博弈论及其在电力市场中的应用刁勤华1,林济铿2,倪以信2,陈寿孙1(1.清华大学电机系,北京100084; 2.香港大学电机电子工程系,香港)收稿日期:2000-09-04。

国家重点基础研究专项经费(G 1998020305)、香港政府大学研究基金(R GC)和香港大学研究基金(CRCG )资助项目。

(上接本刊2001年第1期第22页)3　博弈论与电力市场在过去的10年里,传统的垂直垄断的电力生产结构正在许多国家通过解除垄断,走向电力生产市场化结构,以引入竞争机制达到节省资源、提高效率、降低电价、改善服务和取得更大的社会效益的目的。

经济学家和电力系统专家将微观经济学理论[34,35]引入电力市场,对电价理论,电力市场的设计、运行、监管以及市场环境下的系统运行和规划等问题进行了深入研究,取得了一系列成果[36～43]。

在电力市场中,参与者将在市场许可情况下研究各种策略以便获取自身的最大利益。

博弈论就成了最好的工具之一。

另一方面,市场的监管部门也要尽可能预测和判断在市场中可能出现的不合理竞争及操纵市场的行为,以便在设计电力市场、制定规则及运营中采取措施。

博弈论在这方面也可以大有作为。

此外,在输电电价的优化决策和输电成本的分摊以及区域间功率交换和转运电量及电价的优化决策方面,博弈论同样可发挥积极作用。

因此,博弈论在电力市场中的应用研究已成为一个热点[44～136]。

另外,IEEE 电力工程学会(PES)在1999年冬季会议举办的一个“博弈论在电力市场中应用”的教程中,有多篇专家的文章[72～80]值得一读。

应当指出,微观经济学是电力市场的基础,博弈论是电力市场参与者的工具,它们应和电力系统、电力电量商品和电力经济的特殊性相结合进行学习和研究。

4　博弈论在购售电决策中的应用购售电决策和电力市场的模式有很大关系,例如是联营体(pool)形式还是双边合同形式的交易。

前者由联营体收集各参与者的投标(价格,电量),然后按统一原则评标。

评标可以是一次性的,也可以是一次评完后各参与者还可以根据结果修正投标的多次评标过程。

而后者双边合同则购电和售电双方可以在“讨价还价”后签约。

而且双边合同有各种不同形式,如现货、期货和期权合同,以及可以有风险回避的功能如差价合约(contract for differ ence,缩写为CFD)等。

两种市场模式在博弈决策时有很大的区别。

联营体形式下,参与者众多,若干发电公司或若干购电商可以结成联合体(coalition)去投标,也就是协作博弈(co operative g am ing ),这可以比各自独立去投标取得更大的利益,所得利益在联营体内合理分配。

一般在这类博弈决策时网络的输送容量是不考虑的。

在联营体形式下各参与者(设有n 个)也可不合作而各自决策,则称多参与者非协作博弈(n -per son non -cooperative g ame )。

这类博弈问题现在大量采用Nash 均衡点的概念。

求解有许多参与者的博弈问题的Nash 均衡点是一个难题。

在双边合同形式下,则常出现tw o -player 的局面,买卖双方必须进行“针锋相对”的非协作博弈,但为了减少风险也可让步。

但这种tw o -player 的非协作博弈又和n -person 情况不同,求解时往往把每方的可能决策变为有限个离散的决定,并用矩阵形式表示双方决策的各种组合可能以及相应的获利,并可较快地据此得到N ash 均衡点。

市场的规则及电价原则也对博弈有重大影响。

如采用统一的市场进货价(m arket purchase price ,缩写为M PP )还是现货价(spo t price ,缩写为SP ),市场电价是否有上、下限等。

市场参与者本身的特点也对博弈决策有极大影响。

如售电参与者是火电厂、水电厂、核电厂、热电厂、自备电厂、进口电厂(还贷要求高)等,又如购电参与者是中间商、供电公司、有或无自备电厂的大工业用户等都会影响博弈考虑,以使自己的利益最大化。

例如中间商若自己不拥有电厂,要按市场波动价买电,并以统一价售电给用户(称为“不对称价格”);而供电公司可能拥有小电厂(一般成本较高),要决定自己生产多少,外购多少,以最小成本满足区内用户,且这也是“不对称电价”情况。

另外,购售的“商品”性质也影响博弈对策的方法,如是期货市场、一天前发电市场、旋转备用市场还是实时平衡(增量)电力市场等。

在计及网络输送容量极限时,网络的阻塞也成为博弈中失败或取胜的因素。

系统其他调节控制性能(如无功电压调节)132001年1月25日Jan.25,2001也同样影响博弈。

甚至电力系统的运行工况如峰值负荷、谷值负荷,系统中有无设备停运而造成的瓶颈,乃至特殊的气候及事件等都可对决策(gaming )造成影响。

一些电厂在午夜把电价报为零;加州电力市场在2000年夏季由于适逢低水位,又遇酷热及高原油价,电价最高达1000美元/(M W ・h ),比电力市场出现前的历史最高水平600美元/(M W ・h )还高,都反映了这一事实。

许多文献对上述博弈在购售电决策中的应用及各种因素的影响做了研究。

例如文献[52]用非协作博弈及Cournot mo del 对电力市场投标问题进行了研究。

文献[113]用非协作博弈将供电公司(utility)及热电共生发电商(co generator)作为2个参与者,来研究两者间的购、售电策略,以使各自获利最大。

文献[110]则用协作博弈研究了联营体(pool)形式下的电力市场中的电力交易策略。

由于各供电公司日负荷曲线特性不同,可以相互间进行能量交换,以实现最大获利,并在一定时间段后进行统一分配结算。

文献[85]讨论了拥有发电机的供电公司应如何优化向系统中各IPP (独立发电公司)购电的计划,并同时采用了Nash 均衡点及Stackelberg 策略2种方法,两者结果相同。

文献[56]研究了部分解除垄断的电力市场中供电公司、IPP 和大用户间怎样运用tw o-level 博弈策略及通过协商(nego tiation)来优化各自的电力交易计划。

文献[81,82]提出了把协作博弈方法和人工智能技术相结合,为电力市场交易谈判服务,为发电公司智能化谈判提供支持系统。

最新出版的文献[44]是电力市场中交易策略方面的第1本专著,对交易决策的基本原理、方法和计算有详尽的介绍,并与传统的经济调度、最优潮流和机组组合进行了比较。

在2000年夏季会议上发表的文献[54]则是对用各种方法做投标决策的一个很好的综述。

电力市场的模式(联合体或双边合同)、运行规则、交易的“商品”特点(备用、实时或期货)、参与者性质及数量等都会影响博弈策略。

另外,一些供电公司在买电时按电力市场中市场结算价(market clearing pr ice ,缩写为MCP )购进,但卖给小用户时为平均电价,这种所谓买卖“不对称电价”也为购电的数量及定价决策带来困难。

供电公司决策时还应设法做负荷管理以进一步降低成本,增加收益。

所有这些问题都应做进一步研究。

5　博弈论在区域间功率交换、转运和输电成本分配中的应用前面讨论的博弈问题主要是指在同一电网(区域)内的电力交易,在电力市场中往往忽略电网的影响进行投标决策,并由系统运行人员进行安全校核。

然而电力系统可以通过若干电网互联,进行区域间功率交换以取得最大效益,如我国的西电东送,可得到错峰效益、水火联合调度效益等,还可提高系统可靠性,减少装机及备用容量,降低成本,提高经济效益等。

一些论文中用博弈论对区域间交易决策优化进行了研究。

这类博弈多是双边合同性质的,也可由更上一层机构进行中央管理,则决策优化方法有所不同。

博弈论也可用于相应网络和联络线上输电成本的合理分配。

一般地,当2个区域电网的M CP 不同时,M CP 高的区域电网供电商从经济角度出发会向M CP 低的区域电网发电公司购电,并支付相应的输电费和过网费。

这类电力跨网交易决策时的特点是相应联络线的传输极限必须计及,以及相应输电费用(联络线使用费或其他区域电网过网费)必须计及。

并应计算区域间交易带来的各种效益的量化值,以确定最优交易量、价格及时间。

这和上述同一个网内的购售电投标有所不同。

因为在同一网内市场参与者投标往往不计输电约束,并常由运行部门考虑安全约束问题,再对电力交易进行修正。

因为同一网内的联系紧密,一般认为不发生输电“瓶颈”问题。

如真有“瓶颈”出现,可人为将它分为2个“区域”处理,则有“区域”间交易发生。

文献[109]运用Nash 均衡点概念研究了地区间进行功率交换(包括跨越其他地区进行转运)时的电力交易优化决策方法,并对中央管理形式及分散(双边)洽谈形式2种情况进行了分析计算,结果表明传统的成本最小化相应的决策量不一定等于参与者最优化博弈的决策。

文章还讨论了收益分配问题。

文献[89]应用Nash 的bargaining 博弈方法对分散系统下,互相不协作的买卖各方的双边电力交易决策进行了研究。

文献[134]运用协作博弈的理论将固定输电成本分配给转运交易。

在互联电网电力交易中如何应用博弈理论进行优化决策的研究,还有待进一步深化。

不同市场形式(中央交易或分散(双边)交易),不同市场规则和政策,联络线的转运容量约束及输电成本考虑,如何计算交易可能带来的利益及所需费用,及最终的利益分配等都应深入研究。

6　博弈论在研究操控市场行为中的应用由于电力市场中各参与方企图通过各种策略来优化自己的获利,一些不合理的企图控制市场的行为也由此出现。

在市场设计时的市场规则制定,如何运用博弈论指导市场设计和规则制定,尽可能防止这类行为发生,以及在市场运营时如何运用博弈论判别及分析这类行为,并予以防止及纠正,也是博弈14论在电力市场中成功应用的一个领域。

例如仿真及理论研究表明电力市场中参与者可以联合起来,运用协作博弈方法进行投标来控制市场,特别是在参与者数量较少而其组成的联合体占有大量市场份额时情况更为严重,即寡头垄断问题。

因此市场运营中必须防止和阻止这类market pow er。

另外,如果有市场参与者利用线路阻塞(congestion)、特殊事件(停运、事故)和气候、峰荷运行工况、联络线瓶颈造成的must run机会,运用博弈方法和策略哄抬电价,也应及时识别并予以纠正。

已有不少论文对此进行了研究。

文献[133]对market pow er做了概念性的介绍;文献[76]对输电网有阻塞时的market po w er做了专门研究;文献[78,130]则对电力市场中的m arket pow er做了实验研究;文献[77]对如何缓解market pow er的方法做了介绍和分析。

这些文献可作为进一步研究market po w er的基础。

7　结语以上介绍了博弈论在电力市场中应用的3个方面的研究。