（电气工程专业论文）电网侧报价策略研究.pdf

摘要 摘要 随着电力市场化改革的推进，市场出清电价( m c p ) 预测和竞争策略问题正在受到越来越多的关 注。市场出清电价是反映电力市场中电力商品短期供求关系的统一价格，是联系用户、市场监管者、 发电商的经济纽带，是关系到发电方、购电方经济利益的重要因子。边际电价预测对于电力市场的 参与者都具有重要意义。 在目前的研究中，比较普遍的是使用人工神经网络尤其是b p 神经网络来进行电价的预测。本文 就是一个例子。重点阐述了b p 神经网络的模型、结构、推理算法以及相应的学习算法，在线预测结 果表明，该方法具有良好的预测效果。以美国加州电力市场为背景，采用人工神经网络的方法建立 了提前一天的市场电价短期电价预测模型。模型为3 层的b p 人工神经网络，采用加州电力市场的电 价数据进行了训练和预测数据。本文使用了加州电力市场1 9 9 8 年4 月和5 月的相关数据，可以预测 1 9 9 8 年5 月份中提前一天的短期电价预测模型。结果说明了该模型具有一定的预测结果 针对采用分段报价策略和按市场出清电价结算的电力市场，在对供电成本分析和市场出清电价 预测的基础上，提出了基于遗传算法的电网侧报价策略，通过具体实例测算，充分证明了遗传算法 用于供电企业竞价的可行性，并且该方法提供了多个方案可供选择。 关键词：市场出清电价、均衡论、b p 神经网络、遗传算法 东南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eg l o b a lt r e n do ft h ep o w e rm a r k e ti sc o m i n g t h ep r i c eo ft h ep o w e ri n t h em a r k e ti s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n te l e m e n ti nt h ew h o l e m a r k e t m a r k e tc l e a a r i n gp r i c ei st h eu n i f o r mp r i c e r e f l e c t i n gs h o r t t e r m s u p p l y d e m a n dr e l a t i o n s h i p o fe l e c t r i cc o m m o d i t i e si nt h ee l e c t r i cp o w e r m a r k e t i tc o n t a c t sc u s t o m e r s m a r k e t s u p e r v i s o r s a n di n d i v i d u a l e n e r g y e n t e r p r i s e s i t h a se c o n o m i cr e l a t i o n sw i t h s u p p l y s i d ea n dd e m a n d s i d e a c c o r d i n g l y , f o r e c a s to fm a r k e tc l e a r i n gp r i c ei ss i g n i f i c a n tf o rp a r t i c i p a t o r s i np o w e rm a r k e t o n eo ft h em o s ts o l u t i o ni st of o r e c a s tt h ep r i c eb ym e a n so fan n i nt h i s p a p e r , b a c k p r o p a g a t i o n n e t w o r ki su s e dt of o r e c a s tt h e p r i c eo ft h e e l e c t r i c i t y as h o r t t e r mp r i c ef o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do nt h eb a c k g r o u n do f c a l i f o m i ai na m e r i c ai se s t a b l i s h e db ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h em o d e li sa n e t w o r kw i t l l3l a y e r s t h ed a t ao fc a l i f o r n i ae l e c t r i c i t ym a r k e ti sa p p l yt ot r a i n a n df o r e c a s tt h ee l e c t r i c i t yd a t a t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h em o d e li se f f e c t i v e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft r a n s m i s s i o nc o s ta n df o r e c a s to fm a r k e tc l e a r i n g p r i c e ，t h e w e l l k n o w n g e n e t i ca l g o r i t h m i s p r e s e n t e d f o r d e v e l o p i n g r i s k - c o n s t r a i n e d b i d d i n gs t r a t e g i e s f o r g r i dc o m p a n i e sp a r t i c i p a t i n gi n a n e l e c t r i c i t y i nw h i c hs t e p w i s e b i d d i n gf u n c t i o n sa n dp a y a s b i ds e t t l e m e n t p r o t o c o l sa r eu t i l i z e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so fp r a c t i c a le x a m p l e sa n dt h e e x p e r i e n c eo f o n s i t ea p p l i c a t i o ns h o wt h a tu s i n gt h i sm e t h o dr e l i a b l es u p p o r tt o t h er e a s o n a b l eb i d d i n gs t r a t e g yc a nb ep r o v i d e df o rg r i dc o m p a n i e k e y w o r d s ：m a r k e tc l e a t i n gp r i c e ，e q u i l i b r i u mt h e o r y , b a c k - p r o p a g a t i o n n e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东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 表示了谢意。 研究生签名：立狲 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：j 圣! 苎至导师签名：耋互塾：日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 国外电力市场的状况 第一章绪论 近百年来，电力行业在世界各国都是传统的垄断性行业。电力行业是电力市场化改革的对象， 而各国的政府或议会才是电力市场改革的推动者。走向电力市场的第一步几乎都是各国的政府或议 会以立法的形式强制电力工业的重组。 实行电力市场化最早的国家是智利，起步于2 0 世纪7 0 年代末，1 9 8 2 年正式颁布了新电力法， 正式启动了合同电力交易及实时电力交易的方式，把电力企业推向了竞争市场。 英国开始于1 9 8 7 年7 月撒切尔夫人政府颁布的 ，并于1 9 9 0 年撤消了垄断经营的中央 发电局，把发电、输电、配售电的功能分开，成立的国家电网公司( n g g ) 负责系统的运行调度、输 电。接受天然气和电力市场办公室( o f g e m ) 监管。有义务提出输电系统的扩建规划，并向o f g e m 提出正当的扩建理由。 澳大利亚政府在1 9 9 1 年7 月决定成立了国家电网局以推动电力市场，后来正式成立了国家电网 管理委员会来监管电网运营。 美国电力市场化由1 9 9 2 年乔治布什总统批准的能源法案 开始，以电网开放为标志。由 于加利福尼亚州电价较高，社会各界人士对推动电力市场最积极，但在2 0 0 0 年至2 0 0 1 年发生了加 利福尼亚电力危机，引起了全世界的关注，对改革设计方案更加重视。 由以上看出，电力市场发展的历史较短，市场化进程有待深入1 1 】。 1 1 2 国内电力市场的发展 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i - 2 0 0 2 15 号) 【2 】。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 工业真正从龚断走向市场，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，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全 国联网，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 公司等5 家发电公司，中国电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建 1 东南大学工程硕士学位论文 设集团公司、中国葛洲坝水利水电工程集团公司等4 家辅业集团公司同时挂牌。为了对电力企业进 行有效监管，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：向价格主管部门提出价格建议；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；负责监督社会普遍政策的实施等。 2 0 0 2 年电力体制改革推开之后，中国连续三年遭遇了大范围的“电荒”。作为核心内容之一的 电价改革一直进展缓慢。电监会价格监管处一位负责人指出，电力供应紧张时，推进电价改革的风 险比较大，因为价格可能上涨。因此，主管部门前两年对推行电价改革一直态度谨慎。 两部制电价试点的第一站是东北，作为首个试点区，东北电力市场试点的推行经历了重重波折。 所谓“两部制电价”，是将上网电价分为容量电价和电量电价两部分，其中容量电价由政府制定，电 量电价由市场竞价形成。2 0 0 4 年1 月，东北区域电力市场进入模拟运行状态，同年1 2 月进行两轮 年度竞价，2 0 0 5 年4 月2 0 日启动了月度竞价，进入试运行阶段。 按照反复修改而成的试点方案，东北区域电力市场的竞价电量交易，分为长期合同与现货交易 两种，以长期合同交易为主。长期合同交易由年度、月度合同交易组成，现货交易由日前、实时交 易组成。在试运行中实施的是年度和月度竞价交易。其中，年度合同交易电量占全年预测竞价电量 ( 全年发电量扣除检修日的小时，再扣除已经签订协议的电量的剩余部分) 的8 0 左右。年度合同 交易的竟价分为两轮进行，每次竞价5 0 电量空间。价低的电量部分中标，年度竞标后未中标的电 量，将纳入月度竞标的电量空间。2 0 0 4 年1 2 月上旬，东北区域电力市场首先进行了年度合同的第 一轮竞价。结果，几大发电集团重排了在东北的市场份额。 2 0 0 4 年底两轮年度竞价结束之后，月度竞价并没有按照原定的计划开始，东北电力区域市场竞 价一度陷入暂停。“一部分原因是当时电煤价格迟迟没有落实，但主要原因是有的企业要求对规则进 行重新修订。 东北市场的竞价试点推行相当不易。竞价上网试点改革打破了原来的平衡，是一个利益再分配 的过程，特别是原来按还本付息电价核定电价比较高的企业不愿意实行竞价上网。而且来自其它方 面的因素也时时干扰着试点的进程。 2 0 0 5 年年底，由于电煤价格未定，东北电力市场的试点重新陷入暂停。第二次东北电力市场试 点的暂停，亦是多重原因导致。首先由于2 0 0 6 年电煤价格再度放开，在年初的电煤订货会上电力和 煤炭企业僵持，使得参与竞价电力企业无法测算报价。其次，在岁末年初，辽宁附近地区供电形势 趋于紧张也使试点不得不暂停。 伴随着中国告别大范围“电荒”，一度暂停的电价改革试点进程骤然提速。模拟运行两年的华东 电力市场的电价改革试点进入试运行阶段。在此之前，已暂停数月的东北电力市场试点工作也悄然 重启。今年东北电力市场年度及月度竟价要转入正式运行，同时开展日前市场模拟运行。华中电力 市场也有望在今年年中进行模拟运行。同时，中国电监会亦在积极推进华北、西北电力市场建设， 预计年内完成模拟运行的准备工作。 当前电力市场报价的研究主要集中在发电侧，而对电网侧的报价行为研究很少。事实上，当经 营利益与经营效果直接挂钩后，电网侧( 购电商) 将追求其自身利益的最大化。利润等于售销收入与 2 第一苹绪论 购电成本之差。销售收入是销售电价与售电量的乘积。电网侧( 购电商) 的报价决定了其自身在交易 市场中所占的份额，直接影响到其自身的利润。而销售电价还与供电区域的经济发展水平有关。 在电网公司的力推之下，在试点区域进行上网电价与销售电价的联动的改革亦在酝酿之中。此 改革的主要内容是，当发电侧的报价高到一定程度的时候，允许电网公司浮动售端电价。“这是在一 定范围之内做一些小范围的浮动，否则电网企业无法承受。要继续运营，就必须给电网一个浮 动的空间。” 然而，终端销售电价联动的出台，涉及了对于电网的定价的问题，与当初的煤电联动方案一样， 遭到了业界的质疑。 关键是竞价的结果如何传递到终端去。进行上网电价与销售电价联动，需要给中间的电网一个 明确的定价。这就要求同时推进电力体制改革，进行主辅分离、输配分开，理清电网的真正成本。 目前，有关部门正在制定规则，将中间输配电的环节进行规范和明细。然而，这只能是一种过 渡性安排。“如果不能合理界定输配两种功能的资产，很难合理确定并公开输配电成本。”对于现有 情况下能否核定出电网中间环节的价格，一些专家表示怀疑。 从东北和华东区域电力市场的实践看，主辅、主多不分和输配不分，是合理确定市场模式和市 场实质运行的重要障碍。制定独立的输配电价，是推进电力改革的中间环节，缺少这一环节无法建 立电价与供求关系的良性互动，也无法形成正确的价格信号。 1 2 报价策略研究的意义和国内外研究现状 1 2 1 报价策略研究的意义 在电力市场环境下，电价是整个市场的核心，如何准确地进行电价预测和制定合理的报价策略 具有很重要的意义。电价的波动影响到各种资源在电力市场中的流动和分配。所以电价预测和制定 合理的报价策略对于市场中的各个参与者都具有重要意义。具体上讲，长期电价预测有助于市场监 管者制定政策，也有助于发电侧、电网侧进行长期的投资规划；而短期的电价预测是发电侧、电网侧 进行“竞价上网”最有力的“武器”。当前电力市场的研究主要集中在发电侧，而对电网侧报价行为 研究很少。 由于电力市场开展时间短，且电价波动的影响因素多，所以电力市场条件下的电价预测是一个 崭新的课题。电力作为一种商品，既具有一般商品的交换的特征，也具有其自身的特点。一般特征 表现为价格围绕价值上下波动是受供求关系的影响。对发电侧而言，发电成本加社会平均利润是电 能的价值。当供大于求时，发电侧报价将在边际价格和价值之间选择，获得的利润不足以补偿投资。 而当供小于求时，发电侧将获得超过价值的超额利润，除补偿投资外还有剩余。对电网侧而言 电力商品具有的特点表现为具有规模经济的特点和不可间断性。需求弹性小，保持一定的供需 比例是至关重要的。电能作为生活的必需品，电价应保持一定的稳定性，从而要求电力市场保持一 定的稳定性，供需比相对稳定，文献【3 】对此作了较详尽的论述。 3 东南大学工程硕士学位论文 报价策略研究的意义主要有以下几点： a 促使电力企业加强内部成本管理，提高市场竞争力 电力企业要在竞争中保持优势，首先应具备合理的报价成本，电力企业的运行与维修费用在整 个成本中占有较大的比重。如果企业降低了运行与维修费用，这就意味着企业具有相对较低的成本， 与此同时，科学的电网规划、适度的电网投资也意味着企业具有相对较低的成本，这也意味着在同 等条件下该企业比其它竞争主体更具有优势。因此企业加强内部成本管理是实现成功报价的基本条 件。 b 边际电价是联系发电侧、市场监管者、电网侧的经济纽带，而且是关系到发电侧、电网侧经 济利益的重要因子。 从发电侧来看，短期边际电价是它的产品价格，其利润依赖于成功的报价策略，而报价策略形 成的基础是准确把握短期市场的走向，把握市场的走向则需要对短期边际电价进行准确预测。在竞 争性环境中，如果能够较准确地预测次日的市场清算电价，将有助于发电企业掌握市场先机，从而 构造最优的电量、电价投标策略，以获取最大利润。 从电网侧来看，系统边际结算电价构成了它的单位购电成本，是企业实现利润最大化的基础， 边际电价的预测使自身的动态成本控制成高可能。在目前用电侧尚未开放的情况下，通过对系统边 际结算电价的预测，综合考虑电能的分配，引导用户根据自身用电情况以及预测时段电价的高低转 移用电时间，加强对需求侧的管理。 从市场监管者来看，边际电价的预测可以使市场健康、稳定、有序地竞争和发展以及为各种电 价政策的制定提供科学依据。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，及时向政俯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) ；监管市 场参与者的市场竞争行为，防止具有市场操纵力的电力企业龚断或操纵电价，维护电力消费者的利 益以及电力市场竞争的公开、公平、公正。 综上所述，如何开展边际电价预测以及如何提高边际电价预测的精度是至关重要的，而预测效 果对报价策略有直接影响。 c 为电力企业规避风险、占有市场，实现利润最大化提供技术支持 由于电力市场天然的市场结构的缺陷，使得参与竞价的电力企业有机会利用策略性的竞价来实 现企业利润最大化的目标。在每次的竞价中，企业总要面临利益与风险、得与失的考险。因此如何 准确把握市场规律，最大程度地规避风险，成为目前参与竞价的电力企业迫切需要研究的决策问题。 通过建立合适的模型及相应的软件系统来对边际电价进行综合分析，并结合其特殊规律性，形 成自动边际电价预报算法，它可以帮助报价人员进行预报。 1 2 2 国内外研究现状 目前各国学者提山了各种方法来进行电价的预测，主要有两大类：模拟法和数学分析法。 模拟法 所谓模拟法4 卅，即数学仿真的方法，就是通过程序模拟整个系统的实际运行状况。目前发展较为 4 第一章绪论 成熟的电力系统随机生产模拟即是模拟生产情况，计算出电量、生产成本及系统的可靠性指标。但 该方法在电网规模较大、接线较复杂的情况下，仿真法所需的数据非常多，要全面准确地获取这些 数据是非常困难的，故采用典型数据替代，使得预测精度不高，另外负荷对电价的响应，在目前建 立精确的数学模型也是较困难的，因此很难将仿真法应用于实际的电价预测。 数学分析法 数学分析法即基于历史数据的数学处理方法，一般是事先设定一个数学模型，利用各个数据确 定各个参数建立_ _ 个前向的曲线，然后再预测未来的数值。目前主要有时间序列法、多元回归法及 及神经网络法等。 a 时间序列法 由于每天各时段的电价构成了一个时间序列，一个自然的想法就是用时间序列的处理方法对未 来电价做出预测7 10 1 。基本的时间序列模型有线性时序模型包括白回o q ( a r ) 模型、移动平均( m a ) 模 型以及自回归移动平均模型( a r m a ) ；而非线性时序模型有门限自回归( 木s e t a r ) 模型和双线性时序 模型。目前应用较为广泛的线性白回归模型即是线性回归模型与移动平均模型的结合体。 时间序列法的优点是简单易行，但经深入分析后发现，这个适用于负荷预测的方法并不适用于 电价预测。时间序列模型对样本具有很强的依赖性，且易对样本中的偶然因素与长期因素不加分辨， 使模型在样本外的预测失灵。而时间序列法所需的全部信息来自预测变量本身的历史数据，不需要 其他输入信息，单纯用历史电价数据挖掘出的规律来预测未来电价，其精度值得怀疑。更何况预测 负荷是影响电价走势最重要的因素之一，缺乏预测负荷输入变量的电价预测精度是难以保证的；同 时还存在预测的步长越长，精度就越差的弱点。 b 基于结构型计量学的方法 结构计量学模型主要是通过被预测对象与其影响因素之间的关系方程来建立预测模型。最常见 的是多元回归模型【1 1 】即是根据历史数据的变化规律，寻找自变量与因变量之间的关系方程式，确定 模型参数，据此做出预测。按自变量的个数可将回归问题分为一元和多元回归；按照回归方程的类 型可分为线性回归和非线性回归。 此外有的学者还提出了电价预测的三时点模型【1 2 】，其由需求方程、供给方程和平衡方程三部分 组成，能够较全面地考虑影响电价的各个相关因素。该模型原理简单明确，计算过程简单，且需求 量不出现在联立求解后的预测公式中，因此还将解决需求不可测的问题。但其计算时点的选择是影 响预测精度的关键因素，如果选择不恰当可能预测结果误差较大。 总的来讲，基于结构型计量学的预测方法应用的难点还在于如何找到真正影响电价的相关因素， 而有些很重要的相关因素难以量化，如报价策略等。 c 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) ，是对人脑若干基本特征的抽象和模拟。人工神经网络模 型按己发生的事件积累经验，根据学习规则不断修改模型的网络连接权值，最终实现对目标进行正 确计算、识别和预测等。人工神经网络以其对大量非结构性、非精确性规律具有白适应、信息记忆、 自主学习、知识推理和优化计算的特点，被广泛地用来进行电价预测。 5 东南大学工程硕士学位论文 在人工神经网络中，反向传播算法( b a c kp r o p a g a t i o na l g o r i t h m ，简称b p ) 是训练人工神经网络的 基本方法，现已得到广泛的应用。目前已有较多学者将b p 网络应用于电价预测【1 3 1 6 1 。 由人工神经元相互连接而成的网络模块。通常采用三层前馈b p 方法，即误差逆传播学习方法， 是一种典型的误差修正方法。 为了提高精度一些学者还提出了将神经网络与其它理论结合的方法【1 7 - 1 9 】。将模糊理论和神经网 络理论相结合的模糊神经网络具有接收和处理模糊数据、自适应地以任意精度逼近映射函数、不要 求明确的数学描述等优点。将其应用于电价预测也能使精度提高。 目前进行策略性竞价主要有以下四种方法： a 基于估计其他竞争对手的竞价行为的方法。该方法利用历史数据估计其他发电公司和购电公 司的成本信息，或者更确切地说，估计其他公司的供给函数，用预测的需求曲线与总供给曲线相交， 求取平衡点，在此基础上为本公司确定投标策略。但由于电力市场的投标是一个多变的行为，通过 观测市场的投标模式和价格可以发现各公司都在不断学习和尝试新的策略，因此这种静态的寻求平 衡点的方法在实际应用中有其局限性。 b 基于博弈论的策略性竞价方法。博弈论是系统研究各种博弈问题，寻求在博弈方具有充分或 者有限理性、能力的条件下，合理的策略选择和合理选择时博弈的结果，并分析这些结果的经济意 义、效率意义的理论和方法【20 1 。在电力市场报价决策中，发电商和购电商会有意或无意地运用博弈 方法对市场进行操纵和控制。博弈论大体分为两类。第一类是基于博弈矩阵模型，通过构造和发电 公司和购电公司采用不同的策略组合时的收益矩阵，找到一个平衡的投标策略组合。现有文献大多 采用二三家发电公司予以定性说明，提出的模型很难直接推广到多家。当发电公司很多，而且各发 电公司可将其电量分为多段，对每一段电量采取不同的策略组合时，构造收益矩阵和求取平衡点极 为困难。第2 类是基于寡头博弈模型，这类模型由于在应用时做了很多简化假设，并不适合构造投 标策略。 c 动态规划法。动态规划是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法。动态规划法的主要不 足是“维数灾”问题，尤其对于随机模型，“维数灾”的问题更加突出，通常采用的主要措施有：限 制各时段的状态数，限制各时段的转移路径数，简化成本特性，在启动每一时段的可行状态及可行 转移路径时用最小容许运行时间进行限制。因此简化求解动态随机系统的马尔可夫决策规划，即根 据边际电价预测值的概率修正值，将随机性模型转化为确定性模型。 d 序优化法。序优化法可以用来解决某些含有大量随机性决策优化问题的算法。用序优化法解 决问题主要有以下三个步骤： 第一步：从总的决策空间中按机会均等的原则选出n 个决策，组成样本空间。 第二步：利用特定的选择规则，从n 个决策中选出一个子决策集s 。子决策集的大小应大到至 少有一个“足够好”的决策以高的概率存在于选出的子决策集中。 第三步：对选出的子集s 中的每个解进行定量评估，从中选出最好的解。 序优化法存在算法复杂、计算工作量大、耗时久的缺点。 6 第一章绪论 1 3 论文研究的内容及主要工作 1 3 1 研究内容 本文着重研究电力系统短期电价预测和电网侧报价策略。目前大部分电力市场都是以市场出清 电价或边际电价进行结算的，如美国的新英格兰电力市场、我国的浙江电力市场等。根据系统边际 电价预测的结果，再结合电网侧实时成本分析，给出电网侧报价策略，为电网侧参与市场竞价提供 技术支持。 1 3 2 主要工作 本文以电力系统短期电价预测模型和电网侧报价为题，进行以下的研究工作： 系统边际电价的预测模型及方法 从微观经济学的角度分析了影响系统边际电价的主要因素，结合目前几个典型电力市场的现状， 根据历史数据及其它市场信息建立人工神经网络模型来预测系统边际电价。通过系统仿真实验，发 现b p 能较好地映射边际电价与其影响因素之间的非线性关系，取得了令人满意的结果。 报价策略模型及算法 本文在多种模型算法的基础上，从实用性和可行性的角度出发，结合电网侧( 购电商) 企业报价的 实际过程，基于估计下一交易时段的报价策略，提出了基于遗传算法的最优报价策略模型。该模型 算法克服了用动态规划算法存在“维数灾”，用序优化法存在算法复杂、计算工作量大、耗时久，用 博弈论方法存在应用局限性等问题针对电力市场的特点，结合报价人员的人工经验与较准确的次日 边际电价的预测值，改进了遗传算法，并针对电网侧( 购电商) 企业形成了多种类型的报价策略，用实 证充分验证了设计的遗传算法的有效性。 系统开发手段 在目前的软件中，m a t l a b 具有前大的运算功能，其中含有已经比较完善的神经网络的工具箱。 因此，使用m a t l a b 这个软件来进行编程，可以在比较高的效率的基础上来实现电价预测的可能性， 可以使我将比较多的精力放在算法和预测电价的思路上。因此，系统得开发手段是以m a t l a b 软件 为主要手段的。 7 东南大学硕士学位论文 第二章电价及电价预测 2 1 均衡论与电力市场 2 1 1 均衡的含义 在西方经济学中，均衡是一个被广泛运用的重要的概念。均衡的最一般的意义是指经济事物中 有关的变量在一定条件下的相互作用所达到的一种相对静止的状态。经济事物之所以能够处于这样 一种静止状态，是由于在这样的状态中有关该经济事物的各参与者的力量能够相互制约和相互抵消， 也由于在这样的状态中有关该经济事物的各方面的愿望都能得到满足，正因为如此，西方经济学家 认为，经济学的研究往往在于寻找在一定条件下经济事物的变化最终趋于静止之点的均衡状态。 均衡论分为局部均衡论和一般均衡论。一般均衡论是将相互联系的各个市场看成一个整体来加 以研究。因此，在一般均衡论中，每一商品的需求和供给不仅取决于该商品的价格，也取决于其它 商品( 如替代品和补充品) 的价格。每一商品的价格都不能单独地决定，而必须和其他商品价格联 合着决定。当整个经济的价格体系恰好使所有的商品都供求相等时，市场就达到了一般均衡【2 1 1 。 局部均衡论分析研究的是单个( 产品或要素) 市场；其方法是把考虑的某个市场从相互联系的构 成整个经济体系的市场中“取出”来单独加以研究。在这种研究中，该商品的需求和供给仅仅被看 成是其本身价格的函数，其它商品的价格被假定为不变，而这些不变的价格的高低只影响所研究商 品的供求曲线的位置；所得到的结论是，该市场的需求和供给曲线共同决定了市场的均衡价格和均衡 数量。 2 1 2 均衡价格的决定 在西方经济学中，一种商品的价格是指该种商品的市场需求量和市场供给量相等时候的价格。 在均衡价格下的相等的供求数量被称为均衡数量。从几何意义上说，一种商品的均衡出现在该商品 的市场需求曲线和市场供给曲线的交叉点上，该交点被称为均衡点。均衡点上的价格和相等的供求 量分别被称均衡价格和均衡数量。市场上需求量和供给量相等的状态，也被称为市场出清的状态。 市场启动时，如果现行价格为均衡价格，使得市场都达到供求致，则在这种情况下，实际的价 格体系当然就处于一般均衡状态上不再变化。但是如果现行价格并不等于均衡值，这时，麻烦就可 能出现g 实际的交易可能会发生在“错误”的价格水平上。交易者并不知道均衡价格在什么水平上： 或者，他们可以通过价格的不断调整来确定均衡状态，但这种调整过程也许需要很长时间，在其完 成之前不能保证发生交易。 为避免上述困难，假定在市场上存在一位“拍卖人”。该拍卖人的任务是寻求并能使市场供求一 致的均衡价格。他寻找均衡价格的方法如下：首先，他随意报出一组价格，发电商和购电商根据该 r 第二章电价及电价预测 价格申报自已的需求和供给。如果所有市场供求均一致，则他就将该组价格固定下来，发电商和供 电商就在此组价格上成交；如果供求不一致，则发电商和供电商可以抽回自已的申报，而不必在错误 的价格上进行交易。拍卖者则修正自己的价格，报出另一组价格。改变价格的具体做法是：当某个 市场的需求大于供给时，就提高价格，反之，则降低其价格。这就保证新的价格比原来的价格更接 近于均衡价格。如果新的价格仍然不是均衡价格，则重复上述过程，直到找到均衡价格。这就是达 到均衡的所谓“试探过程”。 2 1 3 均衡论与电力市场 一般均衡的“试探过程”类似于电力市场的模拟阶段。 在电力市场条件下，电力作为商品，既有它的一般商品属性，又有它的特殊性和公用性。作为 一般商品属性，电力在市场中必然与其它商品一样，要服从价值规律，按照等价交换的原则，公平、 公正地进行。商品价值是商品的社会属性，是商品生产的特有经济关系的反映。商品价值实体，即 凝结在商品上的那种必须在交换中取得补偿的人类的抽象劳动，并不能用自然科学的方法在商品上 找到，而只能通过市场规律，在交换中由商品的价格表现出来。可以说，均衡价格就比较合理地体 现商品的价值。这是因为，均衡价格既包含了物质、资金投入的成本计算，也包含了劳动者所创造 的价值，还包含了与同类商品或与其他行业商品的比较成本2 2 】。发电侧和购电侧的均衡具体体现在 以下几方面。 发电商和购电商的市场集中度。从发电侧来讲，作为发电商的发电设备的投资大，风险高，建 设周期长，且难以转产或迁出：这些天然的行业壁垒决定了电力市场的发电商不可能像一般商品市场 那样岁1 2 】从购电侧来讲，输电系统所固有的自然垄断性并没有因电力工业化而改变，无论从地理、 经济及技术的角度看都是如此。从地理上讲，建造多套输电系统受到社会和环境的制约，是不现实 的。从经济的角度看，输电系统的投资和运作方面存在着巨大的规模经济特性，单套输电系统在经 济上优于总容量相同的多套输电系统。从技术方面看，输电系统的运行和控制必须由中央集中协调 管理。至于配电系统，虽然从经济和技术上看，并不具备自然垄断性，但由于地理限制，其在供电 范围内也是自然垄断的。【2 3 1 输配电系统所固有的自然垄断性决定了一个局部地区只有一个输配电公 司。 发电侧容量和购电侧的负荷的均衡。从购电商而言，总希望备用容量越多越好，竞得较低的电 价。事实上，电力市场中除了交易市场外，还存在着投资市场。交易市场竞价的结果会直接影响到 各发电商的利润和资本积累，进而影响对发电设备投资或退役的决策，影响到投资市场的投资行为。 与此同时，发电设备的维护费用比一般商品高得多，即使维持冷备用状态，代价也不小，更不用说 热备用了，因此，购电侧的负荷和发电侧的容量保持一定的比例是必要的。当系统的负荷( 或用电 量) 处于高峰时，系统的备用容量较小，此时电力市场中的市场出清价较高，系统中的购电方可能 面临较大的金融风险：而当系统的负荷( 或用电量) 处于低谷时系统的备用容量较大，此时电力市场 中的市场出清价往往较低，系统中的售电方( 发电公司) 可能面临较大的金融风险。根据以往的经 验，一般比例为0 6 ，此时电力市场相对均衡，电价相对稳定。单靠市场的自发调节是否能维持电力 q 东南大学硕士学位论文 市场的稳定有待进一步研究。 2 2 电力市场的特点 2 2 1 电力产业的主要特点 a 电无法储存，更确切地说无法经济地储存。蓄电池技术还没有先进到能让我们在需求低谷时 购进电力，囤积居奇、待价而沽。【2 4 】 b 电力沿电阻最小的路径传输。电阻低意味着容易传输，电阻高意味着难以传输。因此在电网 中，电力更倾向于沿着直径粗即电阻较低的线路传输。事实上无法命令电力沿指定的路径传输一它 流向何处完全遵从于物理规律。这意味着不存在所谓规定的供电路径，最终用户只不过接受恰好流 经的电力。调度的奥妙在于安排发电出力大小及其网络布局，使电力“选择性”地流向需要的有用户。 c 电力在网上的传输受到一系列复杂物理效应的制约，系统某一部分发生的响应很快波及到较 远的地方，很多因素都可能使电网失稳。 d 电以光速传输，输出和使用必须时刻保持完全平衡。它通过一个不稳定而有交叉影响的输电 网络传输，当合上电闸时，电力在毫秒的瞬间供给使用，同时某处的发电厂也必会有相应的反映， 输电网络必须由系统运行调度机构毫不懈怠地随时控制着，稍不留神就会招致整个区域的停电事故。 2 2 2 适合引入竞争的环节 发电是最适合引入竞争的环节。传统的规模效益论点已不再适用；由于信息技术的发展，发电 和输电之间的协调很大程度上解决了，从而使发电环节的竞争成为可能。 零售环节从购买、定价和销售的角度来说，也是可以引入竞争的。但在计量、记账和收费等方 面，由于必须考虑电力的特殊性，因此还存在争论。 系统运行调度环节不可能引入竞争一每个系统只能有一个系统运彳j 调度机构。 输电网具有自然垄断性。除了某些个别情况，例如某个投资者在哇。网未端出资建设一条孤立的 线路，并藉此收费。这并不是真正的输电领域的竞争，而只是在建设哇网附属设施上的竞争。 配电环节尽管存在对同一地区经营权的竞争，但仍被普遍认为具苇。自然垄断性。这实际是地区 特许经营权的竞争，忽略对某一新地区特许经营权的竞争这个问题，币将配电视为自然垄断。 系统运行调度、输电和配电仍需保持垄断，仍需要对这三个环节实行监管。 重点应解决以下三个问题： 应尽可能消除竞争性实体( 发电商和零售商) 和基础设施提供者( 输库、系统运行调度、配电) 之间 的任何利益冲突。 应确保竞争性实体和基础设施提供者之间的相互协调。 应确保通过真正的市场机制决定市场价格，以取代原有的管制定价。 1 0 第二章电价及电价预测 2 2 3 电力交易 为了准确地预测未来每一时刻、每一地点的电价，必须建立计算机模型，并搜集诸如水情、电 厂及输电设施的检修计划、燃料价格、以及需求变化等。与可存储的产品相比，电力交易场所的效 率和透明性较差。 电网侧竞价的前提一销售电价联动机制及其调整。随着电力市场的逐步发展，独立的输、配电 价形成，用电侧市场开放，电力零售商具有自主定价权，销售电价与上网电价的联动机制将具有多 样性。零售商可以每天根据上网竞价水平，市场供需状况，以及自身销售服务成本及时测算销售电 价水平，每天向用户更新销售电价信息。在国外用户侧开放的电力市场中，零售商向用户提供多种 形式的电价联动方案，如用户的电价直接与上网电价实时联动，一定电价范围内销售电价与上网电 价的联动，一定时期内( 年、季度) 销售电价不变等。用户可以自由选择联动方案，选择不联动则 电价相对稳定，选择联动则风险和收益共享。同样，对于零售商也是风险和收益共存。 2 3 电力市场条件下的电价 2 3 1 电价的制定 电价的制定原则是否合理是影响电力改革成败的关键因素之一，现今各国在电价制定中都能共 同遵循一些基本原1 则2 5 之6 】：成本补偿原则，电价能够补偿合理的成本支出；合理报酬原则，电 价能够让股东有合理回报；公平负担原则，用户负担的电价应是成本加利润，尽量避免交叉补贴。 但由于各国在电力工业发展的不同阶段，电价制定的原则有所不同，对正在发展中的电力市场，电 价的制定原则要与改革的首要目标相一致，电价水平要使股东有合理的回报，能够吸引投资，加快 电力建设；对于成熟的电力市场，电价的制定要有利于提高效率，让用户分享提高效率的成果。我 国电力法第三十六条规定：“制定电价，应合理补偿成本，合理确定收益，依法计入税金，坚持公平 负担，促进电力建设”。 2 3 2 影响电价的因素 在电力市场中电能作为买卖双方交易的商品，其商品的价值规律是由商品价值的货币表现形式 一系统边际电价来体现的。对发电企业来说，边际电价产品价格；对电网经营企业来说，边际电价 是其购电成本。在完善的市场结构条件下，市场价格的形成是在产品的供给与需求相互作用条件下， 产生的一种动态均衡过程。影响电价的因素很多，可以分为客观因素和主观因素。 客观因素主要包括以下几个方面： 发电容量和负荷的变化( 供需关系) 引起电价的变化 发电成本和电引起电价的变化。引起发电成本的主要因素有：机组耗热曲线及其微增率、燃 料价格、维护费用，发电容量限制、电力发展费用、网损及其微增率、网络维护费用、网络容量限 制、网络发展费用及其它成本； 1 1 东南大学硕士学位论文 历史电价。前后时段的电价具有较强的相关性，尤其是前几个时段的电价和历史日中同一时 刻的电价。电价预测正是利用这种电价间的联系进行电价预测，时间序列法和神经网络法均将历史 电价作为重要因素。 外部的经济环境( 包括国民经济增长状况、国家财政金融状况、物价指数、折现率以及贷款利 率、汇率等) 以及国家宏观调控政策都会影响电价。 从主观上看，电力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 电能力和报过高电价) ，导致电价高于正常竞争价格，甚至电价出现飞升【2 7 1 。主要表现方式有以下几 种： 对容量进行直接持留，减少市场可用容量供应，以抬高价格，获得较高利润； 厂商报高价，持留电量，减少发电，以获得较高利润； 制造堵塞，借助网约束，持留电量，以获得较高利润； 将高质量的电持留成低质量的电，对质量持留。 2 4 电价预测 电价预测就是在一些已知信息的基础上，利用数学工具对未来电力市场中的电力交易价格进行 预测。 2 4 1 电价预测的特点 电价的预测是一件很困难的事，因为要预测的电价不仅与历史数据有关，而且许多其它的因素 也会对电价产生影响，特别是一些不确定因素的影响使得提高预测精度更加困难。 2 4 2 电价预测的分类 根据不同的分类标准，电价预测有不同的分类方法。有如下几种分类： 按时间分类 按时间分类电价预测可分为提前一小时预测，提前一天预测，提前一周预测，提前一月预测， 以及季度趋势预测和长期电价预测等。短期电价预测主要帮助发电商和购电商进行报价策略，是发 电商和购电商进行竞价的重要基础。准确的短期电价预测有助于减少由对售电收入估计的偏差所带 来的风险，可以提供更好的风险管理，同时短期电价预测对电力需求侧的研究有一定的作用。目前 较多文献都是针对短期电价的预测。中长期的电价预测通常用来进行系统投资和规划。不论是短期 还是长期电价预测，预测的结果越准确就越能使市场参与者在竞争多变的环境下做出更加明智的商 业决策。 按预测内容分类 电价预测的内容随不同的市场模式而不同 1 2 第二章电价及电价预测 按特性分类 按特性分类电价预测可分为最高电价、最低电价、平均电价、边际电价( 清算电价) 等等电价 性能指标的预测。 1 3 东南大学硕士学位论文 第三章人工神经网络 市场出清电价( m c p - - m a r k e tc l e a r i n gp r i c e ) 预测的准确程度是影响竞价决策的一个关键因素， 在尚无可借鉴经验的情况下，在分析边际电价变化趋势的基础上，借鉴股市分析的一些手段，可构 建自已的分析工具。因为两者有一些相通性：电力市场和股票市场都具有很大的不可知性和受投机 心理的影响等共性。但电力市场边际电价也有自已的一些规律性的东西，如会随着总发电容量和负 荷的变化而变化，与季节的变化也有关系，全天低谷时段变化比较平稳，高峰时段变化相对剧烈等。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln