基于博弈論的電力市場大用戶購電策略研究

陳永權(quán) 張靜霞 辛存生 李菲

摘要：在我國電力市場改革發(fā)展的時(shí)代背景下，為了避免傳統(tǒng)電網(wǎng)的壟斷，電力大用戶直接購電將成為新的趨勢。本文將從四種情況分析在大用戶直購電過程中，大用戶與供電商如何運(yùn)用博弈論工具實(shí)現(xiàn)利益最大化;分別是電力大用戶與發(fā)電商之間以一對多的形式、一對一的形式進(jìn)行交易的博弈，和電力大用戶與售電商之間以多對一的形式、多對多的形式進(jìn)行交易的博弈。

Abstract： In the era of China's power market reform and development， in order to avoid the monopoly of traditional power grids， direct purchase of electricity by large power users will become a new trend. In this paper， we will analyze how to use the game theory tools to maximize the benefits of large users and power suppliers in the process of direct purchase of electricity from four situations， including a one-to-many and one-to-one transaction game between large power user and power producer， and a many-to-one and many-to-many transaction game between large power user and power producers.

關(guān)鍵詞：電力市場;大用戶;直購電;博弈論

Key words： electricity market;large users;direct purchase electricity;game theory

中圖分類號(hào)：F407.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）26-0125-04

0? 引言

電力市場是指針對電力這一特殊商品的買賣雙方相互作用來確定電價(jià)和電量的過程。電力市場需要避免壟斷，引入競爭，通過市場競爭才能提高電力運(yùn)行中各個(gè)環(huán)節(jié)的效率，從而降低企業(yè)成本，降低電價(jià)，達(dá)到購售雙贏的局面;通過市場競爭中的調(diào)節(jié)和激勵(lì)機(jī)制，可以合理資源配置，利于環(huán)境保護(hù)和資源優(yōu)化，為電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力;而電力大用戶直接購電，則是避免傳統(tǒng)電網(wǎng)壟斷的必然趨勢。文獻(xiàn)[1]提出我國電力市場改革的階段性目標(biāo)模式。文獻(xiàn)[13]在電力庫模式的前提下，提出了一種大用戶和發(fā)電商之間進(jìn)行交易而采用的博弈模型，并采用蒙特卡羅法對其進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[14][15]介紹了當(dāng)電力市場處于動(dòng)態(tài)寡頭壟斷情況時(shí)，各類企業(yè)采用競價(jià)方式，作者采用博弈論的觀點(diǎn)對這些廠商的策略進(jìn)行了優(yōu)化比較。

①大用戶直購電的定義。我們通常將電壓等級(jí)和年平均用電量作為界定直購電“大用戶”的標(biāo)準(zhǔn)。從電力市場參與者關(guān)系來看，大用戶直購電分為零售轉(zhuǎn)供和零售加批發(fā)轉(zhuǎn)供的情況。

②大用戶直購電的目的。傳統(tǒng)電力行業(yè)的壟斷極大阻礙了電力市場化的發(fā)展，直購電工作是電力市場化改革的必經(jīng)之路，通過引入競爭打破電網(wǎng)壟斷格局，加速電網(wǎng)輸配分離，促進(jìn)輸配電價(jià)機(jī)制的形成，對電力市場的開放具有重要意義。

③大用戶直購電的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

1）英國電力市場大用戶直接購電。英國于1987年開始電力工業(yè)的體制改革，減小對大用戶準(zhǔn)入市場條件和選擇供電商的限制，并使得大用戶擁有自主選擇供電方的權(quán)力，同時(shí)規(guī)定持有許可證的電力企業(yè)也可向運(yùn)營中心購電，成為大用戶的供電方。在電力市場貿(mào)易中，大用戶可以選擇向電力聯(lián)合運(yùn)營中心購電，運(yùn)營中心將從發(fā)電廠商購買的電轉(zhuǎn)賣給大用戶;購售雙方也可以直接簽訂合同，買賣不經(jīng)過電力聯(lián)合運(yùn)營中心，發(fā)電商直接同大用戶、地方電力公司或者持許可證的電力企業(yè)簽訂合同，用戶也可以自由購電，電力市場的競爭活躍。同時(shí)市場規(guī)定高壓輸電網(wǎng)國有化，保證電網(wǎng)運(yùn)行安全和市場成員平等使用電網(wǎng)的權(quán)利。

2）美國電力市場大用戶直接購電。從上世紀(jì)50年代開始直到70年代，經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，美國成立了電力合作組織。為了活躍市場競爭和改變傳統(tǒng)電力公司壟斷經(jīng)營發(fā)電的格局，美國在1978年頒發(fā)了公用企業(yè)管制法，其中規(guī)定除電力公司外的非電力公司可以直接賣電給用戶，使得非電力公司的發(fā)電量猛增，市場環(huán)境成為了良性的競爭局面。同時(shí)，輸電網(wǎng)的限制也逐漸放開，電力公司之間的交易、電力大用戶與電力公司或發(fā)電廠商之間的交易，均可通過多個(gè)輸電網(wǎng)直接進(jìn)行，輸電網(wǎng)可從雙方收取一定的過網(wǎng)費(fèi)用。隨著輸電網(wǎng)的強(qiáng)化發(fā)展和過網(wǎng)傳輸?shù)男枨笤鲩L，電力市場競爭的規(guī)模不斷加大。

3）日本電力市場大用戶直接購電。日本在“電力事業(yè)法”修正案中調(diào)整了用戶自由購電的最大用電功率和電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定電壓等級(jí)20kV或最大用電功率2000kW以上的用戶可自由購電。使得日本大用戶的年用電量占到了總售電量的30%，其數(shù)量增加到了8300多家。電力零售業(yè)務(wù)逐漸在各個(gè)電力企業(yè)中興起，原有的電力公司將業(yè)務(wù)重心放在對大客戶的服務(wù)上，實(shí)施互利互惠的電價(jià)政策，提高企業(yè)內(nèi)部經(jīng)營管理的效率，關(guān)停效率低下的機(jī)組，減少停機(jī)檢修時(shí)間，縮小建設(shè)規(guī)模等，盡可能留住大客戶。

4）我國電力市場大用戶直接購電。我國的電力行業(yè)正處于一個(gè)飛速發(fā)展的階段，但也依然沒有擺脫電力供應(yīng)緊張的狀況。根據(jù)國家發(fā)改委的預(yù)計(jì)，在未來的一段時(shí)間里，這種狀況的程度將會(huì)進(jìn)一步的加深，一些地區(qū)拉閘限電的情況仍然會(huì)存在。除開這部分電力資源匱乏的地區(qū)之外，國家在其他電力資源較為豐富的地區(qū)嘗試開展大用戶直供電，如吉林省電力公司在2015年與省內(nèi)兩家企業(yè)直接簽訂購電合同，標(biāo)志我國的電力市場化建設(shè)取得了新的突破。

從上述描述以及眾多報(bào)告中顯示，世界范圍內(nèi)多個(gè)國家已經(jīng)對電力工業(yè)進(jìn)行了市場化改革，由于大用戶在電力市場中的地位重要，絕大部分國家都開展了電力大用戶直接購電的市場模式，大用戶自由選擇發(fā)電商購電的模式利于建立公平競爭市場環(huán)境，完善電力市場機(jī)制。在進(jìn)行電力交易前，購售電雙方會(huì)針對交易價(jià)格不斷地討價(jià)還價(jià)，經(jīng)歷一系列的談判過程，我們可以將其看成一種非完全信息博弈。買賣雙方可不斷修改自己的報(bào)價(jià)，直到達(dá)到博弈的均衡點(diǎn)，得到雙方都能接受的交易價(jià)格，這就涉及到發(fā)電和輸配電的成本、大用戶的電費(fèi)成本等一系列相關(guān)科目，文獻(xiàn)[2]介紹了一種適合在大用戶和發(fā)電商之間進(jìn)行直供電交易時(shí)使用的電價(jià)模型，文獻(xiàn)[3]基于博弈論的觀點(diǎn)對大用戶直購電模式下購售雙方的利益分配問題進(jìn)行了探討。本文將從四種情況分析在大用戶直購電過程中，大用戶與供電商如何運(yùn)用博弈論工具實(shí)現(xiàn)利益最大化;分別是電力大用戶與發(fā)電商之間以一對多的形式、一對一的形式進(jìn)行交易的博弈，及電力大用戶與售電商之間以多對一的形式、多對多的形式進(jìn)行交易的博弈。

1? 單一電力大用戶與多個(gè)發(fā)電商交易的利益博弈

電力大用戶與多個(gè)發(fā)電商之間采用競價(jià)拍賣的方式進(jìn)行交易。大用戶公布需要購買的電量、用電時(shí)段、電價(jià)上下限等指標(biāo)，發(fā)電商根據(jù)自身?xiàng)l件向用戶報(bào)價(jià)投標(biāo)。當(dāng)處在非完全信息的環(huán)境時(shí)，電力市場中的報(bào)價(jià)一般是不透明的。如果采用單一對策模型，局中所有人的地位及目標(biāo)的關(guān)系難以度量，因此為了解決這個(gè)問題，本文采用二層對策模型來描述和處理。該二層系統(tǒng)中對交易算法進(jìn)行優(yōu)化，上下層模型分別是大用戶購電費(fèi)用最少和發(fā)電商之間的期望收益最大。

1.1 電力大用戶的博弈策略

購電用戶可以采用排隊(duì)法[4]、等報(bào)價(jià)法[5]、網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃法[6]和線性規(guī)劃法[7]等招標(biāo)方法使得自己的購電成本最少。我們主要使用排隊(duì)招標(biāo)法，各個(gè)機(jī)組按照報(bào)價(jià)由低到高排序優(yōu)先，結(jié)合約束條件，計(jì)算出各種可能的情況;目標(biāo)函數(shù)為計(jì)算結(jié)果中的最低費(fèi)用。模型如下所示。

在此模型中我們用符號(hào)i、j、k分別表示投標(biāo)商、輸電線路和節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，用I、J、K分別表示投標(biāo)商、輸電線路和節(jié)點(diǎn)的總數(shù);上式中Ci、Pi分別表示第i個(gè)投標(biāo)商的報(bào)價(jià)和供電量，Pk表示系統(tǒng)輸出有功，PD表示大用戶的需求電量，PL表示系統(tǒng)總的有功負(fù)荷，Pmax，j表示第j條輸電線上的最大值;Uk表示節(jié)點(diǎn)電壓幅值， Uk，min、Uk，max表示幅值上下限;Cmin，Cmax表示購電電價(jià)上下限制。計(jì)算步驟如下：

1）首先按照各機(jī)組報(bào)價(jià)由低到高排隊(duì)優(yōu)先，報(bào)價(jià)相同的機(jī)組按照電量多的優(yōu)先;

2）然后按照優(yōu)先次序考慮機(jī)組，對供電量依次進(jìn)行累加，直到滿足要求;

3）校核約束條件;當(dāng)不滿足約束條件時(shí)返回第二步;

4）最后得到結(jié)果，步驟完成。

1.2 發(fā)電商間的博弈策略

參與投標(biāo)的發(fā)電商需要使得自身的中標(biāo)成功率和賣電的收益最大，發(fā)電商之間并不清楚彼此的售價(jià)，處于靜態(tài)博弈中。文獻(xiàn)[8]對獲勝報(bào)價(jià)法、一般對手法等方法進(jìn)行了研究，這些方法可以確定最優(yōu)的報(bào)價(jià)策略;在此處我們使用平均對手法來分析各方的最優(yōu)報(bào)價(jià)策略，方法步驟如下所示：

2? 單一電力大用戶與單一發(fā)電商交易的利益博弈

這種博弈處在非完全信息的環(huán)境下，通常采用雙向拍賣和序貫談判的方式進(jìn)行，購售雙方的決定更加的直接迅速。文獻(xiàn)[9]介紹了一種基于模糊概率情景下的決策模型;文獻(xiàn)[10]基于序貫談判問題，優(yōu)化了一些模型做為決策的參考;文獻(xiàn)[11]對雙向拍賣試驗(yàn)進(jìn)行了討論研究;本節(jié)選擇運(yùn)用序貫談判的相關(guān)知識(shí)研究單一電力大用戶與單一發(fā)電商在非完全信息下的動(dòng)態(tài)博弈。

首先進(jìn)入第一輪談判，大用戶報(bào)價(jià)為pb1，售電商報(bào)價(jià)為ps1，經(jīng)過不斷重復(fù)進(jìn)行的談判與協(xié)商，當(dāng)出現(xiàn)vb

3? 多個(gè)電力大用戶與單一售電商交易的利益博弈

此處的交易采用競價(jià)拍賣的方式進(jìn)行。發(fā)電商向大用戶公布提供的電量、供電時(shí)段、售電電價(jià)的上下限等信息，大用戶根據(jù)自身情況投標(biāo)。大用戶采取密封報(bào)價(jià)的方式，因此，與第一種情況相同，此處采用二層對策模型來解決此類系統(tǒng)中的博弈決策問題。

3.1 售電商的博弈策略

發(fā)電商需要使得售電收益最大，因而此處仍然采用排隊(duì)招標(biāo)的方法，各大用戶按照由高到低的次序排隊(duì)優(yōu)先，結(jié)合約束條件，計(jì)算可能出現(xiàn)的售電收益，目標(biāo)函數(shù)為收益最優(yōu)。模型如下所示。

模型中我們用i、j、k分別表示投標(biāo)商、輸電線路和節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，用I、J、K分別表示投標(biāo)商、輸電線路和節(jié)點(diǎn)的總數(shù);Pi表示投標(biāo)商i的供電量，Pk表示系統(tǒng)輸出有功，PF表示發(fā)電商總的供電電量，PL表示統(tǒng)總有功負(fù)荷，Pmax，j表示第j條輸電線路的輸電極限，Uk表示節(jié)點(diǎn)電壓幅值，Uk，min、Uk，max節(jié)點(diǎn)電壓幅值的上下限，？姿min、？姿max表示售電電價(jià)上下限。計(jì)算步驟如下：

1）首先按照各大用戶報(bào)價(jià)由高到低的次序排隊(duì)優(yōu)先，報(bào)價(jià)相同的大用戶按照投標(biāo)電量多的優(yōu)先;

2）然后按照優(yōu)先次序依次考慮用戶的供電量，并進(jìn)行累加，直到滿足發(fā)電商的要求;

3）校核約束條件;如果不滿足將返回第二步;

4）得出結(jié)果。

3.2 電力大用戶間的博弈策略

此處的大用戶需要考慮競標(biāo)期望和購電收益最大，當(dāng)處于非完全信息的市場環(huán)境時(shí)，大用戶自身也處于非完全信息的靜態(tài)博弈中，大用戶之間不清楚彼此的報(bào)價(jià)。因此大用戶一般會(huì)將怎樣在擬定的范圍內(nèi)可以同時(shí)爭取最大利潤和達(dá)到期望競標(biāo)作為首要研究問題。在本節(jié)，依舊采用平均對手法來分析各方的最優(yōu)報(bào)價(jià)策略。計(jì)算步驟如下：

4? 多個(gè)電力大用戶與多個(gè)售電商交易的利益博弈

在這種情況下，可把M個(gè)大用戶和N個(gè)售電商之間的直購電交易當(dāng)作M+N個(gè)參與者參與的非合作對策問題，同時(shí)，多個(gè)發(fā)電商之間或多個(gè)大用戶之間可以看成是合作博弈的利益分配問題。

5? 結(jié)論與展望

隨著電力市場逐漸開放需求側(cè)的權(quán)限，用戶成為影響價(jià)格的角色存在，不再因?yàn)槭袌鰞r(jià)格而顯得被動(dòng)。因此，大用戶在直購電時(shí)與售電商的交易模式成為被關(guān)注的對象，本文將大用戶與售電商的交易分為四種情況進(jìn)行分析，運(yùn)用二層對策模型、序貫談判法和混合戰(zhàn)略相關(guān)知識(shí)分別對單一大用戶與大一售電商直購電交易、單一大用戶與多個(gè)售電商直購電交易、多個(gè)大用戶與單一售電商直購電交易、多個(gè)大戶和多個(gè)售電商直購電交易的情況進(jìn)行相應(yīng)分析，并最終給出兩者在博弈過程中可以使自身獲得最大利益的模型判斷工具，從而使二者在交易過程中可以運(yùn)用相應(yīng)工具促使自己達(dá)成最大利益期望。

由于筆者在理論水平與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)不足，所以還存在很多缺陷，將來可能的研究有：

①分析研究購售雙方的報(bào)價(jià)空間;

②在電力市場中大用戶與售電商在直購電交易過程中，監(jiān)管機(jī)制如何有效地實(shí)施監(jiān)控手段，確保安全公平的有效競爭;

③在博弈論工具的運(yùn)用上，工具較為單一，在其他方法的構(gòu)想上還應(yīng)該多進(jìn)行研究，以期找到最佳選擇工具達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。

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