（控制理论与控制工程专业论文）电力市场环境下容量补偿对发电机组投资的影响分析.pdf

摘蛰 摘要 电力市场改革的根本目标是降低成本、提高生产效率。而保证系统合适的容量 充裕性，对平稳电价，维持系统长期稳定运行具有重要意义。然而在市场环境下， 发电公司是一个以盈利为目的的独立的经济实体，不再负有保证系统稳定运行的责 任。实行怎样的市场规则，以引导出正确的发电投资是市场规则制订者需要认真考 虑的。现在的一种普遍观点认为，仅依靠能量市场不足以吸引足够的发电投资。但 是在引入容量补长技制后的结果是怎样? 能否得到令人满意的结果? 本文将就这一 问题进行讨论。 本文主要针对不同容量补偿机制对发电投资的影响进行了讨论，具体工作分为 三个阶段；首先讨论了垄断体制下的发电投资，缛到垄断体制下的，以运行成本与 投资成本之和最小机组的投资结果，这个结果当然也是理想市场环境下的最优的投 资组合，我们将以此结果作为后面讨论的标准。第二步构造了只包含能量市场的静 态分散机组投资模型，考察了在没有补偿情况下，发电机组的投资状况，并与理想 的投资结果做了比较和讨论。最后建立了包含容量补偿机制的发电投资模型，基于 成本分析，分别讨论了英国容量费法、我国的两部制电价法和当量电价法三种不同 的补偿机制对发电投资的影响。 关键词：电力市场；发电容量充裕性；智能代理；容量补偿；电价 江南人学坝i 论文 a b s t r a c t t h ef i n a lo b j e c to ft h er e f o r mi n e l e c t r i c i t ym a r k e ti s t or e d u c et h ec o s ta n dt o i m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s s i ti sv e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e et h ep r o p e rc a p a c i t yw h i c hi s g o o df o rs t e a d yp r i c ea n dl o n g t i m ew o r k b u ti nt h em a r k e tc i r c u m s t a n c e ，t h ep o w e r c o m p a n yi si n d e p e n d e n te c o n o m i cr e a l t yw h i c ha i m sf o rp r o f i t s i td o e s n ta c c o u n tf o r t h es y s t e m ss t e a d yw o r k t h er u l e sm a k e rh a st oc o n s i d e rc a r e f u l l yw h a tt h er u l e sw i l l b ea n dh o wt og u i d et h er i g h tg e n e r a t i o ni n v e s t m e n t t o d a ym o s tp e o p l eh o l dt h a t ，i ti s v e r yd i f f i c u l tt og e te n o u g hg e n e r a t i o ni n v e s t m e n to n l yi nt h ep o w e rm a r k e t w h a ta b o u t t h ei n t r o d u c t i o no fc a p a c i t yv a l u ec o m p e n s a t i o n ? t h i si sd i s c u s s e di nt h i sp a p e c i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s st h ei m p a c to fd i f f e r e n tc a p a c i t yc o m p e n s a t i n gm e t h o d so n g e n e r a t i o ni n v e s t m e n t ，i n c l u d i n g t h r e e p h a s e s ：f i r s t ，w ed i s c u s s t h e g e n e r a t i o n i n v e s t m e n ti nt h em o n o p o l ym a r k e t ，a n dw o r ko u tt h em i n i m u mg e n e r a t i o ni n v e s t m e n t a c c o r d i n g t ot h ew h o l ec o s t so fa l t e r a t i o na n di n v e s t m e n t ；t h i si st h ep r i m ei n v e s t m e n ti n t h ei d e a lm a r k e t w ew i l lt a k et h i sa st h es t a n d a r d so ft h ef o l l o w i n gd i s c u s s i o n si nt h e p a p e cs e c o n d ，w es e tu pas t a t i ca n dd i s t r i b u t eg e n e r a t i o ni n v e s t m e n tm o d e lw h i c ho n l y i n c l u d e s p o w e rm a r k e t ，s u p e r v i s e t h es t a t eo f g e n e r a t i o n i n v e s t m e n tw i t h o u t c o m p e n s a t i o n ，a n dc o m p a r et o t h ei d e a lr e s u l t s a tl a s t ，w ed e v e l o pag e n e r a t i o n i n v e s t m e n tm o d e lw i t hc a p a c i t yv a l u ec o m p e n s a t i o n ，a n dd i s c u s st h ee f f e c to fg e n e r a t i o n i n v e s t m e n tw h i c hg e n e r a t e db yt h eb r i t i s hc a p a c i t yv a l u ec o m p e n s a t i o na n dt h et w o s t e p p r i c i n gm e t h o db a s e do nt h ea b o v em o d e l k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；g e n e r a t i o nc a p a c i t ya b u n d a n t ；a g e n t b a s e d ；c a p a c i t y c o m p e n s a t i o n ；e l e c t r i c i t yp r i c e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盘缢丛 日期：沙，7 年6 月7 日 r 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签 日期： 第幸绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 电力系统市场化改革有两个主要的任务，其一是降低成本提高生产效率：其二 是保证电力系统的长期稳定运行，即保证系统的长期容量充裕度。这样看来，改革 后的电力市场的运行目标与垄断体制下的“在保证系统稳定运行下的成本最小”的 要求是一致的。 电力系统市场化后，发电公司首先从垄断下的发输配的一体中分离出来，成为 独立的经济实体。独立出来的发电公司以市场的需求为信号，以最大化利洞为目标 进行决策，而不再负有垄断体制下保证系统稳定性的责任。保证系统拥有合适的容 量充裕度是维持系统长期稳定运行的最重要的一点，同时对减少电价的波动以及电 价的周期性的变化也是具有极大作用的。 表1 1 发生电力市场危机的地区及其原因统计 t a b l e1 1t h ee l e c t r i c i t yp r i c ec r i s i ss t a t i s t i c s 地区电价危机的原因持续时间 4 自it h ei n t e r n a t i o n a l e n e r g ya g e n c y p o w e rg e n e r a t i o n i n v e s t m e n ti ne l e c t r l c l t ym a r k e t s 2 0 0 3 从微观经济学的角度看，通过电价短期供求状态会产生一个f 确的、关于是否 需要增加发电容量的市场信号。这意味着只有能量市场的电力市场可以引导出足够 的发电容量i l 】。然而实际电力市场的运行情况与微观经济学的结论并不相同。表1 1 给出的是在不同国家与地区出现电力市场危机的例子【创。从这个表可以看出，危机 江南人学坝i j 论文 通常由发电容量短缺和发电厂商的市场力的实施引起的。 电力市场有典型的寡头垄断特性，发电公司和机组具有很大的市场力。为了获 得更大的利涧，发电公司可以利用市场力报高价，也可以进行容量持留i 扪，也有可 能牺牲系统的稳定性。因此，市场环境下，如何能够吸引足够的发电投资以保证系 统的稳定性是非常重要的。 1 2 国内外研究现状 电力系统经过几十年的发展，在机组投资方面已经有了一套成熟的模型和算法， 但在市场环境下，不确定性及发电公司面临的背景的改变，垄断体制下的方法不再 适合。发电公司在市场环境下的投资决策行为一直是研究的热点。 从调研情况看，文献【4 5 】讨论了电力系统中的电源规划、维修规划、水火运行 规划及起停规划的建模问题，但其本质讨论的仍属于垄断体制下的建模阅题，在市 场环境下并不适用。文献【6 7 】将发电投资风险分为技术风险和财务风险两类，在建 立模型时综合考虑了这两类风险对投资的影响，并引入机会成本评价原则，最后给 出了算法和算例。文献【8 】构造了一个静态的分散投资模型讨论寡头与垄断情况的投 资量的关系，其没有考虑容量补偿的影响而仅仅包含了能量市场。文献【9 】对加州电 力市场使用系统动力学的方法进行了讨论，包含了电力交易市场以及投资，结果表 明根据市场信号的发电容量的投资具有周期性的波动，这种发电容量投资的波动会 引起容量充裕性的波动，结果引发交易市场电价的波动，这个研究的结果几乎是预 言了加州电力市场有可能因为容量短缺形成价格飞升的危机。针对有关发电机组建 设延迟的影响，文献 1 0 l 也构造了一个动力学模型，与文献【9 】不同的是不仅仅针对 加州市场规则。对于在未来负荷增加很快的情况下，分散的投资是否保证长期的容 量充裕性该文提出了疑问。文献 1 1 1 2 1 以最大化投资者在规划期内的发电投资的期 望收益为目标，建立了电力市场环境下的发电投资决策模型，计及了负荷增长、电 价变化、投资者的风险喜好程度、其他投资者的竞争和市场机制等因素的影响，并 采用随机动态规划方法求解。 上面的研究都是基于经济分析中的n p v 法，有些学者认为市场环境下发电公司 面l 临的不确定性因素大大增加，n p v 法无法准确的描述发电公司投资项目的价值。 他们引入在金融领域广泛应用的实物期权理论，期望采用实物期权法更好的描述发 电投资。文献【1 3 】则考虑了电价的不确定性对投资可能产生的延迟。文献1 1 4 1 运用实 物期权理论研究发电商短期内的运行资产价值，并引入v a r 风险价值的概念，对短 期发电商运行的价值进行了风险评估，最后采用蒙特卡罗模拟与动态规划相结合的 方法，对发电商的运行资产价值及其风险作出了定量分析。文献1 1 5 1 首先运用实物 期权理论从企业价值最大化的角度分析了两家发电商在竞争与合作情况下均衡投资 2 德一事绪论 电的变化，最后运用b l a c k s c h o l s ( b s ) 期权定价模型对发电项目的延期投资决策进 行评估。与文献1 1 5 1 相似，文献【1 6 】在分析了实物期权与金融期权的异同后，建立了 延期期权模型。文献【1 7 】构造了一个基于实物期权理论的发电投资决策模型，并采 用四叉树方法求解。文献1 1 8 ，1 9 1 是最早将实物期权引入发电投资的文献。对实物期 权在发电投资规划中的应用做了较全面、系统的研究，并得出用于计算实物期权价 值的递推公式。 1 3 主要解决的问题及工作安排 从已有的文献看，多数对发电投资的研究主要集中于单一发电公司的投资决策 分析，但市场环境下的投资是典型的分散投资，各个发电公司在决策发电投资时应 该将对手的决策考虑进去，即使个别文献考虑到与竞争对手的博弈，建立的博弈模 型也过于简单【“。从电力市场改革的目标看，期望市场能够给出正确的经济信号引 导发电投资，但现有文献很少有站在系统高度分析分散投资对系统整体发电投资的 影响。另外虽然从诸多电力市场的实际运行看完全依靠市场引导无法引出足够的发 电投资，很多学者对此也达成共识，并认为需要引入容量补偿机制，但关于容量补 偿机制对投资的影响论述的文献也不多，进而现有容量补偿机制是否能引导出萨确 的发电投资也存在疑问。 本文针对英国容量费法，我国施行的两部制电价法和当量电价法三种包含容量 补偿的市场机制，对发电投资的影响进行了研究。具体工作安排如下： 第一章，绪论。 第二章，介绍本文用到的基础知识。包括影子价格，博弈论，智能代理仿真技 术。此三方面作为本文的理论基础。 第三章，首先介绍了垄断体制下发电投资，并给出了垄断体制下发电投资的数 学模型及v a g s 算法；接着引入文献 2 7 】的算例，验证了用m a t l a b 实现的v a g s 算法的正确性；最后应用v a g s 算法得到基于文献 2 8 1 数据的垄断体制下发电投资 结果。此仿真结果将作为一个标准与市场环境下的发电投资作比较。 第四章，给出了市场环境下仅包含能量市场的分散发电投资博弈模型，由于该 模型在求解上存在困难，构造了一个发电投资的智能代理仿真模型。最后给出算例 及仿真结果。结果表明，在仅有能量市场的情况下，无法吸引足够的发电投资，尤 其是边际机组，由于其报价即为系统的边际价格，无法得到固定投资回报。 第五章，首先介绍了英国容量费法，我国施行的两部制电价法和当量电价法三 种不同的容量补偿机制。然后给出包含能量市场和容量补偿的发电投资模型，并应 用智能代理仿真技术进行求解。结果表明英国容量费法无法得到足够的投资：两部 制电价法和当量电价法对投资的影响稳定，但容易出现过投资的现象。 江南人学坝i ：论文 第六章，总结论文内容及展望。 4 第一亭肇础知识 第二章基础知识 首先在本章介绍文中用到的几个知识点，包括影子价格、博弈论、智能代理技 术。其中影子价格是当量电价体系中一个重要概念，正是由于影子价格能够评价系 统资源的稀缺程度，当量电价以之确定机组的容量补偿量。 市场环境下，每个市场参与者( 这里指发电公司) 在作发电投资决策时，不但要考 虑自己资源状况的约束，还需考虑到对手的策略。每个市场参与者的策略不仅仅影 响到自身的收益，也将影响其他市场参与者。从另一方面说，每个市场参与者的决 策和利润也受其他参与者策略的影响。这种相互影响、相互关联的特点具有明显的 博弈特性。研究市场参与者行为的一个方法是建立博弈模型，认为博弈模型的均衡 状态是最可能达到的状态，同时也是市场各个参与者最能接受的状态。当博弈模型 过于复杂时，难于用通常的方法得到均衡解，需要利用计算机仿真技术。这垦介绍 本文用到的智能代理仿真技术。 本章重于介绍影子价格、博弈论和智能代理仿真技术的基本概念，关于其在电 力市场的应用将在后面楣关的章节介绍。 2 1 影子价格 随着线性规划应用的深入研究，人们发现一个线性规划问题往往伴随着与之配 对的、两者有密切联系的另一个线性规划问题，我们将其中一个成为原问题，另一 个就成为对偶问题。原问题与对偶问题的数学模型见表2 1 。 表2 1 原问题与对偶问题对比表 t a b l e 2 1c o m p a r i s o n so fl pa n dd p 原问题( l p l 对偶问题( d p ) m a xz = c x ；r a i nf = w b s , ta x jb s tw a 2 c ， x 2 0 ：w 0 ： 其中；c = ( c 。，岛，c 。) ，x - ( x 。，t ：一。) 7 ，a = k k 。，b - ，屯也) 7 。( h ，k ) ，0 晰。( 0 o ，o ) ，或吒- f 0 ，o o ) 从表2 1 可以看到l p 问题求最大化；d p 问题求最小化；l p 的约束为“”，d p 的约束为“”；l p 的价值系数c ，在d p 中成为约束右端项；l p 的约束右端项b ， 在d p 中恰好为价值系数。上面关系显示出原问题与对偶问题的成对关系。 对偶理论的强对偶定理指出，若原问题l p 与对偶问题d p 中有一个有最优解，则另 江南人学他i 论文 一个问题也必存在最优解，且两个问题最优解的目标函数值相等。即有 z 一c x + t w b = 岛+ * b 2 + + ( 2 1 ) 其中x + ，w 分别为原问题与对偶问题的最优解，z 。为目标函数值。且 w = ( h ，w 2 ，+ ) 。现考虑在最优解处，右端项b i 的微小变动对目标函数值的影 响( 在不改变原最优解情况下) ，则可由式( 2 1 ) ，将z ，对b i 求偏导数： j 7 兰兰一一心o 一1 2 ，m ) ( 2 2 ) d q 因为原问题的每一个约束都对应一个对偶变量，从而有一个对偶解。式( 2 2 ) 表 明了，若原问题的某一个约束条件的右端项b ；每增加一个单位，则由此引起的最优 目标函数值的增加量，就等于与该约束条件相对应的对偶变量的最优解值。 如果把原问题的约束条件看成是广义资源约束，则右端项的值，表示每种资源 的可用量。对偶解的经济含义就是资源的单位改变量引起目标函数值的增加量。在 经济学中，通常用价值量来衡量目标函数值。因此对偶解也具有了价值内涵，通常 称对偶解为影子价格。影子价格是对偶解的一个十分形象的名称，它既表明了对偶 解是对系统内部资源的一种客观估价，又表明它是一种虚拟的价格，而不是真实的 价格。 影子价格的大小客观地反映了资源在系统内的稀缺程度。如果第i 种资源在系 统内供大于求，即在达到最优解时，该资源并没有用完，因此反映在原问题第i 个 约束中，当用最优解值x t 代入时，该约束为严格的不等式( 即松弛变量 0 ) ，由互补松 弛性定理必有w i = o ，即该资源的影子价格为0 。它表明了，增加该资源的供应不会 引起系统目标值的增加。如果第i 中资源的影子价格大于零，就说明再增加这种资 源的供应量，可使目标函数值增加，即可使系统的受益有所增加。资源的影子价格 越高，说明资源在系统内越稀缺，而增加该资源的供应量对系统目标函数值的贡献 也越大。因此企业管理者可以根据各种资源在企业内影子价格的大小决定企业的经 营策略。 举一个例子说明，设某家具厂木器车问生产木门和木窗两种产品，加工木门收 入为5 6 元扇，加工木窗收入为3 0 元扇，生产一扇木门需要木工4 小时，油漆工2 小时；生产一扇木窗需要木工3 小时，油漆i1 小时，该车间每日可用木工总工时 为1 2 0 小时，油漆工总工时为5 0 小时，问该车间应如何安排生产才能使每日收入最 大? 令该车问每日安排生产木门x l 扇，木窗x 2 扇，则数学模型为： 6 第- 二章皋础如识 m a xz 2 5 6 x i + 3 0 砭； 5 j 4 x i + 3 x 2s 1 2 0 , f 2 。3 1 2 1 l + 而5 0 ， x i ，x 2 芑0 可求得最优解： x + = ( x 】，x 2 ) r - _ 0 5 ，2 0 ) r ，z + = 1 4 4 0 ( 元) 即该车| h j 每r 安排生产木门1 5 扇，木窗2 0 扇时收入最大，为1 4 4 0 元只。 考虑其对偶问题，假设有一个个体经营者，想利用该木器车| 日j 的木工与油漆工 柬加工完成他手中的一批木器家具订单。设w l 为付给木工每个工时的价格，w 2 为 付给油漆工每个工时的价格，则该个体经营者的目标函数为每同所付的工时总费用 最小。同时该个体经营者所付的价格不能低于该车问生产木门、木窗所得的收入， 否则该车i n j 觉得无利可图而不给加工，因此该个体经营者的数学模型为： m i n ，= 1 2 0 w 1 + 5 0 m ； “! ”l + 2 m 硝6 ， ( 2 4 ) 3 w i + 2 3 0 , 鬻”w 22 o 解之：w l = 2 ，w 2 * = 2 4 ，= 1 4 4 0 。 如例子中原问题为式( 2 3 ) ，其中第一个约束表示木i q - 时资源约束；第二个约 束表示油漆工工时资源约束。对偶问题的解w ；( h ，) = ( 2 ，2 4 ) 0 ，表示在原问 题中，木工工时资源及油漆工工时都是稀缺资源，而w 2 * = 2 4 w 。= 2 ，表明油漆工时 资源的影子价格为2 4 ，木工工时资源价格为2 ，即油漆工时资源对系统的目标函数 贡献度远远超过木工工时对目标函数的贡献，经营者若增加收入可按适当比例增加 油漆工时与木工工时资源总量。 影子价格在电力系统中可以评定发电机组的价值，即若某机组的影子容量价值 小于0 ，则该机组应该退役。另外在当量电价中，影子价格用来辅助确定系统机组 当量电价中的容量补偿量。影子价格在发电投资中的具体应用将在后面章节中详细 叙述。 2 2 博弈论 博弈论是关于包含相互依存情况中理性行为的研究。考虑某事件有n ( n 1 ) 个参 与者f 后面我们称事件的参与者为局中人) ，用记号i = l 2 一束表示。他们在事件中都 有着自己的切身利益，每个局中人都有着自己的可行行动集( 称为策略集合) 供自己 选择，这种选择无疑会影响到其它局中人的切身利益。事件中的各个局中人理性地 7 江南人学形! i 论史 采取或选择自己的策略行为，使得在这种相互制约、相互影响的依存关系中，尽可 能地提高自己的利益所得，这正是博弈理论的关键所在。从上面描述可以看到，博 弈论由三种元素组成：局中人集合f 妒，我们设妒为有限集合 1 ，2 ， ；对每个局中 人i 有策略空问s ，及其收益函数u i 。下面对博弈论中的几个要点进行说明。 所谓相互依存，通常是指博弈中的任何一个局中人受到其他局中人的行为的影 响，反过来，它的行为也影响到其他局中人。由于这种相互依存性，游戏或博弈的 结果依赖于每一个局中人的决定，没有一个人能完全地控制所要发生的事情，也没 有一个局中人处于孤独的状态。相互依存常使博弈中的局中人之问产生竞争。 在博弈论中还需要对一个词“理性行为”作一些说明。博弈论中的所谓理性， 一般不是指道德标准。从参加博弈的局中人的眼光来看，他们试图去实施自己认为 可能做好的行为，尽管这样的行为有可能损害了其他局中人。 由于局中人的相互依存性，博弈中一个理性的决策必定建立在预测其他局中人 的反应之上。一个局中人将自己置身于其他局中人的位置并为它着想从而预测其他 局中人将选择的行为，在这个基础上该局中人决定自己最理想的行动，这就是博弈 论方法的本质与精髓。 博弈论中每一个局中人作出理性决策的重要依据之一是他的可能盈利有多少， 这就是一个局中人需要认真计算的盈利函数u ( p a y o f f f u n c t i o n ) 。对于每一个局中人， 如果他们在可供自己选择的策略空间中任取一策略作为自己的行动，既不会给自己 带来盈利，又不会使他们必须付出，这种失去了激励机制的游戏本身也就失去了“博” 的意义，在社会经济领域中尤其不太可能出现这类现象。盈利函数的结构与取值无 疑会影响到局中人的行为，因而也影响到博弈的最终结局。因此，盈利函数的确定 在博弈论研究中是件非常重要的事情。 通过局中人的不断选择、博弈，最终各个局中人将确定自己的最终策略( 设外部 环境不变1 ，这个最终的策略集合称为n a s h 均衡点。n a s h 均衡位置是指这样的策略 组合，为了极大化自己的盈利( 或效用) ，每个局中人所采取的策略一定应该是关于 其他局中人所取策略的最佳反应。因此没有一个局中人会轻率地偏离这个策略组合 而使自己蒙受损失。 最后举个博弈论的简单例子。 智猪博弈。大猪和小猪喂养在同一个猪圈中，猪圈的一头安装有一杠杆，只要 一踩杠杆，猪圈的另一头固有的食物槽里将会流出饲料。踩杠杆需要花费能量，相 当于半份饲料，大小猪都不踩的话，他们虽然不耗费能量但吃不到任何东西。假设 食物槽内一次流出的饲料共有6 份，如果小猪踩杠杆，等它跑到食物槽跟前时，将 发现大猪吃光了所有饲料；而若大猪踩杠杆再跑到食物槽跟前，它只能得到1 份饲 8 第一二章皋础知识 料；若共同踩杠杆再一起跑向食物槽，则大猪能争得4 份饲料而小猪只能得到2 份 饲料。这些信息是大猪小猪的共同认识。表2 2 表示了智猪博弈的盈利矩阵。 表2 2 智猪博弈的盈利矩阵 t a b l e 2 2g a m em a t r i xo ft a l e n tp i g s 人猜 j 曛 小踩 小猪 踩 ( 1 5 - 3 5 )( - 0 5 ，6 1 小踩 ( 5 ，o 5 ) ( 0 ，0 】 这个博弈的n a s h 均衡解为( 大猪踩，小猪不踩) ，从策略的角度看，小猪不踩的 结果一定比踩好，小猪必然选择不踩。大猪智能选择踩，虽然大猪踩让小猪占了便 宜，但总比饿肚子的结果要好。 简单的博弈可以通过画线法甚至观察法得到均衡解，有些则可以转化为古诺博 弈模型、伯川博弈模型等典型问题求解，而又存在一些博弈问题难于用常用的方法 得到均衡解，这时需要利用计算机技术辅助求解。这里采用智能代理仿真技术来求 解电力市场的博弈模型。下面介绍智能代理仿真相关知识。 2 3 智能代理仿真技术 2 3 1 智能代理仿真技术介绍 智能代理仿真( a g e n t b a s e ds i m u l a t i o n ，a b s ) 是计算机智能研究前沿领域的一 种自适应智能代理商( a g e n t ) 计算机模拟方法，由于智能a g e n t 的自动性、交互性和 学习能力等特征，其在建立市场模拟和仿真模型时具有独特的优势。 下面具体介绍一下。智能a g e n t 属于计算机和人工智能领域范畴。a g e n t 的概 念最早于2 0 世纪7 0 年代出现在分布式人工智能研究领域( d a i ) ，研究如何使1 个或 多个实体在尽可能不打搅用户的情况下，依靠自身的能力，采用各种可能的方法和 技术完成用户所委托的较复杂或繁琐的任务。一般a g e n t 是指一个程序，称为软件 代理。用于市场模拟时，其可代表市场成员，能根据外部环境的变化，进行自动操 作或完成预先设定的某件任务。 9 江南人学坝i 论文 感知外 a g e n t l+ s 环境ii 对外 i 坪境 外境反应 图2 - 1a g e n t 一环境示意 f i g u r e2 - 1a g e n t - e n v i r o n m e n ti n t e r a c t i o ns k e t c hm a p 智能a g e n t 能对环境进行“学习”和“积累经验”，并根据学到的经验不断改变 自身的结构和行为方式，优化自己的行为，达到自身的目标。通常认为一个智能a g e n t 具有以下全部或部分特征： 夺自治性：a g e n t 的运行不需要人或其它a g e n t 的直接干预，能控制自己的行 为和内部状态。 夺反应性：a g e n t 能感知所在环境的变化，并通过行为改变环境。 夺协作性或社会性：a g e n t 可与其它a g e n t 进行交互，以共同完成预定的任务。 主动性或自发性：a g e n t 并不是被动的对环境的变化做出反应，能自己为行 动设计目标，表现出一种有目的的行为。 夺时间连贯性：传统程序由用户在需要时激活，不需要时或运算结束后停止。 a g e n t 与之不同，应至少在“相当长”的时间存在运行。 基于智能代理商的计算机模拟a b s 是赋予市场成员a g e n t 智能的功能，面向自 身目标，对环境进行学习反应，优化自身行为，通过a g e n t 模拟市场的运行，分析 市场成员行为、市场运行结果的一种计算机模拟方法。 a b s 已在国内外各领域得到广泛应用，包括工业、商业、医药、娱乐、游戏等。 不少学者对智能a g e n t 在很多领域作了大量研究，其中包括了电力市场规划、市场 成员竞价策略、市场效率、市场力的研究在内的很多领域。 2 3 2r o t h e r e v 算法 在电力市场的智能代理仿真模型中使用最多的算法是强化学习算法，而且应用 最多的具体的强化学习算法是r o t h e r e v 算法。r o t h e r e v 算法主要依据三个基本的 有关学习的认识：( 1 ) 基于生物学中有关动物学习的基本理论“条件反射”( 1 a wo f e f f e c t ) 。也就是，在未来的重复行动中，将更加倾向于采用曾经带来了好结果的策 略，而且结果越好则未来的行动将进一步地增强。( 2 ) 在学习过程中存在着“实际效 能原则”( p o w e rl a wo f p r a c t i v e ) ，也即在学习过程中，某种事件的刺激，总是随着时 1 n 第一幸毕础知识 | 日j 的推移减弱。( 3 ) 最近的经验比更远的过去的经验更为有效。基于这些学习原理， r o t h 和e r e v 构造了一种强化学习算法。并进行了大量的计算机仿真实验，结果表明 该算法可以收敛到纯策略均衡或者唯一的混合策略n a s h 均衡。r o t h e r e v 的算法 1 1 0 2 】1 1 0 3 1 具体描述如下。 考虑一个。人非合作博弈，每个参与人f 有纯策略集4 ，集合4 中有a 个纯策略， 其中第h 个纯策略表示为，而参与人i 选择策略h 的选择概率为如。在r o t h e r e v 算法中参与人i 从其策略集合4 中选择具体的策略 。记为，方法是依据其选择概 率气。按照轮盘赌的方式进行。 当所有参与人选择了其策略后就构成了博弈的一个局势，每个局势相对每个参 与人都有一个特定的收益，这构成了局势到收益的映射。而所谓的学习是指在每轮 结束以后参与人i , i 一1 , 2 ，l 将根掘其收益修改其选择概率。在进行上述思想的表述 中，r o t h e r e v 算法用倾向( p r o p e n s i t y ) 来继承以前的经验并利用倾向求选择概率，具 体的方法为： ( a )初始倾向( i n i t i a lp r o p e n s i t y ) ：在起始步，博弈参与人j 对每一个行为h ，赋予 一个初始倾向。( 1 ) ，且对于所有 e 4 的行为取值相同，则每个行为的概率则可 写成 b ( 1 ) 乱( 1 ) 扣d ( 2 5 ) ( b ) 倾向的修改。在第n 轮参与人，选择行为h 进行博弈，其收益为r b ) ，则倾向 的修改为： ( 。，胄( 。”j ：1 ：i 6 ( 2 6 ) 引州卜，南妣恤 2 施 吼n + 1 ) 。( 1 一) 吼o ) + ( 1 ， r 伽) ) ( 2 7 ) 式中：t ( r ( ) ) ：表示参与人f 在采用行为h 时，锝到收益是 j 后，对行为，j 4 的倾 向修改量：r ( ) 表示参与人i 采用行为h 时所得到收益；：是一个经验系数。q g ( n ) ： 第n 轮时参与人i ，采取行为j ，j 4 的倾向；妒：经验系数，称为遗忘因子，a 表示行 为集合a 的元素数目。 ( c ) 在下轮行为选择时的概率为： 江南大学坝i 论文 弓( 一+ 1 ) - 锄伽+ 1 ) 0 色，伽+ 1 ) ( 2 8 ) 式中：q , j ( n + d 表示参与人i 采取行为，j 4 的倾向；最加+ ”表示在第n + l 轮参与人i 采取 行为，4 的选择概率。 r o t h e r e v 算法通过收益修改倾向，从而修改选择行为的概率。该算法有三个影 响参数在具体使用中根掘情况确定，它们是初始化倾向吼( 1 ) 、遗忘因子和分配系 数f 。初始倾向吼( 1 ) 对于最初的学习有明显的影响，如果选择太小，而8 ( ) 较大， 则对倾向修改可能过大：反之则学习速度很慢。遗忘因子选择太小，则对新的情况 的灵敏度减弱，分配系数r 太小会导致整体策略行为选择不具备各态遍历的特性， 而不收敛到均衡。 2 4 小结 本章介绍了影子价格、博弈论和智能代理仿真的相关基本概念，其在发电投资 中的具体应用及改进将在后面章节中详加论述。 1 2 第三章垄断体制下的发f 乜机组投资的优化模型 第三章垄断体制下的发电机组投资的优化模型 在传统的电力工业中，政府根据一系列的数据制定发电机组投资规划。最优发 电机组投资规划即电源规划可以表述为：以系统工程思想为指导，应用现代优化技 术和计算机技术，寻求一个符合各种约束条件和可靠性指标的最优电源建设方案， 以满足系统负荷发展的需要。这里系统思想足要从电力系统的整体，国民经济整体 出发，也要从规划期的时间序列整体上来研究考察。优化的目标函数应该是国民经 济的总支出最小，也就是除了考虑电源建设的投资费用本身外，还要考虑及资源运 输，运行费用，环境污染等一系列与之密切相关的费用。 最优电源规划所要解决的核心问题，是要解决在规划期内随着负荷的发展，系 统应该在何时，何地，建什么类型，多大容量的电厂的问题，即要找出一个电源建 设的最优方案。它直接影响电力系统运行的可靠性，经济性，电能质量，网络结构 和今后的发展，关系到电力系统的战略决策，在电力系统规划中占有十分重要的位 置。 通过以上分析可以看出垄断体制下的发电机组投资主要考虑的是系统的可靠 性，即在满足系统负荷要求和系统可靠性指标下的投资和运行费用最小的投资组合。 电力系统规划主要分为电源规划和电网规划两部分。电源规划是指应用现代优 化技术和计算机技术，寻求一个符合各种约束条件和可靠性指标的最优电源建设方 案，以满足系统负荷发展的需要。本文关注电源规划部分。作为整个论文研究的基 础，本章首先介绍了垄断体制下发电投资规划的概况，其次介绍了由上海大学自行 丌发的v a g s 算法，最后给出算例。算例的结采将作为后续研究和比较的依据。 3 1 垄断体制下的机组投资 垄断体制下的发电机组投资即电源规划是统一进行的，主要基于负荷预测、失 负荷概率( l o l p ) 和失负荷价值( v o l l ，通过估计得到) 进行统一的发电机组投资决 策，目标是系统总支出最小。垄断体制下的机组投资主要考虑电力负荷和系统可靠 性，而且在市场环境下，对整个系统而言，这两方面也非常重要，下面分别简要介 绍这两方面的相关内容。 3 1 1 电力负荷及负荷预测 电源规划和机组运行调度都是以对未来电力负荷的预测为依据的。众所周知， 电能尚不能大量储存，电力生产和消费是同时进行的。如果负荷预测偏低会引起电 力供应紧张，供电可靠性下降；负荷预测偏高将导致巨大的浪费使电力系统效率下 1 3 江南人学坝i 论史 降，影响系统的经济性指标。因此，电力负荷预测是电源规划和调度的重要组成部 分。 电力负荷预测应包括最大负荷功率，符合电量及负荷曲线的预测。最大负荷功 率预测对于确定电力系统发电机组的容量是非常重要的；为了确定机组的燃料计划， 必须预测负荷电量；负荷曲线的预测为选择适当的机组类型和合理的电源结构及系 统调峰问题提供数据支持。 影响负荷变化的因素很多，主要有以下几点，即作息时间的影响：生产工艺的 影响；气温的影响；季节的影响。由于负荷有如此多的不确定性因素，要绝对准确 地预测未来的负荷是不可能的。一般用负荷曲线来描述负荷随时问的不断变化。负 荷曲线可分为日负荷曲线，周负荷曲线和年负荷曲线，分别表示日、周、年负荷随 时间变化的特点，从中得到负荷随时间变化的规律。在电源规划中常用到负荷持续 曲线的概念。负荷持续曲线是将某段时间内的负荷按从大到小的顺序排列后形成的， 曲线上的点表示系统负荷大于某值的持续时间。如图3 - 1 所示是某系统年负荷持续 曲线，从曲线上可以得到系统最大负荷，总负荷电量及负荷变化趋势等信息。 4 0 0 0 3 5 3 0 0 0 蓑2 5 0 0 2 0 0 0 ， o f 赢一2 0 0 0 丽i r 成一打6 面o7 0 酊菇o r l o 系统负荷持续时问 图3 - 1 未来需求负荷持续曲线 f i g u r e 3 - 1t h el o a dd u r a t i o nc u r v e 3 1 2 电力系统发电可靠性分析 可靠性指标是衡量电力系统健康程度的重要指标之一，对系统进行可靠性分析 要贯穿于整个电力系统规划的始终。在电力系统规划设计中，通常有两种方法来评 1 4 第二章垄断体制下的蛙i 蛙机纰投资的优化模型 价系统可靠性，一种是被称为常规方法，如用年最大负荷的一个百分数作为系统的 备用，备用越大系统稳定性就越好，一般备用不小于系统最大机组容量。另一种是 用概率的方法来估计发电系统的可靠性，并由此确定系统备用。这种概率的方法计 及了系统最大负倚和负荷曲线形状，同时考虑了不同容量和类型机组的随机停运( 故 障率) 和检修计划。无论哪种方法都要求考察一定负荷下的可靠性指标，包括电力不 足时l 日j 概率l o l p ，电量不足时l 、日j 期望值e e n s 。电力不足时问概率l o l p 是指发电 机组运行容量小于系统负荷功率的概率。l o l p 。p ( 了畔c ) ，其中峨为机组i 的可用容 一 量，为系统负荷功率。电量不足时| 、日j 期望值e e n s 指在研究周期内由于供电不足 造成用户停电所损失电量的期望值。e e n s 是由于系统不可靠而使用户减少的用电 量，当已知每停l k w h 或1 m w h 给国民经济造成的损失时，可进一步将e e n s 转换 为经济指标，这罩不再详述。 3 2 垄断体制下发电机组投资模型 电源规划是垄断体制下电力系统发展规划的重要组成部分。随着电力负荷的增 长，电力系统的规模和发电机组的单机容量不断增大，再加上发电机组类型及所采 用的一次能源的多样化，使电源结构r 趋复杂，因此如何确定合理的电源结构，如 何协调和有效地利用各种类型的机组是需要认真考虑的。 垄断体制下的电力系统经过几十年的运行，已经有了对发电投资( 电源规划) 的 一系列成熟的模型和算法，并且在国际上已有一批成熟的商业化电源规划软件包 2 0 , 2 1 , 2 2 】。我国的一些学者在借鉴外国的经验基础上，结合一些具体工程问题建立了 各具特色的电源规划模型1 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 】。 如上所述，垄断体制下的发电投资模型和算法并不唯一，本章将使用有上海大 学研究开发的电源优化价值分析模型及v a s g 算法。使用它的原因是该模型和算法 除了具备垄断体制下对发电投资模型的基本要求外，该模型还很适合用于电能价值 分析。 3 2 1 垄断体制下发电机组投资的静态优化模型 在目标年的负荷持续曲线( l d c ) 上，各类电源应满足自身资源特征限制和系统 需求基本要求，使目标年的总投资和运行费用之和达到最小，即有目标函数和约束 条件 江南大学坝卜沦文 式中 m i nt c = 罗( c i x i + b i q ) _ “酗甜 x i 0 ( i - 1 ，2 ，n ) x fs 弗( i e l 】) q j q i ( i 1 2 ) q 。= r “。地，( i - - 1 ，2 ，n ) d l 一0 d f 。善_ 0 = 2 , - - , n + 1 ) 表3 1 静态优化模型符号意义 t a b l e 3 1t h es i g n i f i c a n c eo fs i g n a l si nt h es t a t i co p t i m a lm o d e l 符号及其意义符寸发其意义 c ：机组i 的单位町用容量年金成奉，单位儿 ( z ) 目标年的负荷持续曲线 m w n 各类电源机纽的总数扛机组i 的单位生产电量成本，单位元m w h x ：一一机组i 的可用容量，为姑测变量学位 r 目标年的峰负荷需求，荦位m w m w q ；机组i 的年发l 乜量，学位m w - h i l 受容量约束的机组集合，如现存火电 弘现存机组i 的町用容量，单位m w 1 2 受电量约束的机组集合，如水电 西水电机组i 的最人年发电量，单位m w 呐 模型( 3 1 ) 一( 3 5 ) 作为典型的投资计划模型，式( 3 1 ) 是目标函数，表示总成本( 包 含运行成本与投资成本) 最小化；式( 3 2 ) 表示必须满足的未