峰谷分时电价

摘 要手段之一，利用电价信号，引导消费者采取合理用电结构和用电方式，从而实现电力消费的削峰填谷，达到提高电力资源（包括装机、电网和人力资源）的利用效率，节约电力生产投资的目的已成为燃眉之需。本文考虑政府、电力公司和用户三方面利益，研究利用博弈论思想制定一套政府确定电价水平，电力公司确定电价结构和供给水平，用户确定用电量的需求侧分时电价办法。论文的主要研究工作和结论包括：(1)利用比较分析法，对现有的需求侧电价模型进行剖析，比较现有模型的异同和不足，作为以下研究的基础；(2)利用微观经济学中边际成本理论中发展出来的Ramsey-Boiteux 公共品定价模型，通过最高限价的方式下放到被规制企业，将不同时段的电力看作几种相互影响的产品，确定每个时段电力的电价水平，对各时段电价水平进行加成确定政府对电价的限制水平，以保证社会福利；(3)在限价水平的约束下，采用控制论的思想，对电力负荷合理控制的基础上，建立信息对称博弈模型，考虑绿色电力竞争，计算各时段分时电价、电力公司最优供电量及用户相应用电量，并对模型中相关问题进行讨论；(4)对模型中未知参数，设计相关确定办法，并利用Matlab 软件对模型进行算例仿真，说明电力公司实际分时电价的制定方法和步骤，验证该分时电价模型的可行性和优越性；(5)结合该分时电价模型提出完善我国需求侧分时电价体系的建议和措施。本文的研究工作是将博弈论思想运用在电力产供销链终端的需求侧电价制定领域，以解决电力供需矛盾和能源效率问题，本文对电力公司制定合理的需求侧分时电价起到一定的参考作用。关键词：需求侧管理，分时电价，电力市场，绿色电力，博弈论1 绪 论1.1 我国电力市场和电价改革1.1.1 我国电力市场现状电力市场概念最早由美国麻省理工学院F.C.Schweppe 教授于1979 年在其论文2000 年的电力中提出。从规制者的角度，电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用户等成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和2。电力市场中的参与者是多元的利益主体各个独立经营的发电厂、输电网、配电网和用户。我国处于电力市场化改革的初期，从电力产业规模经济和市场竞争的角度来考虑，正采取“厂网分开、竞价上网”的模式，着力培养具有竞争性的发电侧电力市场，等电力工业各方面发展到一定程度，再开放输电和配电市场。因此，现阶段我国电力市场组织过渡模式如图1.1 所示：图1.1 我国电力市场的产业组织过渡模式3Fig.1.1 Transition Model for Industrial Organization of Chinese Power Industry1.1.2 绿色电力市场随着国际上对环境污染的重视程度的提高，绿色电力市场正作为我国市场中一个新兴的子电力市场逐渐发展起来。所谓“绿色电力”，是指用绿色能源转换而成的电力，主要是指利用各种可再生能源，如风能、太阳能、水能、生物质能或地热能生产的电力，是一个广义上的概念4。绿色电力市场一般界定为绿色电力的生产和买卖市场。在这市场上，存在有许多家企业利用可再生能源，通过特定的发电设备生产出绿色电力产品，并向电力用户自我营销、委托代理商销售或由批发商以及零售商进行销售等。同时，用户将可以根据自己经济条件和偏好，自由选择某一家或几家绿色电力销售商，购买一定比率的绿色电力。根据利用的可再生能源的不同，绿色电力市场又可细分为风电市场、太阳能光伏发电市场、地热发电市场、潮汐发电市场、生物质能发电市场、小水电市场等。我国绿色电力市场发展较缓，目前正处于被开发和逐渐形成阶段。1.1.3 电力市场中的需求侧管理电力需求侧管理(Power Demand Side Management,简称DSM)，是指通过有效的激励措施，引导电力用户优化用电方式，提高终端用电效率，达到节约能源、改善和保护环境、实现低成本电力服务等目标所进行的用电管理活动5。电力企业实施需求侧管理主要是期待实现以下目的:(l) 降低电力生产成本。包括建设成本，例如推迟装机、减少调峰机组等等；也包括运行成本，例如通过需求侧管理措施削峰填谷、降低运行成本等等。电力公司实施和推广需求侧管理的费用要远远低于兴建发电厂或增加发电的费用，因此在保证用户原先生产、生活的前提下(下面的讨论一样是在此前提下)，实施需求侧管理可以降低电力生产成本。(2) 通过需求侧管理措施使用户合理用电，降低单位用电成本，从而使用户降低电费支出。(3) 通过需求侧管理措施降低用户的单位用电成本，并提高相应的用电服务，从而扩大用电市场，增加全社会的用电比例。(4) 节约资源。资源的节约利用和再利用是为了人类明天更好的发展，可持续发展就是人类对现有有限资源的重新认识，通过实施需求侧管理，可以达到节约资源的目的。(5) 减少环境污染。臭氧层空洞、全球气候变暖等自然灾害使人们越来越注意到环境保护的重要性，通过实施需求侧管理，可以减少不必要的能源使用，从而减少对环境的污染，同时也节约了因为处理污染废弃物而支付的巨额费用。国内外的实践证明，电力DSM 的实施，将会造就用户、电力公司、社会“三赢”的局面。对于用户，需求侧管理的实施(包括引导用户节电和合理用电)可以减少电费支出。对于电力企业，高峰负荷得以削减或转移，低谷负荷得以提高，电网负荷率得以改善，运行费用得以降低，同时电源和电网的投资也得以降低。对国家和社会来说，在提出可持续发展的今天，开展需求侧管理工作意义重大：首先，由于用户的节电和削峰的影响，发电侧可以推迟或减少装机容量，节约了发电资金，提高了发电企业的现有设备利用率；其次，发电侧的装机容量增长放慢会改善电厂的环境污染，会减少一次性能源的消耗；最后，利用需求侧管理可以促进资源优化发展，可以更好的发展我国经济和提高人民生活水平。1.1.4 我国电价改革现状中国的电价改革是2002 年开始的，它并非单兵独进，而是作为电力体制改革的一个重要组成部分，与中国电力行业打破垄断的进程紧密相联。2002 年 4 月11 日，国务院批准并开始实施电力体制改革方案。电力体制改革方案的总体目标是：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。根据这一总体目标，方案中确定“十五”期间电力体制改革的主要任务是：实施厂网分开，重组发电和电网企业；实行竞价上网，建立电力市场运行规则和政府监管体制，初步建立竞争、开放的区域电力市场，实行新的电价机制；制定发电排放的环境折价标准，形成激励清洁电源发展的新机制；开展发电企业向大用户直接供电的试点工作，改变电网企业独家购买电力的格局。2002 年12 月29 日，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5 大电力集团公司和2 大电网公司及几家辅业集团公司等相关单位挂牌，电改走出实质性的第一步。改革初期(过渡期)的重点是在厂网分开的基础上，建立与发电环节适度竞争相适应的上网电价机制；初步建立有利于促进电网健康发展的输配电价格机制；实现销售电价与上网电价联动；优化销售电价结构；允许用电量大的用户直接向发电企业购电。上网电价将实行两部制电价。所谓两部制电价，即上网电价由容量电价(按电厂的发电装机容量核定的电价)和电量电价(按电厂实际上网的电量计算的电价)两部分构成。实行容量电价的目的是为投资者提供部分收入保障，并能够引导电力长期投资。容量电价水平按电力调度交易中心经营范围内发电企业平均投资成本的一定比例制定，原则上实行同网同价，并保持相对稳定。输配电价改革的第一步是厂网分开时输配电价按平均售电价格扣减平均购电价格确定；第二步是随着电网的发展，逐步过渡到“成本加成”方式核定输配电价格。监管机构将制定成本规则，电网运营成本按社会平均水平确定。投资收益以电网企业有效资产和市场筹资成本为基础确定；第三步是当电网发展比较成熟时，选择“价格上限制”或“收入上限制”等基于业绩的管理方式。在销售电价方面，由于售电环节不具有自然垄断性，改革方向是在给全部用户以自由选择供电商权力的基础上，价格由市场决定。竞价初期，销售电价仍需由政府管理。政府制定销售电价的原则是，坚持公平负担，有效调节电力需求，兼顾公共政策目标，并建立与上网电价联动的机制。销售电价的调整采取正常调价和联动调价两种形式。一是居民和农业生产用电实行正常调价，原则上每年一次，期间尽量保持稳定；二是工商业和其他用户用电价格与上网电价实行联动，电价同方向变化超过一定幅度时相应调整销售电价，以使发电市场的价格变化情况能够及时传递给消费者，避免出现电力危机。1.2 研究需求侧分时电价的必要性过去的20 多年，中国全年发电量从1980 年的3006 亿千瓦时发展到2003 年的18462 亿千瓦时，年均增长率达到8.21%，面对能源需求的快速增加，我国的电力基础设施投入不可能进一步扩大，因此导致2003 年出现的大面积“电荒”、“缺电”的现象，给电力市场化改革蒙上了一层不小的“阴影”。根据2000 年的统计数据，我国单位产值电能消耗为0.15 千瓦时/元，是美国的3 倍，日本的5 倍5，能源的使用效率不高也成为造成我国能源危机的另一要素。为解决以上能源需求增长与供应不足的矛盾和能源使用效率不高的问题，把电力需求侧管理(DSM)作为一种资源纳入电力工业的发展规划、能源发展规划与地区的发展规划1已经成为一种非常必要的措施。需求侧管理中，利用电价信号，引导消费者采取合理用电结构和用电方式，从而实现电力消费的削峰填谷6，达到提高电力资源的利用效率，节约电力生产投资的目的已成为燃眉之需。电价理论一直是电力市场理论的核心内容。电价理论的研究目前大多数集中在发电和输电侧部分，包括如何实行竞价上网、采用何种管理方式、输电损耗的分摊、线路阻塞的管理等等，显然这是实行正常有序的发电侧和输电侧电力市场极为重要的基础，但作为终端的普通电力消费者，最为关心的是需求侧电价。需求侧电价除了考虑发电侧和输电侧电价之外，还应该具备调节电力需求的作用。电价比其它商品价格更具有实时性，就现行技术手段而言，并不具备对用户实行需求侧实时电价的条件，所以必须采取其它替代措施，因此，基于DSM 的分时电价研究也就成为了当务之急。1.3 国内外研究现状及不足1.3.1 国外研究现状国外对电力市场的分时电价理论的研究首先出现在发电侧，源于80 年代初对实时电价(Spot Price)的研究。实时电价是一个理想化的在空间展开的瞬间动态电重庆大学硕士学位论文 1 绪 论5价，它要求几乎瞬时在电网的各处使电价和成本相匹配。实时电价的概念最早是由美国麻省理工学院(MIT)以F.C.Schweppe 为首的六位学者在1980 年提出来的，当时被冠以一个很特别的名称：Home-state Utility Control7，实时电价为以后的分时电价研究奠定了基础。1981 年，M.Munasinghe 叙述了应用边际成本原理定价的理论框架8，他建议首先用严格的长期边际成本确定总体的电价水平，然后利用一个大大简化的峰负荷模型在峰谷两时段间分担，从生产方成本出发提出了最简易的分时电价模型。1983-1987 年，T.Oyama 成功的应用数学规划方法度量电力的边际成本，采用自然峰、峰、腰、基时段的假设，得出线性规划的对偶解，并通过最优基矩阵的逆来计算，进一步发展了发电侧分时电价模型9。此外，一些关于电价制定方面的文章对本文有一定的启发作用：Chattopadhyay 扩展实时电价为区别可靠性要求的实时电力定价，认识到了电价对电力可靠性的影响，说明了可靠性目标的重要程度10 ，其中负荷可靠性目标为本文所借鉴。XiaohongGuan(2001)把博弈理论引入了电价竞价机制，发展了制定电价的理论方法和博弈论的应用领域11，为本文研究扩大了思路。分时电价从发电侧发展到需求侧是在实时电价提出之后，Luh.P.B 提出了以“用户反应”的概念来描述电价对负荷的影响以及基于DSM 的分时电价数学模型，开辟了需求侧研究分时电价的先河12。CrewMA 提出利用合理的经济激励诱使用户增加谷期用电、减少峰期用电，从而减小峰谷差，缓解调峰容量不足的问题13。Doorman GL研究了供给与需求弹性之间的关系，分析了北欧电力市场的运行特性，论证了通过对峰期用电收取额外费用来调动需求弹性的可行性14。DIVID.AK 和RASANENM 认为用户响应的行为体现在调整企业内部的用电时段，分时段地改变用电方式上，并在调查用户反应曲线的基础上，提出了需求侧分时电价模型1516。SHEEN.JN 为了量化用户对峰谷分时电价的响应，引用电价弹性矩阵来表示用户的价格需求弹性17，为本文的研究拓宽了思路。1.3.2 国内研究现状在我国，随着电力工业化改革和需求侧管理的进一步深化，有关需求侧电价理论方面的研究十分活跃。汤玉东、王明飞等认为需求侧电价计算的前提是有确定的负荷曲线，如果不考虑定价后负荷曲线的变动，在此电价体系下电力系统的运行会偏离预期的最优方式，因此提出了用户反应的概念来考虑电价对负荷的控制作用，基于DSM 的总目标建立了分时电价的数学模型。该分时电价模型可得到最优的调峰解，但是，模型中合理的峰谷时段划分、平值段电价的确定和用户对电价的反应还需进一步的研究；另外，模型中的用户端没有考虑因调节负荷带来的额外支出，这也需要进一步的研究18。随后，一系列的研究对该模型进行了补充，其中丁宁等在文献18的基础上运用模糊半梯度隶属度函数方法，从负荷曲线上各点分别处于峰时段和谷时段的可能性入手，优化了峰谷时段的划分办法19；吴秋伟等在文献19的基础上对平时段电价的确定问题进行了探索性研究，提出了用市场清除价(Market Clearing Price，MCP)计算的平均购电电价来确定平时段电价的方法，从一个可行的途径将分时电价市场化，得到适应电力市场条件的分时电价体系20。刘昌、姚建刚等将销售侧电价与上网侧电价联系了起来，将分时电价市场化，并通过对该模型的目标函数进行优化，得到了最佳的峰谷时段划分以及各个时段相应的电价2122。李晖、康重庆等认为开放需求侧，引入需求侧的价格弹性，利用价格手段实现负荷调控，是电力市场发展的必由之路。并在用电价格弹性的基础上，分析了不同类别负荷对电价变化的不同响应，建立了统一的用户反应度模型，从而客观地描述各时段负荷大小与整个计算周期内各时段电价之间的关系，提出了一种用户满意度的量化方法，建立了考虑用户满意度的DSM 价格决策模型23。但是该模型仍属于探索的阶段，事实上，供电企业在制定DSM 的措施时，可以同时考虑多个优化目标，如最大化社会效益、同时考虑用户满意度以及电费受益优化目标等，如何合理地综合这些优化目标并进行求解，是该模型中需要进一步解决的问题。刘观起等运用统计学原理对用户进行调查，拟合不同类型用电对电价反应的曲线，得到全社会对电价的综合反应曲线。从而建立了基于用户对电价反应曲线的分时电价模型，同时该文献指出，在我国电力用户电力需求对电价弹性不足，当前供电不足的情况下，制定分时电价还应考虑经济规律以外的因素24。丁伟、袁家海在文献23的基础上提出建立用户的电价响应矩阵以反映用户对峰谷分时电价的响应，并建立用户满意度模型，综合考虑用户用电方式的满意度和电费支出的满意度，最后完善了基于用户价格响应和满意度的峰谷分时电价优化决策模型25。张彩庆提出了由供需双方共同参与的电价形成机制，该电价形成机制是通过供应侧的报价和需求侧在这一报价下的用电需求的多次交互作用，最终确定交易的电价以及在这一电价下的用电量或负荷，并根据这一电价形成机制提出了基于需求侧的电价制定模型，该形成机制目前有待于实践的检验26。孙志云、孙志胜认为我国过去长期形成的同社会生产力发展要求不相适应的高度集中经济管理体制，决定了电价管理的高度集中性，电价的定价和调价权均由国家集中管理，电价管理过于集中，不利于电力工业的发展。电价管理体制必须改革，需求侧应该实行多种电价27。刘严，谭忠富对我国分时电价问题进行探析，认为要在合理划分分时电价时段、合理确定分时电价比和合理风险效益激励机制上对分时电价制定方法进行改进2829。1.3.3 国内外研究的不足由上可知，国内外关于需求侧分时电价研究起步不久，研究思路主要集中在通过简单的发电侧与需求侧联动制定分时电价模型和通过调查用户对电价反应、重庆大学硕士学位论文 1 绪 论7需求侧价格弹性和用户满意度方面制定分时电价调整模型，对模型的优化主要注重于解决合理的峰谷时段划分、平值段电价的确定、用户对电价的反应、合理确定分时电价比和合理风险效益激励机制方面。国内外关于分时电价的研究模型主要存在着以下三方面不足：(1) 大多数的定价模型都主要针对电价对负荷的影响作用，较少考虑用户以及用户与电力供给方的博弈关系，博弈理论在电力市场中的应用主要集中在发电侧竞价上网上，在需求侧应用较少。(2) 较少考虑政府作为规制者，对电价的规制作用和规制方式，特别是考虑分时电价制定对社会福利的影响。(3) 由于绿色电力出现时间不长，以前的模型中基本没有考虑由于峰时段电价提升而带来的绿色电力的竞争威胁。1.4 研究思路根据上述研究目的，结合系统工程学的有关工具，制定出本论文的研究思路、研究结构示意图，如图1.2：1.5 本文主要工作电价的确定是一个涉及政府、电力公司和消费者多方面的利益的问题，因此其定价必须从公用事业部门产品定价的一般原理出发。本文以Ramsey-Boiteux 定价原理为基础，利用博弈论和控制论思想，建立了一个由政府确定价格水平，电力公司确定电价结构和供给水平，用户确定用电量的分时电价制定模型。本文的主要工作体现在以下几个方面：(1) 利用比较分析法，对现有的需求侧电价模型进行剖析，比较现有模型的异同和不足，作为以下研究的基础。(2) 利用微观经济学中边际成本理论中发展出来的Ramsey-Boiteux 公共品定价模型，通过最高限价的方式下放到被规制企业，将不同时段的电力看作几种相互影响的产品，确定每个时段电力的电价水平，对各时段电价水平进行加成确定政府对电价总的限制水平，以保证社会福利。(3) 建模分析。在限价水平的约束下，采用控制论的思想，对电力负荷合理控制的基础上，建立信息对称博弈模型，考虑绿色电力竞争，计算各时段分时电价、电力公司最优供电量及用户相应用电量，并对模型中相关问题进行讨论。(4) 算例分析。对模型中未知参数，设计相关确定办法，并利用Matlab 软件对模型进行算例仿真，说明电力公司实际分时电价的制定方法和步骤，验证该分时电价模型的可行性和优越性。(5) 结合该分时电价模型提出完善我国需求侧分时电价体系的建议和措施。_2 论文涉及的相关理论2.1 自然垄断理论“自然垄断”指的是与供应方相联系的生产效率。自然垄断起因于资源稀缺性和规模经济性26，一般出现在公用事业产业(天然气、供水等)及运输业(铁路、管道)。在这些产业中，过多企业的进入可能导致传送网络和其他设施(如输油管、铁轨等)的高成本的重复投资。2.1.1 自然垄断的经济特征自穆勒最早提出这一概念以来，经济学家对自然垄断的经济特征进行了不同的表述。19 世纪和20 世纪初期的经济学家认为，形成自然垄断的条件包括两点：单一厂商生产的超级效益和过度或毁灭性竞争造成的不良后果。由此看来，最初的关于自然垄断的认识是相对原则性的，并没有清晰的数理概念在里面。马歇尔确定了以代表性的企业成本函数作为行业结构的根本性决定因素这一方法，他认为平均成本递增的行业是竞争性的，平均成本递减的行业则为不完全竞争或垄断的。Clarkson 等经济学家主要从规模经济的角度来说明自然垄断的经济特征31。在他看来，自然垄断的基本特征是生产函数一般呈现规模报酬递增状态，即生产规模越大，单位产品的成本就越小。因此面对一定规模的市场需求，与两家或更多的企业相比，某单个企业大规模生产能够更有效地利用资源。而Sharkey 和Baumol 等著名学者认为，自然垄断最显著的特征是其成本函数的“弱增性(Sub-additive)” 32，这种用成本函数的弱增性来取代规模经济对自然垄断经济特征的修正，得到了学术界的认可，成为现阶段描述自然垄断经济特征的最好办法。2.1.2 自然垄断的涵义 自然垄断的定义现代经济学中的自然垄断就是根据成本函数的“弱增性”来定义的：如果所有产出只用一个企业(或其他经济实体)而不是多个企业(或经济实体)来供应时是最有效率的，这就存在自然垄断。换言之，生产所有产出，在技术上可以有几个企业同时存在，但从整个经济来看，只允许一个企业存在才是最有效率的，即用一个企业生产要比用多家企业生产来得便宜。具体说来，假如存在着这样一种单一商品X ，生产X 商品的成本函数由TC（X）表示，生产X 商品的投入品价格保持常数TC（X）完全是由生产X 商品的技术特征决定。令x 为某一具体的产出水平，并假设x 分为1 x 和2 x 来生产，如果对于非负产出x1和x2，且，下列条件得到满足的话，在x 的产出上成本函数“弱增性”就存在： 自然垄断与规模经济的区别尽管自然垄断是以成本函数的“弱增性”来定义的，但人们通常会将它与平均成本递减和规模经济联系起来讨论，因此论文有必要对自然垄断和规模经济进行区分。规模经济(economics of scale)是指，随着生产规模的扩大，平均成本逐步下降的趋势。根据规模经济的定义，结合自然垄断定义中的假设，有：由此可见，规模经济是自然垄断的充分条件。为了更清楚的说明问题，论文用图2.1 加以表示。图2.1 中，AC1 代表当单一产品X 全部由一家企业生产时的平均成本曲线，而AC2代表两家企业生产该产品时的平均成本曲线，AC1和AC2在产量Q*处相交，Q*点决定了成本弱增的范围。当产量小于Q*时(如Q 点)，由单个企业生产产品X 的成本最低，所以在此范围内，成本是弱增的。但是，在成本弱增的范围内，企业并不是总处于规模经济阶段，QQ*段就处于规模不经济阶段。因此，在厂商生产单一产品的条件下，规模经济是自然垄断的充分条件，而非必要条件。2.1.3 自然垄断性产业的竞争问题现实中，煤气、供电、供水等公用事业属于自然垄断性行业，但这并不等于这些行业的所有产品(服务)都具有自然垄断性质。从静态的角度看，自然垄断行业的某些产品(服务)具有自然垄断性，而某些产品(服务)则带有竞争性，如表2.1 所示在有些城市，出于水资源稀缺性和保护环境的考虑，制水企业往往由政府授权独家垄断，或采取公营的方式。从动态的角度看，由于技术进步能在很大程度上改变着自然垄断的边界，所以自然垄断的范围具有相当大的可变性。例如随着光缆技术的发展，利用卫星和无线电话技术，有线电视公司也能够提供传声和数据服务，这些都使电信产业发生革命性的变化，从而为新企业进入电信产业，建立新的通讯网络，改变原有的自然垄断状况创造了条件。掌握自然垄断的定义和经济特征，并且在特定时期内，综合静态和动态认定自然垄断的范围，是政府进行规制的基础。2.2 新规制经济学理论2.2.1 规制和经济性规制涵义“规制”一词是由英文“Regulation”或“Regulatory Constraint”翻译过来的，是日本经济学家创造的译名。在英文的“规制经济学”的用语中，如贝利法制性制约的经济理论(Bailey，E.E.1973Economic Theory of Regulation Constraint)，卡恩规制经济学(Kahn，A.E. 1970、1980 再版The Economics of Regulation)等，Regulation 和Regulatory Constraint 是通用的，其含义是有规定的管理，或有法规条例的制约33。因此它与汉语中的“管制”、“管理”、“制约”、“调整”、“调控”、“规定”的原意都不完全相同，为了表达原意，中国学者仍沿用日本学者“规制”的译名。具体来讲，规制指的是政府部门通过对某些特定产业或企业的产品定价、产业进入与退出、投资决策、危害社会环境与安全等行为进行的监督与管理。政府通过规制行为在很大程度上参与了对产业的保护、扶植及合理化和转换。依据规制性质的不同，规制可分为经济性规制与社会性规制，经济性规制主要关注政府在约束企业定价、进入与退出等方面的作用，重点针对具有自然垄断、信息不对称等特征的行业。而社会性规制是以确保居民生命安全健康、防止公害和保护环境为目的所进行的规制。经济性规制的目的主要是保护消费者利益和生产者利益，在保护消费者利益方面，为防止垄断企业危害消费者利益，需要对电力，煤气，自来水，铁路，电话通讯等具有垄断性的企业产品和服务的收费和质量进行规制；为防止一些产业出现超额利润，需要对土地，石油和天然气等产业部门实行收费规制等。在保护生产者利益方面，为防止过分竞争而实行收费规制和准入规制。所谓电力经济规制是指政府依据一定的规则对电力生产、流通、分配和消费等各环节的经济活动(包括企业进入和退出电力各领域，制定价格，投资等)进行限制的行为，其目的是防止资源配置低效和确保社会公平。2.2.2 西方规制经济理论的产生与发展自20 世纪60 年代以来，在西方商品生产发达的国家，出现了大企业的垄断，同时又出现了过度的市场竞争，使社会经济资源的配置失去了效益，社会消费的公正原则也遭到破坏，即微观经济学中通常所说的“市场失灵”。政府为了纠正这种市场经济中的社会弊端，逐步采取法规、行政、规章等手段，按照市场经济原则和微观经济理论，对大型公用性企业、事业单位和厂商实行“规制”，以纠正由于“市场失灵”招致的各种社会经济弊端。所以，以西方经济理论为基础的“规制经济学”产生并获得了很大发展。虽然此前已有大量研究公共规制的文献，但直到1982年诺贝尔奖得主施蒂格勒于1971 年发表了经济管制论才首次尝试运用经济学的方法分析规制的产生，从而开创了经济学的一个新分支规制经济学。此后的二、三十年中，规制经济理论得到了迅速的发展，规制理论，特别是经济性规制理论成了现代产业组织理论中一个比较活跃的研究领域。规制理论主要研究在“市场失灵”情况下政府的干预问题以及在干预无效即规制失灵情况下通过对规制与不规制的成本-收益分析比较，找到次优选择。传统的西方规制理论主要研究的是企业内部发生无效率，有关规制的成本负担加重，发生寻租成本以及规制滞后造成企业损失等问题。但随着科技进步、微观经济理论在公共选择理论、现代竞争理论、委托-代理理论等方面的发展以及博弈论和激励问题的引入，规制理论从传统的服务成本和拉姆塞定价开始，进展到自然垄断重庆大学硕士学位论文 2 论文涉及的相关理论13企业的治理结构、放松管制和激励问题、规制者和被规制者之间的信息不对称等重要问题，接着规制理论又进一步发展并引入对不同种类规制合同的委托-代理分析，以及价格上限等问题。而随着规制理论的发展，经济规制中的收费体系理论也日趋完善。2.2.3 收费规制经济为了防止垄断企业利用垄断地位制定垄断高价，规制当局制定价格和收费水平对企业进行收费规制。收费规制，按照规制经济学的定义是指:在具自然垄断性的产业中，规制者从资源有效配置和服务的公平供给观点出发，以限制垄断价格为目的，对收费水平和收费体系进行规制33。根据微观经济学原理，价格等于边际成本时社会福利达到最大化，因此，边际成本定价为帕雷托最优的定价方法。但由于自然垄断行业属成本递减行业，平均成本下降，因而边际成本以更快的速度下降，边际成本定价意味着价格低于平均成本，企业处于亏损状态。这是自然垄断行业收费规制的矛盾。对这一矛盾做出贡献的是英国学者拉姆塞(Frank.P .Ramsey)，拉姆塞价格以企业收支平衡为前提，实现了经济福利的最大化。以拉姆塞价格为基础，收费规制经济理论得到了很大的发展，报酬率规制、价格差别、定额收费、丛量收费、递减收费、递增收费、二部收费、三部收费、高峰负荷收费、按距离收费以及价格上限问题等理论和方法相继出现并得到了实际应用。一般来说，收费规制有以下几个目标：提高资源分配效率；确保企业的内部效率；避免收入的再分配；确保企业经营财务的稳定。2.3 博弈论2.3.1 博弈的定义博弈论，英文名为Game Theory，是研究相互依赖、相互影响的决策主体的理性决策行为以及这些决策的均衡结果的理论34。现在，我们来给博弈下一个定义：博弈即一些个人或者组织，面对一定的环境条件，在一定的规则下，同时或先后，一次或多次，从各自允许选择的行为或策略中进行选择并加以实施，并从中各自取得相应结果的过程。从上述定义可以看出，规定一个完整的博弈应包含如下四项要素:(l) 博弈的参加者(Player)。也称局中人或博弈方。是指博弈中能独立决策、独立行动并承担决策结果的个人或组织。小到一个人，大到一个跨国公司乃至一个国家，只要能独立决策和行动，都可视作一个博弈方。(2) 策略空间(strategy space)。是指各博弈方各自可选择的全部策略或行为的集合。在不同的博弈中可供博弈方选择的策略或行为的数量很不相同，在同一博弈中，不同博弈方的可选策略或行为也常不同，有时只有有限的几种，甚至只有一种，而有时又可能有许多种，甚至无限多种可选策略或行为。每一个策略都对应一个相应的结果。(3) 进行博弈的次序(the order of play)。博弈中各博弈方行动的顺序对于博弈的结果是非常重要的。同样的博弈方、同样的策略空间，先后决策并行动和同时决策行动，其结果是大相径庭的，不同的次序必然是不同的博弈。(4) 博弈方的得益(the payoff of player)。也称支付，是指博弈方策略实施后的结果，规定一个博弈必须对得益作出规定。得益即收入、利润、损失、量化的效用、社会效用和经济福利等，可以是正值，也可以是负值。理性的博弈方总是选择能使自己获得最大得益的策略。一旦确定了以上四要素，一个博弈也就随之确定了。2.3.2 博弈论的分类博弈的划分可以从两个角度进行。第一个角度是参与人行动的先后顺序。从这个角度，博弈可以划分为静态博弈(static game)和动态博弈(dynamic game)。静态博弈指的是博弈中，参与人同时选择行动或虽非同时但后行动者并不知道前行动者采取了什么具体行动；动态博弈指的是参与人的行动有先后顺序，且后行动者能够观察到先行动者所选择的行动。划分博弈的第二个角度是参与人对有关其他参与人(对手)的特征、战略空间及支付函数的知识。从这个角度，博弈可以划分为完全信息博弈和不完全信息博弈。完全信息指的是每一个参与人对所有其他参与人(对手)的特征、战略空间及支付函数有准确的知识；否则，就是不完全信息。将上述两个角度的划分结合起来，我们就得到四种不同类型的博弈，这就是:完全信息静态博弈，完全信息动态博弈，不完全信息静态博弈，不完全信息动态博弈。与上述四类博弈相对应的是四个均衡概念：纳什均衡(Nash Equilibrium)、子博弈精炼纳什均衡(Subgame perfect Equilibrium)、贝叶斯纳什均衡(Beysian NashEquilibrium)及精炼贝叶斯纳什均衡(perfect Beysian Nash Equilibrium)。表2.2 概括了上面所讲的四种博弈及对应的四个均衡概念。 2.4 控制论控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法35。2.4.1 控制论的产生1948 年，维纳出版了控制论一书，详细阐述了控制论的理论和方法，宣告了这一学科的诞生。维纳为控制论所下的定义是：“设有两个状态变量，其中一个可进行调节，而另一个则不能控制。这时面临的问题是如何根据那个不可控制变量从过去到现在的信息来适当地确定可以调节的变量的最优值，以实现对人类最为合适、最有利的状态”。控制论并不是直接研究受控对象本身的结构、运动机理等，而是研究受控对象的数学模型，建立受控对象的数学描述系统，从而建立控制它们的有效手段和方法。2.4.2 控制论的应用和发展控制论诞生后，得到了广泛地应用与迅猛地发展，大致经历了三个发展时期37。第一个时期为本世纪50 年代，是经典控制论时期。这个时期的代表著作有我国著名科学家钱学森1945 年在美国发表的工程控制论。第二个时期是60 年代的现代控制论时期。导弹系统、人造恒星，生物系统研究的发展，使控制论的重点从单变量控制到多变量控制，从自动调节向最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规划等方法，形成了系统测辨、最优控制、自组织、自适应系统等现代控制理论。第三时期是70 年代后的大系统理论时期。控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。1975 年国际控制论和系统论第三届会议，讨论的主题就是经济控制论的问题。1978 年的第四届会议，主题又转向了社会控制论。电子计算机的广泛应用和人工智能研究的开展，使控制系统显现出规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，从而控制论也向大系统理论发展。在1976年国际自动控制联合会的学术会上，专题讨论了“大系统理论及应用”问题。控制论也形成了工程控制论、生物控制论。其中生物控制论又分化出神经控制论、医学控制论、人工智能研究和仿生学研究。社会控制论则把控制论应用于社会的生产管理、效能运输、电力网络、能源工程、环境保护、城市建议，以至社会决策等方面。维纳在1950 年出版的人有人的用处：控制论和社会一书中着重论述了通信、法律、社会政策等等与控制论的联系。阿希贝1958 年发表的控制论在生物学和社会中的应用一文，认为运用非线性系统的控制理论，可以研究社会系统。2.4.3 控制论的原理和方法控制论的研究表明36，无论自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的质态特点，都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转，维持自身的稳定和系统的目的功能。控制机构发出指令，作为控制信息传递到系统的各个部分(即控制对象)中去，由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来，并作为决定下一步调整控制的依据。这样就可以看到，整个控制过程就是一个信息流通的过程，控制就是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。反馈对系统的控制和稳定起着决定性的作用，无论是生物体保持自身的动态平稳(如温度、血压的稳定)，或是机器自动保持自身功能的稳定，都是通过反馈机制实现的。反馈是控制论的核心问题。控制论就是研究如何利用控制器，通过信息的变换和反馈作用，使系统能自动按照人们预定的程序运行，最终达到最优目标的学问。控制论是具有方法论意义的科学理论。控制论的理论、观点，可以成为研究各门科学问题的科学方法，这就是撇开各门科学的质的物点，把它们看作是一个控制系统，分析它的信息流程、反馈机制和控制原理，往往能够寻找到使系统达到最佳状态的方法。这种方法称为控制方法。控制论的主要方法还有信息方法、反馈方法、功能模拟方法和黑箱方法等。信息方法是把研究对象看作是一个信息系统，通过分析系统的信息流程来把握事物规律的方法。反馈方法则是动用反馈控制原理去分析和处理问题的研究方法。反馈控制就是由控制器发出的控制信息的再输出发生影响，以实现系统预定目标的过程。正反馈能放大控制作用，实现自组织控制，但也使偏差愈益加大，导致振荡；负反馈能纠正偏差，实现稳定控制，但它减弱控制作用、损耗能量。功能模拟法就是用功能模型来模仿客体原型的功能和行为的方法。所谓功能模型就是只以功能行为相似为基础而建立的模型。如猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的，但二者的内部结构和物理过程是截然不同的，这就是一种功能模拟。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。黑箱方法也是控制论的主要方法。黑箱就是指那些不能打开箱盖，又不能从外部观察内部状态的系统。黑箱方法就是通过考察系统的输入与输出关系认识系统功能的研究方法。它是探索复杂大系统的重要工具。控制论具有十分重要的理论意义和实践意义，它体现了现代科学整体化发展趋势，为现代科学技术提供了新的思路和科学方法。我国在60 年代初就开始翻译介绍控制论的著作，但是，只是近年来才开始对它进行广泛而深入的研究。在经济、人口、能源、生产管理等方面，开始运用控制论建立数学模型。如投入产出模型、人口模型等，在运用中都取得了良好的效果。控制论这门新兴学科，在我国具有十分广阔的发展前景。2.5 本章小结本章简单介绍了与本文研究相关的四个重要理论：自然垄断理论、新规制经济学理论、博弈论和控制论。电力具有垄断的性质，本文以下的研究主要是在自然垄断理论的基础上，按照新规制经济学的方法研究政府对电价的规制水平，并结合博弈论中静态博弈的思想，控制峰负荷或峰谷差在合理目标范围，建立一套可行的分时电价模型。3 电价机制和电价理论概述电力市场中的支点是电价。电价的制定是电力市场中最重要的内容，国外许多失败的例子就是由于电力市场环境下价格冲击对电力系统可靠性和安全性造成了极为不利的影响。如何快速的计算出合理电价，如何将输电费用公平合理的分配给各个用户都是其中的热点研究问题。3.1 电价的本质和功能在电力市场中，电能是一种商品，商品价格围绕商品价值上下波动，电价本质上是电能价值的货币表现。在社会主义市场经济里，价格作为联系供求双方和引导消费的桥梁，起调节作用，是市场机制的核心37。电能和一般商品一样，都是计量和有价交换的。但是电能不能大规模长时间存储，产供销一次完成基本上是瞬时平衡的。电力行业是一个资金和技术高度密集的产业，电能应当在有效经营的基础上为用户提供良好的服务，电能价格的制定应根据客观的标准明确地计算，同时接受政府的监督，并保证公平对待用户。因此，电价应当具备下述两个最基本的功能38。(1) 核算职能由于通过价格可以确定电力企业的销售收入，销售收入与成本比较可以确定企业的盈利状况，从而反映生产成本，维护简单再生产，以及筹资以扩大再生产，满足用户发展的需要，因此，核算职能实际上提出了电价水平的问题。许多西方国家至今仍然对电厂的上网电价按成本加成原则确定，中国的集资电厂执行还本付息电价，都反映了这种职能。当然，不同国家的办法有差异，例如在加成标准和加成率上，日本按有效资产8%的标准确定利润水平，中国还本付息电价制度中净资产利润率一般不低于15%，而且没有剔除无效和闲置资产。(2) 调节职能电价的调节功能与一般商品的调节功能有明显的区别。经济理论关于价格的调节功能具体指两个方面，第一个方面是调节资源配置，价格作为信号会自动引导资金等资源的流向和流量。我国还本付息电价虽然存在许多理论缺陷，但是，在当前严重缺电的情况下，由于这种价格传递了保证投资者利益的信息，因此动员了大量资金投入电力建设中，迅速解决了我国严重缺电的局面。另外，我国为什么在电源投资相对过剩的情况下电网投资又相对不足，形成所谓新的“瓶颈”，根本原因是电网资源的定价相对偏底，即输配电价格偏低。第二个方面是在分配上的调节功能。电力商品不仅为人们生活所必须，而且是社会经济生活的重要生产要素，电价的变化不仅直接影响人们的物质生活利益，而且直接影响各种经济和社会组织的经济和社会效益，导致产业结构调整和个人与地区间的利益分配调整。显然，电价的调节工作主要反映了政府的需要，而核算功能则主要反映了电力企业和政府规制机构的需要。3.2 制定电价的原则我国电力法第二十六条规定：“制定电价，应当合理补偿成本。坚持公平负担，促进电力建设。”简言之，制定电价的三条基本原则为：成本为主、合理利润、公平负担。1、正确反映资源价值，使资源不但在国民经济各部门而且在电力工业内部合理配置，使供需更有效地衔接；2、满足公正公平原理，例如：公正地按用户边际成本分配费用，维护电价相对稳定，向低收入者提供最基本的服务；3、使电力系统得到合理收益，以满足电力再生产的需要；4体系简洁易懂；5、其它一些经济政策约束。基于电价应实现的功能，一般归纳出以下制定电价时应遵循的基本原则：(1) 成本与合理收益原则(2) 公平、公正原则(3) 提供合理的经济信号原则(4) 实现国民经济政策原则由于电力工业天然具有的垄断性与公益性，成本与合理收益原则一直是制定电价的主要原则。如我国电力法第三十六条关于电价的定价原则规定，“制定电价，应当合理补偿成本，合理确定收益，依法计入税金，坚持公平负担，促进电力建设。”从中可以看出我国电价是以成本为基础的电价，电价中包括了三部分，合理成本、合理收益及法定税金2。3.3 影响电价的宏微观因素分析电价是由经济成本及其电能供求的相互关系决定的，因而研究电价的运动规律，就要看决定经济成本及供求关系的因素是什么，分析它们都和电价有怎样的联系。影响电价的因素概括起来有两大类，一是宏观因素，包括政府政策、科技发展水平、国民经济增长速度、税收和汇率等；二是微观因素，包括经营目标、成本和其他方面。3.3.1 宏观因素 (1) 政府政策电力行业是一个相对垄断性的行业，因此电力企业向用户提供电能的电价受政府政策的影响特别大。电能商品与国民经济发展和人民生活密切相关，是各行各业生产所需的、必不可少的能源和动力。电力行业既是重要的基础产业，又是重要的公用事业，电价制定得合理与否和电价的适当调整都会涉及和影响到社会的各个部门，因为电价对其他行业产品价格的影响具有拉动效应。如果电价太高，势必导致其他行业产品的价格上扬，致使用户承受不起。因此电价不可能像有些产品的价格那样可以完全由市场给予调节，政府往往要对其价格实施监管，从宏观经济调控的角度给电力企业确定适当的电价。其目的是为了更好地贯彻国家的产业政策和能源政策，既保证电力企业的正常经营和生存发展，又保证整个国民经济有序地健康发展。(2) 科技发展水平这是决定电力工业经营效率的主要因素，从而也是导致电价变动的重要原因。根据世界各国的实践经验，随着电力工业新技术的采用和管理水平的提高，除了靠法律的约束和政府的干预外，依次在发电、输配电和售电环节适当引入竞争机制，也已成为一种可供选择的促进手段。(3) 国民经济增长速度经济增长速度越快，对电能的需求量也就越大，而需求决定了电力资源开发的成本由低到高的限度。在开发技术没有重大进步的情况下，电能资源开发的总规模越大，边际成本就越高。需求水平高，则可承受的开发成本就高，总开发规模就应随之扩大，电价就高一些：反之，需求水平低，可承受的开发成本也低，总开发规模也必须限定在相应范围内，电价就低一些。这就是经济增长速度影响电价的机理所在。影响国民经济增长速度的因素则比较复杂，它是劳动生产率、人口、资源等多方面因素综合作用的结果。(4) 税收、利率和汇率水平无论是发电厂的上网电价还是供电企业的供电电价均有税收问题。根据目前的税收政策，发电厂发电上网，要征收电力产品增值税，当进入销售环节时，也要征收电力产品增值税，还包括其他税种。利率是企业财务费用的主体，其高低主要受通货膨胀率、国民的富裕程度、经济增长速度的影响。在其他条件不变的情况下，利率提高后，电价必须上升，反之，利率下调，电价也应随之下降。我国自1985 年以来，由于经济快速发展，电力需求增大，仅靠中央投资建设电厂已满足不了需求，一些地区开始筹资自建电厂，国家为了鼓励和规范自建电厂，实施还本付息电价的政策。它是利用贷款建设的电厂(或机组)，投产后在贷款还本付息期间所发的电量，其电价根据还清投资本息的需要和发电企业平均留利水平共同确定。因此，这一类的电厂的电价受到利率的影响尤其明显。在经济开放的国家和地区，大都存在燃料的进、出口和国际资本的流入与流出。对于燃料净进口国，汇率的变动直接影响火电的运行成本；对于燃料净出口国，汇率变动则通过改变国内市场供求关系而导致火电运营成本的升降。使用外国资本建设电站或供电网络，汇率变动会影响造价及还本付息的金额。后一种情况对处于经济快速增长中的发展中国家影响尤为明显。3.3.2 微观因素(1) 燃料价格燃料费用是火力发电成本的主体。在我国，燃料费用过去曾占火电厂发电成本的 70人右，现在也达 50左右。因而如果燃料购进价格有较大的变化，则电价必然要与之作相同方向的调整。燃料价格除受通货膨胀的影响外，还常受燃料市场本身的供需变化及交通运输状况的制约。(2) 容量造价及折旧率容量造价包括电站造价和供电网络造价。在折旧率一定的情况下，容量造价越高，折旧费越大。同样，在容量造价不变的情况下，折旧费的变动也与折旧率成正比。容量造价的升降主要受宏观经济运行状况的影响，投资需求上升，容量造价也会相应提高，反之，则下降。折旧率的变动则主要取决于国家的产业政策。很显然，电价与容量造价和折旧率的变动方向是相同的。(3) 系统负