[论文解读] Electricity Pooling Markets with Strategic Producers Possessing Asymmetric Information I: Elastic Demand

Mohammad Rasouli, Demosthenis Teneketzis|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2014

Smart Grid Energy Management参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文提出了一种针对具有非对称信息和弹性需求的战略性发电厂商的电力池市场机制。该机制通过与集中社会福利最大化一致的纳什均衡结果，确保个体理性、预算平衡、价格效率和帕累托效率。

ABSTRACT

In the restructured electricity industry, electricity pooling markets are an oligopoly with strategic producers possessing private information (private production cost function). We focus on pooling markets where aggregate demand is represented by a non-strategic agent. We consider demand to be elastic. We propose a market mechanism that has the following features. (F1) It is individually rational. (F2) It is budget balanced. (F3) It is price efficient, that is, at equilibrium the price of electricity is equal to the marginal cost of production. (F4) The energy production profile corresponding to every non-zero Nash equilibrium of the game induced by the mechanism is a solution of the corresponding centralized problem where the objective is the maximization of the sum of the producers' and consumers' utilities. We identify some open problems associated with our approach to electricity pooling markets.

研究动机与目标

• 解决在战略行为和非对称信息下缺乏高效、激励相容的电力市场机制的理论框架问题。
• 设计一种市场机制，确保在具有弹性需求的池市场中实现个体理性、预算平衡和价格效率。
• 在发电厂商拥有私有成本信息的前提下，实现去中心化纳什均衡与集中社会福利最大化结果的一致性。
• 为电力市场中的机制设计提供理论基础，特别是针对具有信息不对称的动态、寡头市场设置。
• 为在现实假设（如私有信息和弹性需求）下分析电力市场中的战略行为奠定基础。

提出的方法

• 提出一个机制 $(\mathcal{M}, h)$，其中厂商提交包含生产数量 $\hat{e}_i$ 和价格 $p_i$ 的出价，形成消息空间 $\mathcal{M}_i = [0,2] \times \mathbb{R}_+$。
• 定义一个结果函数 $h$，将出价映射到分配结果，基于平均出价价格 $\overline{p}$ 和反需求函数 $D(\overline{p})$ 确定生产水平和支付。
• 利用需求的边际效用的逆函数 $u_d'(d)^{-1}$ 确定市场出清数量，确保价格效率。
• 为每位厂商引入基于边际成本和市场价格的税收方案 $t_i$，以确保预算平衡和个体理性。
• 将市场建模为非合作博弈，厂商选择出价以最大化自身效用，以纳什均衡作为解的概念。
• 建立理论条件，使非平凡纳什均衡对应于集中社会福利最大化问题的解。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种机制，确保在具有战略行为和非对称信息的电力池市场中实现个体理性？
• RQ2 在具有弹性需求和私有成本函数的市场中，如何同时实现预算平衡和价格效率？
• RQ3 在何种条件下，诱导博弈的纳什均衡对应于社会福利最大化的生产配置？
• RQ4 非对称信息和战略行为对电力池市场效率有何影响？
• RQ5 能否构建一种机制，使得所有非平凡纳什均衡均产生与集中优化对齐的帕累托有效结果？

主要发现

• 所提出的机制实现了价格效率：在均衡状态下，市场价格等于生产边际成本，示例 C.1 中 $p^* = 9.35\, \text{\$/MWh}$。
• 该机制确保了预算平衡：厂商的总税收支付恰好等于总收取的收入，示例 C.1 中 $\sum t_i^* = 43.2$。
• 该机制具有个体理性：所有厂商在非平凡纳什均衡中均获得非负效用，示例 C.1 中 $u_1^* = 10.7$，$u_2^* = 6.2$，$u_3^* = 4.45$，$u_4^* = 0$。
• 非平凡纳什均衡产生的生产配置解决了集中社会福利最大化问题，示例 C.1 中 $e_1^* = 2$，$e_2^* = 1.5$，$e_3^* = 1.1$，$e_4^* = 0$。
• 在高需求效用或低成本效率的情况下，唯一均衡为平凡均衡（$m_i^* = (0,0)$），导致零生产与零效用，如示例 C.2 所示。
• 该机制保证所有非平凡纳什均衡均为集中问题的最优解，从而在非对称信息下建立了理论上的效率。