（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下的发电商策略与风险.pdf

浙江大学博士学位论文 a bs t r a c t s i n c ec h i l eb e c a m et h ef i r s tc o u n t r yd e r e g u l a t i n gi t se l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi n19 8 3 ，t h ew o r l d w i d e e l e c t r i c i t ym a r k e tr e f o r mh a st a k e np l a c ef o ra l m o s tt w e n t y f i v ey e a r s m o s tp o w e ri n d u s t r i e si nt h ew o r l d s t a r t e dt h e i rr e f o r m sf r o mt h ed e r e g u l a t i o no ft h es u p p l ys i d e t h e r e f o r e ，g e n e r a t i o nc o m p a n i e su s u a l l y b e c a m et h ef i r s t g r o u po fe n t i t i e s w h om a n a g et h e i ro p e r a t i o n ，a c c o u n t i n ga n d d e c i s i o n - m a k i n g i n d e p e n d e n t l y i n i t i a l l yg e n e r a t i o nc o m p a n i e s o b j e c t i v ei so n l yt om a x i m i z et h e i rp r o f i t ，h o w e v e r t h ec r i s i s o 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 n2 0 0 0a n d2 0 01a r o u s eg r e a ta t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mo fr i s km a n a g e m e n t f o re l e c t r i cp o w e rc o r p o r a t i o n s a f t e ri n t r o d u c i n gt h er i s km a n a g e m e n t ，t h ed e c i s i o n - m a k i n go fg e n e r a t i o nc o m p a n i e ss h i f t sf r o ma s i n g l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nt oab i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n t h ef i r s to b j e c t i v ei sm a x i m i z i n ge x p e c t e d p r o f i tw h i l et h es e c o n do b j e c t i v ei sm i n i m i z i n gt h ea s s o c i a t e dr i s k s t h es o l u t i o no fab i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o ni sac u r v e ，n a m e l yt h ep a r e t of r o n t i e ro nat w o - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e si fr e g a r d i n gt h et w o o b j e c t i v e sa st h et w oa x e s t h el o c a t i o no ft h es o l u t i o no nt h ef r o n t i e rt h e r e f o r ed e p e n d so nt h et r a d e - o f f b e t w e e nt h et w oo b j e c t i v e s ，t h er e t u r na n dt h er i s k ，i no t h e rw o r d s ，d e p e n d so nr i s ka v e r s i o nd e g r e eo f g e n e r a t i n gc o m p a n i e s t h es e c o n dc h a p t e rc o n s t r u c t sam o d e lf o rt h i sp r o b l e mb yi n t r o d u c i n gt h em e t h o d s i nf i n a n c i a lt h e o r y t h em o d e li nt h es e c o n dc h a p t e rh a saf o u n db a s i sa n df a s tc o m p u t a t i o ns p e e d ，b u ti ta l s oh a ss e v e r a l l i m i t a t i o n s t h ef i s ti st h ed i f f i c u l t yi nd e c i d i n gt h er i s ka v e r s i o nd e g r e e t h es e c o n dl i m i t a t i o ni st h e n e g l e c t i n go fs e v e r a li m p o r t a n tt e c h n i c a la n di n s t i t u t i o n a lc o n s t r a i n t si np o w e ri n d u s t r y , w h i c hc o u l dm a k e t h em o d e ls o l u t i o nu n a c h i e v a b l ei np r a c t i c e i nr e s p o n s et ot h e s el i m i t a t i o n s ，a ne f f i c i e n tf r o n t i e rm o d e lw i t h t h ep r a c t i c a lc o n s t r a i n t si n t e g r a t e dh a sb e e np r o p o s e di nc h a p t e rt h r e e t h ed e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s so fg e n e r a t i n gc o m p a n i e sc a nb ed i v i d e di nt h r e es t a g e s ，t h es t r a t e g i c i n v e s t m e n td e c i s i o n ，t h em u l t i - t r a d i n gd e c i s i o na n dt h es t r a t e g i cb i d d i n gd e c i s i o n i nt h i sa s p e c t ，c h a p t e r2 a n dc h a p t e r3f o c u so nt h em u l t i t r a d i n gd e c i s i o n , w h i l ec h a p t e r4a n dc h a p t e r5c o n d u c tt h es t r a t e g i c b i d d i n g d e c i s i o na n di n v e s t m e n td e c i s i o n , r e s p e c t i v e l y f o rt h es t r a t e g i c b i d d i n gd e c i s i o n , d i f f e r e n t c l e a r i n g d i s p a t c hm o d e sa n dp r i c e - s e t t i n gm e t h o d sw i l ld i r e c t l ya f f e c t sg e n e r a t i n gc o m p a n i e s r e t u r n sa n d r i s k s ，a n dt h e r e f o r et h eo p t i m a ls t r a t e g i e s c h a p t e r4f o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft h ep r i c e - s e t t i n gp r o b l e m w h e nd u a lp r o g r a m m i n gh a sm u l t i p l es o l u t i o n s f o rt h es t r a t e g i ci n v e s t m e n td e c i s i o n , i tn o to n l yd e p e n d s o nt h es p o tm a r k e tr u l e s ，b u ta l s od e p e n d so nt h ei n s t a l l e dc a p a c i t yt r a d i n gr u l e s c h a p t e r5c o n d u c t sa w o r l d w i d es u m m a r ya n dd i s c u s s i o nf o rt h el o n g - t e r mr e c o u r s ea d e q u a c ye n s u r i n gm e t h o d s t h er e g u l a t i o nf a c t o rh a sn o tb e e nn o r m a t i v e l yi n c o r p o r a t e di nt h em o d e l sa n da n a l y s i si nt h ea b o v e f o u rc h a p t e r s h o w e v e lt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t si nt h ew o r l da l m o s ta l lh a v ec e r t a i np a t t e r n so fr e g u l a t i o n t h er e a s o ni se l e c t r i c i t ym a r k e ti sc l o s et oa no l i g o p o l yt y p eo fm a r k e t s b e c a u s eo ft h em a r k e tp o w e ri n s o m eo ft h el a r g ep a r t i c i p a n t s ，t h e yh a v es t r o n gm o t i v a t i o nt oe x c i s et h e i rm a r k e tp o w e ra n da f f e c tt h e e q u i l i b r i u mp r i c e ，i no r d e rt og e tah i g h e rt h a nc o m p e t i t i v ep r o f i t t h ei n c e n t i v e so fe x c i s i n gm a r k e tp o w e r w i l lb es t r e n g t h e n e db ys o m eo t h e rt e c h n i c a lf e a t u r e ss u c ha si n a d e q u a t ed e m a n d s i d er e s p o n s e t h e r e f o r e ， r e g u l a t i o nm e a s u r e sw i l lb eh e l p f u lf o rt h eo p e r a t i o ns t a b i l i t ya n dr i s k - r e d u c t i o no fe l e c t r i c i t ym a r k e t s ， a l t h o u g ht h e yi n t e r f e r ew i t ht h en a t u r a ls u p p l y d e m a n de q u i l i b r i u mm o r eo rl e s s c h a p t e r6d i s c u s s e st h e m a r k e tp o w e rm i t i g a t i o nm e c h a n i s mi nn o r t ha m e r i c a , w h i c hi n c l u d e st h ed e t e c t i o na n dc o n t r o lf o rm a r k e t s t r u c t u r e ，p a r t i c i p a n tb e h a v i o ra n di t sp o s s i b l ee f f e c t s k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a k e t ，r i s km a n a g e m e n t ，m u l t i - t r a d i n gs t r a t e g y , e f f i c i e n tf r o n t i e r , m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ，m a r k e tp o w e rm i t i g a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：冯冬涵 签字日期： z 0 0 3 年月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸望盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 马冬涵 签字日期：加。万年6 月口日 导师签名：付毖弓冬 签字日期：p 莎年6 月乃日 l ， 浙江大学博士学位论文 致谢 本文是在我的导师甘德强教授，香港大学电机及电子工程学系钟金老师和清华大学 电机系倪以信教授的悉心指导下完成的。 甘老师严谨的治学态度，勤奋的敬业精神，精深广博的学术造诣，敏锐的学术智慧， 平易近人的工作作风以及对科学永无止境的追求深深地影响着我，感染着我。我在博士 期间的研究方向是由甘老师一手制定的。从甘老师那里，我学会了如何治学，如何做人， 甘老师使我爱上了学术研究，引领我进入了璀璨神奇的学术研究殿堂。在博士期间，甘 老师不仅亲自指导我进行学术研究和论文写作，还为我提供了许多学术交流机会，在清 华大学深圳研究生院和香港大学电机及电子工程学系的经历都成为了我的宝贵财富。甘 老师对我的指导、帮助和关心难以一一言表，在此谨向导师致以最诚挚的感谢，祝愿甘 老师身体健康、桃李满天下! 我的博士生阶段大约有2 年半的时间是在清华大学深圳研究生院的电力系统国家重 点实验室和香港大学电机及电子工程学系度过的。在此期间，钟金老师和倪以信老师给 了我很大的帮助。非常有幸能在她们的指导下开展研究，我的许多成果都是在钟老师和 倪老师的悉心指导下取得的。衷心感谢钟金老师和倪以信老师! 我还要感谢浙江大学的曹一家教授和黄民翔教授，曹老师和黄老师不仅在学习和研 究工作上给了我非常有益的指导，也点亮了我人生的方向。还要特别感谢香港大学吴复 立教授对我研究工作的启迪。感谢清华大学深圳研究生院的徐政老师和赵玮老师对我生 活的关心和帮助。 感谢浙江大学实验室的全体同学，清华大学深圳研究生院电力系统国家重点实验室 的全体同学，香港大学电机及电子工程学系电能系统中心的全体同学和同事。我们一起 探讨学术问题，交流生活感悟，一起出游，一起运动，一起面对困难，一起分享成功的 喜悦，感谢你们，是你们让我拥有了一段欢乐、温暖、难忘的时光! 在博士阶段，浙江大学、清华大学和香港大学还有许多关心和帮助过我的老师、同 学和朋友。由于篇幅所限，未能一一提及，在此只能一并向你们致以最诚挚的谢意! 感谢我最深爱的父母长期以来对我的学业的支持和鼓励! 感谢所有关心过我、帮助过我的人! 冯冬涵 2 0 0 8 年3 月于求是园 第一章绪论 本章阐述了电力市场环境下发电商策略课题的背景和研究意义然后对电力市场环境下发电商 策略的研究现状从交易品种、数据来源、模型分类等角度作了全面的综述在此基础上，提出了研 究计划和展望最后，简要阐述了论文的主要创新点，并对各章节的安排作了概括 1 1 选题的背景和研究意义 从1 9 8 3 年智利电力市场的改革算起，电力市场改革运动已经开展了2 5 年。在世界 各国，电力市场改革大多始于对发电侧的放松管制，因此发电商通常率先成为独立决策、 经营和核算的市场主体【l 】- 【4 】。在市场化改革之后，发电商被赋予权力，也拥有动力分 析和制定各种策略，以便提高收益，降低风险【5 】。这些决策至少包括投标策略 6 1 - 1 2 1 ， 投资策略 1 3 卜 1 6 1 ，以及组合交易策略 1 7 1 - 3 8 1 。从时序角度，发电商首先要选择在哪里 投资建厂，投资多少，建什么样的，多大的电厂等。然后，当电厂建成以后，发电商的 电厂类型、成本曲线类型、装机容量等指标都已固定，其所面临的问题就变成通过电力 市场提供的哪些交易品种交易，每个交易品种投入多少发电量。之后，发电商的问题就 变成了在每个子市场选择报价策略，使自己的利润最大化。这就是发电商所面对的“三 步曲”，在数学上，对应三个优化问题，分别为投资决策、组合交易决策略和竞价决策。 对于投资决策问题和竞价决策问题，国内外已经有了许多研究和成果。但是，目前对于 组合交易问题的研究还比较少，且都集中在市场分配，但是，发电商这一阶段的策略不 仅包括在各市场的分配，还牵涉到发电商资产在同一市场，不同交易产品之间的分配， 比如双向差价合同和单向差价合同之间的分配。也正是因为这个原因，笔者更愿意称这 个阶段的问题为“组合交易”而不是“市场分配”。 传统的发电商决策研究只考虑利润，而没有考虑风险。在传统模型下，发电商只需 预测各个子市场和各个交易品种的预期收益，选择其中收益率最高的交易品种投入全部 发电量，就可以获得最大的期望收益。因此，在传统模型下，发电商的最优策略是选择 单一的交易品种，并不需要复杂的组合交易模型。但是，随着风险问题的凸现( 最具代 表性的例子是加州电力市场危机中，太平洋电力公司由于缺乏有效的风险管理机制而在 剧烈波动的批发侧电价影响下破产) ，电力企业( 包括发电商和购电商) 越来越意识到风 险管理的重要。 电能由于其物理特性难以大规模有效储存，因此电力负荷严重缺乏短期价格弹性， 所以电价不可避免地受到天气等不可测因素的影响而波动。而且电价的波动远远超过普 通商品。对于市场化改革之后的电力企业，风险管理的重要性不言而喻。分散交易有助 于降低风险，因此，“把鸡蛋放在不同篮子里”的组合交易策略引起了业界人士的广泛的 电力市场环境下的发电商策略与风险 关注。 另一方面，随着电力市场的不断发展，各个子市场的不断完善，发电商获得了更多 的交易品种选择。发电商既可以选择与供电公司签订长期合同，也可以选择年度、季度、 月度、日前或实时市场通过统一( 集中) 拍卖方式获得订单和收益，还可以通过提供备 用容量，无功和a g c 等辅助服务品种来获得收益( 当然，由于辅助服务和有功的物理 联系，提供备用和无功等辅助服务很可能意味着要减少有功出力) 。也就是说，电力市场 改革的深入和完善使得发电商能够更加灵活地各个子市场中分配其发电量。这些变化， 使得组合交易决策对于发电商增进效益，控制风险的影响越来越大，也使得组合交易决 策问题得到了越来越广泛的关注，成为一个新兴的研究领域。 1 2 研究现状综述 组合交易策略经过最近若干年的发展，已经成为一个新兴的研究领域。本节将从交 易品种、数据、模型等角度分类梳理发电商组合交易决策的研究现状和相关文献。 1 2 1 交易品种 按照交易品种，组合交易策略可分为两类，地域组合交易策略和品种组合交易策略。 其中，地域组合交易策略指在电气联络不紧密的多个地域同时进行交易的策略；而品种 组合交易策略指在同一市场不同交易品种之间进行配置的策略。 开放的发电侧市场是允许非本地机组参与投招标的，同时，由于本地市场和外地市 场之间存在着传输界面约束，因此往往要求市场有其它机制保证电力传输的可能。比如 北美采用金融输电权( f t r ) 拍卖的方式配合其节点电价体系，欧洲也有类似的输电界 面传输容量拍卖机制配合其电交所交易。如果输电权的价格正好等于节点价差、分区电 价价差或者本国电交所与其它电交所的成交价差，那么在不同地域的市场之间作分散化 交易等同于在本地市场交易，或者说，分散化并没有为增加利润或者降低风险带来任何 好处。如果某次拍卖的输电权出清价格大于地域价差，那么在这次交易之中外地机组将 亏损；反之，如果某次拍卖的输电权出清价格小于地域价差，那么在这次交易之中外地 机组将盈利。由于不同交易实体对未来阻塞情况的预期有分歧，现实中往往最有可能出 现的情况是，在一段时间之内，输电权价格有时低于地域价差，有时高于地域价差；相 似地，在未来某一时段，输电权价格以一定概率低于地域价差，以一定概率高于地域价 差，以一定概率等于地域价差。或者说，输电权价格与地域价差之间的差额服从一个概 率分布。这样，发电商参与一i 同地域电力市场就有可能达到更好的收益风险平衡点。例 如文献 1 9 1 研究了一般的两市场交易量分配问题，并对发电商的风险偏好作了有益的探 讨。文献 1 8 1 假定节点价差中有一部分需要发电商承担，发现此时发电商可以通过在不 同节点交易管理风险和收益。当然，对于处于封闭电力市场之中的发电商，其所有交易 必须在本地市场进行，那么，发电商无法通过参与外地市场来改变风险和收益，也就无 2 浙江大学博士学位论文 需考虑地域性的多市场交易。于是，封闭电力市场之中的发电商只需考虑本地市场中的 不同交易品种之间的分配，也就是组合交易策略的第二类品种组合交易策略。 在一个电力市场中，往往存在着多种交易品种，包括：远期合同市场、日前能量市 场、日前备用市场、实时平衡市场、事后无功支付，等等。甚至在欧洲的一些电交所内 不仅交易现货品种，还交易期货和期权等电力金融衍生工具。当然，这些交易品种都使 得发电商的交易组合变得十分丰富，事实上，任何一种新品种的交易都扩大了发电商的 交易可行集，并有可能改变发电商的最优组合和风险收益权衡点。文献【1 7 】研究了如何 在现货市场和双边合同市场中分配发电量的问题。文献【3 4 】和【3 5 研究了如何在能量市场 和备用市场中分配发电量的问题。文献【3 5 】研究了发电商在能量市场和备用市场两市场 环境下的发电容量分配问题，并基于均值方差效用函数得到了该问题的解析解。文献 2 0 】 研究了发电商在双边合同市场，日前电能市场和辅助服务市场之间分配发电量的问题。 文献【3 6 】基于m a r k o w i t z 投资组合理论，给出了多个市场的分配模型，并探讨了两个市 场情况下的解的性质。文献【3 7 】引入投资学中处理无风险借贷的方法处理无风险合同， 基于j a m e st o b i n 模型研究了发电商在不同种类的合同市场和现货市场中如何最优分配 发电量的问题。文献【3 8 】探讨了发电商在4 个市场( 年度合约、月度合约市场、日前市 场和实时市场) 的电量分配问题。 1 2 2 数据来源 从数据角度，【2 0 使用北美新英格兰( n e we n g l a n d ) 电力市场的实际运行数据，【3 7 】 使用北美p j m 电力市场的实际运行数据；【3 8 按正态分布随机产生收益率样本；而 1 7 】 和 3 5 1 均使用了北美加州电力市场的实际运行数据。 由于电价的波动规律研究目前还在进行之中，电价的波动规律目前尚未被完全掌握。 目前的研究【1 1 6 1 1 3 1 1 用各种模型来描述电价的均值回复、异方差、多周期、跳跃和尖 峰等特性，但还是无法完全模拟电价的波动规律。因此按照一定分布随机产生的样本往 往与实际电价有偏差，用这些数据检测模型的使用效果或者风险测度的使用效果不是十 分合适。因此作者认为在目前电价的波动规律尚未揭示的情况下，实际运行数据对于发 电商组合交易策略的研究是十分重要的。 1 2 3 模型分类 首先介绍传统模型。传统并不意味着现在已经没有人使用或已被淘汰。传统模型符 合风险中性发电商的偏好，并且相对最容易实用化。 m o d e l o 一收益作为目标函数，不考虑风险。形式为： m a xe m ( w ) s t t e c h n i c a lc o n s t r a i n t s b u d g e tc o n s t r a i 。n t s 电力市场环境下的发电商策略与风险 在引入风险管理之后，发电商需要同时考虑收益和风险。而在很多情况下，两者是 无法同时达到的最优的。一般来说，风险较大的交易品种意味着更大的收益。因此，实 际上在引入风险管理之后，发电商面临一个风险和收益的权衡问题。 1 9 7 0 年代美国经济学家d a n i e lk a h n e m a n 和a m o st v e r s k y 通过实验方法提出“展 望模型”( p r o s p e c tt h e o r y ) 【1 1 5 】。该模型认为，经济行为人在收益时表现为风险厌恶， 而在损失时表现为风险偏好。在k a n e m a n 因此获得2 0 0 2 年诺贝尔经济学奖1 时，该模型 已然获得广泛的认可。多数发电商都在电力市场获利，因此假定发电商为风险厌恶者似 乎是比较合理的，对于风险厌恶的发电商，学者们提出了不同的模型考虑风险，大致可 分为三类： m o d e i l 一风险作为约束条件，收益作为目标函数。形式为： m a xe m ( w ) s t r m ( w ) r m t e c h n i c a lc o n s t r a i n t s b u d g e tc o n s t r a i n t s m o d e l 2 一风险作为目标函数，收益作为约束条件。形式为： m i nr m ( w ) s t e m ( w ) e m t e c h n i c a lc o n s t r a i n t s b u d g e tc o n s t r a i n t s 采用这种模型的文献包括【3 6 】和【3 8 】。其中文献 3 6 1 以最小化组合方差为目标；文献【3 8 】 以最小化条件风险价值( c v a r ) 为目标，将最低收益率下界作为不等式约束。 m o d e d 一风险和收益的加权差均作为目标函数。形式为： m a x 口e m ( w ) 一r m ( w )口，0 s t t e c h n i c a lc o n s t r a i n t s b u d g e tc o n s t r a i n t s 采用这种模型的文献包括【1 7 】【2 0 】【3 4 】【3 5 】【3 7 】。 1 d a n i e lk a h n e m a n 与另一位经济学家v e r n o ns m i t h 分享了2 0 0 2 年诺贝尔经济学奖，但由于诺贝尔奖 的惯例是j l 颁发给在世的学者，而a m o s t v e r s k y 不幸在之前已经去世，因此很可惜没有分享到属于他的 那份荣誉。 4 浙江大学博士学位论文 观察m o d e l l ，我们可以发现，对于风险小于门槛值r m 的售电购电组合，m o d e l l 不再考虑风险因素；对于风险大于门槛值r m 的售电购电组合，m o d e l l 认为这些组合 都不可行。同样地，在m o d e l 2 中，收益的作用也只是将所有的售电购电组合分为两类 收益小于门槛值e m 的组合( 不可行的组合) 和收益大于门槛值e m 的组合( 可行 的组合) 。实际上，在各自的可行域内，m o d e l l 和m o d e l 2 可以看成是m o d e l 3 的极端情 况，m o d e l l 是m o d e l 3 在= 0 时的特例，m o d e l 2 是m o d e l 3 在口= 0 时的特例。 由于对目标函数作正线性变型( p o s i t i v el i n e a rt r a n s f o r m a t i o n ) 并不改变优化结果， 因此m o d e l 3 的目标函数可以简化成只含一个参数的形式： e m ( w ) - a r m ( w ) 口 其中，参数a = 芏，参数彳表示了风险在目标函数中的相对于收益的权重。国内文献对 口 这个参数的称谓有所不同，比如风险权衡因子、风险偏好测度、风险回避系数等等，在 经典的西方金融学教材中，参数a 通常被称为r i s ka v e r s i o nd e g r e e ，本章采用它的直译文， 将参数彳称为风险厌恶程度。采用m o d e l 3 求解发电商购电商组合交易决策问题的困难就 在于参数彳的选择。由于目前尚未有好的选取方法或权威问卷调查1 1 3 2 2 9 的统计结果 支持，研究中权衡参数的选取带有相当的主观色彩。尽管一些学者对于这个问题作了相 当的努力( 文献【4 3 】和【3 7 】研究了权衡参数确定的原则，并尝试使用基于实际市场数据的 计算结果逆推权衡参数) ，但尚未找到很好的解决方法。 1 2 4 风险测度 在参与者组合交易决策模型中，另一个引起关注的问题是风险测度r j v t ( w ) 的选取。 相对于风险测度r m ( 矿) ，用数学期望作为收益测度e m ( 矿) 得到了广泛的认同。但是到 目前为止，风险测度r m ( 矿) 尚未有一个很好的指标。目前文献中使用的风险测度大致可 分为两类： 第一类可称为矩类指标，包括方差、半方差、绝对偏差、方差加偏度、方差加偏度 加峰度，以及考虑更高阶矩的指标。 第二类可称为概率类指标，包括风险价值( v a l u ea tr i s k ，v a r ) 、条件风险价值 ( c o n d i t i o n a lv a l u ea tr i s k ，c v a r ) 。 1 2 5 发电商组合交易策略与购电商组合交易策略的异同 对于一般的火电机组来说，其成本和电煤、燃油和天然气的价格有关，在一个开发 市场，这些燃料的价格都有自身的波动，因此其成本是一个随机变量，所以火电机组面 电力市场环境下的发电商策略与风险 临成本侧的风险。对于核电机组，其燃料通过非公开市场交易的方式获得，价格一般可 认为是固定的。对于水电机组，其发电量与该地区的降水量有关，而对于未来某一时段， 降水量是一个随机变量，因此水电机组的发电量具有不确定性，拥有水电机组的发电商 需解决发电量风险管理问题。与水电机组类似，风电机组同样面临发电量的不确定性， 因为其发电量与当地风力情况有关，当风力大于某- - i 槛值时，风电机组的出力为额定 值，而在其它情况出力为零。因此拥有风电机组的发电商面临发电量不确定性所带来的 风险管理问题。对于太阳能发电设备，其发电量与日照的强度和时间有关，因此对于拥 有太阳能发电设备的发电商，其风险管理需要考虑日照强度的不确定性。表l 总结了拥 有不同类型机组的发电商在进行风险管理时需考虑的因素。 表1 机组类型与发电商风险 发电商的机组类型不确定因素源波动波动大小 火电机组燃煤成本 电煤价格中等 火电机组燃油成本燃油价格较大 火电机组燃气 成本 天然气价格较大 火电机组核电无无无 水电机组发电量水库降水量中等 风电机组发电量风力大小与地域强相关 太阳能发电设备发电量日照强度与地域强相关 由于购电侧与发电侧的对称性，购电商同样受到批发市场电价波动的影响，因此购 电商组合交易策略的研究成果【3 9 】- 【4 5 】对于发电商组合交易策略研究也有相当的借鉴意 义。) 由于零售侧价格一般是管制的，所以购电商来不存在销售电价的风险，仅受到批发 侧购电电价的影响。购电商如果与用户签订的是保证性供电合同，即购电商负责负荷预 测，事后以用户最终用电量结算，则购电商面临负荷预测的风险。由于天气等不可测因 素的影响，负荷预测往往呈概率分布。而一旦购电商长期无法保证其供电的可靠性，用 户往往会转换供电商。因此这种类型的购电商在销售侧面临负荷预测准确性风险。 1 3 研究计划与展望 上述研究通过引入金融投资领域的成熟方法解决发电商电量分配问题，使得发电商 能综合考虑风险和收益，推动发电商组合交易研究取得了显著的进展。但是，金融领域 的投资组合问题与发电商电量分配问题有许多方面是不同的。例如，发电资本市场流动 性不佳( 较之于金融资本市场) ，发电资本转化为收益的过程中会产生显著的转移成本( 包 括燃料成本、检修成本等) ，电力系统和电力市场的一些技术性约束和结构性约束使得发 电商的投资可行集明显不同于金融市场，等等。而已有的研究( 包括我们以前的研究工 作) 成果对这些区别尚未作充分的考虑和分析。在技术层面，目前的组合交易研究普遍 6 浙江大学博士学位论文 采用的数学优化模型，这时风险位于目标函数或者约束条件中，流行的做法是在传统的 最大化收益的目标函数中加入风险因素，这样就需要引入权衡收益与风险的参数2 ，如文 献 1 7 1 1 3 4 】。研究表明，这个参数对于发电商组合交易决策结果的影响是显著的。但由于 目前尚未有好的选取方法或权威统计 2 9 】的支持，研究中权衡参数的选取带有相当的主观 色彩。尽管一些学者对于这个问题作了相当的努力( 文献【4 3 】和 3 7 1 研究了权衡参数确定 的原则，并尝试使用基于实际市场数据的计算结果逆推权衡参数) ，但尚未找到很好的解 决方法。此外，现有的研究多集中在对风险资产组合的研究，而对电力市场交易中占据 相当份额的无风险长期合同的研究相当有限3 。在最优解解析性质的分析方面，目前的研 究多集中在对2 市场模型的讨论，而对于一般的( n 个资产) 发电商投资组合模型的研究 比较欠缺。这些不足给发电商组合交易研究成果应用于实际的发电商决策造成了一定的 困难。 基于以上观察，本文研究一般的发电商组合交易模型，并致力于给出工程上实用的 求解方法。本文希望：第一，能够解决风险收益权衡参数难以确定的问题。第二，能够 在考虑预算限制和卖空限制基础上，进一步考虑了交易数量限制、公司财务约束、波动 性约束和v a r 约束，使得模型更贴近发电商的实际决策。第三，鉴于电力交易中合同的多 样性和高比例，能够建立了一个可以处理任意个无风险交易和任意个风险交易的通用模 型。第四，由于引入了对任意个无风险交易的处理和各种实际约束，发电商组合交易策 略将变得相当复杂，希望开发一种面向工程实际的，能够保证计算速度和计算精度的求 解算法。 1 4 论文的主要创新点及其章节安排 1 4 1 主要创新点 从数学优化角度，在引入风险管理之后，发电商决策由一个单目标的利润最大化问 题变成了一个双目标的利润最大化风险最小化问题。如何在风险和收益之间权衡，取决 于发电商的风险厌恶程度。因此风险厌恶程度对最优交易组合有显著影响。其次看优化 问题的约束条件，电力市场存在着许多特殊的技术性和管制约束，对这些约束的准确建 模对发电商策略的有效实用化至关重要。最后看优化问题的控制变量，电力市场除了现 货交易之外，存在着数量可观、种类不同的合同交易，对这些合同的准确建模对发电商 策略至关重要。 2 这个参数与发电商的风险承受能力有关。在不同的文献中被称为风险冈了、风险偏好、风险厌恶程度等。 3 文献 3 7 】应用金融投资领域对无风险借贷资产的处理方法，使得模型能够考虑没有交易数量限制的无风 险合同，但在交易数量限制的约束下，最优组合有可能由多个无风险资产和多个风险资产共同组成。此时 借贷模型就不适合了。 7 电力市场环境下的发电商策略与风险 1 )构建了能够考虑任意个有风险和无风险交易品种的组合交易策略模型 在风险收益框架下，引入m a r k o w i t z 模型能够处理多个风险交易品种之间的最优配置 问题，引入t o b i n 模型能够处理有风险交易品种和无风险交易品种之间的最优配置问题。 在此基础上，进一步研究了对电力市场十分重要的多个无风险交易品种之间最优配置问 题，发现在电力市场中品种交易数量往往受到限制，这时最优组合并不女h t o b i n 模型那样 只包括一个无风险交易品种，而是包括多个无风险交易品种，并给出了数学模型和求解 方法。 2 ) 分析多种实际约束下的组合交易策略有效前沿，并提出实用求解方法 本文的模型在考虑预算限制和卖空限制基础上，进一步考虑了交易数量限制、公司 财务约束、波动性约束和v a r 约束，使得模型更贴近发电商的实际决策。在引入了对任意 个无风险交易的处理和各种实际约束之后，发电商组合交易有效前沿变得相当复杂，为 此本章提出了一套全新的，面向实际工程的求解算法，并对算法的计算速度和计算精度 做了理论证明和实际测试。推理和测试均表明这套算法是十分有效的。 3 ) 对偶规划多解情况下的统一出清价格制定方法的提出 经典定价理论将市场优化问题有功调度模型的对偶解作为统一出清价格。但在所有 的发电机和负荷都处于出力上限或出力下限时，对偶解退化为非唯一情况，这时经典定 价理论和现有的方法无法完成定价。本文提出了一种基于剩余分配的定价方法解决这个 问题。并对方法的性质从界限要求、一致要求、对等要求、灵敏度要求和极限特征等角 度作了理论分析，并用算例检验该方法，并做进一步的讨论。推理和算例表明，该方法 理论基础扎实，计算又比较快速。 1 4 2 论文章节安排 论文章节安排及其各章节的主要内容描述如下： 第一章介绍了课题的背景和研究意义。对电力市场环境下发电商策略的研究现状从 交易品种、数据来源、模型分类等角度作了全面的综述。在此基础上，提出了研究计划 和展望。最后，简要阐述了论文的主要创新点，并对各章节的安排作了概括。 第二章基于证券投资领域的研究成果提出了发电商组合交易模型，并对模型的可信 度和有效性做了检验。算例采用实际电力市场的真实电价数据。算例和拓展计算的结果 反映出该组合交易决策方法是可信的和有效的，而且不同的交易组合会对发电商的收益 和风险产生很大的影响。 第三章根据发电商组合交易决策的特点，针对风险一收益权衡参数难以确定的困难， 提出了发电商组合交易有效前沿模型。并对该模型的求解做了详细的研究，提出了一种 准确、快速的求解算法，并通过基于实际电力市场数据的算例测试了这种方法的有效性 和计算速度。本章的研究有助于组合交易策略更为准确和有效地在实际工程中得到应用。 8 浙江大学博士学位论文 第四章研究了市场优化问题的对偶规划存在多解情况下的定价问题。首先从数学角 度阐述这个问题，然后利用市场优化问题的性质缩小出清价格的范围，在上述分析的基 础上，提出种基于社会剩余分配的方法，并对方法的性质做了理论分析，最后用算例 检验该方法，并做进一步的讨论。推理和算例表明，该方法理论基础扎实，计算又比较 快速。 第五章对世界各国的发电容量交易模式作了全面的分析和探讨。主要介绍了容量费 模式、单一能量市场模式、电交所模式、发电容量市场模式四种主要的模式，分析了它 们的优点和缺点，总结了它们在实际运行过程中成功的经验和失败的教训。从交易品种、 交易时序、虚拟需求曲线等方面重点介绍了其中最复杂的美国东北部发电容量市场模式。 最后对在我国开展容量交易和如何保证长期充裕性的问题提出了建议。 第六章研究管制与发电商策略的交互影响。重点介绍了在北美电力系统运行中使用 的一套现货市场市场力控制方法，它包括对市场势力、参与者行为、可能影响等几个方 面的检测和控制。分析了该方法的特点和局限性。探讨了其对我国电力市场的设计借鉴 价值。 第七章对全文的研究工作进行了总结，并对今后迫切需要开展的研究工作做了展望。 9 电力市场环境下的发电商策略与风险 第二章发电商组合交易决策基本模型 电力市场改革使发电商成为独立核算和经验的主体。在电力市场环境下，发电商需要自己制定 各种策略，来提高收益，降低风险。发电商的在电力市场中的整个决策过程可分为3 个阶段，分别 是投资决策，组合交易决策和投标竞价决策。组合交易决策与投资决策和竞价决策一样，是整个发 电商效用最大化问题的重要一环，但目前国内外对这个问题的研究还比较有限。本章