部分垂直整合電力市場(chǎng)中供電公司競價(jià)策略研究

葛紅珍, 焦建玲

(合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,安徽合肥 230009)

20世紀(jì)80年代,壟斷的電力工業(yè)開始變革。引入競爭,給發(fā)電商提供一個(gè)市場(chǎng)化的平臺(tái)是世界各國電力工業(yè)的一個(gè)顯著特征。隨著“廠網(wǎng)分開,競價(jià)上網(wǎng)”政策的實(shí)施,我國電力工業(yè)的改革也進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性的階段,其目標(biāo)是打破壟斷,引入公平競爭和改善經(jīng)濟(jì)效率,最終實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源的合理分配和社會(huì)效益的最大化。目前,國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于發(fā)電公司競價(jià)策略的研究較多,供電公司競價(jià)策略的研究相對(duì)較少,而供電公司競價(jià)策略的研究對(duì)增大居民財(cái)富、提高社會(huì)福利具有重要意義。

研究供電公司的競價(jià)策略,可借鑒發(fā)電公司競價(jià)策略的研究方法,結(jié)合供電公司的運(yùn)營特點(diǎn)展開。當(dāng)前主要研究方法有基于博弈論[1,2]方法、基于最優(yōu)化方法[2-5]以及基于人工智能方法[6]。

文獻(xiàn)[7]針對(duì)采用暗標(biāo)拍賣和統(tǒng)一市場(chǎng)清算電價(jià)結(jié)算的輸配分開電力市場(chǎng),給出了一種基于市場(chǎng)清算電價(jià)預(yù)測(cè)的供電公司報(bào)價(jià)策略模型,在報(bào)價(jià)時(shí)考慮了市場(chǎng)清算電價(jià)預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確程度對(duì)報(bào)價(jià)的影響。文獻(xiàn)[8]基于混合整數(shù)隨機(jī)規(guī)劃模型,研究了考慮風(fēng)險(xiǎn)情況下售電商在規(guī)定期間內(nèi)的最佳銷售價(jià)格和電力采購方案(現(xiàn)貨市場(chǎng)、遠(yuǎn)期合同、期權(quán)和自我生產(chǎn))。

將垂直整合應(yīng)用于電力市場(chǎng)進(jìn)行研究的文獻(xiàn)比較少,文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果表明,供電商與發(fā)電商之間的整合能夠有力地刺激擁塞,并且使發(fā)電商成為剩余需求的壟斷者。文獻(xiàn)[10]基于博弈論方法研究了發(fā)電商與供電商整合后對(duì)社會(huì)福利的影響,研究結(jié)果表明整合后有利于增大社會(huì)福利。目前,國內(nèi)關(guān)于垂直整合電力市場(chǎng)的研究比較少,而且基本上是對(duì)煤炭企業(yè)與發(fā)電企業(yè)的整合進(jìn)行研究。

本文根據(jù)聯(lián)營模式下電力市場(chǎng)的特點(diǎn),假定供電公司的運(yùn)營成本函數(shù)為二次函數(shù),利用成本轉(zhuǎn)換函數(shù)模擬供電公司的市場(chǎng)份額,以供電公司的期望利潤最小為目標(biāo),確定其競價(jià)策略,同時(shí)比較不同電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)社會(huì)福利的影響。

1 供電公司競價(jià)策略模型

本文模型建立的前提條件是已知競爭對(duì)手的成本函數(shù)、報(bào)價(jià)規(guī)律,假設(shè)電力需求不變。下面建立供電商在完全分散和部分垂直整合2種電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)下的競價(jià)策略模型。

1.1 完全分散電力市場(chǎng)中競價(jià)策略模型

為便于分析,假設(shè)完全分散市場(chǎng)中有2個(gè)獨(dú)立的發(fā)電商和2個(gè)獨(dú)立的供電商,并且假設(shè)2個(gè)發(fā)電商的發(fā)電量之間存在以下關(guān)系:K1＜K2,Ki(i=1,2)為發(fā)電商的最大發(fā)電量。

供電公司在掌握了交易中心的市場(chǎng)規(guī)則后,其運(yùn)營目標(biāo)是力求取得較高的期望利潤。不計(jì)購電成本,供電公司的運(yùn)營成本為:

供電公司在供電市場(chǎng)上競爭市場(chǎng)份額,本文利用成本轉(zhuǎn)換函數(shù)[10]確定供電公司的市場(chǎng)份額。即如果＞+z,消費(fèi)者由供電公司1轉(zhuǎn)向供電公司2,為供電公司i(i=1,2)的銷售價(jià)格,z是轉(zhuǎn)換成本。假定z服從上的均勻分布,為供電公司1的固定市場(chǎng)份額,Z為最大轉(zhuǎn)換成本,由此得到供電公司1的市場(chǎng)份額為:

供電公司i的利潤函數(shù)可以定義為:

相應(yīng)地,供電公司i的利潤期望值為:

供電公司i選擇最優(yōu)報(bào)價(jià)策略的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)期望利潤最大化,因此建立如下的完全分散電力市場(chǎng)中供電公司的競價(jià)策略模型:

本文引入消費(fèi)者總購電費(fèi)用作為衡量社會(huì)福利大小的指標(biāo),所謂消費(fèi)者總購電費(fèi)用是指這一地區(qū)所有消費(fèi)者在這一時(shí)間段內(nèi)的購電總費(fèi)用。消費(fèi)者總購電費(fèi)用越大,表明社會(huì)福利越小;反之,消費(fèi)者總購電費(fèi)用越小,社會(huì)福利越大。消費(fèi)者總購電費(fèi)用可以表示為:

1.2 部分垂直整合電力市場(chǎng)的競價(jià)策略

垂直整合是指一個(gè)企業(yè)控制了一個(gè)以上的生產(chǎn)或銷售環(huán)節(jié)的現(xiàn)象。垂直整合可以通過擴(kuò)大自身的生產(chǎn)規(guī)模,增加自身的生產(chǎn)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn),也可以通過垂直兼并上游原材料供應(yīng)企業(yè)或下游的產(chǎn)品購買企業(yè)來實(shí)現(xiàn)。完全的垂直整合包括產(chǎn)品的生產(chǎn)、批發(fā)和銷售等各個(gè)階段。一般而言,并非所有的工業(yè)部門和公司都能實(shí)現(xiàn)完全垂直整合經(jīng)營。這里所說的部分垂直整合是指部分發(fā)電商控制了部分供電商,在電力市場(chǎng)中,仍然存在獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電商和供電商。

假設(shè)存在一個(gè)整合公司和一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電商與供電商,整合公司和發(fā)電商的最大發(fā)電量分別為Kv、Kg,在這種電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中,整合公司和獨(dú)立的發(fā)電商不同,均可能具有較大的發(fā)電量,因此,分Kv＞Kg和Kv＜Kg2種情況進(jìn)行討論。

與完全分散電力市場(chǎng)類似,整合公司以及供電公司在掌握了交易中心的市場(chǎng)規(guī)則后,其運(yùn)營目標(biāo)是力求取得較高的期望利潤。

整合體的利潤函數(shù)為:

整合體競價(jià)策略的目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)期望利潤最大化,因此建立如下的部分垂直整合電力市場(chǎng)中整合體的競價(jià)策略模型:其中,Cv(qv)為整合公司中發(fā)電部門的運(yùn)營成本函數(shù);av、bv、cv分別為運(yùn)營成本系數(shù);qv為發(fā)電部門的發(fā)電量。

供電公司的利潤函數(shù)可以定義為:

相應(yīng)地,建立如下的部分垂直整合電力市場(chǎng)中供電公司的競價(jià)策略模型:

此時(shí),消費(fèi)者的總購電費(fèi)用可以表示為:

2 供電公司最優(yōu)競價(jià)策略分析

當(dāng)p2-p1≥Z(1-ρ01)時(shí),供電公司2的下網(wǎng)電量為零,p2-p1≤-時(shí),供電公司1的上網(wǎng)電量為零,這2種情況在實(shí)際中均不會(huì)出現(xiàn),因此不做考慮。本文模型的求解均在0＜p2-p1＜Z(1-)成立的條件下進(jìn)行。

2.1 基于完全信息的靜態(tài)博弈

假設(shè)2個(gè)供電公司同時(shí)定價(jià),且不存在聯(lián)盟與合作,彼此確定自己的價(jià)格,以實(shí)現(xiàn)各自的利潤最大化。令?E(π1)/?p1=0;?E(π2)/?p2=0,得均衡價(jià)格分別為:p*1、p*2?；蛟诓糠执怪闭鲜袌?chǎng)中 ,令?E(πr)/?pr=0;?E(πv)/?pv=0,得均衡價(jià)格分別為。

將均衡價(jià)格p*1、p*2或 p*v、p*r代入成本轉(zhuǎn)換函數(shù)中,可以求得2個(gè)供電公司的市場(chǎng)份額,繼而可以得到在該電力市場(chǎng)中消費(fèi)者的購電總費(fèi)用或。

2.2 基于完全信息的動(dòng)態(tài)博弈

2.2.1 完全分散電力市場(chǎng)

若2個(gè)供電公司不同時(shí)定價(jià),假設(shè)供電公司2(稱為先行公司)首先選擇下網(wǎng)電價(jià) p2,供電公司1(稱為后行公司)觀測(cè)到p2后,再選擇自己的價(jià)格p1,雙方都知道對(duì)方的唯一目的是期望利潤最大化,這是一個(gè)完美信息動(dòng)態(tài)博弈。為尋求均衡解,采用逆向歸納法先求出后行者的最優(yōu)反應(yīng)函數(shù),再將它代入到先行者的期望利潤函數(shù)中求得最終均橫結(jié)果。

將均橫價(jià)格p1*、p2*代入成本轉(zhuǎn)換函數(shù)中可以求得2個(gè)供電公司的市場(chǎng)份額,繼而求得消費(fèi)者的購電總費(fèi)用。

2.2.2 部分垂直整合電力市場(chǎng)

由于整合公司和供電公司是2個(gè)完全不同的實(shí)體,且兩者的期望利潤函數(shù)不同,在進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈時(shí),要分2種情況進(jìn)行考慮。

(1)整合公司先行,售電商后行。參照完全分散電力市場(chǎng),令得售電商的最優(yōu)反應(yīng)函數(shù)為:

將(12)式代入供電公司的期望利潤函數(shù),令求得供電公司的均衡價(jià)格,繼而得整合公司的均衡價(jià)格。

(2)供電公司先行,整合公司后行。可參考(1)求得相應(yīng)的下網(wǎng)電價(jià)以及消費(fèi)者購電總費(fèi)用。

3 模型結(jié)果討論

3.1 模型數(shù)據(jù)與情形設(shè)定

3.1.1 模型數(shù)據(jù)

有關(guān)數(shù)據(jù)來源說明如下:

(1)供電公司的運(yùn)營成本函數(shù)的取值參考文獻(xiàn)[11],設(shè) αi=α=3.4 ＄/(MW ? h),βi=β=0.15 ＄/(MW2?h),i=1,2或r,v。

(2)轉(zhuǎn)換成本的取值參考文獻(xiàn)[12],因?yàn)楫?dāng)發(fā)電商的發(fā)電量恰能滿足社會(huì)總需求時(shí)的上網(wǎng)電價(jià)為184.82＄/(MW?h),假設(shè)供電公司的定價(jià)均為200 ＄/(MW?h),可得Z=100＄/(MW?h)。

(3)社會(huì)總需求D分別為40 MW?h(任意單獨(dú)一個(gè)發(fā)電商的發(fā)電能力就能夠滿足市場(chǎng)需求)、100 MW?h、160 MW?h(2個(gè)發(fā)電商同時(shí)生產(chǎn)才能滿足該需求)和220 MW?h(2個(gè)發(fā)電商充分發(fā)電也不能滿足市場(chǎng)需求)時(shí)的上網(wǎng)電價(jià)以及整合公司的上網(wǎng)電量根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]求解得到,部分做了稍許調(diào)整,其中部分垂直整合電力市場(chǎng)中的上網(wǎng)電價(jià)及上網(wǎng)電量取3種情況下的平均值。社會(huì)總需求嚴(yán)重大于發(fā)電公司總裝機(jī)容量的情況一般不會(huì)出現(xiàn),因此不再進(jìn)行討論。

3.1.2 情形設(shè)定

考慮到不同的博弈類型,本文分8種情形分別討論價(jià)格靈敏度、博弈類型以及容量限制對(duì)顧客購電總費(fèi)用的影響。

具體描述見表1所列。

表1 各種情形與市場(chǎng)結(jié)構(gòu)及博弈類型的對(duì)應(yīng)情況

3.2 模型結(jié)果討論

運(yùn)用maple 8對(duì)各種情形進(jìn)行求解,各種情形下的購電總費(fèi)用變化情況如圖1～圖3所示。

由圖1、圖2可以看出,價(jià)格靈敏度相同時(shí),后3種需求水平下,完全分散電力市場(chǎng)中顧客的總購電費(fèi)用高于部分垂直整合電力市場(chǎng)中顧客的總購電費(fèi)用。

圖1 價(jià)格靈敏度為1/3時(shí)各種需求水平下的購電總費(fèi)用

當(dāng)需求為40 MW?h時(shí),購電費(fèi)用相對(duì)比較低,由圖3a可以看出,完全分散電力市場(chǎng)中顧客的總購電費(fèi)用高于部分垂直整合電力市場(chǎng)中顧客的總購電費(fèi)用。這表明部分垂直整合電力市場(chǎng)存在一定的優(yōu)越性。

圖2 價(jià)格靈敏度為1/2時(shí)各種需求水平下的購電總費(fèi)用

圖3 4種需求下顧客購電總費(fèi)用

由圖3可見:

(1)相同博弈類型下,電力需求較低時(shí),且整合公司的容量大于發(fā)電公司容量時(shí)的社會(huì)福利高于整合公司容量小于發(fā)電公司的容量時(shí);而電力需求較大時(shí),整合公司的容量大于發(fā)電公司容量時(shí)的社會(huì)福利低于整合公司容量小于發(fā)電公司的容量時(shí)。

(2)相同情形下價(jià)格靈敏度較大時(shí),社會(huì)福利較大,而且隨著電力需求的增加,價(jià)格靈敏度對(duì)社會(huì)福利的影響越明顯。因?yàn)殡S著電力需求的增加,受價(jià)格靈敏度的影響,上網(wǎng)電價(jià)差價(jià)增大,相應(yīng)地,下網(wǎng)電價(jià)差價(jià)增大,從而,社會(huì)福利差別也增大。

(3)動(dòng)態(tài)博弈時(shí)的社會(huì)福利明顯高于靜態(tài)博弈時(shí)的社會(huì)福利。

4 結(jié)束語

本文利用成本轉(zhuǎn)換模型來模擬供電公司的市場(chǎng)份額,以供電公司的期望利潤最小為目標(biāo)建立模型,并運(yùn)用maple8進(jìn)行求解,最后通過實(shí)例分析比較了完全分散電力市場(chǎng)和部分垂直整合電力市場(chǎng)對(duì)社會(huì)福利的影響。

實(shí)例分析結(jié)果表明:部分垂直整合(發(fā)電商和供電商整合)能夠增大社會(huì)福利,表明部分垂直整合電力市場(chǎng)是未來電力市場(chǎng)改革的方向。

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