一种引入期货的电力市场仿真方法、仿真系统及电子设备

摘要

本发明提供了一种引入期货的电力市场仿真方法、仿真系统及电子设备，所述方法包括如下步骤：根据SCED电力调度模型和发电侧最优报价模型构建仿真电力市场环境；根据标准电力期货合约设计月度基荷电力期货合约，并在所述仿真电力市场环境中引入所述月度基荷电力期货合约；将所述月度基荷电力期货合约按照预定规则得到仿真结果。本发明以市场仿真的方法分析了引入该电力期货对现货市场价格的影响，有效分析出了引入电力期货对电价和发电组收益的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种引入期货的电力市场仿真方法、仿真系统及电子设备。

背景技术

随着电力体制市场化改革的深入，我国电力现货市场建设逐步推进，但市场化的运营也将为电力市场参与者带来电价波动的风险。随着电力现货市场建设价格机制的逐步完善，电力现货价格的波动给电力市场的参与者带来的风险将逐渐突显出来。作为重要的风险管理工具，电力期货在各大成熟的电力市场中有着广泛的应用。我国电力市场正处于建设初期阶段，电力期货的引入也势必会对当前的现货市场带来影响。

电力期货是一种重要的电力金融衍生品，它以期货合约的方式进行交易，并由期货交易所统一设计制定、组织结算。自1995年世界第一份电力期货合约在北欧电力交易所推出以来，电力期货为各国电力生产和电力价格平稳发挥了重要作用并为电力市场参与者提供了一种风险管理手段。待时机成熟时，探索开展电力期货和场外电力金融衍生品的交易，为发电企业、售电企业和用户提供中长期电价标杆和现货市场风险控制工具。目前，我国的电力中长期交易由电力交易中心组织管理，主要的交易品种只在发电企业与大用户或售电公司间进行交易，本质上与广泛流动的金融避险产品有着较大的差异。然而，随着我国电力市场化改革的逐步推进，市场主体对于电力期货等金融衍生品的需求也将逐步凸显。此外，电力期货的引入也势必会对电力现货市场的价格波动造成影响。

因此，研究一种电力现货市场仿真方法来定量分析电力期货引入后对现货市场价格的影响极为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出一种引入期货的电力市场仿真方法、仿真系统及电子设备，以得到引入电力期货前和引入电力期货后的基荷电价变化，从而分析电力期货对现货市场的影响。

本发明实施例的第一方面提供一种引入期货的电力市场仿真方法，包括：

根据SCED电力调度模型和发电侧最优报价模型构建仿真电力市场环境；

根据标准电力期货合约设计月度基荷电力期货合约，并在所述仿真电力市场环境中引入所述月度基荷电力期货合约；

将所述月度基荷电力期货合约按照预定规则得到仿真结果。

进一步地，所述根据SCED电力调度模型和发电侧最优报价模型构建仿真电力市场环境的步骤具体包括：

根据发电成本和总调度成本构建SCED电力调度模型，并根据发电成本和市场用电负荷构建发电侧最优报价模型。

进一步地，所述根据发电成本和总调度成本构建SCED电力调度模型的步骤包括：

在安全性约束条件下，按照以下目标函数构建SCED电力调度模型：

式中，P

进一步地，所述SCED电力调度模型满足发电机组的发电功率约束、输电线路的输电功率约束、节点的电压约束和系统稳定运行约束，其中，

第i个发电机组(i＝1,2…,m)的发电功率约束表示为：

式中

第i条输电线路(i＝1，2…，l)的输电功率约束表示为：

式中

第i个节点(i＝1，2…，n)的电压约束表示为：

V

式中V

根据基尔霍夫定律(Kirchoff’s Law)，所述系统稳定运行的约束表示为：

式中，

进一步地，所述根据发电成本和市场用电负荷构建发电侧最优报价模型的步骤包括：按照以下线性竞价函数构建所述最优报价策略模型：

E

式中，P

其中，第i个发电机组(i＝1，2...，m)的报价系数通过求解以下优化问题得到，

约束条件为：

式中，S为市场结算电价；

且第i个发电机组(i＝1，2...，m)的对手发电机组j(j≠i)的报价系数α

式中，ρ

进一步地，所述根据标准电力期货合约设计月度基荷电力期货合约的步骤包括：

设定电力期货合约单位、交割期、每手合约大小、合约电价、合约期结算价格和合约交割方式；所述电力期货合约单位为预定合约单位，所述交割期为次月所有时间，所述合约电价为上一年与交割期同月份的月均基荷电价，所述合约期结算价格为合约月份每天的日均基荷现货电价的算术平均值，所述合约交割方式为现金交割；

确定月均基荷电价、每手空方合约价值和合约手数，并根据所述月均基荷电价和合约手数确定报价策略、结算电价、空方收益和多方收益；

其中，所述月均基荷电价表示为：

E(S

式中，S

在交易期第t天的每手空方合约价值

式中，I

交易日第t天的每手所述电力期货合约的空方价值表示为：

第i个发电机组在交易日第t天交易的合约手数x

式中，p

第i个发电机组每天制定报价策略的目标函数表示为：

式中，X

在交割月第t天时，发点机组对结算电价的预期值表示为：

式中，S

每手合约结算后的空方收益B

B

式中，S

进一步地，所述将所述月度基荷电力期货合约按照预定规则得到仿真结果的步骤包括：

仿真在引入电力期货后市场平均电价、月均基荷电价和各发电机组总收益的变化数据，并与没有引入电力期货时市场平均电价、月均基荷电价和各发电机组总收益的变化数据进行定量分析。

本发明实施例的第二方面提供一种引入期货的电力市场仿真系统，所述系统包括：

仿真环境构建模块，用于根据SCED电力调度模型和发电侧最优报价模型构建仿真电力市场环境；

电力期货合约设计模块，用于根据标准电力期货合约设计月度基荷电力期货合约，并在所述仿真电力市场环境中引入所述月度基荷电力期货合约；

仿真模块，用于将所述月度基荷电力期货合约按照预定规则得到仿真结果。

本发明实施例的第三方面提供一种电子设备，包括至少一个处理器；

以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令程序，所述指令程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的方法。

本发明实施例的第四方面提供一种在引入期货的电力市场仿真系统中使用的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括上述的功能模块。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明基于安全约束经济调度与发电侧基于对手不完全信息的最优报价策略对电力市场进行了仿真，同时根据全球已上市的电力期货合约设计了一种月度基荷电力期货合约，并以市场仿真的方法分析了引入该电力期货对现货市场价格的影响，有效分析出了引入电力期货对电价和发电组收益的影响。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的引入期货的电力市场仿真方法的流程图；

图2为图1中步骤S200的流程图；

图3为本发明实施例所采用的SCED电力调度模型模拟的IEEE 14-bus的电网系统；

图4为本发明实施例中模拟环境中的各发电机组的部分参数；

图5为本发明实施例中模拟环境中所用的各节点的用电负荷系数；

图6为本发明实施例中仿真结果分析中引入电力期货与不引入电力期货两种情况下的市场平均电价的变化趋势分析图；

图7为本发明实施例中仿真结果分析中引入电力期货与不引入电力期货两种情况下仿真中1号节点的月平均基荷电价分析图；

图8为本发明实施例中仿真结果分析中引入期货合约后各月1号节点的月均基荷电价相较于不引入期货时变化的比例，若为正则代表价格上涨，若为负则代表下降分析图；

图9为本发明实施例中的仿真结果分析之引入电力期货与不引入电力期货两种情况下各发电机组的总收益分析图。

图10为本发明实施例所提供的引入期货的电力市场仿真系统的结构框图；

图11为本发明实施例中电子设备一个实施例示意图

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见图1，本发明实施例提供一种引入期货的电力市场仿真方法，包括步骤：

S100、根据SCED电力调度模型和发电侧最优报价模型构建仿真电力市场环境。

其中，本发明实施例根据发电成本和总调度成本构建SCED(SecurityConstrained Economic Dispatch，SCED，安全约束经济调度)电力调度模型，并根据发电成本和市场用电负荷构建发电侧最优报价(Optimal Bidding Strategies of ImperfectInformation Among Competitive Generator)模型。并将SCED电力调度模型和发电侧基于对手不完全信息的最优报价模型作为发电侧最优报价模型。

下面对两个模型的构建过程进行详细描述。

SCED模型是一种电力调度模型。在安全性约束条件下，SCED以最小经济成本进行电力调度，满足市场的电力需求。对一个有m个机组、n个节点和l条线路的电力市场，SCED模型的目标函数为

式中，P

第i个发电机组(i＝1,2…,m)的发电功率约束可表示为

式中

第i条输电线路(i＝1，2...，l)的输电功率约束可表示为

式中

第i个节点(i＝1，2...，n)的电压约束可表示为

V

式中V

根据基尔霍夫定律(Kirchoff’s Law)，系统稳定运行的约束可表示为，

式中，

SCED模型的节点边际电价描述了增加单位节点出力所增加的成本，其实质是电力系统按该经济调度模型运行时的影子价格，可由SCED模型中的优化问题的一阶KKT条件求得。将SCED的优化问题转化为等价的拉格朗日函数，

式中

发电机组在进行竞价时，一般会根据市场用电负荷、发电成本、对手企业竞价策略等因素调整自己的报价策略，以实现自身企业的利益最大化。本发明实施例采用基于对手不完全信息的最优报价策略模型。该模型是一种发电侧最优报价模型，它为电力市场中竞价发电机组在基于对手不完全信息时，根据市场用电需求的预期制定各自最优报价策略提供了方法。

基于对手不完全信息的最优报价策略模型假设发电机组需要向电力交易所提供一个线性竞价函数，可表示为

E

式中，P

因此，对于一个含有m个机组的电力市场，为最大化自身利益，第i个发电机组(i＝1，2...，m)的报价系数可通过求解以下优化问题得到，

约束条件为，

式中，S为市场结算电价；

然而，由于电力市场采用暗标竞价，对于第i个发电机组而言，其他机组的报价系数是未知的，即上式中的

式中，ρ

在本实施例中，基于对手不完全信息的最优报价策略模型有两种求解方法，分别为蒙特卡洛法与优化法，对于两种求解方法的求解过程，本发明实施例不做详细阐述。而在本发明实施例的仿真方法中，假设各发电机组以上年同日的日平均用电功率为市场用电功率需求的预期进行竞价策略的确定，同时选用蒙特卡洛法模拟各发电机组预测对手竞价行为的方法。

基于上述SCED电力调度模型和发电侧最优报价模型，本发明实施例构建了一个仿真电力市场环境，该仿真电力市场环境与真实电力市场环境极为近似，可有效作为后续引入电力期货后的电力市场环境。

步骤S200、根据标准电力期货合约设计月度基荷电力期货合约，并在所述仿真电力市场环境中引入所述月度基荷电力期货合约。

本发明实施例根据目前实际电力期货市场中主流的标准电力期货合约，设计月度基荷电力期货合约，如图2所示，包括步骤：

S201、设定该月度基荷电力期货合约中电力期货合约单位、交割期、每手合约大小、合约电价、合约期结算价格和合约交割方式；所述电力期货合约单位为预定合约单位，所述交割期为次月所有时间，所述合约电价为上一年与交割期同月份的月均基荷电价，所述合约期结算价格为合约月份每天的日均基荷现货电价的算术平均值，所述合约交割方式为现金交割。

S202、确定月均基荷电价、每手空方合约价值和合约手数，并根据所述月均基荷电价和合约手数确定报价策略、结算电价、空方收益和多方收益。

下面针对上述过程进行具体描述。

假设每月均为30天的情况下，本发明实施例所设计的月度基荷电力期货合约中，该电力期货合约单位为0.1MW；交割期为次月1日0：00至次月30日24：00；每手合约大小为0.1MW×30天×24小时＝72MWh；合约电价为上一年与交割期同月份的月平均基荷电价；合约期结算价格(Settlement Price)为合约月份每天的日均基荷现货电价的算术平均值；合约交割方式为现金交割；交易所允许发电机组与电力零售商于当年1月1日0：00至当年12月31日24：00自由签订任意数量该合约；无合约交易费用。

因此，每手上述合约结算后的空方收益B

B

式中，S

式中，I

在本发明实施例的仿真方法中，假设市场中发电机组只签订空方(Short Side)合约，电力零售商只签订多方(Long Side)合约；在每月第t天(即交易日第t天)，市场用可观测到的本月日均基荷电价与上一年同月的日均基荷电价的相关性预测下月月均基荷电价与上一年同月月均基荷电价的关系，即市场对于下月月均基荷电价的预期在交易日第t天24：00可表示为，

E(S

式中，S

同时，我们假设各发电机组只在每个交易日的24：00进行一次期货合约的交易，且各发电机组的期货合约需求曲线为线性需求曲线。因此第i个发电机组在交易日第t天交易的合约手数x

式中，p

在未引入电力期货时，为最大化自身利益，各发电机组需要在上述的约束条件之下，对优化问题进行求解；但在引入电力期货后，由于发电机组制定的报价策略将会影响市场电价，而期货合约的收益又与市场电价相关，所以发电机组不仅需要考虑发电成本，同时也需要考虑电力期货合约带来的收益或损失。因此，在引入电力期货后，第i个发电机组每天制定报价策略的目标函数可重新表示为，

式中，X

式中，S

步骤S300、将所述月度基荷电力期货合约按照预定规则得到仿真结果。

本发明实施例仿真在引入电力期货后市场平均电价、月均基荷电价和各发电机组总收益的变化数据，并与没有引入电力期货时市场平均电价、月均基荷电价和各发电机组总收益的变化数据进行定量分析。在引入该电力期货合约后，可以在该模拟环境中有效查看各发电机组的各项参数、所用的各节点的用电负荷系数等变化数据，并可以进行以下定量分析：1)引入电力期货与不引入电力期货两种情况下的市场平均电价的变化趋势；2)引入电力期货与不引入电力期货两种情况下月平均基荷电价变化；3)引入期货合约后各月特定时间特定节点的月均基荷电价相较于不引入期货时变化的比例；4)引入电力期货与不引入电力期货两种情况下各发电机组的总收益。

为了对上述分析做详细论证，本发明实施例给出了一种电网系统中的仿真分析结果，具体如下：图3为本发明实施例所采用的安全约束经济调度模型模拟的IEEE 14-bus的电网系统。在该电网系统中，图4为本发明实施例中模拟环境中的各发电机组的部分参数；图5为本发明实施例中模拟环境中所用的各节点的用电负荷系数。

基于该电网系统，本发明实施例根据仿真结果可以分析引入电力期货与不引入电力期货两种情况下的市场平均电价的变化趋势，图6为本发明实施例中仿真结果分析之引入电力期货与不引入电力期货两种情况下的市场平均电价的变化趋势分析，从结果中可以发现引入电力期货后，部分用电高峰月的价格有明显下降，市场电价的波动幅度也有所降低，即电力期货能够对部分高峰用电月的现货市场价格起到明显的平抑作用。但无论引入电力期货与否，市场平均电价总是与平均用电功率正相关。

图7为本发明实施例中仿真结果分析之引入电力期货与不引入电力期货两种情况下仿真中1号节点的月平均基荷电价分析，可以发现：一方面，引入电力期货会使节点平均用电功率较高月份的电价明显降低，即减少电价的波动；另一方面，平均用电功率越高的月份，电价降低的额度越大，即降价空间与节点平均用电功率正相关，但电价的降幅与节点平均用电功率无关。

图8为本发明实施例中仿真结果分析之引入期货合约后各月1号节点的月均基荷电价相较于不引入期货时变化的比例，若为正则代表价格上涨，若为负则代表下降。通过仿真，本发明实施例可以有效确定月均基荷电价在引入期货合约后的比例变化。

图9为本发明实施例中的仿真结果分析之引入电力期货与不引入电力期货两种情况下各发电机组的总收益分析，结果显示：尽管期货合约的签订会使用电功率较高月份的现货电价得到平抑，但由于发电机组在签订期货合约时已获得了一部分的收益，所以发电机组的收益在引入或者不引入电力期货的两种情况下并未发生明显变化。

综上所述，本发明实施例所提供的引入期货的电力市场仿真方法，该仿真方法采用了安全约束经济调度模型仿真了电力市场的调度，并以节点边际电价作为现货市场的出清价格。还采用了基于对手不完全信息的最优报价策略模型并选用蒙特卡洛法模拟各发电机组预测对手竞价行为，来生成各发电机组的报价策略。并且根据全球已上市的电力期货合约设计了一种月度基荷电力期货合约。最后，得到引入电力期货前和引入电力期货后的平均节点电价、平均用电功率、月均基荷电价和各发电机组总收益的变化趋势，有效分析出了引入该电力期货对现货市场价格的影响。

本发明实施例还提供了一种引入期货的电力市场仿真系统，如图10所示，该系统包括：

仿真环境构建模块10，用于根据SCED电力调度模型和发电侧最优报价模型构建仿真电力市场环境；

电力期货合约设计模块20，用于根据标准电力期货合约设计月度基荷电力期货合约，并在所述仿真电力市场环境中引入所述月度基荷电力期货合约；

仿真模块30，用于将所述月度基荷电力期货合约按照预定规则得到仿真结果。

应当说明的是，上述实施例中提供的引入期货的电力市场仿真系统和引入期货的电力市场仿真方法均是基于相同的发明构思。因此，引入期货的电力市场仿真方法中各个具体实施例的步骤均可以由对应的功能模块所执行，功能模块中具体的功能也可以在引入期货的电力市场仿真系统中具有对应的方法步骤，在此不再赘述。

综上，本发明实施例提供的引入期货的电力市场仿真系统和引入期货的电力市场仿真方法，针对电力期货引入是否对现货市场价格有所影响的问题，提供了一套完整的仿真电力市场环境搭建流程和期货合约设计标准，其仿真过程就是电力市场引入期货合约在电脑里的模拟展现，直观，精准。而且可以针对不同的电力环境和分析需要，搭建不同的仿真电力市场环境和设计不同的期货合约。

图11为本申请实施例提供的电子设备的硬件结构示意图，该设备包括：一个或多个处理器801以及存储器802。图11中以一个为例。其中，处理器801以及存储器802可以通过总线或者其他方式连接，图11中以通过总线连接为例。

存储器802作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中基层找平设计系统对应的程序指令/模块。处理器801通过运行存储在存储器802中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中基层找平设计系统。

存储器802可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据基层找平设计系统的使用所创建的数据等。此外，存储器802可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器802可选包括相对于处理器801远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至基层找平设计系统。上述网络的实施例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

上述电子设备可执行本申请实施例所提供的系统或方法，具备执行该系统或方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的系统或方法。

并且，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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。