（计算机软件与理论专业论文）带cvar风险约束的发电商最优投标模型及pso计算.pdf

摘要 电力工业的市场化改革正在全世界范围内展开，我国正处在“厂网分开，竞 价上网”这一改革过程之中。由于电力需求以及电价的不确定性，发电商如何投 标来最大化自己的利润，同时降低风险已经成为一个重要的研究课题。发电商的 投资都以收益为目的的，但是由于各种因素影响，各种投资收益都是不确定的， 这种不确定性就是风险，风险预测和管理对发电企业来说是非常重要的。 本文在此背景的基础上，借助金融学的风险管理理论，采用c v a r ( 条件风险 价值) 作为风险度量指标，构建电力市场中的发电商的最优投标模型，并利用相 应的算法求解这些模型。具体的工作如下： ( 1 ) 分析了现有的不完全信息下的发电商投标策略的处理方法以及优缺点， 发电商通过对市场其他竞争对手的投标策略的分布函数进行估计，运用概率论等 数学方法，从而最终确定投标策略。 ( 2 ) 引入了p s o 算法解决不确定复杂非线性优化问题，该算法具有简单易行 和全局最优解的优点，并且与初始点的位置选择无关。在电力系统中有广泛的应 用，在此基础上提出了混沌粒子群算法求解最优潮流问题，实例分析验证了算法 的正确性和有效性。 ( 3 ) 在兼顾利润最大和风险最小这两个冲突目标情况下构造了基于c v a r 发 电公司最优投标策略。分别以利润最大化为前提的风险最小化设计了相应的带 c v a rj x l 险约束的发电商最优投标模型和以风险最小化为前提的利润最大化的 c r p 模型，并根据模型的特点设计了相应的算法进行求解。 ( 4 ) 以4 节点2 发电机结构模型和9 节点2 发电机系统为例进行求解。理论 上证明提算法的可行性后，以高级语言m a t l a b 为工具，编程实现所提出的算法， 用实验数据检验算法的有效性。 关键词：条件风险价值；粒子群；风险预测；投标模型 a b s t r a c t t h ep o w e rm a r k e tr e f ：d r mi sd e v e l o p i n ga r o u n dt h ew o r l d ，c h i n ai si nt h ep r o c e s s o f s e p a r a t ep l a n ta n dg i r d ，p r i c eb i d d i n g ” b e c a u s eo ft h ed e m a n df o re l e c t r i cp o w e ra n dt h eu n c e r t a i n t yo fe l e c t r i c i t yp r i c e ，i t t e n d st ob ea ni m p o n a n ti s s u eh o wp o w e rg e n e r a t i o nb i dt om a x i m i z et h e i rp r o f i t s w h 订er e d u c i n gt h er i s k s p o w e rg e n e r a t i o ni n v e s t si nt h ee 1 e c t r i cp o w e ri n d u s t r y s m a r k e tf o rt h ep u r p o s eo fr e v e n u e h o w e v e r ，d u et ov a r i o u sf a c t o r s ，a nk i n d so f i n v e s t m e n ti n c o m ea r eu n c e r t a i n t h i su n c e r t a i n t yi sc a l l e dt h er i s k t h e r e f o r e ，t h e p r e d i c t i o na n dm a n a g e m e n t o fr i s kf o rp o w e rg e n e r a t i o ne n t e r p n s e sl sv e r yl m p o r t a n t w i t hf i n a n c er i s km a n a g e m e n tt h e o r y ，t h et h e s i su s e sv a l u e - a t r i s kc o n d i t i o n sa sa r i s km e a s u r ei n d i c a t o rt os 0 1 v et h eo p t i m a lb i d d i n gm o d e lo fp o w e rg e n e r a t i o ni nt h e e l e c t r i c i t ym a r k e t ；a n dt h e ni tm a k e su s eo fa p p r o p r i a t ea l g o r i t h mt od e a lw i t ht h e s e m o d e l s t h es p e c i f i cr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i tr e v i e w st h ee x i s t i n ga p p r o a c ht ot h eg e n e r a t i o nc o m p a n i e s b i d d i n gs t r a t e g y u n d e rt h ei n c o m p l e t ei n f b m a t i o na n da n a l y z e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n di tp r e s e n t st h a tg e n e r a t i o nc o m p a n i e se s t i m a t et h ed i s t r i b u t i o no ft h eo t h e rc o m p e t i t o r s b i d d i n gs t r a t e g yi nt h ei n c o m p l e t ei n f o n n a t i o n ，a n dm a k e u s eo fp r o b a b i l i t yt h e o i yt of i n a l i z et h e b i d d i n gs t r a t e g y ( 2 1 i ti n t r o d u c e st h ep s oa l g o r i t h m t os o l v eu n c e n a i n t y c o m p l e xn o n l i n e a r o p t i m i z a t i o np r o b l e m t h ea l g o r i t h mi sc h a r a c t e r i z e do fi t ss i m p l eo p e r a t i o n ，a n dt h e g l o b a lo p t i m a ls o l u t i o n ，a n di t a l s oh a sn o t h i n gt od ow i t ht h ei n i t i a ls e l e c t i o n i ti s w i d e l yu s e di ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，s oi tp u t sf o r w a r dt h a tc h a o sp s oa l g o r i t h mf o r o p t i m a lp o w e rf l o wc a l c u l a t i o ns y s t e m t h er e s u l t sp r o v et h ec o r r e c t n e s sa n d e f 代c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m ( 3 ) t a k i n gt h ec o n n i c tg o a l so fs m a l l e s tr i s ka n dl a r g e s tp r o f i t i n t oa c c o u n t ，t h e o p t i o n a lb i d d i n gs t r a t e g yb a s e do nc v a ri sb u i l ti np o w e rg e n e r a t i o nc o n l p a n i e s t h e n i td e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n gc v a rr i s k c o n s t r a i n e do p t i m a lb i d d i n gm o d e lo fp o w e r s u p p l i e r st om i n i m i z er i s kw i t ht h ep r e m i s eo fm a x i m i z i n gp r o f i t s ；w h i l ed e s i g n i n g c r pm o d e lt om a x i m i z ep r 0 6 t sw i t ht h ep r e m i s eo fm i n i m i z i n gr i s kr e s p e c t i v e ly t h e n ， i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e l ， i td e s i g n st h ec o r r e s p o n d l n g a l g o n t h m ( 4 ) i tt a k e si e e e 4a n di e e e 9a se x a m p l e st os o l v et h em o d e l a f t e rt h ea l g o r i t h m s p o s s i b i l i t yi st h e o r e t i c a l l yp r o v e d ，m a t l a bi s u s e dt op r o g r a mt h ea l g o r i t h m t h e nt h e e f f b c t i v e n e s so fa l g o r i t h mi sc h e c k e db ye x p e r i m e n t a ld a t a k e vw o r d s ： c o n d i t i o nv a i u e - a t r i s k ； p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o ； r i s k p r e d i c t i o n ；b i d d i n gs t r a t e g y i i 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：日期：2 0 0 9 年 月日 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 、不保密劢。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名：墨可 日期：2 0 0 9 年月日 日期：2 0 0 9 年b 月多日 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 2 0 世纪初，电力工业充分显示了它的规模经济性，垄断能为用户提供廉价 而又可靠的电力。但到2 0 世纪末，随着材料科学和工艺技术的进步，电力工 业的规模经济性已逐渐枯竭，发电机组的效率已经到了极限，建造更大的发电 机组已不能大幅度降低成本。在规模经济逐渐弱化后，这种垄断经营模式的缺 点也日益明显，如行业缺乏活力、生产效率低下、生产成本增加、服务质量差 等。因此，自2 0 世纪8 0 年代以来，为了增加电力工业的活力，提高效益、 降低电价、提高服务质量，世界上许多国家开始改革电力工业体制，打破垄断， 建立有利于公平竞争的电力市场 1 】。早在1 9 7 8 年，智利就开始了其电力工业解 除管制的改革，并于1 9 8 2 年颁布了新的电力法【2 1 。以新自由主义经济理论为 导向的英国于1 9 9 0 年进行的电力工业改革，在世界范围产生了重大的影响； 继而改革的浪潮波及欧洲【3 1 、北美【3 1 、南美【2 1 、澳大利亚【3 1 、新西兰【4 1 和亚洲【5 】 的一些国家和地区，形成了一场世界性的电力工业改革浪潮。虽然各国具体情 况不同，如西方发达国家主要着眼于通过市场竞争抑制电力的过度投资；而发 展中国家主要希望通过电力市场改革，消除腐败，提高电力工业生产效率，吸 引投资。但其总的目标是一致的：通过开放市场，打破垄断，鼓励竞争，促进 效率的提高、资源的优化配置及电力与国民经济的均衡发展，最终使消费者受 益，并保护投资者和经营者的合法权益。 如上所述，电力工业市场化改革的基本目标是减少用户的用电成本，并最 终降低整个电力工业的生产成本。使电力工业变得更具竞争力，能够吸引新的 投资，使人们方便的获得廉价的电力供应。其最终目的是实现社会资源的合理 分配和社会福利最大化。在一个理想的电力市场中，市场结构和管理规则应无 漏洞可钻，市场中不存在博弈行为。但电力市场不是完全竞争的市场，而更接 近区域寡头垄断市场。这是由电力工业的特殊性决定的，如局部有限数目的发 电公司、大的投资规模、输电约束和输电损耗。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公司提供电力，这样一来，发电公司就可以通过策 略性的投标来达到利润最大化。而发电厂商通过策略性投标获利的同时，将不 可避免的会损害到其他市场成员，尤其是用户的利益，并最终导致市场效率下 降。因此，研究电力市场中各市场主体的策略性投标行为，对完善市场投标机 制、促进市场稳定发展有着重大的意义。 另一方面，对发电厂商和购电商而言，交易决策的优劣与其自身利益直接 相关，一个好的决策将使发电厂商或购电商在竞争中处于优势地位，并且在某 些情况下，通过策略性投标可以获得与自身经营状况无关的超额利润。对于电 力市场监管机构而言，考察策略性投标行为的主要目的是检测滥用市场力的可 能性。因而投标策略的研究应从竞价参与者与市场监管机构两个不同的角度进 行。 1 2 发电公司投标策略及其国内外研究现状 发电公司的投标策略是指发电公司在电力市场进行电力交易时根据市场 规则进行投标决策时所采取的一整套策略。由经济学理论可知，在理想，完全 竞争的电力市场中，社会效益得到最大化，发电公司的最优投标策略是将电力 价格设定在发电机组的边际运行成本。但是，电力市场不是完全竞争的电力市 场，而是更接近于寡头垄断市场，这是由电力工业的特殊性质决定的。由于电 力不能大量储存，且电力生产与消费必须实时平衡，所以电力不能像其他商品 一样进行毫无限制地自由买卖。有限数目的发电公司，大的投资规模( 市场进 入壁垒) ，输电余数( 在一定程度或范围上限制了某些大用户选择发电公司) 和 输电消耗( 打击大用户远距离购电的积极性) 等这些因素决定在电力市场中， 某些地区可能只有少数发电公司提供电力，这就形成了寡头市场。所以发电公 司可以不以边际运行成本作为投标策略，而利用市场结构和规则的不完美来进 行投标以增加利润，这成为策略性的投标。如果发电公司可以通过策略性投标 而非降低成本来成功的增加利润，则称发电公司具有市场力。 近几年来，国内外学者在研究最优投标策略方面作了相当多的工作。文献 6 】对2 0 0 0 年以前的有关文献做了综述，这罩结合最新文献对最优投标策略的 研究方法进行分类综述。 借鉴文献 7 中的分类方式，将发电商的最优投标策略的构建方法分为5 大类：基于成本分析的方法、最优化方法、博弈论方法、人工智能方法、基于 仿真和经验分析的方法。 ( 1 ) 基于成本分析的发电投标策略研究 基于成本分析的方法是国内电力市场试点中参与竞价上网的发电厂商应用 2 最普遍的一种竞价方法。其核心思想是明确本发电厂的发电成本，然后加上一 定利润作为其投标。此方法具有原理简单、操作方便、易于掌握，并可与发电 厂现有m i s 系统结合使用等优点。但由于该方法没有考虑其他发电厂商的投 标情况及系统中负荷的实时波动，因而很难达到利润最大化的目的，根据该方 法制定的投标只是一个可接受的投标而不是最优的投标。文献【8 】以实时成本为 基础制定发电厂商的投标策略，其投标为在实时成本的基础上加上利润和税金 作为其投标，并考虑在不同负荷时段设置不同的利润率。 ( 2 ) 基于最优化方法的发电投标策略研究 发电商追求利润最大化是一个优化问题，最优化方法理所当然成了构建优 化投标策略最适合、最常用的方法。现有关于优化投标策略的文献大都采用最 优化方法进行，只是具体算法和步骤上有所不同而已。主要有两种做法：一是 构造企业利润最大化模型，通过预测市场出清电价，合理安排机组的运行计划、 以获得最大利润【9 】；或者在此基础上考虑机组运行约束【1 0 1 和输电阻塞的影响【1 1 1 。 另一种做法是构造一个两层的优化模型。上层优化模型是发电市场的出清模型， 市场运营机构根据发电投标及负荷投标( 或预测负荷) ，按照整个电力市场运行 成本最小( 或社会福利最大) 的原则，确定发电调度计划及市场出清电价。下 层优化的目标是发电厂商利润最大化，两层之间通过市场出清电价进行协调与 联系。最初的研究假设己知市场中其他发电厂商的投标；但在实际电力市场中 几乎不可能确切知道竞争对手的投标情况。而进一步的研究假设其他厂商投标 的概率分布，进而发电厂商的最优投标问题成为一个随机规划问题。 文献 1 2 假设其他发电商的投标只有有限种可能，即其投标服从一个有限 的离散概率分布，然后利用类似穷举的方法得到自身的最优投标策略。文献 1 3 】 假设其他发电商的投标服从连续正态分布，然后通过蒙特卡洛模拟的方法求解 自身的最优投标策略，本文第四章和第五章投标模型都是通过蒙特卡洛模拟竞 争对手的投标参数进行计算的；文献 1 4 分别将该方法扩展为考虑大用户投标、 同时考虑主市场和辅助服务市场竞价和发电商分段投标的投标策略。文献【1 5 】 以发电商利润最大化为目标，根据厂商间供需互补的关系，在满足运行约束的 条件下，得到机组投标曲线的最优调整策略。文献【1 1 】在两层优化模型中采用了 基于内点法的最优潮流模型作为电力市场出清模型，并分析了发电出力、电厂 收益及潮流对电厂投标的灵敏度。文献 1 6 考虑了机组的自组合问题，将市场 出清电价作为两层优化问的协调变量。基于最优化方法，考虑机组特性以及网 络特性来研究投标策略，是与传统经济调度联系最为紧密的方法，也是最容易 被接受的方法之一。已有大量文献对发电投标策略的方方面面作了较为深入的 研究，但由于该方法考虑的因素多且复杂，多数文献都只是针对单一时段内发 电商的优化投标策略进行研究，对多时段的情况考虑较少，文献 1 0 】对多时段 内发电商的优化投标策略进行了研究，但最终获得的并非全局最优，而是假设 所有时段的投标函数都相同的条件下的最优解。 ( 3 ) 基于博弈论的发电投标策略研究 文献 1 7 】对博弈论在电力市场中的应用作了综述，并列举了1 0 0 多篇相关 的参考文献。应用博弈论方法的投标策略大致可以分为两大类。一是基于矩阵 博弈模型，首先将候选的投标策略表示为离散量，以适应这种模型的特点。当 投标策略为几个离散点时，可以构造各个发电厂商采用不同的策略组合时的收 益矩阵，进而找到一个均衡的投标策略组合，该均衡点对应于最优的投标策略。 然而，实际上投标策略是连续的，在这种情况下理论上还不清楚电力市场是否 存在这样一个均衡点。另一类基于寡头博弈模型，主要包括c o 啪o t 模型【1 8 】、 b e r t r 锄d 模型和供应函数模型【1 9 1 。其中c o u m o t 模型和供应函数模型更符合电 力市场的实际情况。尽管从原理上讲，这些模型的均衡点对应于发电公司的最 优投标策略，但是这些模型更适合于分析电力市场中潜在的市场力，而不是构 造投标策略，这主要是因为在应用这些模型时作了很多的简化假设，这样得到 的均衡点对构造投标策略没有太大的实际意义。此外，这类方法的一个重要缺 陷足假定了所有发电厂商的成本信息为公共信息，而在电力市场环境下，这肯 定是不现实的。 ( 4 ) 基于人工智能方法的发电投标策略研究 人工智能方法在投标策略、电价预测方面的应用已有不少论文发表，如应 用最广的神经网络预测电价2 0 1 、遗传算法【2 l 】、进化规划和有限状态自动机【2 2 1 、 规划计算【2 3 1 、q 学习【2 4 1 、自适应方法( 2 5 】等。文献【2 6 】以新西兰电力市场为背景， 介绍了一种采用模糊聚类算法和b p 神经网络相结合的发电厂商投标策略。其 中，采用模糊聚类算法对交易时段和竞争对手进行分类，然后根据不同类型的 交易时段分别对b p 神经网络进行训练，神经网络的输出为发电厂商的投标及 按该投标竞价时成功的概率。仿真结果表明采用模糊聚类算法分类后，神经网 络的训练时i 日j 将会大大减少，所得结果的准确性也是可接受的。本文的第四章 的投标模型也是通过粒子群算法进行求解的。 4 ( 5 ) 基于仿真和经验分析的发电投标策略研究 试验仿真法是构造最优投标策略的既直观又实用的方法。仿真试验法有2 类：有实际人员代表市场参与者参与模拟的试验【2 7 】；设计智能化学习算法 进行无人参与的仿真试验【2 8 】。 实际人员代表市场参与者参与模拟试验，根据所要研究的问题的重点，事 先设计好模拟实际电力市场的计算机系统，然后让试验人员在这系统里模拟市 场参与者的行为进行试验，晟后对结果进行多次分析而得出所研究问题的结论。 文献 2 6 在1 1 1 t 锄e t 上雇佣有经验的专家参与试验。通过模拟一5 节点的环网， 分析卖方市场集中度、买方参与投标竞价、传输拥挤、节点电价定价法和同一 电价定价法等对市场力的影响。 此类仿真试验法的优点是能真实地模拟电力市场及市场参与者在市场中的 行为，只要设计的系统与实际电力市场相近，就能实现实际电力市场在实验室 里小型再现。但是所选择的人员是否具有代表性是这一类方法得出的结论是否 具有指导意义的关键因素之一。由于要有人参与试验，所以也不大可能进行成 千上万次的试验，只能进行有限次试验，这也是这类方法的缺陷。 设计智能化学习算法进行无人参与的仿真试验，无需人员参与，只要根据 所要研究的问题，设计好模拟电力市场及模拟市场参与者在市场中的决策行为 的计算机系统，然后进行大量无人参与的仿真试验，最后对结果进行分析而得 出所要研究问题的结论。 ( 6 ) 投标策略研究的其他方面 投标策略研究的相关方面很多，如电价预测、市场势力、电价机制对投标 策略的影响等。其中，电价预测由于是投标策略研究中很重要的一个部分( 很 多文献中对投标策略的研究都是以电价预测为基础的) ，近年来备受关注，国内 外很多文献对其进行了研究【2 9 】。 文献 3 0 研究了不同定价机制( 或称竞价机制或电价机制) 对发电商投标 行为的影响，这是考察不同电价机制优劣的最直接的方法。文献 3 1 研究了发 电商改变投标策略后对市场电价的影响。文献 3 2 】根据发电成本曲线的特性， 研究了电力市场中发电商的投标曲线。另外，市场势力是与投标策略研究联系 非常紧密的另一个方面【3 3 1 ，关于这方面的研究是市场设计的重要依据。 1 3 本文的工作 ( 1 ) 不完全信息下的发电商投标策略的研究 在实际竞价交易中，由于发电企业只清楚自身成本信息，而不知道其他竞争 对手的成本信息和策略，因此如何充分利用电力市场所公布的有限信息，合理地 处理信息，并优化自身的投标策略是电力市场研究的重要课题。本文的模型都是 通过对市场其他竞争对手的投标策略的分布函数进行估计，运用概率论等数学 方法对其进行分析比较，最终确定投标策略。 ( 2 ) 算法的研究 为了解决不确定复杂非线性优化问题，引入了p s o 算法，本文在分析了该 方法的基本步骤和在电力系统上的应用，进行了较深入的研究，设计了混沌粒 子群算法求解最优潮流问题，为求解带c v a r 风险约束的发电商最优投标模型 做好了比较充分的准备。 ( 3 ) 基于c v 瓜模型求解电力市场投标模型的研究。 借鉴金融学风险管理理论，兼顾利润最大和风险最小这两个冲突目标情况 下构造了基于c v a r 发电公司最优投标策略。本文分别以利润最大化为前提的 风险最小化设计了相应的带c v a r 风险约束的发电商最优投标模型和以风险最 小化为前提的利润最大化的c r p 模型。针对不同的模型运用不同的算法进行求 解，最后进行实例验证。 1 4 本文的组织 第一章阐述了本文的研究意义和背景，介绍了发电公司最优投标策略的国 内外研究现状以及研究中存在的缺陷，最后对本文的主要研究内容进行介绍。 第二章介绍了在电力市场中，发电商投标策略方法和风险管理的基本概念， 研究了传统度量风险方法的不足，并重点对新的度量j x l 险方法一风险价值v 抿 和条件风险价值c v a r 进行了详细的讨论，包括其概念、缺陷、计算方法以及 相互之间的关系。 第三章主要讨论了粒子群算法。在本章里，一方面对p s o 算法的基本概念， 算法流程进行了概括，说明了其在求解最优化问题和电力市场上的应用，另一 方面提出了混沌粒子群算法求解最优潮流问题。 第四章主要讨论带c 汛风险约束的发电商最优投标模型及p s o 计算，在 6 本章中，首先对模型进行了详细的描述，然后提出一种求解其最优解的方法 p s o 算法。实验结果表明了模型和算法的可行性和有效性。 第五章主要针对第四章模型，提出了一种以风险最小为前提利润最大化的 c l u 模型，并根据模型的特点提出了相应的算法进行求解。最后的数值试验验 证了c r p 模型够准确的计算出在一定的风险喜好下的条件利润。 第六章总结了本文的研究工作，阐明其创新点和难点，并提出进一步研究 的方向。 7 第二章电力市场下发电商的投标策略 2 1 电力市场概述 电力市场是电力的买方和卖方相互作用以决定其电量和电价的过程。更具 体的来讲，电力市场是采用法律、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、供电、用户等各成员组织、协调运行的管理机 制和执行系统的总和【3 4 1 。根据以上定义，电力市场首先是一种管理机制，这种 管理机制与传统的行政命令的机制不同，是采用经济手段而不是行政手段进行 管理，从而达到优化资源配置的目的。所以电力市场的基本原则是公平竞争、 自愿互利。同时，电力市场还是体现这种管理机制的执行系统，包括交易场所、 计量系统、计算机系统、通信系统等。 在一个充满竞争的电力市场中，参与者之间都是平等的，所以电力市场最 基本的原则是公平。对于发电商，平等的环境能够促进竞争，激励各发电商提 高生产效率，降低成本，增加活力；对于用户，按真实的供电成本收费，尽量 减少用户间补贴是保证用户间平等的根本点。开放性、竞争性、网络性和协调 性是电力市场的基本特征。与传统的垄断电力系统相比，电力市场具有开放性 和竞争性。与普通的商品市场相比，电力市场具有网络性和协调性。电力系统 相互之间是紧密联系的，任一成员的行为均会对电力系统的运行情况产生影响。 这要求电力市场中的电力生产、使用、交易具有计划性。同时，由于电力系统 要求随时做到供需平衡，所以要求电力市场中的供应者之间、供应者与用户之 间相互协调。 目前，电力工业的改革席卷全球。不同的国家以不同的原因推动着电力商 业化的进程。改革有许多模式，各不相同，且这些模式也处在不断改进之中。 发展中电力市场的特点是：在电价方面交叉补贴现象比较普遍；用户对电价上 调的承受能力有限；对建设和扩充电力设施所需的资本具有很大的要求。而成 熟的电力市场的特点是：电价水平一般反映了成本和投资回报率；用户有较高 的电价承受能力；有限的用电需求增长；有限的筹措资金的需求。虽然各国电 力市场化改革程度不同，但各国电力工业商业化运营的相同之处是厂网分开， 但输电网服务这一部分的商业化运营机制各不相同，而这正是各国电力市场最 具特色的部分，也是电力市场不同于其他商品市场的关键部分。输电网服务主 要包括电能交易中心p x ( p o w i e re x c h a n g e ) ，独立调度i s 0 ( i n d 印e n d e n ts y s t 锄 o p e r a t o r ) ，输电设备拥有者t o ( t r 锄s m i s s i o no w n e r ) ，辅助服务a s ( a n c i l l a 巧 s e r v i c e ) 和发电协调s c ( s c h e d u l e rc o o r d i n a t o r ) 。这些要素的不同组合就形成不同 的电力市场结构【35 1 。 电力市场的运行见图2 1 。 其中i s o ( i n d 印e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 成为独立系统操作员，主要负责电网 的安全调度和安排发电计划等，是电力市场中的一个核心部门。从图中可以看 到：各个发电商根据自己收集到的信息对未来的市场进行预测，然后上报自己 的投标曲线，i s o 根据全网发电商的投标情况和负荷情况以及一定的调度算法 安排电网运行计划，各个发电商根据i s o 下达的计划运行。如图2 1 所示，电 力系统运行的一切问题都将在市场中去解决，并以价格为调控手段。市场环境 下的电力系统面临或将面临很多问题，如电力市场的结构、发电商的投标策略、 输电价格及网损分配问题、辅助服务的定价及分配问题，区域间的功率交换问 题，电力市场的投资规划问题等等。 币赢兰兰 竺竺竺竺! 计翊 投杯 电力r 仃增 能照 辅叻履备 输i 乜 2 2 发电商投标策略方法 尸规旋f l j 场： l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 ，。一 i i i 三i o 竺竺竺竺i 图2 1 电力市场的运行 投标策略的主要目标是在考虑电力系统运行的各种规则和限制条件的基础 9 霉 = 一 上，通过合法地操纵市场力，合理选择投标曲线，谋求自身利益的最大化。投 标策略问题主要针对电力联营体( p 0 0 1 ) 结构的电力市场。在有多个买主和卖主的 同种且同质商品市场中，通常采用统一价格拍卖，以鼓励买卖双方按其边际获 利或边际成本投标，取得最大的社会效益。几乎世界上所有的以电力联营体为 基础的电力市场都采用了统一价格暗标拍卖。发电商向市场操作员提交下一个 交易时段能提供的电力及其要求的价格，市场操作员根据预测的负荷和所有发 电商的投标，按照投标从低到高的原则确定发电调度计划和市场出清电价。一 般情况下，市场出清电价由边际机组的投标决定，即统一出清电价机制。在不 允许用户参与投标的电力市场中，电力联营体应采取使用户支付的电价最低的 方法来确定市场出清价，以保护消费者的利益，因为用户在这种市场中的角色 是被动的。当用户可以参与投标时，电力联营体应采用使社会效益最大的方法 来确定市场出清价，因为在这样的市场中发电商和用户的角色都是主动的。尽 管有些电力市场中允许用户参与投标，但由于目前电力市场的竞争主要是在发 电侧，输电系统大多仍处于垄断，因而投标策略的研究主要针对发电商。不同 于垄断体制，发电商作为电力市场竞争的主体，将采用某种投标策略，通过调 整投标参数，来实现其自身利益最大化的目的。目前发电商的投标策略主要有 基于成本分析的投标策略和基于电价预测的投标策略。目前研究评估发电商投 标策略的思路主要有以下几种： ( 1 ) 预测m c p 方法。这类方法事先预测m c p ，采用高于成本价、略低于预 测m c p 的价格作为投标价。但由于负荷需求、系统可用容量、其他发电商的投 标行为以及输电网拥挤状况对m c p 的影响很大，所以准确预测m c p 相当困难。 另外，发电商通过改变自身投标也可以影响m c p 。 ( 2 ) 寻找博弈对策和市场均衡点方法。这类方法估计其他发电商可能的投标 行为，采用博弈论的思想，寻找市场均衡点和己方最优投标策略。由于这种方 法需采用简化假设的博弈模型，而模型距离正确、完整地描述电力市场中各博 弈方还有一定差距；且问题演化为完全信息博弈问题，即在博弈过程中假定发 电机组的成本曲线和投标策略都是公共信息，这在多数市场中是不允许的。所 以，由此得到的均衡点更适合于理论研究，对于指导机组构造具体的投标策略， 还需要进行更加深入、细致的研究。 ( 3 ) 概率论数理统计及随机模拟方法。这类方法可以模拟竞争结果或预知价 格风险。例如，蒙特卡罗法就是利用历史采样数据构建概率密度函数，通过随 1 0 机模拟产生近似结果。这类方法难以系统地得到投标策略，而且对提取历史采 样数据的要求较高。 本论文的研究实验将从发电商的风险角度来考虑发电商的投标策略，而其中 最重要的问题是要能够对投标过程中所遇到的风险进行度量。 2 3 发电商的风险管理 2 3 1 风险的定义 风险的含义可以从多种角度束考察。 ( 1 ) 风险同人们有目的的活动有关。人们从事活动，总是预期一定的结果， 如果对于预期的结果没有十分的把握，人们就会认为该项活动有风险。 ( 2 ) 风险同将来的活动和事件有关。已经结束了的活动或项目，既成事实， 后果已无法改变。对于将来的活动、事件或项目，总是有多种行动方案可供人 们选择，但是没有哪一个行动方案可确保达到预期的结果。那么，应该采取何 种办法和行动才能不受或少受损失，并取得预期的结果呢? 这就是说，风险同 行动方案的选择有关。 ( 3 ) 如果活动或项目的后果不理想，甚至是失败，人们总是要想：能否改变 以往的行为方式或路线，把以后的活动或项目做好，以减少未来的风险? 另外， 当客观环境，或者人们的思想、方针或行动路线发生变化时，活动或项目的结 果也会发生变化。现在人们对风险的概念主要有三种不同的看法。第一种观点 认为风险既是机会又是威胁。所谓威胁，指可能给活动主体带来不利后果的各 种各样的力量。人们从事经济社会活动既有可能获得预期的利益，也有可能蒙 受意料不到的损失或损害。正是风险蕴含的机会引诱人们从事包括项目在内的 各种活动，而风险蕴含的威胁，则唤醒人们的警觉，设法回避、减轻、转移或 分散。人们对于风险这种二重性的态度因人、因时、因地和因环境而异。这种 观点符合客观实际，符合辩证唯物主义认识论。第二种观点认为风险是损失或 损害。说风险是损失或损害，一方面是因为人们从事各种活动的确有可能蒙受 损失或损害，告诫人们提高警惕。另一方面，这种观点强调人类活动的不利后 果，关心的重点是如何处理不利后果。因此，保险业人士多采纳风险的这种定 义。第三种观点认为风险是预期和后果之间的差异。持有这种观点的人认为， 行动和事件的后果同人们的期待预想之间总是存在着不一致和偏离。后果偏离 预期越大，风险也越大。由于对j x l 险有不同的理解和看法，目前还没有对风险 的统一定义，但是只有当事件、活动或项目具有如下几个条件时才称为有风险： ( 1 ) 有损失或收益与之相联系； ( 2 ) 涉及到某种不确定性； ( 3 ) 涉及到某种方案选择时； ( 4 ) 涉及到预期目标和结果之间的差异时。 2 3 2 发电商投标策略中的风险管理 研究发电商的最优投标策略需要考虑的因素非常多，如电力市场模式、电 力市场规则、负荷需求以及竞争对手的投标行为等。目前已有的研究评估和规 避风险的方法主要有：( 1 ) 利用波动较小金融衍生品市场规避现货市场的风险， 减少投标过程中的风险；( 2 ) 建立兼顾风险和收益的投标模型，利用期望收益的 方差来评估风险的大小。由于风险和收益的变化方向相反，也就是通常所说的 高风险，高收益。目前研究大多利用经济学上的效用理论建立发电公司的效用 函数，将风险和收益量化，以发电商的效用最大为目标，选择最优的投标策略。 另外，决策者对风险的态度也会影响决策。不同的发电商，由于年龄、所处的 经济地位、经验以及个性等等因素的不同，他们对待收益和风险的态度也有所 差异，从而对竞价策略的选择也会不同。与过去垄断集权式的决策不同，现在 每个发电商可以选择自己的竞标策略进入市场参与竞标。但是，由于电力市场 中存在着一系列不可控因素，如国家宏观经济政策的变化、竞争对手的应对举 措( 所有竞标者之间的竞标策略相互影响) ，甚至市场中心的波动等，使发电商 在竞价前所得到的信息一般是有限的、不准确的、时间上滞后的，且竞价系统 中存在众多的内在不确定性，如系统需求量、燃料价格、发电和传输损耗等， 因此，电力市场充满着大量的随机因素，竞价具有一定的风险。 由于基于不完全信息所形成的竞价策略有一定的风险，发电商需要正确地 识别和度量这些风险，然后采取适当的策略来管理和规避风险。对每个参与竞 标的发电商而言，如何进行风险度量，是一个非常重要的问题。风险价值( v a r ) 和条件风险价值( c v a r ) 是当前金融领域里比较流行的风险管理技术，它能够很 好的度量风险，并能对复杂的问题用一个简单的数值表达清楚，而且弥补了传 统的用均值一方差模型度量风险的局限性。 1 2 2 4v a r 与c v a r 度量风险的方法 2 4 1 风险度量方法的发展现状 金融领域罩风险管理首要的任务是识别金融活动中的风险，对所暴露的风 险头寸进行量化，即风险度量。不同的风险度量方法导致不同的数学模型，进 而影响投资策略的选择。一个资产( 组合) 未来收益的预测可以由一个完整的概 率分布描述，金融领域罩风险通常表示为这个概率分布的某些数字特征，因为 这样的表示方法符合人们对风险的真实心理感受，同时可以方便的使用成熟的 数学方法来处理。 较早期的、也是最基本的度量方法是计算投资收益率的波动性，即计算方 差或标准差，对于收益率呈对称分布的情形，用方差作为风险的度量手段是比 较有效的。h m 破o w i t z 提出的均值方差模型( m v 模型) 便是建立在这样的基 础上【5 3 】。他以证券投资收益率的均值来计量投资风险，并第一次将数理统计和 线性规划应用于投资组合选择问题上，提出了较完整的理论框架和算法模型， 创立了著名的均值方差理论，使金融投资理论发生了质的飞跃，因而被誉为“华 尔街的第一次革命”。 均值方差理论是建立在一系列严格的假定条件基础之上的，包括市场有效 性、投资者都是厌恶者、投资单元是无限可分的和每种投资的收益率都服从正 态分布等。该理论主要包括两个过程：一是区分有效资产组合，二是在期望效 用最大化准则下进行资产选择，确定最优资产组合。均值方差理论是历史上首 次将投资活动中的风险运用现代微观经济学和数理统计的方法进行全面系统研 究的现代金融理论，改变了过去以经验判断的定性分析方式，给会融领域带来 了一场具有重大意义的革命。均值方差理论是用投资收益率的方差来度量风 险，这种风险度量方法存在着如下缺陷【3 6 】：第一，风险用预期收益率的方差或 标准差来表示，这意味着它将高于预期收益率的那部分有益于投资者的变动也 划入风险的范畴；第二，用方差来度量风险只有在投资收益率的概率分布服从 j 下态分布的情况下才适用，而事实上越来越多的实例已证明了许多收益率呈非 规则、非对称分布；第三，即使收益率是对称与均值的，可以想象理性的投资 者出于避免资本损失的考虑，在他的效用函数中也会给可能的负偏差一个较大 的权重，给证偏差一个较小的权重，而用方差度量风险时却不能正确反映人的 这种心理因素。p t h e o d o s s i o u 对美国、加拿大、日本等国家的证券市场进行了 广泛的研究，结果表明金融市场的资产收益率分布表现为广义t 分布【3 7 】。随着 大量衍生产品的不断推出，越来越多资产的收益分布呈非对称性，用方差度量 风险的不足得到暴露。随着市场化的资产结构越来越复杂，以及市场形式的发 展，使得传统的风险管理技术的局限性日益暴露出来，人们逐渐认识到需要对 风险分析做出新的洞察。风险价值v a r ( v a l u ea tr i s k ) 是三十集团( g m u po ft i l i n y ) 在1 9 9 3 年推出的市场风险度量的新工具，特别是用来衡量场外衍生工具的市场 风斟3 8 】。v a r 反映一定持有期内，投资组合在给定的置信度上潜在的最大损失。 其简洁的定义和直观的风险描述，已经被广泛的应用于金融监管部门和金融机 构。近几年来，关于v a r 已成为金融界和金融数学界研究的热点。在v a r 的基 础上，许多研究者针对v 瓜的不足，又提出了条件v a r ，即c v a r ( c o n d i t i o n a l v a l u ea t 鼬s k ) 【矧，其含义为超过r 部分的损失的均值，它是对超过v 报的组 合价值的损失的一致性度量，虽然目前金融风险管理界还没有把c v a r 作为风 险管理的标准，但由于c v a r 具有许多优于v 状的性质，仍然是目前风险研究 的一个热点。 2 4 2 瓜概念和计算方法 1 v a r 定义 v a r ( v a l u ea tr i s k ) 叫做风险价值，意为处在风险中的价值。v a r 定义为： 在一定的持有期及置信度下，某一资产组合面临的最大潜在损失【3 9 】。为了计算 某一投资组合的v 撤