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淺談博弈論在電力市場中應用

2023年09月26日

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1、博弈論概述
  博弈論又稱為「對策論」,一種使用嚴謹數學模型來解決現實世界中的利害衝突的 理論 。由於衝突、合作、競爭等行為是現實世界中常見的現象,因此很多領域都能 應用 博弈論,例如軍事領域、 經濟 領域、 政治 外交,解決諸如戰術攻防、國際糾紛、定價定產、兼并收購、投標拍賣甚至動物進化等 問題 。
  博弈論的 研究 開始於本世紀,1944年諾依曼和摩根斯坦合著的《博弈論和經濟行為》一書的出版標誌著博弈理論的初步形成,隨後 發展 壯大為一門綜合學科。1994年三位長期致力於博弈論研究實踐的學者納什、海薩尼、塞爾頓共同獲得諾貝爾經濟學獎,使博弈論在經濟領域中的地位和作用得到權威性的肯定。
  2. 博弈論的基本原理和 方法
   文獻 [1][2]用淺白的語言敘述了博弈論的思想精髓和基本概念。文獻[3][4]更注重理論上的 分析 和數學的嚴謹。概括起來,博弈論模型可以用五個方面來描述
  G={P, A, S, I, U}
  P: 為局中人,博弈的參與者,也稱為「博弈方」,局中人是能夠獨立決策,獨立承擔責任的個人或組織,局中人以最終實現自身利益最大化為目標。
  A: 為各局中人的所有可能的策略或行動的集合。根據該集合是否有限還是無限,可分為有限博弈和無限博弈,後者表現為連續對策,重複博弈和微分對策等。
  S:博弈的進程,也是博弈進行的次序。局中人同時行動的一次性決策的博弈,成為靜態博弈,如齊威王和田忌賽馬;局中人行動有先後次序,稱為動態博弈,如下棋。
  I: 博弈信息,能夠 影響 最後博弈結局的所有局中人的情報,如效用函數,響應函數,策略空間等。打仗強調「知己知彼,百戰不殆」,可見信息在博弈中占重要的地位,博弈的贏得很大程度依賴於信息的準確度與多寡。得益信息是博弈中的重要信息,如果博弈各方對各種局勢下所有局中人的得益狀況完全清楚,稱之為完全信息博弈(game with complete information),例如齊威王和田忌賽馬,各種馬的組合對陣的結果雙方都不嚴而喻。反之為不完全信息博弈(game with incomplete information),例如投標拍賣,博弈各方均不清楚對方的估價。在動態博弈中還有一類信息:輪到行動的博弈方是否完全了解此前對方的行動。如果完全了解則稱之為「具有完美信息」的博弈(game with perfect information),例如下棋,雙方都清楚對方下過的著數。反之稱為「不完美信息的動態博弈」(game with imperfect information)。由於信息不完美,博弈的結果只能是機率期望,而不能象完美信息博弈那樣有確定的結果。
  U:為局中人獲得利益,也是博弈各方追求的最終目標。根據各方得益的不同情況,分為零和博弈和變和博弈。零和博弈中各方利益之間是完全對立的。變和博弈有可能存在合作關係,爭取雙贏的局面。
  還有另一類型博弈稱為多人合作博弈,例如安理會投票表決,OPEC聯合限產保價等問題。這類問題重點放在聯盟利益的分配上,它的理論和方法廣泛應用於利益損失的共同分擔問題。多人合作博弈的研究方法主要是特徵函數模型。以個可能的聯盟為定義域,特徵函數表示各個聯盟的得益(N是局中人的數目),它的分配解必須符合一定的合理性和穩定性,它的解的概念也發展成多種多樣,包括穩定集、核心、核仁、Shapely值等。解的多樣性符合現實世界複雜多樣的需要,針對不同的問題選擇或創造合適的解的概念是博弈論深入研究的課題。
  不管博弈各方是合作、競爭、威脅還是暫時讓步,博弈論模型的求解目標就是使自身最終的利益最大化,這種解建立在對方也採取各自「最好策略」為前提,各方最終達到一個力量均衡,也就是說誰也無法通過偏離均衡點而獲得更多的利益。這就是博弈論求解的本質思想。
  3、博弈論與電力市場
  博弈論是研究市場經濟的重要工具。電力作為特殊的商品,它的生產、運輸、銷售和消費也逐漸走向市場化。世界範圍內很多國家的電力 工業 走向放鬆管制、引進競爭的進程中,遇到很多前所未有的新課題,運用博弈論來分析解決其中一些問題是一個研究方向。 用博弈論模擬電力市場,模擬的結果可能更加接近實際,為市場模式設計提供依據。另外,電廠或用電用戶作為市場的參與者,可以用博弈論來分析市場,研究如何報價獲利最大。
  正確運用博弈論關鍵要針對電力市場的特點正確選擇模型和解的概念。例如:力量相當的兩個區域電網之間交換功率的情形比較適合用古諾模型和Nash談判解方法;而自備電廠與公用電網之間的交易可能更適合用Stackleberg模型。還有局中人結盟問題:如何識別合作夥伴,結盟利益如何在聯盟內分配。電力市場環境下,電網輸電作為一項服務,它的網損、固定資產投資如何在 網絡 使用者之間分擔。這些分配問題有不同的概念的解:穩定集,核心,核仁,Shapely值等,如何合理選擇或創造最接近實際的解的概念也是面臨的課題。
  博弈的結果是依賴於擁有的信息,採用什麼樣的信息披露政策是設計電力市場模式的一個方面。例如:電廠競價上網,一個成功的報價不僅取決於自己的實力,還有賴於他人如何報價。但是各方往往不清楚互相之間成本、報價等信息,因為這些信息都是各自的商業秘密。如何處理這種信息既不完全也不完美的博弈是一個重要的課題。反過來,博弈的實驗結果也為電力市場披露怎樣的信息提供依據。
  博弈論和電力市場理論都是很年輕的 科學 ,兩者都有廣闊的發展天地,兩者的結合可以互相促進。
  4、博弈論在電力市場中的應用
  4.1自備電廠與公用電網之間的交易
  開放發電市場的進程中,擁有自備電廠的用戶是一類特殊的市場參與者,它既是用電用戶,也可以是電力的供應者。隨著電力市場深入發展和工業的進步,自備電廠將成長為一支生力軍。

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