电力市场中发电厂竞价策略研究(1)

摘 要电力市场化是当今电力工业发展的必定趋势，它引起了电力工业产权结构的变革，同时引发了一系列新的技术问题。本文针对电力市场中的发电商竞价策略问题进行了探讨，首先介绍了电力市场的运营交易模式及出清电价结算机制。其次，把竞价问题看成是竞价者和市场之间的零和二人混合对策问题来制定竞价方案的方法，给出了竞价方案，指出了发电厂应依据自己成原来进行竞价。接着介绍了电力市场中发电厂商竞价现状和博弈论方法，最终用概率论描述竞争对手的报价行为，建立了不完全信息下的基于概率论的双层竞价策略模型，提出了针对该数学模型的求解算法及框架，即用遗传算法寻优，从而得到最优报价参数。关键词：电力市场；博弈论；竞价曲线；遗传算法；竞价策略目 录第一章 绪 论1其次章 电力市场的运营交易模式及出清电价结算机制42.1电力市场的概念42.2电力市场的结构和运营模式52.3电力市场的交易模式82.4电价的形成机理10市场出清价结算机制10电力市场出清电价的形成过程11第三章 电力市场中发电厂商竞价现状和博弈论方法143.1发电厂商竞价策略探讨现状143.2按成本分析进行报价153.3电力市场中发电厂商竞价的博弈论方法163.3.1 博弈论的基本概念16博弈的战略式表述18博弈论的分类18纳什均衡193.4博弈理论在发电厂报价中的应用20发电厂商的竞价策略20有功负荷的最优安排21第四章 不完全信息下发电商的竞价策略244.1采纳概率论描述竞争对手的报价行为244.2不完全信息下发电商竞价策略模型264.3遗传算法简介274.4遗传算法的解算原理28总 结31参 考 文 献33致 谢35I 34第一章 绪 论概 述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。随着全球经济的快速增长，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。严峻阻碍了技术进步乃至社会生产力的提高。增加电力工业的活力，自20世纪80年头末起，电力工业的市场化在全世界的范围内绽开，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，从而为社会供应更廉价、更牢靠的电力。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。早在上世纪八十年头智利和英国就起先了电力工业改革，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，但更多的是胜利的阅历。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。1998年起先，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。2002年底，电力工业进行了资产重组，新成立了11家电力公司。2004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”推动电力市场化改革已经成为共识。2011年进入“十二五”规划，电力体制改革起先实施“主辅分别”方案。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更，同时也带来了一些新的问题。新的运营环境要求采纳先进的经济手段和探讨新的技术支撑方法，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、特殊是电力市场中发电厂商竞价策略探讨电力市场运营技术以及电力市场技术支持领域的探讨已成为当前电力市场探讨的关键和热点。新的电力市场环境给电力工业提出了更高的要求和很多值得深化探讨的课题，总体来看，电力市场理论探讨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限制、市场机制下电力系统平安稳定分析方法和限制策略、电力市场经济稳定性及堵塞管理机制、电力市场中平安与经济的协调以及市场环境下输电网络管理。探讨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依据市场规则进行报价决策时所实行的一整套策略。在志向的、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很多特殊性，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，在给定的地区内只有有限的若干电厂参加竞争，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备性，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识，急需完善的报价策略理论作为指导，以及高效的报价协助决策工具来帮助决策人员和报价人员进行报价决策。所以本课题的探讨具有重要的理论和实际意义。对于电力运营者而言，必需供应有效的竟价算法和规则，使全部参加竞价的电力用户处于同等和合理的地位；同时竞价算法还应使竞价的过程公正和高效的进行。因此探讨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。所以本课题的探讨结果对制定电力市场的政策有肯定的帮助。其次章 电力市场的运营交易模式及出清电价结算机制2.1电力市场的概念狭义的电力市场一般是指发电市场、输配电市场、供电市场、用电市场、电建市场等。广义的电力市场，可以依据商品的市场属性和电力商品的特殊性加以说明，但目前还没有统一的定义。目前比较流行的定义为：电力市场是采纳法律、经济等手段，本着公允竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用电等各环节的成员，组织协调运行的管理机制和执行系统的的总和。电力市场的管理机制是指，主要借助经济手段进行管理，不同于传统的行政管理机制。电力市场的执行系统包括贸易场所、计量系统、计算机系统、通信系统等。电力市场的基本特征是：开放性、竞争性、安排性和协调性。与传统垄断的电力系统相比，电力市场最大特征是具有开放性和竞争性。与一般商品市场相比，电力市场则具有安排性和协作性。电力市场的实质是通过建立一个充溢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，电力市场的本质是依据公允、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供应了选择电力供应商的权利，使他们能获得低价优质的电能。电力市场的总体目标是：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，推动全国联网，构建政府监管下的政企分开、公允竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。2.2电力市场的结构和运营模式电力工业放松管制后出现了很多全新的实体。这些实体包括：发电商、发电经纪商、电力交易中心、系统操作员、协助服务供应商、电网拥有者、安排协调者、配电商和零售商。探讨和确定这些实体的功能及其组合，以及相应的市场结构和交易模式，是电力市场胜利运营的前提。电力市场与一般商品市场一样，生产者依据“边际收益等于边际成本”的收益最大化原则确定产量，既存在垄断，也存在竞争。从世界各国电力工业的发展来看，总的趋势是朝着完全竞争的市场结构发展。在不同电力管理体制下，电力市场的运营模式可以分为以下4种：(1) 垄断模式集发电、输电、配电为一体，进行统一垄断经营，如图21所示。为限制垄断利润，国家通过法律法规手段对电价实行管制。图21垄断模式这种模式在一段时期内，对工业积累资金、大规模滚动发展、统一电网规划和建设起到了重大的作。但随着电力供应的不断扩大，电力供需冲突的缓和，这种模式的弊端就逐步显露出来。国家已不堪电力投资的重负，而且国有资产的增值、保值责任难以落实。因此这种模式已不能适应当今电力市场的发展，必需引入竞争的市场机制。(2) 发电竞争模式该模式即厂网分开、竞争上网的运营模式。在这一模式下，输电和配电仍旧是垄断经营。这种模式允许存在独立发电商IPP(Independent Power Producer)，但IPP生产的电力仍由电网垄断企业单独收购，再卖给广阔电力用户。IPP的出现表明，发电侧电力市场得以形成，单一购买者从很多不同的发电商中选择，以激励发电阶段的竞争。不允许干脆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22所示。图22发电竞争模式(3)趸售竞争模式这种模式的标记是：发电竞争，输电网开放(但配电网仍旧垄断经营)，大用户获得选择权，其核心是输电网开放。签于此，又有人将其称为电力转运模式。发电企业公允竞争、竞价上网，允许电力大用户干脆从发电企业购买低价的电力，通过统一电网或互联电网予以转运。所谓转运就是由发电企业和用户干脆签订购电合同，通过交纳过网费的方法，利用输配电网，由输电公司负责转运电能。在电力转运模式中，有竞争的发电市场，也有垄断经营的输电市场和竞争的销售市场。这一阶段是电力市场的成长阶段，在发电与电网分别后，输电与配电分开经营、发电竞争、输电网丌放，并供应有偿的服务：配电公司对最终用户仍旧有垄断权。发电、输电、配电以及售电各个环节之问的交易流向如图23中的实线箭头所示。图23趸售竞争模式和零售竞争模式(4)零售竞争模式零售竞争模式的标记是：发电竞争，输电网和配电网开放，全部用户均获得选择权，其核心是配电侧电力市场全面开放。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别出来。零售竞争通过将全部用户都带入市场来产生特别强大的竞争力。这一阶段，不仅在发电环节，而且在零售环节，都绽开较完全的竞争。发电、输电、配电以及售电各个环节之间的交易流向如图23中的实线箭头和虚线箭头所示。2.3电力市场的交易模式电力市场的交易模式通常按进行电力电能交易的主市场的组织形式来定义，按市场开放程度不同，主要有三种模式：(1)单一买方电力库(Pool)模式英国1991年改革采纳的模式就是典型的电力库模式，该模式也称单一买方或“N+1模式，我国六个试点省市的发电侧电力市场均实行该交易模式。该模式只要求“厂网分开，在交易形式上，只有发电厂商报价，由电力交易中心接受报价并按最小成本收购电力；交易安排通常在同前进行，属于电力现货批发交易。其最大的特点就是将电网看作电能交易中心，全部发电商和用户与电网运营中心发生经济关系。英国、智利、阿根廷等国以及美国PJM电力市场、澳大利亚Victoria电力市场都属于这一类市场模式。该模式的优点是：模型简洁，而且易于操作，由于PX与SO同属于一个公司，系统操作与原来的垂直一体化的经济调度基本一样，利于平稳过渡；发电厂商仍听从集中安排和调度，各种协助服务一般在同市场上同时安排，利于系统平安稳定运行；采纳暗标拍卖的方式，统一的市场清算价方法；发电公司和用户通过(P001)进行交易。缺点：由于电力交易中心PX(Power Exchange)与系统操作员SO(Syste Operator)同属于一个公司，使得电网的权力过大，市场的透亮程度不高，调度不公的问题依旧存在；电力交易中心是唯一的买方，对用户而言又是唯一的卖方，可能操纵市场，且用户没有选择权，市场竞争有限，必需加强监管。输电网的运行费用及其它花费都由用户负担，很不合理。(2)“电力库+双边交易”模式该模式在电力库交易外，允许配电商和大、中电力用户干脆与发电厂商进行双边交易，由买卖双方通过协商确定价格；同时，要求在厂网分开的基础上进行“输配分开，至少输电和配电独立核算，输电网的运营者为双边交易供应“过网”服务、并收取过网费。双边交易通常实行远期合约交易的方式，它给用户以选择权，起到增进市场竞争性、平抑电价的作用。依据国发20025号文件，我国将逐步开放大用户和发电厂商间的双边交易。在双边交易中，过网费的收取是一个相当困难的问题，它不仅涉及到输电网的投资回收和网损补偿，还涉及到为保证双边交易实施所需的协助服务获得和付费问题，此外，双边交易的详细实施和调度还涉及到输电可用容量和系统平安性等一系列困难问题。(3)“双边+多边交易模式该模式的主要优点是为用户供应了更多的选择权。首先，用户仍旧可以保留远期合约为主的双边交易方式，而现货市场采纳经纪人系统，这是一种多边交易，它不同于电力库的主要特点是同时接受发电厂商和用户的报价，以最小成本实现最大效用为原则进行购售匹配；其次，该模式要求配售分开，允许史多的用户、包括一些不具备配电网的电力零售商参加经纪人系统的报价和竞争；第三，多边交易的形式可以用于电力远期和期货交易，这些交易可干脆由多个交易谈判达成、也可通过经纪人撮合成交，因此交易形式最为自由。然而，由于发、输、配、售完全分别，该模式下系统的平安稳定运行须要困难的协调机制。与Pool模式相比，模式下的竞争更加充分。美国加州电力市场以及北欧电力市场、新西兰等国的电力市场就是属于这种模式。我国近期(2000-2010年)采纳国家一大区一省级三级电力市场结构，其间多采纳基于交易中心的联营交易模式，我国随着现行的Power Pool运行方式主要是“l+N模式。“l”是指电力市场的单一购买者，即电网经营企业；“N”是指参加市场竞争的各个独立发电企业。电网经营企业是发电侧电力市场的单一购买者，负责经营全部发电企业的上网电量，并保证用户用电。省级电力公司及区域性电力市场竞争机制的不断完善，省内和省间双边/多边交易将成为市场的主要模式。由此可见，我国电力市场环境下，基于交易中心的联营交易模式和干脆双边/多边交易模式将会长期共存。2.4电价的形成机理由于电力不能存储以及电力工业的特殊性，确定了电力市场不是完全竞争市场而是更接近于寡头垄断市场，存在着博弈行为和一些未知的、不确定的因素，发电企业可以通过策略化的竞价投标来达到企业收益的最大化。策略性报价是发电商依据负荷预料、输电约束等公共信息报高于机组边际成本的价格。2.4.1市场出清价结算机制日前现货市场是整个电力市场的核心和基础，日前现货市场竞价上网的竞价机制对电力投资和交易市场都具有特别重大的意义。竞价机制也是影响发电厂商策略性报价行为的重要因素，合理的R前市场竞价规则和竞价机制是促进电力市场健康稳定发展的关键所在。不同的电力市场交易模式，采纳不同的竞价机制。目前世界各国电力市场采纳的竞价机制多为统一价格(Uniform Pdce)竞价机制，我国的6个试点省市除上海外，采纳的都是这一方法。在该机制下，发电商向交易中心提交次同某一交易时段的最大可发电量与相应的发电报价，交易中心按报价从低到高的依次择发电商，直至所选择的发电商的最大可发电量之和与该时段的需求电量平衡，最终一位被选中的发电商的报价即为市场出清电价(Market Clearing Price)，全部投标获胜的厂商均按此价格进行结算。发电商与交易中心的关系可用图24来表示。图24发电商与交易中心的关系2.4.2电力市场出清电价的形成过程依据微观经济学的原理，在市场状况下，商品的价格是在该商品的供需双方竞争过程中自发形成的。一般来说，商品的价格越高，商品的供应者就情愿多供应商品；价格越低，就少供应商品。而对于消费者而言则恰恰相反，商品的价格越低，他们就越情愿多购买商品；价格越高，就少买商品。供应曲线和需求曲线的交点就是商品的均衡价格(市场价格)及成交数量。价格和供需关系如图25所示。 图25价格和供需关系电力作为一种特殊商品，其价格在不同的时间、不同的地点都是不同的。目前世界上很多电力市场采纳的都是市场出清价结算，电力市场出清价的形成过程和上述一般商品的形成过程基本相像但也有其特殊性。如在华东地区电力市场中，月度竞价市场的出清价的形成是由供需双方共同竞争的结果，供应方(发电公司)报出供应曲线(包括电力、电价)，用户方(电网公司)报出需求曲线(包含负荷、电价)，双方的曲线交点就是无系统约束条件下的系统出清电价。而在同 市场中，由于电力瞬时平衡的特殊性，为保障电网平安，供应方(发电厂)只报供应电力和电价，但用户(电网公司)只报负荷需求，而不报价，即需求是刚性的、平行于价格轴、不同时刻结果不同的直线。价格形成如图2.6所示。 图2.6 日前市场中某时段电力市场价格的形成发电侧电力市场中，发电商向交易中心申报价格，电力交易中心作为单一的购电商代表用户买电，出清方式一般采纳全网统一价格结算，即依据最终一个满意电量需求的发电商报价进行结算。图2.7 出清电价的形成过程例如，三个发电商的报价分别如图2.7所示，某时刻市场的平衡点E处对应电价是名，则全部的出清价都按五结算。在统一出清电价下，对发电商而言，假如报高价，可能竞价不胜利，也可能竞价胜利但成为边际机组，得到的上网电量不多，在此状况下，报高价的风险较大，且让其他报低价而获得更多上网电量的发电商获得了巨额利润，这是任何一个发电商都不情愿看到的。所以，在统一出清电价下，有电力市场曾出现过报负价的现象，各发电商都报低价造成了恶性竞争。因此，电力市场中一般设置了最高限价和最低限价。在此条件下，发电商按成本报价是比较稳妥的做法。在统一出清电价下，发电厂商在价格决策时，一般都有偏离成本报高价的倾向：在产量决策时，发电商可利用市场力，通过持留发电容量导致市场出清电价上涨，肯定条件下可获得超额利润，因此也有持留发电容量的倾向，但它能供应丰富的经济学信号，这是它突出的优点。第三章 电力市场中发电厂商竞价现状和博弈论方法3.1发电厂商竞价策略探讨现状PowerPool通常采纳“暗标拍卖”并按统一市场价格结算，采纳这种机制的依据是：当PowerPool的是一个完全竞争的市场，则发电厂商追求利润最大化的唯一可行的竞价策略是依据机组的边际成本报价，这时，市场的运行也是最有效率的。然而，实际的PowerPool往往不是一个完全竞争市场，而是更接近于寡头垄断市场。在实际的PowerPool中，市场成员相对固定且个数有限，少数几个规模较大的发电厂商可能拥有较强的市场力。也就是说，发电厂商可以不按边际成本报价，而是采纳肯定的竞价策略，以期影响市场结算价格，从而获得比按边际成本报价更高的利润。PowerPool中详细采纳的不同竞价方式，竞价策略可分为：电能多部分投标、电能单部分投标、电能与协助服务同时投标。电能多部分投标最早建立的England&Wales Power Pool采纳的是多部分投标的竞价方式，发电企业申报能量价格、启动费用、停机费用等多个参数，Pool采纳类似传统的优化机组组合算法进行市场结清。早在1993年，A.K. David即探讨了针对该种竞价方式下发电厂商的竞价策略问题，以动态规划为基础构造了优化竞价策略。 电能单部分投标 ，单部分投标发电厂商只申报能量价格，发电厂商在构造竞价策略时要自己计及启动成本、停机费用等各项成本，自己考虑运行约束，而Pool则只需依据报价作一排序，确定各发电厂商的成交量。如加州和澳大利亚电力市场都采纳单部分投标。 在单部分投标机制下，发电厂商在报价中应考虑多时段机组启停约束和启动、停机等成本。J.M. Arroyo和A.J. Conejo建立了作为价格接受者的火电机组对多个时段现货电价优化响应的混合整数规划模型，指出混合整数规划模型可以比动态规划模型更真实严格地描述机组的成本特性和约束条件。事实上，发电厂商在构造策略性的投标试图影响市场价格时，也必需考虑多时段竞价策略的协调，然而目前这方面的探讨很少见。 电能与协助服务同时投标 在新西兰、西班牙、加州等电力市场中，各种旋转备用、AGC、冷备用等一些协助服务与电能一样，也是通过竞价的方式购买。由于这些协助服务与电能都占用发电机的容量资源，因此，它们的市场结清过程与电能的结清过程关系亲密。F. Wen和A.K. David以加州电力市场为背景，提出了一种协调能量市场和旋转备用市场的投标策略的方法，并采纳遗传算法进行求解。如何构造协助服务的竞价策略以及如何和电能的竞价策略相协调是一个新兴的探讨领域。 3.2按成本分析进行报价 平均报价 按成本分析进行报价中最简洁的是平均电价法，只给出一个上网电价的平均值，其计算公式： 上网电价=（发电成本+发电税金+发电利润）/厂供电量 (3.1)容量和电量综合报价,这种方法在原理上是把上网电价分为两部分,即容量电价和电量电价,最终合成统一保价。 运行时段综合报价,按运行时段计算上网电价时,将电价分成基本电价和电度电价。3.3电力市场中发电厂商竞价的博弈论方法 3.3.1 博弈论的基本概念 博弈论的基本概念包括参加人、行动、信息、战略、支付、结果和均衡等等。其中，参加人、战略和支付是描述一个博弈所须要的最少的要素，而行动和信息是其“积木”。参加人、行动和结果统称为“博弈规则”。博弈分析的目的是运用博弈规则预料均衡。 （1）参加人（players）：参加人指的是一个博弈中的决策主体，他的目的是通过选择行动或者战略以最大化自己的支付水平。参加人可能是自然人，也可能是团体。在本文所探讨的参加人指的是电力市场环境下的发电厂商。 （2）行动（actions or moves）：行动是参加人在博弈的某个时点的决策变量。一般的，用表示第i个参加人的一个特定行动，表示可供选择的全部行动集合（action set）。参加人的行动可以使离散的，也可以使连续的。 在n人博弈中，n个参加人的行动的有序集 称为“行动组合”，其中第i个元素是第i个参加人的行动。和行动相关的一个重要问题是行动依次（the order of play）。行动依次对于博弈的结果是特别重要的。事实上，有关静态博弈和动态博弈的区分就在于行动依次的做出。我们看到，同样的参加人，同样的行动组合，行动的依次不同，每个参加人的最优选择就不同，博弈的结果也就不同.。（3）信息（information）：信息是参加人有关博弈的学问，特殊是有关“自然”的选择，其他参加人的特征和行动的学问。信息集（information set）是博弈论中描述参加人信息特征的一个基本概念，可以理解为参加人在特定时刻有关变量的值的学问。 在博弈论中，“完备信息”和“完全信息”是既有联系又有区分的两个概念。完备信息（perfect information）指的是一个参加人对其他参加人（包括自然）的行动选择有精确了解的状况；完全信息（complete information）是指自然不首先行动或者自然的初始行动被全部参加人精确视察到的状况，即没有事前的不确定性。 共同学问（common knowledge）指的是“全部参加人知道的学问。共同学问是博弈论一个很强的假定。（4）战略（strategy）：战略是参加人在给定信息集的状况下的行动规则，它规定参加人在什么时候选择什么行动。因为信息集包含一个参加人有关其他参加人之前行动的学问，战略告知该参加人如何对其他参加人的行动做出反应，因而战略是参加人“相机行动方案”（contingent action plan）一般的，用表示第i个参加人的一个特定战略，代表第i个参加人的全部可选择的战略集合。假如n个参加人每人都选择一种战略，n维向量称为一个战略组合（strategy profile） （5）支付（payoff）：在博弈论中，支付指的是在一个特定的战略组合下参加人得到的确定效用水平，或者是指参加人得到的期望效用水平。博弈的参加人的目标是选择自己的战略以最大化自己的支付。博弈的一个基本特征是，一个参加人的支付不仅仅取决于自己的战略函数，而且取决于全部其他参加人的战略选择，是全部参加人的战略选择的函数。 （6）结果（outcome）：结果是博弈分析者感爱好所在，如均衡战略组合，均衡行动组合和均衡支付组合等等。（7）均衡（equilibrium）：均衡是全部参加人的最优战略组合，一般做 (3.2) 其中， 是第i个参加人在均衡状况下的最优战略，它是参加人的全部可能的战略中使得支付最大化的战略。 3.3.2博弈的战略式表述 在博弈论中，一个博弈可用两种不同的方式表述，一种是战略式表述（Strategic form representation），另外一种是扩展式表述（Extensive form representation）。这两种表述形式几乎完全等价。这里仅给出战略式表述。1）博弈的参加人集合： 2）每个参加人的战略空间：3）每个参加人的支付函数：4） 一般的,代表这个战略式表述博弈。3.3.3博弈论的分类依据参加人的先后行动分类：(1)静态博弈。参加人同时选择行动或者虽非同时但后行动者并不知道前行动者采纳了什么详细行动。(2)动态博弈。参加人的行动有先后依次，而且后行动者能够视察到先动者所选择的行动。依据参加人对有关其他参加人的特征，战略空间和支付函数的学问分类： (1) 完全信息。每个参加人对全部其他参加人的特征、战略空间和支付函数有完全的了解。(2)不完全信息。至少有一个参加人对其他参加人的特征、战略空间或者支付函数不完全的了解。由此，可以得到四种不同类型的博弈及其对应的均衡，见下表3.1。表31博弈的分类和所对应的均衡3.3.4纳什均衡在这里，集中探讨完全信息静态博弈，其中“完全信息”指的是每个参加人对全部其他参加人的特征(包括战略空间和支付函数等)有完全的了解，“静态指的是全部参加人同时选择行动而且只选择一次。应当指出的是，“同时行动”在这里是一个信息上的概念，只要每个参加人在选择自己的行动时候不知道其他参加人的选择，就是说明他们在同时行动。博弈分析的目的是预料博弈的均衡结果，即给定每个参加人都是理性的，每个参加人都知道每个参加人都是理性的，什么是每个参加人的最优战略，什么是全部参加人的战略组合。纳什均衡是完全信息静态博弈的一般概念，也是全部其他类型博弈解的基本要求。3.4博弈理论在发电厂报价中的应用3.4.1发电厂商的竞价策略 电力公司可以依据其生产成本确定自己的竞价策略。通过变更自己的报价成本曲线，可以变更系统的负荷安排和节点电价，从而影响着全部发电厂商的受益，同样可能促使其他参加人变更其竞价策略，进而可以使得整个系统的利益重新安排。在本章中，分析离散型的三种典型竞价策略： 高价策略H以高于成本20%进行报价，模型中发电机成本函数相应的变成： (3.3)中价策略M以实际成本进行报价，模型中发电机成本函数相应的变成： (3.4) 低价策略L以低于成本20%进行报价，模型中发电机成本函数相应的变成：(3.5)发电厂商可以选择以上三种报价策略，或者高价策略抬高市场电价，或者低价策略出售更多电量，还可以选择中价策略和Pool合作，选择目的是为了使得自身的利益最大化。当然最终的策略选择还得取决于全部发电厂商博弈的结果。 3.4.2有功负荷的最优安排 PowerPool依据发电厂商的报价，进行有功负荷的最优安排： (1)目标函数发电机运行费用最小 : (3.6)其中，费用函数常用二次函数表示： (3.7)(2)等式约束约束就是节点潮流方程： (3.8)(3)不等式约束 发电机有功出力限制、发电机无功出力限制、有载调压变压器变比限制、节点电压幅值限制、线路最大传输限制。综上所述，发电机在约束条件下的有功负荷安排等价为求解如下的最优化问题： (3.9) 在博弈模型中，博弈方是各个发电厂商，他们在博弈模型中的决策步骤有以下两步组成：计算收益，形成支付表;进行博弈。 （1）计算收益，形成支付表 每一个发电厂商都有高、中、低三种竞价策略（HML），假如有n个发电厂商的话，则共有3n种战略组合。在某种战略组合下，Pool依据全部发电厂商的报价，进行经济调度，得出负荷在每一个发电厂商中的最优安排；经济调度和负荷最优安排的原则是牛顿法的最优潮流，以全网发电成本最小为目标。依据Pool的负荷安排状况，发电厂商依据实际的发电成本和实时电价，可以计算全部发电厂商在该种战略组合下的支付，（销售电量的收入和发电成本的差值，即发电收益）。发电厂商收益的求取如下： 求解出负荷的最优安排方案后，依据统一清算价的原则，找出全部发电机节点电价最高的值作为市场清算价，通过计算如下的收益函数，可以得动身电厂商的收益： (3.10)依此类推，可以把全部3n种战略组合下每一个发电厂商的支付都求出来，从而可以形成支付表。 （2）发电厂商博弈和Nash均衡 在对支付表进行博弈分析，可以得到全部发电厂商的最优策略，即Nash均衡。 在博弈的过程中，发电厂商i首先针对其他发电厂商的高、中、低三种竞价策略（HML），依据自己的收益来寻求自己的最佳对策。 给定其他发电厂商策略下，发电厂商选择自己的最优策略，全部发电厂商选择的最优策略构成了最优策略组合，即Nash均衡。也就是说，在Nash均衡中，给定别人战略的状况下，没有任何单个发电厂商有主动性选择其他战略，从而没有任何发电厂商有主动性打破这种均衡。 （3）流程图 图3.2 流程图第四章 不完全信息下发电商的竞价策略由于国内的发电侧电力市场运营模式更接近统一价格暗标拍卖的电力联营体发电竞争模式，各发电商的成本参数和竞价策略都互不了解。因此，这种电力市场属于不完全信息静态博弈。在这种状况下，发电商作为决策者须要进行不确定性决策。由于不清晰竞争对手的精确信息，因此发电商构建最优竞价策略时通常须要估计竞争对手的报价行为。目前描述竞争对手报价行为的形式有很多种，但大体可以归纳为两种：基于概率论的和基于可能性理论的。其中前一种方法理论基础比较严格，因此在本文中也采纳此种方法来估计竞争对手的报价行为。4.1采纳概率论描述竞争对手的报价行为当电力市场运行了一段时间后，各个发电商的投标行为己经比较稳定，市场运行历史数据也比较充分，这时发电商可以收集到一些关于其竞争对手的报价行为信息，从而通过概率描述它们的报价行为，建立基于概率的竞价策略模型。一般来说，在电力市场中，估计竞争对手的报价行为时，竞争对手的信息主要有以下几种来源：12(1)对机组型号的了解实时电价理论的核心是按系统边际成本确定电价。完全竞争的市场中，市场出清价等于系统边际成本。在实际的市场中，发电机组的成本特性曲线仍旧是制定报价策略的基础。(2)对发电公司的了解一个发电公司可以只有一台发电机组，也可以是一个拥有多台发电机的发电集团，公司的规模、地理位置、甚至体制的不同，都会导致其对风险的偏好、江苏高校硕士学位论文竞价策略的不同。例如在节点电价模式下，小公司可能会追求最大效益而选择风险较大的方案，大公司可能会为了规避风险而选择风险较小的方案；在统一电价模式下，小公司作为价格接受者，可能会为了追求稳定的收益而选择风险较小的方案，而大公司因为拥有较大的市场力，可能为追求更大的收益而选择风险较大的方案。(3)专家的运行阅历阅历丰富的运行人员对竞争对手的行为可以有比较精确的感性相识。(4)历史数据在传统的垄断体制下，电网的调度是依据社会效益最大进行的，厂商的成本信息是公开的。此外，对手过去的行为，在类似的环境下可能重现，因此竞争对手的投标历史数据是对其行为进行估计的重要依据。(5)公布的公共信息在电力联营体市场中，电力交易中心应在安排交易日的前一天10：00前公布安排交易R的电网短期负荷预报曲线、同前竞争负荷曲线；同时向各发电公司各机组公布合约出力安排，其中包括各机组全部时段的年度合约出力和月度和约出力。发电商通过规定的通信系统可以查询日前市场公布的信息。(6)商业机密如竞争厂商的真实电能成本、厂商问的勾结、制定竞价策略的方法等都属于商业机密。在不完全信息下的而电力市场中，虽然无法精确知道竞争对手的报价策略，但可以依据电力市场的运行数据、对手的历史报价数据、电力市场改革前公开的数据如竞争对手的机组型号及机组运行效率，再结合专家阅历，将竞争对手报价行为描述为概率分布函数。在本文中采纳匀称概率密度函数对竞争对手的报价参数进行估计。4.2不完全信息下发电商竞价策略模型本章在前面的基础上，探讨不完全信息下的发电商竞价策略，建立一个不完全信息下的发电商竞价策略模型，即所探讨的发电商在无法获知其竞争对手的精确信息时，须要借助概率论的方法对其对手的报价行为进行估计，从而来构造其自身的最优竞价策略模型。不完全信息下的电力市场对电力交易中心有功负荷的安排是没有影响的，即电力交易中心仍依据发电商的报价依据第三章中的原则进行有功负荷的最优安排。即发电机成本运行费用最低、有功平衡及发电机出力限制。有功负荷安排问题为下式的最优化问题： (4.1) 同完全信息下的状况类似，在忽视输电容量约束时，系统内全部节点的电价均相同，此时发电商i的收益可以表示为： (42)在上一章中已经分析了发电商的报价参数对市场出清电价以及有功负荷的安排是有影响的，而在上中发电商的收益是受出清电价及有功负荷安排影响的，因此可以理解为发电商报价参数干脆影响自身及竞争对手的收益。在本章当中假设共有N个发电商参加竞价，并以发电商f为探讨对象，发电商i的竞价参数记为，其他竞争对手的报价参数记为。假如把N-1个竞争对手等价为一个竞争对手，那么竞争对手的策略描述会变得简洁些，而且问题的本质也没有发生变更，求解也比较便利。因此在本章当中采纳了此种方法。综上所述发电商的竞价策略模型为： (4.3)上式中第一式表示竞争对手报价参数为，时发电商的最大收益。由于存在不确定参数，无法采纳常规的求解方法，而遗传算法能很好的解决寻优问题，因此本章采纳遗传算法进行求解。4.3遗传算法简介遗传算法3(GeneticAlgorithm，简称GA)是以自然选择和遗传理论为将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合的高效全局寻优搜寻算法。遗传算法摒弃了传统的搜寻方法，而是模拟自然界生物进化过程，采纳人工进化的方式对目标空间进行随机优化搜寻。它将问题域中的可能解看作是群体的一个个体或染色体，并将每个个体编码成符号串形式，模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程，对群体反复进行基于遗传学的操作(遗传、交叉和变异)。依据预定的目标适应度函数对每个个体进行评价，依据适者生存、优胜劣汰的进化规则，不断得到更优的群体，同时以全局并行搜寻方式来搜寻优化群体中的最优个体，以求得满意要求的最优解。4.4遗传算法的解算原理从数学角度讲，遗传算法实质上是一种搜寻寻优的方法。详细步骤包括：编码、形成初始群体、计算适应度(包括适应度函数的确定)、执行遗传操作(选择、交叉、变异)、终止操作等58。 (1)编码由于遗传算法并不能干脆作用于待求变量，其操作对象是字符串，所以应先确定问题的目标函数和变量，然后将待求变量进行编码。从生物学的角度看，编码相当于选择遗传物质，每个字符串对应一个染色体。编码的方式可分为二进制编码和实数编码。(2)形成初始群体初始群体是遗传算法搜寻寻优的动身点。群体规模即群体中所含个体的数量。群体规模越大，搜寻的范围越大，每一代的遗传操作时间越长，同时还会使得群体形态过于分散，收敛困难。反之，群体规模越小，搜寻的范围越小，每一代的运算时间越短。通常，群体规模是固定不变的，一般取为20-100。一般初始群体中的每一个个体都是按随机操作的方法产生的。从原理上可以使初始种群匀称分布于整个解空间，从而使遗传算法从全局范围内搜寻最优解。但是这些初始解的素养都很差，因而，我们在求解某一问题时，可以事先获得一些关于最优解的信息，使得初始解的素养有所提高，以提高搜寻效率。(3)计算适应度适应度是衡量个体优劣的标记，它是执行遗传算法“优胜劣汰的依据。遗传算法在进化搜寻过程中基本上不须要外部信息，仅以适应度函数为依据，利用群体中每个个体的适应度值来进行搜寻。因此，适应度函数的选择至关重要，它将干脆影响到遗传算法是否能找到最优解。通常，对于简洁的自变量分段函数，它所探讨问题的目标函数可以作为遗传算法的评价函数；而对于多变量的组合问题，评价函数则为其目标函数转换后的结果，它的建立要经过细心的设计和大量的计算模拟才能出来，具有肯定的困难。(4)执行遗传操作遗传操作是模拟生物基因的操作，它的任务就是依据个体的适应度对其施加肯定的操作，从而实现优胜劣汰的进化过程。从优化搜寻的角度而言，遗传操作可使问题的解逐代优化，靠近最优解。遗传操作包括以下三个基本的遗传算子：选择、交叉和变异。选择和交叉基本完成了算法的大部分搜寻功能，变异则增加了算法找到接近最优解的实力。选择选择的目的是为了从当前群体中选出优良的个体，使它们有机会作为父代而产生后代个体。推断个体优良与否的标准就是各自的适应度。明显，这一操作是借用了这样一种进化原则，即个体适应度越高，其被选择复制的机会就越多，使得群体的优良特性得以遗传和保留。遗传算法在搜寻过程中，一方面要选择优良个体，实现优胜劣汰，使搜寻收敛于全局最优解；另一方面，在搜寻过程中又要保持群体的多样性，使得搜寻空间不断扩大，避开收敛于局部最优解。因此，选择的力度和群体的多样性在遗传算法中是相互冲突的。若加大选择的力度，能提高收敛的速度，但群体缺乏多样性。反之，削减选择的力度，能保持群体的多样性，但影响收敛速度。交叉交叉是遗传算法产生新个体的主要手段，它是指把父代个体中的部分结构加以替换重组而生成新个体的操作。交叉是依据肯定的概率见(即交叉概率)在前面选择操作的结果中随机选择个体进行操作的。交叉的位置是随机确定的。通常遗传算法实现交叉的方法有三种：一点交叉、多点交叉和匀称交叉。变异变异操作模拟自然界生物体在进化过程中染色体上某位基因发生的突变现象，从而变更染色体的结构和物理性状。在遗传算法中，变异算子通过按变异概率随机反转某位等位基因中的二进制字符值来实现。为了保证个体变异后不会与其父体产生太大的差异，变异概率一般取值很小，以保证种群发展的稳定性。(5)终止操作使遗传算法终止的方法有三种：规定最大迭代次数N一旦遗传算法的迭代次数达到N，则停止操作，输出结果。另外，由于遗传算法中有很多随机因素的影响，最终一代的结果不肯定含有最优个体，因此，要记录每一代中的最优个体以便查询比较。规定最小偏差对于适应度日标已知的遗传算法，如用方差作为适应度计算的曲线拟合问题，可用最小的偏差万制定终止条件，即： (4.4) 式中,为已知的适应度目标,为每一代的适应度。视察适应度的变更趋势。在遗传算法的初期，最优个体的适应度以及群体的平均适应度都比较小，以后随着复制、交叉、变异等操作，适应度值增加。到了算法后期，这种增加已趋缓和或停止，一旦这种增加停止，即终止遗传算法。本章小结遗传算法完全区分于传统的优化方法。它是模拟自然界生物进化过程中的“优胜劣态，适者生存”的生物进化机制，并模拟人类的优生学原理，使子代不断向着优化方法发展，直到满意终止条件。总 结20世纪90年头以来，世界各国掀起了电力市场改革的浪潮，电力市场得到了快速发展。我国于2002年底对电力工业进行了结构重组，拉开了“厂网分开，竞价上网”、以建立发电侧电力市场为目标的新一轮电力改革的帷幕。与传统的垄断模式下的安排发电不同，发电商在电力改革后作为独立的经济实体要竞价上网，其最关切的问题就是采纳何种竞价策略使其自身收益达到最大化。为此本文所做的工作主要有以下几个方面：(1)在阅读国内外大量文献资料基础上，综述了电力市场环境下独立发电商报价策略的探讨现状，对现有的探讨方法进行总结归类及对比分析。(2)阐述了电力市场的概念、结构及运营模式，并指出了各运营模式的特点。探讨了电力市场中三种典型的电力市场交易模式，分析了电力市场中出清电价的形成过程。(3)考虑竞价过程中的不确定性因素，在不完全信息下采纳概率函数描述竞争对手报价行为的基础上，建立了基于概率论的双层优化竞价策略模型，并用遗传算法进行了寻优求解。本文对电力市场中的发电商的竞价策略问题进行了探讨，虽然取得了肯定的探讨结果，但作为一个较新的探讨领域，仍旧有很多问题须要进一步探讨：(1)本文是以大量中国电力市场改革和世界电力市场改革为背景，对该领域一些现有成果和未知领域的探讨和探究，这些探讨只停留在理论探讨上，并对一些问题进行了简化，很多理论有待于实际试点市场的模拟和检验。(2)估计竞争对手的报价行为是发电商报价策略的重要因素之一，但对目前不成熟的电力市场，各种历史数据不够充分，因此，如何估计竞争对手的报价行为是一个急需解决的难题。(3)本文提出的策略模型是针对单时段交易，单机组的报价的，今后应考虑多交易时段及多机组联合问题。我国电力工业改革仍在进行，市场模式及规则还没有最终确定，随着电力市场的逐步建立运行，将会产生很多新的问题，因此发电商的竟价策略问题将会不断深化。因个人水平所限，文中难免会有不足之处，敬请指正。参考文献1杨莉基于可能性理论的发电公司报价策略探讨D杭州：浙江高校，20032李敏强，寇纪凇，林丹，等遗传算法的基本理论与应用M北京：科学4陈国良，王熙法，庄镇泉等遗传算法以及应用M北京：人民邮电出版社，19965孙力勇，张焰，蒋传文基于矩阵实数编码遗传算法求解大规模机组组合问题J中国电机工程学报，2006，26(2)：84896杨波遗传算法在电力市场交易决策中的应用探讨D武汉：武汉高校，20047任玉珑，邹小燕，张新华发电公司的不完全信息竞价博弈模型J电力系统自动化，2003，27(9)：11148曾次玲，张步涵，谢培元进化博弈论在发电报价策略探讨中的应用J继电器，2005，33(2)：13179于尔铿，周京阳，张学松电力市场竞价模型与原理J电力系统自动化，2001，25(1)：24-2710彭春华，林中达电力市场下发电侧的发电与报价优化策略J电力自动化设备，2005，25(12)：1511李晓刚，谢贤亚，言茂松发电厂商策略性报价的行为特性初探J电力系统自动化，2003，27(20)：212512雷兵，王秀丽，高瑛，等独立发电商在日前市场的竞价策略分析J，电力系统自动化，2002，26(24)：81413于尔铿，韩放，谢开，等电力市场M北京：中国电力出版社，199814杜松怀电力市场M北京：中国电力出版社，200415王永干，刘宝华国外电力工业体制与改革M北京：中国电力出版社，200416参见国务院关于印发电力体制改革方案的通知(国发200215号)17叶泽电力竞争M北京：中国电力出版社，200318李春杰，王鑫，赵会茹，等基于竞价胜利概率的发电商报价策略的离散致 谢在论文完成之际，我要特殊感谢我的指导老师的热忱关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，应老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的探讨方法以及成文定稿方面，我都得到了应老师悉心细致的训诲和无私的帮助，特殊是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中，也得到了很多同学的珍贵建议，同时还到很多在工作过程中很多同事的支持和帮助，在此一并致以真诚的谢意。感谢全部关切、支持、帮助过我的良师益友。最终，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出珍贵看法的各位专家表示诚心地感谢！