博弈论及其在电力市场中的应用

I博弈论及其在电力市场中的应用II摘要从市场的角度分析电力经济行为对于各个市场参与者在市场许可的条件下进行合法竞争以获取最大利益具有重要意义。对于市场监管组织预测和判断不合理的竞争现象，需要运用博弈论的相关研究成果。本文分析了博弈论在电力市场中的应用，主要介绍博弈论的发展历史、分类及其在各个领域中的实例，简单介绍其基本的建模、求解过程。最后介绍了在发电公司售电决策、购电公司购电决策以及判别分析操控市场行为和市场稳定性中的应用。关键词：电力市场博弈论Nash均衡稳定性分析11.博弈论1.1博弈论的发展博弈论也称对策论，是现代数学的一个重要分支，主要用于研究当多个决策主体之间存在利益关联甚至冲突时，各决策主体如何根据自身能力及所掌握的信息，做出有利于自己或决策者群体决策的一种理论。博弈论源于经济学，但其在军事、社会、工程等领域也有广泛的应用，其在电气工程领域最早应用于电力市场，本质上仍然属于经济领域。随着智能电网的发展，传统的电力系统在结构、运行、调度、控制等诸多形态均出现了重大变化。如在发电侧，出现了大型风电场、集中式光伏电站等可再生能源发电，极大增加了电源出力的不确定性；在配电侧，出现了分布式发电、微电网等新型电力供应模式，在增加电网运行方式灵活性的同时更增加了运行复杂度；在用户侧，负荷更具主动性，随着电动汽车、智能家居及楼宇的日益普及，使得参与主导电力系统运营的决策主体趋于多样化。凡此种种，以智能电网为主要特征的新一代电力系统运营特性日趋繁杂。在此情况下，如何确定各决策主体最佳策略从而平衡和优化电力系统有关各方利益是一项极具挑战性的课题，而传统的以单一个体决策为主要特征的最优化理论体系难以克服此困难。此种背景下，面向复杂主体多目标优化的博弈论完全有望成为攻克智能电网诸多关键难题的有力工具。1.2博弈论的分类1)根据博弈者选择的战略，可以将博弈分成合作博弈(cooperativegames)与非合作博弈(non-cooperativegames)。合作博弈与非合作博弈之间的区别主要在于博弈的当事人之间能否达成一个有约束力的协议，如果有，就是合作博弈；反之，就是非合作博弈。2)根据参与人行动的先后顺序，可以将博弈分成静态博弈(staticgame)与动态博弈(dynamicgame)。静态博弈是指博弈中参与人同时选择行动，或者虽非同时行动，但行动在后者并不知道行动在先者采取了什么具体行动。动态博弈是指参与人的行动有先后顺序，而且行动在后者可以观察到行动在先者的选择，并2据此作出相应的选择。例如：囚徒困境是同时决策的，属于静态博弈，棋牌类游戏等决策或行动有先后次序的，属于动态博弈。3)根据参与人对其他参与人的了解程度，可以将博弈分成完全信息博弈(gamesofcompleteinformation)和不完全信息博弈(gamesofincompleteinformation)。完全信息博弈是指在每个参与人对所有其他参与人（对手）的特征、战略和支付函数都有精确了解的情况下进行的博弈。如果了解得不够精确，或者不是对所有的参与人都有精确的了解，在这种情况下进行的博弈就是不完全信息博弈。目前经济学家们现在所谈的博弈论一般是指非合作博弈，由于合作博弈论比非合作博弈论复杂，在理论上的成熟度远远不如非合作博弈论。然而非合作博弈又分为：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。与上述四种博弈相对应的均衡概念为：纳什均衡(Nashequilibrium)，子博弈精炼纳什均衡（subgameperfectNashequilibrium），贝叶斯纳什均衡(BayesianNashequilibrium)和精炼贝叶斯纳什均衡(perfectBayesianNashequilibrium)。具体如表1-1所示。表1-1非合作博弈分类表类型名决策同时性信息均衡点静态完整信息博弈是每方知道其他参与方的准确获利函数Nash均衡点动态完整信息博弈否同上SubgameperfectNash均衡点静态不完整信息博弈是每方不全知道其他参与方准确获利函数贝叶斯Nash均衡点动态不完整信息博弈否同上Perfect贝叶斯Nash均衡点31.3非合作博弈应用介绍纳什均衡是指一种组合由所有参与人的最优战略组成，也就是说，在给定别人战略的情况下，没有单个人有积极性打破这种选择其他战略，从而没有任何人有积极性打破这种均衡。案例及应用：商业竞争如垄断企业的价格选择或者产量选择；公共产品的供给；冷战期间的军备竞赛；商业竞争，占领市场、市场进入阻挠。子博弈精炼纳什均衡是对纳什均衡的发展和完善，其中心意义是将纳什均衡中包括的不可置信的威胁战略剔除，即使均衡战略不再包含不可置信的威胁。在许多情况下缩小了纳什均衡的个数，对于预测是非常有意义的。应用主要有焦土战略等。贝叶斯纳什均衡是一种类型依从战略组合，在给定自己的类型和别人的类型的概率分布的情况下，每个参与者的期望效用达到了最大化，也就是说没有人积极性选择其他战略。应用主要有产品主导市场进入、求爱博弈，竞标拍卖等。精炼贝叶斯纳什均衡指完全信息动态博弈的精炼纳什均衡和不完全信息静态博弈的贝叶斯纳什均衡。其要点在于当事人要根据所观察到的他人行为来修正自己有关后者的“信念”，即主观概率，并由此选择自己的行动。主要应用有垄断限价模型等。非合作博弈模型的具体拓扑如下图所示：博弈合作博弈，非合作博弈，静态博弈，动态博弈参与者，竞争，支付函数，战略，均衡完全信息动态博弈不完全信息静态博弈完全信息静态博弈不完全信息动态博弈精炼贝叶斯均衡贝叶斯纳什均衡子博弈精炼纳什均衡纳什均衡图1-1非合作博弈模型拓扑图42.电力市场发展概况2.1国内外电力市场发展历程概述电力行业近百年来在世界各国都是传统的垄断性行业。其基本特征是集发电、输电、配售电于一身，由政府部门进行管制。与邮政服务、初级教育一样，都被称为“自然垄断”产业。如果监管得当，仍然会有较高的效率。但是经过多年的发展，电力行业逐渐暴露出一些缺点，诸如:效率低下;服务意识落后;价格开始受到质疑;缺乏高效率运行的动机，在一定程度上延缓甚至阻滞了电力工业技术创新的步伐;监管机构逐渐发现监管电力系统困难重重，希望能够有一种新的手段或模式来管理电力系统的运行。这就要求对传统的电力工业模式进行改革，打破垄断，提高电力工业的活力。20世纪80年代以来，世界各国逐渐对电力行业放松管制，尝试以市场方式进行电力生产，电力行业的改革浪潮开始席卷全球，以英国、智利等国家为首，并逐渐波及到欧洲和澳大利亚、北美、南美以及亚洲各个国家。国内电力建设和电力供需形势呈现一种周期性的变化。20世纪80年代，随着改革开放的不断深化，电力短缺成为制约我国经济发展的“瓶颈”。国家有关部门制定了包括开展能源交通在内的一系列加快电力建设的政策措施。1997年开始，电力供应在总体上存在一定过剩.但自2003年起，由于经济快速发展，电力负荷急增而导致全国出现大面积的电力短缺，进而引发了规模大而无序的电力投资。2007年电力供需在总体上趋于平衡，预期不久将出现电力装机过剩局面2.2电力市场理论研究的主要内容对于整个电力系统的理论研究，主要分为几个阶段：60年代以前是经典理论阶段；60-80年代由于计算机的应用，引入了控制理论而发展到现代理论阶段；90年代后，引入竞争理论发展到电力市场理论阶段。电力市场理论研究的主要内容包括以下几个部分：电价理论；市场机构设置；交易类型和形式；竞价策略；市场可靠性、稳定性及风险研究；市场监管等。2.2.1电价理论5电价作为联系供电、用电双方的桥梁，是电力市场的杠杆、传递供求变化最敏感的信号。正确的电价信号，可以促使市场双方自主调节供、用电量以获得最优的社会效益。因而电价理论是电力市场的核心理论，其研究应分成三个部分：电能成本分析(电价预测)、电价制定和公共费用分摊。电能成本分析是电价预测的基础，对电力市场的宏观控制、优化电力资源配置有决定性的影响。电价制定与公共费用分摊直接影响到市场成员的经济利益，它的合理性、可操作性直接影响到市场的健康。从建立市场的初衷来看，在一个理想的市场中，市场出清电价应与电能的边际成本相对应，能兼顾发电与用电双方的利益，保证市场的健康、持续运营。2.2.2电能成本分析电能成本分析从时间跨度上可以分为长期电能成本分析和短期电能成本分析。短期分析的核心是系统优化调度、开停机计划和随机生产模拟等问题.然而考虑这些因素的电能成本分析理论和算法目前还不成熟。长期分析除运行方式和开停机计划之外，还需考虑新建电厂与输电网络的优化规划。目前随着全球环境保护意识的加强，绿色能源、CO2气体排放等因素也成了电能成本分析所必须考虑的问题。2.2.3市场定价机制电力市场的定价机制是电力市场最重要的规则，按照市场类型的不同，可分为能量市场(energymarket)定价及辅助服务市场(ancillaryservicemarket)定价，这是电力市场研究的热点之一:(a)能量市场定价：目前能量市场主要采用两种电价机制，一种是按市场统一出清价结算，即MCP(marketclearingprice)；另一种是按各企业实际报价结算，即PAB(payasbid)。MCP机制：对于一个完全竞争的市场，微观经济学证明，采用MCP机制可以在市场成员追求自身利益最大化，达到市场均衡的同时，也达到社会效益的最大化。电力市场在其开始进行理论讨论的初期，就是按照完全竞争的市场条件进行的，所以能量市场通常也采用MCP电价机制。MCP机制具有一定的优点如价6格信息非常清晰，可提供有效的市场经济信号，有利于实现资源的优化配置，促使没有市场力的机组尽量报低价，容量充裕时市场价格较低。但是实际运行的电力市场并不是一个完全竞争市场，主要表现在：（1）电力需求在短期内其价格弹性系数几乎为零；（2）在一个区域市场内，发电厂商的数目不多，通常拥有较大的市场份额，具有潜在的市场力；（3）电力系统要求实时的供需平衡，电能储存成本过高导致以存储作为市场缓冲不现实；（4）电力设备的建设周期长，且规模经济性并没有完全消失。这使得具有一定市场份额的发电厂商容易通过一定手段实施市场力，当发电容量比较紧张时，很容易造成电价飞升，从而使发电厂商获得超额利润，对市场造成极大的危害。针对这种情况，人们采取了一些措施来抑制市场力实施，如设置价格上限、建立长期双边交易合同或期货市场等.但是市场运行结果表明，这些措施可以在一定程度上缓解问题，并不能够完全解决上述问题。PAB机制：PAB电价机制作为另一种在电力市场中实施的定价方法与MCP机制相比，其优点为在PAB机制下，市场价格的波动幅度较小，有利于积极稳妥地推进电力工业的市场化进程；PAB机制能够较好地抑制发电企业持留容量，因为在这种机制下，中标电价不变而发电量减少，显然会降低发电企业的利润，使发电企业没有动力持留容量。但也存在一定的缺点，价格信息不清晰，不能体现“同网、同质、同价”的市场竞争公平性，不能提供有效的市场经济信号。在PAB机制下，报价直接关系到企业的利润，发电企业更倾向于较高价格。在成交的前提下，报价越高利润也越高，这使得PAB机制下的总体报价水平高于MCP机制下的报价。两种电价机制各有利弊，因此各国在具体运用时都应根据自身情况来进行选择。如：2001年3月英国进行了新的电力市场改革，以PAB机制取代MCP机制，用来减少市场投机行为并取得了一定成效；美国加州市场采用PAB机制却在2001年4月因电价飒升而崩溃；上海电力市场曾在2002年4月后实行过PAB机制，东北区域电力市场采用的也是PAB机制。(b)辅助服务市场定价：7电力系统运行离不开无功支持，备用配置和AGC配置。机组提供这些服务都需要一定的设备投资和运行费用。因此，应该给这些辅助服务制定一个合理的补偿价格。不过目前辅助服务市场的价格制定是电力市场理论研究中比较薄弱的环节，只有一些框架式的分析，相应的定价原则还没有成熟的理论。2.3市场机构设置电力市场的机构设置特点是发电侧为完全的竞争市场，输电和配电侧仍按照固定回报率的理论运营并