基于博弈论的考虑输电网络约束电力市场均衡分析

论文摘要

世界各地的电力工业在最近几十年正进行或面临着一场规模巨大的重组改革。电力工业引入市场化竞争以提高社会效益及增强运行效率。然而在当前阶段,电力市场具有寡头垄断市场特性,电力公司可以通过策略性报价来影响市场电价。因此研究分析电力市场中的策略行为及市场可能的运行结果显得尤为重要。基于博弈论的纳什均衡相关理论为解决这个课题提供一个科学可行途径。市场纳什均衡不仅可以指导市场监管者监测市场竞争是否充分,而且可以用来分析构建发电厂商的最优竞价策略以获取最大利润。但是由于电力系统具有输电网络约束等鲜明特性,这些特性将市场出清机制变得复杂并使得发电公司的收益函数不再具有凹性与可微性,因此使得求解市场均衡成为一个复杂困难的课题。本论文主要涉及考虑输电网络约束复杂电力市场的均衡分析,其主要研究内容可概述如下：1.以线性供给函数均衡模型为基础,建立了考虑输电网络约束、发电容量约束及负荷需求侧策略性竞价的电力市场模型。运用协同进化算法求取市场均衡,两个经典算例被用来说明所建电力市场模型及所提算法的有效性。结果表明：如果纯策略纳什均衡存在的话,协同进化算法能够快速收敛到市场均衡并且能够避免陷入局部最优点能；市场纯策略纳什均衡的存在性不仅仅取决于系统是否存在网络阻塞；负荷需求侧策略性竞价及发电容量约束对市场均衡亦有重要影响。2.在电力市场不完全竞争模型分析中,求解市场的纳什均衡是个重要任务,其中求解混合策略均衡以及判断是否存在多个均衡均是相当困难的课题。本论文首先建立了考虑网络约束的古诺模型,然后提出属于收益矩阵方法类型的多项式方程系统算法求解市场可能存在的所有均衡。多项式方程系统算法引用支集的特征,将纳什均衡条件转化为多项式方程系统及其不等式约束,而后通过甄别满足不等式条件的解来求取所有均衡。针对三节点测试系统,不同的实验场景被构建用来考察所提出算法的有效性,实验结果表明在一定条件下,多项式方程系统算法能够求解到所有均衡,这表明该方法在实际电力市场分析中有着相当潜力与重要作用。3.分布式发电与可中断负荷是智能电网的两种重要资源。针对电力用户停电意愿不尽相同,将配电公司的可中断负荷类型建模为离散分布的随机变量,进而建立了具有分布式发电与不完全信息可中断负荷选择的配电公司能量获取模型,综合考虑到发电公司的竞价策略行为,最后建立了完整的不完全信息博弈下的电力市场模型。针对不完全信息博弈的特征,扩展改进了协同进化算法,并用其来求解市场贝叶斯纳什均衡。修正的IEEE 9节点系统验证了模型与求解方法的有效性。结果表明分布式发电与可中断负荷、发电公司策略行为及不完全信息对市场均衡有着重要的影响。4.电力系统在运行与规划过程中存在负荷不确定性与系统元件故障停运风险等多种不确定性因素,这使得研究考虑这些不确定性因素的电力市场均衡分析显得相当迫切。针对负荷不确定性与随机线路故障停运,建立了考虑系统运行不确定性的电力市场线性供给函数均衡模型。在该模型中,通过枚举不确定性因素而确定系统运行可能的运行状态集合,发电厂商综合考虑各个运行状态下的情况以获取最大期望收益。针对随机博弈的特点,扩展改进了协同进化算法并进一步将其运用于求解随机市场均衡。9节点测试系统作为算例来分析说明所建立电力市场模型与协同进化算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究工作的意义和目的
• 1.2 国内外电力市场发展历程与现状
• 1.2.1 国外电力市场发展情况
• 1.2.2 国内电力市场发展情况
• 1.2.3 电力市场交易概述
• 1.3 国内外电力市场策略行为相关研究现状
• 1.3.1 基于人工智能中强化学习的仿真类方法
• 1.3.2 基于市场状况与竞争对手信息估计的优化类方法
• 1.3.3 基于博弈论的均衡类方法
• 1.4 国内外求解电力市场均衡的研究现状
• 1.4.1 数学解析类方法
• 1.4.2 仿生学类方法
• 1.4.3 基于收益矩阵的代数方法
• 1.4.4 穷举搜索方法
• 1.4.5 数学规划类方法
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 考虑复杂运行约束的电力市场均衡模型
• 2.1 引言
• 2.2 市场模型
• 2.2.1 发电厂商模型
• 2.2.2 负荷需求方模型
• 2.2.3 市场出清模型
• 2.2.4 市场策略性参与者的决策问题
• 2.3 求解方法
• 2.3.1 协同进化算法及框架
• 2.3.2 算法收敛分析
• 2.4 算例
• 2.4.1 仿真系统参数设置
• 2.4.2 两节点测试系统
• 2.4.3 三节点测试系统
• 2.4.4 算例结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 电力市场多人博弈的所有纳什均衡分析
• 3.1 引言
• 3.2 市场模型及博弈分析基础
• 3.2.1 考虑网络约束的古诺模型
• 3.2.2 博弈分析基础
• 3.3 多项式方程系统算法
• 3.3.1 构建所有可能的策略组合
• 3.3.2 构造多项式方程系统
• 3.3.3 多项式方程系统所有孤立解
• 3.4 算例分析
• 3.4.1 算例系统
• 3.4.2 网格间距900MW下的情形
• 3.4.3 网格间距100MW下的情形
• 3.4.4 网格间距更小的情形
• 3.4.5 实验分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 智能电网下电力市场模型的贝叶斯纳什均衡
• 4.1 引言
• 4.2 智能电网下电力市场模型
• 4.2.1 配电公司能量获取模型
• 4.2.2 发电公司模型
• 4.2.3 市场出清模型
• 4.2.4 市场均衡问题
• 4.3 市场贝叶斯纳什均衡的求解
• 4.3.1 求取市场均衡方法概述
• 4.3.2 协同进化算法及框架
• 4.3.3 协同进化算法收敛及分析
• 4.4 算例分析
• 4.4.1 算例说明及算法参数设置
• 4.4.2 不完全信息市场
• 4.4.3 完全信息可中断负荷选择市场
• 4.4.4 无分布式发电与可中断负荷选择下的市场
• 4.5 本章小结
• 第五章 考虑系统运行不确定性的电力市场均衡模型
• 5.1 引言
• 5.2 市场模型
• 5.2.1 发电公司模型
• 5.2.2 不确定性因素及电网可能的运行状态
• 5.2.3 市场出清模型
• 5.2.4 市场均衡问题
• 5.3 求解方法
• 5.4 算例分析
• 5.4.1 算例说明及算法参数设置
• 5.4.2 市场均衡及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 1 本文工作总结
• 2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件