一种基于条件风险价值的多寡头售电市场特性评估方法与流程

本发明涉及售电市场技术领域，特别是涉及基于条件风险价值的多寡头售电市场特性评估方法。

背景技术：

售电市场的主体主要包括售电公司与电力用户两大类，每个市场主体的行为导向原则上均是最大化己方的利益，它们之间不仅利益攸关甚至相冲突，彼此之间实为博弈关系。现有相关专利侧重于分析售电市场参与者单个售电公司的利益最大化即为单个售电公司提供决策支持，欠缺将售电市场视为一个复杂自适应系统探讨市场参与方相互之间博弈关系的方法。

因此希望有一种基于条件风险价值的多寡头售电市场特性评估方法解决现有技术中的问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于条件风险价值的多寡头售电市场特性评估方法，所述评估方法包括以下步骤：

步骤一：建立多寡头售电市场模型架构；

步骤二：建立售电公司的风险模型和收益模型以及整合后的购售电收益风险优化综合模型，对售电公司的风险来源进行分析，建立基于条件风险价值的售电市场风险模型，根据售电公司的收益计算方法建立多寡头售电市场的收益模型，将风险模型和收益模型合并得到售电公司购售电收益风险优化的综合模型；

步骤三：给出模型的求解流程并通过算例对该售电市场整体特性评估方法进行仿真验证。

优选地,所述步骤一的多寡头售电市场模型架构是售电公司与售电公司之间、售电公司与用户之间的总体博弈情况。

优选地,所述步骤二售电公司的风险模型为现货市场电价的不确定性以及电力用户的市场反应，基于条件风险价值理论的原始模型经推导可得售电公司购售电风险模型为：

μi,j(ω)≥0(2)

-f(x,r,ω)i,j+μi,j(ω)+varβ,i,j≥0(3)

其中，π(ω)表示场景ω出现的概率；μi，j(ω)表示与售电公司i在第j轮博弈中，场景ω下的损失相关的中间变量；x，r表示售电公司的决策变量的向量；f(x,r,ω)表示售电公司i在第j轮博弈中，在场景ω下，采用决策x，r的损失函数，售电公司购售电期望收益的相反数为所述售电公司风险模型中的损失函数。

优选地，所述步骤二售电公司的收益模型为售电收入减去运营成本和购电成本所得的净收入；现货市场的购电费用为公式(4)：

上式中，i表示售电公司；j表示博弈的轮次；j表示博弈的总轮次；t表示时间段次；t表示总的时间段数；ω表示蒙特卡洛模拟的场景；ω表示模拟场景总数；π(ω)表示场景ω出现的概率；λ^sp(t,ω)表示时段t场景ω下的现货市场电价；δt表示时间段间隔的大小；表示售电公司i在第j轮博弈中，在时段t场景ω下的现货市场购电量；

双边合同的购电费用为公式(5)：

上式中，λ^fc表示双边合同的电价；表示售电公司i在第j轮博弈中，在时段t场景ω下双边合同的购电量；

售电公司的运营成本为公式(6)：

上式中，mi表示售电公司i的初始单位电量运营成本，是一个常数；ki表示售电公司i的单位电量运营成本下降速率，代表售电公司每多运营1mwh的电量，单位电量运营成本降低的程度，是一个常数；ci表示售电公司i的固定成本，是一个与售电公司体量大小有关的常数；

售电公司售电收入的关键因素为市场份额和销售电价，销售电价较高时，售电公司的市场份额较小，反之亦然，市场份额的变化反映售电公司之间以及售电公司与电力用户之间的博弈动态；

以logit函数作为市场份额函数描述售电公司售电价格与其所获用户比例的关系并依博弈论常用的i与-i表示法，售电公司获得的用户比例可描述为公式(7)：

表示售电公司i在第j轮博弈中制定的最优销售电价；表示该销售电价所对应的市场份额效用；表示售电公司i的竞争对手-i在第j-1轮博弈中制定的最优销售电价；

售电收入为公式(8)：

上式中n表示用户类别；n表示用户类别的总数；pn(t)表示用户n时段t的负荷；

售电公司的收益等于售电收入减去购电支出和运营成本的差额，即公式(9)：

上式中，ei,j表示售电公司i在第j轮博弈中的总收入；ci,j表示售电公司i在第j轮博弈中的总成本；

作为风险规避型的售电公司，其决策模型的目标函数为公式(10)：

上式中，γi表示售电公司i的风险厌恶系数，其值越大，代表售电公司的风险厌恶程度越高。

优选地,所述步骤二根据购售电的平衡情况、风险模型的自身约束以及销售电价的限制决定售电公司的购售电决策，分析售电市场整体特性，具体如下：

购售电平衡约束为公式(11)：

条件风险价值约束为公式(12)和(13)：

销售电价约束为公式(14)：

上式中，表示销售电价的最低限值；表示销售电价的最高限值。

优选地，所述步骤三中的模型求解流程包括：数据初始化、售电公司寻优、循环体控制和均衡状态判断以及结果的处理输出五大模块。

优选地，所述步骤三通过4个算例对该售电市场整体特性评估方法进行仿真验证：

算例1，风险厌恶程度相同的三寡头，一家为现有供电公司另两家为新进售电公司，但是成立的时间及规模不同，并以业务熟练程度这一指标刻画它们之间的差异，观察点为它们的收益和风险差异以及购售电差异；

算例2：三寡头成本函数相同，但是风险厌恶程度不同观察点为它们的收益和风险差异以及购售电差异；

算例3：三寡头成本函数和风险厌恶程度均相同，且风险厌恶程度同步逐渐上升，观察点为寡头垄断对市场的影响规律；

算例4：四个或五个寡头成本函数和风险厌恶程度均相同，且风险厌恶程度同步逐渐上升，观察寡头售电公司数量增多对市场的影响规律，由此对多寡头售电市场整体特性进行评估。

本发明公开了一种基于博弈考虑条件风险价值(cvar)的多寡头售电市场整体特性评估方法，本发明将售电市场抽象为一个由多个售电公司与3类电力用户等主体形成的复杂自适应系统，依循多智能体技术刻画售电公司之间以及售电公司与电力用户之间的复杂博弈关系，对售电市场进行整体特性评估，进一步推进售电侧市场化改革，为市场管理者提供合理的参考引导售电市场良性发展。

附图说明

图1为三寡头售电市场模型架构图。

图2为博弈模型的求解流程图。

图3为现货市场电价曲线图。

图4为不同模拟场景数下的销售电价示意图。

图5为三类电力用户日负荷特性示意图。

图6为运营成本不同导致的收益差异图。

图7为运营成本不同导致的风险差异图。

图8为运营成本不同导致的销售电价差异图。

图9为运营成本不同导致的购电量差异图。

图10为风险厌恶程度不同导致的收益差异图。

图11为风险厌恶程度不同导致的风险差异图。

图12风险厌恶程度不同导致的销售电价差异图。

图13风险厌恶程度不同导致的购电量差异图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于博弈的考虑条件风险价值(cvar)的多寡头售电市场整体特性评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：建立多寡头售电市场模型架构。刻画出售电公司与售电公司之间，售电公司与用户之间的总体博弈情况；

如图1售电市场模型架构图，售电主体包括3家(家数不限定为3家，可扩充)自主独立的售电公司a、b、c，它们从批发市场以双边合同和现货两种方式购电，并制定销售价格以固定电价合同的方式将电能转卖给用户。售电公司所制定的销售电价的高低，将影响它们所占市场的份额。售电公司a、b、c作为自主独立的主体，它们将根据从售电市场获取的市场信息，动态调整自身的最优决策以最大化自身综合效用。电力用户数量庞大，本发明依其负荷波动特性划分为3种类型，这3类电力用户基于市场信息也将动态调整各自的购电决策以实现己方费用的最小化，它们的这种动态调整行为通过市场份额函数来刻画。售电主体与用电主体持续优化己方的决策直到所有主体的决策不变时，则意味着售电市场达到了均衡。

步骤2：建立售电公司的风险模型和收益模型以及整合后的购售电收益风险优化综合模型。

售电市场的风险主要来自于现货市场电价的不确定性以及电力用户的市场反应。基于条件风险价值理论的原始模型经适当推导可得售电公司购售电风险模型。

售电市场风险模型为：

μi,j(ω)≥0(2)

-f(x,r,ω)i,j+μi,j(ω)+varβ,i,j≥0(3)

其中，β表示置信度；varβ,i,j表示售电公司i在第j轮博弈中，置信度为β时的风险价值；π(ω)表示场景ω出现的概率；μi,j(ω)表示与售电公司i在第j轮博弈中，场景ω下的损失相关的中间变量；x，r表示售电公司的决策变量的向量；f(x,r,ω)表示售电公司i在第j轮博弈中，在场景ω下，采用决策x，r的损失函数，售电公司购售电期望收益的相反数为所述售电公司风险模型中的损失函数。

根据售电公司的收益计算方法建立了多寡头售电市场的收益模型。

售电公司的收益模型：售电公司的收益是售电收入减去运营成本和购电成本所得的净收入。其中，购电成本又分为现货市场购电成本和双边合同购电成本两部分。

现货市场的购电费用为：

上式中，i表示售电公司；j表示博弈的轮次；j表示博弈的总轮次；t表示时间段次；t表示总的时间段数；ω表示蒙特卡洛模拟的场景；ω表示模拟场景总数；π(ω)表示场景ω出现的概率；λ^sp(t,ω)表示时段t场景ω下的现货市场电价；δt表示时间段间隔的大小；表示售电公司i在第j轮博弈中，在时段t场景ω下的现货市场购电量。

双边合同的购电费用为：

上式中，λ^fc表示双边合同的电价；表示售电公司i在第j轮博弈中，在时段t场景ω下双边合同的购电量；

售电公司的运营成本为公式(6)：

上式中，mi表示售电公司i的初始单位电量运营成本，是一个常数；ki表示售电公司i的单位电量运营成本下降速率，代表售电公司每多运营1mwh的电量，单位电量运营成本降低的程度，是一个常数；ci表示售电公司i的固定成本，是一个与售电公司体量大小有关的常数；

市场份额和销售电价是决定售电公司售电收入的关键因素。销售电价较高时，售电公司的市场份额较小，反之亦然。市场份额的变化能反映售电公司之间以及售电公司与电力用户之间的博弈动态。

以logit函数作为市场份额函数来描述售电公司售电价格与其所获用户比例的关系并依博弈论常用的i与-i表示法，售电公司获得的用户比例可描述为：

表示售电公司i在第j轮博弈中制定的最优销售电价；表示该销售电价所对应的市场份额效用；表示售电公司i的竞争对手-i在第j-1轮博弈中制定的最优销售电价；

售电收入公式：

上式中n表示用户类别；n表示用户类别的总数；pn(t)表示用户n时段t的负荷；

售电公司的收益等于售电收入减去购电支出和运营成本的差额，即：

上式中，ei,j表示售电公司i在第j轮博弈中的总收入；ci,j表示售电公司i在第j轮博弈中的总成本；

售电公司的综合效用是购售电收益的最大化和风险的最小化。因此将收益模型和风险模型进行有机的整合，即可得到售电公司购售电收益风险优化的综合模型，其主要包括1个目标函数和3类约束条件。

基于上述分析，作为风险规避型的售电公司，其决策模型的目标函数为：

上式中，γi表示售电公司i的风险厌恶系数，其值越大，代表售电公司的风险厌恶程度越高。

需指出的是，上式对于a、b、c公司而言是一个传统的多目标优化问题，但在本文架构中它实质上代表的是一个多方动态博弈问题。

售电公司在进行购售电决策，分析售电市场整体特性时，必须考虑到购售电的平衡情况、风险模型的自身约束以及销售电价的限制等三个主要约束，具体如下：

购售电平衡约束：电力不能有效存储的特性，售电公司必须遵从购电和售电实时平衡的约束条件，即：

条件风险价值约束：

销售电价约束：为了保证最低的收益以及限制不合理的过高电价，售电公司制定的销售电价应满足如下条件：

上式中，表示销售电价的最低限值；表示销售电价的最高限值。

以上共同构成了一种基于cvar的售电市场多寡头博弈模型。

步骤3：给出模型的求解流程并通过4个算例对该售电市场整体特性评估方法进行仿真验证。

模型求解流程如图2所示，主要分为数据初始化、售电公司寻优、循环体控制、均衡状态判断以及结果的处理输出五大模块。

对于基础数据，如图3所示为现货市场电价曲线，确定最佳的蒙特卡洛模拟次数，进行大量的试验，得到图4所示的不同模拟场景数下的销售电价图。区域内有3类负荷特性不同的电力用户，如图5所示。用户类型1的负荷较大且平稳，用户类型2负荷具有明显的峰谷特性，用户类型3负荷较小，且波动较为频繁。三类用户共同构成了该区域的用户总负荷，其需求为刚性需求。销售电价的高低限值分别为1000元/mwh、0元/mwh，置信度为95％，单位运营成本下降斜率k为0.01，双边合同电价取值为300元/mwh，售电公司的初始销售电价为[0,1000]之间的随机数。

算例1：风险厌恶程度相同的三寡头售电公司类型不同的影响。

公司a为现有供电公司，购售电业务熟练；公司b为成立一段时间的售电公司，购售电业务熟练程度一般；公司c为新成立的售电公司，购售电业务不太熟练。为此，初始单位运营成本依次分别设置为100元/mwh、110元/mwh和120元/mwh；由于现有供电公司、成立一段时间的中型售电公司、刚成立的较小型的售电公司的规模逐渐降低，因此售电公司a、b、c的固定成本分别取值为50000元、40000元与30000元；三家售电公司的风险厌恶因子均为0.5。得出结果为图6，图7，图8，图9。

从图6到图8可以看出，当博弈进行到大约第5-6次以后，三家寡头售电公司的收益、条件风险价值以及销售电价等均渐入稳态，三家公司不再改变各自的决策，即达到动态博弈的均衡解。同时还可发现均衡状态下，售电公司a的收益最高且条件风险价值最低。这是因为即使售电公司a的固定成本高于售电公司b、c，但是其业务熟练所节约的可变运营成本部分超过售电公司b、c，因此，其规律可概括为在市场博弈中“业务越熟练，竞争越有利”。这意味着现有供电公司相对新进售电公司具有一定的竞争优势。

由图9可知，从总体购电量来看，售电公司a在两种购电方式的购电量都要大于其余两个售电公司，这是由于售电公司a的销售电价最低(如图4-6)，市场份额最高；从购电量的分配来看，它们在现货市场电价较高的时段都会选择更多地从双边合同购买所需的电量，而在现货市场电价较低的时段选择更多从现货市场购买电量，从而有效地降低购电成本。

算例2：三寡头成本函数相同，但风险厌恶程度不同。观察点同算例1。

售电公司a、b、c的风险厌恶系数分别设定为0.1、1与10，三家公司初始单位运营成本系数均取值为100元/mwh，固定运营成本均取值为30000。得出结果如图10、图11、图12、图13。

从图10-图12可看出，随着博弈的进行，三家售电公司的收益和销售电价均呈现下降的趋势，而条件风险价值则呈现上升的趋势，且当博弈轮次达到约6次后，渐入均衡状态。从图10的局部放大图(b)可以观察到，均衡状态下售电公司a的收益高于售电公司b，售电公司b的收益高于售电公司c；从图11的局部放大图(b)可以观察到，均衡状态下售电公司a的条件风险价值低于售电公司b，售电公司b的条件风险价值低于售电公司c。原因在于售电公司的风险厌恶程度越高，它希望风险尽可能降低，因此它选择图12中越高的销售电价来提升整体收益，以达到降低收益损失的风险。但是由于其销售电价定价提高，因此其市场份额减小，由此造成的收益损失超过销售单价上升带来的影响，最终导致其收益低于风险厌恶程度较小的售电公司，而风险却高于风险厌恶程度较低的售电公司。其规律可归纳为，当三家售电公司其他条件完全一致只是风险厌恶程度不同时，风险厌恶程度越小的售电公司有可能获得越高的收益与更低的条件风险价值。

依图13可知，售电公司a、b、c在双边合同和现货市场的购电量逐渐降低，这是由于售电公司的销售电价逐渐升高导致其市场份额的流失；三家售电公司在双边合同的购电总量都要高于现货市场，原因在于现货市场的整体电价水平高于双边合同电价，从双边合同购电可以节约购电成本。

算例3：三寡头成本函数和风险厌恶程度均相同，且风险厌恶程度同步逐渐上升。观察点为寡头垄断对市场的影响规律。三家售电公司的初始运营成本系数均取值为100元/mwh，固定成本均取值为50000元，风险厌恶因子从0.1逐渐增大到1000。结果如表1所示。

表1为三寡头售电公司风险厌恶程度上升对售电市场的影响

表1显示，随着风险厌恶程度的上升：1)为了降低风险，三寡头售电公司将逐步提高销售电价，获得越来越高的收益以及越来越低的条件风险价值；2)由于用户电力需求是刚性的，用户能做的只能是选择向销售电价较低的售电公司进行购电，但是在市场均衡下无差异的三寡头所制定的销售电价是相同的，并且各自拥有1/3的市场份额，因此3类电力用户的电费都呈现上涨趋势；3)随着γ的进一步上升，虽然趋势不改，但变化速率逐渐减缓，且当100以上时呈现收敛特征。上述现象显示三寡头虽不至于将销售电价抬升至设定的高限值，但市场仍具有明显的垄断特性。

算例4：设定与算例3相同，只是寡头售电公司的数量从3个增加到4个(a、b、c、d)。观察点与算例3相同，对比算例3和算例4，观察寡头售电公司数量的增多对市场的影响规律。为了与算例3形成对比，算例4的相关参数取值与算例3保持一致，只是将售电市场中售电公司的个数从3个增加到了4个和5个(a、b、c、d、e)，仿真结果如表2和表3所示。

表2四寡头售电公司风险厌恶程度上升对售电市场的影响

表3五寡头售电公司风险厌恶程度上升对售电市场的影响

对比表1、表2和表3可以发现，售电公司从3个增加到4个或者5个后，售电公司收益、风险、销售电价和三类用户的用电费用随着售电公司风险厌恶程度上升的变化规律没有发生改变。但是可以发现，同一风险厌恶程度下，对于售电公司来说，均衡状态下的销售电价降低、收益降低、条件风险价值上升，整体效用降低；对于用户来说，均衡状态下的用电费用均减少了。因此，可以按此规律推知：随着售电市场中售电公司数量的增加，均衡销售电价逐渐降低，限制了售电公司的利益，确保了用户的利益。对于市场管理者来说，鼓励售电公司加入售电市场可以有效通过市场竞争保障市场效益在售电公司和用户之间合理分配，但是售电公司数量过多也会导致售电公司收益过少而面临无法生存的问题，因此市场管理者需要权衡一个售电市场中的售电公司的合理数量。

通过以上分析后得出一些关于多寡头售电市场整体特性的相关规律：(1)现有供电公司具有较明显的竞争优势，若能给予新进售电公司适当的扶持将有利于售电市场初期尽快形成有效竞争。(2)售电公司只是风险厌恶程度不一致时，风险厌恶程度较小的售电公司有可能获得较高的收益与更低的条件风险价值。(3)当三家售电公司的风险厌恶程度同时上升时，市场销售电价的均衡值逐渐上升，导致用户的用电费用也逐渐上升，该情形下售电市场具有明显的垄断特性，应有序向社会资本开放售电业务，鼓励市场竞争。(4)多寡头售电市场中，随着售电公司数量的上升，市场销售电价的均衡值呈现下降趋势，削弱了售电公司的市场力，保障了用户的利益。说明有效的市场竞争可以合理分配售电公司与用户之间的利益，但是过多的售电公司竞争会导致售电公司的收益过低而无法生存，因此市场管理者应合理权衡售电市场中售电公司的数量，引导售电市场健康发展。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。