是目前多数文献讨论电力 华北电力大学硕士学位论文 市场力问题时只谈电力卖方市场力的原因，本文也不例外。 2 2 市场力的成因与机理 由于电力行业的特殊性，电力市场中市场力的存在可以说是一种必然。对市场 监管者来说，对市场力的深入研究可以完善市场制度，创造公平竞争的环境；而对 发电商来说，对市场力的深入研究则可以更合理的利用自身的市场力，获得额外的 收益。可见，不管从那方面讲，对市场力的成因和影响的分析是非常必要的。 2 2 1 成因分析 在电力市场中，市场力的成因可以分为主观原因和客观原因l 加1 。 1 主观原因 ( 1 ) 企业追求利润最大化的理性经济人行为要求 电力生产环节被剥离电网独立经营后，作为理性经济人的发电商，必然以利润 最大化为追求目标。由于当前电力生产还处于寡头垄断地位，因此为厂商有限量生 产、抬高价格与厂商产品边际成本之间的差额提供了可能。 ( 2 )电力生产类型及其生产性能 某些发电企业由于它们发电机组在电网中的优势而具有行使市场力的动机，如 水电调峰以及市场份额较大、技术先进且成本较低的某些大机组在供电紧张及维持 电网运输安全时容易行使市场力，控制产出并操纵辅助服务市场及电能量高峰市场 的出清价格，使其有上涨的趋势。 2 客观原因 ( 1 )电力供需的瞬时平衡要求 当前电力生产及传输的技术水平还难以做到电力产品的大量存储，因此必然要 求电力产品的供给与需求瞬间平衡。电力产品通过网络实现供需瞬间平衡的物理特 性，使电力生产和消费的协调性及同时性成为必然。因此任一处于网络节点的供应 商都有可能利用这一行业约束行使市场力，影响产品的供应量和供给价格，提高自 己的利益所得。 ( 2 ) 电力生产可靠性及安全性的要求 现有电网运行技术还难以实现电力的无约束传输，各级输电约束是电力系统可 靠、安全运行的前提，因此各电力供应商不能完全从自身利益最大化的角度出发安 排生产，而是必须听从调度的安排，落实必要时机组的检修、关停、扩容及增负荷 等任务。因此一些能够严重影响系统可靠性及安全性的机组或供应商就有依靠其容 量优势或地理优势行使市场力的可能，而那些能够成为“m u s t1 - 1 1 1 1 ”( 必需运行) 的 1 1 华北电力大学硕士学位论文 机组将获得拥有并行使市场力的先天优势。 ( 3 ) 电力生产的垄断性 电力生产仍然具备的自然垄断特性使发电市场具有进入壁垒。进入壁垒使电力 生产形成寡头垄断的市场结构以维持生产的规模经济。每一个寡头垄断者都具有行 使市场力的动机，以利润最大化为目标形成高于边际成本，乃至平均成本的价格获 取超额利润，又因电力垄断者面临的是价格弹性缺乏乃至刚性的需求曲线，因此通 过缩减很少或不缩减产量就可以实现较大幅度拾高价格，获取经济利润的目的。 ( 4 )电力商品的价格需求弹性缺乏 当前电力能源消费的必需性及电力能源替代品的相对短缺使电力产品的需求 对其价格的敏感性降低；又加上用户侧电力市场还未完全放开，因此电力需求对价 格的响应程度进一步减弱，结果表现为短期内电力产品的价格需求缺乏弹性。这就 给卖方行使市场力，达到抬高价格、获取超额利润的目的创造了有利条件。如遇短 期内需求激增，而电源及电网建设周期又较长，就形成了产品稀缺的市场供需状态， 使其价格弹性进一步缺乏，这就为卖方市场力的形成打造了更加良好的客观环境。 ( 5 )环境变化对电力市场供需的影响 气候突变导致短期气温过高、过冷或企业自备电厂遭遇事故、检修等情况均有 可能造成电力需求在短期内激增，形成产品稀缺的市场态势而为电力供应商行使市 场力创造了条件；如遇干旱、系统故障、燃料价格上涨等因素又会导致电力供应短 缺，结果同样造成产品短缺，使卖方市场力的形成不可避免。 ( 6 )市场结构及运行机制设计存在缺陷 市场竞争主体规模划分严重不均、未形成有效的用户侧响应机制、合约电量与 竞争电量确定的比例不尽合理等市场结构设计的缺陷均将导致卖方市场力的出现。 那些划分后规模较大的发电企业更是具备了行使市场力的先天优势。权责界定不明 确、价格形成机制不合理、运行规则存在漏洞、法律法规不健全等一系列市场机制 设计上的缺陷也会导致竞争者利用机制上的疏漏行使市场力，投机获利。此外，监 管机制不健全；规制办法不合理，如价格设计不合理，以及市场运行监管不到位等 也会导致市场力的发生。 2 2 2 机理分析 由于电力市场的寡头垄断特性，发电商普遍存在着市场力，它们通过持留容量 或电量，滥用其市场力造成电力资源稀缺，促使电价上升从而获得超额利润。发电 商持留电力1 3 1 l 主要有3 种表现方式：( 1 ) 发电商通过报高价，持留电量，以获取 较高利润；( 2 ) 对容量进行直接持留，减少市场可用容量供应，以抬高价格，获 取较高利润：( 3 ) 制造阻塞，借助网络约束，持留电量。 华北电力大学硕士学位论文 在实际的电力市场中，强市场力的发电商的报价具有影响市场出清价的能力。 这些发电商往往为了追求自身的最大利润而抬高机组报价，有意导致市场价格高于 完全竞争市场的价格，从而获得超额利润。我们把这一种持留行为称为经济持留。 发电商抬高报价使其利润最大化，要求以下两个方面平衡：一是对一定发电量报高 价得到的边际收益；另一是在高价时减少发电量的边际损失。发电商并不能无限制 抬高报价。在其抬高报价的同时，可能失去中标的机会，上网发电量可能降低。当 需求有弹性时，买方也会因为高的市场出清价而降低需求。 在统一出清电价机制下，市场出清电价由边际机组决定，当系统供应紧张时， 具有市场力的发电商可以通过直接持留发电容量，使成本高的发电机组进入发电序 列，从而抬高市场出清电价，当高电价带来的利润大于因持留容量而少发电的损失 时，就可以获取超额利润。2 0 0 0 年开始的美国加州电力危机很大程度上就是由于发 电商的直接持留容量策略引起的。这一持留行为称为物理持留。 输电线路是将电能从发电机送往用户的通道，由于输电线路总有其输送容量的极 限，当某条输电线路的潮流量达到或超过其输送容量极限时，就发生了输电阻塞现象。 在电力市场中，发电商可能拥有不同地理位置的多台机组，这样发电商就可以通过策略 性报价增加某些关键位置的发电机组出力，使电网发生阻塞，形成局部市场，以增加自 己在局部市场中的市场力。这种借助网络约束，增加发电商的局部市场力，为发电商进 行电量持留创造了条件。 市场力不仅与市场力行使主体的自身特性如生产能力、成本大小等有关，而且 与市场集中程度、市场机制、商品的特性、市场准入壁垒和需求价格弹性等诸多因 素相关。 2 3 市场力指标 上一节分析了市场力产生的原因和影响，由于市场参与者的规模和成本等的不 同，其各自的市场力大小也不同。本节将详细介绍市场力的评价指标1 3 2 。4 l 。 2 3 1 基于市场结构的市场力评估指标 市场集中度指数( c r ) 表示某一特定市场中少数几个最大发电企业所占的市场 份额。常用的有赫芬岱尔指数( h i p e l l m a n h e r f i n d a l li n d e x ，h h i ) 、修正的h h i 指数d h h i 和t o p m 市场份额。这些指标的评判原则是：集中度越高说明市场中企 业规模差异越大，其中大企业占有比例高且市场支配能力大，使市场竞争程度趋于 降低，市场力趋于增大。 h h i 指数由已有企业占有的市场份额来确定，属于静态指标；对于d h h i ，这 1 3 华北电力大学硕士学位论文 里只介绍b i a l e k 提出的只计及系统中调度外市场( 竞争市场) 中各电力公司实际未 被调度的容量的h h i ，由于它考虑了负荷变化对市场力的影响，因而较静态h h i 合 理。上述指标的计算公式如下： h h i y 讲( 2 1 ) 匀 d h h l ( b i a l e k ) t q ? ( 2 2 ) 7 一一善q ( 2 - 3 ) 上式中。为市场中第f 个企业的市场份额( 静态容量份额) ；n 为市场中企业的 数目；q i 为第i 个企业在竞争市场中实际未被调度的容量的比例。 h h i 的取值从0 变化到1 0 0 0 0 ，对应于完全竞争市场和完全垄断市场。各国对 该指标的评判标准不尽相同。如美国1 9 8 2 年规定，h h it 1 0 0 0 ，表示市场正常； 1 0 0 0 h h i c 1 8 0 0 ，表示集中度适中；h h i 七1 8 0 0 ，表示集中度高、市场难以开展 有效竞争；h h i 每增加1 0 0 ，说明市场力的作用有明显增强。澳大利亚新南威尔士 电力市场认为：如果市场中最大的4 个企业共同至少占有7 5 的市场份额，则市场 不能进行有效竞争。 2 3 2 基于市场绩效的市场力评估指标 基于市场绩效的市场力评估指标包括价格增率指数和超额利润率指数，这些都 是根据市场绩效而设计的一类指标。由于是对市场力导致的最终结果的测度，因而 是一种直接评估方法。前者是指市场力导致价格升高后偏离厂商边际成本的程度， 主要有：l e r n e r 指标和成本边际指数( p r i c ec o s tm a r g i ni n d e x ，p c m i ) ，市场价格 可控指数( m p c ) 和市场力行使( m a r k e tp o w e re x e f t i o n ，m p e ) 指数等；后者是 指整个行业的超额利润率大小，主要是指贝恩指数( b ) 。由于l e r n e r 指标和p c m i 属于原理相似、公式稍有变化的同类型指标，因此这里只给出l e r n c r 指标的计算公 式。此外，为了便于比较分析，这里暂不考虑行业整体市场力的评估指标b 。 1 l e r n e r 指标 l e r n e r 指标是用于度量市场出清价格与厂商边际成本偏离程度的指标，计算公 式如下： l i - ( a 一肘e ) 4( 2 - 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 式( 2 4 ) 中l i 是第i 个厂商的l e r n e r 指标；a 和m c i 分别是市场统一出清价格和 厂商珀q 边际成本( m a r g i n a lc o s t ，m c ) 。 结合电力市场特征给出该指标的取值分析：在供过于求的电力市场，如低谷时 段，价格富有弹性，l e r n e r 指标小、甚至趋于0 ，表明发电商没有实施市场力的动 机；在供不应求的市场，即使上网价格增加，发电商也没有能力增发电量，表现为 价格弹性刚性，此时，工一m ，表明发电商有极强的市场力。 2 市场价格可控指数和市场势力行使指数 市场价格可控指数( m a r k e tp r i c ec o n t r o l l a b l e ，简称m p c ) ，分为单个机组的 市场价格可控指数j 。和整个市场的市场价格可控指数，。；市场势力行使指数 ( i n d i c e so fm a r k e tp o w e re x e r t i o n ，简称m p e ) ，也分为单个机组的市场势力行 使指数，。和整个市场的市场势力行使指数，。它们可以按下列算式求得： r ，m 一慨一一以，m 归。 。， l ，一罗c ，o i ) ( 2 5 ) rk j 。上卫生 j p f 一一p 岫 l ，。一n ( ，。，0 f ) ( 2 - 6 ) 上式中p 。一成。为机组i 的市场价格可控范围，其中p 。，为其最大可控价 格，p 。为其最小可控价格；p 。为统一出清价；q 为机组i 的装机容量占市场总装 机容量的比例。 上述两个指数是厂商根据市场实际的供需情况，通过策略性报价在其发电出力 范围约束下求解而得的，求解机理如图2 - 1 所示。指标评价的标准是：m p c 越大， 说明厂商行使市场力的能力越大；m p e 越大，说明实际市场力程度越大。 p 包一 p c b t i m l；1 7一p l ： ! kl7 居 l 乒 九一 xz | 摹。、 ，r d l q f m q r 一 q q 1 一q ，。 q 图2 - 1 市场均衡及机组价格可控区的形成 - 1 5 - 价格可控区 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 中，以。、以一分别为厂商i 的最低报价和最高报价；q f ，。、q ，一为厂 商f 的出力上下限；s 。为厂商f 的供应函数，s 。为其他厅一1 个厂商的总供应函数，s 。 为市场的总供应函数；d 为市场总需求曲线，n 为厂商i 对应的需求曲线；e 为市 场的供需均衡点，以为均衡价格，即统一出清价格：以一、以。即为厂商i 的最大 和最小可控价格。 2 3 3 基于市场供需的市场力评估指标 1 总需求与总供应比值指标彳 该指标是基于市场供需对市场力的影响这一思路设计得出的。它借助于分析市 场总需求和可用发电容量之间的比值来检测在何种条件下会引发市场力，并认为这 一比率是市场力存在的关键条件之一，一旦条件符合，厂商就可以利用它在市场中 进行策略性投标，获得超额利润。因为只有供大于求才有可能形成有效的竞争市场， 因此二者的差值越大，市场的竞争程度就越强，这就是需求与供应比值法的基本思 路。用指标表示即为： a 一统眈 ( 2 - 7 ) 式( 2 7 ) 中q 是预测负荷需求量；现是市场中的可用发电容量。 一般而言，彳一1 ，说明市场供应不足，市场行为接近垄断，发电商具有垄断 力、行使市场力的可能性大；彳一0 ，说明市场供过于求，市场行为接近完全竞争， 发电商成为价格接受者，行使卖方市场力的机会变小。 2 机组必须运行率指标m r r 基于供需原理及彳指标只能评估市场整体市场力的局限，有的文献提出了衡量 单个发电商行使市场力的可能性及其大小的指标，即机组必须运行率指标m r r ，表 达式为： 乞一f 一弓 衄。节 ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 中l ：是区域内的负荷；f 是从区域外可调入的电力；罗弓是区域内总 的发电能力；yp 是区域内除发电商i 之外的其他发电商的总的发电能力。上式中 可见m r r 越j 说明厂商i 的供电能力小、市场份额小，因而实施市场力的可能性 也小。 3 剩余供应指数r s i 由于h h i 指标未考虑市场的供需情况及其变化对市场力的影响，难以准确测度 华北电力大学硕士学位论文 市场力。为此c a i s o 的市场分析部给出了剩余供应指数r s i 。r s i 是指对于特定的 市场及其特定时间当需求为d 时，从第i 个厂商角度看，其r s i 定义为 脚赴d ，攀 弘9 ， d 、 式( 2 9 ) 中最为第七个厂商的最大供应量。 从市场总体角度看，r s i 应定义为该市场中最小的k s ；数值，或市场中发电能 力最大的厂商i 的r s i ，数值。c a i s o 认为：当r s l ；处于1 2 0 1 5 0 时，市场处于 合理竞争状态；当r s l ；小于1 0 0 时，表明第f 个发电商处于市场关键地位，换句话 说，它具有把市场出清价格抬高到市场允许的价格上限的能力。 2 3 4 不同市场力评估指标问的对比 基于市场结构设计的h h i 、d h h i 和t o p m 指标由于未计及市场中需求变化、 弹性变化、电网传输情况及机组成本等多种因素对机组实际供电出力的影响，难以 捕捉市场成交价格的真实变动情况及由此表征出的各个发电机组的真实市场力，所 以这些指标是对市场力的初步、粗略衡量工具【3 1 。 基于市场绩效设计的市场价格可控指数( m p c ) 和勒纳指数( u ) 等指标能够客观 地反映不同机组在不同市场供需情况下控制市场价格、行使市场力的能力的大小， 因此这些指标是对真实市场力的最直接和有效的测度，其评估方法最贴近市场力的 本意。指标中的价格在某种程度上是影响市场力的各类因素综合作用后的结果，因 此这些指标是计及了尽可能的影响因素后对市场力的综合测度，因而是评估市场力 的真正合理的指标。 从供需角度构建的机组必须运行率( m r r ) 指标、剩余供应指数( r s i ) 等评估指标 由于未考虑机组的经济性能及其策略性报价行为，所以只能作为测度市场力的必要 补充。 上述三类评价指标，从不同角度评估了市场力大小，其中基于市场绩效的评估 指标是评估市场力的真正合理指标，但是由于发电商的边际成本是商业秘密，不易 获取，因此这类指标只具有理论意义，在实际市场中很难运用。所以本文在评估发 电商市场力大小时，使用市场集中度评价指标t o p m 。而影响某个发电商市场地位 的主要因素是市场份额，市场份额系数越大说明该发电商在电网中的竞争力也越 大，所以本文采用市场份额系数来评估发电商的市场力大小。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 发电商利用市场力持留电量模型 目前，很多文献研究了在日前竞价交易中发电商容量持留行为1 3 5 , 3 6 ，本文将这 些理论引入到年度远期竟价交易中。在年度远期竞价交易和统一价格出清体制下， 对发电商的电量持留行为进行了分析建模。 由于在电力市场年度远期竞价交易中，发电商是按不同的边际成本的电量段以 不同的价格来拍卖电力的，因此电力市场的供应曲线是按电量段排列成单调上升的 阶梯状的曲线，在统一价格出清体制下，市场价格并不完全直接取决于发电商的报 价，这就为发电商的持留行为创造了机会。 阶梯状上升的图形是系统中发电商的报价，由低到高，在实际过程中，需求曲 线往往是无弹性的，垂直线口是市场的需求曲线，它是完全无弹性的，由市场的需 求决定的边