[논문 리뷰] A Structural Characterization of Market Power in Power Markets.

Weixuan Lin, Eilyan Bitar|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Electric Power System Optimization인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전력시장의 전송 제약 조건 하에서 수요가 탄성 없고, 능력 제약을 받는 발전자가 현지 마진 가격 설정 방식 하에서 공급 함수를 전략적으로 설정하는 나시 균형 모델을 사용하여 시장 권력의 구조적 기반을 분석한다. 할당 효율성 손실과 가격 마크업의 상한을 유도하고, 이를 시장 구조 지표인 시장 점유율과 잔여 공급 지수와 연결하며, 네트워크 확장이 오히려 발전 비용을 증가시킬 수 있는 조건을 규명함으로써, 시장 권력의 구조적 원인을 드러낸다.

ABSTRACT

We consider a market in which capacity-constrained generators compete in scalar-parameterized supply functions to serve an inelastic demand spread throughout a transmission constrained power network. The market clears according to a locational marginal pricing mechanism, in which the independent system operator (ISO) determines the generators' production quantities to minimize the revealed cost of meeting demand, while ensuring that network transmission and generator capacity constraints are met. Under the stylizing assumption that both the ISO and generators choose their strategies simultaneously, we establish the existence of Nash equilibria for the underlying market, and derive an upper bound on the allocative efficiency loss at Nash equilibrium relative to the socially optimal level. We also characterize an upper bound on the markup of locational marginal prices at Nash equilibrium above their perfectly competitive levels. Of particular relevance to ex ante market power monitoring, these bounds reveal the role of certain market structures---specifically, the \emph{market share} and \emph{residual supply index} of a producer---in predicting the degree to which that producer is able to exercise market power to influence the market outcome to its advantage. Finally, restricting our attention to the simpler setting of a two-node power network, we provide a characterization of market structures under which a Braess-like paradox occurs due to the exercise of market power---that is to say, we provide a necessary and sufficient condition on market structure under which the strengthening of the network's transmission line capacity results in the (counterintuitive) increase in the total cost of generation at Nash equilibrium.

연구 동기 및 목표

• 전송 제약 조건이 있는 전력시장에서 전략적 발전자가 존재할 경우 나시 균형이 존재하는지 확인하는 것.
• 나시 균형 하에서 사회적 최적 상태 대비 할당 효율성 손실의 최대치를 정량화하는 것.
• 현지 마진 가격의 마크업 상한을 경쟁 수준 이상으로 특성화하는 것.
• 시장 점유율과 잔여 공급 지수와 같은 시장 구조 지표가 시장 권력 잠재력 예측에 얼마나 기여하는지 규명하는 것.
• 네트워크 용량 강화가 균형 상태에서 총 발전 비용을 증가시키는 조건을 규명하여 브래스 유사 역설을 드러내는 것.

제안 방법

• 탄성 없는 수요와 능력 제약을 받는 발전자를 갖는 전력시장을 스칼라 매개변수화된 공급 함수로 모델링한다.
• ISO가 네트워크 및 용량 제약 조건 하에서 비용을 최소화하도록 하는 현지 마진 가격 메커니즘을 적용한다.
• ISO와 발전자 간의 동시적 행동을 가정하여 나시 균형 존재성을 확립한다.
• 게임 이론 및 네트워크 흐름 최적화 기법을 사용하여 효율성 손실과 가격 마크업의 해석적 상한을 도출한다.
• 브래스 유사 역설이 발생하는 조건을 특성화하기 위해 이중 노드 네트워크로 분석을 제한한다.
• 시장 권력 잠재력 평가를 위한 구조적 지표로 잔여 공급 지수와 시장 점유율을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전송 제약 조건이 있는 전력시장에서 나시 균형 상태에서 발생할 수 있는 할당 효율성 손실의 최대치는 얼마인가?
• RQ2 전략적 행동 하에서 현지 마진 가격은 완전 경쟁 수준보다 얼마나 높아질 수 있는가?
• RQ3 발전자의 시장 점유율과 잔여 공급 지수는 그 시장 권력 행사 능력을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ4 어떤 구조적 조건에서 전송 용량을 증가시키면 균형 상태에서 총 발전 비용이 증가하는가?
• RQ5 어떤 시장 구조가 전력망 균형에서 브래스 유사 역설을 유도하는가?

주요 결과

• 사회적 최적 상태 대비 나시 균형에서의 할당 효율성 손실 상한이 도출되었으며, 이는 전략적 행동으로 인한 최악의 비효율성을 정량화한다.
• 완전 경쟁 수준 이상의 현지 마진 가격 마크업 상한이 확립되었으며, 이는 가능한 최대 수준의 가격 조작 가능성을 보여준다.
• 시장 점유율과 잔여 공급 지수는 발전자가 시장 권력을 행사할 잠재력을 예측하는 핵심 구조적 지표로 규명되었다.
• 이중 노드 네트워크에서 나시 균형 상태에서 전송 용량 강화가 총 발전 비용을 증가시키는 데 필요한 필수 및 충분 조건이 도출되었다.
• 논문은 전력시장에서 브래스 유사 역설을 드러냈다: 네트워크 용량 개선이 전략적 시장 권력으로 인해 균형 결과를 악화시킬 수 있다.
• 결과들은 시장 구조와 네트워크 구조를 기반으로 시장 권력 리스크를 사전 평가할 수 있는 감시 도구를 제공한다.