安徽電力現(xiàn)貨市場主體交易策略及演化博弈分析

邵筱宇, 葉鈺童, 任曦駿, 王 寶

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司 經(jīng)濟技術研究院, 合肥 230022)

2022年2月,國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布《關于加快推進電力現(xiàn)貨市場建設工作的通知》,要求二批現(xiàn)貨試點原則上于2022年6月底前啟動現(xiàn)貨市場試運行,這意味著電力現(xiàn)貨市場推進節(jié)奏開始加快[1-2]。安徽作為二批現(xiàn)貨試點省份之一,也在積極引入多元化主體參與現(xiàn)貨市場交易。

目前,安徽電力市場主體以不同的方式參與現(xiàn)貨市場。燃煤火電機組在日前市場中申報運行日的報價等信息,報量報價參與現(xiàn)貨市場;新能源場站在日前市場中申報運行日的出力預測曲線,報量不報價參與市場;用戶側在日前市場中無須申報量價信息,作為價格接受者參與市場結算。

無論市場主體以哪種方式參與現(xiàn)貨市場,其交易、博弈行為都應符合經(jīng)濟學的“理性人”假設,即以最小的經(jīng)濟代價去謀求最大的經(jīng)濟利益。圍繞現(xiàn)貨市場主體交易策略及競價博弈策略,國內(nèi)學者展開了諸多研究。文獻[3]利用演化博弈模型分析了現(xiàn)貨市場中火電企業(yè)的階梯報價策略,并構建了火電企業(yè)現(xiàn)貨博弈模型。文獻[4]基于納什均衡模型模擬了日前現(xiàn)貨市場中各類主體報價的動態(tài)調(diào)整過程。文獻[5]研究了現(xiàn)貨市場下新能源賣方、售電商買方的交易決策模型,并通過算例仿真驗證了模型的有效性。文獻[6]分析了電網(wǎng)、用戶、火力發(fā)電機組、儲能商的決策策略,在此基礎上構建了涵蓋源、網(wǎng)、荷、儲各類主體的多能源主體博弈模型。文獻[7]結合短期競價博弈模型,分析了現(xiàn)貨市場環(huán)境下火電廠的最優(yōu)競價策略。文獻[8]立足燃煤電廠的邊際成本,研究了廣東現(xiàn)貨市場環(huán)境下燃煤電廠的交易競價策略。

本文結合安徽電力市場主體參與現(xiàn)貨市場的方式,構建現(xiàn)貨市場主體交易策略決策模型,在此基礎上分析市場主體之間的演化博弈機理,最后基于結算試運行的實際數(shù)據(jù)分析安徽電力現(xiàn)貨市場主體交易策略特征及未來各主體的博弈策略選擇,以期為其他省份現(xiàn)貨市場市場主體制定交易策略提供參考。

1 安徽電力現(xiàn)貨市場主體交易策略決策模型

在當前安徽現(xiàn)貨規(guī)則下,燃煤機組報量報價參與現(xiàn)貨市場,新能源機組報量不報價參與現(xiàn)貨市場,電力用戶不報量不報價參與現(xiàn)貨市場。現(xiàn)階段安徽現(xiàn)貨市場建設仍處于起步階段,為了保障市場結構實現(xiàn)平穩(wěn)過渡,市場主體參與權限需逐步放開。不同的市場參與方式使得在相同的決策目標下,不同主體的決策變量不盡相同,如圖1所示。

圖1 不同主體決策變量及決策目標

1.1 燃煤機組

燃煤機組現(xiàn)貨市場收益最大化的目標函數(shù)為

1.2 新能源機組

安徽新能源機組上網(wǎng)電量的90%以優(yōu)發(fā)電量結算,僅有10%的電量參與現(xiàn)貨市場結算,且不參與中長期市場交易,因此新能源機組現(xiàn)貨市場收益最大化的目標函數(shù)為

(2)

1.3 電力用戶

安徽市場用戶分為兩類:月清用戶與日清用戶。月清用戶指的是按月結算的用戶,日清用戶指的是按日結算的用戶。

月清用戶現(xiàn)貨市場收益最大化的目標函數(shù)為

minCE,

(3)

日清用戶現(xiàn)貨市場收益最大化的目標函數(shù)為

(4)

2 安徽電力現(xiàn)貨市場三方主體演化博弈分析

2.1 模型假設

假設1:各主體以報量報價參與現(xiàn)貨市場。

假設2:機組采取激進策略所獲收益高于保守策略下所獲收益,機組具有冒險申報高價博取高利的動機。

假設3:市場主體博弈行為需滿足的首要前提是優(yōu)先實現(xiàn)新能源的消納。

假設4:現(xiàn)貨市場交易機制完善,信息公開透明且市場主體無違規(guī)交易行為。

假設5:燃煤機組和新能源機組采取激進策略報價時,機組高價申報容量不能實現(xiàn)足量中標。

假設6:機組無論采取哪種申報策略,其申報行為都不存在違規(guī)行為。

為保障新能源消納,此時燃煤機組申報高價無法中標的部分由新能源機組優(yōu)先補足獲取替代出力利潤;新能源申報高價無法中標的部分仍由新能源機組補足,新能源機組按照低于市場出清價的價格進行結算,而燃煤機組可獲得出讓出力補償。主體策略選擇及對應概率見表1,參數(shù)說明見表2。

表1 主體策略選擇及對應概率

表2 參數(shù)符號說明

2.2 模型構建

根據(jù)上述假設和參數(shù)可以得到燃煤機組、新能源機組和用戶三方的混合策略博弈矩陣,見表3。

表3 燃煤機組、新能源機組和用戶策略博弈矩陣

2.3 燃煤機組的演化穩(wěn)定策略

燃煤機組選擇保守策略的期望收益為

Wx=yzRf+y(1-z)(Rf-c1)+(1-y)z(Rf+
r3)+(1-y)(1-z)(Rf+r3-c1)

(5)

燃煤機組選擇激進策略的期望收益為

W1-x=yz(Rf+RfΔ-cf)+y(1-z)(Rf+RfΔ-
cf-c1)+(1-y)z(Rf+RfΔ+r3-cf)+
(1-y)(1-z)(Rf+RfΔ+r3-cf-c1)

(6)

由此得到燃煤機組的平均期望收益為

W1=xWx+(1-x)W1-x

(7)

從而得到燃煤機組選擇保守策略概率的復制動態(tài)方程為

(8)

對復制動態(tài)方程F(x)求偏導,得

(9)

令F(x)=0,得x=0,x=1兩個平衡點,則

(10)

若y=yx,此時F(x)≡0,此時三方博弈處于漸進穩(wěn)定的態(tài)勢,無論燃煤機組采取保守策略和激進策略的比例如何,當新能源機組采取保守策略的概率為y=yx時,燃煤機組行為策略都不會發(fā)生變動。

若y≠yx,當y>yx時,F′(1)<0,F′(0)>0,此時x=1為演化穩(wěn)定點,說明當新能源機組采取保守策略的概率大于yx時,燃煤機組傾向于選擇保守策略進行博弈;當y0,此時x=0為演化穩(wěn)定點,說明當新能源機組采取保守策略的概率小于yx時,燃煤機組傾向于選擇激進策略進行博弈。

若z=zx,此時F(x)≡0,此時三方博弈處于漸進穩(wěn)定的態(tài)勢,無論燃煤機組采取保守策略和激進策略的比例如何,當用戶調(diào)整現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口的概率為z=zx時,燃煤機組行為策略都不會發(fā)生變動。

若z≠zx,當z>zx時,F′(0)<0,F′(1)>0,此時x=0為演化穩(wěn)定點,說明當用戶保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口的概率大于zx時,燃煤機組傾向于選擇激進策略進行博弈;當z0,此時x=1為演化穩(wěn)定點,說明當用戶保持現(xiàn)貨敞口的概率小于zx時,燃煤機組傾向于選擇保守策略進行博弈。

2.4 新能源機組的演化穩(wěn)定策略

新能源機組選擇保守策略的期望收益為

Wy=xz(Rr-Ce)+x(1-z)(Rr-Ce-c2)+
(1-x)z(Rr+r1-Ce)+(1-x)(1-
z)(Rr+r1-Ce-c2)

(11)

新能源機組選擇激進策略的期望收益為

W1-y=xz(Rr+RrΔ+r2+r3-Ce)+x(1-
z)(Rr+RrΔ+r2+r3-Ce-c2)+(1-
x)z(Rr+RrΔ+r1+r2-Ce)+(1-x)(1-
z)(Rr+RrΔ+r1+r2-Ce-c2)

(12)

由此得到燃煤機組的平均期望收益為

W2=yWy+(1-y)W1-y

(13)

從而得到燃煤機組選擇保守策略概率的復制動態(tài)方程為

(14)

對復制動態(tài)方程F(y)求偏導,得

(15)

令F(y)=0,得y=0,y=1兩個平衡點,則

(16)

若x=xy,此時F(y)≡0,此時三方博弈處于漸進穩(wěn)定的態(tài)勢,無論新能源機組采取保守策略和激進策略的比例如何,當燃煤機組采取保守策略的概率為x=xy時,新能源機組行為策略都不會發(fā)生變動。

若x≠xy,當x>xy時,F′(0)<0,F′(1)>0,此時y=0為演化穩(wěn)定點,說明當燃煤機組采取保守策略的概率大于xy時,新能源機組傾向于選擇激進策略進行博弈;當x0,此時y=1為演化穩(wěn)定點,說明當燃煤機組采取保守策略的概率小于xy時,新能源機組傾向于選擇保守策略進行博弈。

若z=zx,此時F(y)≡0,三方博弈處于漸進穩(wěn)定的態(tài)勢,無論新能源機組采取保守策略和激進策略的比例如何,當用戶保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口的概率為z=zx時,新能源機組行為策略都不會發(fā)生變動。

若z≠zy,當z>zy時,F′(0)<0,F′(1)>0,此時y=0為演化穩(wěn)定點,說明當用戶保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口的概率大于zx時,燃煤機組傾向于選擇激進策略進行博弈;當z0,此時y=1為演化穩(wěn)定點,說明當用戶保持現(xiàn)貨敞口的概率小于zx時,燃煤機組傾向于選擇保守策略進行博弈。

2.5 用戶的演化穩(wěn)定策略

用戶選擇保守策略的期望收益為

Wz=xyUu+x(1-y)(Uu-RrΔ)+(1-
x)y(Uu-RfΔ)+(1-x)(1-y)(Uu-RrΔ-RfΔ)

(17)

用戶選擇激進策略的期望收益為

W1-z=xy(Uu-DCu-OCu)+x(1-y)(Uu-DCu-OCu-RrΔ)+(1-x)y(Uu-DCu-OCu-RfΔ)+(1-x)(1-y)(Uu-DCu-OCu-RfΔ-RrΔ)

(18)

由此得到用戶的平均期望收益為

W3=zWz+(1-z)W1-z=Uu-DCu-
OCu-RfΔ-RrΔ+xRfΔ+yRrΔ+zDCu+zOCu

(19)

從而得到燃煤機組選擇保守策略概率的復制動態(tài)方程為

(20)

對復制動態(tài)方程F(z)求偏導,得

(21)

令F(z)=0,得z=0,z=1兩個平衡點,則

(22)

若x=xz,此時F(z)≡0,三方博弈處于漸進穩(wěn)定的態(tài)勢,無論用戶保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口、調(diào)整現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口的比例如何,當燃煤機組采取保守策略的概率為x=xz時,用戶行為策略都不會發(fā)生變動。

若x≠xz,當x>xz時,F′(1)<0,F′(0)>0,此時z=1為演化穩(wěn)定點,說明當燃煤機組采取保守策略的概率大于xz時,用戶會傾向于選擇保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口;當x0,此時x=0為演化穩(wěn)定點,說明當燃煤機組采取保守策略的概率小于xz時,用戶會傾向于調(diào)整現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口。

若y=yz,此時F(z)=0,此時三方博弈處于漸進穩(wěn)定的態(tài)勢,無論用戶保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口、調(diào)整現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口的比例如何,當新能源機組采取保守策略的概率為y=yz時,用戶行為策略都不會發(fā)生變動。

若y≠yz,當y>yz時,F′(1)<0,F′(0)>0,此時z=1為演化穩(wěn)定點,說明當新能源機組采取保守策略的概率大于yz時,用戶會傾向于選擇保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口;當y0,此時y=0為演化穩(wěn)定點,說明當新能源機組采取保守策略的概率小于yz時,用戶會傾向于調(diào)整現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口。

3 安徽電力現(xiàn)貨市場主體演化博弈分析

3.1 基于安徽現(xiàn)貨市場試結算數(shù)據(jù)的主體演化博弈分析

燃煤機組交易的博弈點主要是分配自身分段報價曲線中各段的量和價,在市場中出力從而獲得正當收益。燃煤機組在現(xiàn)貨市場的申報策略分為保守型策略和激進型策略。

數(shù)據(jù)來源于安徽2022年結算試運行的實際數(shù)據(jù)。在試運行數(shù)據(jù)的基礎上,將主體申報價格按其申報段價格分為低價、中價和高價。3類申報策略分別對應價格段:200～400元/(MW·h)為低價區(qū),400～600元/(MW·h)為中價區(qū),600～800元/(MW·h)為高價區(qū)?？紤]到安徽電力用戶以不報量不報價的方式參與現(xiàn)貨市場,而新能源機組報量不報價參與現(xiàn)貨市場,因此,本文只針對燃煤機組的申報策略及博弈空間進行分析。

對于機組的申報,按其累計申報容量占總申報容量(扣除最小技術出力)的占比,劃分11個容量點,分別為0%容量、10%容量、…、90%容量、100%容量,統(tǒng)計該機組在不同容量點的價格。這樣的劃分可以對機組申報段的價格申報曲線走勢進行描述。

根據(jù)上述統(tǒng)計量,定義機組每日申報特征向量:

vp100=[p0%,p10%,…,p100%]

(23)

式中:p0%、p10%、…,p100%分別為0%容量、10%容量、…、100%容量對應的申報價格。

試結算日統(tǒng)計的各機組申報特性呈現(xiàn)超過60%的機組選擇全程中段價格申報的策略,其次為“全段高價”和“中高價”的申報模式。針對試結算日申報情況中出現(xiàn)較多的“全段中價”申報策略,機組申報曲線基本為圖2所示的走勢?！叭沃袃r”的報價策略使得大部分機組自留博弈空間狹隘,機組傾向于采取“中價求穩(wěn)”的保守型策略,以高報價博高利潤的激進型策略不是此次試結算燃煤機組的首選。

圖2 “全段中價”申報策略的機組申報走勢

根據(jù)演化博弈分析結果,當燃煤機組在市場中更傾向于采取保守策略時,新能源機組傾向于選擇激進策略進行博弈,從而獲得更多的額外收益,而用戶會傾向于選擇保持現(xiàn)有現(xiàn)貨敞口,保有當下現(xiàn)貨市場的需求量。這種博弈結果是符合邏輯的。新能源機組邊際成本比燃煤機組低,且新能源機組只有部分容量參與現(xiàn)貨,新能源機組的收益已通過行政手段得到保障性消納,其參與現(xiàn)貨的動機更有可能是獲取超額收益。綜上,新能源機組采取激進策略申報高價對市場出清價格的影響理論上小于燃煤機組申報高價對市場出清價格的影響,短期內(nèi)不會改變用戶現(xiàn)貨市場的決策。

3.2 未來安徽現(xiàn)貨市場主體演化博弈分析

表4 平衡點穩(wěn)定性分析

(24)

也一定不是漸進穩(wěn)定平衡點。下面將圍繞

這4個平衡點,分析模型參數(shù)對三方博弈漸進穩(wěn)定狀態(tài)的影響。

3.2.1 燃煤機組申報策略選擇

對于

這兩個平衡點,燃煤機組的策略選擇分別是激進策略、保守策略,當滿足?F(x)/?x<0時,

為漸進穩(wěn)定平衡點,即當RfΔ-cf<0與RfΔ-cf>0時成立。

下面對RfΔ-cf進行分析。RfΔ為燃煤機組采取激進策略中標出力獲得的來源于用戶側的額外收益,cf為燃煤機組高價申報未足量中標時燃煤機組的交易損失,可以知道,燃煤機組的策略選擇標準較為直接,關鍵因素就是高價申報策略的損益之差,當高價申報的額外收益高于綜合損失時,燃煤機組會傾向于選擇高價申報策略。

3.2.2 新能源機組申報策略選擇

對于

這兩個平衡點,新能源機組的策略選擇分別是激進策略、保守策略,當滿足?F(y)/?y<0時,

為漸進平衡點,即當-Rr+Ce+c2-r1-RrΔ-r2<0與-Rr+Ce+c2-r1-RrΔ-r2>0時成立。

下面對-Rr+Ce+c2-r1-RrΔ-r2進行分析。當新能源機組采取高價策略所獲得的全部收益(保守策略的基本收益、高價策略的額外收益、新能源機組受讓燃煤機組出力的替代收益以及新能源機組低于市場出清價獲得的結算收益之和)大于新能源機組采取高價策略所失去的全部損失(新能源機組偏差考核費用與用戶調(diào)整現(xiàn)貨敞口下新能源機組的損失之和)時,新能源機組會傾向于選擇高價申報策略。若用戶調(diào)整現(xiàn)貨敞口給新能源機組帶來的損失c2較大時,新能源機組可能會放棄高價申報策略。

3.2.3 用戶申報策略選擇

根據(jù)表3可知,

這4個平衡點中,不能對用戶側控制變量來確定其策略選擇的參考依據(jù),因此此處僅對用戶側進行簡單的定性分析。用戶報量報價進入現(xiàn)貨市場后,短期內(nèi)會根據(jù)分時、分日、分周、分月的交易結果調(diào)整現(xiàn)貨敞口。用戶調(diào)整現(xiàn)貨敞口的決策成本及機會成本雖然無法準確衡量,但這兩項成本上限是可控的,不能直接決定用戶的最終決策。因此用戶在現(xiàn)貨市場獲得的總效用將會成為其調(diào)整現(xiàn)貨敞口的重要依據(jù)。隨著社會綠色用能意識逐漸增強,用戶的用電總效用將會向綠色用電效用傾斜,即使總的用能成本有所增加,用戶也有可能擴大現(xiàn)貨敞口,增加綠電購入比例。

通過前面對燃煤機組、新能源機組策略選擇影響因素進行分析可以看到,燃煤機組和新能源機組策略選擇的出發(fā)點都是自身利益最大化,這是符合第2章交易策略決策模型的構建思路的。不同的是,新能源機組在現(xiàn)貨市場中的成本和收益結構更加復雜?，F(xiàn)貨市場建設初期,新能源作為大規(guī)模推動入市的主體,將享有鼓勵消納、優(yōu)先出力的地位。這就意味著新能源機組將會獲得燃煤機組的出讓出力。鑒于新能源機組目前尚未被劃入中長期市場交易中,用戶在現(xiàn)貨市場的交易敞口和新能源現(xiàn)貨市場收益呈強正相關關系,這也是燃煤機組不受用戶現(xiàn)貨敞口影響而新能源機組受其影響的主要原因。隨著現(xiàn)貨市場建設日益完善,新能源出力隨機性被新興市場主體平抑,新能源機組將和燃煤機組地位保持一致,燃煤機組和新能源機組的博弈變量和博弈結果也將高度趨同。

4 結語

本文首先構建了安徽燃煤機組、新能源機組以及用戶3類市場主體的現(xiàn)貨交易決策模型,然后在此基礎上研究了不同主體間的演化博弈穩(wěn)定策略,最后基于安徽試結算日的實際數(shù)據(jù),分析了安徽電力現(xiàn)貨市場主體交易策略的主要特征、試結算日主體之間的博弈情況,以及未來各方主體報量報價參與市場后三方主體的演化博弈態(tài)勢。研究結果可為各地區(qū)現(xiàn)貨市場建設提供一定參考。