（电力系统及其自动化专业论文）电力市场中发电厂竞价策略的研究.pdf

湖南大学硕二l 学位论文 a b s t r a c t e l e c t r j c i t ym a r k ec i n gi sl h ei n e v j t a b l et r e n do fe l c c t r i c a li n d u s t r yi nd e v e l o p i n g i r e s u l i si nt h ec h a n g eo ft h ec o n v e n t i o n a lp r o p e r t ys t r u c t u r co fp o w e rs y s t e m ，a n di tc a u s e sa s e r i e so fn e wt e c h n i q u ep r o b l e m s t h ep a p e rf o c u so ng e n e r a t o r sb i d d i n gp r o b l e m1 n e l e c t r i c a lp o w e rm a r k e t f i r s t ，t h em e c h a n i s mo fd a y a h e a dp o w e re x c h a n g em a r k e ii s i n f r o d u c e d s e v e r a lb i d d i n gt h o u g h t so fg e n e r a f o r sa n dab i d d i n gm e t h o db a s e do ng a m c t h e o r ya r ei n 【r o d u c e d t h e nb i d d j n gc u n ，ei sd i s c u s s e d ，s e v e r a lk i n d so fb i d d i n gc u r v ea n d i t sr e l a t e df a c t o r s a r e a n a l y z e d t h cb a s i cb i d d i n gs i r a 【e g i e s a r ea l s o a n a l y z e db y m a f h e m a t i c st o o la n ds e v e r a 】m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fb i d d i n ga r er e v e a l e d 。t h ed e f i v e d r e s u l ti n d i c a t e st h a tb i d d e r sh a v ei n c e n t i v e st om a r ku pt h e i rb i d sa b o v et h c i rc o s to f p r o d u c t i o n t h ea m o u n to fm a r k u pd e p e n d s o nt h ep r o b a b i l i t yo fw i n n i n gb e l o wa n do nt h e m a r g i nt h a ta r ec o m p u t e df r o mt h ec o s 【d i s t r i b u t i o no fa l ls u p p l i e r s ，m a r k e td e m a n d ，a n d t h en u m b e ro fs u p p l i e r sp a r t i c i p a t i n gi 兀t h ea u c l i o t h es t o c h a s c i c0 p t i m i z a t i o nm e t h o di s b r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hl 了】a k e s ag r e a ta m o u n to fs i m u l a l i o no fo t h e rb i d d e r sb i d i n gj n e l e c t r j c a lm a r k e t ， a sf o re v e r ys i m u l a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h mi sa p p l i e dt os o l v et h e o p t i m j z a t i o np r o b l e m ，i nc o n s i d e r a i i o no ft h er e s t r a i n to fd i r e c t c u r r e n tn e t w o r k ，o n e o p t i m a lb i di sg o t ，c h e nu s i n gt h ea v e r a g eo p t j m a lb i d sj nag r e a in u m b e ro fs i m u l a t i o n sa s t h ei a s to p t i m a lb i d s 日1 ep r o g r a mu s i n gc + + l _ a n g u a g eo ft h i sm e t h o di sp r o g r a m m e da n d e x a m p l e sa r cd i s c u s s e df o rs i m u l a i i o n ，e x a m p l e sp r o v ei h eb j d d j n gm e t h o d sv a l j d i ty r k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ，m a r k e tc l e a r i n gp r i c e ，g a m et h e o r y ，b i d d i n gc u r v e g e n e t i ca l g o r “h m ， d j r e c tc u r r e n tf l o w ，s t o c h a s t i co p t i m i z a t j o n n 第一章鳞论 1 1 电力市场的形成 第一章绪论 随着电力系统的规模不断扩大，电力生产的成本不断降低。在2 0 世纪早期， 电力系统充分显示了规模经济的优越性，它可以随着系统规模的扩展而提供较低 的电价和较高的系统可靠性。然而，自2 0 世纪6 0 年代以来，情况发生了变化。 相反，电力工业高度垄断的某些负面影响显现了出来，主要表现为非生产性成本 加大，在西方发达国家，电力工业的规模经济性己逐渐饱和，发电机组的效率已 接近或达到了极限，建造更大的发电机组已不能再大幅度降低成本，输电网络规 模的简单扩展( 互联除外) 也不能继续保持需求的增长。成本的增加以及在电价受 到管制的情况下，政府要为此承受巨大的财政负担。为了消除这些负面影响，2 0 世纪8 0 年代末期，一些国家开始放松对电力工业的管制( d e r 昭u l a t i o n ) ，进行纵 向或横向的解捆( u n b u n d l i n 叠) i ”，实施电力工业重组，建立竞争性的电力市场 ( c o m 口e t i f i v em a r k e t ) 。这里，“电力市场”是相对传统的垄断电力工业而言的， 它是实现电力工业结构重组而引入商业竞争机制后的一大类新型电力工业资产 结构、经营管理和运行管理模式的总称【i j 。从技术上讲，电力市场是应用计算机、 现代化的测量和通信等设备，以电价作为控制电力交易的杠杆，进行负荷管理、 电力系统运行，在电力生产者、电力消费者和输配电网络管理者之间实行平等、 公正的等价交换的系统之总称【2 j 。 到目前为止，全球有不少国家都进行了电力工业的市场化改革。1 9 9 0 年英 国电力工业全面走向市场化并取得初步成功，引起世界许多国家的仿效，美国、 日本、澳大利亚、挪威、瑞典、新西兰、印度、阿根廷、巴西、智利及东欧国家 都先后卷入了这股电力工业改革的洪流1 3 】。上述这些国家的成功经验表明，实行 电力市场，可促使电力企业从市场竞争中寻找契机，吸引投资，推进技术改造， 提高生产效率，从而弱化政府行为，减经国家的财政负担：可促使电力企业优化 资源配置，降低能耗，提高效率，减少成本，节约资源；可促使电力企业深化改 革，为广大客户提供低价、优质、高效的用电服务。除上述直接效益外，电力市 场还可带来如下几方面利益： ( 1 ) 根据国外经验，可削峰1 0 2 0 ，能有效地挖掘设备潜力，推迟新设 各投资，提高资源的有效利用率。 f 2 ) 在电力行业内部引入竞争机制后，人、财、物将形成优化结构，使电力 第一章绪沦 行业工作人员转变工作作风，提高办事效率和服务水平，促使电厂提高运行效率， 降低成本，节约资源，使社会各方面受益。 ( 3 ) 使电力工业成为和其他工业投资领域一样的机会平等、环境优良、投资 回报率高的良好投资场所，广泛吸纳国内外资金，为电力工业的大发展和国民经 济的腾飞创造条件。 可以说，电力市场的出现是经济规律发展的必然，是现代科学技术进步的 产物。它具有显著的外在经济性，直接受益者是参与市场的各成员，间接受益方 是全社会。电力市场的出现，必将给电力工业带来蓬勃的生机和活力，推动电力 工业的商业化和智能化运营。 进入二十一世纪以后，有些国家和地区的电力市场出现了一些问题f 4 】，例如， 在美国加利福尼亚就出现了因电力放松管制而出现的能源危机，但只要严格遵循 客观规律，建立合理的市场结构、运行规则，同时完善相关法规，加强有效的监 管和调控，就能引导电力市场的健康发展、促进生产力的进一步提高。因此，电 力市场基本理论、特别是市场运作机制的研究与完善成为当前电力市场研究的关 键和热点。 1 2 电力市场的运营模式 目前，国际上电力市场的模式多种多样，但它们大致可分为两类【l j ：第类 是原来由政府垂直管理并经营电力系统的国家，其改革模式一般采取发电与电网 分开，并逐步开放电力销售市场，而调度和市场运营机构仍与电网紧密结合，如 英国、西班牙、阿根廷等国家1 5 删；第二类是原来政府不直接管理、经营电力系 统的国家，其改革模式一般是新成立独立的系统运行及电力交易机构，各电力公 司仍可拥有电厂和电网，配电市场逐步开放，这一类国家如美国、德国、日本等。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始实行集资办电、多渠道筹资办电、多种形式利 用外资办电的方针，极大地调动了国内外投资者和经营者的积极性，出现了一大 批独立发电企业，缓解了严重缺电的局面；近年来，随着举世瞩目的三峡水利枢 纽工程和输变电工程的顺利进展，以及西部开发、西电东送战略的实施，我国将 逐步在跨省的基础上实现全国联网。以上这些都为电力市场的发展创造了条件。 由于多年来已形成一套由国家统一管理电力系统的纵向体制，所以从整体看，我 国更接近上述第一类模式。这种模式的显著特点是调度机构、交易机构与电网公 司紧密结合，而不另设独立的调度机构。在我国实行这种模式，同时是考虑到以 下因素【1 】： ( i ) 合为一体，交易环节和协调环节减少，交易技术系统简化，交易成本降 2 第一章绪论 低，因为这时相互之间传送数据的工作将大大减少； ( 2 ) 目前，我国电网比较薄弱，在负荷发展以后，输电、配电网络往往是发、 用电的“瓶颈”。合为一体时，网络的容量极限可以由调度随着机组排序的变化 及电网运行情况及时计算修正，这样可以尽最大可能地满足交易的需要： ( 3 ) 合为一体，无功、备用等辅助服务可以由调度统一安排，这样有助于提 高电网运行的可靠性和电能质量，同时降低交易执行的难度： ( 4 ) 鉴于我国在长期传统的统一调度模式下所形成的各方利益关系以及所积 累的运行经验，采用合为一体的市场机制有助于调动各方的积极性，从而更快地 推进电力市场的完善和健全。 采用电网公司与调度交易机构合为一体的市场结构如图1 1 所示。其中， p o w e rp 0 0 1 模式是指基于交易中心的模式，这时独立发电厂发电公司卖电给电 网公司，而配电公司用户从电网公司购电，独立发电厂与配电公司之间没有直 接的买卖关系。双边多边合同( b i i a i e r a l m u l t i l a t e r a lc o n t r a c t ) 则是指独立发电厂 发电公司与配电公司用户之问直接达成协议，同意以某个价格由前者向后者提 供一定的电力：这时它们的交易不需通过电网公司，只需在交易成交以后将结果 通知电网公司以实现电力的转运。委托交易则是指发电公司由于出力限制而无法 完成合同时，委托其它发电厂向某一负荷供电，并由此形成的交易。显然，这种 市场结下的市场主体应包括发电公司独立发电厂( 电源) 、配电公司用户( 负荷) 、 电网公司及双边多边合同主体，而电网及输电服务的使用方就包括除电网公司 以外的所有市场参与者f 9 j 。 我国近期( 2 0 0 0 2 0 1 0 年) 采用国家大区省级三级电力市场结构0 1 ，其间多 采用基于交易中心的联营交易模式；随着省级电力市场及区域性电力市场竞争机 制的不断完善，省内和省间双边多边交易将成为市场的主要交易模式【1 l 。由此可 见，我国电力市场环境下，基于交易中心的联营交易模式和直接双边多边交易 模式将会长期共存。 建立合理的电力市场结构的重要内容之一就是建立市场的合理的交易方式， 合理的交易方式可以导致电力市场朝提高效率，降低成本的方向发展，反之，交 易方式的不合理则可能被有些企业利用来谋取暴利，为此，我们要加强对电力市 场中交易方式的研究，即加强对规则的研究。 1 3 电厂竞价 在电力系统放松管制后，电力系统产权结构发生了变化，电网开始作为一个 独立的市场参与方为电网使用者提供传输服务而和电厂产权分开。事实上，当经 筇一章绪论 营利益与经营效果直接挂钩后，电厂将追求其自身的利润最大化。利润等于销售 寒导尹、丑、| 。 i 电网公司( 调度交易机构) f 丘夕w 弋：h i 里皇竺望! 旦芝! i i 堡塑坌鱼! 旦芝! il 望鱼垒望! 旦生! f 争发电公司阐委托交易双边多边合同p o w e rp o o l 交易 图1 1 电力市场市场结构及运营模式示意 收入与其成本之差，销售收入是电价与电厂售电量的乘积。电厂的报价决定了其 自身在发电市场中可以占有的市场份额，直接影响到其自身的利润。 在实际的电力市场中，报价是电力市场中电厂的基本行为。电厂的报价反映 了电厂的运行成本和市场供求，决定着机组能否上网发电及其上网电量，电价是 电厂和电网之间联系的唯一纽带。从电网的角度看，研究报价可以为电网提供良 好的运行条件，最大程度地降低购电成本和优化安排机组出力。因此，研究电厂 报价策略是发电厂与购电商共同一致的需求，在我国，由于电力市场的发展，研 究发电厂的竞价策略将成为迫切的需要。 制订电厂报价策略要考虑以下两个因素：一是电厂的成本，成本加合理的利 润构成了电能这一商品的价值；二是市场的供求状况和电能资源的边际价格。因 此，严格核算成本和捕获市场中获利的商机是电厂报价系统的核心。为此，我们 有必要全面研究电力市场的交易模式和报价曲线，并采用合适的数学工具来解决 电力市场中报价问题。 1 4 本文主要工作 本文从电力市场竞价的角度出发，着重讨论了电力市场竞价的两个方面：成 本和竞价曲线、电力市场中电厂的竞价思路和竞价方法。主要工作概括如下： ( 1 1 对电力市场中的电力日前交易市场的运作机制介绍，同时，提出在电力 交易中应着重建立和完善电力商品交易运作机制，充分利用其价格发现功能和注 意为保持电力市场的稳定性而做出的各种翘定。 f 2 1 给出了电力市场中发电厂竞价曲线韵形成过程和方法，并探讨了发电成 本曲线的特点及其与发电竟价曲线关系。 f 3 1 用概率论等数学工具对电力市场中发电厂的基本竞价行为进行了分析， 第一章绪论 提h ；了一种基于成本分布的竟价方法，揭示了竞价行为的基本特征，即发电厂都 要在自己的成本上加一个屏蔽值，所加屏蔽值的大小和自己在边际价的概率成正 比，给出了所加屏蔽值大小的公式，给出了发电厂竞价可调整空间大小。 ( 4 ) 给出了一种采用随机优化方法的发电厂竞价方法，根据电力市场中竞争 对手的报价的分布模型进行大量模拟，针对每一次模拟样本采用遗传算法并考虑 直流潮流约束的条件下求出其一个对应最优报价，基于大量模拟得出的平均值作 为最优报价，并编制了基于这种方法的软件，算例说明了此方法的有效性。 5 第二章i 电力h 前交易市场的运作机制及模式 第二章电力日前交易市场的运作机制及模式 2 1 日前交易市场概述 日前交易市场按交易日进行。每个交易日为一个日历日，分为4 8 个交易时 段，每个交易时段为3 0 f 【i n 。交易日从北京时间o ：0 0 开始，第一个时段为o ： 0 0 o ：3 0 ，最后一个时段为2 3 ：o o 次日o ：0 0 。如果没有特别说明，相关负 荷曲线预测的时间间隔也均为3 0 m i n 。 在日前交易市场中，发电厂参与发电电能的竞标，交易中心根据公布的竞争 负荷曲线及发电公司的申报数据，在满足电网安全约束的条件下，给出最优的交 易计划和结算电价。日前交易市场制订的交易计划称为预调度交易计划。 竞争负荷曲线是指电力交易中心根据负荷预测曲线，减去不参与市场竞争机 组的发电出力后的剩余负荷，即：目前竞争负荷= 该时段短期负荷预测负荷一该时 段特殊机组( 必开机组) 的发电出力一该时段区外合同计划出力一该时段合约计划 出力。 预调度交易计划的制订是电力市场运营的核心功能之一，是实现日前竞价上 网的关键。他是利用市场成员申报的数据、短期负荷预测、电网输送容量、年交 易计划、月交易计划、合同、安全约束等信息，按照市场规则构成的优化目标， 制订次日的发电计划、交换计划、辅助服务计划、决策上网电价，并实现电力交 易的管理功能。 电力市场环境下的预调度计划与传统的发电计划存在本质区别。在计划经济 时期，发电计划是基于全信息的调度决策，并且调度运行部门对下属电厂拥有完 全的控制权，因此可以用行政手段进行必要的干预。而在电力市场环境下，资源 优化的总体思路是“分散决策、整体协调”；调度运行部门方面作为电力经 纪人出现，另一方面与电厂之间是平等的市场成员关系，唯一的纽带是经济手段， 市场的公平性将成为首要的原则。与之相适应，预调度计划模型考虑了电力市场 的“公平、公正、公开”的原则，遵循电力市场环境下的竞价原则、运营规则、 结算规则。 日前交易市场结构如图2 1 所示1 1 1 】。 2 2 日前竞争负荷的预报与发布 笫二章i u 力i 前交易市场的运作廿啡0 及模式 中眭期 台约交 易数据 台同管 理数据 电网约 束数据 也厂申 报数据 块il 系统维护模块 可 视 化 输 出 图2 1 日前交易市场结构 2 2 1 短期负荷预报 电力交易中心负责进行短期负荷预报，并向所有市场成员公布。 短期负荷预报是根据历史数据，并考虑天气状况、节假日、社会环境等客观 因素，对未来1 个或几个交易日电网负荷做出的预先估测。 与交易时段相对应，电网的短期负荷预报以3 0 m i n 为间隔。电力交易中心负 责将各交易时段的电网负荷情况以曲线和表格形式向所有市场成员公布。 2 2 2 日前竞争负荷的发布 在参与现货日前市场的发电公司竞价之前，电力交易中心除了公布短期负荷 预报以外，还必须发布计划交易日的竞争负荷，称为日前竞争负荷。目前竞争负 荷是实际负荷需求的预报值减去不参与市场竞争的发电出力以及合约计划出力 后的剩余负荷。 交易日某时段日前竞争负荷= 该时段短期负荷预测负荷一该时段特殊机组( 必 开机组) 的发电出力一该时段区外合同计划出力一该时段合约计划出力【1 2 】。 2 2 3 信息发布与查询 电力交易中心应在计划交易日的前一天l o ：0 0 前公布交易计划日的电网短 期负荷预报曲线、日前竞争负荷曲线；同时向各发电公司各机组公布合约出力计 划，其中包括各机组所有时段的年度合约出力和月度合约出力。 第二章电力日前交易市场的运作机制及模式 发电公司通过规定的通信系统查询日前市场公布信息。每天l o ：3 0 ，若发 电公司仍未查询到日前市场公布信息，应主动与电力交易中心联系。 2 3 日前市场数据申报规范 2 _ 3 1 发电公司申报的要求 发电公司在计划交易日的前一天1 1 ：o o 以前必须按照规定的格式，向电力 交易中心申报计划交易日每台发电机组的经济和技术数据。 发电公司必须对所申报数据的真实性和准确性负责，电力交易中心有权对发 电公司所申报的数据进行审查。 2 3 2 发电公司各机组申报的技术数据 发电公司各机组申报的技术数据至少包括：机组的编号、额定发电容量、额 定上网容量、机组降出力容量、起止时间及降出力原因，机组在正常状态增、减 负荷速率( m i l l ) ，机组在紧急状态下增减负荷速率( m m i n ) ，每个交易 时段发电机组的最高、最低出力，最小停机持续时间，最小开机持续时间，机组 起、停特性曲线，检修停机的开始时间和结束时间以及检修状态下的启、停特性 曲线。 2 3 3 发电机组申报的经济数据 a 报价曲线 在每个交易时段，对应于机组不同有功出力，其申报的电价可以不同。申 报内容为机组申报的各分段点顺次连接而成的折线或几段水平的直线。这条折线 就是该机组申报的功率一电价曲线，称为报价曲线。报价曲线上的功率分段点必 须不小于3 个且不大于1 0 个，且功率跨度范围必须包括申报的最高、最低出力 点。 各时段所申报的同一功率点的最高报价与最低价格的比值不得超过1 5 。相 邻两个时段同一功率点的最高报价与最低价格的比值不得超过1 1 ( 包括两日的 衔接时段) 。 在买方市场的条件下，不同时段允许申报不同的报价曲线。在卖方市场的条 件下，每天各时段只允许申报同一条报价益线。 在申报提交3 m i n 后，如果发电公司未能得到电力交易中心对该次申报的有 效性认定，必须向电力交易中心询问，直至得到确认为止。 第二章i u 力日前交描市场的运作机制及模式 如果发电公司在日前市场交易日期间，电力交易中心没有收到有效数据申 报，电力交易中心必须与发电公司查询原因，并做出相应出力。 b 报价的最高和最低限制 为确保电网安全可靠运行，防止恶性竞争和谋取暴利，对机组报价设罱最低、 最高限价，最低、最高限价由市场监管机构根据市场供求关系确定。如果申报的 电价超过最高限价或小于最低限价，则认定这类申报为无效申报。 2 3 4 数据申报的审核 电力交易中心接受到发电公司申报的数据后，应按照如下几条规定进行审 核，并在收到发电公司数据申报的3 m i n 内及时对该发电公司报价数据的有效性 进行确认：发电公司对计划交易日的数据申报必须在前一天1 l ：0 0 之前提交； 报价数据一旦报出，其中的经济数据不得修改。 2 1 3 5 申报技术数据的再修改 在计划交易日的前一天1 4 ：0 0 ，允许发电公司对计划交易日发电机组的技 术数据进行修改，称为修改申报。 修改申报只能修改申报的技术数据，不能修改申报的经济数据。 电力交易中心一旦受到发电公司修改申报的技术数据，则认为发电公司上次 申报的相应技术数据无效。 发电公司必须向电力交易中心提交修改申报的理由。 电力交易中心对修改申报的时间和内容必须做好记录。 各发电公司的修改申报应通过电力通信系统传递给电力交易中心，电力交易 中心受到发电公司的修改申报后应立即通过该系统对发电公司的修改申报进行 确认。 2 3 6 数据保密 电力交易中心对发电公司历史上申报的数据负有保密义务，在3 年内不得以 任何方式透露给竞争对手或潜在的竞争对手。 在传输过程中，电力交易中心和发电公司必须采取加密措施1 1 3 ) 。 2 4 小结 9 第二章i u 力| = | 前交戋5 市场的运作机制及模式 本章介绍了电力日前交易市场的运作模式，由于电力竞价主要是在日前交易 市场进行的，所以了解其运作模式这对研究发电j 一的竞价策略是必不可少的。 筘三章基于 l ! 弈论的艟u 竞价方法 第三章基于博弈论的发电竞价方法 3 1 竞价的市场规则 虽然我国的电力市场模型还没有最后确定，但我国6 个电力市场的试点，自 2 0 0 0 年一月以来开始已经成功运行2 年多，其运行结果将对我国未来的电力改 革提供借鉴。在此背景下，本文的研究工作针对电力市场中的分段竞价的模型和 规则进行，试点的几个省级电力市场规则也大都相同【1 4 】。 本文所研究的电力市场是发电侧市场，卖方为发电公司，买方为单购买者， 因在我国尚未开放用电侧竞价，单购买者根据负荷预报，收购所各发电公司的 上网电力，然后统一销售。电力调度交易中心负责发电市场的运营管理和电力系 统的调度运行，市场运作按交易日进行。每个交易日为一个日历日，分为4 8 个 交易时段，每个交易时段为3 0 m i n 。发电公司应按单个注册机组提供每个交易目 的报价，这是符合我国电力市场的实际情况的。 报价的具体形式如下：每个交易目的报价按4 8 个交易时段申报；报价包括 段价和相应的段容量；每个交易时段最多可以报1 个段容量( 在英国，i = 3 ) ；每 个时段发电机组所报的发电容量称为段容量，各个段容量之和应不大于该机组的 注册容量；对于每个容量段申报一个价格，成为段价，为了保证调度方案的公正 性和唯一性，各对段的段价必须单调递增。 对于每个交易时段，电力调度交易中心按发电机组的报价从低到高排序，根 据系统负荷需求按此排序确定被调度的发电机及其出力，最后采用统一的市场清 除价进行结算。 3 2 采用市场清除价的拍卖机制 世界上很多地方的电力市场都采取竞价拍卖机制。电力交易中心负责处理市 场参与者提前一天或提前一个小时的密封投标。根据交易中心的竞价规则，在 2 4 小时的每一小时或者每3 0 m i 的各个时段里，在总供给( 总的发电机组报价1 和总负荷曲线相交点设定一个边际清除电价，即市场清除价m c p r m a r k e t c l e a r i n gp r i c e ) 。所有中标的发电机组都按市场清除价进行结算。独立系统操作机 构管理辅助服务市场l ”j 。 竞价拍卖机制一直是电力市场用以确定电价的首选。它是一种在发电机组之 间分配负荷的经济有效的机制。关于拍卖机制已有很多研究，在资源分配，不同 的拍卖形式，竞价者的竞价行为上的很多研究成果有助于研究电力市场。而且， 第三章基于膊弈论的发 也竞价方法 拍卖机制在很多领域有成功的应用。如：商品交易配额分配，无线电波段的商业 使用分配等。 密封竟价有两种竞价规则。在第一种是竞价拍卖中，中标者按市场清除价进 行结算，即按中标者中价格最高的报价结算。在第二种竞价拍卖中，中标者按自 己的投标价进行结算，即p a b ( p a ya sb i d s ) 方式。很多电力市场中采用第一种竞 价拍卖方式，虽然很多人把美国加州电力市场的失败归咎于采取统一的市场清算 价f ”，但事实上，这种方法有严格的理论基础，可以鼓励发电公司按边际成本投 标，在世界各国的电力市场中被广泛采用。况且根据同网同价的原则，也应采用 统一的市场清除价【卅1 刚。 3 3 常见报价策略 在实际的电力市场运作中，报价是电力市场中发电厂的基本行为。发电厂的 报价反映了发电厂的运行成本和市场供求，决定着机组能否上网发电及其上网电 量。从电网的角度看，研究发电厂报价可以为电网提供良好的运行条件，最大限 度的降低购电成本和保证系统安全。因此，研究发电厂报价策略是发电厂和系统 购电方当前迫切的需求。 制订发电厂报价策略要考虑以下两个因素：一是发电厂的成本，成本加合理 的利润构成了电能这一商品的价值；二是市场的供求状况和电能资源的边际价 格。因此严格核算成本和捕获市场中获利的商机是发电厂报价系统的核心。当 前国外研究电力市场竞价的文献很多【1 8 2 ”。从广义上说，发电厂进行策略性报 价共有以下3 种。 第1 种是基于预测市场清除价( m c p ) 的策略性报价方法。如果一个发电 厂可以准确预测出市场的清除价，那么他只要报出稍微低于市场清除价m c p 的 价格即可获利。由于在大多数电力市场中可供查询的公开数据十分有限，因而精 确地预测m c p 十分困难。 第2 种是基于预测其他竞争对手的报价行为的方法。这种方法需要对整个市 场中所有竞争对手的报价策略和费用函数的各项参数进行预测，然后利用概率论 或者模糊数学的方法得到报价方案。 第3 种是基于博弈论的策略性报价方法。博弈论是研究市场经济的重要工具 f 1 4 】。国内外关于用博弈论来研究电力市场的文章很多阻吨8 1 。由于电力市场采用 的封闭式拍卖交易方式被描述成一个近似的不完全信息的非合作博弈过程，用博 弈论来进行策略性报价是非常自然的。 下面是较常用的基于博弈论的报价方法，应用博弈论研究电力市场中的报价 1 2 笫三章基于博弈论的发电竞价方法 策略问题，关键在于如何使问题描述更加接近实际情况。考虑这样一种情况：已 知市场电价的分布规律( 正态分布) ，不知道其他参与者一发电厂的竞价策略， 把竞价问题看成是发电厂和市场之问的零和二人混合对策，从而把市场参与者的 多人博弈问题转化成二人博弈问题，得到基于博弈论的最优报价方案。 3 4 博弈论简介嘲 博弈论是研究2 个或2 个以上参加者( 参加者称为局中人) 在对抗性或竞争性 局势下，如何做出有利于己方决策的数学理论。 3 4 1 矩阵对策 定义1 设局中人1 有坍个策略，局中人2 有n 个策略。局中人1 、2 分别 选择策略f 和( f = 1 2 ，m ；，= 1 2 ，n ) 时，局中人l 从局中人2 处得到的支付 是n 。则支付矩阵是 4 = 口1 1 口1 ，l 口m i 口n m 对策由矩阵一完全确定。这种对策叫做矩阵对策。 1 ，2 ，m 和 1 ，2 ，n ，分 别是局中人1 和2 的策略集。 是局中人1 得到的支付，局中人2 得到的支付则是一。这就是说，局中 人1 得到的就是局中人2 付出的。由于参加者只有2 个，并且在任何情况下双方 得到的支付之和为0 ，即4 “+ ( 一口) = o 。这种对策为零和二人对策，零和体现了 双方的冲突。 局中人l 希望得到的支付越大越好，局中人2 则相反，他希望支付口。越小 越好，即一a 。越大越好。但是，在支付矩阵4 中，每个局中人只能控制2 个变量 j 和，中的一个：局中人1 只能控制变量f ，局中人2 只能控制变量j 。 如果局中人1 选定一个策略f ，则他至少可以得到的支付为： k4 艘 这就是支付矩阵第衍亍的最小元素。由于局中人1 希望支付值尽可能大，他 可以选择f 使上式为最大。即他可以控制的期望支付为： y f 燃鳓4 口 同理，如果局中人2 选定一个策略，则局中人1 得到的支付为： 矿j 熙。 这是支付矩阵第j 列的最大元素。由于局中人2 希望支付尽可能小，他可以 第三章t 于博毋论的发电竟价方法 选择j 使上式最小，这就是说，他可以使局中人1 得到的支付为： s m i n m a x 口_ k ，埘1 d 硼 一般情况下，对于任意m x ”矩阵对策爿= ( 口。) ，必有： 翟警跚。黜懋“u 当上式中等号成立时，即 蛋警熙蜘5 嬲麟。“刮 称这个v 为这个对策的值。此时，必有1 个f = f 和1 个，= ，+ ，使 口。e 口l 。j 。= vs 臼f 。， 3 4 2 零和二人无限对策 零和二人无限对策是矩阵对策的简单推广，就是将每个局中人的策略集从一 个有限集转换成一个无限集，在本问题中，这个无限集就是区间 0 ，1 】中的全体实 数。 定义2 局中人1 从区间 0 ，1 中选择一个数x ，局中人2 完全独立的从区 间【o ，1 】选择一个数y ，z 和y 称为局中人l ，2 的纯策略。选定x ，y 后，局中人 1 得到支付为丁0 ，y ) ，局中人2 得到的支付为一r y ) 。这种对策称为零和二人 无限对策。 3 - 4 3 混合策略 定义3 零和二人无限对策局中人1 的混合策略是定义在【o ，1 】上的分布函数 f o ) 。对于每一个z 【0 ，1 】，f 0 ) 是用某种随机方法选出的数小于或等于x 的概 率，也就是随机变量亭的值小于或等于z 的概率： f ( x ) = p r ( s x ) 局中人2 的混合策略g ( _ ) ，) 也是定义在 0 ，1 】上的分布函数，其意义与f 0 ) 相 同，即： g ( y ) 昌p r ( 言sy ) 局中人1 ，2 分别按分布函数即混合策略f 0 ) ，g ( y ) 在区间【o ，1 】中选择策略。 如果局中人2 采用纯策略y ，局中人l 采用混合策略，0 ) ，则局中人1 的 期望支付是： ，( ，) o ，y ) 5j o ，y ) 棚7 0 ) 如果局中人l 采用纯策略z ，局中人2 采用混合策略g ( y ) ，则局中人1 的 期望支付为： j ，靠( ，) o ，y ) 2 上r g ，y ) d g ( y ) 1 4 第三市接于博弈论的发电竞价方法 3 5 基于博弈论的发电竞价方法 3 5 1 期望收益 考虑单个时段的报价问题，我们将报价方( 发电厂) 定义为局中人1 ，将市场 定义为局中人2 。局中人1 采用纯策略x ，x 的实际意义就是竞标出力f 单位时间 的电量可用出力代替) 。局中人2 采用混合策略g ( y ) ，g ( y ) 的实际意义就是市场 预测电价的概率分布，这里假定为正态分布，这里市场预测电价也有可能是其他 分布，但该方法仍然适用，只不过g ( y ) 的形式不同。但其意义与混合策略中的 定义有所不同，在竟价问题中应取： g ( y ) 暑p r ( 考苫y ) 根据概率论的中心极限定理，实际问题中的许多随机变量，只要它们是由大 量的相互独立的随机因素的综合影响所形成，而其中每一个个别的因素在总的影 响中所起的作用都很微小，则这种随机变量就近似服从正态分布。其概率密度为： g ( _ ) ，) ，丧。一譬 ( 3 1 ) 式中：矿为预测电价；盯2 为预测电价的误差方差。 式( 3 - 1 ) 中的占( ) t ) 是在g o ) - p 信s y ) ，( 是随机变量) 的情况下得到的， 而在g ( ) ，) 一p ( ；) ，) 的意义下，应做如下修正： 咖) a 志e 警 ( 3 _ 2 ) 用z 表示局中人1 的上网电量，) ，表示成交电价，则报价方即局中人1 的期 望支付函数为： 丁0 ，) ，) t 刁， 考虑电能生产的费用为： c ( x ) 宣戤2 + 缸+ d 式中：口，6 ，d 为发电成本函数的系数。 扣除成本后，报价方的期望收益为： 即 e ( g ，z ) a 上r ，) ，) d g p ) 一甜2 一h d = 上圳g p ) 一倒2 一k d e ( g ，x ) 篁广驯占一喾d y 一缸z 一缸一d ( 3 _ 3 ) e ( g ，篁j 二。叫志e 2 一咖一缸2 一缸一d ( 3 。3 3 5 2 最大收益与报价 第三带基于博乱；论的欲l 乜竟价方法 为使报价方的期望收益最大，投标者即局中人l 的决策应满足： 譬掣：o ( 3 4 ) 眦 由于 上y 删小j = y 赤一可方；一去e i 1( ，+ j ) 一y 一2 故有： 墨。一寺 2 石 设工为最优出力，则由式( 3 4 ) 得： 一6 + ；一善e 一万 幼 一馘| 一b x d 拟 这样，我们就得到基于博弈论的最优出力方案为f 3 3 j ： 一6 + f 一兰e 一孑 名“t t 笋一 起始出力只= ：若巳c 。，则无报价空间，为机组的最小技术出力。 相应的报价0 为： d ；一罢。一 新 以上得到的报价方案针对每个时段只报1 个出力一电价。若每个时段要求报 多个出力一电价，则按下面的策略进行扩展。 以上述报价方案为第l 出力价格，也就是最低价格，这样，该价格最有可 能被收购。其余各时段价格及出力确定如下( 设价格段数为栉) ： 第f ( f 2 ) 时段起始出力凡；为： 耻娟_ 2 ) 警 式中：为机组最大技术出力。 第f 时段终止出力为： pp 2 r + ( f 一1 ) 箐 第i 时段报价为： 一 y 工 = 、， xg ，l e 第三章基于博弈论的发电竟价方法 。砌卜，等卜 按以上方案进行报价，最低价格段方案被采购的可能性最大，这样可获得最 大的期望收益。若其他价格段的报价被采购，则发电收入更大，但可能性小。 3 6 算例 以某台机组为例，其技术参数和成本函数分别为： 上) m ，口3 0 0 删，只m 。= 1 0 0 m 矸7 ，c ( 工) = 0 0 5 z 2 + 3 5 】工+ 4 4 4 假设用时间序列法进行预测第1 0 1 日第一时段的市场价格为2 1 1 1 美元 f m w h ，预测误差方差盯2 为7 5 9 。 按本文所提方法得到如下报价策略。 最佳出力( 单位为肘矽) 及报价0 ( 单位为美元( m 概) ) 为： 一b + 歹一尝e 一奇 - _ 导 矗5 1 + 2 1 1 1 一，口匠一裟 - _ _ _ - - - _ _ _ 。_ _ - 。_ _ - 。- - _ _ - - - 。_ _ _ _ - - _ _ h _ - - - _ _ _ - - - - - - - - - - - - - - - - 一 v2 7 5 9 = 1 7 3 5 0 2 o 0 5 。= ；一去e 寺划m - o z s 翊腼 若每个时段需要报多个出力一电价，则按第4 节的扩展策略进行扩展，以每 个时段5 个出力一电价为例，扩展方案如表3 1 所示。 表3 1 某发电厂的报价方案 序号电力p | m w报价( 美元( 胁矿| 1 1 ) 。1 1 f 1 0 0 ，1 7 4 1 2 0 8 6 2 f 1 7 4 ，2 0 6 1 2 4 1 1 3 f 2 0 6 ，2 3 7 1 2 7 2 1 4 f 2 3 7 ，2 6 9 3 0 4 1 5 f 2 6 9 ，3 0 0 1 3 3 5 1 3 7 小结 本章首先介绍的电力市场竟价的市场规则和拍卖机制，对报价问题进行了综 述，并着重介绍了基于博弈论的发电厂报价方法。此方法所要求的已知条件( 市 场电价的预测值及其方差) 较少，符合电力市场运行的实际情况，有些预测算法 第三章批于博峁论的发i 乜竞价方法 ( 如时间序列预测) 可以直接给出预测的电价，或者通过历史电价的统计分析得 到。并给出了个算例。本方法优点在于易于实现，但是由于系统电价预测往往 有一定的误差，因为在电力市场中，电价往往不象负荷预测那样与以往的历史数 据有较强的关联性，因为负荷是自然变化的，是可以预测较为准确的，而市场电 价的竞价结果往往人为操作的影响较大，波动较大，有时甚至有一定的跳动，故 预测往往有较大误差，误差对本方法的报价方案的影响也较大，对利润的影响较 大，所以有一定的风险，实际上，单独从预测市场电价出发来制定竞价方案有时 会比较被动，我们首先要对自己电厂的成本非常了解，然后才能根据自己的成本 曲线来进行竟价，这样我们才不会竞价成功却可能亏损运行，下章我们将介绍 发电厂运行性能和成本曲线。 第叫章发电厂报价曲线的生成 第四章发电厂报价曲线的生成 发电厂竞价时，能否竟标成功及竞标成功后的利润大小是与自己电厂的设备 性能及成本曲线密切相关的。大机组、高参数的电厂竞争力就比小机组的电厂竞 争力强所以赢利能力就强。所以，在电力市场中，研究发电报价首先要研究市场 采取何种形式的报价曲线，以及报价曲线与生产成本的关系。即发电厂一定要根 据自己的成本曲线来构建自己的竞价曲线。另外，如果发电厂的成本单价曲线和 市场要求的竞价曲线不一致，还要对发电报价曲线做相应的处理，要根据成本单 价曲线来制订市场要求的竞价曲线。 4 1 发电成本曲线 发电成本包括燃料费、管理费、检修费和发展费。参与竞价的单位可以是机 组、发电厂或发电公司，竟价的周期可以是年、月、日或小时。下面先研究单段 发电成本曲线，包括二次成本曲线和线性成本两种情况。 4 1 1 发电成本为二次曲线 通常认为发电成本是发电功率的二次函数，即对发电公司( 或发电厂或发电 机组) f ，设发电功率只在短时间( 如一小时) 内恒定不变，则一小时内发电公司的 发电成本c i 与发电功率只间有如下的二次函数关系： c j 等盘，鼻2 + 6 。只+ d i ( 4 一1 ) 式中：n ，、6 ；和d ，为发电公司( 或发电厂或发电机组) f 的成本曲线系数，可以通 过对发电成本的统计分析获得；f l 2 ，用为发电公司( 或发电厂或发电机组) 的编号，m 为系统中参与竟标的发电公司总个数。发电成本二次曲线如图4 1 所示。 如果发电公司的发电功率维持恒定的时间r ( 分钟) 不足一小时或大于一小 时( 发电功率就增大或减小到另一定值) ，则其实际消耗的成本应在上式的右边乘 以系数( _ r 6 0 ) ，即乘以实际恒定出力的小时数。 上式两边同时除以发电功率e ( 严格地说应该是发电量皇( m ) x1 ( 纠) ， 即得该发电公司的发电成本单价曲线为； c “= 口f 只+ h + 詈 ( 4 2 ) ，f c 。即为发电公司l 的发电成本单价( 元( m 翰) ，显然，c 。不是常数，它随着发 电出力的变化而变化。 抑凹币发l u 厂。 鲢价曲线的生成 式( 4 1 ) 两边对发电功率只求导，即得发电公司f 的微增成本曲线 图4 1 c i 为二次曲线时的成本单价曲线 j ，1 c 净豢一2 m 只十6 f ( 4 3 ) 即当发电公司的发电出力为只时，若发电功率增大1 个单位( 删) ，则一小时 内发电公司的发电成本将增大c ! ( 元) 。 综上，发电成本曲线q 为二次函数时，发电成本单价曲线c 0 。为双曲线，发 电成本微增曲线c 坝0 为一次函数。