（电力系统及其自动化专业论文）系统边际电价预测的garch建模.pdf

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有效地节省龟费开支。而且边际电价的预测对于用户估计调整用电行为、用电时间 后的机会成本也有重要的参考价值。 从市场的监管者来看，边际电价的预测为促进市场健康、稳定、有序地竞争和 发展以及各种电价政策的制定提供了科学依据。国家电力监管委员会通过对边际电 价的预测，可以把握电力市场的电价总体发展变化情况，及时向政府价格部门提出 调整电价的建议( 如最高限价、最低限价的调整) ；各级地方电力监管机构可以借 助边际电价预测监管包括发电、输电、配电在内的所有电力企业的市场竞争行为， 防止具有市场操纵力的电力企业垄断或操纵电价，维护了电力消费者的利益以及电 力市场竞争的公正、公平、公开。 从长远的角度看，系统边际电价预测有助于发电方规避市场风险，制定长期的 发电计划。通过长期边际电价预测，发电方可以初步了解未来一段时期内的电价发 华北电力大学硕士学位论文 展走向，从而确定将来一定时期内竞价电量和合同电量的分配比例，力争把企业自 身参与市场竞争的风险降到最小。 可见，随着电力市场化的不断深入，系统边际电价预测的重要性将越来越明显， 如何进行系统边际电价预测以及如何提高系统边际电价预测的准确度将是迫切需 要解决的问题。 1 2 系统边际电价预测的研究现状 在电力市场的复杂环境中，影响市场中电价水平变化的因素众多。由于中长期 电价预测包含了太多不确定的影响因素，导致了中长期电价预测结果的可信度降 低，因此对中长期电价预测进行研究的文献相对很少。近年来，众多学者就短期边 际电价预测进行了大量的研究，尝试了多种电价预测的方法。 1 市场模拟法 市场出清电价是总的供给曲线和需求曲线交点所对应的均衡价格，因此部分研 究是通过预测的市场总供给曲线和预测的系统负荷来模拟电力的拍卖过程，从而得 到市场出清价格。 文献 4 5 j 通过需求和供给各自的随机模型得到市场价格及其概率分布。 文献 4 6 进一步模拟市场出清后的安全校核过程，从而得到考虑系统约束和备 用需求等因素的预测电价。 随机生产模拟是根据各自发电商的报价安排机组出力，并得到系统的边际电 价，因此也可用该方法来模拟市场出清过程，从而预测市场边际电价“”。 文献 4 8 、4 9 运用随机生产模型对短期边际电价进行了预测，该方法可方便地 计入发电机故障和负荷随机性对市场电价的影响，而且可以得到电价的概率分布。 文献 5 0 建立的三时点预测模型是依据供给一价格线性反应式和需求一价格线性反 应式建立的。模型优点是原理简单明确，没有过多的参数设定，计算过程简单。模型中 计算时点的选择是影响预测精度的关键因素，如果选择恰当，可以得出比较准确的预测 结果的。 市场模拟法的难点是如何得到各发电商的报价。 2 数学模拟法 数学模型法是通过寻找预测日与历史日电价间的某种规律，运用适当的数学预 测模型来构建电价预测模型的方法。这种方法的一个隐含假设是预测日与历史日的 负荷相似则电价水平也相似。现有的短期边际电价预测的主要方法是时间序列法和 神经网络法。时间序列法是指利用电价时间序列的相关性，运用已有样本建立的电 价时间序列模型进行样本外的电价预测。使用时间序列法预测电价的关键是确定模 2 华北电力大学硕士学位论文 型的历史电价与要预测的未来电价在某种程度上的相似。时间序列法的优点是模型 中各个分量具有明确的物理意义，模型容易理解。目前用于电价预测的常用时间序 列模型有a r m a 模型、a r i m a 模型、v a r 模型和t f 模型。神经网络法是指以神经网 络为预测工具的电价预测方法。神经网络( n n ) 是一种模仿人脑信息处理方式的数 学工具，已广泛应用于函数逼近、模式识别等领域。尽管神经网络是一种人工智能 方法，但是网络结构的选择带有人为因素，因此并非每次的预测结果都令人满意， 而且有很多参数需要估计，容易出现过拟合问题。但是，这种方法的优点也很突出， 它能够以任意精度逼近连续函数，而且是数据驱动方法，不需要假定尝试性模型。 在电力系统负荷预测中，神经网络已得到广泛应用，其处理多变量和非线性的能力 已逐渐得到人们的认识。 文献 5 1 在分析边际电价影响因素的基础上，提出运用时段分离组成法对系统边际 电价进行预测。这种方法是通过对电价时间序列的长期趋势和随机影响项进行分别预 测，最后进行叠加从而得出预测结果。文章中对一日的边际电价进行了预测，证明该种 方法在边际电价预测中是可行的，同时也将一种新方法带入了电价预测中，丰富了边际 电价预测理论。 文献 1 4 使用a r i m a 模型和人工神经网络模型对系统边际价格进行了预测。通过引 入市场供求指数这一反映市场供需情况的指标，改善了预测效果。为了进一步提高精度， 文章中建议引入更多的影响s m p 的市场因素，例如系统备用需求，系统最高、最低限 价等，还需要引入一些指标来精确描述厂商报价模式。该文献为建立电厂报价决策系统 奠定了基础。 文献 5 2 利用动态聚类方法将所有样本数据根据各自的特征分成若干类别，将自然 因素( 季节变迁、天气突变等) 和人为因素( 机组检修、发电厂报价策略改变) 对短期边际 电价的影响反映在数据分类中，对不同类另| j 的样本数据分别建立各自的b p 神经网络模 型，通过对各自样本数据的训练过程，逐步调整不同层神经元之间的连接权值和阈值， 建立的预测模型较为准确地预测了短期边际电价。此方法的不足之处在于用动态聚类进 行样本数据分类时，可能会将某几个特殊的样本数据未归入任何类别中，而对属于此类 别的边际电价预测精度造成一定的影响。 文献 5 3 文章应用级联神经网络对m c p 进行了预测。此方法的优点在于避免了对网 络结构的估计，网络在训练的过程中能够自适应地增加隐含节点；文章通过对美国n e w e n g l a n di s o 的数据运算证明在训练集中增加特殊数据点，可以明显提高预测精度。 文献 5 4 文章中建立的模糊神经网络预测模型通过对系统边际电价进行离线训练 和在线预测，证明了模糊神经网络在预测电价精度方面比传统的多元回归等方法有很大 提高，在学习速度和优化能力等方面比b p 网络具有更大优势。 文献 5 5 分析认为电价具有混沌特性，并采用混沌时间序列法预测电价。 文献 3 z 分析了电价时间序列的异方差性，对西班牙电力市场和加州电力市场的电 3 华北电力大学硕士学位论文 价水平进行了实证研究，实证研究结果表明建立的g a r c h 模型提高了电价预测的准确度。 文献 5 6 应用基于小波分解的改进神经网络对浙江电力市场2 0 0 2 年1 1 月2 5 日至 2 0 0 2 年1 2 月1 日的电价水平进行了实证研究。 1 3 论文的主要工作 在竞争日益激烈的电力市场环境下，准确的电价预测对市场成员具有重要意 义。然而，电价时间序列具有明显的波动丛集性，电价时间序列的分布也呈现明显 的尖峰厚尾的特性。这一特征与金融时间序列的特征十分相似。因此，本文借鉴了 处理金融时间序列这一特征的方法，选择了能够刻画金融时间序列波动特性的计量 经济学模型a r c h 族模型对电价时间序列的波动特性进行描述，进而对短期系统 边际电价水平进行了预测，旨在提高预测的准确度。具体内容如下： 1 在大量阅读相关资料的基础上，对电价预测的国内外研究水平进行了综述； 并结合微观经济学理论，阐述了电价预测的基本理论，为顺利开展论文奠定了基础。 2 采用典型电力市场中的电价实例数据，对系统边际价格的变化规律进行了剖 析，得出不回电力市场电价具有不同波动特性的结论。 3 针对不同电力市场的电价变化规律，运用a r c h 模型构建了适合电力市场中 电价的经济学预测模型。 4 采用典型电力市场的电价实例数据，验证了本文模型的正确性和有效性，并 探讨了a r c h 模型的适用性和可行性。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 电力市场概述 第二章电价及电价预测 电力工业是国民经济的核心部门之一，它既为现代工业、现代农业、现代科学 技术和现代国防提供必不可少的动力，又与广大人民群众的日常生活有着密切关 系。自从1 9 8 1 年智利首次开始进行电力改革，发展到2 0 世纪9 0 年代电力市场几 乎己成为一个势不可挡的世纪性的世界潮流。英国、美国、澳大利亚、瑞典、日 本、阿根廷等国都相继进行了本国电力工业的改革，引入竞争机制，建立电力市场。 由于各国的历史背景，市场成熟程度，科技综合水平等因素的不同，电力市场在各 国的实践中表现出明显的差异。欧美发达国家实施电力市场是伴随着私有化浪潮而 兴起的，旨在为停滞的电力工业引入活力，发展中国家如阿根廷、智利等希望通过 电力市场化改革加快电力工业的发展。在我国为了缓解电力供需矛盾，国务院提出 了“集资办电”的方针，因而在我国出现了国家、外资、地方多家办电的局面。在 这种情况下需协调好各方的经济利益并给予每个参与者平等竞争的机会，而原有的 电力垄断体制不能满足电力发展的需要，电力工业迫切需要建立公平、公正、公开 的市场秩序。为了在全社会范围内优化资源配置，提高电力企业的生产效率，建立 电力市场是我国电力工业改革的必然选择。 电力市场是电力的买方和卖方相互作用以决定其电价和电量的过程，更具体的 来讲，电力市场是采用经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统 中发电、输电、配电、用户等各成员之间进行协调运行的管理机制和执行系统的总 和“1 。电力市场化改革就是要将电力生产的发、输、配、售各个环节分开，并在发 电和售电环节引入竞争，输电和配电环节由于输配电网的天然垄断性仍然实行在政 府监管下的垄断经营。在发展阶段上，电力市场可分为垄断、发电竞争、批发竞争 和零售竞争四个渐进的阶段。目前，我国电力市场还处在发电竞争试点阶段，实行 “厂网分开，竞价上网”。 2 0 0 2 年4 月，国务院发布了关于印发电力体制改革方案的通知( 国发 2 0 0 2 5 号) 0 1 。国发 5 号文件的出台，在我国电力市场的改革进程中具有里程碑式的重要 意义。这个文件是指导电力市场设计、运行和管理的纲领性文件，揭开了我国电力 市场改革从试点到实施的序幕，标志着电力工业真正从垄断走向市场，开创了电力 工业发展的崭新时代。此次电力体制改革的总体目标是：打破垄断，引入竞争，提 高效率，降低成本，健全电价体制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网。 5 华北电力大学硕士学位论文 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。 在发电环节引入竞争机制，首先要实现“厂网分开”，将国家电力公司管理的 电力资产按照发电和电网两类业务进行划分，电网环节分别设立国家电网公司和中 国南方电网有限责任公司；发电环节按照现代企业制度要求将国家电力公司管理的 发电资产直接改组或重组为5 个发电集团公司：中国华能集团公司、中国大唐集团 公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司和中国电力投资集团公司。为了对电 力企业进行有效的监管，国务院成立了国家电力监管委员会，其主要职责是制定市 场运营规则，监管市场运行，维护公平竞争；向政府价格主管部门提出调整价格建 议；监管电力企业生产标准，颁发和管理电力业务许可证；处理电力纠纷；负责监 督社会普遍服务政策的实施等。 2 2 电力市场中的电价 电价理论是电力市场的核心理论之一。电价体系的研究是电力市场理论的价格 基础，目标是将电力系统中的一切行为都用费用表示出来，并将电价作为引导市场 成员行为的主要手段。电价的变化既具有一定的周期性，又具有随机性。它与政府 政策取向与措施、市场性质、气象以及发电商的心理等众多的因素有着极为复杂的 关系。一方面，电价按一定趋势有规律地发展变化；另一方面，电价受众多因素的 影响，随时都可能发生一定的波动。在进行电力系统电价预测时，针对电价变化的 这些特点，既要充分分析、掌握并利用其规律性，又要兼顾各种因素的影响。只有 充分了解和掌握电价特点、制定方法及变化规律等，才能建立起符合实际情况的预 测模型，提高预测精度。 2 2 1 市场经济条件下的价格及其形成机制 价格是商品价值的货币表现“1 。价格本身属于交换的范畴，实质上反映着人与 人之间的交换关系及商品交换中经济主体之间的物质利益关系。从本质上看，价格 反映资源的稀缺程度，它是一种激励因素，作为经济活动参与者相互沟通信息的方 式而形成于市场中。因此，价格是市场经济运行的综合反映，是各方面经济活动主 体利益关系的调节机制。 价格形成于市场，是市场上供给和需求双方力量作用的结果，市场如无形的手， 引导买卖双方市场行为，最终导致相对均衡的市场价格的形成侣】。价格在市场中形 成的机理及其运行构成了市场机制，包括供求机制、价格机制、竞争机制、风险机 制四个部分。只有均衡的市场价格，才能保证供求关系的平衡，创造公平竞争的市 场环境，并使风险机制有效地发挥作用。因此，价格机制是整个市场机制的核心。 6 华北电力大学硕士学位论文 均衡的市场价格在充分竞争的市场中形成。所谓充分竞争性市场，是指具备交 易者自利、完全信息和资源自由流动等三项基本条件的市场嘲。即市场建立在交易 各方自利原则的基础上，人们从事各种各样的经济活动，是由于受到自身利益的驱 动，生产者追求利润最大化、消费者追求效用最大化；在市场中，生产者和消费者 都掌握完全的市场信息，双方对于商品的价格和质量都完全了解；市场中各种经济 资源可以自由流动，而且没有对生产者的市场准入限制，进入和退出市场是自由的。 在完全竞争的市场中，当供过于求时，价格下降，市场供给会随时减少；当供给减 少至需求水平之下时，即供不应求时，价格又会开始回升。在经过不断的波动后， 价格会在供给与需求相等的情况下稳定，形成均衡价格。 在充分竞争的市场中，价格是优化资源配置的有效手段。这一市场条件下的价 格是不需要政府干预管理的。价格决定着企业生产什么、如何生产和为谁生产的问 题，价格也决定着消费者的购买选择，进而决定市场供求关系，调节着整个社会经 济活动。 然而，现实情况中完全竞争的市场环境是不存在的，垄断价格、价格欺诈等破 坏价格形成机制的行为时刻存在，从而导致市场失灵，使价格不能真实地反映生产 者和消费者双方的利益和意愿，从而背离价格的本性。即使发达的市场经济国家也 需要利用各种手段对价格的形成进行干预，这其中政府对不正当价格行为的监管起 到非常重要的作用。 2 2 2 市场经济条件下的价格职能 价格是商品价值的货币表现，是商品与货币交换的比例。价格的这一本质决定 了价格内在所具有的职能，即价格职能。在商品经济活动范畴中，价格职能主要表 现在m ： 1 价值表现职能：是指价格通过货币来表现和度量商品价值量大小的功能。但 是，在现实经济活动中，价格不一定能够真实地反映价值，可能过高也可能过低。 2 效益核算职能：是指价格被用来计量和核算经济效益的功能。 3 经济调节功能：是指价格对各种经济活动进行的自动调节功能。价格与价值 的不一致性，导致价格可能高于价值也可能低于价值，也就导致了相应产品利润的 增高或降低，因其生产规模的变化，从而使得供求不断发生变化，实现推动经济的 向前发展，引导资源配置趋于优化。 4 信息传递职能：是指价格作为一种信息的载体，通过其高低涨落传递各种信 息的功能。信息传递职能主要体现在三个方面：向生产者传递供求、成本、利润等 方面的信息，从而为决策提供依据；向政府决策机构传递社会总供给与总需求、生 产结构、消费水平与结构等方面的信息；向消费者传递信息，引导消费。 7 华北电力大学硕士学位论文 收入分配职能：是指价格对国民收入的再分配功能。国民收入再分配是通过财 政、税收、利率、工资等多种形式共同进行的，而价格的分配使得价格无形中成为 国民收入再分配的重要形式。 2 2 3 电价的功能及其作用 商品的价格以商品价值为基础，又以供求变化等因素为转移，而且价格的变化 反过来影响供求关系的变化，因此价格是调节资源配置的重要经济杠杆之一。在电 力市场中，电价作为控制电力交易的杠杆，是电力市场的核心内容。市场决定电价， 可以促进电价在商品交换中趋于合理，能正确地反映电力在生产和流通过程中的实 际价值，调整电力的供求关系，提高电力企业的经济效益，调动各方面投资办电的 积极性，促进电力企业的健康发展。在电力市场中，无论是对供应方还是需求方来 说，电价都直接关系到各市场参与者的经济效益。电价不仅直接关系到发电商和电 力用户的利益，而且是电力市场调节供需矛盾、消除网络阻塞最有力的手段。当然， 由于电价的频繁波动，电力市场也因此承担着巨大的电价风险。因此，研究电价问 题无论是对于加强市场监管，还是对于保证市场稳定运行都具有非常重要的理论和 现实意义。 利用电价在电力市场环境中的经济信号作用，调整电力的供求关系，调动各方 面投资办电的积极性，提高电力企业的经济效益，从而达到优化资源配置，合理组 织生产，提高社会经济效益的目的。总体说来，电价在电力市场中具有如下功能： 1 吸引社会资金向电力工业流动，满足电力用户发展的需要，保证电力工业的 可持续发展。 2 优化资源配置，使电能生产结构更加合理。避免了重复投资。充分开发和利 用各种再生能源和新能源，降低电力成本，节约人类有限的资源。 3 增强企业活力、加快电力工业发展。由市场决定电价，能促进电力企业之间 的竞争，促进电力企业不断提高自我积累、自我改造、自我发展的能力。 4 引导用户合理用电。由市场决定电价，可促使电力消费者采用调荷节电措施， 自动的削峰填谷，使电力消费结构趋于合理，减少浪费 2 2 4 电价的特点 电能作为一种特殊的商品，具有与一般商品的不同之处：首先，电力行业是公 用性服务行业，中断供电或者供给不足会给国民经济和广大用户造成巨大的损失， 因此，实行电力市场化，必须以安全、可靠供电为前提，除保持电力供需平衡外， 还必须留有足够的发电备用容量。其次，电能不能大规模长时间存储，电能的发、 8 华北电力大学硕士学位论文 输、配环节同时进行，这就需要电力市场供求信息反馈迅速，电网调度统一。在这 种情况下，电价除遵循一般商品的价值规律外，还具有以下特点： 1 地区差异性各地区的电源结构不同，水电受丰水、平水、枯水年和季节性 的影响；火电受燃料价格、运输距离的影响；核电受技术条件和投资规模的影响。 进而使得各地区电力成本有较大差异，从而各地区电价不同。 2 受一次能源价格的影响较大，我国火力发电厂的燃料成本占发电成本的7 0 左右，燃料价格的波动，对电价的影响极大。 3 由于电能的发、输、配环节必须实时平衡，导致电价具有极大的时间差异性， 一年的不同季节和每天的不同时段，电价差距较大。 4 由于电力是关系到国计民生的公用服务性行业，供电可靠性要求高，所以必 须保证电价具有一定的相对稳定性。 2 2 5 电价的影响因素 影响电价的因素概括起来有三大类，一是外部因素，包括政府政策、税收、社 会费用、市场与需求的性质等；二是内部因素，包括经营目标、成本等。三是气象、 突发事件等其他因素。 1 外部因素 1 ) 政府政策。电力是一个相对垄断性的行业，因此电力企业在向用户提供电能 时，电价受政府政策的影响较大。同时也因为电力行业是基础性的行业，电价对其 他行业产品的价格具有拉动效应。如果电价太高，势必引起其他行业产品的价格上 扬或使用户承受不起。因此电价不可能像有些产品的价格那样完全可以由市场给予 调节，政府往往从宏观经济角度给电力企业确定适当的电价。 2 ) 税收。无论是发电厂的上网电价还是供电企业的供电电价均有税收问题。根 据目前的税收政策，发电厂发电上网，要征收电力生产增值税，当进入销售环节时， 也要增收电力产品增值税，还包括其他税种。 3 ) 社会费用。常常终端用户支付的电费中，不仅包括了供电局的供电电费、政 府核定的电价，而且还包括了其他增量费用。这是非电力行业( 用电管理中间机构) 在电价外收取的其他费用。通常包括人工费、管理费、设备维护费、线路费、相应 的机构的利润，以及政府规定的其他费用，如三峡基金、电量资金、重点电量资金、 价格调节资金、路灯附加费、工业附加费。 4 ) 市场与需求的性质。在不同市场结构条件下，企业定价的自由度不同。目前， 对发电市场而言，逐步要过渡到“厂网分开，竞价上网”，也就是说不同的发电厂 ( 包括新的、老的、合资的、全民的、火电的、水电的、核电的等) 均要竞价上网。 上网的竞争者比较多，不是垄断性质的，这时发电企业在定价时既要考虑成本，考 9 华北电力大学硕士学位论文 虑负荷曲线及其导向，又要考虑利润和竞争，从而实时确定上网电价。从需求的角 度来讲，最终评判电价是否合理的是用户，因此电力企业在定价时必须考虑用户对 价格的理解和承受能力。 2 内部因素 1 ) 电力企业的经营目标。对发电企业而言，由于其建设的年限、设备的先进程 度、历史原因均不相同，在竞价上网时的经营目标也不相同。发电企业的经营目标 主要有：维持企业的生存、争取当期的利润最大化、争取最大限度的市场占有率等。 对于一些老的发电企业而言，规模赶不上新建企业的规模，设备赶不上新建企业的 设备，服务年限又很长了，企业负担较重。这时，发电企业只有以维持生存为目标， 在竞价上网时，其电价低一点也要争取上网；当发电企业的规模较大，设备较先进， 又无社会负担时，通常把市场占有率的扩大作为经营目标，往往采取一种长期的、 合理的竞价上网策略。 2 ) 成本。无论是发电市场、供电市场合一，还是分开，在定价时均应考虑成本。 发电成本分为固定成本、可变成本。固定成本包括折旧费、房地租用费、办公费、 管理人员工资等不随发电量变动而变动的成本。可变成本是指燃料、其他材料、生 产工人工资、运营费用等随发电量变动而变动的成本。竞价上网时，电价的变化主 要是可变成本在起作用。 3 其它因素 前述电价的影响因素着重于各因素对电价总体水平的宏观的、较长期的影响， 而影响电价波动的因素则是指那些在较短时间内，甚至是每一个结算时段，造成电 价短期变化的因素。影响电价波动的因素是多方面的，但电价的短期波动实质是受 负荷的引导。一般情况是系统负荷大时，边际结算电价就会高些，反之亦然。所以， 引起短期负荷波动的因素，也就是影响电价短期波动的因素。影响负荷短期变化的 因素如下：日分类( 正常日、国庆、春节等) ；星期类( 星期一星期日) ；日天气 类型( 晴、阴等) 、日最高气温、日平均温度、日最低温度、日降雨量、湿度、风 速等；突发事件( 发电厂事故、大用电量的庆典活动等) ；用户对电价变化信号的 心理反应以及用电行为的调整。 2 3 短期边际电价理论 2 3 1 边际电价的定义 边际成本定价理论起源于2 0 世纪4 0 年代，以杰文斯、门格尔和瓦尔拉斯等进 行了研究，开展了边际效用革命，对整个西方经济界影响非常大。从2 0 世纪5 0 年 1 0 华北电力大学硕士学位论文 代开始，边际成本理论应用于电力部门。电价以边际成本为基础起着管理财务、平 衡成本、指导用户用电以及引导电力需求的作用”1 。 边际成本定义为在一定时期内，最后增加一个单位产量所需支付的成本。由于 二次曲线可使经济运行问题简化而又有足够的精确度，因此目前大多数电力公司都 是采用二次成本曲线。边际成本是随发电量单调递增的曲线，从数学意义上讲，边 际成本表示总成本曲线各点的斜率。从经济意义上讲，边际成本表示产量的单位增 长引起成本额外增加的数值。采用边际成本定价能使社会能源得到最有效的利用， 全社会取得最大的经济效益。 2 3 2 短期边际电价的定价机制 目前国内外电力市场短期电价广为采用的是统一出清价格的边际成本定价机 制，如：加州电力市场、新英格兰电力市场及我国的大部分电力市场等伸。其市场 交易按照如下过程安排： 1 每天分为若干个时段( 如每小时为一时段，一天2 4 个时段，或每半小时为 一个时段，一天4 8 个时段) 。提前一天计算第二天各时段电价。 2 由电力交易中心p x ( p o w e re x c h a n g e ) 组织头一天的市场( t h ed a y - a h e a d m a r k e t ) 交易，发电商和配电公司在每天上午提出第二天各时段的售电或购电投标 书，允许发电商对不同机组及容量分段报价。这些数据包括：不同出力水平的费用； 独立发电商有时还需提供最低发电容量和费用、启停机费用、每时段的可供最大出 力等数据。 3 由p x 汇总做出每时段的总的供需曲线并由之确定市场出清价p 。( m a r k e t c l e a r i n gp r i c e ) 或系统边际价格p e ( s y s t e mm a r g i n a lp r i c e ) 。当按连续曲线报价 时，某时段系统总的供需曲线及系统边际电价如图2 1 所示。这个价格等于被购买 到的最后一个机组的最后一个容量段报价，这类中标的机组被称为边际下机组或边 际机组。i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 负责输电网的可靠性及实时的平衡市 场。p x 头一天的市场与i s o 的实时平衡市场都实行统一的系统边际价格，也就是边 际下的所有机组，无论报价时拍卖几个单位的能量，也不论报价多少，最终都以同 样的系统边际价格被p x 采购。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 电力市场价格预测 2 4 1 预测的概念 图2 - 1 供给需求曲线 预测是根据事物发展过程的历史和现实，综合各方面的信息，运用定性和定量 的科学分析方法，揭示出事物发展过程中的客观规律，并对各类事物现象之间的联 系以及作用机制做出科学的分析，指出各类事物现象和过程未来发展的可能途径以 及结果“”。预测的过程是从过去和现在已知的情况出发，利用一定的方法或技术去 探测或模拟不可知的、未出现的、复杂的中问过程，推断出结果。预测研究的是事 物的未来，而未来之所以会使人们感兴趣，是因为与人们目前的行为有密切的联系。 这种联系主要表现在两个方面：一是了解事物发展的未来状况后，人们可在目前为 它的到来做好准备，如果事物未来的发展状况对人们有利，则可通过对目前的决策 去利用或扩大这个有利的将来；二是通过预测可以了解目前决策可能带来的后果， 并通过对后果的分析来确定目前的决策。 预测的要素有预测主体、预测对象及信息、预测方法以及预测结果。预测对象 是人们感兴趣的一切事物，包括人的活动在内。用数学语言说就是要明确预测对象 的边界条件。对象明确了，就要收集与对象有关的信息资料，包括那些可以量化的 以及不可量化的信息。信息是预测的基础，根据信息分析预测对象的特征，从而选 择合适的预测方法进行预测，进而得出预测结果，对预测结果进行分析，看是否合 乎道理。是否满足预测目的。 预测的技术基础是数学和计算机技术。数学是定量分析的工具，是预测科学性 的体现。依照经济学理论建立的各种计量模型是经济预测的基本手段。预测称之为 一门科学，还得益于计算机技术的飞速发展。没有计算机技术的迅猛发展，就不可 华北电力大学硕士学位论文 能有预测学的迅速发展。数学与计算机的结合产生了各种经济预测软件，它为预测 科学化、普及化打下了坚实的基础，极大方便了人们的各种预测需要。 2 4 2 预测的可能性 由于对未来未知事物发展的推测，要进行准确预测是很不容易的。价格预测尤 为如此，我国电力市场发展的特殊性，决定了市场中的电价受多方面因素的影响。 但是，这并不意味着市场中的电价不可预测。从表面上看，偶然性占据了主导地位， 但从总体上看，却有一定的规律性( 这些规律并不都表现为统计规律) 。正如恩格 斯所指出的：在表面是偶然性在起作用的地方，这种偶然性始终是受内部的隐蔽的 规律支配的，而问题只在于发现这些规律。预测研究的任务，就在于透过事物的现 象探讨其内在规律，并利用这些规律来为人们服务。人们的研究指出，事物的发展 和变化大多数遵循以下几条原则，这些原则也是我们对事物做出科学预测的基础。 1 连贯性原则 连贯性原则是指事物的历史和现实具有一定的“记忆性”( 用数学语言说就是 非马氏性) 。过去和现在的发展规律如果没有受到外界突发事件的干扰，这种发展 规律也将持续至将来，保持一种惯性。现实是历史的延续，将来又是现实的发展， 历史和现实的决策，将会或多或少地影响到未来。过去和现在存在的某些规律，在 未来的一段时期内将继续存在。这种连贯性有两方面的含义：一是指时间方面的连 贯性，即在某一系统中，如果过去一直受某种力量( 如政策) 所支配，现在即使这 种力量突然消失，系统也不能马上消除这种力量的影响，而会仍按其原有惯性运行 一段时间；二是系统结构的连贯性，也就是说，我们可以认为系统结构在短期内是 不变的，保持着相对稳定性。这两种连贯性是人们预测的根据，前者是运用时问序 列分析方法进行趋势外推的基本假设，后者则是利用因果关系建立结构模型进行预 测的主要依据。 2 相似性原则 事物发展的相似性原则是指事物的演化具有一定的“遗传性”。任何事物的发 展都是以螺旋式方式向前推进的，尽管历史和现实有许多不同，但是在有些发展规 律上可能有某些相似之处，正是这种相似性才使得我们可以利用历史和现实对将来 的发展做出某些预测。 3 相关性原则 相关性原则是指在一个复杂的系统之中，许多影响因素( 变量) 之间存在着某 种关联关系，这种关系有些是线性的，有些是非线性的。这些关系，有时候表现为 一种因果关系。如在正常商品的需求系统中，价格的升高将导致需求的下降，利率 的下跌将使得投资需求扩张等等；而在一个国民经济系统中，生产、消费、投资、 1 3 华北电力大学硕士学位论文 进出口之间就不是毫不相干的，而是表现为某种相关性。把电力市场看作一个复杂 的系统，电价受到各方面因素的影响，而影响电价水平的因素之间也是相互影响的。 利甩事物发展的相关性原则，我们就可以建立预测模型，进行预测。 4 必然性和偶然性原则 任何事物的发展都有一定的必然性和偶然性原则，而且在偶然性中隐藏着必然 性。我国电力市场的发展也不例外。因此要对电价水平进行预测分析，就必须通过 对电价发展过程中的偶然性进行剖析，才能揭示其内部隐藏的必然性规律。 2 4 3 电价预测的分类 电价预测根据不同的分类标准，有不同的分类方法。具体如下“”： 根据预测时间的长短，可以将电价预测分为：短期、中期以及节假日预测，但 是，由于电价预测的难度相对负荷预测来讲要大得多，所以其对应的时间段也要小 得多。以美国加州电力市场为例，电价预测分为小时前预测，提前一天预测，提前 一周预测，提前一个月预测，以及季度趋势预测等。 根据预测点的类型，可以将电价预测分为整个系统、一个特定区域和一个特定 母线的电价预测，即系统市场清算价( m a r k e tc l e a r i n gp r i c e ，m c p ) 预测、地区 市场清算价( z o n a lm a r k e tc l e a r i n gp r i c e ，z m c p ) 预测、节点边际价格( l o c a t i o n a l m a r g i n a lp r i c e ，l m p ) 预测。 根据预测的内容，可以将电价预测分为确定性预测和电价空间分布预测，前者 是当前讨论比较多的热点，主要针对短期电价预测，预测的结果就是给出一个确定 的未来电价预测值；后者主要是基于概率论和数理统计的知识，确定预测结果的可 能波动范围及其一段时期内的电价均值，主要是针对中长期电价预测。 根据预测主体类型，可以将电价预测分为i s o 进行的电价预测和发电商进行的 电价预测。i s o 进行的电价预测实际上并不是真正意义上的电价预测，因为当i s o 收到市场参与者( 供电方和用电方) 报价时，就可以计算出市场出清价格。澳大利 亚的国家能源市场( n e m ) 和阿拉伯、加拿大的电力库就是这种情况。发电商等的 电价预测是基于市场上的公用信息( 如预测负荷、历史负荷和历史出清电价等数据 信息) 和自身的信息而进行的预测，他们根据预测结果就可以制定合理的报价策略， 以及是否能使用市场力，以获取更多的利润。 2 4 4 电价预测的特点 电价的短期预测是一件比较困难的事情，因为要预测的电价不仅与历史数据有 关，而且许多其他的因素也会对电价产生影响，特别是一些不确定性因素的影响使 1 4 华北电力大学硕士学位论文 得提高预测精度更加困难。通过对澳大利亚新南威尔士电力市场电价数据的分析， 得出了短期电价预测的以下主要特点： 1 短期边际电价随时间的变化具有周期性 通过分析澳大利亚新南威尔士电力市场的日交易电价发现每个交易日之间，同 类型交易日之间电价具有周期性变化趋势。各交易日同时段电价存在相似性，同类 型交易日之间各时段存在相似性。 图2 2 所示为澳大利亚新南威尔士电力市场2 0 0 4 年5 月1 7 日至2 0 0 4 年5 月 3 0 日的每日4 8 时段的电价波动图。由图可见，短期电价的变化呈现一定的日周期 性及周周期性。 14 9 9 71 4 51 9 32 4 12 8 9 3 3 73 8 54 3 34 8 15 2 95 7 76 2 5 时段 图2 - 22 0 0 4 年5 月1 7 日一2 0 0 4 年5 月3 0 日电价波动图 2 电价变化较负荷变化剧烈 电价变化较负荷变化剧烈，有时可能出现急剧的上升或下降的现象。如图2 - 3 所示 为澳大利亚新南威尔士电力市场2 0 0 4 年5 月3 0 日的4 8 个时段的电价波动图。从图中 可以看出，3 6 、3 9 、4 0 时段电价发生了剧烈变化，3 7 、3 8 、3 9 时段的电价严重偏高， 这些点的存在使得电价预测变得困难，使得整个电价预测的准确性降低。 3 电价的多变使得电价预测难度增加 影响电价的因素如前所述有很多。在这些众多因素中，电价预测的模型只能抓住其 中最主要的。其次，由于发电市场是一个寡头垄断市场，市场中的发电商完全有可能利 用市场力通过物理持留和经济持留( 即持留发电能力和报过高的电价) ，导致较大的市 场价格波动。这也使得电价的预测变得困难。 o o 0 o 0 o o 筋 加 垢 m 0 薹霉v$曾 华北电力大学硕士学位论文 垂 $ 脚 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 135791 1 1 3 1 5 1 7 1 92 l2 32 52 72 93 13 33 53 73 94 14 34 54 7 时段 2 4 5 电价预测的步骤 图2 - 32 0 0 3 年5 月3 0 日电价波动图 电力市场中的电价预测一般分为如下几个步骤： 1 确定预测目标 就是要在明确预测目的的前提下，确定预测对象的范围、内容和预测期限。一 般而言，预测范围视研究问题所涉及的范围而定。预测期限是指预测的时间跨度， 如短期、中期及长期预测。 2 基础材料的分析 在对大量的资料进行全面分析之后，对资料中的异常数据进行分析，做出取舍 或修正，选择其中有代表性的、真实程度和可用程度高的资料作为预测的基础资料。 3 预测模型的选择 根据所确定的预测内容，对预测对象进行客观、详细地分析，根据历史数据的 发展情况，并考虑本地区实际情况和资料的可利用程度，选择建立合理的数学模型。 4 模型参数辨识 预测模型建立后，根据实际数据求取模型的参数。 5 应用模型进行预测 根据求取的模型参数，应用该模型对未来时段的电价进行预测。 6 预测结果评价 对预测结果进行综合分析，根据经验和常识判断预测结果是否合理，对结果进 1 6 华北电力大学硕士学位论文 行适当修正，得到最终的预测结果。 2 4 6 预测效果的评价 预测作为一种分析方法，其最主要的作用就是为决策服务，好的预测有助于实现好 的决策。它广泛应用于自然科学和社会科学当中，在经济领域的应用更是随处可见，生 产、经营管理、销售、风险控制等无一不用到预测知识。 预测的准确性十分重要，为了检验预测效果的好坏，必须制定一套切实可行的评价 指标体系，以便于对预测结果进行全面的综合评价。通常人们根据预测误差( 绝对误差 或相对误差) 来定义预测的准确性。简单的说，即预测误差越小，预测越准确。 人们常用来评价模型的预测能力的指标有如下几种： 1 误差均值 m e = 吉岛 ( 2 1 ) 误差均值是对偏差的度量，在其他条件相同的情况下，我们应该尽可能选择偏差最 小的预测。 2 误差方差 v e = 吾圭b m 。 f ( 2 - 2 ) 丁智婶f 1 “e ， 误差方差度量了预测误差的分散程度。一般来说，在其他条件相同的情况下，选择 误差方差最小的预测。 虽然误差均值和误差方差都是预测准确性的重要度量指标，但二者均不能完全度量 预测的准确性。因为它们都只是反映了误差的一个方面，即误差的集中程度和分散程度。 只有把二者结合起来才能完整说明误差特性，均方误差正好是这样的一个统计量。 3 均方误差 脚= 专窆岔 ( 2 - 3 ) 由于均方误差是以平方形式出现的，有时为了反映量纲的影响，人们更常用的统计 量是均方根误差。 4 均方根误差 一= 瓜= 再喜z 倍4 ， 另外，人们有时也利用平均绝对误差来度量预测的准确性。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 5 平均绝对误差 刎e ： 妻剀 jf - 1 1 8 ( 2 - 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章时间序列理论 时间序列预测技术源远流长，一般分为确定性时间序列方法和随机性时间序列方 法。确定性时间序列预测应用很早，随机性时间序列预测则出现在上世纪二战以后，一 方面是由于计算机技术的飞速发展为随机性时间序列分析的建模和预测提供了强有力 的工具；另一方面则要归功于美国统计学家g e o r g ee p b o x 和英国统计学家g w i l y m m j e n k i n s 的工作。他们于1 9 6 8 年提出了一套较为完善的随机时间序列分析和建模理 论，并于1 9 7 0 年出版专著时间序列分析预测与控制。以后这种技术便迅速发展， 在经济预测、气象预报和过程控制等方面得到了广泛应用。为了纪念他们二人的杰出工 作，人们常称这类模型为b j 模型。时间序列预测的基本思想是将预测对象随时间推移 而形成的数据序列视为一个随机序列，即除去个别的因偶然原因引起的观测值外，时间 序列是一组依赖于时间的随机变量。这组随机变量所具有的依存关系或自相关性表征了 预测对象发展的延续性，而这种自相关性一旦被相应的数学模型描述出来，就可以从时 间序列的过去值及现在值来预测其未来值。这种方法是基于预测对象的变化仅与时间有 关的假设前提下的，它简化了外部因素对预测对象的影响，使得预测更为直接简便。 3 2 异方差基本理论 在介绍a r c h 模型前，从数学角度介绍一些有关异方差的基本理论。 异方差是指时间序列回归模型y = z + 中的随机扰动项s ，无自相关，但s ，的 平方序列相关，即s ，的方差或波动随时间变化。在古典的时间序列回归模型的中，往往 假设方差是时不变的，即是一个常数。但是，如果解除同方差假定，就会产生如下后果： 1 参数估计量非有效 普通最小二乘法的参数估计量仍然具有无偏性，但不具有有效性。而且在大样本情 况下，参数估计量仍然不具有渐进有效性，这就是说参数估计量不具有一致性。 2 变量的显著性检验失去意义 一 ，厂一、 关于变量的显著性检验中，构造了t 统计量，= j l i ，在该统计量中包含有随 1 9 华北电力大学硕士学位论文 机误差项共同的误差，并且有t 统计量服从自由度为一七一1 ) 的t 分布。如果出现了异 方差性，t 检验就失去意义。其他检验也类似。 3 模型的预测失效 一方面，由于上述后果，使得模型不具有良好的统计性质；另一方面，在预测值的 置信区间中也包含有随机误差项共同的方差盯2 。所以，当模型出现了异方差性时，参 数的最小二乘法估计值的变异程度增大，从而造成了对y 的预测误差变大，降低预测精 度，预测功能失效。 可以看出，异方差可能破环常用的o l s 估计及其检验过程。因此，在研究过程中， 很重要的一点是首先判断是否存在异方差性问题。 3 3a r m a 模型 a r m a 模型是一类常用的随机时序模型，由b o x 和j e n k i n s 在1 9 7 6 年创立的。它 是一种精度较高的时序短期预测方法，其基本思想是：某些时间序列是依