一種有效的電力市場競價策略

[摘要] 在電力市場中運作中，電廠的報價反映了電廠的運作成本和市場供求信息，準確的預測邊際電價信息，對電力供應商的競價決策有重要意義。應用基于模糊聚類(FCM)和關(guān)節(jié)控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CMAC)的電力市場競價策略，可以精確預測邊際電價和電廠競價電價，以使發(fā)電廠商獲得更多的中標機會。通過澳大利亞昆士蘭州電力市場的數(shù)據(jù)作為計算實例進行預測，預測結(jié)果表明：輸出穩(wěn)定性好、計算速度快、預測精度較高。

[關(guān)鍵詞] 模糊聚類 關(guān)節(jié)控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 電力市場 競價策略

電力市場的實質(zhì)是通過建立一個充滿競爭和選擇的電力系統(tǒng)運營環(huán)境，提高電力行業(yè)的效率。競價問題主要針對電力聯(lián)營體市場，在該市場中，電力供應商向電力交易中心提交下一交易時段所能提供的電力以及要求的價格。電力交易中心根據(jù)預測的負荷和競價曲線進行發(fā)電機調(diào)度計算，選擇發(fā)電單元并制定計劃，在這個過程中決定電力供應商能否中標的關(guān)鍵一是競價曲線的制定;二是所有電力供應商的報價，文獻1～4對電力供應商的競價決策做了深入研究，而邊際電價對競價曲線的制定起到十分關(guān)鍵的作用。

關(guān)于邊際電價預測的研究方法有許多種，文獻5～10對各種電價預測方法做了詳盡的闡述，但由于在不同的交易時段，負荷特性會發(fā)生變化，所以各方法的預測結(jié)果往往出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，尤其是對峰、谷時段的電價預測結(jié)果最明顯。本文采用模糊聚類(FCM)和小腦模型關(guān)節(jié)控制器 (CMAC)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，通過 FCM算法將交易時段分為3個負荷水平：峰負荷、腰負荷和谷負荷，然后根據(jù)不同類型的交易時段分別對小腦模型關(guān)節(jié)控制器 (CMAC)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練，構(gòu)建不同時段的短期市場邊際電價預測和競價模型，并使用澳大利亞昆士蘭州電力市場實際數(shù)據(jù)進行訓練和驗證，結(jié)果顯示，該方法預測速度快、精度較高且預測結(jié)果穩(wěn)定。

一、CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

CMAC模型由J．S．Albus于1975年提出。它是一種典型的局部逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有線性結(jié)構(gòu)、算法簡單等特點，有一定泛化能力。 CMAC網(wǎng)絡(luò)由1個固定的非線性輸入層和1個可調(diào)的線性輸出層組成，通過多種映射實現(xiàn)聯(lián)想記憶。其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。CMAC能實現(xiàn)無教師學習，并且學習速度快，可以處理不確定性知識。

圖1中，X為 n維輸入矢量空間；A為聯(lián)想記憶空間；P為輸出響應矢量。設(shè)X為 CMAC網(wǎng)絡(luò)輸入空間，Xn為對應的離散輸入空間。CMAC 網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程可簡述為：Xn中的每一輸入點xi激活記憶空間 A中的單元為 A*，A*空間對應的連接權(quán)的代數(shù)和即為對應的輸出。A*的模(即泛化參數(shù))表示了空間A*的長度。

CMAC網(wǎng)絡(luò)的訓練過程是一個不斷修正誤差的迭代過程。設(shè)Yi’為對應于某個輸入xi狀態(tài)的期望輸出，Yi為相應的CMAC網(wǎng)絡(luò)響應值，則xi對應的連接權(quán)可按式(1)進行修正。

(1)

式中表示空間Ap中與Ai相對應的元素；為相應的修正量，β為訓練因子。

輸出，即為按每個輸入xi給出的地址，對中的每個元素進行相加的和。

二、模糊聚類(FCM)算法

FCM是模糊聚類方法的一種。在很多實際問題中，經(jīng)常遇到一些用數(shù)字不能準確描述的模糊信息，模糊聚類分析法能夠較好的處理關(guān)于模糊信息的聚類問題。Bezdek定義FCM算法的目標函數(shù)如下：

（2）

其中，C為聚類數(shù)，N為數(shù)據(jù)總數(shù)，Vc為第c類的中心向量，Xi為第 i個數(shù)據(jù)向量，Uci為Uc和Ui之間的隸屬度函數(shù)。在 FCM算法中，聚類數(shù)是固定的，C的值由問題的要求和特性所決定。

當目標函數(shù)J(U，V )最小時，N個數(shù)據(jù)被分為 C類。Bezdek提出了如下算法:

第一步:估計隸屬度函數(shù)矩陣

(3)

其中，h是迭代指針，初始值為零。

第二步:h=h+1，計算類的中心向量

(4)

第三步:更新所有Xi的，i=l……N

(5)

第四步:若，則終止，否則回到第二步，ε為聚類限差。

三、基于模糊聚類和關(guān)節(jié)控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力市場競價策略

采用 FCM算法將對交易時段進行分類，然后根據(jù)不同類型的交易時段分別對CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為預測邊際電價和競價結(jié)果。

1.基于 FCM 的交易時段分類

通常電力市場中，市場運作按交易日進行，澳大利亞昆士蘭州電力市場每天分成24個時段。公開數(shù)據(jù)包括市場歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和預測負荷。由于在不同的交易時段，負荷特性會發(fā)生變化，因而可以采用 FCM算法將交易時段分為3個負荷水平：峰負荷、腰負荷和谷負荷。

設(shè)Xi(1，…，N，N=24)是第i個交易時段的負荷向量。Xi的維數(shù)為D，D是所計入的天數(shù)，在這里聚類數(shù)C取3，或者說，就是要將24負荷向量分為3類。這樣就可以減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練數(shù)據(jù)。

2.基于 FCM 的發(fā)電廠商競價分類

在同一個電力市場中有很多發(fā)電廠商參與競價，將所有的發(fā)電廠商根據(jù)上述分類交易時段進行分類，同時采用FCM將各分類交易時段發(fā)電廠商分為3類：強競爭性、弱競爭性、無競爭性。發(fā)電廠商的節(jié)點報價將作為分類的依據(jù)，聚類數(shù)C等3，Xi由第i個廠商的節(jié)點報價構(gòu)成，其維數(shù)由歷史數(shù)據(jù)的數(shù)量決定。一旦算法收斂，發(fā)電廠商被分為3個集合。與節(jié)點報價同處于一個集合的發(fā)電廠商為具有強競爭性的廠商。其余兩個集合中與節(jié)點報價所在集合距離近的集合中的發(fā)電廠商為弱競爭性的廠商，另一個集合中的發(fā)電廠商為無競爭性的廠商。

3.CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型

為提高電價預測的準確性，對電價及影響其變化的因素進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)以下因素對電價的影響較大，故將它們作為電價預測模型中應考慮的因素(其中：d表示日期；t表示時段)：

(1)歷史電價。預測時段當天1h前的時段電價P(d，t-1);預測時段當天2h前的時段電價P(d，t-2);預測時段當天3h前的時段電價P(d，t-3)；預測時段當天前1天1h前的時段電價P( d-1，t-1)，預測時段當天前1天同一時段的時段電價P( d-1，f)；預測時段當天前1天1h后的時段電價P(d-1，t+1)。

(2)系統(tǒng)負荷。預測時段的系統(tǒng)預測負荷L(d，f)(可通過短期負荷預測獲得，或?qū)κ袌龉嫉念A測負荷修正后得到)；預測時段1 h前的系統(tǒng)負荷L(d，t-1)；預測時段2h前的系統(tǒng)負荷L(d，t-2)。

4.產(chǎn)生報價策略的步驟

上述方法可以概括為如下步驟:

第一步:輸入D天的系統(tǒng)24點負荷數(shù)據(jù)，采用 FCM算法將24個交易時段按負荷水平分為3類；

第二步:訓練CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預測邊際電價。

第三步:輸入各發(fā)電廠商G×D×24個節(jié)點競價電價，其中G是總的發(fā)電廠商數(shù)，并根據(jù)第1步分類交易時段進行分類。

第四步:根據(jù)預測邊際電價和競價策略，擬定競價價格，用 FCM算法將各分類交易時段發(fā)電廠商分為3個集合

第五步:競價電價輸出預測邊際價及該廠商競價是否成功。當報價是否成功的標志位為Y時，表明該廠商可以按輸出的競價電價進行報價；如果標志位為N，則表明報價者要按小于輸出的競價電價進行報價。

四、預測實例結(jié)果

由于廠商報價實際歷史數(shù)據(jù)不全，競價電價進行了仿真預測，而邊際電價選取澳大利亞昆士蘭州電力市場1998年9月(4周)的實際運行數(shù)據(jù)作為訓練樣本。在衡量預測效果時采用了均方根相對誤差δRMAPE 、平均絕對誤差δMAE、平均相對誤差δMAPE 和均方根絕對誤差δRMSE 4個統(tǒng)計學誤差指標：

表中定量給出了邊際電價預測誤差，其中計算時間為28s。圖2給出了澳大利亞昆士蘭州電力市場1998年10月10日至10月16日的邊際電價預測值及實際值。

從圖2可以看出，從總體上來看預測結(jié)果與實際電價比較吻合，即使在電價出現(xiàn)尖峰時的局部區(qū)域內(nèi)預測效果都較精確，預測時間較其他方法短，計算速度快。

五、結(jié)論

通過對采用基于 FCM和CMAC的預測模型進行短期邊際電價和競價電價預測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該模型具有輸出穩(wěn)定性好、計算速度快和預測精度高等優(yōu)點。

電廠報價本身就是電力市場環(huán)境下很敏感的一個經(jīng)濟信號，電廠競價電價預測的研究對電力市場的各個成員具有重要意義。隨著電力市場環(huán)境的不斷完善，電力系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)的不斷增多，因此可以更好的進行電廠競價預測，以使發(fā)電廠商獲得更多的中標機會。

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