摘要:有序推進(jìn)電價(jià)機(jī)制改革,構(gòu)建“公平、開(kāi)放、有序、競(jìng)爭(zhēng)、完整”的電力市場(chǎng)體系,是中國(guó)新一輪電力體制改革的關(guān)鍵任務(wù)。目前國(guó)外電力市場(chǎng)普遍采用邊際價(jià)格出清的交易機(jī)制,然而理論與實(shí)踐均證明,邊際價(jià)格機(jī)制難以促進(jìn)市場(chǎng)成員真實(shí)報(bào)價(jià),難以解決電力系統(tǒng)信息不對(duì)稱的難題。為促進(jìn)市場(chǎng)成員理性報(bào)價(jià)、實(shí)現(xiàn)電力資源優(yōu)化配置,提出一種基于價(jià)值公平分配的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。首先,分析了邊際價(jià)格難以保證發(fā)電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)、導(dǎo)致市場(chǎng)效率損失的現(xiàn)象和原因;進(jìn)而,基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)機(jī)制設(shè)計(jì)理論,提出適應(yīng)電力日前市場(chǎng)的價(jià)值公平分配機(jī)制,理論證明所提機(jī)制滿足激勵(lì)相容、個(gè)體理性以及系統(tǒng)成本最小化,并解釋了該機(jī)制實(shí)現(xiàn)激勵(lì)相容原理的經(jīng)濟(jì)學(xué)意義。基于IEEE30節(jié)點(diǎn)和118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的算例分析驗(yàn)證了該機(jī)制的有效性。

0 引言

在中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》[1]指導(dǎo)下,中國(guó)各省因地制宜,積極開(kāi)展電力體制改革試點(diǎn)方案,推進(jìn)電力交易市場(chǎng)化進(jìn)程[2-3]。中國(guó)電力市場(chǎng)的交易和結(jié)算主要沿用國(guó)外電力市場(chǎng)現(xiàn)有的機(jī)制[4-5]。美國(guó) PJM 電力市場(chǎng)于1998年引入基于成本投標(biāo)和節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)的實(shí)時(shí)市場(chǎng)體系,并于2000年引入日前能量和調(diào)頻市場(chǎng)[6]。此外,美國(guó)加州、得州、新英格蘭、紐約、中西部等電力市場(chǎng)均采取以邊際電價(jià)作為電力交易和結(jié)算價(jià)格的市場(chǎng)機(jī)制。英國(guó)電力市場(chǎng)于2001年開(kāi)展電力體制改革,由集中交易模式(Pool)改變?yōu)橐灾虚L(zhǎng)期雙邊交易為主、平衡機(jī)制和不平衡結(jié)算為輔的市場(chǎng)模式(Neta)[7],從而抑制集中競(jìng)價(jià)的市場(chǎng)力。北歐電力市場(chǎng)以現(xiàn)貨市場(chǎng)為基礎(chǔ)、輔助服務(wù)和金融市場(chǎng)為補(bǔ)充,其現(xiàn)貨市場(chǎng)主要采用日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)市 場(chǎng) 有 序 協(xié) 調(diào) 的 運(yùn) 營(yíng) 模 式,由 北 歐 電 力 交 易 所(NordPool)組織集中競(jìng)價(jià),同樣采用邊際電價(jià)出清的結(jié)算機(jī)制[8]。

目前,國(guó)外電力現(xiàn)貨市場(chǎng)普遍采用邊際價(jià)格出清的交易機(jī)制,然而理論與實(shí)踐均證明,邊際價(jià)格機(jī)制難以促進(jìn)市場(chǎng)成員真實(shí)報(bào)價(jià),難以解決電力市場(chǎng)信息不對(duì)稱的難題。在市場(chǎng)供求關(guān)系緊張或者存在輸電阻塞的情況下,發(fā)電機(jī)組具有虛報(bào)高價(jià)的激勵(lì)和沖動(dòng)[9],從而抬高邊際出清價(jià)格,顯著擴(kuò)大自身利益。美國(guó) PJM、加州等電力市場(chǎng)在2000年曾出現(xiàn)價(jià)格尖峰超過(guò)平時(shí)電價(jià)10倍的情況[10]。文獻(xiàn)[11]指出,市場(chǎng)力的存在將阻礙市場(chǎng)有效競(jìng)爭(zhēng),而市場(chǎng)操縱和輸電阻塞是電力市場(chǎng)中市場(chǎng)力的兩個(gè)主要來(lái)源。文獻(xiàn)[12]通過(guò)策略性報(bào)價(jià)模型模擬加州電力市場(chǎng)的價(jià)格釘現(xiàn)象以及市場(chǎng)效率損失。文獻(xiàn)[13]研究美國(guó)東部電網(wǎng)的市場(chǎng)力情況,模擬2725臺(tái)發(fā)電機(jī)組策略性參與市場(chǎng),并為美國(guó)市場(chǎng)監(jiān)管提供電價(jià)管制的政策建議。因此在市場(chǎng)環(huán)境下,資源優(yōu)化配置的最佳狀態(tài)是所有市場(chǎng)成員申報(bào)真實(shí)的邊際成本,由于市場(chǎng)力的存在,背離真實(shí)成本的報(bào)價(jià)方式將損失市場(chǎng)效率。為解決邊際價(jià)格的弊端,迫切需要研究滿足激勵(lì)相容原理、促進(jìn)市場(chǎng)成員真實(shí)報(bào)價(jià)的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

激勵(lì)相容是指市場(chǎng)成員理性實(shí)現(xiàn)個(gè)體利益最大化的策略,與機(jī)制設(shè)計(jì)所期望的策略一致,即市場(chǎng)成員真實(shí)表現(xiàn)(truthfulness)是其最優(yōu)策略。針對(duì)滿足激勵(lì)相容的市場(chǎng)機(jī)制,國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[14]研究一般商品在若干市場(chǎng)成員之間的分配機(jī)制和方法,該機(jī)制在比例公平分配 (proportionalfairness)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)成員真實(shí)報(bào)價(jià)。文獻(xiàn)[15]提出一種基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)理論的利益分配機(jī)制,應(yīng)用于風(fēng)電聚合商對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行利益結(jié)算,并激勵(lì)風(fēng)電機(jī)組真實(shí)申報(bào)發(fā)電概率分布函數(shù)。 文獻(xiàn)[16]對(duì)比節(jié)點(diǎn)邊際 電價(jià)(locationalmarginalprice)和基于 VCG 的節(jié)點(diǎn)平均電價(jià)的區(qū)別,理論證明基于 VCG 的節(jié)點(diǎn)平均電價(jià)高于節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)。文獻(xiàn)[17]提出一種結(jié)算機(jī)制,理論證明該機(jī)制滿足收支平衡、激勵(lì)相容等性質(zhì),并通過(guò)次梯度算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[18]將 VCG理論應(yīng)用于儲(chǔ)能商對(duì)電池儲(chǔ)能的結(jié)算,從而實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能真實(shí)申報(bào)參數(shù)。

現(xiàn)有研究已將 VCG 機(jī)制應(yīng)用于一般商品、風(fēng)電和儲(chǔ)能代理商的激勵(lì)相容機(jī)制設(shè)計(jì)中,然而針對(duì)電力日前市場(chǎng)出清、滿足激勵(lì)相容原理的市場(chǎng)機(jī)制鮮有報(bào)道。激勵(lì)相容原理,本質(zhì)上要求市場(chǎng)成員按照自身的價(jià)值獲得收益,實(shí)現(xiàn)個(gè)體與集體利益最大化目標(biāo)的一致性。在中國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)中,如果能按市場(chǎng)成員的價(jià)值公平分配利益,將有效促進(jìn)市場(chǎng)成員真實(shí)報(bào)價(jià),解決電力市場(chǎng)信息不對(duì)稱的難題,進(jìn)一步推進(jìn)電力體制改革的發(fā)展[19]。為此,本文提出基于價(jià)值公平分配的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下。

本文首先分析邊際價(jià)格難以保證發(fā)電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)、導(dǎo)致市場(chǎng)效率損失的現(xiàn)象和原因。基于VCG理論,定義一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的價(jià)值為該機(jī)組對(duì)其他機(jī)組的替代效益,即該機(jī)組參與日前市場(chǎng)前后,對(duì)其他機(jī)組發(fā)電成本的變化。進(jìn)而,理論證明價(jià)值公平分配機(jī)制滿足激勵(lì)相容、個(gè)體理性以及系統(tǒng)成本最小化的性質(zhì),從經(jīng)濟(jì)學(xué)含義,解釋該機(jī)制實(shí)現(xiàn)激勵(lì)相容的機(jī)理。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 日前市場(chǎng)出清模型

不失一般性,本文有如下假設(shè):①假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)組(對(duì)于沒(méi)有發(fā)電機(jī)組的節(jié)點(diǎn),只需將該 節(jié) 點(diǎn) 機(jī) 組 成 本 函 數(shù)、功 率 上 下 限 設(shè) 置 為0),各機(jī)組的成本函數(shù)為正的凸函數(shù),如二次函數(shù);②假設(shè)不考慮網(wǎng)絡(luò)損耗和無(wú)功功率,采用直流潮流模型出清日前市場(chǎng);③假設(shè)各節(jié)點(diǎn)電力負(fù)荷剛性,考慮單時(shí)段的電力供需平衡問(wèn)題。

在現(xiàn)有成熟的電力市場(chǎng),如美國(guó)得州市場(chǎng)ERCOT(ElectricReliabilityCouncilofTexas)中,發(fā) 電 機(jī) 組 參 與 日 前 市 場(chǎng),并 向 系 統(tǒng) 獨(dú) 立 調(diào) 度 員(independentsystem operator,ISO)申 報(bào) 成 本,由ISO 建立日前市場(chǎng)模型,生成節(jié)點(diǎn)電價(jià)用于市場(chǎng)交易結(jié)算[20]?？紤]一個(gè)具有 N 個(gè)節(jié)點(diǎn)、K 條線路的輸電網(wǎng)絡(luò),基于直流潮流的日前市場(chǎng)出清模型為

式(2)至式(5)分別表示系統(tǒng)供需平衡約束、線路傳輸容量約束以及發(fā)電機(jī)組出力約束。優(yōu)化求解模型 (式(1)至 式(5)),即 可 得 到 發(fā) 電 機(jī) 組 的 出 力計(jì)劃。

1.2 機(jī)制設(shè)計(jì)

為分析某種價(jià)格機(jī)制的優(yōu)劣,機(jī)制設(shè)計(jì)理論提出一些標(biāo)準(zhǔn)化的性質(zhì)與條件。本文重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)成本最小化 (cost minimization,CM)、個(gè)體理性(individualrationality,IR)、激勵(lì)相容(incentivecompatibility,IC)以及收支平衡(budgetbalance,BB)。下面分別描述性質(zhì)含義

1)系統(tǒng)成本最小化

本文假設(shè)系統(tǒng)負(fù)荷為剛性。系統(tǒng)成本最小化是指,通過(guò)日前市場(chǎng)出清優(yōu)化所得的最優(yōu)發(fā)電出力計(jì)劃,能夠達(dá)到機(jī)組真實(shí)成本最小化的運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)所有發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本時(shí),日前市場(chǎng)出清模型自動(dòng)滿足系統(tǒng)成本最小化的性質(zhì);值得注意的是,發(fā)電機(jī)組虛假報(bào)價(jià),可能導(dǎo)致發(fā)電出力計(jì)劃難以實(shí)現(xiàn)真實(shí)發(fā)電成本的最小化。

2)個(gè)體理性

個(gè)體理性,又稱參與約束,是指發(fā)電機(jī)組參與電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是自愿的[20-21]。對(duì)于滿足個(gè)體理性的機(jī)制,各發(fā)電機(jī)組的凈利潤(rùn)不小于零,否則該發(fā)電機(jī)組將選擇退出電力市場(chǎng)。值得注意的是,個(gè)體理性僅保證發(fā)電機(jī)組的變動(dòng)成本能夠收回,發(fā)電機(jī)組的投資或固定成本并非本文機(jī)制所關(guān)注的重點(diǎn)。事實(shí)上,諸如美國(guó) PJM 等電力市場(chǎng),是通過(guò)容量市場(chǎng)及相關(guān)機(jī)制來(lái)解決發(fā)電機(jī)組的投資成本。

3)激勵(lì)相容

1972年,美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家 Leonid Hurwicz提出激勵(lì)相容的概念。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中,每個(gè)理性市場(chǎng)成員都會(huì)有自利的一面,其個(gè)人行為會(huì)按自利的規(guī)則行為行動(dòng);如果有一種機(jī)制,使市場(chǎng)成員追求個(gè)人利益的行為,與集體實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化的目標(biāo)相吻合,這種機(jī)制就滿足激勵(lì)相容[22]。在電力市場(chǎng)中,一種電價(jià)機(jī)制滿足激勵(lì)相容意味著,各發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)的發(fā)電成本是其最優(yōu)選擇,而不是策略性申報(bào)虛假的發(fā)電成本。

激勵(lì) 相 容 具 體 可 分 為 占 優(yōu) 策 略 激 勵(lì) 相 容(dominant-strategyincentivecompatibility)和貝葉斯—納 什 激 勵(lì) 相 容 (Bayesian-Nash incentivecompatibility)。占優(yōu)策略激勵(lì)相容表示,某發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)發(fā)電成本是占優(yōu)策略,無(wú)論其他機(jī)組申報(bào)真實(shí)與否;貝葉斯—納什激勵(lì)相容表示,某發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)發(fā)電成本是最優(yōu)選擇,如果其他機(jī)組都真實(shí)報(bào)價(jià)。可見(jiàn),占優(yōu)策略激勵(lì)相容是約束力更強(qiáng)的性質(zhì),本文考慮占優(yōu)策略激勵(lì)相容。

4)收支平衡

在電力市場(chǎng)中,系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度是非營(yíng)利機(jī)構(gòu)。例如,美 國(guó) 的 ISO 是 由 聯(lián) 邦 能 源 管 理 委 員 會(huì)(FederalEnergy RegulatoryCommission,FERC)監(jiān)管,主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、控制和監(jiān)控電力系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)構(gòu)。因此,收支平衡表示系統(tǒng)調(diào)度從電力負(fù)荷征收的費(fèi)用不小于向發(fā)電機(jī)組支付的費(fèi)用[20-21]。

1.3 邊際價(jià)格理論

在完全競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)中,各市場(chǎng)成員作為價(jià)格接受者,自身報(bào)價(jià)不會(huì)影響系統(tǒng)邊際價(jià)格,因此,以節(jié)點(diǎn)電價(jià)進(jìn)行市場(chǎng)交易和結(jié)算能夠?qū)崿F(xiàn)社會(huì)福利最優(yōu)。然而,現(xiàn)實(shí)中難以達(dá)到完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng),發(fā)電機(jī)組可以通過(guò)策略性報(bào)價(jià),以改變邊際電價(jià)從而最大化自身效益。因此,按照邊際電價(jià)交易和結(jié)算的電力市場(chǎng)不能抑制市場(chǎng)成員虛報(bào)高價(jià),難以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)相容,甚至不能達(dá)到系統(tǒng)成本最小化的狀態(tài)。

2 價(jià)值公平分配機(jī)制設(shè)計(jì)

為促進(jìn)發(fā)電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本最小化,本文借鑒 VCG 機(jī)制,提出適應(yīng)電力日前市場(chǎng)的價(jià)值公平分配機(jī)制。

2.1 VCG機(jī)制概述

在機(jī)制設(shè)計(jì)理論中,VCG 機(jī)制是一種激勵(lì)市場(chǎng)成員真實(shí)表現(xiàn)的機(jī)制設(shè)計(jì)方法。VCG 機(jī)制的結(jié)算規(guī)則是按照一個(gè)市場(chǎng)成員對(duì)其他市場(chǎng)成員的替代效益 進(jìn) 行 結(jié) 算。VCG 機(jī) 制 由 William Vickrey,EdwardH.Clarke和 TheodoreGroves三位經(jīng)濟(jì)學(xué)家的姓氏組合命名,以紀(jì)念他們?cè)谛畔⒉粚?duì)稱條件下激勵(lì)理論中的貢獻(xiàn)。William Vickrey和另一位經(jīng)濟(jì)學(xué)家也因此獲得1996年的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)。

2.2 基于價(jià)值公平分配的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

式(8)定義了價(jià)值公平分配機(jī)制的結(jié)算方式。式中等號(hào)右端第一項(xiàng)表示,去掉發(fā)電機(jī)組i后,其他機(jī)組參與日前市場(chǎng)的發(fā)電成本;第二個(gè)括號(hào)項(xiàng)表示,在包含發(fā)電機(jī)組i的出清模式下,其他發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本。兩項(xiàng)相減為發(fā)電機(jī)組i對(duì)其他機(jī)組的替代效益,即機(jī)組i參與日前市場(chǎng)前后對(duì)其他機(jī)組發(fā)電成本的影響。

價(jià)值公平分配機(jī)制的經(jīng)濟(jì)學(xué)意義在于,利用市場(chǎng)成員間的替代效益定義其價(jià)值,并按照該價(jià)值結(jié)算,從而實(shí)現(xiàn)個(gè)體與集體利益最大化的一致性。

2.3 機(jī)制性質(zhì)證明

已有研究驗(yàn)證邊際電價(jià)滿足個(gè)體理性(由機(jī)組報(bào)價(jià)不小于其真實(shí)成本可得)和收支平衡(由文獻(xiàn)[23]證明,可總結(jié)為按照節(jié)點(diǎn)電價(jià)從負(fù)荷收費(fèi)不小于向發(fā)電機(jī)組付費(fèi),當(dāng)且僅當(dāng)電力系統(tǒng)無(wú)線路阻塞時(shí)取等,阻塞時(shí)的結(jié)余用于補(bǔ)償線路投資)性質(zhì),而不滿足激勵(lì)相容以及系統(tǒng)成本最小化。本節(jié)將證明本文機(jī)制滿足激勵(lì)相容、個(gè)體理性以及系統(tǒng)成本最小化,并提出一種收支平衡的策略。

由上述證明可知,無(wú)論其他發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)與否,發(fā)電機(jī)組i申報(bào)真實(shí)的發(fā)電成本是該機(jī)組的占優(yōu)策略。因此,本文提出的價(jià)值公平分配機(jī)制滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容。

本文機(jī)制滿足激勵(lì)相容原理的經(jīng)濟(jì)學(xué)含義在于:如果一臺(tái)機(jī)組虛報(bào)高價(jià),則系統(tǒng)調(diào)度分配給該機(jī)組的發(fā)電量較少,去除該機(jī)組后其他機(jī)組參與日前市場(chǎng)電量變化較小,所以去除該機(jī)組前后其他機(jī)組發(fā)電成本變化較小,該機(jī)組獲得系統(tǒng)調(diào)度的支付費(fèi)用較少。因此,一臺(tái)機(jī)組的占優(yōu)策略是申報(bào)真實(shí)成本。虛報(bào)高價(jià)將使得該機(jī)組對(duì)其他機(jī)組的替代效益減少,從而降低自身效益。

4)收支平衡

Leonid Hurwicz,Jerry R.Green 以 及 JeanJacquesLaffont證明,不存在一種激勵(lì)機(jī)制同時(shí)滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容、個(gè)體理性、系統(tǒng)成本最小化以及收支平衡[24]?，F(xiàn)有基于 VCG 的激勵(lì)機(jī)制不滿足收支平衡性質(zhì),即系統(tǒng)調(diào)度從電力負(fù)荷征收的費(fèi)用可能小于向發(fā)電機(jī)組支付的費(fèi)用。通過(guò)數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述,即存在一種場(chǎng)景使得下式成立:

值得一提的是,本文提出一種通過(guò)降低發(fā)電側(cè)收益達(dá)到收支平衡的策略,實(shí)際操作中還可以考慮提高銷售電價(jià)以增加負(fù)荷側(cè)收費(fèi),達(dá)到收支平衡。關(guān)于收支平衡的深入研究,需要在未來(lái)的工作中進(jìn)一步探索。

2.4 實(shí)施流程

本節(jié)從實(shí)施流程上闡釋,并對(duì)比傳統(tǒng)基于邊際電價(jià)和本文機(jī)制的交易模式。圖1對(duì)比了兩種機(jī)制的實(shí)施流程。

由此可知,價(jià)值公平分配機(jī)制并未改變傳統(tǒng)市場(chǎng)基于報(bào)價(jià)的交易模式,僅通過(guò)改變價(jià)值分配和利益結(jié)算的方式,滿足激勵(lì)相容原理。因此,價(jià)值公平分配機(jī)制有效延續(xù)了現(xiàn)有市場(chǎng)交易模式,具有可操作性和實(shí)用價(jià)值。

2.5 案例說(shuō)明

下文通過(guò)2節(jié)點(diǎn)、3機(jī)組的案例對(duì)比邊際電價(jià)與價(jià)值公平分配機(jī)制的效果差異。2節(jié)點(diǎn)、3機(jī)組案例如圖2所示。圖中,發(fā)電機(jī)1,2和3的真實(shí)發(fā)電成本系數(shù)分別為c,2c 和3c。節(jié)點(diǎn)1的負(fù)荷為 D。三臺(tái)發(fā)電機(jī)的出力范圍均為[0,2D]。節(jié)點(diǎn)1和2之間的線路容量為0.5D。

2.5.2 價(jià)值公平分配機(jī)制

根據(jù)價(jià)值公平分配機(jī)制,一臺(tái)發(fā)電機(jī)組獲得收益為該發(fā)電機(jī)組參與日前市場(chǎng)前后,其他機(jī)組總發(fā)電成本的變化。下面重點(diǎn)分析在價(jià)值公平分配機(jī)制下,發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本為其占優(yōu)策略。

因此,機(jī)組1真實(shí)申報(bào)的凈收益大于虛假申報(bào)的凈收益。價(jià)值公平分配機(jī)制將打破機(jī)組1和2的串謀,促使機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本。

需要說(shuō)明的是,為保障電力市場(chǎng)充分競(jìng)爭(zhēng)并抑制機(jī)組虛報(bào)高價(jià),國(guó)外現(xiàn)有成熟電力市場(chǎng)引入復(fù)雜的市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)制。例如,自1999年開(kāi)始,美國(guó) PJM市場(chǎng)引入市場(chǎng)監(jiān)管,以客觀監(jiān)視、調(diào)查和評(píng)估市場(chǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方面的缺陷,如三寡頭壟斷測(cè)試[25],然而這些市場(chǎng)機(jī)制需要高昂的監(jiān)管成本。相比之下,本文機(jī)制滿足激勵(lì)相容原理,促進(jìn)市場(chǎng)成員真實(shí)報(bào)價(jià),故不再需要復(fù)雜的監(jiān)管。

3 算例分析

本文測(cè)試價(jià)值公平分配機(jī)制在IEEE30和118節(jié)點(diǎn) 系 統(tǒng) 的 有 效 性。 測(cè) 試 環(huán) 境 為 THINKPADT460P,2.60GHz八核筆記本電腦,編程軟件平臺(tái)為 MATLAB 2013b,潮 流 計(jì) 算 求 解 器 采 用MATPOWER6.0[26]。

3.1 IEEE30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

在IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中,有6臺(tái)發(fā)電機(jī)組,最小技術(shù)出力 0,其他成本和技術(shù)參數(shù)見(jiàn)附錄 A 表 A1。

3.1.1 機(jī)制性質(zhì)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文機(jī)制滿足激勵(lì)相容,假設(shè)發(fā)電機(jī)組在一定比例范圍內(nèi)申報(bào)成本系數(shù)。圖3所示為各發(fā)電機(jī)組申報(bào)不同系數(shù)下的凈利潤(rùn)水平。

對(duì)于6臺(tái)發(fā)電機(jī)組,只有在申報(bào)值與真實(shí)值比例為1.0,即機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本系數(shù)時(shí),發(fā)電機(jī)組獲得凈利潤(rùn)最大。當(dāng)機(jī)組虛報(bào)低價(jià)時(shí),系統(tǒng)調(diào)度分配給機(jī)組較多電量,但支付給機(jī)組的費(fèi)用可能不足以補(bǔ)償機(jī)組發(fā)電成本,因此機(jī)組凈利潤(rùn)降低,甚至出現(xiàn)負(fù)值,如機(jī)組 G6。由于系統(tǒng)調(diào)度支付給機(jī)組的費(fèi)用取決于該機(jī)組對(duì)其他機(jī)組發(fā)電成本的影響,當(dāng)機(jī)組虛報(bào)高價(jià)時(shí),該機(jī)組對(duì)其他機(jī)組的影響減小,支付給該機(jī)組的費(fèi)用削減,仍然導(dǎo)致機(jī)組凈利潤(rùn)降低;同時(shí),報(bào)價(jià)過(guò)高,可能導(dǎo)致該機(jī)組不中標(biāo),凈利潤(rùn)為0,如機(jī)組G6。

因此,本文所提機(jī)制滿足激勵(lì)相容,有效促進(jìn)市場(chǎng)成員真實(shí)申報(bào),解決電力市場(chǎng)信息不對(duì)稱難題。為驗(yàn)證本文機(jī)制滿足個(gè)體理性,附錄 A 表 A2給出了發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本系數(shù)時(shí)的出力計(jì)劃和利潤(rùn)。由結(jié)果可知,當(dāng)機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本系數(shù)時(shí),各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的凈利潤(rùn)均大于0,說(shuō)明機(jī)組有意愿參與日前市場(chǎng),滿足個(gè)體理性。進(jìn)而,由于市場(chǎng)出清模型最小化所有機(jī)組真實(shí)發(fā)電成本,機(jī)制滿足系統(tǒng)成本最小化。

3.1.2 收支平衡探討

系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷以及系統(tǒng)收支費(fèi)用見(jiàn)圖4。

系統(tǒng)邊際電價(jià)為3.79美元/(MW·h),總負(fù)荷水平為189.2MW,因此,從負(fù)荷側(cè)收取的總費(fèi)用為716.92美元,而 需 要 支 付 給 發(fā) 電 機(jī) 組 的 總 費(fèi) 用 為745.73美元,比負(fù)荷側(cè)收費(fèi)多出4.02%。本文采用的收支平衡策略是減少每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的收益。為滿足收支平衡、個(gè)體理性以及激勵(lì)相容,

3.2 IEEE118 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

在IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中,有 54 臺(tái)發(fā)電機(jī)組、186條線路。各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷水平、發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本時(shí)的最優(yōu)出力計(jì)劃如附錄 A 圖 A1所示。值得注意的是,圖中只統(tǒng)計(jì)功率非零的節(jié)點(diǎn)和機(jī)組。

在 IEEE 118 節(jié) 點(diǎn) 系 統(tǒng) 中,總 負(fù) 荷 為4242MW,共有19臺(tái)發(fā)電機(jī)組被調(diào)度,出力為0的剩余35臺(tái)機(jī)組獲得系統(tǒng)支付為0,發(fā)電成本為0,因此不在本節(jié)算例討論范圍內(nèi)。在發(fā)電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)時(shí),19 臺(tái)發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)支付費(fèi)用和凈利潤(rùn)如附錄 A 圖A2所示。發(fā)電機(jī)組獲得系統(tǒng)支付從152.68美 元 到23550.27美 元,凈 利 潤(rùn) 從 37.60 美 元 到6085.48美元,因此參與日前市場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組凈利潤(rùn)均大于0。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于價(jià)值公平分配的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,應(yīng)用于電力日前市場(chǎng),并理論證明該機(jī)制滿足激勵(lì)相容、個(gè)體理性以及系統(tǒng)成本最小化的性質(zhì)。基于IEEE30節(jié)點(diǎn)和118節(jié)點(diǎn)的算例分析表明:①在價(jià)值公平分配機(jī)制下,所有發(fā)電機(jī)組申報(bào)真實(shí)成本為占優(yōu)策略,即價(jià)值公平分配機(jī)制滿足激勵(lì)相容;②參與日前市場(chǎng)的所有發(fā)電機(jī)組的凈利潤(rùn)不小于0,即價(jià)值公平分配機(jī)制滿足個(gè)體理性;③價(jià)值公平分配機(jī)制引起的收支不平衡可通過(guò)事后調(diào)整發(fā)電機(jī)組收益來(lái)解決。

在未來(lái)的研究中,以下三方面值得進(jìn)一步探索:①本文僅考慮發(fā)電側(cè)競(jìng)價(jià)的日前市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì),實(shí)際電力市場(chǎng)允許負(fù)荷側(cè)參與競(jìng)價(jià),因此,在未來(lái)研究中可探索價(jià)值公平分配機(jī)制在雙邊競(jìng)價(jià)市場(chǎng)中的適用性;②本文重點(diǎn)關(guān)注價(jià)值公平分配機(jī)制如何滿足激勵(lì)相容,即發(fā)電機(jī)組的占優(yōu)策略為申報(bào)真實(shí)成本,在未來(lái)研究中可對(duì)比價(jià)值公平分配機(jī)制和邊際電價(jià)機(jī)制納什均衡解的差異;③本文提出通過(guò)降低發(fā)電側(cè)收益的收支平衡策略,在未來(lái)的研究中可分析提高負(fù)荷側(cè)電價(jià)的解決方案。

本文的研究成果將為中國(guó)電力體制改革提供滿足激勵(lì)相容的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,積極推動(dòng)中國(guó)電力市場(chǎng)的健康發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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王劍曉1,2,鐘海旺1,2,夏 清1,2,汪 洋3,賴曉文3,郭新志4

(1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市 100084;

2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)),北京市 100084;

3.北京清能互聯(lián)科技有限公司,北京市 100084;4.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,河南省鄭州市 450000)

王劍曉(1992—),男,博士研究生,主要研究方向:電力市場(chǎng)、發(fā)電計(jì)劃、電力規(guī)劃、新能源預(yù)測(cè) 等。E-mail:wangjx14@mails.tsinghua.edu.cn

鐘海旺(1986—),男,通信作者,博士,副教授,博士生導(dǎo)師,IEEE高級(jí)會(huì)員,主要研究方向:電力市場(chǎng)、需求側(cè)響應(yīng)、發(fā)電計(jì)劃等。E-mail:zhonghw@tsinghua.edu.cn

夏 清(1957—),男,教授,博士生導(dǎo)師,IEEE 高 級(jí) 會(huì)員,主要研究方向:智能電網(wǎng)、發(fā)電計(jì)劃、電力規(guī)劃、電力市場(chǎng)、負(fù)荷預(yù)測(cè)等。E-mail:qingxia@tsinghua.edu.cn