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深度丨“电力市场设计学”的基本概念及方法论(3)

北极星售电网  来源:电力大数据论坛  作者:陈皓勇 陈玮等  2018/7/11 16:17:56  我要投稿  

5基于拍卖理论、博弈论的电力市场交易机制设计

如前所述,经典微观经济学的供需均衡理论不能生搬硬套于不完全竞争/不完全信息市场的竞价机制设计,电力市场交易机制设计需要基于更先进的拍卖理论、博弈论与设计经济学等。

电力市场中,电能产品实际上都是通过各种拍卖机制完成的。1961年,诺贝尔经济学奖获得者美国哥伦比亚大学WilliamVickrey教授提出拍卖理论,在详细分析了上升出价拍卖(ascending-bidauction,或称为英国式拍卖)、下降出价拍卖(descending-bidauction,或称为荷兰式拍卖)、第一价格暗标拍卖(first-pricesealed-bid auction)、第二价格暗标拍卖(second-pricesealed-bid auction,或称Vickrey拍卖)后,他发现无论采用什么拍卖制度,中标者的最优的出价策略是使竞争力第二的投标者刚好出局,并提出了著名的收益等价定理(RevenueEquivalence Theorem)。通过半个多世纪的研究,拍卖理论已发展成为一套系统的微观经济理论,用来分析和解释拍卖机制的内在机理,也为实际操作提供了许多有用的建议。有关拍卖机制与行为的研究,广泛涉及到博弈论、信息经济学及机制设计理论等众多当代经济学前沿领域[4,5]

对于四种基本拍卖类型,各国学者已进行了深入的研究。但现实经济生活中的拍卖过程是非常复杂的。相对于单个商品的拍卖问题,有多个商品的拍卖问题(multi-unitauctions);相对于单一拍卖者的问题,有多个拍卖者的拍卖问题,这样多个买方和多个卖方的竞标问题称为双侧拍卖(doubleauctions)。当前国内电力市场常见的中长期电量集中竞价实际上属于多个买卖方的多个商品双侧暗标同时拍卖。从拍卖的出清方式来讲,主要有统一边际价格出清方式(MarginalClearing Price,MCP)、按报价支付的方式(Pay-as-Bid,PAB)及其他各种变形的方式。

受广东电力市场2016年月度电量集中竞价所采用的独特的价格电费返还出清机制启发,本文提出一种适合电力中长期集中竞价的“双侧等效PAB出清机制”,如图5所示。供应方结算价格为申报价格乘以供应方结算系数α,总供给曲线即向上等比例延伸一段,需求方结算价格为申报价格乘以需求方结算系数β,即总需求曲线向下等比例收缩一段,而此等比变换所产生的社会福利(代表总电量需求的红色直线左侧褐色实线和虚线所夹面积与蓝色实线和虚线所夹面积之和)正好等于供需申报价格所产生的社会福利(红色直线左侧褐色实线和蓝色实线所夹面积)。在此机制下,供应方和需求方只有尽可能靠近红色直线处的边际价格报价并且保证成交,才能使收益最大,但此时不成交的风险也最大,风险与收益成正比。在此竞价机制下,α和β的选取是一个关键问题,决定了社会福利在供需两方的分配。由于供需主体的报价策略与PAB出清机制相似(即按预测的边际价格报价),故称之为“等效PAB出清机制”。

图5适合中长期集中竞价的双侧等效PAB出清机制

从方法论上讲,由于电力市场设计类似于工程师思路,应基于现代设计经济学(DesignEconomics)[6]。设计经济学被称为经济领域的工程学,是一门仍在形成中的学科,除了拍卖理论和博弈论外,还将实验经济学(ExperimentalEconomics)和计算经济学(ComputationalEconomics)(经济系统的计算机仿真)方法引入市场设计。美国联邦通讯委员会(FCC)采用几位经济学家设计的拍卖机制,分配无线频谱的使用权,为美国财政部带来二百多亿美元的收入,因此拍卖机制很快就被推广到其他领域。这是设计经济学成功应用的突出案例。

6基于计算经济学和实验经济学的电力市场仿真

在制订和修改交易规则时,对于规则执行可能产生的效果,不应仅仅停留在定性分析,而应该进行定量计算。最基本的要求是基于本地市场的实际数据做好测算分析,判断交易规则实施后可能出现的市场形势、电价水平及可能出现的问题。如前所述,严格的理论分析应建立在市场机制的拍卖理论和博弈论模型的基础上,但由于电力市场的复杂性,所建立的数学模型往往难以求解和分析,另外一种有效途径是基于实验经济学和计算经济学的仿真实验。

Ÿ基于代理的计算经济学仿真

基于代理的计算经济学(Agentbased Computational Economics,ACE)是用计算机模拟的方法来进行经济研究的新技术。其途径是通过大量具有独立智能并相互影响的Agents(代理)组成的软件平台来模拟真实的经济系统。代理(Agent)指模拟计算中采用的一个实体(具有一定智能决策能力的软件模块),它由一系列数据和方法构成,具有自主性、社会性、反应性、主动性等特性。待研究市场的每个市场主体都用模型中的一个代理来代表。作为一种特殊的电力市场ACE方法,由作者最早开展研究的协同进化算法(Co-evolutionaryAlgorithm)由于有进化博弈论(EvolutionaryGame Theory)的理论基础,并已找到生物学证据,是电力市场仿真和稳定性研究的好工具[7-9]。当前人工智能技术出现了飞跃式发展,在诸如围棋等多个领域已经战胜人类,若能引入电力市场仿真,必能为电力市场的设计、分析与评估提供崭新的手段。

Ÿ实验经济学仿真

近年来实验经济学在电力市场的研究中逐渐得到应用。实验经济学借鉴自然科学实验的方法,试图在实验室通过可控的实验来证明经济学的理论假说或检验经济政策的实施效果,其代表人物VernonL. Smith教授在2002年获得了诺贝尔经济学奖。

在电力市场的实验经济学研究中,用人(如学过电力市场课程的学生,称为被试者)来代表实际市场中的买方、卖方进行交易决策,并根据各自的表现给予一定的奖励。现在的电力市场经济学实验大多在计算机网络平台上进行。实验的方法与博弈论是相伴而生的,对于设计和分析电力市场模式及交易规则、解释电价形成机制等方面有重要作用[10-12]

价值诱导理论(InducedValue Theory)是实验经济学的核心理论。在经济实验中,为达到对被试者行为的控制,实验者可采用适当报酬媒介(rewardmedium),如现金,诱导被试者产生所希望的经济行为特征,而减弱被试者的先天特征(innateacteristics)和个性因素的影响。价值诱导的充分条件可归纳为三点:单调性(Monotonicity)、突显性(Salience)、优超性(Dominance)[10-12]

7电力市场交易的实地研究

任何市场设计方案最终都要经受实践的检验。实地研究(fieldresearch,也称为“田野调查”)是深入到研究对象实地,以观察、访谈的方法搜集实际数据,并通过对实际情况的分析研究来解释社会现象的一种研究方式,是市场研究的最后一个环节。图6为作者搜集的广东电力市场2017年2月~7月电量集中竞价出清结果(采用统一边际价格出清方式),图中的曲线为参与交易的供应方和需求方的总体报价曲线。可以看出,需求方和供应方的报价策略均有一定的规律性。从需求方(大用户和售电公司)策略来看,绝大部分电量(97%以上)都采取了0报价(天花板报价),只有少部分电量报价下探以博弈边际价格,形成俗称的“钓鱼曲线”,但在统一边际价格出清方式下,这少部分电量报价却影响整个市场价格。从供应方(发电厂)策略来看,从2月到7月电量竞价,越来越多的供应方报地板价,形成俗称的“跳高曲线”。按目前的广东电力市场交易规则,在月度电量竞价中,需求方报价越高越优先成交,最高限价为0厘/千瓦时(价差),供应方报价越低越优先成交,最低限价为-450厘/千瓦时(价差)。无论是供应方还是需求方,保电量(保成交)都是第一考虑,而在统一边际价格出清方式下,除边际的供需方外,大部分供应方和需求方的报价与市场出清价没有任何关系,报地板价或天花板价搭便车就成为普遍现象。需要特别说明的是,这些出清顺序及市场主体的策略性行为在经典供需均衡理论中是完全没有考虑的。或者说图5、图‍6中的实际报价曲线与微观经济学中的理论供需曲线[1]“形似而神不似”,其实质是完全不同的,经典经济学理论不能生搬硬套,这也说明实地研究的重要意义。

8结论

当前电力体制改革已进入深水区,电力市场设计和规则制订已成为电力市场改革主导部门所面临的关键问题。但是,“市场设计”的观念尚未建立起来,有关部门也还未掌握电力市场设计的科学方法论,照搬国外市场模式的倾向仍然十分明显。作者认为,电力体制改革的基本原则应该是,在9号文所确定的基本方针指引下,坚持实事求是、问题导向,灵活运用市场经济基本原则解决我国电力工业中现有体制所未能解决的问题,还原电力商品属性;而电力市场交易体系设计的中心问题是以符合国情的市场化交易手段实现电力电量平衡。电力市场设计是一项高度专业化的任务,涉及电力系统工程、运筹学、微观经济学、博弈论、拍卖理论、金融学、计算经济学、实验经济学等多学科的知识。本文提出“电力市场设计学”的概念,以中国特色社会主义政治经济学作为总体指导思想,树立系统观并掌握系统工程方法,具体设计过程则包括基于经典微观经济学和金融学的电力市场体系初步设计、基于拍卖理论和博弈论的电力市场交易机制设计、基于计算经济学和实验经济学的电力市场仿真和电力市场交易的实地研究等步骤。电力市场设计学的基本方法已应用于南方区域电力市场体系和交易品种的设计等工作,但目前还仅仅属于起步阶段,其所包含的深刻丰富的内容还有待进一步深入研究和应用。

参考文献:

[1] 曼昆(美)著,梁小民、梁砾译. 经济学原理(第7版). 北京: 北京大学出版社, 2015.

[2] SMITH V. L. Microeconomics Systems as anExperimental Science [J]. The American Economic Review, 1982, 72(5): 923-955.

[3] 王锡凡著. 电力系统优化规划. 北京: 水利电力出版社, 1990.

[4] 陈皓勇,王秀丽,王锡凡等. 拍卖理论及其在电力市场竞标设计中的应用(一)拍卖理论基础及实验研究. 电力系统自动化,2003, 27(3): 17-22.

[5] 陈皓勇,王秀丽,王锡凡等. 拍卖理论及其在电力市场竞价设计中的应用(二)拍卖理论在电力市场竞价设计中的应用. 电力系统自动化,2003, 27(4): 17-23.

[6] ROTH A. E. The Economist as Engineer: GameTheory, Experimentation, and Computation as Tools for Design Economics [J].Econometrica, 2002, 70(4): 1341-1378.

[7] 陈皓勇,王锡凡,别朝红等. 协同进化算法及其在电力系统中的应用前景. 电力系统自动化,2003, 27(23): 94-100.

[8] CHEN H., WONG K. P., NGUYEN D. H. M., CHUNGC. Y. Analyzing Oligopolistic Electricity Market Using CoevolutionaryComputation [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2006, 21(1): 143~152.

[9] CHEN H., WONG K. P., CHUNG C. Y., NGUYEN D.H. M. A Coevolutionary Approach to Analyzing Supply Function Equilibrium Model[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2006, 21(3): 1019~1028.

[10] 陈皓勇,付超,刘阳等. 寡头垄断电力市场实验设计与博弈分析[J]. 电力系统自动化,2006, 30(19): 1-6.

[11] 陈皓勇,付超. 统一价格和PAB竞价的实验分析 [J]. 电力系统自动化,2007, 31(4): 12-17.

[12] CHEN H., WANG X. Strategic Behavior andEquilibrium in Experimental Oligopolistic Electricity Markets [J]. IEEETransactions on Power Systems, 2007, 22(4): 1707~1716.

该文发表在2018年6月《电力大数据》第21卷第6期。

原标题:[陈皓勇教授精彩论文推荐] “电力市场设计学”的基本概念及方法论

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