甘德强：电力市场与电力经济文档格式.doc
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在介绍这些基本概念的时候，我们同时介绍优化的基本原理如KTT条件。
我们的侧重点是优化原理而非优化算法。
当一个学生具备这些知识后，很容易理解电力市场的理论。
第三章介绍几种常见的有功市场运行方式，包括统一电价模型，节点电价模型，差价合同模型，多结算系统模型和双边交易模型。
这些模型都在实际市场，比如美国东北市场和浙江电力市场，得到广泛应用。
第四章介绍辅助服务市场的基本概念。
这一章的知识相对来说，还没有发展成熟。
对于有些不希望知道辅助服务市场细节的读者，跳过这一章也能够继续阅读后续内容。
本章的特色是，强调辅助服务和能量市场的紧密关系，从联合优化的角度介绍调度和定价的各种严格数学推导和启发式方法（如序列优化）。
第五章介绍公共费用分摊，特别是与输电系统有关的费用分摊。
本章的重点是基于公理的分摊输电投资费用的方法。
另外这一章还要介绍在北美广泛使用的输电权投招标。
这一章的知识也在快速发展之中，但我们认为是电力市场理论不可缺少的部分，所以希望对电力市场理论有兴趣的读者能够了解。
第六章经济分析是讲义的另一个重点部分。
经济分析是电力市场高层次决策（如市场结构设计）的基础。
我国开展市场经济较晚，相应的对经济分析的投入也较少。
因此，电力市场经济分析就尤其需要得到更多重视。
这一章我们将介绍博弈论的基本概念规范博弈以及纳什均衡，微观经济学的基本概念包括需求函数，生产函数和市场博弈分析。
在这一章的最后我们介绍电力市场经济分析的几种模型。
这一章的知识也在快速的发展。
有兴趣的读者还应当进一步阅读有关文献。
读者在阅读完第1，2，3章后可以直接阅读讲义的第4，5，6章中任何一章，因为这些章节相对独立。
下图显示讲义各个章节的联系。
图讲义中各个章节的逻辑关系
电力市场这个课题涉及很多学科，自身的内容也没有比较通用流行的分类。
下面是讲义中我们对电力市场理论进行的分类（讲义也是这样安排的）：
-技术支持系统：
包括调度计算的数学模型和计算方法，各种负荷预测，各种备用的需求计算，以及相关的软件设计等等。
这方面的内容和传统的电力系统能量管理系统理论并没有实质上的区别。
-市场设计：
包括有功和辅助服务调度模型的设计，交易结算机制，公共费用分摊方法，市场垄断力的管制方法等等。
我们认为这方面的内容是电力市场理论的核心。
-市场分析：
包括市场各方行为分析，社会效益分析，市场运行计量经济分析，市场力计算，电价预测等等。
这些内容也是电力市场的重要课题。
在编著这本教材的过程中我们得到了选修浙江大学《电力市场与电力经济》课程的研究生和本科生同学们的支持与帮助。
他们积极参与了课程讨论和实验，阅读了讲义内容，对讲义的结构提出了意见并纠正了讲义中的部分错误。
讲义中部分研究成果取自浙江大学电机系博士研究生胡朝阳，赵学顺和许婧的“杰作”。
研究生于洋帮助编写了电价预测有关内容。
此外，讲义中的一些观点和内容也是与美国康乃尔大学电气学院RJThomas教授，高级研究员RZimmerman博士，美国ISONewEnglandInc技术部主任ELitvinov博士的贡献分不开的。
在此表示感谢。
最后也是最重要的，感谢导师西安交通大学王锡凡教授引导笔者走上科学研究的道路！
讲义的目的是传播知识，表达的意见只有学术意义，当中的错误应当作者负责。
希望热心读者批评指正。
作者的地址是dgan@，0571－87951831，通信地址为浙江大学电气工程学院，浙江杭州，邮编310027。
1.绪论EquationChapter1Section1 7
1．1微观经济学基础 7
1．2电力生产的历史 14
参考文献 16
2．电力系统运行基础EquationChapter2Section1 18
2．1经济调度 18
2．2潮流计算 19
2．3事故潮流分析 26
2．4约束优化基础 27
2．5安全经济调度 32
2．6频率控制 36
2．7旋转备用 41
2．8机组起停计划 42
2．9输电界面输电能力计算 45
2．10电力系统运行概述 54
附录－确定辅助服务需求 55
附录－非线性规划约束正则条件** 59
参考文献 61
3．市场设计－实时有功市场EquationChapter3Section1 63
3．1机构设置 63
3．2统一电价模式 65
3．3节点电价模式 71
3．4配电侧竞标原理 78
3．5日前市场 80
3．6事后节点电价** 84
3．7网损考虑** 88
3．8英国双边交易模式 91
3．9加州电力市场 99
附录－区域电力市场的讨论 101
附录－多段报价机组的处理 102
参考文献 105
4．市场设计－辅助服务管理EquationChapter4Section1 107
4．1备用市场 107
4．2AGC市场 111
4．3有功、备用和AGC联合运行市场 114
4．4AGC服务非竞价管理 116
4．4无功管理 117
附录－澳大利亚国家电力市场 122
参考文献 122
5．市场设计－公共费用分摊EquationChapter5Section1 124
5．1输电费 125
5．2开停机费用 129
5．3输电权** 139
附录－美国标准市场设计 145
参考文献 146
6．微观经济分析EquationChapter6Section1 148
6．1非合作博弈论基础 149
6．2电力市场价格竞争博弈模型 154
6．3市场力分析 161
6．4电力市场模拟实验 162
6．5电价预测 170
附录－电力市场监管和评估 175
附录－不动点理论和市场均衡的存在性** 176
参考文献 176
中英文用语对照表 179
1.绪论EquationChapter1Section1
1．1微观经济学基础
现代微观经济学的核心理论大概包括需求理论，生产理论，市场均衡和博弈理论。
本节将简要介绍前两部分的知识。
后面介绍博弈理论及其应用。
～供需平衡原理～
在现代社会，人们消费商品以获得自身效益。
例如，人们都接受高等教育或消费食品。
社会中每一个个体都有各自的偏好（PREFERENCE）。
个体的偏好会影响个体对某种商品的需求。
商品是有价的。
因此，消费某种商品的数量（商品需求）一般还是价格的函数。
现代需求理论是建立在这两个基本概念的基础上的。
在经济学研究中进行市场供需分析的时候，一般假设需求仅仅是价格的函数。
本节也采用这个假设。
这个函数就是需求函数（Demandfunction）。
例如，某一时刻的电量需求可以表示为函数。
显然，电价越高，电量需求越少。
因此电量需求函数应当是单调减的，如图所示。
图单调减的电量需求函数
后面常常用到需求函数的逆函数，记为，如图所示。
图电量需求函数的逆函数
在市场的另外一面，供应商也可以采用供给曲线来描述，如下图所示。
图供给曲线
供给曲线表示对于市场上生产者能够得到的价格，他们愿意出售的数量。
显然，供给曲线是单调增的。
下图显示，供给与需求交点为供需平衡点，其相应价格为出清价格P。
当市场价格高于P，处于P1时，供需不平衡，供给剩余量迫使供应商降低价格，最终供需平衡在价格水平P；
当市场价格低于P，处于P2时，供需不平衡，供给短缺量促使供应商提高价格，最终供需平衡仍然在价格水平P。
图供需平衡
～无形的手与有形的手～
前面我们讲述到，供需可以自动平衡到一个出清价格。
这就是所谓“无形的手”。
市场供需平衡时，消费者和生产者享受赢余，如下图所示。
当价格处于均衡点时，部分消费者可能愿意支付高于均衡点价格P的价格P1，因此这些消费者享受赢余。
市场消费者享受赢余的幅度由图中上三角形的面积来描述。
同理，生产者赢余可以由图中下三角形的面积表示。
图消费者赢余和生产者赢余
假设政府处于某种原因干涉市场（有形的手），设定一个市场最高限价P2（如下图所示），此时生产者将降低产量至Q2。
消费者赢余变化为A－B，生产者赢余变化是－A－C。
两者之差为无谓损失，大小等于B＋C。
图管制价格上限低于出清价格时的社会赢余损失
假设政府设定一个市场最低限价P1（如下图所示），此时需求量为至Q1。
消费者赢余变化为－A－B，生产者赢余变化是A－C。
图管制价格高于出清价格时的社会赢余损失
上述表明，政府干预市场是没有必要的。
当然，这个断言的正确性是有前提的。
～价格弹性和完全竞争市场～
需求随价格变化的速率用价格塑性来描述。
其定义如下：
（1.1）
消费者对某些商品具有几乎无穷大的弹性（无穷大为数学抽象），比如珠宝。
对这样的商品其需求函数的逆函数如下图所示。
图弹性无穷大的需求
而对某些生活必须品，例如食品，消费者的需求与价格没有多少关系。
这样的商品其需求函数的逆函数如下图所示。
图完全无弹性的需求
生产商品是需要费用的。
比如，生产电量需求购买燃料。
一般，生产费用是原料价格和产量的函数。
经常，我们假设原料价格恒定，或者我们对原料价格不感兴趣，所以认为生产费用只是产量的函数。
对于电量生产费用函数，我们用表示。
生产费用函数有一个重要概念叫边际费用，其定义为。
显然，边际费用是产量的函数。
现在我们介绍生产理论的一个重要定律，即基本生产定律。
一个公司生产的目的是取得最大赢利。
假设这个公司面临的逆需求函数是。
公司的赢利最大化问题可以表示为：
（1.2）
对P求导得：
（1.3）
上式表明：
如果公司获得最大赢利，则边际赢利等于边际费用。
这就是著名的基本生产定律。
注意，所以。
这样基本生产定律可以写为：
（1.4）
从价格塑性的定义，我们得到。
代入式经整理我们得到一个重要结论：
（1.5）
一般情况下，，所以。
上式说明，公司的定价策略是由价格塑性确定的。
如果价格塑性高，则价格应当低；
反之，如果价格塑性低，则价格应当高。
这个结论在日常生活中都能够观察到。
现在考虑一个理想化的情况。
当价格塑性无穷高时，逆需求函数是个常数。
所以，这时：
（1.6）
这就是完全竞争市场的价格，即生产价格等于边际费用。
经济学家们认为，一个完全竞争的生产从社会利益来讲是最好的。
在设计市场的时候，应当尽量使得所设计的市场是完全竞争市场。
试想如果所有商品，电力，通讯，等等都非常便宜，对公民来讲岂不是很理想？
当市场存在几乎无穷多个供应商的时候，而且各个供应商所长生产份额都很小的时候，市场就是一个完全竞争市场。
～规模效益与自然垄断～
现在介绍生产函数（PRODUCTIONFUNCTION）的概念。
一个公司生产某种商品，总是需要使用原料。
比如，一个大学“生产”大学生需要足够多的老师。
再如，一个电厂生产电力需要使用燃料。
用表示一个燃煤电厂使用的煤的吨数，表示相应的发电机生产的电量，生产函数可表示为。
显然，生产函数常常是单调增的，如图所示。
图单调增的电量生产函数
关于生产函数有两个基本概念。
第一，生产函数一般是个参数优化问题。
原因在于许多商品可以用不同技术和不同原料生产，显然厂商会采用最便宜的方式生产出最多的商品。
第二个基本概念很重要，它是关于生产函数的形状的。
这就是规模效益。
有如下三种情况（参见图示）：
如果对任何和，，我们说生产函数有恒定规模效益。
如果对任何和，，我们说生产函数无规模效益。
如果对任何和，，我们说生产函数有显著规模效益。
一个生产是否具有规模效益也可以通过观察边际费用函数的形状来判断。
一般，对恒定规模效益的生产，其对应的边际费用函数是常数；
对有显著规模效益的生产，其对应的边际费用函数是下降的；
反之，对无规模效益的生产，其对应的边际费用函数是上升的；
如图所示。
图边际费用函数和规模效益
现代微观经济学有如下重要断言：
一个具有规模效益的产业不能达到完全竞争，因此是自然垄断产业。
对于自然垄断产业，政府干预是恰当的。
以上讲述的主要内容是常规的，在一般的微观经济学教材里都能找到。
我们主要参考了文献【LUENBERGER】。
最早的电力市场经济分析论文出现在1980年左右。
随后，每年都有大量的文献和报告介绍电力市场经济分析方法。
尽管如此，电力市场经济仍然是一个非常新的领域。
同时，因为电力市场许多重要的，高层次的决策都是基于微观经济分析的结论，因此，电力市场经济分析是个重要的领域。
多年以来，人们一直认为电力生产具有明显的规模效益。
文献【JOSKOW】对电力生产规模效益进行了实证分析，改变了人们对这个问题的看法，引发了电力市场在世界范围的建立。
影响电力市场开发的其它因素当然也存在，比如，在英国有历史和政治的原因。
据我们所知，文献【JOSKOW】的结论为电力市场的建立提供了理论依据。
1．2电力生产的历史
电力生产自电灯发明以来的大部分时间里都是由政府调控的。
政府调控主要表现在对电价的调控上。
政府调控后的电价略高于成本。
为什么电力生产在以前要政府调控呢？
有以下几个原因：
规模效益显著；
很低的用电需求弹性。
具有上述特性的产业被称为“自然垄断”产业。
因此，电力生产过去是“自然垄断”产业。
其它常见自然垄断产业有邮政服务和初级教育等等。
自然垄断的优点是，如果监管得当，仍然有较高的效率，且效率高于市场。
自然垄断的缺点一般包括以下几点：
劳动效率不高；
没有动因来鼓励新技术使用；
没有动因来鼓励新服务的开发。
在最近的十年里，世界各国都在尝试或研究市场方式的电力生产。
当前我国正在积极进行电力市场开发，以市场的方式运行电力系统即将成为事实。
为什么呢？
技术进步推动了市场化进程：
Ø
研究成果表明发电成本规模效益正在减小且已经足够小（各个国家发电技术水平不同，国外研究结论未必适合中国国情）；
强大的电网是竞争的必要条件之一。
对比交通系统对经济的影响就可以得到这个结论。
现在输电技术逐步提高，电网越来越强；
用电弹性正在或者将要提高。
这是因为各种智能化电表，设备的出现，以及因特网的诞生。
这说明，发电侧可以引入竞争。
竞争可能带来的好处：
更多的用户选择（服务多样性）；
更多的新技术使用；
更有效的资源配置。
那么网络呢？
让我们来看看下述事实：
如果线路由一个厂商独立拥有，用户仍然可以选择有线电视节目，供电厂商，或电话供应商，享受竞争带来的好处。
为在线路侧引入竞争，架设两条线路是高成本的重复建设。
类似地，架设多条铁轨或输油管道来实现网络竞争是浪费的。
电网和配电经营仍然是“自然垄断”，适合运用固定投资回报率的调节经济（regulatedeconomy）。
电力系统市场发展的重要事件小结如下：
1980－美国里根总统经济顾问主任，麻省理工学院P.Joskow发表发电技术规模效益分析报告
1982－智利在世界上首次建立实时电力市场；
麻省理工学院F.Schweppe等人提出分时电价理论
1990－英国作为世界上第一个发达国家建立联营电力市场
1992－哈佛大学W.Hogan提出财务输电权理论
1994－挪威和周边国家建立世界上第一个跨国电力市场Nordic电力市场
1995－新西兰Cantbury大学学者和新西兰国家电力公司提出后来广泛使用的事后电价理论
1996－澳大利亚和新西兰建立基于事后节点电价的联营电力市场；
美国加州建立基于区域电价体系的联营电力市场；
美国FERC发表FERCORDER888；
1997－加拿大阿尔伯他省建立类似英国联营电力市场的电力市场
1998－美国PJM地区建立基于事后节点电价的联营电力市场
1999－美国新英格兰地区建立基于联合优化的电力市场；
纽约州建立基于联合优化和节点电价的联营电力市场
2000－加拿大安大略省建立基于联合优化和节点电价的联营电力市场；
浙江省建立类似英国联营电力市场的电力市场并使用差价合约技术
2001－英国实现第二次改革，建立双边交易电力市场；
美国德克萨斯州建立基于区域电价体系的联营电力市场；
美国FERC发表FERCORDER2000
2002－美国FERC发表“标准市场设计草案”（“WorkingPaperOnStandardMarketDesign”）
电力有许多区别于普通商品的特点：
依赖于网络传输，用电和发电无一一对应的关系
电力不可大规模存储
零短期价格塑性
上述特性为电力市场的创建造成了很大困难。
现代经济学认为，一个市场成功的必要条件之一是产权明晰，这样才可以让商品自由交换。
因为电力依赖于网络传输，用电和发电无一一对应的关系，因此，建立一个产权明晰的电力市场有困难。
因为电力不可大规模存储，这又增加了建立产权的困难。
现代经济学还断言，一个良好的市场应当有积极的用户侧响应。
但电力的零短期价格塑性使得建立用户侧响应困难。
最后，我们讨论一下，中国要不要进行电力市场？
这是一个许多电力工程师关心的问题。
对这个问题，我们不能给出一个明确的答案。
但是，在这里让我们看看以下“有利”的事实：
中国收入不均衡已经引起人们重视，中国电价和英国美国相当。
各种产业组织垄断力量的存在是原因之一。
现在虽然中国缺电，但市场至少在负荷低水平的时候起到作用。
此外，缺电的局面在2－3年内就能够得到改善。
原来庞大的电力系统现在分解为单一购买者和发电两大利益竞争的部分。
竞争带来好处。
电厂工作态度积极，效率提高。
在回答这个问题的时候还应当看到如下“不利”的事实：
我国发电产业的规模效益程度还没有定量的分析的结果。
发电企业的产权结构还没有完全理顺。
我国电力市场有关的技术支持系统，包括软件和硬件，都还需要加强。
支持市场建设的法律制度尚需要进一步完善。
～～～～～
文献【Joskow】介绍电力市场发展的历史，经济学原因。
大量的有关电力市场的信息，包括详细的市场规则，运行报告等等都可以在互联网找到。
下面是一些作者收集的网站地址：
http:
//www.elexon.co.uk/
//www.eex.de/index_e.asp
//www.nz.m-
//www.iso-
//www.midwestiso.org/
.au/
//www.emco.co.nz/
//www.ofgem.gov.uk/
//www.aeso.ca/index_f.html
//www.miso-pjm-
//www.pjm-
//www.tg.nsw.gov.au/
//www.med.govt.nz/ers/inf_disc.html
//www.ucte.org/
参考文献
1.P.LJoskow,“Restructuring,CompetitionandRegulatoryReformintheU.S.ElectricitySector”,JournalofEconomicPerspectives,1997,vol.11,no.3,pp.119-138
2.W.Sweet,E.A.Bretz,A.Kahn,“HowtoMakeDeregulationWork”,IEEESpectrum,vol.39,no.1,2002
3.R.J.Green,“CompetitioninGeneration:
TheEconomicFoundations”,ProceedingsoftheIEEE,vol.88,no.2,February2000,pp.128-139
4.杰里，瑞尼著，王根蓓，朱保华译，高级微观经济理论，第二版，
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