（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下发电商竞价策略研究.pdf

电力市场环境下发电商竟价策略研究 b i d d i n gs t r a t e g i e sf o rg e n e r a t i o ns u p p l i e r si nt h e e l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t a b s t r a c t i nt h e e l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t , b i d d i n gs t r a t e g i c se m p l o y e db yg e n e r a t i o n s u p p l i e r sm a y h a v es i g u i t i e a n ti m p a c t so i lt h e i ro w nb e n e f i t sa n do nt h eo p e r a t i n gb e h a v i o r s o fa l le l e c t r i c i t ym a r k e ta sw e l l h e n c e ，h o wt od e v e l o po p t i m a lb i d d i n gs t r a t e g i e sf o r g e n e r a t i o ns u p p l i e r so rh o wt oa n a l y z ea r a t e g i eb e h a v i o r so ft h e mi sn o w av e r ya c t i v e r e s e a r c ha r e a , w h i c hi sv e r yv a l u a b l ea n ds i g n i f i c a n t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo fb i d d i n gs t r a t e g i e so fg e n e r a t i o ns u p p l i e r si nt h e e l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t t a k e ni n t ot h ec o n s i d e r a t i o nw i t ht h eu n c e r t a i nf a c t o r s ，t h i s t h e s i se m p l o y st h es t o c h a s t i cp r o g r a m m i n gm e t h o dt ob u i l dt h em o d e la n ds o l v et h ep r o b l e m t h ed e t a i lw o r ki sa sf o l l o w ： f i r s t l y , ac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o no ft h er e c e n tw o r ki nt h i sa r e ai sm a d e ，a n dt h e e m p h a s i si sp u to nt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i s s e c o n d l y ，at w o l e v e lm o d e lo fb i d d i n gs t r a t e g i e sb a s e do np o w e rp o o lt r a d em o d e li s d e v e l o p e d , a n dt h ee m p h a s i si sp u t o nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r a t e g i cb i d d i n ga n dt h e p r o f i t so f t h es u p p l i e r s t h i r d l y ，t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h eb l l e 慰 t a i nf a c t o r s ，o i lt h eb a s i so fd e s c r i b i n gt h er i v a l b i d d i n gb e h a v i o r sa st h ep r o b a b i l i t yf u n c t i o n s ，t h ep r o b l e mo fb u i l d i n gt h eo p t i m a lb i d d i n g s t r a t e g y i st h e nf o r m u l a t e da sas t o c h a s t i co p t i m i z a t i o np r o b l e m ，a n ds o l v e db yt h e c o m b i n a t i o no f m o n t ec a r l oa n dg e n e t i ca l g o r i t h m f o u r t h l y ，i tg t i l d i e $ t h ee f f e c t so ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o no nt h eb i d d i n gs t r a t e g i e sa n d t h ep r o f i t s t h ep r o b l e mo fd e v e l o p i n go p t i m a lb i d d i n gs t r a t e g i e sf o rg e n e r a t i o ns u p p l i e r s w i t ht r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nt a k e ni n t oa c c o u n ti s s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d a n da m e t h o d o l o g i c a lf r a m e w o r k f o rs o l v i n gt h i sp r o b l e mi se s t a b l i s h e d f i f t h l y ，b a s i n g 0 1 1t h ea b o v e - m e n t i o n e dw o r k , am o d e lf o rt h ec o m b i n e db i d d i n g s t r a t e g i e so f m u l t i - u n i t su n d e rc o n g e s t i o ni se s t a b l i s h e d , a n dt h es o l v i n ga p p r o a c hi ss u p p l i e d 一i i 沈阳工业大学硕士学位论文 s i x t h l y ，w i t ht h ec a s e so ft h e4 - b u ss y s t e m , 6 - b n ss y s t e ma n d3 0 - b u ss y s t e m , t h ea b o v e b i d d i n gp r o b l e m sa r ec a l c u l a l e da n da n a l y z e d f i n e l y , s e v e r a lc o n c l u s i o n sa r em a d eb a s e do nt h e p r o b l e m st ob es m d i e da r ec l a r i f i e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，b i d d i n gs t r a t e g i e s ，s t o c h a s t i co p t i m i z a t i o n i i i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 塑睦 导师签名：数这日期：2 匠乒：芏：厶 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 1 1 1 本课题研究的背景 电力是具有自然垄断特性的准公共产品，多年以来，电力行业在世界各国都由国家 进行垄断经营，无一例外的实行发、输、配、售垂直一体化的垄断型结构，由政府进行 电价调控和生产调度。随着全球经济的迅速增长，电力工业面临着前所未有的挑战，电 力工业高度垄断经济的负面影响逐步体现出来，电力工业缺乏竞争压力，经营管理因循 守旧。严重阻碍了技术进步乃至社会生产力的提高。 为增加电力工业的活力，自2 0 世纪8 0 年代末起，电力工业的市场化在全世界的范 围内展开，电力工业的经营方式正面临着重大的改革。尽管各国的改革方案不尽相同， 但改革的核心都是打破垄断，通过在电力行业引入市场机制来进行资源的优化配置和利 用，从而为社会提供更廉价、更可靠的电力。 到目前为止，全球已有不少国家都进行了电力工业的市场化改革。早在上世纪八十 年代智利和英国就开始了电力工业改革，是世界上最早进行电力工业市场化的国家。随 后美国、日本、澳大利亚、挪威、瑞典、新西兰，印度、阿根廷、智利及东欧国家都先 后卷入了这股电力工业改革的洪流，并激励了世界上其他各国的市场化发展进程。尽管 有美国加州电力市场失败的教训，但更多的是成功的经验。 在世界电力工业改革大潮的推动下，我国的电力改革也正在逐步深化。1 9 9 8 年开始， 在辽宁、吉林、黑龙江、山东、上海和浙江6 个电网内开展模拟电力市场。2 0 0 2 年底， 电力工业进行了资产重组，新成立了1 1 家电力公司。2 0 0 4 年，规划了东北、华东、南 方、华中、华北和西北6 个区域电力市场。着眼于电力工业在新形势下的新发展，“厂 网分开、竞价上网”推进电力市场化改革已经成为共识。 电力工业的市场化，导致电力的调度、运行、结算等一系列的环节都发生了较大的 变化，同时也带来了一些新的问题。新的运营环境要求采用先进的经济手段和研究新的 技术支撑方法，以保证电力市场的高效运行。在此背景下，电力市场基本理论、特别是 电力市场环境下发电商竞价策略研究 电力市场运营技术以及电力市场技术支持领域的研究已成为当前电力市场研究的关键 和热点。 1 1 2 本文研究的目的与意义 新的电力市场环境给电力工业提出了更高的要求和许多值得深入研究的课题，总体 来看，电力市场理论研究的方向大致分为九个方面，分别为政策环境和市场结构、电价 体系、交易机制、技术支持、市场环境下的调度和控制、市场机制下电力系统安全稳定 分析方法和控制策略、电力市场经济稳定性及阻塞管理机制、电力市场中安全与经济的 协调以及市场环境下输电网络管理。研究发电商在电力市场环境下的竞价策略问题以及 分析电力市场中发电商的策略性行为就是技术支持领域中的一个热点问题。 发电商的竞价策略是指发电商在电力市场进行电力交易时根据市场规则进行报价 决策时所采取的一整套策略。在理想的、完全竞争的电力市场中，发电商为了最大化个 体利润，其最优的竞价策略是将电力价格设定在系统边际成本。但由于电力工业存在着 许多特殊性，如存在进入壁垒( 投资规模大) 、市场成员相对固定而且个数有限、输电约 束和输电损耗等问题i l l ，在给定的地区内只有有限的若干电厂参与竞争，电力市场事实 上更接近于寡头垄断的市场。这样，发电商可以不按边际成本作为竞价策略，而是利用 电力市场结构和规则的不完美性，合法的进行投机来获得更大的利润。 对于发电商而言，策略性的报价可以增加自身的利益。尤其是我国的电力市场刚刚 起步，新组建的发电公司对市场环境还不熟悉，急需完善的报价策略理论作为指导，以 及高效的报价辅助决策工具来帮助决策人员和报价人员进行报价决策。所以本课题的研 究具有重要的理论和实际意义。 对于电力运营者而言，必须提供有效的竟价算法和规则，使所有参与竞价的电力用 户处于平等和合理的地位；同时竞价算法还应使竞价的过程公正和高效的进行。因此研 究和考察发电公司的报价行为，有助于考察发电公司滥用市场力的行为，从而识别市场 结构和市场规则中存在的漏洞，促进电力市场政策法规的不断完善。所以本课题的研究 结果对制定电力市场的政策有一定的帮助。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 发电商的竞价环境 在研究发电商的竞价策略之前，我们先介绍下发电商的竞价环境一电力市场。本 小节将对电力市场分别从概念、运营模式以及交易模式三个方面加以介绍。 1 2 1 电力市场的概念 电力市场【2 】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、用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。电力市场 的基本特征是：开放性、竞争性、计划性和协调性。与传统垄断电力系统相比，电力市 场具有开放性和竞争性。与普通商品相比，电力市场具有网络性和协调性。 电力市场的实质是通过建立一个充满竞争和选择的电力市场运营环境来提高整个 电力工业的经济效益。竞争和选择是电力市场相互依存的两个方面。对发电商来说，电 力市场的本质是引入竞争机制，使各发电公司提高效率，从而获得更大的经济效益；对 电网公司来说，电力市场的本质是按照公平、公正、公开的原则，以实现全社会福利最 大化的目标进行经济调度和运营，实现资源的优化配置：对电力用户来说，电力市场的 实质是为他们提供了选择电力供应商的权利，使他们能获得低价优质的电能。 1 2 2 电力市场的运营模式 根据市场结构、竞争和选择的不同程度，电力市场可以划分为多种运营模式。从竞 争角度来看，电力市场的运营模式可以分为以下4 种基本模型。 ( 1 ) 传统电力工业模型。发电、输电、配电和售电所有环节都垄断，如图1 1 所示。 翠早 广_ l 三 电力公司间厂二：o 王 乜譬! 蜥毛癜引! 箅刖 s _ z _ 1 兰q 三1 l 配电部门li 配电部门l l望! l里生 图1 1 模式一 f i 匕1 1m o d e l o 恤 电力市场环境下发电商竟价策略研究 ( 2 ) 发电侧竞争的电力市场、单一购买者模式。单一购买者从许多不同的发电商中 选择，以鼓励发电阶段的竞争。不允许直接进入输电网络卖电给最终用户。购买中介在 输电网和与最终用户的交易上有垄断权。这是将竞争引入到电力工业的最初模式，如图 1 2 所示。 图1 2 模式二 f 磕1 2 m o d e lt 、 ( 3 ) 批发竞争、输电网开放、多个购买者模式。配电和零售公司可以从电力生产者 直接购买电力并通过输电网传送。这一阶段是电力市场的成长阶段，在发电与电网分离 后，输电与配电分开经营；发电竞争；输电网开放，并提供有偿的服务；配电公司对最 终用户仍然有垄断权。发电、输电、配电以及售电各个环节之间的交易流向如图1 3 中 的实线箭头所示。 独立发电厂l l 独立发电厂i l 独立发电厂l l 独立发电厂 r 弋一l 一7 _ 厂一l 厂_ jl _ 广 、，7 f输电网络l 、7 晕7 孽一窝! 熏 用户用户用户 f 用户 t 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 零售竞争模式。在这种模型中，所有的电力用户都获得购电选择权。它是电力 市场发展较成熟的阶段，发电竞争，输电开放，配电被从完全竞争的零售活动中分离出 来。零售竞争通过将所有用户都带入市场来产生非常强大的竞争力。这一阶段，不仅在 发电环节，而且在零售环节，都展开较完全的竞争。发电、输电、配电以及售电各个环 节之间的交易流向如图1 3 中的实线箭头和虚线箭头所示。 1 2 3 电力市场的交易模式 当前电力市场的交易模式可分为两个基本类型：电力联营体( p 0 0 1 ) 模式和双边交易 模式( b i l a t t 髓l1 m d e sm o d e l ) 。 电力联营体模式的最大特点是将电网看作电能交易的中心，所有发电商和所有用户 与电网运营中心发生经济关系。在联营体交易模式中，竞争在发电侧和供电侧分别展开， 对于市场初期也可以只开放发电侧市场。这一交易模式必须成立独立的电网运营机构进 行电网的调度、运行，并要求该机构与所有市场成员无利益关系。交易中心根据市场报 价制定交易计划，计算系统边际电价、输电电价和辅助电价等。若发电投标按生产成 本，而用户投标按效益理性的进行，则根据微观经济学理论，系统成交会产生最大 的社会效益。 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双方各自的代理 中介机构。在这种模式下，电力交易中心和电力调度运行职能一般被分离。交易双方自 行的确定交易的容量和交易的价格，只把交易的容量提交给电力交易中心。这种交易模 式更趋于自由竞争的经济学理念，但容易发生输电阻塞现象。 此外，由上述两种基本模式可以派生出p + b 模式( 即：联营模式和双边交易模式的 有机结合模式) 、多边交易模式【3 1 ( m u m l 种e r a lt f a d e sm o d e d 。一个电力市场中，上述几 种交易模式单独存在或混合存在是根据不同的需要而定，与电力市场的设计和决策、运 营机制、交易的种类( 期货、现货、实时和辅助交易) 等多种因素有关。 1 3 发电商竞价策略的研究动态 1 3 1 竞价策略的组成部分 一个完整的电力市场是由日前交易市场( 现货市场) 、实时交易( 平衡) 市场、期货( 期 权) 交易、中长期合约交易市场以及辅助服务交易市场这五类交易市场组成。对于发电 电力市场环境下发电商竞价策略研究 商而言，这五类市场都是其参与竞争的舞台，一套完整的竟价策略实际上应该涵盖上述 五个部分。 然而，由于各国国情和电力市场发展程度的不同，有些国家的电力市场包括以上所 有的交易，如美国的加利福尼亚电力市场、p j m 电力市场等，有些国家却只有其中的几 个市场，那么对应的发电商的竞价策略的组成部分也相应地发生变化。事实上，由于很 多电力市场目前都开放集中的日前交易市场，因此到目前为止大部分关于发电商竞价策 略的研究工作都集中在日前交易这一方面。 1 3 2 不同竞价规则下发电商的竞价策略 由于世界上各国电力市场中采用的竞价规则不同，在竞价方式、报价内容、报价函 数、结算方式等方面也都有所不同。因此，发电商需要根据不同的竞价规则制定不同的 竞价策略，下面分别对这些不同的竟价规则加以介绍。 ( 1 ) 静态竞价和动态竟价：静态竟价时发电商只有一次投标机会，而动态竞价时允 许发电商根据上一轮的投标结果修改其报价。目前世界上大部分电力市场都采用静态竞 价方式 ( 2 ) 单部分报价和多部分报价：单部分报价是指发电商只需要申报将来某一时段的 曲线，系统调度中心不负责机组启停安排，发电商在构造竞价策略是要计及所有的相关 费用和机组运行约束。多部分报价要求发电商除了申报报价曲线以外，还要报机组爬坡 速率、启停机费用和最小开停机时间等约束。 ( 3 ) 分时竞价和分段竞价：分时竞价机制下，发电商对每个竞价时段进行报价，该 机制建立在实时电价理论的基础上，现有的电力市场都采用分时竞价机制。分段竞价机 制【4 】，即机组每天只申报一条发电出力一价格一运行小时曲线。 ( 4 ) p a b 竟价和m c p 竟价：在以m c p ( m 矾瞅c l e 撕n gp r i c e ) 即统一市场清除价结算 的电力市场中，不管发电机组报价高低，一旦被选中则一律按统一的m c p 结算。按报 价结算( p a y 舡b i d ) 则指市场交易机构对选中调度的发电机组按其实际报价进行结算。 1 3 3 发电商竞价策略的研究现状 在一个电力市场中，竞价可能发生在不同的交易阶段，如日前交易市场、实时交易 市场等，不同的交易阶段竟价策略可能会有所不同；即使在电力市场同一个交易阶段进 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 行竟价，由于不同的电力市场竞价规则不同，也会有不同的竞价策略；同时，竞价策略 还与所考虑问题的复杂程度有关，与市场所能提供给市场参与者的信息内容有关，与输 电阻塞和输电权等有关。下面，本文从使用方法这一角度对当前发电商竟价策略问题的 研究现状进行了分类和总结，归纳起来可以分为以下4 种： ( 1 ) 基于预测下一个交易时段的市场出清价 这种方法在原理上相当简单。如果发电公司能较准确地估计出市场出清价( m c p ) ， 并且该价格高于成本价，发电商只需要投一个略微便宜的价格即可。 目前预测m c p 的方法很多，例如时间序列法f 5 、神经网络法【7 一一、回归分析法 【姗、灰色系统预测法【1 1 1 、模糊建模法【1 、市场均衡分析法【1 l 】、小波分析法嘲等。也有一 些文献在预测m c p 的基础上，发电商以此为依据提出自身的报价策略【1 2 1 3 】。 然而，系统负荷需求、系统可用容量、发电商自身的报价、其他发电商的投标行为、 输电网拥挤状况以及电力市场的运行状况等等一些因素都会对m c p 产生影响，尤其现 在许多电力市场刚刚起步，各发电商所掌握的信息不完全，可实际利用的历史数据也不 够充足，因此准确预测出m c p 相当困难。此外，如何在预测过程中考虑到自身报价对 m c p 的影响以及考虑输电阻塞情况，是这种方法值得进一步研究的问题。 ( 2 ) 基于博弈论的方法 博弈论( o 锄en 啪忉是主要研究各博弈方之间的策略对抗、竞争或者面对一种局面 时如何选择对策的理论。在电力市场下，调度中心的负荷是公开的，即博弈的目标是给 定的；博弈的参与者即发电公司是有限的，属于寡头竞争：各个发电公司的投标及报价 曲线是保密的。因此，电力市场竞标属于一种非合作的不完全信息博弈。 目前，国内外许多学者把博弈论引入到发电商竞价策略研究领域。博弈论在投标策 略中的方法大体可以分为2 类【3 】。第一类是基于矩阵博弈模型【1 4 5 1 ，由于这种方法将实 际中连续的投标策略表示为离散量，并且假设所有发电公司的可选择的投标策略是公共 信息，因此没有足够的说服力，应用很少。第二类是基于寡头博弈模型( o l i g o p o l yg 锄e ) ， 一般包括c o 啪o t 模型【1 6 ，17 1 、s t a c b l b e r g 模型【1 射、b e n m d 模型和供给函数模型 ”川( s u p p l y f 哪c t i o n m o d c l ) 。这类方法在处理这些模型时通常做了很多的简化假设，这样 得到的结果对发电商构造竞价策略意义不大。 电力市场环境下发电商竞价策略研究 由于在实际运行的电力市场中，竞价机制复杂，而基于博弈理论的投标策略的研究 对实际问题作了许多的简化和假设，这些都直接影响到结论的可靠性。因此应用博弈 论研究电力市场中的报价策略问题，关键在于如何使问题描述更加接近实际情况。 ( 3 ) 估计其他发电商的投标行为 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，它考虑了发电厂商间相互联 系、相互制约、相互作用的关系，符合电力市场的寡头垄断特征。因此，目前很多的研 究者都着眼于这种方法，本文也是基于这种方法来研究发电商的最优竞价策略问题。 概率方法有连续型概率分布哪_ 2 7 1 和离散型概率分布脚矧。概率方法适用于已经稳定 运行了一段时间的电力市场。市场数据可以用来估计竞争对手投标参数的概率分布，而 对于刚开始运行的电力市场来说。由于发电商的投标一般波动较大( 试验之中) ，利用这 些数据来估计竞争对手的投标行为并不可靠，此时应利用模糊集的方法m 3 l3 2 】可能比 较适用。文献【3 0 】用模糊的方法处理负荷需求、发电公司报价、电力调度、电价、成本、 利润等市场参数的不确定性，建立了一个多层次的发电公司报价模型。 这种方法的难点是能否准确地估计出竞争对手的报价行为，可以与统计方法或者预 测方法如神经网络相结合来估计。运用这类方法的前提是得到竞争对手的充分的历史报 价数据，但由于目前世界上不少电力市场的运行尚未成熟仍属于起步阶段，而且市场规 则仍在不断的调整之中，故竞争对手的报价数据一般不太充分，只能通过估计竞争对手 的成本再加上对竞争对手市场力的分析来估计其报价行为。目前研究者大都首先假设已 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。 ( 4 ) 其他智能方法 除了上述三类方法外，一些研究者还应用了人工智能的方法，如神经网络、有限状 态自动机【3 3 1 、进化计算刚、q 学习f 3 5 1 等来构造自适应的、进化的投标策略。文献【3 6 】 将现货市场的投标问题描述成一个马尔代夫决策过程。建立了一个交易日内2 4 个交易 时段的最优投标策略，并用a c t o r t i c 学习方法来求解。文献 3 7 】基于经济学上常用的 蛛网理论，提出了一种新的报价模型。这类方法多处于研究阶段。 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 近年来，研究发电商的竞价策略问题已经成为国内外专家和学者的研究热点之一。 尽管有许多文献和研究结果不断涌现，但是仍有很多问题有待解决。在此背景下，本论 文将在电力市场环境下，特别是电力联营体交易模式下，对发电商竞价策略进行了系统 的研究，并构造了计及输电阻塞影响的发电商多机组联合竞价策略模型。本文的主要工 作如下： ( 1 ) 介绍本课题的研究背景以及本论文的目的和意义，对发电商的竞价环境从概念、 运行模式以及交易模式三个方面进行概述，并对近年来国内外的研究文献和成果进行了 综述和总结。 ( 2 ) 介绍发电商竞价策略闯题中的相关概念和理论，并在确定性的模式下，建立一 个能体现联营体交易基本特征的双层竟价模型，通过算例对所建立的模型加以说明，为 后面的研究工作打下基础。 ( 3 ) 考虑竞价过程中的不确定性因素，在采用概率函数描述竞争对手报价行为的基 础上，建立了基于随机规划的双层最优竞价策略模型，并应用了m o m ec a r i o 随机模拟 和遗传算法相结合的方法进行求解，最后通过4 节点算例对所建立的竞价模型作了分析。 ( 4 ) 在上述工作的基础上，建立计及输电阻塞情况下的发电商竞价双层优化模型， 应用了m o n c ec a r l o 随机模拟和遗传算法相结合的方法进行求解，最后通过6 节点算例 对所建立的竞价模型作了分析。 ( 5 ) 针对多机组联合时的发电商竞价策略问题，建立了基于随机规划的发电商竞价 策略的双层优化模型，在上述求解框架的基础上给出了相应的求解方法，并通过m e e 3 0 节点的算例对所建的模型进行分析。 ( 6 ) 总结所做的工作，并指出有待进一步研究的方向。 电力市场环境下发电商竞价镱略研究 2 确定性模型下发电商的竞价策略 2 1 竞价策略建立中的相关问题 2 1 1 实时电价 f c s c h w c p p e 在上世纪8 0 年代提出的实时电价理论d 8 1 开启了电力市场研究的大 门，打破了传统的采用综合成本法( e m b e d d e dc o g o 确定电价的方式。自其提出之日起， 它一直是电力系统中电力市场领域研究中的热点。 实时电价是在考虑运行和基本投资的情况下，在给定时段( o 5 h 或更短时间) 向用户 提供电能的边际成本。在电力市场条件下，实时电价着眼于电力的瞬时供需平衡，兼顾 电力系统的安全运行，以系统边际成本为核心的一种定价方法。它利用电力市场供需状 况对电价的影响，自动反馈调节用户负荷，通过经济利益激励用户配合市场调度员共同 实现电力负荷在一定时空的最佳分布，从而实现电力商品的社会价值最优。 实时电价可以被视为节点注入对总生产消费的微增： = 菁，贫= 兹 ( 2 1 ) 其中，舅，群为节点的有功、无功价格，f 为目标函数，只，q 为节点f 的有功、 无功功率。 实时电价有着实现全社会效益最优的丰富的经济学信息，电价随时间变化，反映的 是负荷需求的不断变化；同时，电价随节点位置变化，反映豹是网损和传输拥挤的影响。 2 1 2 发电成本特性 研究发电商的竞价策略，必须从发电商的发电成本特性出发。发电成本特性主要是 指机组的发电燃料成本特性( 即耗量特性) 。机组是一个相对独立的成本单元，本文讨论 的发电成本特性都是针对发电机组的。发电机组常用的成本曲线有3 种：发电成本曲线、 边际成本曲线和平均成本曲线。 ( 1 ) 发电成本曲线：机组的总成本可以分为固定成本和可变成本两个部分。固定成 本( 又称s u n kc o s t ，沉淀成本) 是指无论企业的产量如何，企业均需要付出的成本；可变 成本是指随企业产量变化而变化的成本。对于参与竞价的发电商在做短期经营决策时， 沈阳工业大学硕士学位论文 主要考虑的是可变投入要素与产量的关系，因此这里的发电机组的成本曲线是指可变成 本曲线。 可变成本曲线是由锅炉、汽机和发电机的效率试验的数据拟合而成的，一般的将可 变成本函数与机组的发电功率表述成二次曲线关系，即 c ( p ) = 口+ 6 ，+ 妻c p 2 ( 2 2 ) 其中，口、6 、c o ，c 为边际成本曲线的斜率，6 为边际成本曲线的截距，口为 空载运行费用。 ( 2 ) 边际成本曲线：边际成本i n a lc o s t m c ) 是指每增加一单位产出而增加的成 本。当机组的发电成本曲线用( 2 2 ) 式表示时，则机组的边际成本曲线为： 朋c ( p ) = c p ) = c 尸+ 6 ( 2 3 ) ( 3 ) 平均成本曲线：当机组的发电成本曲线用( 2 2 ) 式表示时，则机组的平均成本 ( a v e 忸g cc o s t a c ) 曲线为； _ c p ) = p + 6 + ； ( 2 4 ) 边际成本和平均成本是发电商决定发电量的重要因素。对于单台机组，平均成本曲 线在经济负荷点取得极小值。在经济负荷点之前，平均成本递减，则边际成本小于平均 成本：在经济负荷点之后，平均成本递增，则边际成本大于平均成本：而在经济负荷点， 平均成本取得极小值，边际成本等于平均成本，如图2 1 所示。 c o s t ( $ m ) s u p p l y p ( m w ) l o a dp o i n t 图2 1 平均成本曲线和边际成本曲线 f i g 2 1a v e 豫辨c o s tc u r v e 锄dm 盯g i n a lc o s tc u r v e 电力市场环境下发电商竞价策略研究 对于一些大型发电机组和联合循环机组( c o m b i n c dc y c l ep i a l l _ t s ) ，由于其蒸气系统阀 门打开时具有突变的特性p 9 】，因而其成本特性曲线往往是不光滑的。尽管如此，对于这 些机组，式( 2 2 ) 的描述的成本曲线仍具有较好的代表性。因此，大多数的电力公司实际 使用的火电机组成本模型都是式( 2 2 ) 描述的模型。 2 2 确定性模型下发电商的竞价模型 2 2 1 市场背景 本章所研究的电力市场是一个简单而不失一般性的目前交易市场竟价环境： ( 1 ) 电力市场采用联营体交易模式和实时电价理论。 ( 2 ) 考虑只开放发电侧的情况，卖方为发电商，买方则为单一购买者，用户不参与 竞价。 ( 3 ) 交易中心发布市场负荷预测，这符合一般电力市场的情况，即使在大用户可以 参与投标竟价的市场中。交易中心通常也会提前向市场参与者发布市场需求预测【柏1 。 ( 4 ) 单时段报价，认为每个交易时段的报价都是独立的，而不是相关的，即各个时 段的发电计划是单独决定的，所以不存在动态问题。 ( 5 ) 发电商按单个注册机组提供每个交易日中各个交易时段的报价。 ( 6 ) 单部分报价，发电商只需要申报下一交易时段的曲线，交易中心不负责机组启 停安排。 ( 7 ) 单次报价，发电商没有机会修改报价。 2 2 2 建立模型 本章为了简要的阐明发电商竞价策略问题的基本特征，建立了一个在确定性模型下 的简化竞价模型，即基于完全信息的决策性问题，发电商在已知其竞争对手的报价行为 情况下的竟价模型。 ( 1 ) 发电商的报价行为模型 为了便于描述，这里只考虑一个交易时段的情况( 但下述方法对一般情况同样适用) 。 在如前所述的电力市场环境下，假设有m 个发电商参与竞价，每个发电商只拥有一个 注册机组。 沈阳工业大学硕士学位论文 不失一般性地，我们以发电商m ( m = l ，2 ，m 1 ) 为研究对象，其真实的成本函数用 下式表示： 巳( 只) = k 巴+ o 5 c 。砰 ( 2 5 ) 相应的边际成本曲线为： c ：( 最) = k + 己 ( 2 6 ) 假设市场报价规约要求发电商以线性供应函数报价，则发电商的实际报价曲线的一 般形式为： 成( 只) = 口。+ 成己，只女巴匕一 ( 2 7 1 ) 其中，口。和风为机组所的报价参数( 确定性框架下视为己知) 。 式( 2 7 1 ) 是通过引入两个报价参数来表示发电商的实际报价曲线， 的报价参数七。来表示发电商的实际报价曲线，即： p 。( 只) = 七。- ( 虬+ - 只) ，匕。只蔓只一 也可以引入单一 ( 2 7 2 ) 式( 2 7 2 ) 即式( 2 7 1 ) 中睇。= k k ，玩= 七。c 。时的特殊情况。相比较而言，式( 2 7 2 ) 能够直观的反映出发电商的实际报价曲线围绕着真实的边际成本曲线变化这一特点( 如 图2 2 所示) 。因此，这里需要说明的是本文后续的工作都是基于式( 2 7 2 ) 这种形式对发 电商竟价策略问题进行分析讨论 i s u ：二多 m j a c m ： ! 图2 2 线性报价曲线( b 1 时) f i g 2 2l i n e 甜b i d d i n gc i i r v e ( i p l ) 电力市场环境下发电商竞价策略研究 ( 2 ) 系统经济调度模型 在电力联营体中，交易中心根据各市场参与者( 此处指参与竞价的发电商) 提交的报 价曲线，应用直流潮流有功o p f ，按照全社会福利最大化的目标进行经济调度，确定出 各发电商的交易电量和交易电价。 首先交易中心接受各发电商的机组报价曲线，并认为这些报价曲线能反映他们的真 实成本， 则在0 p f 中对应于式( 2 7 2 ) 的机组成本函数为： e ，( 己) = 七。( 屯只+ o 5 c 。露) ( 2 8 ) 交易中心接受报价后，在只考虑系统负荷平衡约束，忽略输电容量约束的情况下， 交易中心按照实现全社会福利最大化的原则( 由于本文没有考虑负荷侧投标的市场情 况，对于仅允许发电侧投标的单一买方市场来说，o p f 的目标函数即系统范围成本最小) 为目标，通过经济调度，确定出各发电商的节点实时电价( $ m w h ) 以及相应机组的发电 出力( m w ) 。该o p f 问题可表述如下： m i n 色( 只) ( 2 9 ) m l l 村 s t p 坩= q ( 2 1 0 ) m l 己m s 只只一，m = l ，2 ，肠 ( 2 1 1 ) 其中，q 为预报的系统负荷，式( 2 1 0 ) 为系统有功平衡约柬，式( 2 1 1 ) 为机组最大和 最小出力约束。 当不考虑机组的出力约束( 即式( 2 1 1 ) ) 的情况下，系统经济调度问题的拉格朗日函数 为： m m 云= 色( 匕) 一五( 兄一q ) ( 2 1 2 ) 其中，云为上述优化问题的拉格朗日函数，丑为式( 2 1 0 ) 的拉格朗日乘子。 上式对只求导可得； 沈阳工业大学硕士学位论文 暑：等一a ：o ( 2 1 3 ) a 巴识 、7 由节点电价的经济学含义可知，节电电价为单位节点功率变化对目标值( 总体机组 发电成本) 的影响率，若令厶为系统经济调度后发电商聊的节点实时电价，那么在只考 虑系统负荷平衡约束，忽略输电容量约束的情况下，式( 2 1 3 ) 可等价于： 六= 薏“ ( 2 1 4 ) 此时系统内会出现统一的市场出清价，所有节点的实时电价均等于a 。 ( 3 ) 确定性模型下发电商利润最大化模型 在忽略输电容量约束的情况下，系统内所有节点的电价均相同，此时发电商所的利 润可以表示为： 砖乙( z ，只) = a 匕一c ( 只)( 2 1 5 ) 从式( 2 1 5 ) 可以看出，发电商珊的利润函数纾，埘是关于出力厶和统一电价的z 的函 数，而厶和旯是交易中心进行上述系统经济调度得来的。从而，确定性模型下发电商 的竞价策略问题转化成一个双层优化问题，在市场中所有发电商的报价信息完全公开的 前提下，首先交易中心以整个系统范围成本最小为目标，结合市场中所有发电商的报价 来安排调度计划，然后发电商依据此调度计划构造出相应的竞价策略。该模型等同于传 统的规划问题，可用下述模型来描述： ( 第一层) ： m a x 既( 五，尸耐) = 五匕一c 。( 己) ( 2 1 6 ) s t 其中竞争对手的报价参数已知，五和己由下层系统经济调度函数决定 ( 第二层) ： m i n 色( 只) 射 盯 s t 匕= q ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 只袖s 匕尸坍一，小= 1 ，2 ，肠 ( 2 1 9 ) 电力市场环境下发电商竟价策略研究 式( 2 1 7 ) 是系统经济调度模型的目标函数，它与它的约束条件式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 共同作 为式( 2 1 6 ) 的约束条件。 2 2 3 算例分析 下面以一个简单的4 节点的电力系统为例，说明发电商竞价的基本特征。设该电力 市场中有3 个发电商参与竞价，且每个发电商只拥有一台发电机组，3 台发电机组的生 产成本信息以及有功出力上下限列于表2 。l 中。 表2 1 发电机组的生产成本系数及有功出力上下限 n l b 2 1u n i t p a 姗e t e 娼o f g 锄e r a l i o ns u p p i i e r s 注：口，的单位为$ ，h ；以的单位为$ ，( m w h ) ；c f 的单位为$ ( m w 2 h ) 。 假设所有机组的报价曲线都按其真实的生产成本曲线进行报价，若不考虑输电容量 问题，如前所述，此时整个系统的所有节点的节点电价处处相等，如图2 3 所示。 1 2 5 4 5 4 5 m w 图2 3 4 节点3 发电商电力系统 f i g 2 3f o 岍b ms y 咖m 、v i t i l1 1 l r c es u 刑i 郇 沈阳工业大学硕士学位论文 由经济学可知，在完全竞争的电力市场中，发电商按照真实的边际生产成本进行报 价可获得最大的利润。但是在现实生活中，很少有发电商按照边际生产成本曲线进行报 价的，都是大于边际成本曲线进行报价。我们这里假设所研究的发电商采用策略性的报 价并按式( 2 7 2 ) 进行报价，其竞争对手仍按照边际成本进行报价。 对应不同的七值( 七从1 到1 1 0 ，步长为o 0 1 ) ，各个发电商的利润情况如下表所示。 表2 2 对于不同膏值时每个发电商的利润状况 t a b 2 2 p f o f n s f o fe a c hs u p p i i 盯w m v a f i o 璐七 以上表肛1 0 3 时发电商3 对应的利润为例，它表示发电商l 、2 均采用边际成本进 行报价，而发电商3 采取策略性的报价，令其报价曲线高于边际成本曲线3 时的情况。 从上表可以看出，对于每个发电商来说，其利润取得极值点时对应的报价参数不尽 相同： 发电商l ：_ i = 1 0 7 时对应利润极大值2 8 8 5 6 $ ，l l 发电商2 ：七= 1 0 3 时对应利润极大值1 5 5 1 $ m 发电商3 ：七= 1 0 3 时对应利润极大值2 1 0 8 $ ，l l 电力市场环境下发电商竟价策略研究 上述结果显示，当发电商按照边际成本进行报价时，其利润并没有取得最大值。这 说明由于电力市场中发电商的数量有限，每个发电商的报价都会影响市场的价格，参与 竞价的发电商都可以通过策略性的投标而非降低成本来成功地增加自身的利润，此时的 电力市场并不是完全竞争的理想的电力市场，而是寡头垄断市场。图2 4 a 显示出当发电 商1 逐步提高自己的报价参数时，其自身利润的变化趋势：图2 4 b 显示出当发电商l 逐步提高自己的报价参数时，整个市场的统一的价格的变化趋势。 a ) 发电商l 增加报价时自身利润的变化 ”发电商l 增加报价时市场统一电价的变化 图2 4 发电商l 增加报价时自身利润与市场统一电价的变化 f i g 2 4h l d i v i d u a lp f i t 锄dm c p 嘲啵七w b i i es u p p l i 盯l l 船d e 踮i i i g 砸o w ub i d 如图2 4 a 所示，我们可以发现随着发电商1 报价参数七的不断变化，其自身的利润 也随之发生变化：如图2 4 b 所示，我们可以发现发电商l 竞价策略的变化可以影响整个 市场的电价变化。发电商通过策略性的报价可以直接影响整个市场的电价，他们所拥有 的这种能力鼓励着这些发电商按照高于边际成本的价格进行报价，从而提高他们自身的 利润。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章首先