（电力系统及其自动化专业论文）基于博弈论的电能质量差别定价方法研究.pdf

分类号：学校代码：1 0 0 7 9 嗍删f l i f y 17 86 10ir l l l i 3 l t i i i 。 华北电力大学 硕士学位论文 国家自然科学基金项目资助( 7 0 7 7 3 0 3 9 、7 0 9 1 1 1 3 0 0 1 6 ) 题目：基于博弈论的电能质量差别定价方法研究 英文题目：p o w e rq u a l i t yd i f f e r e n t i a lp r i c i n gm e t h o db a s e do n g a m et h e o r y 研究生姓名：孙静专业：电力系统及其自动化 研究方向：电力系统分析、运行与控制 导师姓名：李庚银职称：教授 2 0 0 9 年12 月2 0 日 6童2，-；融ki。kvr j ? ， 萎 鞑 崤 。 。 h 1 曳 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于博弈论的电能质量差别定价 方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：型! 整日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：竺盟：! 垄：堕 导师签名：名镌狠 日期：皇! 乏! ! ：8 t 争 l ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电力工业市场化改革的不断深入，计及质量因素的电能定价问题已经日益 受到人们的重视。本文在分析实行电能质量差别定价的市场环境和现有定价模型的 基础上，提出一种基于博弈论的电能质量差别定价方法：将用户的电能质量水平看 作其私人信息，用户都希望享用良好的电能质量而支付较少的费用，供电公司的目 标为利润最大化，在这种信息不完全的条件下，根据贝叶斯博弈的显示性原理及激 励相容机制建立数学模型，并采用i e e er b t s b u s3 配电系统进行验证分析；将机 制设计与委托代理理论应用于电能质量差别定价模型中，并通过算例验证了该方法 的有效性和可行性。结果表明，只有当用户向供电公司申报的电能质量水平为其真 实要求时，供用电双方获得的收益才为最大。 关键词：电能质量，不完全信息，博弈论，贝叶斯博弈，机制设计 a b s t r a c t w i t ht h e e l e c t r i c i t yi n d u s t r y sd e r e g u l a t i o n ，t h ee l e c t r i c i t yp r i c i n gp r o b l e m s c o n s i d e r i n gq u a l i t yf a c t o r sh a v eb e e ng r a d u a l l yc o n c e r n e d i nt h i sp a p e r , t h em a r k e t e n v i r o n m e n ta n de x i s t i n gp r i c i n gm o d e la r ed i s c u s s e d ，t h e nap o w e rq u a l i t y ( p q ) d i f f e r e n t i a lp r i c i n gm e t h o db a s e do ng a m et h e o r yi sp r o p o s e d ：r e g a r d i n gc u s t o m e r s p q l e v e l sa st h e i rp r i v a t ei n f o r m a t i o n ，c u s t o m e r sh o p et h a tt h e yc a ne n jo yg o o dp qb u tp a y f e we x p e n s e s ，a n dt h eg o a lo fp o w e rs u p p l yc o m p a n yi sp r o f i tm a x i m i z a t i o n ，b a s e do n r e v e l a t i o np r i n c i p l eo fb a y e s i a ng a m et h e o r ya n di n c e n t i v ec o m p a t i b l em e c h a n i s mt o b u i l dm a t h e m a t i cm o d e lu n d e rt h ec o n d i t i o no fi n c o m p l e t ei n f o r m a t i o n ，a n dt h ei e e e r b t s b u s3d i s t r i b u t i o ns y s t e mi su s e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e dm e t h o d ；t h em e c h a n i s m d e s i g na n dt h ep r i n c i p a l - a g e n tt h e o r ya r ea p p l i e dt ot h ep qd i f f e r e n t i a lp r i c i n gm o d e l ， v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t ya r ev e r i f i e dt h r o u g ht h ee x a m p l e r e s u l t ss h o wt h a to n l yw h e n c u s t o m e r sd e c l a r et h e i rr e a lp qd e m a n d st op o w e rs u p p l yc o m p a n y , t h eg a i n so fb o t h s i d e sc a nb em a x i m a l s u nj i n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，i n c o m p l e t ei n f o r m a t i o n ，g a m et h e o r y ，b e i y e s ig a m e ， m e c h a n i s md e s i g n 华北电力大学硕士学位论文目录 目。录 中文摘要 英文摘要 ， 等一章绪论、 1 1 电能质量问题概述1 1 1 1 电能质量的定义、分类及标准l 1 1 2 电能质量问题产生的危害和影响”3 1 2 电能质量管理现状“4 1 3 电能按质定价的必要性”5 10 4 基于差别定价的电能质量服务定价方法6 1 5 论文的主要工作7 第二章博弈论及其相关理论研究综述9 2 1 博弈论及基本概念”9 2 1 1 博弈论的基本概念9 2 1 2 博弈的分类”：”1 1 2 2 经济问题分析的博弈方法_ 1 2 2 3 博弈分析与电力市场”1 3 2 3 1 电力市场的基本概念1 3 2 3 2 博弈论在电力市场中的应用_ ”1 4 2 4 电能质量差别定价应用博弈分析的可行性分析1 5 2 5 本章小结一1 6 第三章不完全信息下用户上报策略的模型及求解1 7 3 1 非完全信息静态博弈1 7 3 1 1 基本概念1 7 3 1 2 贝叶斯纳什均衡1 7 3 2 用户及供电公司的行为特征l 8 3 2 1 电能质量服务差别定价模型1 8 3 2 2 用户的行为特征一1 9 3 2 3 供电公司的行为特征2 0 3 2 4 电能质量服务监管一2 1 3 3 用户上报策略中贝叶斯博弈模型的建立2 3 3 3 1 贝叶斯博弈的显示性原理2 3 3 3 2 交易机制2 3 3 3 3 贝叶斯博弈的数学模型“2 3 l 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 算例分析：2 5 3 4 1 原始数据2 5 3 4 2 用户对电能质量水平的要求_ 2 6 3 4 3 算例结果及分析2 8 3 5 需要说明的问题j 2 9 3 6 本章小结”3 0 第四章不完全信息下用户与供电公司激励机制设计3 1 4 1 用户与供电公司间的委托代理理论及激励机制概述3 1 4 1 1 用户与供电公司间的委托代理问题3 1 4 1 2 激励机制概述3 2 4 2 机制设计理论应用于电能质量差别定价模型中“3 4 4 2 1 问题描述3 4 4 2 2 机制设计理论的应用”3 5 4 3 算例分析3 7 4 4 本章小结_ 3 9 第五章结论与展望4 0 5 1 结论i 4 0 5 2 展望4 1 参考文献4 ：2 致谢4 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 6 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电能质量问题概述 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是 一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品i l j 。随 着电力市场的实施和高新科学技术的发展，电能质量问题越来越受到人们的重视。 作为一种特殊的商品，电能既具有为用户服务的公用事业性质，又具有以商品形式 向广大电力用户出售的性质，其质量属性也就成为了难以回避的问题。 改善电能质量对于保持电网和电气设备安全稳定运行，保障人民正常有序的生 产和生活等均有重要意义，不仅关系到电力工业的可持续发展，也直接影响到国民 经济的总体效益。人们早期对电能质量问题的认识比较简单，主要局限于保持电网 频率和电压水平的静态或平均偏差不过大上。从2 0 世纪8 0 年代开始，随着新型电 力负荷的迅速发展以及它们对电能质量水平的要求越来越高，电能质量问题逐渐成 为了电力企业、电力用户及电力设备制造厂商共同关心的问题。在国际供电会议 ( c i r e d ) 中，电能质量问题被列为当前国际供电界关注的重要技术问题。近年来， 电能质量问题已受到经济发达国家电力公司的高度重视，纷纷成立专门的负责机 构，对电能质量进行管理，解决用户的电能质量问题。 因此，电能质量问题引起了广大电力科研工作者的高度重视，目前某些电能质 量问题已经成为前沿性的课题，吸引了许多高等院校和科研院所的一大批电力科技 工作者投入其中从事开拓性或开发性的工作，已取得了阶段性的成果。 1 1 1 电能质量的定义、分类及标准 1 1 1 1 电能质量的基本定义 电能质量( p o w e rq u a l i t y ，p q ) 这一技术名词最早出现在1 9 6 8 年发表的一篇关 于美国海军电子设备备用电源规范要求的研究论文中，随后在关于工业用电源系统 设计规范中进一步提出，要提高电能质量，实现安全可靠供电和低费用运行等。与 此同时，前苏联等国家使用电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 来反映电压幅值的变动和频 率的偏差。直到近些年，电气工程界在电能质量问题应采用规范的技术名词这一问 题上才趋向一致，i e e e 标准化协调委员会( i e e es t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e ) 也已经正式通过了采用“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一术语的决定。 什么是电能质量? 从普遍意义上讲，电能质量指的是电能的优劣程度。但是迄 今为止，站在不同的角度看待这一问题，人们对电能质量的技术含义有着不同的认 识，关注或表征电能质量问题也有截然不同的观点：从供电部门的角度看，电能质 l 华北电力大学硕士学位论文 量是指所供应电力的参数符合标准的程度和供电可靠性的程度；从用电设备生产商 的角度看，电能质量是指对设备所要求的电能特性；从电力用户的角度看，电能质 量是指一切会引起用电设备不正常运行、故障或者停电的供电电压、电流以及频率 的异常扰动。 i e e e 给出了电能质量的技术定义【2 】：合格电能质量的概念是指，给敏感设备提 供的电力和设置的接地系统是均符合该设备运行条件的。国际电工委员会( i e c ) 提 出使用“电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 这一术语，电磁兼容的 概念为：设备或系统在其所处的电磁环境中能够不因干扰而正常工作，它们本身所 发出的电磁能量不足以恶化环境和对其他设备或系统造成影响。这一概念强调指出 了设备与设备之间、设备与电源之间的相互电磁作用和影响，电磁兼容与电能质量 这两术语有很大的相容性，它们之间有许多的同义词。还有许多专家主张采用这样 的电能质量定义：造成用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差， 内容包括电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变以及三相不平衡等。 可见，上述定义都是将电能质量与用户的需求联系在一起的，即对电能质量优 劣的评价，电力用户的衡量标准将占主导地位。 1 1 1 2 电能质量问题的分类及标准 为了系统地分析和研究电能质量问题，并能够对测量结果进行分选识别，同时 也作为制定相关指标标准的基础，将电能质量进行合理细致的分类是很重要的。 电能质量问题可以从不同的角度进行分类，一般来说，电力系统中由于各种扰 动而引起的电能质量问题可分为稳态和暂态两大类。稳态电能质量问题是以波形畸 变为主要特征的，主要包括电压偏差、三相不平衡、谐波、间谐波、闪变、波形下 陷及噪声等；而暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉 冲暂态和振荡暂态两种类型，主要包括供电瞬时中断、电压骤升、电压骤降以及暂 态过电压等。如果从发生的频度以及对用电设备造成危害的程度来看，现代电能质 量问题主要是如下几个方面：电压骤降、谐波、电压不平衡以及闪变。根据统计和 案例的反映，造成用户用电设备不正常运行或停电的相当大一部分因素是电压骤降 问题。 i e e e 标准化协调委员会定义的电能质量分类，主要包括以下几种【l 】： ( 1 ) 瞬变现象：冲击性瞬变、振荡瞬变 ( 2 ) 短时间电压变动：电压间断、电压骤降、电压骤升 ( 3 ) 长时间电压变动：过电压、欠电压、持续中断 ( 4 ) 波形畸变：直流偏置、谐波、间谐波、波形下陷、噪声 ( 5 ) 频率偏差 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 6 ) 电压波动和闪变 ( 7 ) 三相电压不平衡 此外，还有一种分类方法，将电能质量问题除去频率的变化分为3 个方面：( 1 ) 供电电压的连续性，包括短时间断、暂时间断和瞬时间断等；( 2 ) 供电电压的稳定 性，包括电压的骤降、骤升、波动和闪变等；( 3 ) 供电电压的波形状况，包括谐波、 波形下陷、噪声、三相不平衡等。 应该指出的是，由于对电能质量还没有一个确切、统一的定义，由此就会引起 类别分界线不是很清晰和由于分类方法不同产生的技术名词不统一等问题。 电能质量标准是保证电网安全经济地运行、保护电气环境、保障用户正常使用 电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理、推广电能质量控制技术以及维护 供用电双方合法权益的法律依据。 目前，随着电能质量问题的日益突出，许多工业发达国家都根据各自的实际情 况制定和颁布实施了相关的电能质量标准，并且随着工业经济国际化的发展，各国 制定的电能质量标准正向权威专业委员会推荐标准，伪如i e c 的e m c - - 6 1 0 0 0 系列 标准和i e e e 的s t d 一标准靠拢。我国在参考上述两项国际标准并结合本国的实际情 况后，也已经针对其中几种最基本的电能质量问题制定了相关的6 项标准，即：电 能质量供电电压允许偏差( g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 、电能质量电力系统频率允许 偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 、电 能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量三相电压允许不平衡度 ( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 和电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 。 这些标准成为评定电能质量的重要指标，也是电力科技工作者选用补偿方法、选择 技术措施和改善控制装置的依据，具有重要的指导意义。 1 1 2 电能质量问题产生的危害和影响 电能质量问题所带来的危害和影响主要有以下几个方面1 3 j ： ( 1 ) 对电力系统的危害和影响 大多数的电能质量问题不是来自发、输、供电系统，而是来自电力用户，但是 电能质量问题的出现会对整个电力系统产生很大的影响，直接关系到系统安全、稳 定和经济地运行。电能质量问题对电力系统的危害主要有：增加线损：谐波电流 在输电线路上的流动，会产生附加能耗，增大了线损率。当系统发生谐振或者是谐 波放大，特别是在高次谐波的情况下，谐波电流对线损的影响将会更大。降低变 压器寿命：谐波电流会使变压器的铜耗增加，引起变压器局部过热、振动等；谐波 电压引起的附加损耗会使变压器的磁滞及涡流损耗增加，绝缘材料承受的电气应力 增大；对于三角形连接的绕组，零序性谐波在绕组内形成环流，使绕组发热，温度 3 华北电力大学硕士学位论文 升高，从而造成寿命的降低。计量仪表出现误差：在结构设计上，由于电能表输 入模块的信号变送仅考虑了基波，当电压、电流的波形发生畸变时，磁通不能相应 地线性变化，这样就产生误差，使电能表的计量精度受到影响。继电保护及自动 控制装置的误动作：电网的电能质量指标恶化，如谐波或三相严重不对称等都会对 保护装置造成干扰，引起保护装置的误动作。此外，电能质量问题对系统其他运行 元件也会产生影响，降低了供电质量。 ( 2 ) 对电力用户的危害和影响 随着具有非线性、冲击性和不平衡特征负荷的大量使用，少数电力用户成为了 电能质量的主要污染源，此类用户在对系统造成污染的同时，自己内部设备也受到 了损坏。用户是电能质量污染的主要受害者，而且受电电能质量指标较低的电气设 备也可能成为新的污染源，对电力系统和其他用户设备造成危害。影响用户电机： 供电电能质量指标低，电机就会产生附加损耗、发热、振动，发出较高的噪声和承 受过高的疲劳应力；在三相供电电压不对称时，定子绕组上的负序基波电压与负序 性谐波电压分量就会产生负序电流，增加铜耗：当引起电压波动的主要低频分量同 电机机械振动的固有频率一致时，就会诱发谐振，此时对电机造成的破坏是毁灭性 的。影响用户补偿电容：运行点电能质量指标低会造成很多事故的出现，诸如补 偿装置投不上、电容器使用寿命降低、熔丝熔断，甚至会发生串并联谐振，导致电 容器爆炸等。影响用户自动控制装置：干扰控制设备检测模块的正常工作，导致 错误的输出结果；对诸如精密电机、开关电源等设备的硬件造成损坏；干扰负载的 保护回路，造成保护误动作。影响居民日常生活：电压波动和闪变会造成电视画 面和照明灯光的忽明忽暗，使空调、电冰箱的压缩机承受冲击应力，产生振动，造 成使用寿命的降低。 ( 3 ) 对相关行业的危害和影响 对通信的干扰：电网干扰通信的主要因素是谐波。随着低压电网电能质量污 染的日益严重，电能质量问题对通信产生的影响也是越来越大。谐波频率很高时， 会产生发射杂音，这种情况下就会在通信线路上产生音频干扰。随着数字通信技术 的发展和光纤载体的应用，电能质量污染对通信的影响已降到了较低的水平。对 其他相关行业的干扰：如精密制造业，使其废品率上升，降低了主设备的使用年限； 干扰了有线电视、广播的信号等，这些都是直接通过供电电源对正常的生产运行造 成的危害。 1 2 电能质量管理现状 目前，电能质量问题已受到一些经济发达国家电力公司的高度重视，纷纷制定 经济管理措施以期有效地解决电能质量问题。文献【4 1 详述了法国电力公司如何提高 4 华北电力大学硕士学位论文 电能质量水平的过程。实践表明，当大多数用户对电能质量水平的要求得到满足时， 对某些有特殊质量要求的用户必须进行有针对性的治理，才能满足经济性要求。作 为世界上唯一盈利的大型国有电力企业，法国国家电力公司( e d f ) 已经开始向用户 提供不同等级的电能，分别标明不同的颜色，对应不同的价格来收费。e d f 将专业 技术、金融运作及社会效益3 个方面有机结合，同时兼顾到经济效益和社会公正。 在实施电力市场开放的同时，成立了专门的负责机构对电能质量问题进行监督管 理，规定了市场中各方在保证电网的电能质量水平这一问题上享有的权利和应尽的 义务，并制定了相应的标准p j 。 意大利也颁布了相关法令，并系统地开展了电能质量的监督管理工作，主要分 为以下3 个阶段【6 ，7 】：第一管制阶段( 2 0 0 0 2 0 0 3 ) ，该阶段实施强制管制，按照供电 连续性的要求通过一个与电能质量相关的价格上限模型来定价；第二管制阶段 ( 2 0 0 4 - 2 0 0 7 ) ，在该阶段引入了市场机制，通过签订电能质量合同这种方式来反映 用户对电能质量的特殊要求；第三管制阶段( 2 0 0 8 ) ，方法待定，但是目标已确定， 就是在更大程度上放松管制。在各个管制阶段开始之前，电能质量监管部门需进行 充分韵电能质量调研，通过听证会、访谈等形式征求电力用户、电力企业、政府机 构和科研机构等各方对上一管制阶段的意见，作为管制效果评估和下一阶段管制政 策制定的参考。由此可以看出，意大利逐步引入市场，放松管制，对电能质量管理 取得了初步效果。 与发达国家相比，我国在电能质量问题的应对措施和研究实践方面均存在很大 的差距，还未开展细致的电能质量监管工作。对电能质量问题的把握主要集中在电 压合格率及谐波方面，而对由于电压骤降或供电瞬时中断引起的电能质量问题认识 不够全面。同时，现行的单一配电侧电能质量管理方法存在着以下几个弊端瞵j ：缺 乏提高电能质量的激励机制，电能质量事故的风险分配不合理，不能根据用户的需 要提供合理的电能质量，电能质量的价值不明确，不能指导供电方做出正确的电能 质量投资决策。在电力体制不断深化改革的同时，我国应当借鉴发达国家的研究方 法和先进的管理技术，加强电能质量问题的研究和管理工作。 1 3 电能按质定价的必要性 随着电力工业市场化改革的不断深入，电力企业将成为电力市场中的主体。在 电力市场不断开放的过程中，供电企业和电力用户之间的关系也发生了改变，作为 一种特殊的商品，电力用户所购买的不仅仅是电能本身，更多的是其带来的效用， 电能质量就是这种效用的保证。在这种新的形势下，电力产品的定价方式必然会与 现行的方式有很大区别，呈现出市场化和商业化的特点。市场经济条件下，生产或 经营的任何产品都要由相应的企业制定出适当的价格。市场需求和购买行为的主要 5 华北电力大学硕士学位论文 决定因素就是价格，电力企业只有制定适当的价格，才能增加售电量，在激烈竞争 的配电市场中赢得地位。 随着经济的发展和高科技设备的广泛应用，现代电力系统中用电负荷的结构发 生了重大变化。大量具有非线性、冲击性以及不平衡用电特性的负荷迅速发展，诸 如半导体整流器、炼钢电弧炉和家用电器等，造成电网的电压波形发生畸变，影响 系统的电气运行环境，对供电电能质量造成严重的干扰或“污染 。而现代快速发 展的高新技术产业对所应用的计算机系统、控制系统等电能质量水平的要求却越来 越高，供给的电能需要保证其优质运行。对于与我们日常生活密切相关的化工行业 而言，在生产过程中使用的大容量电机及驱动装置需要连续不断地运行，在这个过 程中，如果由于所供给的电能质量不满足要求而导致运行中断，再花费很长的时间 重新启动，就会造成较大的经济损失。据美国电力科学研究院的粗略估计，在美国 每年由于电能质量问题所造成的经济损失高达数百亿美元。电能质量水平低所造成 的社会影响和经济损失都是非常严重的，只有质量和可靠性较高的电能才能满足用 户的需求。 ：与此同时，作为一种特殊的商品，电力步入了市场化的大门。在这种开放和鼓 励竞争的市场环境下，电能作为一种商品将更注重质量的提高，将会向其他商品一 样，逐步实现质量不同对应价格不同，质量越高对应价格就越高的情况，而且市场 中不同用户对电能质量水平的要求也不一样，敏感的电力负荷就需要优质的电能来 保证其运行。供电公司和用户之间的直接联系是电能，电能质量就是这种“产品 的属性。在激烈竞争的市场环境下，电能质量是决定输配电公司能否在其中生存下 来的重要因素。所以电能质量作为重要的电力服务内容必须受到供电公司的充分重 视，满足用户对电能质量多样性的要求。 1 4 基于差别定价的电能质量服务定价方法 市场对于企业生产或经营的同一产品的需求因时间、地点而有所不同，差别定 ， 价就是以消费者的需求为基础，在不同的市场部分对某商品制定出2 种或2 种以 上的价格。比如工业用电和生活用电，生产成本相同价格却不一样。差别定价应用尊 ， 于电能质量服务定价中符合的2 个必要条件：市场中用户对电能质量的需求具有 多样性，供电公司作为市场的主体对电能质量具有一定的控制力，因此可以自行觅 价，不必接受市场的统一定价；电能这种产品不可大量存储，生产和消费近乎同 时进行，而且治理电能质量问题主要是满足用户的不同需求，是针对用户的，所以 进行市场分割以后，用户一般不会出现套利行为。除此之外，供电公司尽可能做到 准确识别用户的不同支付意愿，能按支付意愿进行市场分割。 文献【9 】就是将差别定价理论应用于电能质量服务定价中，在充分分析电力市场 6 华北电力大学硕士学位论文 环境下实行电能按质定价所要求的市场环境和技术条件的基础上，提出一种基于差 别定价的电能质量服务定价方法。该方法充分考虑了电能质量问题的治理成本、损 失以及用户的响应，合理的优质高价得到实现。该定价方法的优点如下所示：符 合电能质量问题所要求的市场环境和技术要求，充分考虑了电力市场环境下定价的 要素；把电能服务分离为基本电能的服务和电能质量服务，以便能够实现合理的 优质高价，保障市场的公平；实行电能质量服务的差别定价能够对供电公司起到 激励作用，激励其改善电能质量服务，对配电网实现总体规划；用户向供电公司 上报电能质量要求，提供了明确的信息，以便于供电公司进行有目的地投资和规划； 进行电能质量服务的分层治理是针对整个配电网的，可以统筹规划，有利于治理 资源的优化分配，促进社会整体效益的提高。通过算例表明，该定价方法具有可行 性和有效性，为电能的按质定价提供了一条新的途径。 但该方法的定价模型中未考虑用户向供电公司申报的电能质量水平为其非真 实行为。在电力市场条件下，用户与供电公司都在追求自己的利润最大化，用户购 买电能质量服务，不同的电能质量水平对应着不同的价格，各个类型的用户都希望 享用良好的电能质量而支付较少的费用，每个用户都希望通过正确的博弈手段使自 己的利益最大化。供电公司为了争取到更多的用户和售电量实施电能质量服务，目 标也为利益最大化。在这种情况下用户与供电公司之间就产生了利益的冲突，用户 为获得更大的利益，在向供电公司申报其电能质量水平的过程中可能会谎报。 1 5 论文的主要工作 通过对电能质量问题背景的讨论，以及对电能质量管理现状和电能按质定价的 必要性分析中可以看出，计及质量因素的电能定价问题已经越来越受到人们的重 视。本文在充分分析实行电能质量差别定价的市场环境和现有定价模型的基础上， 提出一种基于博弈论的电能质量差别定价方法。该方法充分考虑了现有定价模型的 不足，用博弈论中的方法对模型进行完善，确保实现合理的优质高价。 论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 运用博弈论、微观经济学、电力市场理论的相关知识，明确了电能质量差 别定价应用博弈分析的可行性；通过研究电能质量服务定价中用户及供电公司的行 为特征，得出签订电能质量服务合同的过程，同时也是一个博弈的过程，明确此博 弈过程中的各个要素。 ( 2 ) 提出不完全信息下用户上报策略的模型。用户的上报行为属于非完全信 息静态博弈的过程，根据贝叶斯博弈的显示性原理及激励相容机制，提出了基于博 弈论的电能质量差别定价的数学模型，并采用i e e er b t s b u s3 配电系统进行了验 证分析。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 提出了不完全信息下用户与供电公司激励机制设计的数学模型。通过分 析用户与供电公司间的委托代理问题，将机制设计理论应用于电能质量差别定价 模型中，得出只有当用户上报的电能质量水平为其真实要求时，从供电公司设计的 激励函数中获得的收益才为最大；并通过算例验证了该方法的有效性和可行性。 ( 4 ) 最后，总结全文，指出今后需要就一步开展的工作。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章博弈论及其相关理论研究综述 2 1 博弈论及基本概念 博弈也就是一些个人或组织面对一定的环境条件，遵循某些特定的规则，同时 或先后，一次或多次，分别从允许其选择的行为或策略中做出选择并加以实施，从 中各自取得相应结果获得利益的过程。 博弈论( g a m et h e o r y ) 是专门研究理性个体之间相互冲突和合作的学科【1 0 】，致 力于应用严谨的数学模型来解决现实生活中的利益冲突问题。1 9 4 4 年，由诺依曼 ( n e u m a n n ) 和摩根斯坦( m o r g e n s t e r n ) 合著的博弈论和经济行为首次提出博弈的 概念，标志着博弈理论的初步形成。纳什( n a s h ) 在1 9 5 0 年和1 9 5 1 年发表的两篇关于 非合作博弈的论文，为“非合作博弈”奠定了理论基础。直到2 0 世纪8 0 年代后期， 博弈论才真正进入了繁荣与成熟的发展阶段，非合作博弈论得到了蓬勃的发展。由 于在现实世界中冲突、合作等行为都是常见的现象，因此很多领域在解决问题的过 程中都应用到了博弈论，如政治领域、军事领域和解决国际纠纷等问题。 2 1 1 博弈论的基本概念 博弈论的基本概念【1 3 1 ：包括参与人、策略空间、次序、信息、支付( 获得的 收益) 、结果和均衡，其中参与人、策略和支付( 获得的收益) 是描述一个博弈所需 要的最基本的要素。概括起来，可以从以下几个方面来描述： ( 1 ) 博弈的参与者 也称为局中人或博弈方，是指在博弈过程中能够独立决策、独立实施行动并能 承担决策结果的个人或组织，是决策的主体。不管是一个人还是一个国家，只要满 足上述条件的，都可视为是一个博弈方。在博弈模型中，要求局中人必须是理性的， 清楚地了解如何才能达到自己的目标，实现利益的最大化。一般情况下，博弈的参 与者越多，情况就越复杂，结果也就越难以预料。 ( 2 ) 策略空间 是指各博弈方可分别选择的全部策略或行动的集合。在同一个博弈中，不同的 博弈方可选择的策略或行动常常是不一样的，可能为一，也可能是无限多种。每一 个策略或行动都有一个相应的结果。因此供每个博弈方选择的策略数量越多，相对 应的博弈就越复杂。 ( 3 ) 博弈次序 在博弈中各博弈方做出行动的顺序对于博弈结果的影响是非常大的，同样的参 与者、同样的策略空间，先后决策再加以实施和同时决策并行动，其结果是相差甚 9 华北电力大学硕士学位论文 远的，不同的次序对应的必然是不同的博弈。从这个角度来看，博弈可划分为动态 博弈和静态博弈。 ( 4 ) 博弈信息 信息指的是参与人有关博弈的知识，特别是那些能够影响到最后博弈结果的所 有局中人的情报。信息在博弈中占有非常重要的地位，信息的准确度与多寡就可能 决定了博弈的得失。有关对手的策略以及各博弈方的得益信息是博弈中最重要的信 息。比如，在各博弈方同时做出决策的博弈中，如果让对手知道自己采取的是何种 策略，那么将永远是博弈的输家。 。 ( 5 ) 支付函数 表征了参与人从博弈中获得的效用水平，它是所有参与人策略的函数。当所有 参与人所采取的策略或行动确定下来以后，他们各自就会得到相应的收益，这才是 每个参与人真正关心的东西，理性的参与者总会选择能使自己获得最大收益的博 弈。一般用”，表示第f 个参与者的支付函数，用甜，( 口l ，口。) 表示参与者选择策略 ( 口l ，口。) 时第f 个参与者获得的收益。 ( 6 ) 纳什均衡 ， “均衡 ( e q u i l i b r i u m ) 是所有参与者所选最优策略的组合。纳什均衡( n a s h e q u i l i b r i u m ) 是非合作博弈论中最重要、最基本的一个概念。如果参与人所选的策略 处于这样一种状态，在其他参与人不改变当前策略的前提下，没有任何一个参与人 有积极性改变策略而期望获取更高的收益，也就是说没有任何人愿意打破这种均 衡，这种情况下的博弈就达到了一个纳什均衡。 用数学方法可描述为：在有刀个参与者的博弈g = “，a 。；，材。 中，如果策 略组合 的最优策略选择，则称策略组合 口：，口： 是该博弈的一个 纳什均衡。 即：“，( 口：，口二l ，口；，口二l ，口：) 材，( 口：，口二l ，a ，a i + + i ，口：) 对于所有的a f 么都 成立，也就是说a ；是m a x u ，( 口i ，口- ，a 。，口二l ，一，口：) 的解。 ( 7 ) 重复博弈 重复博弈( r e p e a t e dg a m e s ) ：是指同样结构的博弈重复多次，如果一个博弈重复 地进行，结果就可能发生很大的变化。重复博弈的特征有以下几个方面：每次博 弈之间没有“物质”上的联系，前一次的博弈不影响后一次博弈的结构；所有参 与人都可了解到过去的博弈中参与人做出的选择；参与人总的支付是所有博弈支 付的加权平均值。 值得注意的是，博弈论特别强调参与博弈的各博弈方必须是“理性的这一前 l o 华北电力大学硕士学位论文 提假定，即其唯一的目标就是实现自身利益最大化。即使考虑到其他博弈方或社会 的利益，也是以这个目标为前提的。 2 1 2 博弈的分类 博弈问题可以从不同的角度划分成不同的类别1 1 4 j ： ( 1 ) 根据参与人是否互相联合，从而在博弈过程中达成对各方均有约束力的 协议，可将博弈论分为非合作博弈和合作博弈两个方面。 根据海萨尼的理论，在一个博弈过程中，如果参与人达成的协议具有安全的约 束力，并且能够强制保证其执行的，称为合作博弈( c o o p e r a t i v eg a m e ) ；否则，即使 参与人之间在博弈之前有协议，但是不能强制执行使其发挥效力，则称之为非合作 博弈( n o n c o o p e r a t i v eg a m e ) 。合作博弈是以保证集体利益最大化为前提的，主要是 研究如何进行利益分配的问题。非合作博弈则是以实现个人利益最大化为目标，主 要研究参与人如何在利益相互影响的局势下进行策略选择的问题。由此可知，合作 博弈和非合作博弈二者的研究对象和前提假设均不同，因此它们的分析思路也是不 一样的。 ( 2 ) 按策略空间划分，可分为有限博弈和无限博弈 每一个策略或行动都有一个相应的结果，从理论上讲，有限博弈中博弈方的选 择必然是有限的，而无限博弈中博弈方的选择可能为无穷多种。 ( 3 ) 按照进行博弈的次序划分，可分为静态博弈和动态博弈 静态博弈是指各博弈方同时做出决策并行动的博弈。严格来讲，各博弈方在非 常精确的同一时间做出决策是不可能的，因此，虽然不是同时做出决策的，但是后 做出决策的一方不知道前者采取了什么样的具体决策的均可以认为是静态博弈。各 博弈方不是同时决策，而是有先后顺序，并且后行动的一方能够观察到先行动的一 方所采取的具体行动，这种类型的博弈称为动态博弈。如弈棋就是一种典型的动态 博弈过程。 ( 4 ) 按照博弈信息划分，可分为完全信息博弈和不完全信息博弈 完全信息是指各方对所有博弈方的策略空间和相应的支付情况完全了解，否则 就是不完全信息；在动态博弈中，如果按博弈进程中博弈方对信息的掌握情况划分， 可分为完美信息动态博弈和不完美信息动态博弈。博弈方在决策之前对其他所有博 弈方的行为完全了解的称为完美信息，否则就是不完美信息。 ( 5 ) 按照收益情况划分，可分为零和博弈、常和博弈和变和博弈 一方的获利直接来自另一方的损失，这样的博弈称为零和博弈，零和博弈的各 博弈方始终是对立的关系；各博弈方都有收益，但是收益的总和为一固定常数，这 华北电力大学硕士学位论文 样的博弈称为常和博弈；各博弈方不同的策略组合会对应不同的收益，这样的博弈 称为变和博弈。由此可见，零和博弈是常和博弈的特例。而常和博弈是变和博弈的 特例。 ( 6 ) 综合分类 综合分类是将上面的( 3 ) 和( 4 ) 结合起来的一种分类方法。从这两个方面，可得 到四种不同类型的博弈：完全信息静态博弈、不完全信息静态博弈、完全信息动态 博弈、不完全信息动态博弈。与上述4 类博弈相对应的4 个均衡概念分别是：纳什均 衡、贝叶斯纳什均衡、子博弈精炼纳什均衡、精炼贝叶斯纳什均衡。表2 1 概括了上 面所讲的博弈及对应均衡的分类。 表2 1博弈及对应均衡的分类 2 2 经济问题分析的博弈方法 近年来，博弈论的思想已经渗透到了几乎所有的经济分析领域，改写了微观经 济学，主要体现在对寡头市场理论的完善和信息经济学的快速发展上i l ”。许多经济 问题都可以通过构建一个博弈模型来解决：消费者或厂商等行为主体是参与人，以 消费者的消费量、厂商的产量或价格等来充当策略变量，获得的收益作为支付；支 付与策略变量之间由收益函数联系。与传统分析不同的是，这里的支付函数是所有 参与人策略变量的函数，各参与人之间是利益交织的关系。如果一个博弈中各参与 人的支付仅为自己的函数，与其余参与人的行为无关，并且信息为参与人所共知， 这就是新古典微观经济学研究的问题。这种情况可以看成是一种特殊的博弈：任何 一个参与人的行为给其他参与人造成的影响可以忽略不计，并且各参与人拥有的信 息可看作是完全的。但博弈论学者不会把研究停留在这个层面，博弈论获得了广泛 的成功，原因在于它针对处于各种信息环境中的相关个体间相互交织的关系，提供 了一套严格且完整的分析方法。 “囚徒困境”是一个人们非常了解的博弈，它反映了，一个看起来对所有人都 是最好的结果却被理性的局中人否决了，局中人都自愿挑选了_ 个相对本身来说更 坏的结果。对充分理性的人而言帕累托最优往往是不可能达到的。著名学者张维迎 把这种情况归纳为“个体理性与集体理性的矛盾 。在市场经济下，寡头竞争就是 这样一个典型的囚犯两难博弈：如果各寡头能够联合起来协定产量价格，整个行业 1 2 华北电力大学硕士学位论文 就能被很好的控制，可供各寡头瓜分的利润将达到最大，比单纯的相互之间竞争获 得的利润要多。不过，这种情况极不稳定，因为对其中任何一个成员来说，通过适 当降价并扩大生产将会获得更多的利润。囚犯两难困境从理论上印证了这一客观事 实，即使有反不正当竞争法的制约，市场中主要厂商之间通过秘密协定或者是仅靠 相互之间的默契形成的不同程度的串谋行为并不少见。过去，人们只能将这些现象 归结于产业传统、道德约束等一些非经济因素。今天，经济学家们利用重复博弈中 著名的“佚名定理解释了这一现象。定理表明，如果囚犯两难博弈是重复无穷多 次，或是重复有