（电力系统及其自动化专业论文）考虑远期合同的电力市场稳定性研究.pdf

倒 p口 尸刁卜 月 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 考虑远期合同的电力市场稳定性 研究 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大学或其他教 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 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 马伟日期 w y i s 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校 可以学术交流为目 的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作 者 签 名 马伟 日期 2 0 0 7 s l y 导师签名二 一 迢叭一 日 期 迎户妙 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 研究背景 世界各国的电力工业长期以来一直采用的是垂直一体化的经营和管理模式 这 种模式在特定的历史时期对推动电力工业的发展起到了很好的促进作用 然而 这 也带来了一定的弊病 由于缺少竞争 发电商缺乏改进工艺 降低成本的动力 企 业生产效率下降 阻碍了技术进步 由于政府介入太多事务 电价更多地反映政策 倾向而不是市场需求 由于利润固定 造成成本偏高 对投资者的吸引力减弱 最 终致使电力建设资金缺乏 从2 0 世纪8 0 年代开始 许多国家陆续进行了电力工业的市场化改革 其主要 目 标是通过引入竞争机制 促使发电 输电 配电等各环节提高效率 降低成本 从而降低电价 提高供电可靠性 改善对用户的服务 并利用市场的调节和激励机 制 引导投资更趋合理化 形成持续发展的内在动力 促进电力工业的健康发展 电力市场 u 就是进行电力及其相关服务交易的一群买者和卖者 电力市场中的相关 服务包括输电服务 以及一系列其他的辅助服务如自 动发电控制 a g c 无功电压 控制 运行调度服务等 世界各国的电力工业改革起步时间不同 进程有快有慢 改革的模式各不相同 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 继而改革的浪潮播及欧洲 3 1 北美 a 1 南美1 5 1 澳大利 亚 6 新西兰和亚洲的 一些国家和地区 形成了 一场世界性的电力工业改革浪潮 我国电力工业的改革 7 l从2 0 世纪8 0 年代开始 电力工业出现了 产权多元化的 局面 外资 合资 股份制 地方集资等多种办电形式大量涌现 限制电力工业发 展的政策束缚逐步解除 电力工业得到快速发展 取得了世界电力工业史上罕见的 成就 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 模拟运行 竞价上网 2 0 0 2年 1 2月 电力工业进行了资产重组 国家电网公司 南方电网公司 5 家发电公司和4 家辅业集团公司成立 2 0 0 4 年 规划了东北 华东 南方 华中 华北和西北六个区域电力市场 目前 东北电力 市场己 经进入试运行阶段 华东电力市场也于2 0 0 7 年 1 月1 日正式试运行 由于电能不能大规模地有效储存 并且要求供需双方瞬时平衡 因而电力市场 价格呈现强烈的易变性 自 从电力工业市场运行以来 电力已成为价格最易变的一 1 华北电力大学硕士学位论文 种商品 而且 由于有限的机组发电容量和较低的需求弹性 电力价格会表现出强 烈的跳跃和尖峰特性 这使得电价的变化更加复杂 电力市场中电价的易变性使得 各个市场参与者都面临巨大的利益损失风险 如果不加以有效防范 将会导致灾难 性的后果 越来越多的市场设计者与参与者认识到电力市场风险管理的重要性 远期合同能够为电力用户提供稳定的电力供应 同时为发电商带来长期稳定的 需求 而且能够锁定电力价格以回避电价波动风险 因此 世界各国在电力市场化 初期均大量采用远期合同进行电力交易 英国在电力市场运营的初期 几乎超过8 0 的电力交易通过远期差价合同 c o n t r a c t s f o r d i f f e r e n c e s 市场来进行 并且其双边合 同交易量所占份额逐渐扩大并进一步发展提前数年的远期和期货市场8 1 在澳大利 亚的电力市场化进程中 远期合同市场也有着不可忽视的重要地位 2 0 0 0 年电力合 同交易量是1 9 9 9 年的两倍 娜威于1 9 9 1 年开始电力市场化改革 1 9 9 2 年秋季就开 始运营一个挪威电力远期交易市场 其中按星期交易的电力远期合同的期限从1 星 期到3 年不等 19 1 在美国 纽约商品交易所于1 9 年3 月开始经营电力远期交易 其中按月交易的电力远期合同的期限从 1 个月到 1 8 个月不等 同时期权交易的思 想在电力市场中也得到了充分的重视f i g 在我国电力工业市场化改革的初期 远期 合同同样得到了广泛的采用 从几个试点的发电侧电力市场运营来看 近9 0 的电 量交易通过合同市场来进行 1 0 华东电力市场采用了发电 年度合同 月度竞价交易 日前竞价交易 实时平衡交易相结合的市场运行模式 1 1 2研究意义 电力市场可能带来多方面的效益 比如降低发电成本 提高对用户的服务水平 实行公平的调度 吸引各方面的投资 促进相关技术和科学的发展等 但同时也会 引起一些新的问题 比如交易费用问题 市场失灵问题 电网的安全运行与控制问 题等 特别是市场机制下电力市场的稳定性问题 更是有可能关系到社会的安定 尽管从最早的电力市场改革到现在己经有 2 0多年了 也已经有很多国家和地区建 立了电力市场 但是仍然还有很多问题没有得以解决 有些市场的运行还很不稳定 加州在2 0 0 1 年春的电 力危机是最明 显的例子 4 1 大规模停电 电 力批发价格飞涨 电力公司破产 英国电 力市场中也出现过发电厂利用市场力来提高和控制市场价格 的问题 电力市场稳定相关问题的解决方案成为市场成败的关键 对这些问题的研 究也引起了电力工作者 经济学家 政治学家等的广泛关注 成为电力系统领域的 研究热点之一 从目前的研究结果和国内外电力市场改革的经验来看 单一的现货市场难以维 持电 力市场的稳定性 1 这一问 题在只开放发电侧的电力市场中更为严重 专家学 者们提出了多种稳定电力市场的措施 如设置电价上限 建立发电容量市场以及建 华北电力大学硕士学位论文 立电力合同市场等 前两种方法的实施更多的是依赖于政府的管制 而合同市场的 建立与运行则希望能够充分利用市场机制的作用来解决问题 由于电力行业是一个 自 然垄断行业 即使在市场化改革之后也并非完全竞争市场而是一个寡头垄断市 场 因此占 有较大市场份额的寡头可能运用市场力左右市场 而远期 期货合同的 引入能够在一定程度上减少寡头的市场力 有利于市场公平竞争 形成合理的电价 稳定电 力市场 很多文献对电力合同市场的作用进行了分析1 1 2 1 3 1 并且大多得出了 合同市场的建立将有助于电力市场稳定的结论 而关于长期电力合同市场对于电力 市场稳定性的机理却没有给出清晰的解释 远期合同市场的建立把原来单一的电力市场分割成为既相互关联又相互独立 的两个市场 对厂商的市场力产生了相应的影响 远期合同对电力市场的影响主要 体现在现货市场和长期稳定性两方面 引入电力双边合同交易之后 电力交易可通过双边合同市场和现货市场完成 市场参与者可以进入其中一个市场也可以同时进入两个市场 尽管这两个市场独立 运行 但两市场的电价具有内在联系 参与者必须考虑到需求的不确定性以及竞争 对手的行为以 提出自己 在现货市场和合同市场的优化策略 1 2 1 在现货市场中 由于 远期合同的引入加剧了市场的竞争度 发电厂商的报价策略必将发生变化 目前的 研究大多基于寡头博弈模型 如研究产量竞争的c o u r n o t 均衡模型 1 4 1 价格竞争的 b e r t r a n d 均衡模型以 及产量和价格同时竞争的供应函数均衡模型 l 5 等 由 于这些模 型基于众多假设 如完全公开的成本信息 线性的边际成本和需求函数等 且没有 充分考虑发电机组运行的时间相关特性 最大 最小出力限制 以及发电商可能的 分段报价或非线性的报价曲线 因此该领域的研究有待进一步深入 对于一个自由开放的电力市场而言 长期电力需求弹性远远大于短期的电力需 求弹性 而且 在远期合同市场中 新厂商的进入自 然会挤占在位厂商的市场份额 这两个方面都将削弱在位厂商的市场力 从而对稳定电力合同市场的电价起到积极 的促进作用 电力远期合同是与电力投资市场密切相关的 在市场充分开放的前提 下 一个运行良好的远期合同市场能够吸引足够的电力投资 维持电力市场的长期 稳定性 并保证适度的竞争性 获得较高的 市场效率 1 6 1 回避市场的价格风险与维持市场价格稳定是2 个完全不同的概念 维持市场价 格稳定性是从整个行业的角度来看问题 如果希望通过建立远期合同市场和期货市 场来促进电力市场的稳定性 则对市场结构有着严格的要求 即使所有的交易活动 都在远期市场进行 也不能完全排除市场价格的波动 特别是当远期合同市场上形 成的价格不能对供给和需求产生正确的指引 导致市场总供给与总需求失衡的时 候 市场价格仍然会波动 甚至失去稳定 因此 远期合同市场的建立对于促进电 力市场的稳定性是有条件的 不当的远期合同设计不仅会造成市场力在不同市场间 的转移 甚至会形成错误的市场信号 对电力市场的长期稳定性带来负面的影响 华北电力大学硕士学位论文 1 2 电力双边合同的种类 电力市场中的双边合同包括电力物理合同和电力金融合同两大类 电力物理合 同指有固定电价而且合同交割与现货竞价市场无关的远期合同 物理合同的合约电 量不再参与现货竞价 签订后将合约电量上报调度中心执行交割 签订电力物理合 同的发电商会减少在竞价市场中的投标容量 电力物理合同 如灵活电力合同 fl e x i b l e e l e c t r i c i ty c o n t r a c t s 等 按合同有效期分为1 年合同 半年合同 电力金融 合同由于其合同电能通过现货市场交割 合同电量仍然参与现货竞价 所以金融合 同并不影响现货市场的竞争 电力市场中常用的电力金融合同有差价合同 可选择 远期合同 o p t i o n a l f o r w a r d c o n t r a c t s 和期货合同 f u t u r e c o n t r a c t s 等 1 2 1电力差价合同 电力差价合同一般适用于电力市场的联营体交易模式 分为单向差价合同和双 向差价合同 单向差价合同是买电方 配电公司 用户 与卖电方之间的这种远期合同 又分 为两种形式 第一种形式是买方差价合同 买方以实时电价与联营体进行买电结算 但当合同交割时的实时电价高于合同敲定价格时 卖方需要把实时电价与合同敲定 价格间的差价补偿给买方 第二种形式是卖方差价合同 卖方以实时电价与联营体 进行卖电结算 但当合同交割时的实时电价低于合同敲定价格时 买方需要把合同 敲定价格与实时电价间的差价补偿给卖方 在第一种单向差价合同中 买电方完全 回避了市场电价上涨的风险 同时保留了从市场跌价中获利的机会 在第二种单向 差价合同中 卖电方完全回避了市场电价下跌的风险 同时保留了从市场涨价中获 利的机会 用期权的概念来描述 第一种单向差价合同相当于买电方买入了看涨期 权 第二种单向差价合同相当于卖电方买入了看跌期权 双向差价合同等同于一个合同价格为敲定价的固定的远期合同 用合成远期合 同的概念来解释 双向差价合同相当于买电方买入看涨期权并且卖出看跌期权 因 而等价于买入一个价格固定的远期合同 卖电方相当于买入看跌期权 卖出看涨期 权 等价于卖出一个价格固定的远期合同 1 2 2灵活电力远期合同 灵活电力远期合同是指由合同的买方或者卖方根据自己的需要灵活制定合同 交割计划的电力双边合同 灵活电力合同分为买方灵活电力合同和卖方灵活电力合 同两种 买方灵活电力合同指买电方决定交割计划的合同 买方根据市场信息和自己的 华北电力大学硕士学位论文 用电需求决定在合同有效期内各个时段的合同电力交易量使自身效益最优 卖电方 则有义务按照买方的交割计划供电 交割时 若市场价格高于合同价格 买方有将 合同电力倒卖到实时市场的权力 第二种是卖方灵活电力合同 卖方决定在合同有 效期内各个时段的交易电量使其供电成本最低 买方则有义务按照卖方确定的交割 计划接受供电 卖方可以通过自己发电或者市场购电而使效益最优 1 2 3可选择远期合同 可选择远期合同又叫可中断远期合同 由于电力需求和供给必须保持平衡 而 负荷及供给受不确定性因素的影响 可能出现暂时的不平衡 需要中断用户的用电 或者发电商的供电 同时对于风险厌恶的发电商或者用户 其发电或者用电具有一 定的灵活性 允许在支付一定费用的情况下中断发电或者用电 因此出现了可选择 远期合同 这种合同有两个价格 合同敲定价和合同中断价 对于用户最优的中断 价为用户的单位用电收益 而对于发电商而言最优中断电价为发电商的边际成本 该合同有利于市场信息的披露 可选择远期合同分为双边可选择远期合同和单边可 选择远期合同 后者包括用户与电力公司之间的可选择远期合同和独立发电商与电 力公司之间的可选择远期合同 1 2 4电力期货 电力期货合同与电力远期合同一样是指在将来的某个时期 如交割月 以确定 的价格交易一定电能的合同 但与电力远期合同不同之处在于电力期货必须在期货 交易所进行 其交易时间 交易量等都有明确的规定 同时电力期货交易需要交易 费用以及保证金等 现行的电力期货均为月电力期货 远期合同交易和期货交易这两个概念存在本质的不同 期货交易是由远期交易 通过合同标准化 且引入保证金 对冲平仓 结算等制度后形成的在交易所内进行 的一种合约交易 由于电力不同于一般商品 因而目 前在电力市场中应用较多的还 是属于远期合同或结合期权交易思想的可选择远期合同 而不是标准化的须在交易 所内进行交易的期货合同的形式 这种远期合同在到期交货前也可转让或买卖 1 3 1 3 1 国内外研究现状 发电公司报价策略的研究 发电公司的报价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 进行报价决策时所采取的一整套策略 由 经济学理论可知 1 7 1 在理想的 完全竞争 的电力市场中 社会效益得到最大化 发电公司的最优报价策略是将电力价格设定 华北电力大学硕士学位论文 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决定的 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 例如输电阻塞 来进行报 价以增加利润 这称为策略性的投标 如果发电公司可以通过策略性报价而非降低 成本来成功地增加利润 则称发电 公司具有市场力 8 1 在发电公司的报价策略研究方面 国内 外的研究者己 经做了很多工作 文献 1 8 对截止 2 0 0 0年以前国内外在电力市场投标策略方面的研究工作进行了比较全面的 综述 但是 随着电力市场的发展 新的问题不断出现 有关发电公司报价策略的 研究更加活跃 新方法 新思路层出不穷 本文借鉴文献 1 9 中的分类方式 将发电商的最优报价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 人工智能方法预测 基于 仿真和经验分析的方法 1 基于成本分析的发电报价策略 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 作为其报价 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报价情况及系统中负 荷的实波动 因而很难达到利润最大化的目 的 根据该方法制定的报价只是一个可 接受的 价而不是最优的报价 文献 2 0 以实时成本为基础制定发电厂商的报价策略 其报价为在实时成本的基础上加上利润和税金作为其报价 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报价策略研究 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报 价策略最适合 最常用的方法 现有采用最优化方法的报价策略主要有两种 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 2 1 或者在此基础上考虑机组运行约束 2 2 和输电阻塞的影响 2 3 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 营机构根据发电报价及负荷报价 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 2 4 1 最初的 研 究假设已知市场中其他发电厂商的报价 但在实际电力市场中几乎不可能确切知道 竞争对手的报价情况 而进一步的研究假设其他厂商报价的概率分布 进而发电厂 商的最优报价问题成为一个随机规划问 题 2 5 1 文献 2 6 假设其他发电商的报价只有有限 种可能 即其报价服从一个有限的散 概率分布 然后利用类似穷举的方法得到自 身的最优报价策略 文献 2 5 假设其发 6 华北电力大学硕士学位论文 电商的报价服从连续正态分布 然后通过蒙特卡洛模拟的方法求解自身的最优报策 略 文献 2 7 2 9 分别将该方法扩展为考虑大用户报价 同时考虑主市场和辅助服 务市场竞价和发电商分段报价的报价策略 文献 3 0 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 得到机组报价曲线的最优 策略 文献 3 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报价的灵敏度 3 基于博弈论的发电报价策略研究 文献 3 2 3 3 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 应用博弈论方法的报价策略大致可以 分为两大类 1 8 1 一是基于矩阵博弈 模型 首先将候选的报价策略表示为离散量 以适应这种模型的特点 当报价策略 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 找到一个均衡的报价策略组合 该均衡点对应于最优的报价策略 然而 实际上报 价策略是连续的 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 u rn o t 模型1 1 4 1 b e r tr a n d 模型和供应函 数模型 1 5 1 其中c o u r n 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报价策略 但是这些模型更适 合于分析电力市场中潜在的市场力 而不是构造报价策略 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报价策略没有太大的实际 意义 此外 这类方法的一个重要缺陷是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报价策略研究 人工智能方法在报价策略 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 3 4 1 遗传算法 2 8 1 进化规划和有限状态自 动机 3 5 1 规划计算 q学习 自 适 应方 法 3 6 1 等 文献 3 7 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报价策略 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报价及按该报价竞价时成功的概率 仿 真结果表明采用模糊聚类算法分类后 神经网络的训练时间将会大大减少 所得结 果的准确性也是可接受的 5 基于仿真和经验分析的发电报价策略研究 试验仿真法是构造最优报价策略的既直观又实用的方法 仿真试验法有两类 有实际人员代表市场参与者参与模拟的试验 3 8 1 设计智能化学习算法进行无人 参与的 仿真 试 3 9 1 文献 3 8 在 i n t e rn e t 上雇佣 有经 验的 专家 参与 试验 通过模拟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 7 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2电力市场稳定性的研究 对于电力系统的稳定 传统意义上的理解是建立在对物理系统稳定认识的基础 上的 主要包括功角稳定 电压稳定以及频率稳定等 随着电力市场的逐步建立 电力投标竞价机制逐渐形成并成熟 一种新的稳定逐渐显示其重要性 即电力市场 的经济系统稳定 对于电力市场稳定的研究 传统上是建立在经典的经济理论基础 上 随着认识的发展 人们发现电力工业本身的一些重要因素是不同于普通商品市 场的 这些因素又是在电力市场经济系统稳定中不可忽视的 如 由于电能不能大 规模的储存 导致电力的发和用必须同时进行 不能像普通商品那样 通过库存平 易市场物价 由于日负荷曲线 周负荷曲线以及年负荷曲线存在拟周期性的特征 导致电力需求存在周期性的特征 这两个因素直接与市场的经济系统稳定性相关 联 而在经典的市场经济理论中 缺乏考虑以上因素的成熟研究成果 需要在电力 市场研究领域进一步发展相关的结论 文献 4 0 首次提出了电力市场的稳定性问题 建立了 两个一阶微分方程 其基 本假设为 发电商电量增加的速度正比于价格与成本之差 而用户电量增加的速度 正比于收益与价格之差 该文在具体分析时去掉了微分项 仅研究平衡点附近的静 态稳定性问 题 其后续研究 4 1 考虑了 频率的二次调节与报价的关系 研究当负荷 突然变动时的系统稳定性问题 二次调频中除了要考虑机组的调节特性 还要考虑 到系统的安全和经济性 从而与机组的报价有关 该文在描述电网特性的微分方程 中考虑了电价 但其研究的是在几分钟内的辅助服务的质量问题 而不是辅助服务 市场的稳定性问题 文献 4 2 结合a l v a r a d o 提出的动态电力市场模型 在l y a p u n o v 稳定意义下 从理论上讨论了电力市场的稳定性 并且给出了一系列充分条件来判 断电力市场稳定性 通过这些稳定条件 电力市场稳定性可以不通过计算 或较少 的符号计算得到 文献 4 3 以价格为变量 按经济学中的蛛网理论建立了 差分模型 其假设为 时段n的供应量与时段n 和n 1 的价格有关 而时段n 的需求量只与时 段n 的价格有关 显然 这些假设并不符合电力市场的特殊规律 一方面 用电量 的弹性系数本来就很小 特别是在短期内 另一方面 用户电价对上网电价的变化 一般并不敏感 文献 4 4 根据不同的发电成本和消费函数提出了一种电力市场稳定性的度量指 标 但分析仍局限于均衡态的短期小扰动稳定性 文献 4 5 分析了单边开放电力市 场中寡头厂商的行为 讨论了发电 安装容量市场的必要性 文献 4 6 4 7 1 讨论了电力 市场经济稳定性与电力系统物理稳定性的关系 分析了电力市场不同于其他商品市 场的特征 并根据交易一投资等环节的闭环控制思想建立了电力市场动力学的框架 模型 文献 4 8 从传统体制到市场环境之间义利重构的角度 探讨了电力市场稳定 性和风险管理的问题 并提出了计及风险的电力市场稳定量化分析方法 文献 4 9 华北电力大学硕士学位论文 讨论了电力系统物理稳定性对竞争充分性的制约 竞争充分性对电力市场经济稳定 性的影响 及电力市场的运营对可用发电容量和可用输电容量的影响 文献 5 0 5 1 1 建立了加州电力市场长期动态的近似模型 定性分析了备用容量 投资 长期合同 用户侧电价及阻塞等因素对加州电力危机的影响 通过引入电力市场的稳定裕度和 稳定域概念 用灵敏度技术直接估计各种稳定措施的临界控制量 定量研究了预防 控制 紧急控制和协调控制的效果 文献 5 2 从控制理论的观点 以 市场价格作为 反馈信号 建立了数量竞争的闭环模型 并分析了完全竞争市场 古诺竞争市场等 不同情况的市场稳定条件 本文在现有研究成果的基础上 进一步探讨 从发电商报价策略和电力市场稳 定性两方面分析差价合约的引入对电力市场的影响 1 4 本文的主要研究工作 建立一个安全稳定的电力市场是电力市场设计和电力市场监管的重要任务之 一 国外电力市场的教训更使我们认识到 在电力工业的改革中 提供竞争的机会 与保证合理而及时的调节之间的平衡是非常重要的 由于电力系统的特殊性 使得 电力市场均衡价格呈现强烈的易变性 作为一种有效的风险管理工具和交易手段 电力远期合同在电力市场中得到了广泛的应用 因此 研究远期合同对电力市场的 影响 从而指导远期合同的制定及实施具有重要的意义 本文在现有研究成果的基础上 从两个方面研究了差价合约的引入对电力市场 的影响 一是考虑差价合约的发电商报价策略研究 讨论了差价合约 风险喜好等 因素对发电商报价策略的影响 二是差价合约对电力市场稳定性的影响 本文各章 的内容安排如下 第一章介绍了课题研究的背景 电力双边合同的种类 国内外的研究现状和本 文的主要工作 第二章针对采用分段报价的电力市场 发电商通过预测市场出清价来构造报价 策略 将报价问题描述为发电商和市场之间的零和二人博弈问题 建立了考虑差价 合约的报价问题的数学模型 推导出使期望收益最大的出力一报价方案 分析了不 同合约实现方式对发电商期望收益的影响 并将报价策略扩展到多段报价的情形 由于市场价格的不确定性 发电商的任何报价策略都存在一定的风险 理性的发电 商需要对报价策略的收益和风险进行评估 以双向差价合约为例 本章提出了兼顾 风险的效用最大化模型 并分析了不同的合约电量对发电商收益风险的影响 第三章针对采用线性报价的电力市场 利用线性供应函数模型来模拟发电商的 策略行为 首先 建立了考虑差价合约的供应函数均衡模型 给出了在不同策略模 型下具有多个发电商的最优反应函数 其次 由于基于方差的风险度量方法无法区 华北电力大学硕士学位论文 别实际利润是否低于预期目标 而实际利润高于预期目标时并不构成任何风险 将 机会约束规划引入包含很多不确定性因素的报价问题中 建立了计及差价合约的机 会约束规划报价模型 并利用遗传算法对模型进行了求解 第四章以浙江电力市场实行的差价合约模式为例 建立了考虑差价合约的古诺 博弈模型 分析了差价合约对发电商和单一购电者策略的影响 求出了市场的n as h 古诺均衡 给出了单一购电者调控差价合约比例的原则 通过分析考虑差价合约的 动态古诺模型 给出了电力市场的稳定性判据 分析了差价合约对电力市场稳定性 的影响 第五章对全文进行总结和展望 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于零和博弈并考虑差价合约的发电商报价策略 2 1 引言 发电公司报价策略问题是伴随电力市场的出现而出现的特有问题 在传统垄断 体制下 发电厂按照电网调度员指令进行生产 不存在报价策略的问题 在电力市 场中 发电公司成为自 主经营 自负盈亏的实体 以 利润最大化为目 标 在这种条 件下 发电公司最关心的是采取什么样的报价策略报价时才能获得最大的利润 正 因如此 对报价策略的研究成了目前国内外电力市场研究的热点 目前 我国的电力市场主要以发电侧电力市场为主 以电子商务技术为基础的 短时 次日 电力交易市场广泛采用封闭式拍卖的交易形式 在这种电力市场形式 下 发电商必须根据市场要素 做出相应的最优决策 并承担决策的风险 作为风 险规避的手段 差价合约在给发电商带来稳定收益的同时 必然会影响发电商的报 价策略 不同的差价合约实现方式产生的影响也不同 目前关于发电商的报价策略 主要 有以 下5 种方法 基于成本分析的 方法 最优化方法 博弈论方法 人工智能 方法预测 基于仿真和经验分析的方法 对于发电厂商来讲 竞价策略问题包括三个方面的内容 对下一个时段电价的 预测 对其它竞争对手竞价策略的估计 以及本企业报价策略的制定 其中 基于 博弈论的发电商报价策略问题的研究越来越多地受到关注 文献 5 3 将报价问题看 作是发电商与市场之间的零和二人博弈 通过预测市场出清价 m c p 并假定其服从 正态分布 以发电商获得的最大期望收益为目 标 最终得出基于博弈论的最优报价 策略 文献 5 4 采用上面的方法 利用实际机组和电 力市场的数据 对几种报价方 案进行了模拟 对收益和风险进行了统计分析 并对最优报价方案进行了调整 本章以文献 5 3 5 4 为基础 假设m c p 的分布规律可以 通过预测得出 通过发 电商与市场之间的零和二人博弈 比较系统地研究了针对有差价合约的日前市场构 造发电商的最优报价问 题 理论推导给出了不同的差价合约实现方式对发电商报价 策略的影响机理 2 2 博弈论简介 博弈论是专门研究两个或两个以 上利益有冲突的个体 在相互作用 i n t e r a c t i o n 的情况下 如何进行各自优化决策的理论 对博弈问题的研究可以追溯到 1 9世纪 经济学中关于对策的 研究 如经济学家古诺 c o u r n o t 和伯特兰德 b e rt r a n d 研究少数 华北电力大学硕士学位论文 制造商操纵和控制市场 寡头垄断 问题的论文 博弈问题有多种不同的分类方法 其中按照参与者获利之和的特性划可以分为 零和 和 非零和 问题 零和 问题中 一个参与者的获利直接 严格地 等于另一参与者的损失 其由v o n n e u m a n n 在 1 9 2 8年首先提出和解决 而在 非零和 问题中 参与者的获利和损失则不必 相等 即其代数和不必为0 是数学家n a s h首先提出和解决的 即著名的n a s h均 衡点及相应求解方法 下面介绍几个 零和 博弈的基本概念 2 2 矩阵对策 定义 1设局中人 1 有m个策略 局中人2 有n 个策略 局中人 1 2 分别选择 策略i 和j i 1 2 二 m j 1 2 n 时 局中 人1 从局中人2 处得到的支 付是o f 则支 付矩阵为 2 1 气 临 卜卜凶 对策矩阵a完全确定 这种对策叫做矩阵对策 i 1 2 m j 1 2 n 分别是局中人 1 和2 的策略集 a是 局中 人1 得到的 支付 局中 人2 得到的 支付则是 一 o f 这就是 说 局中 人1 得到的就是局中人2 付出的 由于参加者只有2 个 并且在任何情况下双方得到的 支付之和为 即a 尹 a rij 0 这种对策称为零和二人对策 零和体现了双方的冲突 局中 人1 希望得到的 支付越大越好 局中 人2 则相反 他希望支 付a n 越小 越 好 即 a rt 越大越好 但是 在支付矩阵a中 每个局中 人只能控制2 个变量i 和 j 中 的一 个 局中人1 只能控制变量i 局中 人2 只能控制变量j 令玲表示局中 人 1 选择策略i 局中人2 选择策略j 时局中人1 得到的支付 如果局中人 1 选定一个策略i 则他至少可以得到的支付为 v m w 密 2 2 这就是支付矩阵第 i 行的最小元素 由于局中人 1 希望支付值尽可能大 他可以选 择i 使上式为最大 即他可以使支付为 v y z 盟德 2 3 同理 如果局中人2 选定一个策略 则局中人 1 得到的支付为 v i 思 2 4 这是支付矩阵第 1 列的最大元素 由于局中人2 希望支付值尽可能的小 他可以 选 择j 使上式最小 这就是说 他可以使局中人 1 得到的支付为 华北电力大学硕士学位论文 v 为了便于分析 本文模型基于以下假设 1 发电 商的成本函数可以表示成连续可微的二次曲线 c q a q 2 b q 十 c g m j i q g m a s 其中q 是发电 商在该时段的出 力 g m tm q 分别为 机组 的最小技术出力和最大技术出力 a b c 为发电成本函数的参数 则发 电商具有线性的边际成本 c q 2 a q b e 2 日 前市场采用暗标拍卖和m c p 结算的联营体 p o o l 模式 联营体在收到 各发电商的报价数据后 以满足负荷的总购电费用最小为目标确定各发 电商的出力 并以最后被选中的发电商的报价作为该时段的m c p 3 市场出清价mc p 服从正态分布 其概率密度函数为 一 斋ex p 一 一 p 2 2 1 1 式中 p 为 预测电 价的 期望 值 尹为 预测电 价的 方 差 4 发电商可提前与供电公司或用户签订单向或双向差价合约 其合约的敲 定价格和合约电量分别用兄 和x 来描述 这样发电商在失去将来电价上升 所带来的收益的同时 也避免了因电价降低带来的风险 同时余下的电 量可以在现货市场交易 以争取最大的收益 5 各个发电商没有相互勾结的行为 单个发电商对mc p 没有明显的操控能 力 2 3 2采用双向差价合约时的报价策略 差价合约属于电力金融合同 当合约交货时的现货市场价格高于合约敲定价 华北电力大学硕士学位论文 时 发电商需要把市场价与合约敲定价之间的差价支付给供电公司 反之 当市场 价低于合约敲定价时 供电公司需要把两者的差价支付给发电商 因此 双向差价 合约等价于一个以敲定价格为交易价格的远期合同 可以使交易双方回避任何的市 场价格波动风险 当发电商签订双向差价合约时 其收益函数为 以一 ax 一 c q p p o 一 p x 一 c 0 p y y7 r 一 a y 一一 二 zz一 一 愁 产认 i j 少 即一v乙 万口g q 通过对上式积分 可得 e p o q g 一 x 一 f p q 一 a q 一 b q f p dp 2 1 4 当报价方案的价格确定时 为使方案的期望收益最大 发电商的决策应该满足 a 业 o q g 8 q 2 1 5 8 e p o q g 0 8 x 2 1 6 当发电商的报价为p o 时 其最优发电量和合约电量分别为 q f pf p dp 一 b 户 p dpb r v e x p z 2 2 召 2 r 一 b 1 一 z 2 a g f p dp 兄 产 兄 产 4 p o x m a x p 一 a 0 一 c 0 p 5 p o 2 2 0 第2 种形式是卖方差价合约 当合约交割时的实时电价低于合约敲定价时 买 方需要将两者的差价补偿给卖方 当发电商签订卖方差价合约时 其收益函数为 b 2 p o q p p q x m in p a 0 c q p z p oi x m in p a 0 c 0 p p o 2 2 1 当发电商签订单向差价合约时 2 种形式对应的期望收益分别为 e p q g j b p o q p d g p 一 m ax u 一 0 一 c 00 0 一 z 一 b q f p dp 2 2 2 e z p q g j b 2 p o q p d g p 一 一 0 一 f 一 a 9 2 一 b q f p dp 2 2 3 为使发电商的期望收益最大 其最优决策需要满足式 2 1 5 和 2 1 9 可以得出 与式 2 1 7 和 2 2 0 相同的结果 即不考虑风险因素时 单向差价合约不会影响发电 商的报价策略 而仅会对其期望收益带来变化 买方差价合约使发电商的期望收益 减小 卖方差价合约使发电商的期望收益增大 2 4 报价策略的扩展 以上所得到的报价方案针对每个时段只报 1 个出力一电价 考虑到发电商的可 变生产成本所具有的一般特征 为便于市场交易算法的实现 国内外实际运营的电 力市场大多采用分段报价机制 即要求或允许发电公司将其发电容量分成多个容量 段报价 并且要求随着机组出力的增加 容量段的报价必须是递增的 不同电力市 华北电力大学硕士学位论文 场允许的报价容量段数不同 美国加州电力市场允许报 1 6段 英国为 3段 而在 澳大利亚和我国浙江电力市场则为 1 0段 一般而言 市场交易算法的复杂程度直 接影响能够允许的报价段数 当市场交易算法相同时 允许报价段数越多则对市场 交易系统的要求越高 下面以双向差价合约为例 分析在采用分段报价的电力市场 中发电商的报价策略 当采用单向差价合约时 具有相似的结论 假定市场规约所允许的最大报价段数为n 由于 mc p服从正态分布 而发电 商的收益与市场出清价有关 因此收益是不确定的 当发电商报价方案的段价和段 容量分别为p 和q 1 2 一 扔 其最优报价策略的目 标为最大化其总的期望利 润e f r q i g 即 e 二 客 c p q 一 p 一 c q f p dp 为 了 使 上 式 简 便 其中 p o 0 p n i a o 9 艺q k o 2 2 4 当发电商报价方案的段价确定时 为使期望收益最大 其最优报价策略应满足 o e p q g 产 一 2 a q 一 b f p dp 0 0 必 p 2 2 5 经过简化整理后 其段容量应满足 q 艺q k c p f p d p 一 广 f p d p 2 a c f p dp 2 2 6 从式 2 2 4 可以看出 当发电 商签订双向差价合约后 其中标电量其实分为两 大部分 一部分为合约出力 执行合约电价 一部分为竞价出力 执行市场出清价 如果中标电力小于合约出力 则以出清价向市场购买所缺电力 履行合约 在发电 商中标电力不变的情况下 若中标电力小于合约电力 则发电商的收益随市场出清 价的升高而降低 反之 发电商的收益随出清价的升高而升高 变化速率与中标电 力和合约电力差额的绝对值成正比 当中标电力与合约电力相等时 发电商的收益 为固定值 而与市场出清价无关 在分段点处 发电商的收益不再是市场出清价的 连续函数 当报价策略的段容量确定时 为使期望收益最大 在整个段价区间内 应 满足 p q a p x c q p q 1 p x c q 2 2 7 上式求出的段价区间的最小值即为此段的段价 即 p 2 a q 0 5 9 0 b 2 2 8 华北电力大学硕士学位论文 当发电商的报价方案满足式 2 2 6 和式 2 2 8 时 其期望收益函数达到一个局部 最大点 由于发电商的收益是段价和段容量的 2 n维函数 且在分段点处甚至是不 连续的 要理论求得全局最大点几乎是不可能的 在市场报价中 如果市场出清价格低于机组最低出力时的平均成本 机组发电 就是净亏损的 则可能选择停机 此时就会产生一定的停机成本 主要是停机后一 段时间再启动时需要额外消耗一定的姗料 产生启动成本 由于电力市场的竞价每 天分为4 8 点或 点 市场出清价长期低于平均成本是不现实的 短时间停机获得 的收益往往无法弥补停机成本 所以这种情况应尽量避免 除非预测到市场出清价 将长期低于机组在最低出力时的平均成本 则可以选择停机 发电权转让给其他机 组 通过差价合约获取更大的收益 根据上述分析 发电公司在报价中 可以实施下面的报价策略 1 发电商签订双向差价合约后 机组的最小出力电量部分甚至全部执行合 约电 价 为了避免停机而造成成本的 增加 电力从0 至机组最小技术出力g m in 以 0 价格报价 确保可以中标 即第一段的报价为 0 g ro in 2 假设报价方案的第二段容量为 则可根据式 2 2 8 求出第二段的段价p 2 同时为了 使本段容量满足最优条件 根据式 2 2 6 可求出下段段价p 3 依次类推 可推导出各段的段价和段容量 直到达到最大段数或最大技术出力为止 如果求出 的第i i s m段段容量使得q r g m a s 则做如下调整 令g i 0 g m a x q r i 并根据式 2 2 8 求出第i 段的段价 3 求得整个报价方案后 根据式 2 2 4 求得此报价方案的期望收益 4 根据上面的方法 当设定不同的第二段段容量时可求出不同的报价方案 为了使报价方案的期望收益达到全局最优 以固定步长逐步提高第二段段容量 得 到每种报价方案下的期望收益 其中 当期望收益最大时对应的报价方案即为发电 商的最优报价方案 2 5 考虑风险的报价策略 风险型决策也称为概率型决策 这类决策的主要特征是 决策的问题存在两种 以上的自 然状态 每个被选方案所面临的自然状态是不能肯定的 各种自然状态的 出现是随机的 可以根据统计资料或具体的调研分析预测其出现的概率 按照这些 概率进行决策就是风险决策 2 5 1风险偏好与效用 微观经济学中 效用指消费者消费一定数量的若干商品后所感受到的满足程 度 是在有风险的情况下对后果的爱好 称为偏好 的量化 偏好与效用是联系在 1 9 华北电力大学硕士学位论文 一起的 如果一种商品对消费者没有效用 消费者就不会产生对这种商品的偏好 商品之所以能让消费者感到一定程度上的满足 是因为商品具有一定的满足人们需 要的能力 商品的效用实际上就是消费者主观感受到的商品的使用价值 因人而异 不同的消费者消费了同等数量的同一商品后 所取得的效用是不同的 各人有各人 的感受 上述效用与偏好的概念可以扩展到社会经济的各个领域 在投资领域 某一投 资或投资组合的效用u u t i l i t y 可表示为该投资或投资组合的收益和风险的函数 即 效用函数 对效用函数的确立在理论界有许多版本 我们采用文献 5 5 中的方法计 算效用函数 u e t 0 5 耐 2 2 9 其中 e 乃 和衅分别为 投资收益 t的数学预期和方差 风险 提衡量 投资者对 风险的厌恶程度的指数 称其为风险偏好因子 伪 正值时 表明投资者是风险规避 者 而且遨 大 表明 投资者越厌恶风险 在函数式 2 2 9 中表现为使得减项对效用 的扣除越大 r 为0 表明投资者是风险中立者 只对投资的预期收益感兴趣 而对 风险并不在乎 伪 负值 表明投资者是风险爱好者 投资者不仅对投资的回报感兴 趣 而且对投资的风险感兴趣 因此 在函数式中 风险项不仅不会使投资的效用 减小 反而使效用增加 这一效用函数的 合理性在于 投资的回报 e 乃 越高 该投资给予投资者的效 用也越高 而投资的 风险 v 2t 越大 该投资给予投资者的 效用则越小 同时 投资者 个人的风险偏好也用丁 考虑了进去 风险厌恶度高的投资者 拍 勺 值越大 从而能增 大该函数的减项 放大投资风险对效用的负作用 因此 尽管这一效用函数的确立 带有相当大的主观色彩 但比较正确地反映了投资者的决策心理 反映了投资的预 期收益 风险和投资者自身的风险偏好对投资决策的影响 基于以上效用函数 下面对发电商考虑差价合约的单段报价策略进行建模和分 析 2 5 2 问题分析 由于无法准确预测实时市场的价格 发电商的任何报价策略都存在收益风险 发电商报高价时可能获得较高的收益 但同时面对可能被选不中从而承受相应经济 损失的风险 反之 报低价时发电容量被充分调度的可能性增加 但同时市场价格 较低的可