基于博弈论的尼日利亚电力市场改革的分析

基于博弈论的尼日利亚电力市场改革的分析TheAnalysisOfNigeriaElectricityMarketRestructuringUsingGameTheory11306030122尼日利亚简介尼日利亚联邦共和国，又译为奈及利亚（台湾），位于北纬06度27分，东经003度24分，处于西非东南部的国家，非洲几内亚湾西岸的顶点，邻国包括西边的贝宁，北边的尼日尔，东北方隔乍得湖与乍得接壤一小段国界，东和东南与喀麦隆毗连，南濒大西洋几内亚湾。尼日利亚资源丰富（石油产量为石油输出国组织第四位），并拥有发展良好的金融、法律、通讯和交通行业。尼日利亚人口约1.5亿，人均GDP约1500美元。3了解落后国家电力市场发展状况的意义随着尼日利亚日利亚电力私有化改革进程加快，西方大公司近年来纷纷进入尼日利亚电力市场寻求发展。目前，美国的GE公司获得美国进出口银行10亿美元贷款支持，开始向尼日利亚出口电力设备。曾于10年前宣布退出尼日利亚市场的跨国电力企业阿西布朗勃法瑞公司（ABB）近日也宣布重返尼日利亚电力市场，并透露未来五年内或将有大规模对尼日利亚投资计划。此外，来自以色列、瑞士、奥地利、英国等国家的投资者也都对外表示将积极参与尼日利亚电力行业私有化改革进程。尼日利亚电力私有化改革路线路图由现任总统乔纳森于2010年8月提出。乔今年4月竞选连任后，开始加快此行业改革进程。文献概况本文作者为尼日利亚两所国立大学的五位学者，其中一位是IEEE高级会员，四位是普通会员。摘要——对电力市场的投资包含很高的关于未来的不确定性。因为只有一些大的参与者在市场中起作用，所以我们也可以把它看做是一种博弈。本文提出了一个动态随机的垄断寡头模型并应用于尼日利亚的电力市场，描述在这种情况下的生产和投资。需求的增长速度用一个具有十年时间跨度的随机变量来模拟。企业的策略包括在负荷基准和峰值时的投资和生产水平。企业采用水电，燃气和蒸汽的机组。使用了采用开环信息结构的样本路径，该模型有助于了解生产，投资和市场力量在时间跨度中期的动态行为。Abstract摘要I.INTRODUCTION前言实践中通常采用博弈论分析相互作用的决策者之间冲突的问题。文献[1][2]及[3]指出在电力市场，博弈论被广泛用来分析电力供应商之间的竞争。博弈是指某些情况下，市场的供应商利用一定的规则和制度条件，故意偏离正常的投标，调度和运作模式，以增加他们的利润。纳什均衡法是被广泛采用的解决博弈问题的方法。在纳什均衡中，一个博弈者如果单方面的改变他的策略而其他博弈者维持自己的策略，那么他的收益会减少。也就是说，在纳什均衡中，每个博弈者的出价是给定的其他博弈者策略下的最优值。文献[1],[3]使用合作博弈理论来分析供应商之间可能的合作和联合。文献[4]中使用非合作博弈理论研究供应商之间的竞争。Notice：纳什均衡的概念假设有n个局中人参与博弈，给定其他人策略的条件下，每个局中人选择自己的纳什均衡最优策略（个人最优策略可能依赖于也可能不依赖于他人的战略），从而使自己利益最大化。所有局中人策略构成一个策略组合（StrategyProfile）。纳什均衡指的是这样一种战略组合，这种策略组合由所有参与人最优策略组成。即在给定别人策略的情况下，没有人有足够理由打破这种均衡。纳什均衡，从实质上说是一种非合作博弈状态。纳什均衡达成时，并不意味着博弈双方都处于不动的状态，在顺序博弈中这个均衡是在博弈者连续的动作与反应中达成的。纳什均衡也不意味着博弈双方达到了一个整体的最优状态。进行市场改革的目的是提高经济效益。文献[10]指出改革既有短期目标也有长期目标。就短期而言，目标是确保能源和输电价格给出正确的信号，这样现有的生产，发电和输电网络都可以被高效地利用。长期目标是诱导高效的电力产能投资，促进技术创新。本文致力于长期目标，并假设尼日利亚电能的生产是完全开放的。也就是说电能生产商可以自由地确定他们的投资和产出，以实现利润最大化。通过这些博弈者的平衡来模拟电力行业的结果。I.INTRODUCTION前言自20世纪90年代初以来，全世界各个国家的电力行业都经历了根本性的转变。传统上被视为自然垄断的电力行业，正由中央协调管理朝着分散和竞争的方向发展。1990年英国成为第一个建立了具有竞争的电力系统的国家，从那之后，许多国家相继实现了这一目标。北欧国家一直处于前列。芬兰，挪威和瑞典之间可以进行电能的交换并且构成了世界上第一个跨国电力市场[5][6][7][8][9]。II.ADYNAMIC-STOCHASTICMODELOFELECTRICITYMARKET电力市场的动态随机模型短期内,发电企业必须决定他们的生产模式，以在给定发电容量的下获得最大化的利润。另一方面，企业必须决定对新增发电容量的投资，以获得长远的利润最大化。这些投资决策都必须在未来高度的不确定性下得到。此外，企业都承认最优的投资水平是在其他企业投资条件下得到的。该模型的最关键的特点是：1）博弈者的策略行为（即定义市场均衡的策略变量）。2）采用的信息结构。3）以及最终纳入模型中的不确定性。经常使用事件树来模拟随机事件。图1显示了一个典型的节点，并可以以各自的概率产生两个增长水平。增长水平致力于并且可以是高（H）或低（L）。而需求参数Aj要受到特定增长水平的实现的影响。当模型具有很多时间段，这些节点就形成了事件树。树上的某个路径就对应于一个事件的场景。每个节点上的博弈者的策略就是考虑所有可能的未来节点以及可能要面对的概率。jATSII.ADYNAMIC-STOCHASTICMODELOFELECTRICITYMARKET电力市场的动态随机模型BC,Atj(H)(L)L,AtjH,AtjFig1.EventtreesscenarioBC=basecase,L=low,H=high.III.THEINFORMATIONSTRUCTURE:SADAPTED信息结构S-adapted通常使用离散时间段来模拟市场的动态，因为我们要在数值上求解模型。连续时间方法对于我们设想的这种模型是不可行的。而离散时间方法对于研究投资决策更加真实自然。如果一个博弈模型有很多的时间段，采用的信息结构对于评估博弈者的策略的稳健性是很重要的。通常，在文献中有三种不同情况的区分，即：开环，反馈，闭环信息结构[11]。在开环结构中策略只是时间和初始状态的函数。反馈结构中的博弈者使用马尔科夫策略，也就是系统的当前状态的函数。闭环结构的策略是基于所有可用的过去的信息和系统的状态以及博弈者的行为。因为闭环信息结构这种策略定义的行为在时间跨度内是完全适应于其他博弈者的决策的所以更加可取。闭环和反馈信息结构中存在的问题是，他们通常使模型的求解变得困难。在本文所考虑的模型表达式中，闭环的求解是有问题的。这主要是由于虽然系统的状态是由博弈者的投资决策所决定的，而给定系统状态的利润只隐含地由通过考虑短期输出变量的纳什均衡状态得到。此外，模型包含了不确定性，进一步复杂了问题。模型将这种不确定性作为一个随机外部变量包含在内，并在每个时间段开始的时候实现（需求增长）。企业自然必须在这个变量的值知道之前做下一时间段的投资决策。文献[12]中提出的一个称为S-adapted的信息结构，能够很好适应考虑到的情况。除了博弈者的策略适应于随机变量的样本轨道（因此命名为S-adapted)外，这种结构和开环结构类似。文献[12]表明，对应于这种信息结构的纳什解法可以使用随机均衡的规划技术来计算，并且可以实现组成树状结构型的随机变量。在整个样本空间采用纳什-古诺均衡计算取代使用随机规划的优化准则，可以让博弈者最大化他们的利润的期望。III.THEINFORMATIONSTRUCTURE:SADAPTED信息结构S-adaptedIII.THEINFORMATIONSTRUCTURE:SADAPTED信息结构S-adapted采用S-adapted信息结构的纳什均衡承担普通的开环解决方法的主要功能。这种平衡符合博弈开始时博弈者必须承诺自己的某些行为模式的情况，尽管在S-adapted的情况下，他们适应于随机变量。然而在某种程度上在应用开环的概念到博弈者可以调整他们的行为以适应其他博弈者的行为的博弈中是存在点问题的。也就是说，即使对某一个博弈者的开环均衡策略优化对于相应的其他博弈者的开环策略是最优的，但是其他博弈者不一定维持原来的策略。问题是，博弈者的最佳策略是在其他博弈者的行为是固定的情况下给出的。如果放宽这个假设，均衡衡通常会不同[13]。尽管有上述的批判，人们还是认为S-adapted开环解法在分析不确定条件下市场的动态行为是有价值的。至少在一定程度上它和在电力领域相关，也就是可以认为企业承诺一段时间的一定的投资计划。此外，某个公司更可能因为外部的冲击调整他们的投资决定而是不其他公司的投资决定。在这个意义上，我们采用的解决方案的概念可以有效的代表生产者的行为。在没有其他模型可以用来分析在寡头垄断具有不确定性情况下的投资动态行为，这一特性具有一定价值。IV.SETOFDATA数据设置IV.SETOFDATA数据设置IV.SETOFDATA数据设置V.TheFormalDefinitionoftheModel模型的正式定义尼日利亚电力行业由许多具有策略性的博弈者和竞争生产环境来表示。在每个时期，博弈者将决定自己的投资和每个生产单元的生产量，并决定向两个市场部分的哪一个出售他们的电能。时间跨度是有限的（10年）。它分为5个两年的时间段。首先，生产策略的制定需要从博弈者获得某些承诺，因为他们不能经常或者轻易地改变自己的生产计划。两年的时间近似是建设新的热电生产单元的时间。第二，所考虑的时间跨度足够长可以投资新的热电容量。换句话说，很短的时间跨度可能无法考虑积极的投资，虽然实际容量可能足以满足需求。在此框架内，每个博弈者试图最大化其利润。为简单起见，假定所有博弈者采取相同的市场贴现率。V.TheFormalDefinitionoftheModel模型的正式定义Theobjectivefunctionequation3.7issimplythediscountedsumoverallfiveperiodsofexpectedrevenuesminustotalproductionandinvestmentcosts,plusthesalvagevalue.Transmissionpricewasnotconsideredfortworeasons.Theobjectivefunctionequation3.7issimplythediscountedsumoverallfiveperiodsofexpectedrevenuesminustotalproductionandinvestmentcosts,plusthesalvagevalue.Transmissionpricewasnotconsideredfortworeasons.VI.CONCLUSION结论本文是一项持续的工作。对上述方程组的计算工作也处于发展的阶段。尼日利亚电力行业将由许多策略性的博弈者和竞争生产的的情况来代表。在每个时期，博弈者将决定自己的投资和每个生产单元的生产量，并决定向两个市场部分的哪一个出售他们的电能。时间跨度是有限的（10年）。它分为5个两年的时间段。完成本文的工作使得消费者可以从最可靠和最便宜的来源获得能源，还能刺激相应部门的投资。21thankyou!merci!谢谢同学们，谢谢廖老师，4周电力市场课程让我受益匪浅！