基于TOPSIS法評價發(fā)電機組交易投機行為的研究

何 潔，金駱松，趙 雯，龐靖宇，王 鑫，宋云鵬

（1.浙江電力交易中心有限公司，杭州 310016；2.浙江華云信息科技有限公司，杭州 310051）

0 引言

自《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)〔2015〕9 號文）文發(fā)布后，我國電力市場改革逐步深化，浙江電力市場的機制設計借鑒了美國PJM 電力市場的運營經(jīng)驗，中長期電力市場幫助市場主體規(guī)避現(xiàn)貨市場的價格波動風險，采用雙邊協(xié)商、集中競價和掛牌交易等模式提前鎖定交易電量、電價；現(xiàn)貨市場采用“日前市場+實時市場”的“兩部制”市場機制，現(xiàn)貨市場的交易品種包括電能量交易和輔助服務交易等。浙江電力市場體系較為復雜，對電力市場的規(guī)范可持續(xù)運營提出了嚴峻的考驗。我國電力市場建設處于初級轉(zhuǎn)型階段，在多層次的市場結(jié)構(gòu)下如何確保市場的公開透明，發(fā)現(xiàn)市場風險，促進市場的穩(wěn)步健康發(fā)展是需要重點研究的課題之一。電力交易中心作為電力市場的運營機構(gòu)，承擔著組織市場主體交易、監(jiān)測電力市場運行、評價電力市場運營情況等重要職責，如何發(fā)現(xiàn)市場漏洞、持續(xù)監(jiān)測市場運行情況是交易中心的主要挑戰(zhàn)。

發(fā)電企業(yè)是電力市場參與主體中的重要一員。縱觀國內(nèi)外電力市場，發(fā)電側(cè)具備運用市場力影響出清電價從而造成市場擾動的能力，在我國電力市場的起步階段，市場電價超出期望的大幅波動會影響市場改革的進程。因此，交易中心需要對發(fā)電企業(yè)的申報投機行為進行重點監(jiān)測，以發(fā)現(xiàn)發(fā)電側(cè)主體在交易過程中的不規(guī)范申報行為，防范市場風險，促進市場的平穩(wěn)過渡。

1 TOPSIS 法原理

TOPSIS 法運用多個指標、對多個方案進行對比較選擇，該模型的核心是首先確定各項指標的最優(yōu)值和最差值，運用加權(quán)歐式距離計算各不同方案與最優(yōu)值、最差值之間的距離，由此得出最佳方案與各比對方案的靠近程度，以評價方案的優(yōu)劣[1-5]。

對電力市場交易中的發(fā)電企業(yè)而言，評價發(fā)電機組的申報行為可以使用一組評價指標，根據(jù)選取的特定指標來評測其申報行為是否具有投機傾向，為發(fā)電機組的申報行為貼上標簽[6-7]。TOPSIS 法根據(jù)計算出來的每個發(fā)電機組各指標賦分與理想值的相對距離得到發(fā)電機組申報行為的總體得分，數(shù)據(jù)計算相對簡單，可以對電力市場參與交易的所有機組進行同步評價，評價指標不受限制，并且隨著電力市場的不同發(fā)展階段對評價指標進行橫向擴展，具備在大數(shù)據(jù)分析中應用的條件，因此選取TOPSIS 法可以對發(fā)電機組是否進行投機交易進行有效評價。

2 評價發(fā)電機組投機行為的指標構(gòu)建

在市場建設初期，市場交易電價無論對于政府、市場運營機構(gòu)還是用電主體來說都是重要考量對象。為了防止電價大幅波動，需要防范發(fā)電側(cè)主體在市場交易中過分投機而導致電價大幅上升。因此，如何評價發(fā)電側(cè)主體是否投機是需要研究的重點。

本文選取發(fā)電機組申報行為中的平均申報電價、價格突變率、容量持留率、合約現(xiàn)貨比這4個指標作為監(jiān)測對象，綜合運用TOPSIS 法建立發(fā)電機組指標評分矩陣，對矩陣數(shù)據(jù)進行正向化、標準化處理后，基于4 個指標的權(quán)重賦值計算各發(fā)電機組在交易申報過程中的得分，從而以定量的評分結(jié)果作為發(fā)電機組申報投機行為取向的評價依據(jù)，以便于交易中心掌握電力市場中各發(fā)電機組的申報行為，監(jiān)督市場主體的交易過程，規(guī)范市場主體的交易行為，優(yōu)化市場機制設計[8-9]。發(fā)電機組交易投機行為評價體系如圖1 所示。

圖1 發(fā)電機組交易投機行為評價體系

目標層：評價發(fā)電機組的申報行為是投機型還是非投機型。

準則層：發(fā)電機組現(xiàn)貨市場申報量價曲線的平均價格記作平均申報電價Pd，發(fā)電機組報價的突變性記作價格突變率V，發(fā)電機組申報的持留情況記作容量持留率R，中長期合約電量與現(xiàn)貨市場電量的比值記作合約現(xiàn)貨比CS[10-11]。

方案層：在PJM 電力市場中選取10 個典型申報的發(fā)電機組，采用TOPSIS 分析模型計算各發(fā)電機組在市場申報中的得分。

（1）平均申報電價。

發(fā)電機組在電力交易過程中的申報價格偏離平均邊際成本越多，則其投機性越高；反之，申報價格越接近平均邊際成本，則其非投機傾向越強烈。設發(fā)電機組申報的第一段出力為Q1、報價為P1，對應的第t 段申報的出力為Qt、報價為Pt，則其申報的加權(quán)平均電價為Pd=（P1Q1+P2Q2+…+P1Qt）/（Q1+Q2+…+Qt）。

（2）價格突變率。

在電力交易的分段式報價中，交易規(guī)則規(guī)定機組申報曲線為非單調(diào)遞減分段式曲線，基于發(fā)電機組的成本曲線特征和申報曲線特征，取發(fā)電機組申報電力-電價曲線中后一段電價與近鄰的前一段電價的比值中的最大值記作該發(fā)電機組的價格突變率V，價格突變率反映了發(fā)電機組在申報行為中的投機性傾向。由于發(fā)電機組是進行階梯分段報價的，發(fā)電機組的報價從低到高依次為P1，P2，…，P10。標記發(fā)電機組申報的各段電價突變程度為P2/P1，P3/P2，…，Pt/Pt－1。選取所有突變程度取值中的最大值，記為V=max{P2/P1，P3/P2，…，Pt/Pt－1}。

（3）容量持留率。

在非檢修、故障受限等狀態(tài)下，發(fā)電機組申報最大出力應該更接近其可調(diào)出力水平，但是如果發(fā)電機組想制造市場短缺的假象，會以此為契機來提升其在市場申報中的報價，從而推高市場電價，獲取更大的收益。將發(fā)電機組的容量持留率記作R，容量持留率高的機組為投機型傾向機組，容量持留率低的機組為非投機型傾向機組。設發(fā)電機組的可調(diào)容量為S1，發(fā)電機組的申報容量為S2，R=（S1－S2）/S1，R 在[0，1]區(qū)間內(nèi)波動。

（4）合約現(xiàn)貨比。

借鑒金融市場的經(jīng)驗，如果發(fā)電機組從套期保值的角度考慮，其簽訂的中長期合約的電量與其現(xiàn)貨市場的電量不會相差很大，否則其更傾向于利用中長期市場和現(xiàn)貨市場之間的利差進行套利。將發(fā)電機組申報的中長期合約電量E1與現(xiàn)貨市場申報電量E2之間的比值記作合約現(xiàn)貨比CS，即CS=E1/E2。CS指標在電力市場初期應該在一個區(qū)間內(nèi)，CS越偏離該區(qū)間的機組越具有投機傾向。

3 構(gòu)造評價矩陣

3.1 指標權(quán)重

用1—9 表示重要程度，兩兩比較平均申報電價、價格突變率、容量持留率、合約現(xiàn)貨比用于判斷一個機組是否投機的重要程度[12-14]，如表1所示。

表1 對比標度分值

分別兩兩對比各評價指標之間的重要程度，建立指標之間對比的標度矩陣W，如表2 所示。

表2 標度矩陣

對標度矩陣W 進行一致性檢驗：首先計算一致性指標IC=（λmax－N）/（N－1），其中λmax為矩陣W 的最大特征根，N 為矩陣W 評價指標數(shù)量；其次查找對應的平均隨機一致性指標IR；然后計算一致性比例CR=IC/IR，如果CR＜0.1，則可以判定判斷矩陣的一致性是有效的，否則就需要修正判斷矩陣直到達到有效標準。對應的平均隨機一致性指標IR如表3 所示。

表3 IR 分值

第k 個評價指標的歸一化權(quán)重為Tkj=akj/（a1j+a2j+…+anj），akj為矩陣W 第k 個指標在第j 列的標度值。對每一列矩陣分別計算其歸一化權(quán)重，得到新的矩陣，對新矩陣的各行分別運用算術平均法、幾何平均法和特征值法計算每個指標的權(quán)重。對比3 種方法計算出的指標權(quán)重，最后得到每個指標的權(quán)重。

3.2 決策評分

決策矩陣為X，決策矩陣的元素為f，決策評分步驟如下[15-18]。

（1）矩陣數(shù)據(jù)正向化處理。

首先對矩陣進行正向化處理，數(shù)值越接近最優(yōu)值，則正向化之后該數(shù)據(jù)越大，反之正向化之后的數(shù)據(jù)越小。

①極小型指標轉(zhuǎn)化成極大型指標，使得數(shù)據(jù)極大化。

②中間型指標轉(zhuǎn)化成極大型指標。{fi}是一組中間型指標集合，該集合的最優(yōu)數(shù)值為fbest，則正向化公式為：

③區(qū)間型指標轉(zhuǎn)化成極大型指標。{fi}是一組中間型指標集合，該集合的最佳取值區(qū)間為[a，b]，則正向化公式為：

（2）矩陣數(shù)據(jù)標準化處理。

假設需要解決某一決策問題，由矩陣X 構(gòu)建標準化的決策矩陣Z′，其矩陣元素Zij′為：

其中的fij由決策矩陣X 給出：

式（5）、（6）中：n 為矩陣行數(shù)；m 為矩陣列數(shù)。

（3）構(gòu)造規(guī)范化的加權(quán)決策矩陣Z。

Z 的元素Zij為：

式中：wj為第j 個目標值的權(quán)重。

決策矩陣Z 中元素Zij值越大表示方案越好，Zij值越小表示方案越差。

（4）確定理想解和負理想解。

假設決策問題有m 個目標值，n 個可行解，其中目標值為fj（j=1，2，…，m），可行解Zi=（Zi1，Zi2，…，Zim），i=1，2，…，n，其規(guī)范化后的理想解為Z+，負理想解為Z－。

（5）計算每個方案到理想解的距離Si+和到負理想解的距離Si－。

采用歐幾里得范數(shù)來測度距離，任意可行解Zi到Z+的距離為：

同理，任意可行解Zi到負理想解Z-之間的距離為：

某一可行解相對接近理想解的相對接近度可以定義為：

因此，如果Zi是理想解，則求得Ci=1；如果Zi是負理想解，則求得Ci=0。判斷目標越靠近理想解，Ci越趨近于1；反之，判斷目標距離負理想解越近，Ci越趨近于0。

4 算例分析

4.1 評價指標權(quán)重

針對某個發(fā)電機組的投標行為，申報成本是一個整體性評價指標。平均申報電價指標與價格突變率指標相比介于同樣重要和稍微重要之間；平均申報電價指標與容量持留率指標相比稍微重要；合約現(xiàn)貨比是測度發(fā)電機組在兩個市場間進行套利的重要指標，平均申報電價指標與合約現(xiàn)貨比指標相比稍微重要；價格突變率指標與容量持留率指標相比介于同樣重要和稍微重要之間；合約現(xiàn)貨比指標與容量持留率指標相比同樣重要；價格突變率指標與合約現(xiàn)貨比指標相比介于同樣重要和稍微重要之間。指標權(quán)重對比如表4所示。

根據(jù)表4 各指標權(quán)重對比建立一個4×4 的矩陣W：

表4 指標權(quán)重對比

通過MATLAB 計算矩陣W 的一致性，得出一致性指標IC=0.037，一致性比例CR=0.041 6。矩陣W 的一致性比例CR＜0.1，所以該矩陣的一致性是可以接受的。

對矩陣W 的各指標權(quán)重進行歸一化處理，通過MATLAB 分別采用算術平均法、幾何平均法和特征值法求得各指標的權(quán)重，如表5 所示。

表5 不同計算方法的指標權(quán)重

表5 顯示，無論是采用算術平均法、幾何平均法還是特征值法，計算出的4 個指標的權(quán)重基本一致。在后續(xù)模型分析中，采用特征值法計算結(jié)果作為4 個指標的權(quán)重賦值。

4.2 發(fā)電機組申報行為評分

以模擬電力市場中發(fā)電機組的申報數(shù)據(jù)（見表6）為例，對發(fā)電機組的申報行為進行綜合評分，機組1—10 為10 個評價對象。未來各地區(qū)電力市場運營機構(gòu)可以基于電力市場的實際運行數(shù)據(jù)，使用該評價方式對發(fā)電機組進行數(shù)據(jù)分析，以評價發(fā)電機組的申報行為。

表6 電力市場機組申報原始數(shù)據(jù)

根據(jù)美國Lazard 公司評估的美國各類能源發(fā)電的全生命周期平準化成本報告《Lazard’s Levelized Cost of Energy Analysis Version 13.0》，已經(jīng)建成的傳統(tǒng)煤電機組的邊際成本區(qū)間為[26，41]美元/MW。設定：平均申報電價的最佳區(qū)間為[26，41]美元/MW；申報價格突變率的取值在（1，∞）范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)越小越好；容量持留率的取值在（0，1）范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)越小越好；結(jié)合某些地區(qū)電力市場交易規(guī)則，為了防止市場過度投機，中長期市場電量不超過實際電量的130%，實際電量低于合同電量80%執(zhí)行更嚴格的偏差考核，因此設定合約現(xiàn)貨比的最佳區(qū)間是（0.8，1.3）。根據(jù)最優(yōu)值的取值范圍對矩陣數(shù)據(jù)進行正向化處理，得到正向化后的數(shù)據(jù)矩陣（表7）。采用TOPSIS 法對上述矩陣數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到標準化數(shù)據(jù)矩陣（表8）。

表8 機組申報標準化數(shù)據(jù)

4.3 發(fā)電機組申報行為計算分析

由表7 可得正理想解向量Z+=[0.371 3 0.475 2 0.513 2 0.447 6]；負理想解向量Z－=[0 0 0 0]。

表7 機組申報正向化數(shù)據(jù)

綜合各指標的權(quán)重賦值，分別計算各發(fā)電機組申報值與理想值的相對距離作為發(fā)電機組交易申報評價得分（表9），得到向量[0.106 5 0.282 70.729 1 0.991 8 0.980 1 0.870 4 0.888 8 0.493 6 0.469 8 0.429 4]。

表9 發(fā)電機組申報得分

可以看出，申報值越接近最優(yōu)值的機組得分越靠近1，申報值越偏離最優(yōu)值的機組得分越靠近0。

所有機組的得分都落在[0，1]區(qū)間內(nèi)，根據(jù)該模型的評價標準，得分數(shù)據(jù)越大則代表該機組的非投機傾向越突出，因此得分落在[0.5，1]區(qū)間內(nèi)的機組標簽為非投機型，得分落在[0，0.5）區(qū)間內(nèi)的機組標簽為投機型。由此得到：在申報行為中歸類為非投機型的機組包括機組3、機組4、機組5、機組6、機組7，歸類為投機型的機組包括機組1、機組2、機組8、機組9、機組10。通過觀察發(fā)現(xiàn)，投機型機組的申報指標確實偏離指標平均最佳評分較遠，評價結(jié)果符合期望。

由此可見，運用基于權(quán)重的TOPSIS 模型可以有效評價發(fā)電機組申報行為的投機性，未來隨著浙江電力市場的深入改革，可以逐步改變變量指標和各指標的權(quán)重[17]，以實現(xiàn)對發(fā)電機組申報行為的有效評價。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了一種基于TOPSIS 法評價發(fā)電機組申報行為的分析方法，首先構(gòu)建了對發(fā)電機組申報行為進行評價的4 個指標，分別是平均申報電價、價格突變率、容量持留率、合約現(xiàn)貨比，并對4 個指標建立矩陣進行權(quán)重賦分；其次基于美國PJM 電力市場發(fā)電機組的申報數(shù)據(jù)，運用TOPSIS 法建立矩陣，結(jié)合各評價指標的權(quán)重賦值對每個發(fā)電機組的報價行為進行定量計算評分，依此評價發(fā)電機組的申報行為；最后對發(fā)電機組的申報投機行為進行標簽，得分落在[0.5，1]區(qū)間內(nèi)的機組標簽為非投機型，得分落在[0，0.5）區(qū)間內(nèi)的機組標簽為投機型。

該評價方法基于PJM 電力市場的申報數(shù)據(jù)，結(jié)合浙江電力市場的運行機制進行申報行為評價模型設計，對浙江電力交易中心監(jiān)測市場主體（特別是發(fā)電側(cè)）的申報行為進行評價，以發(fā)現(xiàn)市場主體不規(guī)范的申報行為，優(yōu)化市場交易機制，修訂市場交易規(guī)則，確保市場的平穩(wěn)健康發(fā)展。未來隨著浙江電力市場的縱深發(fā)展，可以綜合考慮浙江中長期電力市場和現(xiàn)貨市場的交易品種設計以及交易模式的演進，對評價指標進行優(yōu)化設計，并修改相應的評價標準，以期能夠適應浙江電力市場的發(fā)展方向。