基于通道充裕度的電能交易策略評估模型

吳 楊，劉俊勇，許立雄，閆占新，張 里

（1.西南科技大學(xué)，四川綿陽 621010；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065）

0 引言

隨著電力市場、智能電網(wǎng)建設(shè)進度的加快以及可再生能源等新型資源的出現(xiàn)，電能交易逐步從品種單一、結(jié)構(gòu)簡單的供應(yīng)鏈模式轉(zhuǎn)向多品種交易、多種群參與的超網(wǎng)絡(luò)格局［1］。市場化下的電能交易網(wǎng)絡(luò)中，某些參與者基于自身純經(jīng)濟利益考慮，常常會利用容量持留等手段抬高電能供應(yīng)價格，造成供應(yīng)量短缺，給電能交易帶來風(fēng)險。因此，在電能交易網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)實施風(fēng)險管理，用以增強網(wǎng)絡(luò)的抗風(fēng)險能力［2］。

目前國內(nèi)外對電能交易風(fēng)險管理的研究主要集中在風(fēng)險控制和風(fēng)險評估兩個方面［3］。文獻［4-5］分別從發(fā)電商和資源規(guī)劃的角度討論了電力市場中的風(fēng)險管理問題。文獻［6-7］運用現(xiàn)代投資組合與風(fēng)險規(guī)避理論、風(fēng)險價值方法，針對發(fā)電公司進行了風(fēng)險控制研究和風(fēng)險評估。文獻［8-9］基于投資組合和條件風(fēng)險價值（CVaR）模型，對供電公司購電策略進行評估分析。文獻［10］根據(jù)效用理論和現(xiàn)代投資理論，研究了電網(wǎng)公司在直購電中的風(fēng)險。文獻［11-12］對配電和售電公司在電能交易中的風(fēng)險進行了研究。不過這些電能交易風(fēng)險管理的研究主要針對發(fā)電商、配電商、供電商等單一主體展開，缺乏基于系統(tǒng)、整體角度的分析。同時，目前主流的風(fēng)險價值（VaR）模型、CVaR靜態(tài)風(fēng)險評估方法尚無法將動態(tài)信息納入評估模型中，存在一定的局限性。

從系統(tǒng)論可知，涌現(xiàn)性（主要指系統(tǒng)具有其各個組成部分或各組成部分之和所不具備的性質(zhì)）是系統(tǒng)最重要的特征。從系統(tǒng)的涌現(xiàn)性可以推斷出，系統(tǒng)的組成個體在系統(tǒng)環(huán)境下會表現(xiàn)出異于單體環(huán)境下的行為。電能交易網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，自然也就具有這樣的特性。因此，純粹基于單體態(tài)下的電能交易理論研究必然會在一定程度上表現(xiàn)出對復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境的不適應(yīng)性，有必要開展網(wǎng)絡(luò)態(tài)下的電能交易理論研究工作?；谇笆鲭娔芙灰罪L(fēng)險研究現(xiàn)狀的分析，本文將通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下電能交易策略評估模型，希望為具備抗風(fēng)險能力的交易策略決策提供理論指導(dǎo)，最終提升電能交易網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險規(guī)避能力。

1 電能交易網(wǎng)絡(luò)規(guī)避市場力風(fēng)險的思路

市場力的存在會給電能穩(wěn)定以及有序供應(yīng)帶來嚴重危害。在影響市場力強度的眾多因素中，市場占有率是其中最為關(guān)鍵的要素［13］，供應(yīng)商的市場占有份額與其對市場交易的影響程度正相關(guān)，供應(yīng)商占有的市場份額越大，擁有的市場力就越強，對商品交易價格、供應(yīng)量的控制范圍就越大，給電能交易帶來的潛在風(fēng)險也就越大。從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)高的節(jié)點遭受攻擊時，如果控制措施不得力，極有可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)徹底癱瘓。相對于傳統(tǒng)的簡單供應(yīng)鏈模式，網(wǎng)絡(luò)態(tài)下的電能交易參與者及商品種類的可選擇范圍都較大，市場參與者之間通過多樣化的交易關(guān)系連接在一起組成電能交易通道，因此可以考慮通過設(shè)計合理的交易策略，使電能交易通道具備一定的冗余性。具有冗余通道的交易網(wǎng)絡(luò)通過分散市場供應(yīng)渠道的集中度，能夠提高交易網(wǎng)絡(luò)競爭的充分性，有利于弱化供應(yīng)商節(jié)點的市場占有率、削弱市場力，從而在一定程度上規(guī)避了市場風(fēng)險。

本文在此冗余度思想的基礎(chǔ)上，利用電能交易網(wǎng)絡(luò)中可流動的交易量將所有市場參與者連接為一個整體，把交易量的流動渠道視為交易通道，以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的流出量占網(wǎng)絡(luò)內(nèi)總流量的比值作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以供應(yīng)商身份出現(xiàn)的概率，借鑒信息論中信息熵和自互信息的概念，構(gòu)建交易網(wǎng)絡(luò)通道充裕度度量模型，最終以此模型的度量結(jié)果對交易策略的抗風(fēng)險性能進行評估。

2 基于交易通道充裕度的策略評估模型

2.1 交易通道充裕度模型

信息熵利用消息中所含事件的發(fā)生概率，對該消息包含的信息容量進行度量［14］。網(wǎng)絡(luò)中流動的交易量是電能交易網(wǎng)絡(luò)的主要信息流，是電能穩(wěn)定供應(yīng)的要素。因此，可以利用交易量構(gòu)建電能交易相關(guān)的事件概率，并借鑒信息容量的度量思想對電能交易通道容量進行量化分析。量化模型構(gòu)建如下：假設(shè)T表示電能交易網(wǎng)絡(luò)中的總交易流量；Di表示節(jié)點i的累計可交易流量占網(wǎng)絡(luò)總交易流量的比值；Pij表示節(jié)點i供應(yīng)給節(jié)點j的流量；pij表示交易流量從節(jié)點i到節(jié)點j之間的轉(zhuǎn)移概率；TIPi表示節(jié)點i的總流入量，即總購買量；TOPi表示節(jié)點i的總流出量，即總供應(yīng)量。

對于具有N個節(jié)點的系統(tǒng)，如果所有流量均以同一單位時間段進行統(tǒng)計，則有：

由此可定義電能交易網(wǎng)絡(luò)交易通道容量V為：

交易通道容量越大表示網(wǎng)絡(luò)中擁有的交易路徑數(shù)量越多。但需要說明的是，該容量值包含網(wǎng)絡(luò)中已使用的交易通道和空閑可選交易通道。

在交易網(wǎng)絡(luò)中，若兩節(jié)點之間存在路徑，則表示二者之間已達成交易，網(wǎng)絡(luò)中的1條交易通道處于占用狀態(tài)。具體到電能交易網(wǎng)絡(luò)，若從表示供應(yīng)商的某節(jié)點出發(fā)有多條路徑分別與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點相連，那就表明有多條交易通道已被該節(jié)點占用，該節(jié)點作為供應(yīng)商具有較高的市場占有率。為此可以定義反映交易網(wǎng)絡(luò)中已占用通道的衡量指標——聚合度。信息論中用平均互信息對消息事件之間的關(guān)聯(lián)程度進行描述，其實質(zhì)是通過對消息事件之間互相提供的信息量用條件概率平均，得到由已知事件X提供的與其相關(guān)的未知事件Y的信息量。從通信信道的角度解釋，平均互信息表示的是接收到輸出信號后平均每個信號得到的關(guān)于信道輸入端X的信息量［14］。

按照此方法對電能交易網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)程度進行度量，并以此度量值表示交易網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點占用的通道數(shù)量。

根據(jù)聚合度量化模型，聚合度C的定義為：

最終得出電能交易網(wǎng)絡(luò)中空閑可選的交易通道度量，即交易通道充裕度R為：

2.2 通道充裕度與交易策略抗風(fēng)險性能關(guān)系的理論證明

市場力帶來的電能交易風(fēng)險可等價于交易網(wǎng)絡(luò)中供應(yīng)商節(jié)點減少、交易通道阻斷產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)擾動。從自組織系統(tǒng)具有根據(jù)某種規(guī)則自主演化、自行從無序進化為有序的能力［15］可以推知，具有自組織能力的系統(tǒng)對外界干擾具有一定的自適應(yīng)能力、抗擾動能力。內(nèi)部存在非線性的相互作用是系統(tǒng)具有自組織演化能力的決定性條件［15］。依據(jù)第1小節(jié)的冗余度思想，在電能交易網(wǎng)絡(luò)中，該決定性條件依賴于交易通道的可選擇程度。

根據(jù)電能交易通道可選路徑充裕度的定義式（8），令Q＝R／V，可得：

對時間求導(dǎo)：

對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，可假設(shè)V、Q隨時間的變化為V0e－at、Q0e－bt（其中V0、Q0表示初始值，a、b為時間常數(shù)），帶入式（10）可得：

可推出，當(dāng)時刻t＝1／b ln［Q0（1＋b／a）］時，系統(tǒng)停止生長；當(dāng)Q0＞a／（a＋b）時，在時間段t足夠長時，系統(tǒng)發(fā)生自組織行為而生長。Q越大（或者說R越高），系統(tǒng)發(fā)生自組織行為的能力越強，即電能交易網(wǎng)絡(luò)中實體之間交易的機會越多，網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力、抗擾動性能也就越好。因此，若某策略下的電能交易網(wǎng)絡(luò)具有較高的通道充裕度，則可以認為該交易策略具有較好的抗市場力風(fēng)險性能。

2.3 通道充裕度的靈敏度分析

靈敏度可以反應(yīng)系統(tǒng)中參數(shù)變化對系統(tǒng)指標的影響程度。對電能交易網(wǎng)絡(luò)通道充裕度進行靈敏度分析有助于及時、準確定位對充裕度性能產(chǎn)生關(guān)鍵影響的節(jié)點。參數(shù)的獲取是進行靈敏度分析的基礎(chǔ)，在電能交易網(wǎng)絡(luò)中，對通道充裕度進行靈敏度分析所需的重要參數(shù)為：節(jié)點狀態(tài)參數(shù)xi表示節(jié)點擁有的可交易量；流量參數(shù)Pij表示節(jié)點i流向節(jié)點j的交易量。路徑上的流量大小依賴于所關(guān)聯(lián)節(jié)點的狀態(tài)，系統(tǒng)的狀態(tài)方程是聯(lián)系二者的橋梁。

根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)空間的描述方式［16］，可推得電能交易網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)方程標準形式的表達式為：

根據(jù)電能交易網(wǎng)絡(luò)路徑流量與節(jié)點可交易量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)：SV（Pij）、SV（xi）分別為交易通道容量關(guān)于Pij、xi的靈敏度；SC（Pij）、SC（xi）分別為節(jié)點聚合度關(guān)于Pij、xi的靈敏度。由公式（6）、（7）分別對參數(shù)求導(dǎo)，得到：

進一步展開，可得：

其中：

根據(jù)公式（8）可以推得，電能交易通道充裕度的靈敏度為：

3 算例分析

3.1 市場基本信息

利用本文提出的評估模型，對文獻［17］中建立的“輸電電價最大優(yōu)先”、“輸電電價最小優(yōu)先”2種區(qū)域電能交易策略的抗擊市場力風(fēng)險性能進行分析。已知某區(qū)域電能交易市場結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［17］。

圖1 某區(qū)域電能交易市場結(jié)構(gòu)示意圖

該區(qū)域交易市場是由隸屬于2個種群的10個節(jié)點組成的交易網(wǎng)絡(luò)。該交易網(wǎng)絡(luò)覆蓋A、F、S、Z共計4個省份，包含6個發(fā)電商節(jié)點（以符號G標識）、4個負荷節(jié)點（以符號L標識）。該交易網(wǎng)絡(luò)在“輸電電價最大優(yōu)先”、“輸電電價最小優(yōu)先”2種交易策略下對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分別簡稱為“網(wǎng)絡(luò)1”、“網(wǎng)絡(luò)2”。文中不考慮物理網(wǎng)絡(luò)的阻塞及損耗。

該區(qū)域電能交易網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)以及開市前的初步安排如表1所示。

表1 某區(qū)域電能交易網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)以及開市前的初步安排 MW

3.2 交易策略分析

3.2.1 “輸電電價最大優(yōu)先”策略

“輸電電價最大優(yōu)先”策略是指：在國家規(guī)定的電能交易價格區(qū)間范圍內(nèi)（發(fā)改價格［2009］2474號文件明確規(guī)定，省電網(wǎng)企業(yè)在跨省的電能交易中收取的全部費率不能超過0.03元／k Wh），區(qū)域電網(wǎng)實行固定費率，送電省份采用最高輸電電價，最終確定出成交方及供應(yīng)量的一種電能交易撮合策略。

網(wǎng)絡(luò)1的交易決策結(jié)果如圖2所示（其中：Max為最大可交易量；TV為當(dāng)前已交易量）。

圖2 網(wǎng)絡(luò)1的交易決策結(jié)果

相應(yīng)交易流量矩陣可以從表2中得到。

表2 網(wǎng)絡(luò)1的交易流量

由公式（12）～（17）計算可得，圖2所示的網(wǎng)絡(luò)1的狀態(tài)方程如下：

根據(jù)2.1、2.3小節(jié)建立的模型計算可得，網(wǎng)絡(luò)1的交易通道充裕度及其靈敏度分析結(jié)果見表3和表4。由表4可知，節(jié)點1（即：發(fā)電商G1）是網(wǎng)絡(luò)1中對交易通道充裕度影響最大的節(jié)點。

表3 網(wǎng)絡(luò)1的交易通道充裕度R1

表4 網(wǎng)絡(luò)1的交易通道充裕度靈敏度S R1（Gi）分析結(jié)果

3.2.2 “輸電電價最小優(yōu)先”策略

“輸電電價最小優(yōu)先”策略是指送電省份采用政府允許的輸電電價下限的電能交易撮合策略。網(wǎng)絡(luò)2的交易決策結(jié)果見圖3（其中：Max為最大可交易量；TV為當(dāng)前已交易量）。相應(yīng)的交易流量矩陣可由表5得到。

圖3 網(wǎng)絡(luò)2的交易決策結(jié)果

表5 網(wǎng)絡(luò)2的交易流量

續(xù)表

網(wǎng)絡(luò)2對應(yīng)的狀態(tài)方程為：

同理計算可得，網(wǎng)絡(luò)2的交易通道充裕度及其靈敏度分析結(jié)果分別如表6和表7所示。

表6 網(wǎng)絡(luò)2的交易通道充裕度R2

表7 網(wǎng)絡(luò)2的交易通道充裕度靈敏度S R2（Gi）分析結(jié)果

由表6可知，網(wǎng)絡(luò)2的交易通道充裕度為0.403，高于網(wǎng)絡(luò)1的交易通道充裕度。節(jié)點3、4（即：發(fā)電商G3、G4）是網(wǎng)絡(luò)2中對通道充裕度影響最大的節(jié)點。

3.2.3 交易策略性能對比

從文獻［17］可知，若單純考慮經(jīng)濟因素，“輸電電價最大優(yōu)先”和“輸電電價最小優(yōu)先”2種交易策略對該區(qū)域交易網(wǎng)絡(luò)的需求具有效用一致性，即2種策略下交易網(wǎng)絡(luò)的利潤和供應(yīng)量均在需求范圍之內(nèi)?，F(xiàn)根據(jù)該區(qū)域交易網(wǎng)絡(luò)的實際供需狀況，假設(shè)上述電能交易網(wǎng)絡(luò)中負荷節(jié)點臨時新增50、100、200 MW需求，來對前述2種交易策略下的網(wǎng)絡(luò)抗風(fēng)險能力進行對比分析。

由于市場占有率是交易網(wǎng)絡(luò)中與市場力風(fēng)險正相關(guān)的主要因素，因此以關(guān)鍵節(jié)點市場占有率的變化情況作為評判2種策略下的交易網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對市場力風(fēng)險性能的依據(jù)。根據(jù)分析可知，網(wǎng)絡(luò)1、網(wǎng)絡(luò)2的關(guān)鍵節(jié)點分別為G1和G3、G4，兩個網(wǎng)絡(luò)中的非關(guān)鍵節(jié)點容量均已飽和。因此，網(wǎng)絡(luò)1中的新增市場需求將全部由G1承擔(dān)，網(wǎng)絡(luò)2中的新增市場需求既可由G3或G4獨立承擔(dān)，也可由G3、G4按照一定比例分攤。在本算例中，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)2中的新增市場需求由G3獨立承擔(dān)（G4單獨承擔(dān)的情形與此完全一致，不再另作分析）、G3和G4平均分攤兩種情況。新增市場需求后，網(wǎng)絡(luò)1、網(wǎng)絡(luò)2中關(guān)鍵節(jié)點市場占有率（參照公式（5）計算）及其變化情況如表8所示。

當(dāng)最終新增需求不大于100 MW，網(wǎng)絡(luò)1新增容量由G1獨立承擔(dān)，網(wǎng)絡(luò)2新增容量由G3獨立承擔(dān)時，網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2的抗風(fēng)險性能對比分析見圖4。當(dāng)最終新增需求不大于100 MW，網(wǎng)絡(luò)1新增容量由G1獨立承擔(dān)，網(wǎng)絡(luò)2新增容量由G3、G4均攤時，網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2的抗風(fēng)險性能對比分析如圖5所示

圖4 網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2的抗風(fēng)險性能對比分析（一）

由上述分析可知，當(dāng)交易網(wǎng)絡(luò)新增電能需求時，網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2中關(guān)鍵節(jié)點的市場占有率變化情況存在顯著差異。在交易通道充裕度較小的網(wǎng)絡(luò)1中，隨市場需求的不斷增加，G1的市場占有率呈顯著增高趨勢；交易通道充裕度較大的網(wǎng)絡(luò)2中，關(guān)鍵節(jié)點的市場占有率增長率一直低于網(wǎng)絡(luò)1中的情況。當(dāng)新增市場需求超過100 MW時，網(wǎng)絡(luò)2中的新增需求處于由G3、G4均攤狀態(tài)，此時其關(guān)鍵節(jié)點的市場占有率增速將更加緩慢，遠低于網(wǎng)絡(luò)1中的情形。

圖5 網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2的抗風(fēng)險性能對比分析（二）

顯然，由于關(guān)鍵節(jié)點市場占有率增長率的顯著差異，隨著市場需求的逐漸增加，通道充裕度較大的網(wǎng)絡(luò)2中的關(guān)鍵節(jié)點可操控的交易量范圍將逐漸減弱，最終將小于通道充裕度較小的網(wǎng)絡(luò)1中關(guān)鍵節(jié)點的控制范圍。因此，當(dāng)交易進行到一定程度時，在2個網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點受到同樣攻擊而無法正常交易時，交易通道充裕度較小的“輸電電價最大優(yōu)先”策略下的網(wǎng)絡(luò)1面臨的交易風(fēng)險將更大。或者說，通道充裕度高的“輸電電價最小優(yōu)先”交易策略下的網(wǎng)絡(luò)2在弱化關(guān)鍵節(jié)點市場占有率、抗擊市場力風(fēng)險方面具有優(yōu)勢。因此，通過所構(gòu)建的電能交易策略評估模型的進一步分析，對于文獻［17］中構(gòu)建的2種電能交易策略，在同樣滿足經(jīng)濟性要求的狀態(tài)下，選擇基于“輸電電價最小優(yōu)先”的電能交易策略更有利于削弱交易網(wǎng)絡(luò)中的市場力、維護交易網(wǎng)絡(luò)的健壯性以抗擊市場力帶來的交易風(fēng)險。

4 結(jié)論

從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，利用交易網(wǎng)絡(luò)中流動的電能交易量將所有參與者聯(lián)系起來，根據(jù)交易網(wǎng)絡(luò)通道充裕度的狀態(tài)對網(wǎng)絡(luò)所采用的交易策略抗風(fēng)險性能進行評估。通過對某實際區(qū)域交易網(wǎng)絡(luò)在通道充裕度不同的2種交易策略下的抗市場力風(fēng)險性能對比分析，證實了所構(gòu)建評估模型的合理性和實用性，為網(wǎng)絡(luò)態(tài)下的電能交易風(fēng)險規(guī)避決策提供了理論參考。

表8 網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2的關(guān)鍵節(jié)點市場占有率及其變化對比分析 %

隨著電力輸送物理網(wǎng)架的日益堅強以及電力市場價格、需求側(cè)管理等理論、機制的不斷完善，未來發(fā)電權(quán)、輸電權(quán)、用電權(quán)等多種類交易品種及多供應(yīng)商參與的電能交易超網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜。因此，在基于系統(tǒng)論對網(wǎng)絡(luò)態(tài)下的電能交易進行初步研究的基礎(chǔ)上，有必要進一步從動態(tài)演化的角度出發(fā)，對電能交易網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的影響因素、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化趨勢進行分析，并在此基礎(chǔ)上開展動態(tài)超網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的電能交易策略的相關(guān)研究工作。

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