（电力系统及其自动化专业论文）电力市场动态演化及其混沌控制研究.pdf

a bs t r a c t i nt h em a r k e tr e f o r ma n do p e r a t i o n ，h o wt oe f f c c t i v e l ym a s t e ra n ds u p e r v l s et h e d y n a m i cm a r k e tb e h a v i o r si sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c ，e s p e c i a l l yf o rt h ep o w e r m a r k e ti ni t si n f a n c y a f t e rr e v i e w i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa b o u td y n a m i c e v o i u t l o n o fm a r k e ta n dc h a o sc o n t r o l ，i nm i sp a p e r ，b yu s i n gp r e c i s em a t h e m a t i c a lt h e o r i e s ，t h e d y n a m i cp o w e rm a r k e tm o d e lc o n s i d e r i n gp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fm o n o p o i i s t l c n e t w o r ki se s t a b l is h e da n dt h ec o m p l i c a t e de v o l v e m e n tm e c h a n i s mi n t h es t a t eo t e q u i l i b r i u m ，p e r i o da n dc h a o si sa n a l y z e d b e c a u s ei np e r i o d i co r c h a o t i cs t a t e ，t h e e c o n o m i cp e r f o r m a n c ei sw o r s et h a ni nt h es t a t e0 fe q u i l i b r i u m ，t h ec h a o s c o n t f o il s p r o p o s e di no r d e rt oi m p r o v e t h eb e n e f i to ft h em a r k e t i no r d e rt os i m u l a t et h ed y n a m i cb e h a v i o r so fp a r t i c i p a n t si np o w e rm a r k e t ，t w o k i n do fd y n a m i cp o w e rm a r k e tm d d e l sc o n s i d e r i n gt r a n s m i s s i o n c o n s t r a i n t sa r e p r o p o s e d ， t h e r ea r et h ec o u r n o tg a m ew i t hb o u n d e dr a t i o n a l i t y m o d e la n dt h e d y n a m i cs u p p l yf u n c t i o nm o d e l ，w h i c h a r ep r e s e n ta sd i s c r e t ed i f f e r e n c ee q u a t i o n s e m b e d d e dw i t ht h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi n m a t h e m a t i c s t h ef o r m e ri st h e c o m b i n a t i o no fp o w e rs u p p l i e r s d e c i s i o nd y n a m i cm o d e la n dt h em a r k e tc l e a r l n g 0 p t i m j z em o d e lc o n s i d e r i n gt r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s ，t h el a t t e rt h e c o m b i n a t i o no ft h e p a r t i c i p a n t s ，b i d d i n gd e c i s i o nd y n a m i cm o d e l a n dt h em a r k e tc l e a r i n go p t i m l z em o d e l c o n s i d e r i n gt r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s t h en a s he q u i i i b r i u ma n di t ss t a b i l i t y o ft h cd y n a m i cm o d e ii sa n a l y z e d q u a l i t a t i v e l y ，i n d i c a t i n gt h a ti np o w e r m a r k e tt h e r ea r ed i f f e r e n tn a s he q u i l i b r i u m si n d i f f e r e n tm a r k e tp a r a m e t e r sc o r r e s p o n d i n gt o d i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so f t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，i e ，c o n g e s t i o na n dn o n c o n g e s t i o n ，e v e nj ns o m e c a s e st h e r el s n o tn a s he q u i l i b “u ma ta 1 1 t h ep e r i o d i c0 rc h a o t i cd y n a m i cb e h a v i o r sa r ep r e s e n t w h e nt h em a r k e tp a r a m e t e r sa r eo u to ft h es t a b i l i t yr e g i o no fn a s he q u i l i b r i u m t h e e c o n o m i cp e r f o r m a n c e s i nt h es t a t eo fn a s he q u i l i b r i u m ，p e r i o da n dc h a o sa r e a n a l y z e d ，w h e r et h ep e r f o r m a n c e i so p t i m a li si nt h es t a t eo fn a s he q u i l i b r i u m t h et i m e d e l a y e df e e d b a c kc h a o sc o n t r o l i s p r o p o s e d t h eo u t p u ts i g n a lo f s v s t e mi st a k e na sc o n t r o is i g n a la f t e rt i m ed e l a ya n df e e d b a c kt ot h ec h a o t l cs y s t e m t h ec o n t r o lt 0t h ep e r i o d i ca n dc h a o t i cb e h a v i o r so ft h em a r k e t i sa c h i v e db y a d i u s t i n gt h es i z eo fl h ec o n t r o is i g n a l ，a n dt h e e c o n o m i cb e h a v i o fi si m p r o v e d t h r o u g hc o m p i l i n gp r o g r a mu s i n gm a t l a b ，t h ed y n a m i c sa n d c h a o sc o n t r o io f t w o n o d e t h r e e n o d ea n df b u r t e e n n o d em o d e i a r ea c h i e v e d ，s ot h a tt h ev a i i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo fp r o p o s e dm o d e la n da l g o r i t h ma r et e s t i f i e db yc a l c u l a t e dr e s u l t s k e yw o r d s ：t t a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s ；c o u r n o tg a m e ；s u p p i yf u n c t i o n ；n a s h e q u i l i b r i u m ；c h a o s ；t i m e - d e l a y e df e e d b a c kc o n t r o l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 名稀澎 日期：细巧年了月l 够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：湖弓年t 月阿日 日期：加7 年y 肌6 p 1 伊矿 y 7 i i 擎成 ，够吖 砂 军p 叮 名 名 签 签 者 师 作 导 第一章绪论 本章阐述了电力市场的动态演化及其控制问题研究的重要意义，综述了电力 市场动态演化和混沌控制的研究现状，简单介绍了本文研究的主要内容。 1 1 选题的背景及意义 随着科技、经济和社会的发展，近年来在一些传统认为具有自然垄断性的基 础产业中，如电力、航空、电信、铁路等纷纷掀起了解除管制，引入竞争的市场 化改革浪潮，以期降低垄断行业的成本和价格，促进社会经济效益的进一步提高。 从2 0 世纪8 0 年代开始，世界上许多国家陆续进行了电力工业的市场化改革， 当前，电力工业在全世界范围内发生了深刻的变化。美国、澳大利亚、新西兰、 挪威、瑞典、德国、日本、新加坡、泰国等相继开展了不同程度的电力市场改革， 取得了很好的效果，也激励其他国家进行市场化改革。厂网分开，开放电网，解 除垄断，引入竞争机制，增强电力工业活力、优化资源配置、提高效益，已经成 为现代电力工业发展的必然趋势【l 】。 我国的电力市场化改革可以分成三个阶段。第一阶段起始于2 0 世纪8 0 年代， 为了改变我国电源不足的问题，国家逐步引入多家主体集资办电，促进了电源的 快速发展，至2 0 0 2 年电力体制改革时，国家电力公司系统电厂容量所占全国总装 机容量的比重已下降大约5 0 左右。第二阶段是从1 9 9 8 年开始在实行“厂网分 开、竞价上网 的改革，并确定山东、上海、浙江及东北的辽宁、吉林、黑龙江 6 个省级电网为首批试点单位，通过试点单位的市场化运作，为进一步改革积累 和宝贵的经验。第三阶段始于2 0 0 2 年的电力体制改革，3 月国务院正式批准电 力体制改革方案。本次电力体制改革的总目标是打破垄断、引入竞争、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、推动全国联网、构建 政府监督下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。按照 改革方案要求，进行“厂网分开 ，将原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。同时在发电环节将国家电力公司管理的发电资产直接改 组或重组为规模大致相当的5 个全国性的独立发电公司，同其它主体的发电公司 起，在电力市场上逐步实行“竟价上网，开展公平竞争。2 0 0 3 年，成立国家 电力监管委员会及派出机构，并在六大区域开始区域电力市场建设，创造良好的 市场环境。2 0 0 4 年，我国首家区域电力市场一一东北区域电力市场模拟运行在沈 阳正式启动。发电资产的重组和挂牌成立，以及区域电力市场的试运行，标志着 我国的电力市场化改革进入了新的发展阶段。 1 在市场化改革和运营的过程中，基于市场机制，有效监管市场的动态演化是 一项重要的任务，尤其对刚刚进行改革，且不成熟和完善的电力市场而言则显得 更为紧迫和必要。美国加州电力市场就是忽视了对市场动态演化的研究，致使在 市场化运营不到3 年的时间内，出现了电力批发价暴涨，用户轮流停电的严重局 面，对加州甚至整个美国的经济都造成了巨大的影响【2 】。目前，我国竞争性区域 电力市场即将全面启动，良好的市场运营机制、平稳的市场演化行为是我国电力 工业健康发展的前提和保障，加之近年来我国电力短缺现象频繁发生。这都显示 出市场演化及其调控政策研究的重要性。因此，从理论上系统地构建具有大型垄 断网络的电力市场演化数学模型，探讨合理的电力调控政策，以诱导市场形成良 性的演化过程，具有显著的现实意义。 然而，极其复杂的网络特性导致传统的经济学动态理论无法有效研究具有垄 断网络和电力系统固有物理特性的电力市场的演化问题。为此，本文考虑垄断网 络的复杂技术特性和电力系统物理规律，对电力市场动态演化及其控制问题进行 了系统、全面的研究。 1 2 国内外研究现状 1 。2 1 电力市场动态研究 市场经济系统在本质上是一动态系统，系统演化的数学模型传统上采用微分 或差分方程来描述。在经济学的动态理论中，存在大量微分或差分动态模型，如 描述市场供求波动的经典蛛网模型【3 j 、反映寡头垄断市场的古诺动态模型【4 】等。 在此基础上，人们开展了市场经济系统的稳定、周期和混沌的动态演化分析和控 制手段研究，取得了一系列成果【5 。6 】。然而，这些模型和方法并没有考虑垄断网络 市场中复杂网络的固有特性和市场交易的特殊性。为此，有学者针对电力市场的 特点，开展了电力市场动态演化的研究。 a l v a r a d of l 等入首先展开了这一方面的研究工作，以发电量和用电量为变 量，构建起电力市场的一阶微分方程，分析了发电量和用电量的演化趋于均衡， 即市场稳定的条件【7 。引。国内学者针对这一动态模型，进一步给出了判断市场稳定 的充分条件【9 】。并以市场电价为变量建立起差分方程，分析了电价趋于均衡的稳 定条件l l0 1 。然而，这些分析都是在电力市场完全竞争的假设下做出的，忽略了电 力市场作为一个典型的寡头竞争市场时，发电商之间的博弈特征以及对市场电价 的影响能力。 为了准确刻画市场参与者之间的博弈行为，国内外学者引入经济学的寡头博 弈模型进一步研究了电力市场的均衡演化。文献【11 ，1 2 】引入古诺模型，用古诺动 态微分或差分方程来模拟电力市场的寡头博弈，分析了在给定需求函数下发电商 2 古诺博弈的市场均衡的计算方法，通过数值仿真展现出一条最终趋于均衡的电价 变化曲线。文献【1 3 ，1 4 】研究了s t a c k e l b e 略博弈下市场的微分和差分模型，并分析 了市场均衡的稳定性。但这些研究都没有考虑输电网络的复杂约束及其对市场动 态的影响，难以与实际市场演化相吻合。 文献【1 5 1 8 】在考虑电力系统固有物理特性的前提下，分别基于古诺模型和动 态供应函数模型，提出了计及输电网约束的电力市场动态博弈模型，并在此基础 上，定性分析了市场演化的n a s h 均衡点及其稳定性，从中显示出在不同的市场 参数下，对应不同的输电网状态：阻塞与不阻塞，市场会出现不同的n a s h 均衡 点，甚至会出现没有n a s h 均衡点的情况；探讨了市场参数对市场稳定性的影响。 1 2 2 混沌控制研究 混沌是指确定系统中出现的类似随机的过程，控制和利用混沌是当前自然科 学研究的热门课题之一。混沌控制是指混沌的控制与诱导，研究这一课题的科研 人员来自工程、数学、物理、化学、生物、经济以至社会科学的众多领域，已提 出了多种混沌控制方法，如参数扰动控制、时滞反馈控制、使用外力来控制混沌 由生 守o 1 2 2 1 参数扰动控制 1 9 9 0 年，o t t 、g r e b o g i 和y o r k e 提出了一种比较系统和严密的参数扰动方法， 即o g y 方法。o g y 方法是利用混沌系统的一些基本特征来控制混沌，它仅需利 用对系统或动力学变量的微小扰动便可达到控制目的。o g y 控制的基本思想主要 是基于以下混沌系统的两点基本事实l l 别，第一，混沌吸引子上镶嵌着大量的不稳 定周期轨道( u p o ) ，它们在混沌动力学系统演化的过程中直存在。除此之外， 由于混沌系统的遍历性，混沌轨道还将经过或接近这些周期轨道中的任意一个， 但在没有外部作用的情况下，它不会真正地在这些轨道上运行，因为这些不稳定 周期轨道的全体在混沌态上测度总和为o 。混沌轨道的真实运动实在各个不同的 不稳定周期轨道之间进行随机地变换。混沌运动可以直观地想象为：系统在不稳 定周期轨道附近做进似于周期的运动，但有随机地在不同轨道之间进行布朗运动。 第二，混沌对初始状态和系统参数有极端的敏感性，即混沌系统的“蝴蝶效应 ， 换言之就是混沌系统参数和系统状态的微小扰动对混沌轨道在长时间的演化中影 响非常大，它使得混沌系统变得不可预测。因此，当与混沌轨道接近所期望的周 期轨道时( 该周期轨道按照某种指标转有最好的系统性能) ，运用小的扰动，使混 沌系统的轨道发生很大变化，便可把系统驱动到期望的周期轨道上去。 o g y 方法的创立不仅提出了一种混沌控制方法，而且证明混沌可以被控制和 利用，吸引了各领域研究人员的兴趣。另外，针对o g y 方法存在的不足，许多 学者对其提出了改进控制策略。文献【2 0 】对0 g y 方法的控制区域和控制律提出了 3 改进，在被控目标点的某个领域内，用不稳定流形的多项式近似表示稳定流形和 系统，从而得到改进的非反馈控制规律，并且扩大了控制收敛区域。文献【2 l 】利 用自适应控制策略的思想来改善o g y 控制策略原参数扰动存在的不足，这种控 制策略是自适应控制和o g y 控制的结合。文献【2 2 】对o g y 方法的一些深层和复 杂的内容进行了较为详细的研究，得到了控制平均时间与控制幅度的解析式。 总之，o g y 方法有两个突出优点：它不要求知道严格的系统数学方程，并能 通过微小的控制信号而获得明显的控制效果。缺点是人为因素起主导作用，参数 的调整非常机巧，并且没有固定的模式可以遵循。 o g y 方法的应用比较广泛，已广泛应用于经济、物理等科学领域中2 3 ，2 4 1 。 1 2 2 2 时滞反馈控制 时滞反馈控制是k p y r a g a s 于1 9 9 2 年提出的控制混沌的一种方法【2 4 】。该方 法直接把系统的输出信号经过延迟后再反馈到系统中去作为控制信号，控制原理 如图所示。与线性反馈控制方法相比，其特点是将线性反馈控制方法中的控制目 标，用系统输出信号的时间延迟) i ( f f ) 来代替，通过适当选择墨和诃以获得不同 的周期轨道。这样就使得该方法具有两个突出的优点，一是不需要确定被控不稳 定周期轨道的精确解析解，就可以完成对不同周期的轨道进行跟踪控制：二是只 需要一个延时处理便可以实现控制，很容易用模拟器件完成；正是由于这两个优 点，该方法得到了广泛的研究和应用【2 5 2 6 1 。 图1 1 时滞反馈控制原理图 文献【2 7 】综述了自1 9 9 2 年到2 0 0 4 年混沌系统时滞反馈控制技术的相关发展， 总结了以镇定混沌吸引子中的不稳定周期态为目的的研究成果。文献【2 8 】针对一 类不确定性混沌系统，提出了一种具有很好鲁棒性的时滞反馈控制，基于 l y a p u n o v 稳定性理论设计了控制器，实现了快速跟踪混沌系统的不稳定周期轨 道，利用梯度下降法获得不稳定周期值，解决了需要预先知道不稳定周期困难。 文献【2 9 】就经济系统中的一类多参数混沌模型，应用非线性动力学理论，对时滞 反馈控制方法进行了改进，提出了基于预测的反馈控制方法，成功地进行了多参 4 数混沌控制。 目前，对时滞反馈控制的改进主要集中在经典控制理论方法上，至于结合智能 控制理论，进行智能时滞反馈控制的研究还很欠缺，有待于今后进一步的发展，同 时，时滞反馈控制方法对离散混沌系统控制存在一些本质不足【3 0 1 。 时滞反馈控制仅使用简单的模拟装置便可实现，易于工程应用，已成功地应 用到许多物理系统，如激光系统、电子系统、磁机械系统等。 1 2 2 。3 信号控制 信号控制是一类开环控制方法，控制信号是一类外加信号，包括周期性脉冲 信号和连续的正弦型信号。它可以分为周期脉冲控制方法和弱周期外扰控制。 周期脉冲控制的基本原理是：混沌吸引子中内嵌无数不稳定周期轨道，相对 于稳定周期轨道来说，任何一个不稳定周期轨道都不是闭合的，设计好的周期脉 冲可以作用到原系统中，使原来不稳定的周期轨道变为闭合的稳定周期轨道 【3 1 3 2 】。弱周期外扰控制混沌的机理是在施加了外部正弦信号后，处于混沌的系统 能够在自身无限多个不稳定周期轨道( 极限环) 中找到一个与外部驱动共振的极 限环并稳定下来【3 3 - 3 4 1 。 信号控制方法具有如下特点：控制能量较小，易于实现：不需要对混沌吸引 子进行详细的分析计算：控制可以在任意时刻加入；可以控制到高周期轨道；但 控制参量的选择还没有较完备的理论基础【3 5 1 。 1 2 2 4 其他控制方法 除了上述控制方法外，有线性反馈控制3 6 3 7 1 ，自适应控制阢3 9 1 ，变结构控制 1 4 0 ，4 1 1 ，滤波控制4 2 1 ，智能控制4 3 - 4 4 1 等方法。 综上所述，对具有自然垄断特性和电力系统固有物理特性的电力市场动态演 化中的混沌的控制问题，目前很少有学者涉及，该课题的研究对电力行业的市场 化改革和运营，既具有学术研究价值，更具有实际的应用意义。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作包括三个方面。工作的具体内容包括： ( 1 ) 电力市场的动态演化建模。市场经济系统在本质上是一动态系统，系统的 动态模型传统上采用微分或差分方程来描述，在数学上它表征为一内嵌优化问题 的差分动态系统。在具有垄断网络市场的演化建模中，主要考虑两个方面，一是 市场参与者决策的演化模型；二是市场具有的垄断网络存在着必需遵循的固有物 理特性。两者的相互耦合构成了电力市场演化模型。本论文将提出基于古诺博弈 的电力市场动态模型和基于供应函数的电力市场动态模型，来准确刻画电力市场 5 的动态演化。 ( 2 ) 电力市场的动态演化分析。本文将分析电力市场的动态行为，特别是市场 参数超出市场均衡稳定域时出现的周期和混沌行为。具体研究以下三方面内容： 电力市场均衡的稳定性分析。对市场参数变化的小扰动问题( 即动态模型的参数 出现变化) ，采用特征根判别法，获得市场稳定的条件判据，从市场稳定性、市场 结构和参数的影响等方面，深入分析市场均衡的演化机理；市场周期和混沌分 析。针对市场演化模型，研究市场不存在均衡态或者超出均衡态稳定域之后的周 期和混沌运动：针对实际的市场演化轨迹，进行周期或混沌运动的研究；电力 市场动态行为的经济评价。以市场累积利润或社会效益为评价指标，评价市场在 各个运行状态的经济表现。 ( 3 ) 电力市场的混沌控制。当市场演化行为有害，即市场处于经济表现较差 时，研究采用何种控制策略，以实现经济表现差的均衡态向表现好的均衡态转移， 有害混沌至经济表现好的周期轨道甚至均衡态转移。本文将提出时滞反馈控制方 法，将市场从经济表现差的状态控制到经济表现较好的状态，以提高市场的效益。 本文的技术路线如图1 1 所示。 介绍论文研究的 背景、意义等 ( 第一章) 介绍电力市场运 营的肇本理论 ( 第二章) 建立基于古诺博弈的电力市场动态 模犁，分析其n a l s h 均衡点的稳定 性及均衡、周期和l 混沌等动态行 为，评价市场在各状态的经济表现 ( 第三章) 建立基十供应函数的电力市场动态 模型，分析其n 2 l s h 均衡点的稳定 性及均衡、周期和混沌等动态行 为，评价市场在各状态的经济表现 ( 第四章) 提出混沌控制方法，将r f i 场由 经济表现较差的周期或混沌态 控制到经济表现较好的均衡态 ( 第五章) 结论及展望 ( 第六章) 图1 1 本文的技术路线图 6 第二章电力市场运营的理论基础 本章主要介绍电力市场运营的有关理论基础。阐述电力市场的交易模式，对 电力联营体交易模式中的拍卖方法进行了详细探讨，简单介绍了模拟电力市场的 几种经典模型。 2 1 电力市场交易模式 电力市场中的商品包括电力、辅助服务、输电服务等，各种商品又有不同的 交易方法。根据其交易方式的不同，就有很多种不同的市场模式。由于电力市场 中交易的主要商品是电力这种能源，因此电力市场中交易的模式由能源市场交易 的方式来决定。 2 1 1 交易方式 ( 1 ) 联营体方式：在联营体( p 0 0 1 ) 中通过拍卖的方式来进行交易。一般是一 天一以内的交易，电价由当时的供需情况确定。将每天分为若干时段，一般为4 8 个时段，即半小时一个时段。根据发电厂的报价和负荷预测( 或用户报价) 确定 最后成交的电量和电价。拍卖清算的规则有很多种。 ( 2 ) 差价和约：差价和约是发电商与供电商或用户之间的一种协议。主要针对 在联营体中交易的电量，为了减少风险，供、需两方协商确定一个价格，根据现 货交易中的价格多退少补。合同的时间可长可短，可以是提前一年、一月、一周 甚至一天。 ( 3 ) 双边多边交易：双边交易模式的最大特点是交易双方为发电商与最终电力 用户或者双方各自的代理或中介机构。与双边交易不同的是，交易包括若干个发 电商和供电商或用户，由经纪人进行协调，一个经纪人可以负责多个发电商和用 户的交易，但必须保证总的电力平衡，即他协调的交易中，总发电量等于总用电 量。一个发电商或用户可以经过一个经纪人进行交易，也可以通过多个经纪人进 行交易。 ( 4 ) 期货交易：与一般商品的期货交易类似，是一种标准化的合同，并可以自 由买卖。期货交易可以减少经营的风险。 在我国，目前进行的主要是前两种，而且我们的差价和约与西方国家的不太 一样。我们国家的差价和约，是为了代替以前的计划体制下的上网协议，电量和 电价都是政府规定的。 7 2 1 2 交易模式 目前已有很多国家实行了电力市场，但没有完全一样的模式。电力市场可按 能源的交易方式分为以下几类： ( 1 ) 中心型( 电力联营体) 交易模式( t h ep 0 0 lm o d e ) ：所有交易都在p o o l 中 进行。发电商( 和用户) 向电力联营体报价，由电力联营体确定清算价和进行统 一调度。联营体中清算价的确定可以采取不同的方法。 ( 2 ) 双边交易模式( t h eb i l a t e r a lm o d e ) ：发电和用户签订双边合同。 ( 3 ) 多边交易模式( t h em u l t i l a t e r a lm o d e ) ：由经纪人进行电力的平衡，一个经 纪人可以负责多个发电商和用户的平衡。 ( 4 ) 混合模式：上面任两种或三种模式的混合模式，如电力联营体+ 双边交易 模型，电力联营体+ 双边交易+ 多边交易模型，双边交易+ 多边交易模型。 对同一种模式，也会因输电服务管理、组织结构等的不同而又存在不同的子 模式。联营体模式是最集中的模式，双边交易+ 多边交易模式是最开放的模式。 各个国家由于其历史条件和经济环境不同，所适应的电力市场的模式也不同，在 一个国家运行良好的市场模式在另一个国家却可能会引起问题。在确定市场模式 时，不能简单地照搬其他任何其他国家的模式。 我国的电力市场，包括浙江、上海、山东的，都是中心型的交易模式，这种 交易模式中所有交易都在联营体( p 0 0 1 ) 中进行的，下一节将详细介绍联营体 ( p 0 0 1 ) 中的拍卖方法。 2 2 联营体( p o oi ) 中的拍卖方法 联营体是一个集中的市场。联营体的存在是由于电力的如下特殊性： ( 1 ) 不易保存，必须保证实时的供需平衡 ( 2 ) 需要通过电网传输 ( 3 ) 必须保证电网的安全 对于一般的商品，比如服装，是不需要组织这样一个集中的市场的。联营体 实际上相当于一个拍卖市场，许多发电商和供电商( 用户) 在这里进行交易。电 力的买卖双方都进行报价，联营体根据一定的拍卖规则确定成交的数额和价格。 2 2 1 联营体中的统一清算拍卖 2 2 1 1 拍卖规则 目前在电力市场中，统一清算拍卖方法是应用最广泛的一种拍卖机制。目前 所有的电力市场的p o o l 中都是采用的这种机制。这种拍卖的机理是： ( 1 ) 各发电厂提交各自的报价 8 ( 2 ) i s o 根据负荷预测或用户的报价 ( 3 ) 根据购电费用最小的原则确定发电机的调度，报价低的先发电 ( 4 ) 最后一个接受的发电机组的报价就为清算价 所有入围的发电厂都按统一的清算价结算。 2 2 1 2 清算价的确定 清算价的确定过程如下： ( 1 ) 每个电厂分别进行报价，即给出其供给曲线； ( 2 ) 将所有发电商的供给曲线叠加，就得到了总的供给曲线： ( 3 ) 进行负荷预测，确定系统总的电力需求量； ( 4 ) 根据供给曲线和负荷预测确定清算价； ( 5 ) 根据清算价确定每一发电商的发电量。 2 2 1 3 清算价的确定时间 对所有中标的发电公司均按统一清算价进行结算。可以事前设定、实时设定 和事后设定。 ( 1 ) 事前定价：在实际运行前确定发电计划和清算价。 比如，提前一天报价，而后在实际运行以前的若干个小时，比如四个小时， 就根据负荷预测确定了各个发电商的发电计划。比如n o r d ，阿根廷、加州、英国。 由于电力系统中存在很多不确定性因素，采用事前定价方式的电力市场需要 一种平衡机制来处理处理计划和实际之间的差别。现在有两种方法： 一种是英国方法，实际运行时对发电计划进行调整。对调整的发电容量进行 一定的补偿。利用价格上台把保持电力市场平衡的费用分摊到每个市场成员。 另一种是建立专门的平衡市场。市场成员在既定计划的基础上向电网调度员 或市场操作员上报增、减出力或负荷的报价，调度员根据报价由低到高的顺序调 度平衡市场中的资源，处理可能出现的不平衡现象。平衡市场价格根据每个交易 时段实际利用的平衡资源，进行事后决定，导致不平衡的市场成员将按此价格付 费。 ( 2 ) 实时定价：澳大利亚国家电力市场。每5 分钟运行一次计划软件，决定下 5 分钟的系统边际价格。5 分钟内的不平衡现象将通过辅助服务解决，比如调频， 旋转备用。考虑到结算的方便性，交易时段为半小时，结算价格为半小时内5 分 钟电价的平均值。发电厂和用户提前一天报出半小时报价并不得修改，市场操作 员将发布第二天的电价预测、负荷预测和价格灵敏度预测，并且每3 小时刷新一 次。 ( 3 ) 事后定价：新西兰、澳大利亚的维多利亚电力联营体。不需设立专门的平 衡市场。市场操作员提前发布价格预测信息以使市场成员能够有机会调整其出力 9 或负荷。一般采用平均系统边际价格。对于调峰电厂，可在平均边际价格的基础 上增加一个补偿价格以反映其报价。 2 2 2 阻塞情况下的竞价规则 上面讲的都没有考虑网络的约束。实际上，约束是存在的，而且是会经常发 生的。仅仅按照购电费用最小求出的发电计划，可能由于约束而无法实现。有些 地区电厂的报价低，但由于网络的问题可能输送不出去，这时就不得不让一些报 价高的发电厂发电，而不让报价低的发电，这就是阻塞问题。在联营体中主要有 几种方法解决： ( 1 ) 发电计划调整 首先根据报价和负荷预测确定发电计划，不考虑约束。然后进行安全校核。 如果不满足安全约束条件，就对发电计划进行调整，目标是调整费用最小。调整 以后，对发电量如下进行结算： 限上容量：无约束下没排入，由于约束排入，按照报价( 大于清算价) 支付； 限下容量：无约束下排入，由于约束无排入，支付清算价与报价( 小于清算 价) 的差价： 其他容量：排入的按清算价支付。 ( 2 ) 平衡市场 发电计划确定以后就不再变化，另外在这个基本的拍卖市场之外，再建立一 个平衡市场，发电商报出在其基本出力情况下的调整报价，包括上调、下调。负 荷也可以参与报价，在负荷高峰期减少负荷，得到部分补偿。 ( 3 ) 实时电价方法 在确定发电计划时，直接考虑了网络的约束。 2 2 3 实时电价 在实行实时电价的国家，输电费用的很多部分也直接通过实时电价来确定。 实时电价是一个成熟的、严密的理论体系，既包括了电能的拍卖、清算规则，又 包括了对阻塞管理、输电费用的解决方案。 实时电价的英文表述是s p o tp r i c i n g ，s p o t 即点，实时电价直译就是电价， 这个点有两方面的含义，一个是时间上的点，一个是空间上的点。即不同时间、 不同地点的电价都是不同的。它的基本理论是边际理论，实时电价实际就是在某 时某点供电的边际成本。这个边际成本包括了各种成本，包括发电成本、输电成 本等。 实时电价理论作为经典电力系统优化运行理论的直接发展和延伸，其本质上 与经济调度、无功优化和最优潮流有着深刻的联系。 l o 2 2 3 1 最优潮流 传统的优化潮流的数学模型为： g 曲c = l i l i n c t ( 只) ( 2 1 ) f = l 其中，p 为机组的有功出力，c 为机组的发电成本。模型的约束条件有： ( 1 ) 等式约束：g ( x ，u ) = o ，节点功率平衡方程 ( 2 ) 不等式约束：h ( x ，u ) = o ，机组最大、最小出力p i m i n = p i = p i m 。x ，母线 电压约束：u k m i 。 ；u k = u k m 。x ，线路功率约束p i = p i m 。 2 2 。3 。2 实时电价计算 电力市场环境下，机组的成本为发电商的私人信息，是保密的，进行最优调 度时，发电机的成本信息是得不到的，所有的只是发电商的报价。报价实际上就 反映了发电的综合成本( 可能存在策略性投标，就会偏离实际成本) 。将最优潮流 中的成本变为报价，就可以得到最优的计划，即购电费用最小的调度计划。 在求解这个优化方程的过程中，每个节点功率平衡方程对应的拉各朗日乘子 即为其节点的实时电价，其含义是节点的边际电价，即增加单位负荷时最小的发 电成本。节点的实时电价实际就是在考虑各种约束的情况下向各个节点供电的边 际成本。 2 2 3 3 阻塞定价 在各个节点，发电机和负荷都按本节点的实时电价结算，两个节点之间的价 格差就是线路的阻塞定价，在许多国家同时也作为使用费。如果在网络方程中考 虑了网损，则实时电价中也包含了网损。 实时电价实际上是对统一清算拍卖方法的一种扩展，考虑了网络约束。或者 说，统一清算拍卖是实时电价在网络没有约束时的一种特例。如果没有发生阻塞， 则所有节点的电价是相同的，就是上面讲的统一清算价，如果发生了阻塞，则至 少有两个节点的电价不同。两个节点电价的差价就作为线路的阻塞电价。 2 3 博弈模型 2 ，3 1 古诺博弈模型 古诺( c o u r n o t ) 博弈模型最先由法国人a u g u s t i nc o u r n o t 提出，该模型已成 为经济学上研究垄断市场的常用模型之一。根据这个模型，电力市场中各发电商 彼此采取不合作的态度，每一个发电商独立地做出自己的策略，决定自己的发电 量。发电商的决策变量是其发电量，市场电价由所有发电商的产量决策和需求曲 线共同决定。在该模型中，各发电商通过调整发电量来使自己的利润获得最大化。 1 1 设电力市场中有n 个发电商向用户供电，第i 个发电商的发电量为q i ，成本 函数为c t ( 留i ) ，毋= 五i ：l 留fj 表示市场根据所以发电商的发电量对其的电价函数。 发电商l 的利润函数为： 刀；= g l p i c j ( q 1 ) f = 1 ，2 ，n( 2 2 ) 当发电商的发电量满足边际利润 挈：毋地要一掣：o ( 2 3 ) a q f0 9 f口q i 时，发电商获得其利润的最大值，发电量达到n a s h 均衡点。在古诺博弈模型中， 发电商根据边际利润来调整其发电量。 2 3 2 伯川博弈模型 伯川( b e r t r a n d ) 博弈模型也是经济学上研究垄断市场的常用模型之一，与 古诺模型不同的是，发电商的报价行为将对市场电价产生影响。这个模型中发电 商的决策变量是其报价，而其发电量是一个固定的值。在该模型中，各发电商通 过调整报价来使自己的利润获得最大化。 设电力市场中有n 个发电商向用户供电，第f 个发电商的发电量为吼，成本 函数为c f ( g f ) ，报价为以f ，p f = 五p g l 护暑2 ，护g 。) 表示市场根据所有发电商报价对其 的电价函数。 发电商f 的利润函数为： 刀l = q f p f c f ( g f )f = 1 ，2 ，n( 2 4 ) 当发电商的报价满足边际利润 晏= q i 罢一掣：o ( 2 5 ) o p g i印g i印g i 时，发电商获得其利润的最大值，报价达到n a s h 均衡点。在伯川博弈模型中， 发电商根据边际利润来调整其报价。 2 3 3 供应函数模型 供应函数模型中，市场参与者( 包括发电商和用户) 的决策变量是其报价函 数的某个参数，发电商( 或用户) 的发电量( 或用电量) 和市场电价由市场操作 者一定规则来确定。各参与者通过调整报价参数来使自己的利润获得最大化。 设市场中有肛个参与者，参与者f 以线性的供应函数p 产口i + 易j 吼向市场操作 者投标，其中p f 为报价，g i 为电量，口j 和6 f 分别为供应函数的截距和斜率，c r ( q f ) 为成本函数。只表示市场操作者对其的所确定的电价。市场参与者调整的报价参 数“可以为以j ，6 i 或乜= 6 加i 。 参与f 的利润函数为： 12 刀；= q f 辟一g ( 9 j ) f = 1 ，2 ，n( 2 6 ) 当参与者的报价参数满足边际利润 要= q f 要+ 毋婺一掣：o ( 2 7 ) a h id h ia m ia h i 时，参与者获得其利润的最大值，报价参数达到n a s h 均衡点。在供应函数模型 中，参与者根据边际利润来调整其报价参数。 2 。4 小结 本章介绍了电力市场运营中电能交易的基础理论，重点阐述了目前在电力市 场中最广泛的交易机制一一统一清算拍卖方法，研究了清算价和实时电价的确定， 简要介绍了几种模拟电力市场的经典模型。 1 3 第三章基于古诺博弈的电力市场动态演化 为了模拟电力市场中发电商的有限理性博弈行为，考虑输电网固有的物理特 性，本章提出基于古诺博弈的电力市场动态模型，在数学上，它表征为一内嵌优 化问题的差分动态系统。并在此基础上，分析古诺博弈的n a s h 均衡点及其稳定 性，并对市场动态行为的经济表现进行评价。 3 1 基于古诺博弈的电力市场动态模型 3 1 1 发电商产量决策的动态模型 在电力市场运营中，发电商根据自己的发电成本来决定自身最优的生产策略， 以期获得最大的经济利润。其利润函数为 历= p fq i c j ( q i )( 3 1 ) 式中，p i 是节点f 的电价，c f ( q r ) 为节点i 发电商的发电成本，在本文中假设其为 线性函数，即c f ( 窖f ) = c f 和c i 为发电边际成本。 由边际利润 婺：忍+ 要q i 一掣：o ( 3 2 ) a q fa g fa q i 可以获得它最佳的生产量。 在实际的电力市场中，发电商不可能一次获得最优的产量决策，达到n a s h 均衡。他们只是有限理性的，通过评估自己期望的边际利润函数来不断调整发电 量，从而获得尽可能高的生产利润。因而，发电商产量决策的动态数学模型为： q t 锄( f ) 地删晶2 础h 删卜晶妒c j 【f = 1 ，) ( 3 3 ) 式中，缈( d 、吼o + 1 ) 为节点i 的发电商分别在f 和件l 时刻的发电量；礅【譬f ( f ) 】为发 电商依据计算出的边际利润调整发电量的程度，且满足鳓【q i ( f ) 】= 0 。若鳓【q f ( f ) 】采取 线性函数形式，则鳓【缈( f ) 】= 啦q i ，其中嘶为大于o 的常数，被称为调整速度，物理 意义是厂商依据边际利润在现期电量的基础上来调整发电量的比例，单位为 m w 1 l $ ，在经济意义上它体现出发电量与边际利润之间的关系，即发电商为