市场环境下的售电商合作博弈研究(上)

[《中国电力》2017年第4期], 华北电力大学经济与管理学院 谭忠富 王冠 喻小宝 国网河南省电力公司经济技术研究院 李鹏 李秋燕 王利利 发布于 2017/10/9


随着售电业务的放开,售电市场逐步成型,社会资本的进入也导致售电公司越来越多。对电力市场形成初期售电商之间的市场合作行为进行了研究,引入博弈理论,构建了不同情景下的售电商市场行为的博弈模型,探讨了售电商之间合作的可行性。仿真分析表明:符合合作条件的售电商之间通过合作可以提高各自的利润;电量预测偏差越大的售电商对交易单位成本的敏感性越大。

摘要:随着售电业务的放开,售电市场逐步成型,社会资本的进入也导致售电公司越来越多。对电力市场形成初期售电商之间的市场合作行为进行了研究,引入博弈理论,构建了不同情景下的售电商市场行为的博弈模型,探讨了售电商之间合作的可行性。仿真分析表明:符合合作条件的售电商之间通过合作可以提高各自的利润;电量预测偏差越大的售电商对交易单位成本的敏感性越大。

关键词:电力市场,博弈分析,电力改革,敏感性分析

基金项目:国家自然科学基金资助项目(71573084);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016XS82)

0  引言

近年来,随着电力体制改革的不断深化,售电侧的改革势在必行。20153月中共中央国务院出台了《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发〔20159)(以下简称“九号文”)[1],对电力行业的体制改革提出了相关意见。“九号文”对电力体制改革的建议简单可以归纳为“管住中间,放开两头”,即对电网企业进行监管,实现发电侧市场化和售电侧市场化竞争。

截至20173月初,全国注册成立的售电公司已经约有6 400家,首批105个增量配电项目开展改革试点,有效激活了市场活力。市场化交易规模明显扩大,2016年全国市场化交易电量突破1万亿kW·h,约占全社会用电量的19%。随着电力交易规模的增大,未来电力市场自由度也会逐步增大,从而为市场主体提供更多交易选择;同时由于电力不方便储存,电价容易受到多种因素影响,为避免造成市场混乱,期货交易方式将成为未来电力市场交易的重要方式。

然而,随着改革的深化,电力体制改革面临着一些新情况、新问题。其中,“九号文”中提到“售电主体可以采取多种方式通过电力市场购电,包括向发电企业购电、通过集中竞价购电、向其他售电商购电等”,明确了售电商之间可以进行购售电。目前,各省电力市场还未对售电商之间购售电交易有具体规定措施,但这种文件规定为售电商之间的合作提供了可能性,如何设置考核因子来促进售电商之间合作,从而提高电能使用效率,值得深思。

对于电力行业垄断市场行为的研究大多集中在发电侧,而对于售电侧垄断行为的研究偏少,这与电力体制的特殊性有关。文献[2]基于地理位置和电网运输成本约束条件提出了一个基于多主体的发电商动态演化博弈仿真模型,通过仿真模型,分析了发电商在各交易市场中的市场行为。文献[3]在考虑网损的前提下对发电商垄断行为及其规制竞价机制展开了研究,并得出发电商之间的共谋难度加大,也就是发电商实施市场力的行为得到抑制的结论。文献[4]着重研究了基于古诺和供应函数博弈的网络模型的应用,以及发电商供应函数博弈模型的均衡解。文献[5]对统一出清价机制进行了分析,提出在MCP机制下,由于每个发电商的成交价格和发电量是公开信息,这些信息都会导致发电商产生共谋行为。

本文对售电侧放开的售电商市场行为进行建模,探索售电商合作博弈的几种情形,并根据仿真分析结果提出促进售电商合作的政策建议,以期有助于提高售电市场的完全竞争程度,促进售电市场的健康发展,推进电力体制改革的有序进行。

1  售电商交易模型

1.1  假设前提

为了便于对售电商行为进行分析讨论,需要对售电市场提出相关假设前提。

(1)售电公司可以采取多种方式通过电力市场购电,包括向发电企业购电、通过集中竞价购电、向其他售电公司购电等,并将所购电量向用户或其他售电公司销售。

(2)将市场划分为若干个区域,同一配电区域内可以有多个售电公司,同一售电公司可在省内多个配电区域内售电,配电区域内的售电公司可以不受配电区域限制购电。

(3)若售电商次日电力需求预测大于次日实际协商交易电量,其差额部分可从日前市场购买或者与其他售电商进行交易[6-7]

(4)考虑售电商对电力需求的预测偏差,按照一定的考核标准和方法对偏差电量进行处理。

(5)以售电商购电成本中的输电成本差异来反映区域购电成本差异,而由于相同区域交易和跨区域交易都涉及本地输电成本,为简化分析,定义本地输电成本为零。

1.2  模型构建

假定存在n个区域市场,一共存在M个售电商和N个发电商,根据电改文件中规定的交易规则,这里主要考虑合同电量(这里的合同电量定义为年度协商电量、月度协商电量以及月度集中竞争电量)和日前交易市场电量,首先是年度交易合同和月度交易合同的签订,定义发电商i对售电商j的合同电量为qij。由此可以推导出每个售电商的合同电量中某日总电量为

由于不考虑发电类型的差异性,则每个发电商的发电成本均定义为di,发电商i与售电商j之间的输电成本定义为sij,当i=j时,定义sij=0。由此可得售电商的合同电量成本函数为

售电商与发电商签订完交易合同后,在日前市场中还可以进行日前交易,根据前一日的销售量对电量合同进行修订,对于偏差部分需要缴纳补偿费用。具体补偿方案为:如果某日合同电量大于日前交易电量,则按照偏差电量补偿机组容量费;如果某日合同电量小于日前交易电量,则补偿额外电量的发电成本。这些补偿机制的实施需要在辅助服务市场中进行。因此,补偿费用或者发电成本高于合同交易市场的发电成本。

假定售电商j的日前电量预测为Gj,则电量偏差为Δ=Gj-Qj,根据补偿方案的不同可以推导出2种情形下的售电商利润函数。其中,售电商所在市场的需求函数为

pj=lj-kjGj    (3)

式中:pj为售电商所在市场的售电价格;lj为规定的最高电价;kj为电价对电量的影响系数。

(1)当Δ>0时,售电商j的利润函数记为

πj=pjGj-cjQi-e(Gj-Qj)    (4)

式中:e为额外发电的单位成本。

(2)当Δ<0时,售电商j的利润函数记为

πj=pjGj-cjGj-f(Gj-Qj)    (5)

式中:f为补偿机组容量费的单位成本。

如果售电商之间可以根据合同电量与日前交易的电量偏差进行直接交易,假定存在2个售电商的电量偏差刚好分别符合以上2种情形,则彼此之间可能会出现合作的情况。不妨假定售电商j的电量偏差为QjGj,售电商k的电量偏差为QkGk,易知主要分为3种情景。

(1)Qj+Qk=Gj+Gk时,售电商j与售电商k通过合作,互相交换偏差电量合同,没有电量剩余,也不需要额外补偿电量,由此可得双方的利润函数为

πj1=pjGj-cjQj-(hjk+sjk)(Gj-Qj)    (6)

πk1=pkGk-ckQk+hjk(Qk-Gk)    (7)

式中:hjk为交换偏差电量的单位成本;sjk2个区域间的电量输送成本。

(2)Qj+QkGj+Gk时,说明通过交换偏差电量后还有剩余,此时剩余电量部分按照原定规则进行补偿,由此可得双方的利润函数为

πj2=pjGj-cjQj-(hjk+sjk)(Gj-Qj)    (8)

πk2=pkGk-ckQk+hjk(Qk-Gk)-f(Qj+Qk-Gj-Gk)    (9)

(3)Qj+QkGj+Gk时,说明通过交换偏差电量后仍有不足,此时售电商j需要承担额外发电成本,由此得到双方的利润函数为

πj3=pjGj-cjQj-(hjk+sjk)(Gj-Qj)-e(Gj+Gk-Qj-Qk)    (10)

πk3=pkGk-ckQk+hjk(Qk-Gk)    (11)

2  售电商交易合作行为博弈分析

售电侧放开的目的在于建设一个完全竞争的电力市场,允许各交易主体间进行交易,但不可避免地会遇到合作博弈问题,如果售电商之间的合作能够降低成本,提高利润,从而出现多个售电商合作的现象。因此,为了分析这种市场合作行为的出现,需要对其形成原因进行分析。

根据纳什的博弈理论[8-10],售电商是否选择合作主要取决于2种方式中哪种利润更高,或者说成本更低。由此,构建如下博弈模型。

(1)Qj+Qk=Gj+Gk时,售电商j与售电商k合作与不合作的利润差值函数分别为

Δπj1=(e-hjk-sjk)(Gj-Qj)    (12)

Δπk1=(hjk+f-ck)(Qk-Gk)    (13)

根据假设条件可知,Gj-Qj0Qk-Gk0,当且仅当同时满足Δπj10,Δπk10时,售电商j与售电商k才会选择合作,只要2种约束条件同时满足就可以提高售电市场出现合作交易的情形[11-12]

①当ehjk+sjk时,Δπj10,售电商j不合作的利润大于合作后的利润。因此,会选择不合作。由于辅助服务市场的额外发电成本e必然大于合同电量的发电成本di,所以降低额外发电成本受到限制,故而提高售电商之间交易的单位成本hj,k会导致售电商之间的合作受到限制。

②当hjk+fck时,Δπk10,售电商k不合作的利润大于合作后的利润,会选择不合作。由于合同电量的单位成本ck是较为稳定的,降低补偿机组的容量费成本f也不符合辅助服务市场的市场规律,只有通过降低交易的单位成本hjk,这样与实际不符。因此,综合看来,在第1种情形下,降低售电商之间交易的单位成本hjk,可以促进售电市场交易合作的出现;反之只要提高hjk就可以避免寡头垄断的出现。

(2)Qj+QkGj+Gk时,售电商j与售电商k合作与不合作的利润差值函数分别为

Δπj2=(e-hjk-sjk)(Gi-Qj)    (14)

Δπk2=(ck-f-hjk)(Qk-Gk)+f(Qk-Gk+Qj-Gj)    (15)

根据假设条件可知,为了促进售电商之间出现合作交易,需要满足Δπj20或Δπk20

①与第1种情景相同,售电商j购买了售电商k多余电量中的一部分后就已经达到平衡,故而建议降低售电商之间交易的单位成本hjk,就可以促使售电商j选择合作。

②这种情景下售电商k的利润变动大于零的可能性更多,因为这里的利润变动函数较第1种情景的利润变动函数增加了f(Qk-Gk+Qj-Gj)0,若是避免Δπk20,只可以通过降低售电商之间交易的单位成本hjk。因此,综合看来,在第2种情景下,也可以采用与第1种情景相同的政策措施来促进售电商合作。

(3)Qj+QkGj+Gk时,售电商j与售电商k合作与不合作的利润差值函数分别为

Δπj3=(hjk+sjk)(Gj-Qj)+e(Gk-Qk)    (16)

Δπk3=(hjk+f-ck)(Qk-Gk)    (17)

①这种情景下,售电商j的利润变动函数Δπj3主要由2个部分构成,易知前半部分恒大于零,后半部分恒小于零,为了避免Δπj30,应当提高额外发电的单位成本e

②这种情景与情景1类似,售电商k的利润变动大于零的可能性更多,具体原因同情景1。因此,综合分析可知,可以通过提高额外发电的单位成本e来促进电力市场售电商合作交易。

综合3种情景的分析结果,得到以下2点结论。

(1)通过降低售电商之间交易的单位成本hjk,可以针对情景1和情景2有效促进售电商合作交易的产生。

(2)通过降低额外发电的单位成本e,可以针对情景3有效促进售电商合作交易的产生。

3  仿真分析

3.1  参数设置

选取3个区域售电市场,分别定义为市场A、市场B、市场C,为便于计算,每个售电市场含有一个售电商和一个发电商,售电商与发电商之间的电力输送成本规定如表1所示。

1  各区域间电量输送单位成本    /(MW·h)

Table 1  Unit cost of electricity transfer between regions

发电商

售电商A

售电商B

售电商C

A

0

50

40

B

50

0

30

C

40

30

0

各售电商与发电商之间签订的合同电量中某日的电量情况如表2所示。

2  合同电量中某日电量交易情况    MW·h

Table 2  Trading volume of a day in the annual transaction contract

发电商

售电商A

售电商B

售电商C

A

800

200

400

B

100

600

200

C

200

200

700

假定各区域市场的需求函数相同,均可表示为

pj=800-0.2Gj    (18)

实际某日的电量需求与供给情况以及实际电价情况如表3所示。

3  某日电量实际交易情况

Table 3  The actual trading volume of a day

售电商

A

B

C

年合同当日电量/(MW·h)

1100

1000

1300

实际当日电量/(MW·h)

1000

1200

1000

单位电价/(元·(MW·h)-1)

600

560

600

3.2  基本情景

在基本情景中,不妨假定各参数取值情况如表4所示,分析在基本情景下,各售电商之间的市场行为。

4  基本情景下各参数取值    /(MW·h)

Table 4  The value of each parameter under basic scenarios

参数

d

e

f

h

取值

300

400

100

100

由此可以得到各售电商的利润情况以及售电商之间选择合作或者不合作的利润变动情况。

(1)不合作情况。如果各售电商之间不存在合作,则各售电商的成本、收入、利润情况如表5所示。

5  不合作情况下各售电商收益分布   

Table 5  The profit distribution of electricity suppliers under non-cooperative condition

售电商

A

B

C

成本

321818.18

396000.00

346923.10

收入

600000.00

672000.00

600000.00

利润

278181.82

276000.00

253076.90

从表5可以看出,在售电量相当的情况下,售电商C的成本明显偏高,导致其利润明显偏低,这与售电商C的预测准确度有关,只有售电商C的电量预测偏差最大,导致其不得不承担更多的考核成本,从而导致这种情况的发生。售电商A的成本小于售电商B的成本,这是由于根据参数取值情况,额外发电的单位成本大于补偿机组容量费的单位成本,从而导致这种情况的出现。

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