導(dǎo)語(yǔ)：關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的電力市場(chǎng)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：孫晶琪冷媛李春杰工作單位：華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院

相關(guān)研究評(píng)述

隨著電力市場(chǎng)化改革的不斷深入，關(guān)于電力市場(chǎng)問題的研究越來越多。現(xiàn)階段的研究成果主要集中在電價(jià)理論、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)、電力負(fù)荷預(yù)測(cè)、新能源和市場(chǎng)力等方面，鮮有關(guān)于電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)問題的研究。在電力市場(chǎng)化改革之前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。DyLiacco［4］對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行劃分，并定義了5種運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建傳統(tǒng)能量管理系統(tǒng)在線靜態(tài)安全分析框架，為電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的研究提供了新思路;丁明等［5］在綜合考慮電力系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全性能的基礎(chǔ)上，提出完整的系統(tǒng)狀態(tài)定義框架，通過概率綜合評(píng)估指標(biāo)體系，探討用于狀態(tài)分析和評(píng)價(jià)的基本模型;程向輝等［6］考慮調(diào)度部門對(duì)信息的采納和對(duì)事件的響應(yīng)，但不考慮系統(tǒng)的恢復(fù)狀態(tài)，劃分了4種運(yùn)行狀態(tài)，確定了電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵性的實(shí)用量化指標(biāo)，采用信息熵算法構(gòu)建決策樹對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，在指標(biāo)和算法上為電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的研究提供參考和借鑒。隨著電力技術(shù)和市場(chǎng)模式的發(fā)展，除了電力系統(tǒng)的物理安全以外，電力市場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)也開始被國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，但是專門的研究較少。簡(jiǎn)洪宇等［7］以市場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)及其判斷原則為依據(jù)劃分了6種電力市場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建反映市場(chǎng)狀態(tài)關(guān)鍵特征的指標(biāo)體系，并運(yùn)用決策樹方法進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，發(fā)現(xiàn)美國(guó)加州電力市場(chǎng)在研究期間內(nèi)正常狀態(tài)只占76%，且頻繁出現(xiàn)警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)和極端狀態(tài)，對(duì)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)影響最大的是電價(jià)，其次還包括市場(chǎng)供需比例、近期同一時(shí)段平均價(jià)格、輔助服務(wù)價(jià)格和阻塞影響等因素。由于電力市場(chǎng)化改革的時(shí)間較短，學(xué)者們探索性地向電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的研究領(lǐng)域發(fā)展，主要從電力市場(chǎng)穩(wěn)定性和電力市場(chǎng)預(yù)警兩個(gè)角度探討電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。雖然關(guān)于經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)預(yù)警的研究具有很長(zhǎng)的歷史，但是這些理論在電力市場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用是近些年才活躍起來的。Alvarado［8］提出電力市場(chǎng)穩(wěn)定性問題，利用數(shù)值方法研究平衡點(diǎn)附近的靜態(tài)穩(wěn)定性問題;Mota等［9］和Alvarado等［10］在動(dòng)態(tài)市場(chǎng)模型中考慮電能不平衡因素和電力系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)因素，得到新的市場(chǎng)模型;盧占會(huì)等［11］提出將實(shí)用穩(wěn)定性理論應(yīng)用于電力市場(chǎng)穩(wěn)定性的研究中，定義了實(shí)用穩(wěn)定、一致實(shí)用穩(wěn)定和實(shí)用漸近穩(wěn)定的判定條件，通過實(shí)證分析確定在電力市場(chǎng)變化中起主要作用的參數(shù)，研究控制電力市場(chǎng)模型實(shí)用穩(wěn)定性的方法;張集等［12］、黃仁輝等［13］和牟濤等［14］分別從電力市場(chǎng)的市場(chǎng)力風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、電力市場(chǎng)價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和電力供需預(yù)警3個(gè)方面進(jìn)行研究。近年來，隨著復(fù)雜系統(tǒng)理論［15］的發(fā)展，人們開始關(guān)注復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)警問題，并將協(xié)同論和突變論應(yīng)用于預(yù)警研究。Li等［16］利用協(xié)同論和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立企業(yè)文化預(yù)警模型，分析福克－普朗克方程及其解的分布，并依此劃定4種不同的企業(yè)文化狀態(tài)。突變論在預(yù)警研究中的應(yīng)用比較廣泛，在水資源安全預(yù)警［17］、工業(yè)事故預(yù)警［18］、能源安全預(yù)警［19］、上市公司財(cái)務(wù)預(yù)警、經(jīng)濟(jì)預(yù)警和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。羅鄂湘等［20］研究突變論在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)預(yù)警中的應(yīng)用，借助經(jīng)濟(jì)分析力學(xué)，以經(jīng)濟(jì)動(dòng)能的函數(shù)和經(jīng)濟(jì)勢(shì)能的函數(shù)為控制變量，確定突變臨界點(diǎn)的判斷方法，取得了良好的實(shí)際預(yù)警效果。目前，還沒有學(xué)者將協(xié)同論和突變論應(yīng)用于電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的識(shí)別和預(yù)警研究中。綜上所述，現(xiàn)階段無(wú)論是關(guān)于電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的研究，還是關(guān)于電力市場(chǎng)穩(wěn)定性等內(nèi)容的研究，都涉及到狀態(tài)劃分、指標(biāo)確定和模型選擇3個(gè)方面，這3個(gè)方面對(duì)于電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)問題的研究是相輔相成的。在電力工業(yè)由傳統(tǒng)模式走向電力市場(chǎng)模式引發(fā)機(jī)構(gòu)重組的過程中，電力市場(chǎng)已經(jīng)變成了一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，但是上述研究?jī)?nèi)容都沒有考慮電力市場(chǎng)的復(fù)雜特性。為此，本研究在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，以電力市場(chǎng)復(fù)雜特性為視角，運(yùn)用協(xié)同論和突變論，對(duì)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的識(shí)別和預(yù)警問題進(jìn)行研究。

電力市場(chǎng)復(fù)雜特性及其演化規(guī)律

電力市場(chǎng)的復(fù)雜特性復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜特性主要包括非線性、多層次、自組織性、開放性、涌現(xiàn)性和自相似性等，基于電力市場(chǎng)復(fù)雜系統(tǒng)的特殊性，本研究只研究電力市場(chǎng)的開放性、涌現(xiàn)性和自相似性3個(gè)特點(diǎn)。電力市場(chǎng)的開放性。耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，系統(tǒng)活動(dòng)依賴于從自然環(huán)境中獲得資源，一個(gè)封閉的系統(tǒng)，無(wú)法與外界環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換，最終會(huì)停止運(yùn)動(dòng)并失去發(fā)展變化的能力。電力市場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)所需要的一次能源、環(huán)境容量、技術(shù)和資金等經(jīng)濟(jì)資源由宏觀系統(tǒng)輸入，電力市場(chǎng)向宏觀系統(tǒng)輸出電能。同時(shí)，電力市場(chǎng)發(fā)展受經(jīng)濟(jì)狀況、環(huán)境政策和產(chǎn)業(yè)政策的約束和影響，這些輸入和輸出主導(dǎo)著電力市場(chǎng)發(fā)展的方向和速度，是電力市場(chǎng)有序發(fā)展的重要?jiǎng)恿碓础鹘y(tǒng)的垂直壟斷的電力工業(yè)是一種相對(duì)封閉的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有充分的交換，無(wú)法提高自身的運(yùn)營(yíng)效率，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源的有效配置。改革后的電力市場(chǎng)，其開放性不斷提高，系統(tǒng)與外界環(huán)境的各種交換也越來越充分，保證了電力市場(chǎng)的有序發(fā)展。值得注意的是，我們關(guān)注的并不是開放性本身，而是由這種開放所產(chǎn)生的系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的各種交換以及在這種交換過程中不斷演化生成的復(fù)雜性。電力市場(chǎng)的涌現(xiàn)性。涌現(xiàn)性即非還原性或非加和性，是系統(tǒng)成員按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式相互作用、相互補(bǔ)充、相互制約而激發(fā)出來的，整體具有而部分不具有的特性。不同的結(jié)構(gòu)方式、不同的相互作用都會(huì)產(chǎn)生不同的涌現(xiàn)性，一旦將系統(tǒng)整體分解為它的組成部分，這種涌現(xiàn)性也將消失。涌現(xiàn)性是復(fù)雜系統(tǒng)區(qū)別于簡(jiǎn)單系統(tǒng)的根本特征。電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的涌現(xiàn)性取決于各市場(chǎng)成員不同的利益目標(biāo)和行為方式以及成員之間的非線性作用關(guān)系，由此形成的整個(gè)系統(tǒng)的功能、行為和結(jié)構(gòu)完全不同于系統(tǒng)成員的個(gè)體行為。例如，電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)希望在獲得利潤(rùn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，發(fā)電企業(yè)希望通過生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)獲得利潤(rùn)，電力用戶希望獲得低價(jià)、高質(zhì)的電能，調(diào)度部門希望實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)調(diào)度，電力監(jiān)管部門則注重對(duì)市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的控制。而電力市場(chǎng)要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)資源的優(yōu)化配置，這是每個(gè)成員都不可能具有的功能和結(jié)構(gòu)。電力市場(chǎng)的自相似性。自相似性即復(fù)雜系統(tǒng)的總體與部分、部分與部分之間在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)或過程上所具有的某種相似性。分形理論用分形維數(shù)研究復(fù)雜系統(tǒng)的自相似性，從而揭示系統(tǒng)內(nèi)部所隱藏的層次性、規(guī)律性和不規(guī)則性。描述這種自相似特征的分形維數(shù)有很多種，如豪斯道夫維數(shù)、相似維數(shù)、信息維數(shù)、計(jì)盒維數(shù)和容量維數(shù)等，對(duì)于一些特殊的復(fù)雜系統(tǒng)而言，其狀態(tài)變量較多，在分析系統(tǒng)的自相似分形特征時(shí)，通常不能對(duì)所有變量都進(jìn)行研究，只能選擇一兩個(gè)變量的時(shí)間序列，關(guān)聯(lián)維是一種比較好的方法。孫晶琪等［21］以1999年1月至2008年12月美國(guó)加州電力市場(chǎng)月平均市場(chǎng)出清電價(jià)的時(shí)間序列為研究對(duì)象，驗(yàn)證了加州電力市場(chǎng)的自相似性。電力市場(chǎng)的演化規(guī)律基于自組織臨界性的演化:內(nèi)部演化動(dòng)力機(jī)制自組織臨界性理論認(rèn)為，有一種復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)，包含眾多的發(fā)生短程相互作用的組元，不需要外界的干預(yù)，僅僅通過其自身的非線性動(dòng)力機(jī)制和各要素間的非線性相互作用，就能夠自發(fā)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的演化，進(jìn)入自組織臨界狀態(tài)。如果一個(gè)系統(tǒng)不需要明顯的外界調(diào)節(jié)就能夠表現(xiàn)出冪律行為，則具有自組織臨界性。因此，冪律分布理論可用來驗(yàn)證系統(tǒng)的自組織臨界性。孫晶琪等［21］以2008年5月1日至2010年4月30日美國(guó)PJM電力市場(chǎng)的日交易電價(jià)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，計(jì)算各時(shí)點(diǎn)電價(jià)的冪指數(shù)，冪指數(shù)介于2．262～3．375之間，且通過顯著性檢驗(yàn)，驗(yàn)證了電價(jià)的冪律分布特點(diǎn)。基于耗散結(jié)構(gòu)的演化:外部演化動(dòng)力機(jī)制耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)通過與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、信息和能量的交換，在外界條件達(dá)到一定閾值時(shí)，就可能從無(wú)序狀態(tài)演變?yōu)橐环N在時(shí)空或功能上的有序狀態(tài)，復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境和狀態(tài)的適應(yīng)過程導(dǎo)致系統(tǒng)從功能到結(jié)構(gòu)的不斷演化。在電力市場(chǎng)化改革的進(jìn)程中，即由垂直壟斷模式到零售競(jìng)爭(zhēng)模式的轉(zhuǎn)變過程中，系統(tǒng)成員之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用使電力市場(chǎng)經(jīng)歷著從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從無(wú)序到有序、從低級(jí)有序到高級(jí)有序的發(fā)展過程，這一發(fā)展過程充分體現(xiàn)了電力市場(chǎng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)過程以及由此帶來的功能和結(jié)構(gòu)的演化。

電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的識(shí)別機(jī)理

基于協(xié)同論的序參量和支配原理協(xié)同論揭示了復(fù)雜系統(tǒng)中大量的子系統(tǒng)是如何通過自組織動(dòng)力和協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)從無(wú)序到有序、從低級(jí)到高級(jí)的協(xié)同演化。支配原理表明，在系統(tǒng)自發(fā)地向有序結(jié)構(gòu)演化的進(jìn)程中，雖然子系統(tǒng)間的協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)是系統(tǒng)演化的動(dòng)力，但變量起到的作用是不同的。在接近質(zhì)變的臨界點(diǎn)時(shí)，變量分成兩類，一類為快變量，阻尼大、衰減快，對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展起不到主導(dǎo)作用;另一類是慢變量，幾乎不衰減，甚至出現(xiàn)臨界無(wú)阻尼的現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用。這些慢變量形成了系統(tǒng)的序參量，并支配系統(tǒng)的行為。序參量數(shù)值隨子系統(tǒng)之間相互作用的變化而變化，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到臨界區(qū)域時(shí)，序參量呈指數(shù)增長(zhǎng)并很快達(dá)到某一飽和值，序參量的值對(duì)應(yīng)了系統(tǒng)所處的不同狀態(tài)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化是由少數(shù)幾個(gè)序參量決定的，序參量代表了系統(tǒng)發(fā)展演化的主要矛盾。因此，找出電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的序參量，就找到了支配電力市場(chǎng)演化的主要矛盾。基于突變論的勢(shì)函數(shù)和狀態(tài)識(shí)別支配原理雖然說明了可以通過序參量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，但是并未嚴(yán)格說明序參量的不同數(shù)值對(duì)應(yīng)怎樣的系統(tǒng)狀態(tài)。突變論運(yùn)用數(shù)學(xué)工具描述系統(tǒng)狀態(tài)的飛躍，給出系統(tǒng)處于不同狀態(tài)時(shí)的參數(shù)區(qū)域，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)也會(huì)隨之變化，當(dāng)參數(shù)到達(dá)某些特定位置時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生狀態(tài)突變。突變論用勢(shì)函數(shù)的洼存在表示穩(wěn)定，用洼取消表示不穩(wěn)定。勢(shì)函數(shù)是系統(tǒng)相對(duì)于自身變量所具有的勢(shì)能，勢(shì)能越大，系統(tǒng)偏離自身現(xiàn)狀的趨勢(shì)越大，系統(tǒng)狀態(tài)越容易發(fā)生改變;勢(shì)能越小，系統(tǒng)偏離自身現(xiàn)狀的趨勢(shì)越小，系統(tǒng)的狀態(tài)越不容易發(fā)生變化。勢(shì)函數(shù)的奇點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的臨界態(tài)，反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定和不穩(wěn)定。研究系統(tǒng)所處的狀態(tài)就是研究系統(tǒng)勢(shì)函數(shù)的變化問題，序參量主導(dǎo)了系統(tǒng)的演化，研究序參量的勢(shì)函數(shù)即能反映整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。因此，構(gòu)造電力市場(chǎng)序參量的勢(shì)函數(shù)，通過勢(shì)函數(shù)的特性反映電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的劃分由突變論可知，勢(shì)函數(shù)的梯度函數(shù)就是系統(tǒng)演化的動(dòng)力方程。假設(shè)電力市場(chǎng)的序參量為x，其勢(shì)函數(shù)用V表示，時(shí)間用t表示，則勢(shì)函數(shù)與序參量的關(guān)系滿足梯度動(dòng)力系統(tǒng)方程，即dVdx=－dxdt(1)勢(shì)函數(shù)存在以下幾個(gè)特殊點(diǎn)。(1)穩(wěn)定點(diǎn)，表現(xiàn)為勢(shì)函數(shù)的極小值點(diǎn)，滿足dVdx=0，d2Vdx2＞0。系統(tǒng)處于勢(shì)能最小位置，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，令系統(tǒng)偏離穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，勢(shì)能增加，在擾動(dòng)后系統(tǒng)將自動(dòng)回到原來勢(shì)能最小的位置。系統(tǒng)偏離自身狀態(tài)的能力最小，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。(2)突變點(diǎn)，表現(xiàn)為勢(shì)函數(shù)的分支點(diǎn)(集)，滿足dVdx=0，d2Vdx2=0。系統(tǒng)演化到突變的臨界狀態(tài)，勢(shì)函數(shù)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，所以系統(tǒng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定性變化也就發(fā)生在該點(diǎn)上。(3)排斥子，表現(xiàn)為勢(shì)函數(shù)的極大值點(diǎn)，滿足dVdx=0，d2Vdx2＜0。系統(tǒng)處于勢(shì)能最大的平衡點(diǎn)，任何微小的擾動(dòng)都能引起狀態(tài)突變，勢(shì)能持續(xù)減小，不能再自動(dòng)恢復(fù)原狀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定。(4)當(dāng)dVdx≠0時(shí)，勢(shì)函數(shù)不存在定態(tài)。系統(tǒng)一直處于調(diào)整、變化的狀態(tài)，既不是穩(wěn)定狀態(tài)，也不是突變狀態(tài)，系統(tǒng)可能走向穩(wěn)定狀態(tài)，也可能走向不穩(wěn)定狀態(tài)。本研究從系統(tǒng)的變化特性角度出發(fā)，根據(jù)勢(shì)函數(shù)的特點(diǎn)，將電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)地劃分為有序、警戒和臨界3種狀態(tài)，分別用A、B、C表示。(1)有序狀態(tài)A。電力市場(chǎng)處于有序、穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，各子系統(tǒng)之間的非線性作用關(guān)系協(xié)調(diào)、有序，各指標(biāo)的微小變化不足以使序參量發(fā)生大的波動(dòng)，不影響電力市場(chǎng)的整體穩(wěn)定性。有序狀態(tài)對(duì)應(yīng)勢(shì)函數(shù)的極小值點(diǎn)，即穩(wěn)定點(diǎn)。(2)警戒狀態(tài)B。電力市場(chǎng)處于一種假象的穩(wěn)定狀況，各子系統(tǒng)之間的非線性作用關(guān)系存在較大的不穩(wěn)定性和潛在的危險(xiǎn)性，各指標(biāo)發(fā)生輕微變動(dòng)時(shí)，序參量就會(huì)出現(xiàn)大的躍變，電力市場(chǎng)出現(xiàn)大的波動(dòng)。此時(shí)的電力市場(chǎng)處于潛在的危險(xiǎn)區(qū)，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)處于發(fā)生突變的邊緣。警戒狀態(tài)對(duì)應(yīng)勢(shì)函數(shù)的極大值點(diǎn)，即排斥子。(3)臨界狀態(tài)C。電力市場(chǎng)打破了原來的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)(可能是有序的，也可能是警戒狀態(tài))，市場(chǎng)的整體運(yùn)營(yíng)情況出現(xiàn)突變，各指標(biāo)的變化情況與突變之前相比出現(xiàn)較大差異。臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)勢(shì)函數(shù)的分支點(diǎn)(集)，即突變點(diǎn)。對(duì)于任一時(shí)刻的電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，均可歸為上述3種狀態(tài)中的一種，但表現(xiàn)程度會(huì)有所不同。電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的識(shí)別規(guī)則任一時(shí)刻的電力市場(chǎng)都對(duì)應(yīng)著勢(shì)函數(shù)空間中的一個(gè)點(diǎn)，對(duì)于勢(shì)函數(shù)中任意一點(diǎn)，可以按照以下方法進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，以一維勢(shì)函數(shù)為例。，將結(jié)果從大到小進(jìn)行排序，選取最大值對(duì)應(yīng)的狀態(tài)作為此時(shí)的電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。可對(duì)任一時(shí)刻狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于二維勢(shì)函數(shù)而言，需要選取一階偏導(dǎo)數(shù)和二階偏導(dǎo)數(shù)4個(gè)指標(biāo)，其他計(jì)算步驟與一維勢(shì)函數(shù)相同。

實(shí)證研究

電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)結(jié)合一般市場(chǎng)效率理論和電力商品特性，在不考慮物理約束的情況下，將體現(xiàn)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的因素劃分為市場(chǎng)結(jié)構(gòu)、市場(chǎng)行為、市場(chǎng)供需、市場(chǎng)交易和市場(chǎng)績(jī)效5個(gè)子系統(tǒng)。市場(chǎng)結(jié)構(gòu)反映電力市場(chǎng)的市場(chǎng)力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)程度，主要指標(biāo)包括勒納指數(shù)、市場(chǎng)集中度(HHI)等。市場(chǎng)行為反映電力市場(chǎng)交易雙方的策略，體現(xiàn)在申報(bào)行為方面，主要指標(biāo)包括報(bào)價(jià)達(dá)上限率、報(bào)高價(jià)比例、市場(chǎng)機(jī)組容量物理持留率、報(bào)價(jià)與成本相差幅度指數(shù)等。市場(chǎng)供需反映電力用戶和發(fā)電廠商之間的電力需求平衡程度，主要指標(biāo)包括申報(bào)供需比、系統(tǒng)可用容量、系統(tǒng)負(fù)荷等。市場(chǎng)交易反映電力交易的結(jié)果，主要指標(biāo)包括成交電量、結(jié)算電價(jià)、中標(biāo)率等。市場(chǎng)績(jī)效體現(xiàn)在資源優(yōu)化配置、生產(chǎn)者和消費(fèi)者剩余等方面，主要指標(biāo)包括產(chǎn)電比、生產(chǎn)者剩余指數(shù)、消費(fèi)者剩余指數(shù)、社會(huì)總剩余等。5．2電力市場(chǎng)協(xié)同演化模型研究電力市場(chǎng)協(xié)同演化的序參量，需刻畫電力市場(chǎng)協(xié)同演化模型。電力市場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜開放的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，市場(chǎng)結(jié)構(gòu)、市場(chǎng)供需等子系統(tǒng)之間非線性的相互作用影響著電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。因此，電力市場(chǎng)的協(xié)同演化模型是一個(gè)非線性動(dòng)力系統(tǒng)模型。記錄電力市場(chǎng)交易的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是非連續(xù)的，灰色理論模型一方面能很好地處理離散數(shù)據(jù)序列，另一方面也能揭示數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，刻畫數(shù)據(jù)的演化發(fā)展情況，本研究在灰色理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建電力市場(chǎng)協(xié)同演化模型。傳統(tǒng)的灰色理論GM(1，N)模型為dxidt=－aixi+∑Nj≠ibjxj(3)其中，－aixi為發(fā)展項(xiàng)，反映變量在演化過程中的增長(zhǎng)情況;bjxj為驅(qū)動(dòng)項(xiàng)，反映其余變量對(duì)第i個(gè)變量的驅(qū)動(dòng)作用［22］，N為變量的數(shù)目。結(jié)合協(xié)同論，反映電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的各指標(biāo)之間既有驅(qū)動(dòng)作用也有抑制作用。令t時(shí)刻第i個(gè)指標(biāo)的發(fā)展項(xiàng)為－aixi(t)，ai為阻尼系數(shù)，反映第i個(gè)指標(biāo)的衰減速度;其余指標(biāo)對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的驅(qū)動(dòng)作用為bjxj(t)，bj為驅(qū)動(dòng)系數(shù);抑制作用為cj(xj)2(t)，cj為抑制系數(shù);外界的干擾為fi(t)。電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的協(xié)同演化模型可表示為朗之萬(wàn)方程的形式，即dxidt=－aixi+∑Nj≠i［bjxj+cj(xj)2］+fi(t)(4)對(duì)變化率進(jìn)行離散化處理，令dxidt=xi(t+1)－xi(t)，t=1，2，…，k－1，k，k為研究的時(shí)間范圍。在電力市場(chǎng)演化過程中，外界干擾對(duì)市場(chǎng)的發(fā)展起隨機(jī)因素的作用，在本研究中令fi(t)=0。5．3序參量方程和勢(shì)函數(shù)在(4)式中，指標(biāo)i的阻尼系數(shù)ai越大，該指標(biāo)的阻尼越大，變化越快，是系統(tǒng)的快變量;反之則為系統(tǒng)的慢變量，慢變量即為系統(tǒng)的序參量。對(duì)于只有一個(gè)序參量的系統(tǒng)，很容易求解勢(shì)函數(shù)。張品一等［23］研究單序參量情況下的電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率問題。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)多序參量狀態(tài)時(shí)，方程組的定態(tài)解性質(zhì)比較復(fù)雜，無(wú)法運(yùn)用勢(shì)函數(shù)進(jìn)行分析。本研究運(yùn)用相關(guān)矩陣賦權(quán)法將多序參量轉(zhuǎn)化成綜合序參量，依然借助勢(shì)函數(shù)的方法進(jìn)行狀態(tài)分析。定義系統(tǒng)綜合序參量為r，r=∑mi=1ωixi，xi為序參量，m為序參量的個(gè)數(shù)，ωi為權(quán)重，0≤ωi≤1，且滿足∑mi=1ωi=1。采用相關(guān)矩陣賦權(quán)法求解權(quán)重ωi，設(shè)指標(biāo)體系中包含n個(gè)指標(biāo)，相關(guān)矩陣為R，有R=r11r12…r1nr21r22…r2nrn1rn2…rnn令Ri=∑nj=1|rij|－1，Ri為第i個(gè)指標(biāo)對(duì)其他(n－1)個(gè)指標(biāo)的總影響。Ri較大，說明第i個(gè)指標(biāo)在指標(biāo)體系中的影響較大，即其作用較大，故其權(quán)重也應(yīng)較大。因此，第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重ωi=Ri∑ni=1Ri，從而得到系統(tǒng)綜合序參量表達(dá)式。電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)序參量協(xié)同論解決問題的基本思想是將高維問題轉(zhuǎn)化為低維問題處理。從目前的研究成果看，識(shí)別序參量最科學(xué)、最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄒ廊皇墙^熱消去法，但是絕熱消去法存在的最大問題是對(duì)于數(shù)量較多的指標(biāo)無(wú)法構(gòu)建協(xié)同演化方程，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)序參量的識(shí)別。因此，建模的首要問題是如何恰當(dāng)?shù)剡x取進(jìn)入模型的解釋變量，即狀態(tài)變量，灰色關(guān)聯(lián)理論能很好地實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量的篩選。對(duì)某區(qū)域電力市場(chǎng)24個(gè)月的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過灰色關(guān)聯(lián)分析，確定HHI、報(bào)高價(jià)比例、申報(bào)供需比、結(jié)算電價(jià)和社會(huì)總剩余5個(gè)指標(biāo)分別代表前述5個(gè)子系統(tǒng)，用x1、x2、x3、x4、x5表示。HHI為某行業(yè)市場(chǎng)上所有企業(yè)市場(chǎng)份額的平方和，衡量一個(gè)產(chǎn)業(yè)的集中程度，通過申報(bào)電量來計(jì)算。報(bào)高價(jià)比例是一定時(shí)期內(nèi)售電方報(bào)價(jià)過高而導(dǎo)致的未成交電量占申報(bào)電量的比例，報(bào)高價(jià)比例越大表明發(fā)電企業(yè)為了獲取更高的收益愿意冒更大的風(fēng)險(xiǎn)。申報(bào)供需比是申購(gòu)電量與申售電量之比，申報(bào)供需比越小，市場(chǎng)越趨近于壟斷型市場(chǎng);申報(bào)供需比越大，市場(chǎng)供應(yīng)越充分，競(jìng)爭(zhēng)性越好。結(jié)算電價(jià)是買賣雙方最后的成交電價(jià)，平穩(wěn)的電價(jià)水平是電力市場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的標(biāo)志。社會(huì)總剩余是按申報(bào)和結(jié)算價(jià)差計(jì)算的生產(chǎn)者剩余和消費(fèi)者剩余之和。具體數(shù)據(jù)如表1所示。為剔除數(shù)量級(jí)的影響，對(duì)數(shù)據(jù)做歸一化處理，用SPSS軟件計(jì)算得到該區(qū)域電力市場(chǎng)的協(xié)同演化方程為由(5)式可以看出，5個(gè)指標(biāo)的阻尼系數(shù)分別為a1=0．58，a2=0．81，a3=0．19，a4=0，a5=0，由小到大依次為a4=a5＜a3＜a1＜a2。根據(jù)協(xié)同論，阻尼系數(shù)越大，指標(biāo)變化越快，對(duì)系統(tǒng)演化的影響越小，這種指標(biāo)是系統(tǒng)中的快變量;反之則為系統(tǒng)中的慢變量，即序參量，這種指標(biāo)是系統(tǒng)演化的主導(dǎo)者。由此可知，x4和x5的阻尼系數(shù)最小，即結(jié)算電價(jià)和社會(huì)總剩余兩個(gè)變量在電力市場(chǎng)演化過程中幾乎不衰減，由此可判斷，這兩個(gè)變量是電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的序參量。5．4．2電力市場(chǎng)序參量的勢(shì)函數(shù)令綜合序參量為r=ω1x4+ω2x5，采用相關(guān)賦權(quán)法求得ω1=ω2=0．50。用泰勒級(jí)數(shù)展開法構(gòu)造綜合序參量的協(xié)同演化方程，擬合結(jié)果為drdt=－0．32+3．12r－9．09r2+7．88r3(6)由(1)式可知，電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)為V=0．32r－1．56r2+3．03r3－1．97r4(7)勢(shì)函數(shù)的演化如圖1所示。

Figure1PotentialFunctionofElectricityMarketOperationSystem從圖1可以看出，在研究時(shí)期內(nèi)，電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況可能會(huì)出現(xiàn)警戒和有序兩種狀態(tài)，沒有臨界狀態(tài)，即市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況不會(huì)發(fā)生突變。電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)識(shí)別按照識(shí)別規(guī)則，該區(qū)域電力市場(chǎng)處于有序狀態(tài)uA(x)=1時(shí)的(xAr，xAp)=(0，0．53)，處于警戒狀態(tài)uB(x)=1時(shí)的(xB1r，xB1p)=(0，－0．39)以及(xB2r，xB2p)=(0，－0．55)。對(duì)24個(gè)月的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，得到的總體情況統(tǒng)計(jì)如圖2所示。圖2中Y軸正半軸代表有序狀態(tài)，負(fù)半軸代表警戒狀態(tài)，其絕對(duì)值表示隸屬程度。在這24個(gè)月中，整體運(yùn)營(yíng)狀況較理想，其中有18個(gè)月處于有序狀態(tài)，且警戒狀態(tài)的出現(xiàn)呈現(xiàn)一定的周期性特征。出現(xiàn)警戒狀態(tài)的交易月份分別為1、2、9、13、14、24共6個(gè)月份，結(jié)算電價(jià)和社會(huì)總剩余都分別處于極高、極低或波動(dòng)較大狀態(tài)，并且有5個(gè)月是冬季的春節(jié)前后，警戒狀態(tài)表現(xiàn)出一定規(guī)律性，這種變化規(guī)律與實(shí)際數(shù)據(jù)變動(dòng)情況吻合，并且與該區(qū)域電力市場(chǎng)所處的地理位置及其特殊的市場(chǎng)交易模式吻合。由于結(jié)算電價(jià)和社會(huì)總剩余是該區(qū)域電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的序參量，主宰著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)，因此保證這兩個(gè)變量在合理范圍內(nèi)變動(dòng)是市場(chǎng)有序運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，也是監(jiān)管部門重點(diǎn)監(jiān)管的對(duì)象。

本研究基于電力市場(chǎng)的復(fù)雜特性及其演化規(guī)律，運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)理論對(duì)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行研究。運(yùn)用協(xié)同論構(gòu)建電力市場(chǎng)協(xié)同演化模型，揭示電力市場(chǎng)子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系;運(yùn)用突變論，根據(jù)序參量特性構(gòu)建電力市場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)，通過勢(shì)函數(shù)的變化特點(diǎn)對(duì)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，定義了3種電力運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，并構(gòu)建狀態(tài)識(shí)別規(guī)則。以2007年至2008年某區(qū)域電力市場(chǎng)的月度運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)證分析，研究結(jié)果表明，該區(qū)域電力市場(chǎng)的序參量為結(jié)算電價(jià)和社會(huì)總剩余，它們是對(duì)該區(qū)域電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)起決定作用的關(guān)鍵因素。在研究期內(nèi)，電力市場(chǎng)出現(xiàn)了警戒和有序兩種狀態(tài)，沒有臨界狀態(tài)，且有75%的時(shí)間處于有序運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，當(dāng)序參量過高或過低時(shí)，該區(qū)域電力市場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)警戒狀態(tài)。因此，對(duì)該區(qū)域電力市場(chǎng)實(shí)施監(jiān)管的各項(xiàng)措施都要以結(jié)算電價(jià)和社會(huì)總剩余為中心。目前，有3種方程可以進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)同演化分析，分別是主方程、朗之萬(wàn)方程和福克－普朗克方程，福克－普朗克方程最能體現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)非線性演化關(guān)系，但是只適用于兩個(gè)狀態(tài)變量分析，無(wú)法應(yīng)用到本研究中。后續(xù)工作是研究更加科學(xué)、合理的協(xié)同演化方程。