电力市场优秀毕业论文范例-基于博弈论发电厂商竞价策略研究.docx
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毕业设计（论文）
题目基于博弈论的发电厂商
竞价策略的研究
姓名汪仕炫
学号0710231119
所在学校湖北工业大学
所在学院电气与电子工程学院
专业班级07电气3班
指导教师方娜
日期2011年6月2日
摘要
近几十年来，世界上很多国家都进行了电力工业市场化改革。
我国也跟随着这一趋势，初步建立了电力市场，并逐步进行推广。
随着电力工业体制的改革，发电厂商由原来的按计划发电转变为按照市场规则竞争发电。
因此，在市场环境下，发电厂商想要在竞争中处于不败之地，采用何种竞价策略就变得尤为重要。
区域性的电力市场可看作寡头垄断市场，而博弈论正是研究寡头垄断市场的有效工具，因此本文致力于运用博弈论的相关理论来研究电力市场的竞价策略问题。
电力市场竞价模式大体可分为同时竞价和有先后顺序竞价这两种模式。
本文分别利用了博弈论中的Cournot模型和Stackelberg模型研究了完全信息下发电厂商的竞价策略。
根据各自博弈特点，给出了参数一致情况下两种模型的算例分析。
最后，通过对两种不同竞价模式下的结果进行比较，提出了微观层面对于发电厂商和宏观层面对于我国电力市场的建议，并揭示了其本质原因，为我国构建电力市场提供理论依据和决策支持。
关键词：
电力市场；博弈论；Cournot模型；Stackelberg模型；
竞价策略
Abstract
Thepastsomedecadeshavewitnessedthemarket-orientedreformhappenedinpowerindustryinanumberofcountries.Followingthistrend,Chinahasestablishedelectricitystepbystep.Withthischangeinpowerindustrysystem,thetargetofgenerationcompaniesalsochangesfromplanninggenerationtobiddinggenerationbasedontheregulationofelectricitymarket.Hence,intheelectricitymarketenvironment,itisvitallyimportantforgenerationcompaniestoadoptthemostappropriatebiddingstrategy.Thepowermarketisconsideredtobeoligopolymarket,whichistheresearchobjectofgametheory.Thus,thisdissertationfocusesonstudyingbiddingstrategiesintheelectricitymarketviagametheory.
Thebiddingpatternsintheelectricitymarketcanbedividedintotwocategories,simultaneousbiddingandsequentialbidding.Inthisdissertation,westudybiddingstrategiesinbothbiddingpatternswithcompleteinformationbyCournotmodelandStackelbergmodel,respectively.Basedonthecharacteristicsofeachgame,examplesanalyseswiththesameparametersarepresented.Comparewiththeresultsofthesetwobiddingpatterns,wemakerecommendationsabouthowtoimprovebiddingstrategiesforelectricitycompaniesandhowtoconstructamoreefficientelectricitymarketforgovernment,andidentifytheessentialreasons.ThisdissertationprovidestheorysupportinganddecidingsuggestionsforChinesegovernmenttoestablishelectricitymarket.
Keywords：
electricitymarket;gametheory;Cournotmodel;Stackelbergmodel;
biddingstrategy
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1课题的研究背景与意义 1
1.2电力市场竞价策略的研究现状 1
1.3本文的主要工作 2
2相关理论概述 4
2.1电力市场概述 4
2.1.1电力市场的定义 4
2.1.2电力市场的基本要素 4
2.1.3电力市场的交易模式 5
2.1.4电力市场中的电价理论 5
2.1.5国内外电力市场的发展 6
2.2博弈论概述 7
2.2.1博弈论的基本概念 8
2.2.2博弈论的基本要素 8
2.2.3博弈论的分类 9
2.2.4Nash均衡 10
2.2.5博弈论在电力市场竞价策略中的应用 10
3基于Cournot模型的竞价策略研究 12
3.1Cournot模型 12
3.2发电厂商竞价策略 13
3.2.1两个发电厂商的竞价问题 13
3.2.2多个发电厂商的竞价问题 15
3.3算例分析 16
4基于Stackelberg模型的竞价策略研究 18
4.1Stackelberg模型 18
4.2发电厂商竞价策略 19
4.2.1两个发电厂商的竞价问题 19
4.2.2多个发电厂商的竞价问题 21
4.3算例分析 23
5结论及展望 25
5.1结论 25
5.1.1不同模型下结果比较分析 25
5.1.2全文总结 26
5.2展望 27
参考文献 28
致谢 31
附录（逆矩阵求解） 32
34
毕业设计（论文）专用纸
1绪论
1.1课题的研究背景与意义
上世纪80年代，很多国家开始构建电力市场，其目的是想通过市场机制来打破垄断，提高电力行业的效率，并最终实现社会资源的合理分配和提高社会效益。
在我国，随着改革开放的进一步发展，电力行业的市场化改革也逐步在进行。
目前，我国已经成立了十余家电力公司，建立了电力市场交易中心，并制定了电力市场相关法律法规。
在集中计划的机制下，发电厂商仅仅是生产者，完全按照计划安排发电；在电力市场的格局下，发电厂商不仅是生产者，同时也是经营者，需要根据市场做出对应的决策，并要承担风险。
新体制下，各个发电厂商都想充分利用信息，合理安排发电计划，合理申报电价，从而获得最大利润。
而发电厂商的竞价策略是进行电价申报的关键，采用何种竞价策略对于每个发电厂商就显得尤为重要。
因此，电力市场中发电厂商竞价策略的研究是当前的一大热点问题，引起了广泛关注。
在区域性的电力市场中，由于电力生产的自身特性和状况，大部分的发电容量只能由几家大的发电厂商来提供，故电力市场接近于寡头垄断市场。
这种市场用传统的新古典经济学解释是不合理的，但却是博弈论最主要的应用领域之一。
从某种意义上来说，电力市场的形成和发展为博弈论的运用提供了一个很好的平台，越来越多的专家和学者运用博弈论来研究电力市场中的各种问题[1-6]。
研究发电厂商的竞价策略是当前我国电力市场改革一个重要课题。
针对上述实际情况，经过与导师的多次讨论，选择了“基于博弈论的发电厂商竞价策略的研究”作为毕业设计的课题。
1.2电力市场竞价策略的研究现状
发电厂商的竞价问题已成为国内外众多学者的研究热点，研究成果相当丰富，有很多有价值的成果。
这些文献中研究竞价问题所运用的方法各不相同，但又有相似之处，分类起来主要有以下三种[7]：
（1）基于预测市场出清价格的报价策略的方法[8-10]。
这个方法较为简单，其原理是：
如果发电厂商可以准确预测出市场的出清价，那么它的报价只要稍微低于市场出清价格即可获利。
但是预测市场的出清价格比较困难，它需要全面了解市场的负荷要求、潮流约束以及其它发电厂商的投标决策。
目前，电力市场刚刚形成，发电厂商历史数据不够充分，要准确预测市场的出清价格有较大的困难。
另外，这个方法的基本假设是电力市场是完全竞争市场，市场的出清价格是不会受到任何发电厂商的竞价策略所影响的，但是电力市场现实中更接近于寡头垄断市场，这种假设现实中并不成立。
由于这种方法与实际电力市场不相符，所以这种方法较少使用。
（2）基于预测其他发电厂商竞价策略的方法[11-14]。
这种方法首先要预测市场上所有发电厂商的竞价策略和成本函数的概率密度等各个参数，然后运用模糊数学或概率论的方法，计算报价函数和收益函数，最后确定自己的竞价策略。
（3）基于博弈论的竞价策略的方法[15-17]。
这种方法可分为两类：
第一类是基于博弈矩阵模型，将备选的竞价策略表示为离散量，构造各个发电厂商不同策略组合时的收益矩阵，从而找到一个均衡竞价策略组合（Nash均衡），这个均衡点就是最优的投标策略。
第二类是基于寡头博弈模型，主要是Cournot模型、Bertrand模型、Stackelberg模型和供给函数模型。
以上三种方法中，前两种方法主要研究发电厂商之间的非合作竞价情况，而第三种方法可以用来研究非合作和合作的竞价情况。
因此，博弈论已经成为了研究发电厂商竞价策略的主要工具。
除了上述的方法外，还有一些其他的方法，如人工神经网络、模糊理论、专家系统及智能优化方法等。
但是这些方法都有一个共同的问题，它们只能用与研究已经相当成熟的电力市场，对于建立初期的电力市场并不适用。
1.3本文的主要工作
从电力市场的市场经济规律出发，以博弈论为主要研究方法，对电力市场中发电厂商的竞价策略进行了研究。
在完全信息的情况下，构建发电厂商的竞价模型，并给出基于博弈论的求解方法，得到了相关结果。
最后，对两种模型下的结果进行比较分析，提出我国应构建有先后顺序竞价的电力市场格局，这样有利于稳定市场电价和资源的合理分配。
论文主要由5部分组成：
第1部分阐述本课题的相关背景及其研究现状；第2部分介绍本论文中所运用的相关理论；第3部分建立基于Cournot模型的发电厂商竞价策略，并进行实例分析；第4部分根据Stackelberg模型建立发电厂商的竞价策略，并进行实例分析；第5部分对比和分析不同模型下的竞价结果，得出相应结论，并进行展望。
2相关理论概述
2.1电力市场概述
2.1.1电力市场的定义
电力市场是电力的买方和卖方相互作用以决定其电量和电价的市场。
具体而言，电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和[18]。
根据以上定义，电力市场可以认为是一种管理机制，但这种管理机制和传统的行政管理机制不同，它是采用经济手段来优化资源配置，而不是行政手段进行管理。
所以电力市场的基本原则是公平竞争，自愿互利。
同时，电力市场还包括了体现这种管理机制的具体执行系统，如交易场所、计算机系统、通信系统、计量系统等。
2.1.2电力市场的基本要素
完整的电力市场需具备六大要素，包括市场客体、市场主体、市场载体、市场价格、市场规则和市场监管[18]。
电力市场的客体是电能。
电力市场的主体是各个级别的电力市场中从事电力交易的电网公司、发电公司、配电公司等和电力消费者。
电力市场的载体是进行电力交易的基础，如各种电力设施和场所。
而电价是反映电力供求关系的信号，它是电力生产者和电力消费者的关心的焦点。
要构建一个完整的电力市场，首先就要确立合理的电价结构、电价形成机制和电机管理机制。
另外，为了保证电力市场的正常运营，必须要有严密的电力市场法律法规和运行规则，来促进竞争，保证电力市场公平、公正、公开。
所以各个级别电力市场都需要设置监管机构，负责监管电力市场中的交易行为，处理违规的行为，并对电力市场中发生的纠纷进行调节或仲裁。
2.1.3电力市场的交易模式
目前世界各国电力市场的交易模式主要是以下三种：
联营体（Pool）模式、“联营体+双边交易”模式和“双边+多边交易”模式[19]。
（1）联营体模式。
该模式有如下特点：
第一，只要求“厂网分开”；第二，只有发电厂商报价，再由电力交易中心接受报价并按最小成本收购电力；第三，因为是日前制定交易计划，所以这种模式属于电力批发交易。
采用这一模式的有智利、阿根廷、美国的PJM电力市场、澳大利亚Victoria电力市场、2001年以前的英国电力市场以及我国六个试点省市的发电侧电力市场。
（2）“联营体+双边交易”模式。
该模式在联营体模式的基础上，准许大、中电力用户和配电商直接和发电厂商进行双边交易（Bilateraltrades）。
由于该模式的特殊性，它不但要求“厂网分开”，还要求“输电分开”，至少输电和配电独立核算。
电网的运营者给双边交易提供“过网”服务并收取一定的过网费。
这种交易模式用户有了选择权，它采用远期合同模式。
该模式可以促进市场竞争，平抑电价。
（3）“双边+多边交易”模式。
这种模式进一步扩大了用户的选择权，其主要原因有三点：
第一，现货市场采用经纪人系统，这是一类多边交易，它同时接受用户和发电厂商的报价，用最小成本实现效用最大化为选择进行购售匹配；第二，这种模式还要求“购售分开”，允许更多的用户，包括一些不具备配电网的电力零售商参与经纪人系统的报价和竞争；第三，多边交易的形式也可以用于电力远期交易，这些交易直接通过多个交易方谈判达成，或者通过经纪人撮合成交，所以该交易模式最为自由。
但该模式有一个较大的缺点，因为发、输、配、售完全解捆，该模式的安全可靠运行需要复杂的协调机制。
2.1.4电力市场中的电价理论
国外电力市场的电价研究起源于20世纪80年代末期对实时电价的研究[20]，从理论上证明了实时电价对合理配置资源的有效性。
电价理论的研究分为两个部分，电能成本分析和电力市场中的电价形成机制。
电价预测的基础是电能成本分析，它对于电力市场的优化电力资源配置、宏观控制有重要的影响。
对于实际电价而言，它的最终确定需要通过市场机制来形成。
从理想市场运行来看，电力市场的出清电价应与电力系统电能的边际成本相对应。
电能成本的研究可分为短期电能成本分析和长期电能成本分析。
电能短期成本分析的核心是随机成本模拟、开停机计划和电力系统优化调度的问题。
我国的燃煤火电机组占总装机的70%以上，启停机不但需要几个小时，而且需要较大的启停费用。
所以在进行电能成本分析时，就务必要考虑启停问题，否则就不能得到运行的优化，也达不到优化资源的目的。
然而考虑这些因素的电能成本分析理论和算法当前还未成熟。
至于电能长期成本分析除了开停机计划优化及运行方式之外，还要考虑电源的输电系统与优化规划的优化规划。
在电力市场条件下，电网规划与电源规划的目标发生了变化。
在可行性研究时必须要考虑投入产出分析，这又必须要考虑电价预测的问题，而且规划标准的可靠性也必须得到电力市场参与者的认可。
这些问题的研究在国内外都处于刚刚起步的阶段。
2.1.5国内外电力市场的发展
2.1.5.1国外电力市场
近百年来，世界各国的电力行业都是传统的垄断性行业[20]。
电力市场化的目标就是要打破垄断，引入竞争，这样肯定会损害垄断行业本身的利益。
在已建立的世界各国的电力市场中，各国的政府或议会才是电力市场改革的推动者，而不是电力行业本身。
世界各国电力行业走向电力市场的第一步几乎都是各国的政府或议会以立法的形式强制电力工业的重组。
实行电力市场化最早的是智利，起步于20世纪70年代末期，其目的是为了消除国有企业的腐败、低效和缺乏资金的状况。
智利在1982年正式颁布新电力法，用法律的形式规定了输电系统向所有发电商及用户开放的原则，从而打破了地区垄断，正式确定了合同电力交易及实时电力交易的方式，把电力企业推向了竞争市场。
英格兰电力市场化改革始于1987年7月撒切尔夫人政府颁布的《电力法》，并在1990年4月撤销了原有垄断经营的中央发电局，把发电、输电、配电、售电的功能分开，确定了按国家电网公司，3个发电公司和12个地区售电公司的运营模式。
澳大利亚政府在1991年决定成立了国家电网局以推动电力行业市场化改革。
随后正式建立了国家电网管理委员会来监管电网运营。
1992年12月该委员会颁布了“国家电网规约”，规定了3万kW以上的发电厂和1万kW以上的用户都可以作为规约的成员单位自由地在国家电网进行交易。
美国电力市场化是从1992年乔治·布什总统批准的《能源法案》开始，以电网开放为标志。
1996年，美国联邦能源管制委员会相继出台法令，要求开放电力批发市场，明确要求发电厂与电网必须分离。
输配电网允许发电商和用户公平进入，引入竞争机制，美国电力工业开始大规模市场重组。
美国电网以私营为主，并形成各自为政的局面，分别是东部电网、西部电网和德克萨斯州电网。
俄罗斯电力体制从1992年起连续进行了四次改革，基本上实现了电力市场化。
2008年俄罗斯电力市场形成了发电侧竞争、输电继续垄断经营的格局。
俄罗斯在全国范围内只设立了单一的国家输电公司，并且产权国有。
俄罗斯国家电网由中央政府定价，而州和市政电网均由地方政府定价。
2.1.5.2中国电力市场
1998年11月，国务院办发了[1998]146号文转发了国家经贸委“关于深化电力工业”体制改革有关问题的意见，并将黑龙江、辽宁、吉林三省与上海、山东、浙江同时列为“网厂分离，竞价上网”的试点单位[21]。
这一举动标志着我国政府积极推进发电侧电力市场。
经过了将近一年的前期准备，1999年底，上海、山东、浙江三个试点单位的“网厂分离，竞价上网”改革方案已陆续上报国家经贸委审批。
2000年1月，三个试点单位将其发电侧电力市场正式投入商业化运作。
2000年4-9月，黑龙江、辽宁、吉林三省的发电侧电力市场也相继投入了试运行。
2002年12月，中国电力新组建的11家公司宣布正式成立，分别为2个电网公司：
国家电网公司，中国南方电网有限责任公司；5个发电集团公司：
中国大唐集团公司、中国华能集团公司、中国国电集团公司、中国华电集团公司和中国电力投资集团公司；4个辅业集团公司：
中国电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建设集团公司和中国葛洲坝集团公司。
目前我国电力市场只开放发电侧，参与市场竞争发电厂商将电能提供给电网公司，用户不能直接与发电厂商签订购电合同，只能通过电网公司来供电。
我国的电力市场主要采用期货交易、现货交易和实时交易的交易形式，大部分电量作为合同电量，剩余的少部分电量采用竞价上网的方式。
2.2博弈论概述
发电厂商参与竞价时，它的收益不仅仅取决于自己的报价，而且还取决于其它发电厂商的报价，这样看来，发电厂商的报价过程是一种竞价博弈过程。
本文运用博弈论的相关理论对发电厂商竞价策略进行分析，下面对本文所涉及的理论及原理进行介绍。
2.2.1博弈论的基本概念
博弈论（GameTheory）是研究决策主体在给定信息结构下如何决策以最大化自己的效用，以及不同决策主体之间决策的均衡[22]。
完整的讲，博弈即一些个人、团队或其他组织，面对一定的环境条件，在一定的规则下，依据所掌握的信息，同时或先后，一次或多次，从各自选择允许选择的行为或策略中进行选择并加以实施，并从中各自取得相应结果或收益的过程。
博弈论起源于上世纪初，1944年冯·诺依曼和摩根斯坦恩合著的《博弈论和经济行为》奠定了博弈论的理论基础[22]。
20世纪50年代以来，纳什，海萨尼，泽尔腾等人使博弈论最终成熟并进入实用。
近20年来，博弈论作为分析和解决合作和冲突的工具，在国际政治、管理学、生态学等领域得到广泛的应用。
2.2.2博弈论的基本要素
博弈论的基本要素包括：
参与者、行动、战略、支付、信息和结果等[22]。
一个博弈所需要的最少的组成要素要有参与者、战略和支付。
“博弈规则”指的是参与者、行动和博弈结果的组合。
参与者（player）：
亦称为局中人，是指博弈中选择行动以最大化自己效用的决策主体（可能是个人，也可能是团体，如国家、企业或组织等）。
行动（action）：
是参与者在博弈的某个时点的决策变量。
行动顺序是跟行动相关的一个重点问题，静态博弈和动态博弈就是根据行动顺序区分的。
策略（strategy）：
是参与者得行动规则，它规定了参与者在每一种轮到自己行动的情形下，应该采取的行动。
它是与博弈的行动顺序相关的行动的有序集。
支付（payoff）：
是指参与者在博弈中的所得。
参与人的支付可以表示为一种特定博弈情形下参与人得到的确定效用水平或期望效用水平。
信息（information）：
是参与者所具有的有关博弈的所有知识，如有关其他参与者行动或战略的知识、有关参与者支付的知识等。
结果（outcome）：
结果是博弈分析者所感兴趣的所有东西，如均衡战略组合、均衡行动组合、均衡支付组合等。
2.2.3博弈论的分类
博弈问题有很多种分类方法，对应的求解方法也不同。
传统上按参与者之间是否有合作将博弈问题分为合作博弈和非合作博弈[23]。
这两类的区别是参与者是否在博弈过程中达成了一个具有约束力的协议。
如果有，则为合作博弈，反之则为非合作博弈。
现在博弈论研究的重点是非合作博弈，它的基本假定是参与者在选择自己策略的时候，首先考虑的是自己的利益。
合作博弈则是强调集体主义，非合作博弈强调的是个人理性。
但是非合作博弈下，个人的最优选择，有时候是有效率的，有时候则不是整体范围内最优的选择，如著名的囚徒问题。
对于非合作博弈问题，根据博弈问题本身的信息结构将其分为完全信息博弈和不完全信息博弈[23]。
所谓完全信息，是指所有的参与者对博弈问题的信息结构有完全的了解，在博弈开始之前所有的参与者对博弈问题本身没有任何不确定性，也就是说，没有事前的不确定性；而不完全信息则意味着在博弈开始之前，至少有一个参与者对博弈问题信息结构的某一方面没有完全了解，存在着事前的不确定性。
同时，根据博弈问题本身所包含的参与者决策时序的差异，又可将博弈问题分为静态博弈和动态博弈[23]。
所谓静态博弈，是指博弈中所有参与者同时选择行动，或者非同时博弈但后动者并不知道先动者采取什么具体行动；动态博弈是指参与者的行动存在先后顺序，且参与者可以获得有关博弈历史的部分或全部信息。
结合上述博弈问题的分类方法，可以将博弈问题分为完全信息静态博弈、完全信息动态博弈、不完全信息静态博弈和不完全信息动态博弈。
2.2.4Nash均衡
在某个策略组合里，每个参与者的策略选择，都是对于对手的最佳策略选择，或者是对于其他博弈参与者的策略选择的组合的最佳策略选择。
具有这种性质的策略组
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