基于博弈論的電力市場大用戶購電策略研究

陳永權 張靜霞 辛存生 李菲

摘要：在我國電力市場改革發展的時代背景下，為了避免傳統電網的壟斷，電力大用戶直接購電將成為新的趨勢。本文將從四種情況分析在大用戶直購電過程中，大用戶與供電商如何運用博弈論工具實現利益最大化;分別是電力大用戶與發電商之間以一對多的形式、一對一的形式進行交易的博弈，和電力大用戶與售電商之間以多對一的形式、多對多的形式進行交易的博弈。

Abstract： In the era of China's power market reform and development， in order to avoid the monopoly of traditional power grids， direct purchase of electricity by large power users will become a new trend. In this paper， we will analyze how to use the game theory tools to maximize the benefits of large users and power suppliers in the process of direct purchase of electricity from four situations， including a one-to-many and one-to-one transaction game between large power user and power producer， and a many-to-one and many-to-many transaction game between large power user and power producers.

關鍵詞：電力市場;大用戶;直購電;博弈論

Key words： electricity market;large users;direct purchase electricity;game theory

中圖分類號：F407.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0125-04

0? 引言

電力市場是指針對電力這一特殊商品的買賣雙方相互作用來確定電價和電量的過程。電力市場需要避免壟斷，引入競爭，通過市場競爭才能提高電力運行中各個環節的效率，從而降低企業成本，降低電價，達到購售雙贏的局面;通過市場競爭中的調節和激勵機制，可以合理資源配置，利于環境保護和資源優化，為電力行業可持續發展提供強勁動力;而電力大用戶直接購電，則是避免傳統電網壟斷的必然趨勢。文獻[1]提出我國電力市場改革的階段性目標模式。文獻[13]在電力庫模式的前提下，提出了一種大用戶和發電商之間進行交易而采用的博弈模型，并采用蒙特卡羅法對其進行求解。文獻[14][15]介紹了當電力市場處于動態寡頭壟斷情況時，各類企業采用競價方式，作者采用博弈論的觀點對這些廠商的策略進行了優化比較。

①大用戶直購電的定義。我們通常將電壓等級和年平均用電量作為界定直購電“大用戶”的標準。從電力市場參與者關系來看，大用戶直購電分為零售轉供和零售加批發轉供的情況。

②大用戶直購電的目的。傳統電力行業的壟斷極大阻礙了電力市場化的發展，直購電工作是電力市場化改革的必經之路，通過引入競爭打破電網壟斷格局，加速電網輸配分離，促進輸配電價機制的形成，對電力市場的開放具有重要意義。

③大用戶直購電的國內外發展現狀。

1）英國電力市場大用戶直接購電。英國于1987年開始電力工業的體制改革，減小對大用戶準入市場條件和選擇供電商的限制，并使得大用戶擁有自主選擇供電方的權力，同時規定持有許可證的電力企業也可向運營中心購電，成為大用戶的供電方。在電力市場貿易中，大用戶可以選擇向電力聯合運營中心購電，運營中心將從發電廠商購買的電轉賣給大用戶;購售雙方也可以直接簽訂合同，買賣不經過電力聯合運營中心，發電商直接同大用戶、地方電力公司或者持許可證的電力企業簽訂合同，用戶也可以自由購電，電力市場的競爭活躍。同時市場規定高壓輸電網國有化，保證電網運行安全和市場成員平等使用電網的權利。

2）美國電力市場大用戶直接購電。從上世紀50年代開始直到70年代，經歷幾十年的發展，美國成立了電力合作組織。為了活躍市場競爭和改變傳統電力公司壟斷經營發電的格局，美國在1978年頒發了公用企業管制法，其中規定除電力公司外的非電力公司可以直接賣電給用戶，使得非電力公司的發電量猛增，市場環境成為了良性的競爭局面。同時，輸電網的限制也逐漸放開，電力公司之間的交易、電力大用戶與電力公司或發電廠商之間的交易，均可通過多個輸電網直接進行，輸電網可從雙方收取一定的過網費用。隨著輸電網的強化發展和過網傳輸的需求增長，電力市場競爭的規模不斷加大。

3）日本電力市場大用戶直接購電。日本在“電力事業法”修正案中調整了用戶自由購電的最大用電功率和電壓等級標準，規定電壓等級20kV或最大用電功率2000kW以上的用戶可自由購電。使得日本大用戶的年用電量占到了總售電量的30%，其數量增加到了8300多家。電力零售業務逐漸在各個電力企業中興起，原有的電力公司將業務重心放在對大客戶的服務上，實施互利互惠的電價政策，提高企業內部經營管理的效率，關停效率低下的機組，減少停機檢修時間，縮小建設規模等，盡可能留住大客戶。

4）我國電力市場大用戶直接購電。我國的電力行業正處于一個飛速發展的階段，但也依然沒有擺脫電力供應緊張的狀況。根據國家發改委的預計，在未來的一段時間里，這種狀況的程度將會進一步的加深，一些地區拉閘限電的情況仍然會存在。除開這部分電力資源匱乏的地區之外，國家在其他電力資源較為豐富的地區嘗試開展大用戶直供電，如吉林省電力公司在2015年與省內兩家企業直接簽訂購電合同，標志我國的電力市場化建設取得了新的突破。

從上述描述以及眾多報告中顯示，世界范圍內多個國家已經對電力工業進行了市場化改革，由于大用戶在電力市場中的地位重要，絕大部分國家都開展了電力大用戶直接購電的市場模式，大用戶自由選擇發電商購電的模式利于建立公平競爭市場環境，完善電力市場機制。在進行電力交易前，購售電雙方會針對交易價格不斷地討價還價，經歷一系列的談判過程，我們可以將其看成一種非完全信息博弈。買賣雙方可不斷修改自己的報價，直到達到博弈的均衡點，得到雙方都能接受的交易價格，這就涉及到發電和輸配電的成本、大用戶的電費成本等一系列相關科目，文獻[2]介紹了一種適合在大用戶和發電商之間進行直供電交易時使用的電價模型，文獻[3]基于博弈論的觀點對大用戶直購電模式下購售雙方的利益分配問題進行了探討。本文將從四種情況分析在大用戶直購電過程中，大用戶與供電商如何運用博弈論工具實現利益最大化;分別是電力大用戶與發電商之間以一對多的形式、一對一的形式進行交易的博弈，及電力大用戶與售電商之間以多對一的形式、多對多的形式進行交易的博弈。

1? 單一電力大用戶與多個發電商交易的利益博弈

電力大用戶與多個發電商之間采用競價拍賣的方式進行交易。大用戶公布需要購買的電量、用電時段、電價上下限等指標，發電商根據自身條件向用戶報價投標。當處在非完全信息的環境時，電力市場中的報價一般是不透明的。如果采用單一對策模型，局中所有人的地位及目標的關系難以度量，因此為了解決這個問題，本文采用二層對策模型來描述和處理。該二層系統中對交易算法進行優化，上下層模型分別是大用戶購電費用最少和發電商之間的期望收益最大。

1.1 電力大用戶的博弈策略

購電用戶可以采用排隊法[4]、等報價法[5]、網絡流規劃法[6]和線性規劃法[7]等招標方法使得自己的購電成本最少。我們主要使用排隊招標法，各個機組按照報價由低到高排序優先，結合約束條件，計算出各種可能的情況;目標函數為計算結果中的最低費用。模型如下所示。

在此模型中我們用符號i、j、k分別表示投標商、輸電線路和節點標號，用I、J、K分別表示投標商、輸電線路和節點的總數;上式中Ci、Pi分別表示第i個投標商的報價和供電量，Pk表示系統輸出有功，PD表示大用戶的需求電量，PL表示系統總的有功負荷，Pmax，j表示第j條輸電線上的最大值;Uk表示節點電壓幅值， Uk，min、Uk，max表示幅值上下限;Cmin，Cmax表示購電電價上下限制。計算步驟如下：

1）首先按照各機組報價由低到高排隊優先，報價相同的機組按照電量多的優先;

2）然后按照優先次序考慮機組，對供電量依次進行累加，直到滿足要求;

3）校核約束條件;當不滿足約束條件時返回第二步;

4）最后得到結果，步驟完成。

1.2 發電商間的博弈策略

參與投標的發電商需要使得自身的中標成功率和賣電的收益最大，發電商之間并不清楚彼此的售價，處于靜態博弈中。文獻[8]對獲勝報價法、一般對手法等方法進行了研究，這些方法可以確定最優的報價策略;在此處我們使用平均對手法來分析各方的最優報價策略，方法步驟如下所示：

2? 單一電力大用戶與單一發電商交易的利益博弈

這種博弈處在非完全信息的環境下，通常采用雙向拍賣和序貫談判的方式進行，購售雙方的決定更加的直接迅速。文獻[9]介紹了一種基于模糊概率情景下的決策模型;文獻[10]基于序貫談判問題，優化了一些模型做為決策的參考;文獻[11]對雙向拍賣試驗進行了討論研究;本節選擇運用序貫談判的相關知識研究單一電力大用戶與單一發電商在非完全信息下的動態博弈。

首先進入第一輪談判，大用戶報價為pb1，售電商報價為ps1，經過不斷重復進行的談判與協商，當出現vb

3? 多個電力大用戶與單一售電商交易的利益博弈

此處的交易采用競價拍賣的方式進行。發電商向大用戶公布提供的電量、供電時段、售電電價的上下限等信息，大用戶根據自身情況投標。大用戶采取密封報價的方式，因此，與第一種情況相同，此處采用二層對策模型來解決此類系統中的博弈決策問題。

3.1 售電商的博弈策略

發電商需要使得售電收益最大，因而此處仍然采用排隊招標的方法，各大用戶按照由高到低的次序排隊優先，結合約束條件，計算可能出現的售電收益，目標函數為收益最優。模型如下所示。

模型中我們用i、j、k分別表示投標商、輸電線路和節點標號，用I、J、K分別表示投標商、輸電線路和節點的總數;Pi表示投標商i的供電量，Pk表示系統輸出有功，PF表示發電商總的供電電量，PL表示統總有功負荷，Pmax，j表示第j條輸電線路的輸電極限，Uk表示節點電壓幅值，Uk，min、Uk，max節點電壓幅值的上下限，？姿min、？姿max表示售電電價上下限。計算步驟如下：

1）首先按照各大用戶報價由高到低的次序排隊優先，報價相同的大用戶按照投標電量多的優先;

2）然后按照優先次序依次考慮用戶的供電量，并進行累加，直到滿足發電商的要求;

3）校核約束條件;如果不滿足將返回第二步;

4）得出結果。

3.2 電力大用戶間的博弈策略

此處的大用戶需要考慮競標期望和購電收益最大，當處于非完全信息的市場環境時，大用戶自身也處于非完全信息的靜態博弈中，大用戶之間不清楚彼此的報價。因此大用戶一般會將怎樣在擬定的范圍內可以同時爭取最大利潤和達到期望競標作為首要研究問題。在本節，依舊采用平均對手法來分析各方的最優報價策略。計算步驟如下：

4? 多個電力大用戶與多個售電商交易的利益博弈

在這種情況下，可把M個大用戶和N個售電商之間的直購電交易當作M+N個參與者參與的非合作對策問題，同時，多個發電商之間或多個大用戶之間可以看成是合作博弈的利益分配問題。

5? 結論與展望

隨著電力市場逐漸開放需求側的權限，用戶成為影響價格的角色存在，不再因為市場價格而顯得被動。因此，大用戶在直購電時與售電商的交易模式成為被關注的對象，本文將大用戶與售電商的交易分為四種情況進行分析，運用二層對策模型、序貫談判法和混合戰略相關知識分別對單一大用戶與大一售電商直購電交易、單一大用戶與多個售電商直購電交易、多個大用戶與單一售電商直購電交易、多個大戶和多個售電商直購電交易的情況進行相應分析，并最終給出兩者在博弈過程中可以使自身獲得最大利益的模型判斷工具，從而使二者在交易過程中可以運用相應工具促使自己達成最大利益期望。

由于筆者在理論水平與實踐經驗相當不足，所以還存在很多缺陷，將來可能的研究有：

①分析研究購售雙方的報價空間;

②在電力市場中大用戶與售電商在直購電交易過程中，監管機制如何有效地實施監控手段，確保安全公平的有效競爭;

③在博弈論工具的運用上，工具較為單一，在其他方法的構想上還應該多進行研究，以期找到最佳選擇工具達到最優結果。

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