Экспериментальные игры для анализа механизмов ценообразования на российском

Экспериментальные игры для анализа механизмов ценообразования на российском рынке электроэнергии Николай Коргин, Михаил Губко mgoubko mail. ru http: //www. ipu. ru, http: //www. mtas. ru Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН Центр энергетических исследований Сколковского института науки и технологий

Представление ИПУ РАН

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИМ. В. А. ТРАПЕЗНИКОВА РАН • • Основан в 1939 г. В Институте работали или работают: • • 14 академиков РАН 10 членов-корреспондентов РАН 3 Героя Социалистического труда 10 лауреатов Ленинской премии 43 лауреата Государственной премии 5 лауреатов Премии Совета министров СССР 16 заслуженных деятелей науки и техники Сегодня в Институте работают около 1000 сотрудников, В том числе – более 100 докторов наук, более 250 кандидатов наук Направления научной деятельности: • • Теория систем управления Управление в социальных и экономических системах Технические средства автоматики и вычислительной техники Системы управления технологическими процессами Разработка программного обеспечения систем управления Автоматизированные системы организационного управления и обработки данных Управление подвижными объектами Директор Института - чл. корр. Д. А. Новиков

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ (ex ИАТ) И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА • В структуре РАН относится к Отделению энергетики, машиностроения, механики и процессов управления (ОЭММПУ) • Первый директор ИАТ – Виктор Сергеевич Кулебакин – член комиссии ГОЭЛРО, зав. каф. МЭИ • Директор ИАТ Борис Николаевич Петров – выпускник МЭИ • Директор ИПУ Вадим Александрович Трапезников – окончил электромеханический факультет МВТУ, много лет работал во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ), Оргэнерго, занимаясь теорией асинхронных электродвигателей, профессор МЭИ. • Директор ИПУ Ивери Варламович Прангишвили, окончил Грузинский политех по специальности «Электрические станции, сети и системы» , работал в «Грузэнерго» и «Гидроэнергопроекте» , многие годы разрабатывал системы управления АЭС • Директор ИПУ Станислав Николаевич Васильев – много лет работал в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН (ex СЭИ СО АН СССР)

ПРИЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ

ПРИКЛАДНЫЕ РАБОТЫ ВЫПОЛНЯЮТСЯ ИНСТИТУТОМ ПО ЗАКАЗУ: • Министерства обороны РФ; • Министерства внутренних дел РФ; • Федеральной службы безопасности; Энергетика • Федеральной службы охраны; 14% • Министерства образования и науки; • Национального центрального бюро Интерпола; • Счетной палаты РФ • Минпромторга РФ; ФОИВ • ОАО «РЖД» ; 14% • Государственного космического научно-производственного центра им. М. В. Хруничева; • ФГУП «ЦАГИ» ; Регионы и • ГНИИ «Атомэнергопроект» ; территории 6% • ОАО «Вымпелком» ; • ОАО «РКК Энергия» ; Промышленность и • ОАО «Корпорация Иркут» ; транспорт • ОАО «Ижсталь» ; 12% • ОАО «Концерн НПО Аврора» ; и др. Авиация 3% ВПК 33% Нефтегазовая отрасль 2% Космос 16%

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АЭС Разработана система управления верхним блочным уровнем (СВБУ) АЭС, в т. ч. : • математический аппарат разработки программных систем на основе логики нечетких множеств • язык программирования АБИС • программы генерации правил по данным моделирования сложных технологических процессов • нечеткие базы знаний для качественного моделирования Современные технологии АСУ ТП АЭС • высоконадежная операционная система семейства UNIX (аттестована для применения в атомной энергетике) • SCADA система для атомной энергетики • система контроля, защиты и управления программно-техническими комплексами АСУ ТП • технологии расчета надежности АСУ ТП, верификации ПО • элементы CALS-технологий Проекты: Бушер (Иран), Куданкулам (Индия)

КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ (SMART GRID) ИПУ РАН участвовал в разработке концепции развития интеллектуальной электроэнергетической системы с активноадаптивной сетью (заказ ФСК ЕЭС, 2010 -2011 гг): • Среда информационного взаимодействия элементов иерархической системы управления ИЭС ААЭС • Концепция кибербезопасности системы управления ИЭС ААС • Комплексная оценка эффективности капитальных вложений в развитие ИЭС ААС • Тарифные механизмы мотивации потребителей к участию в регулировании энергопотребления, управления спросом • Концепция управления территориально-технологическими кластерами мегаполисов • Перспективные подходы к управлению режимами ЕЭС России, противоаварийного управления • Концепция локальных систем адаптивного, робастного, оптимального энергоэффективного управления • Система анализа надежности ЭЭС

СОТРУДНИЧЕСТВО СО СКОЛТЕХОМ: ТЕКУЩИЕ ПРОЕКТЫ • Мониторинг опасных колебаний и управление их демпфированием для виртуальных электростанций розничных рынков электроэнергии интегрированных в основную сеть • Квадратичные преобразования и их приложения к энергосистемам • Стратегическое поведение на рынках электроэнергии • Алгоритмы деления электросетей для предотвращения каскадных аварий • Поведенческие модели потребителей и управление спросом • Исследовательский полигон «Микрогрид ИПУ»

Механизмы ценообразования на оптовом рынке электроэнергии

ЕЭС России как объект управления ➜ Технические вызовы: ➜ Пространственная протяженность: 9 часовых поясов ➜ Сильная взаимосвязь между инфраструктурами электро-, газо-, теплосетей из-за климатических условий и централизованного теплоснабжения – слабо оптимизирована ➜ Полуавтономные системы в Арктике и на Дальнем Востоке ➜ Рост и укоренение развития возобновляемых источников энергии ➜ Российская энергетическая система имеет хорошее наследие, но отстает от современных трендов THE MAP OF THE RUSSIAN ENERGY SYSTEM ➜ Стареющая инфраструктура ➜ Низкая эффективность и риски надежности ➜ Смена технологического поколения ➜ Быстрые рыночные реформы, снижающие эффективность работы систем

Электроэнергетика как сложная многоуровневая система Физический уровень (старый, 1890+) Генерация Передача и распределение Потребление Кибер-уровень (новый, 2000+) Измерения Коммуникация Контроль Принятие решений Рынок Операции Планирование

Рынки электроэнергии и регулирование Проблема • На рынке электроэнергии (на день вперед) участники манипулируют заявками для получения нерыночных преимуществ • Активно обсуждается дальнейшее совершенствование рыночного механизма, НО! • Пока изменения не внедрены, невозможно точно сказать, дают ли они нужный эффект Задача • Проверить эффективность различных политик регулирования рынка электроэнергии • Предложить надежные рыночные механизмы Подход • Теория механизмов управления как математическая основа построения эффективных рыночных механизмов • Программный комплекс и методика проведения экспериментов для тестирования механизмов управления • Игры экспертов как инструмент проверки надежности механизмов управления

Механизм ценообразования Двухсторонний аукцион l Генераторы (и потребители) делают заявки : минимальная (соответственно, максимальная) цена, по которой они готовы продавать (покупать) электроэнергию, и максимальную мощность генерации (потребления) l Рассмотрим случай совершенной конкуренции в отсутствие системных ограничений, когда генераторы и потребители делают заявки, сообщая свои истинные маржинальные затраты/доход (почему они так делают – это отдельный вопрос) l Заявки генераторов упорядочиваются по возрастанию цены, формируя кривую предложения (красная ломаная линия) l Аналогично, заявки потребителей упорядочиваются по убыванию цены, формируя кривую спроса (синяя линия) l Пересечение кривых спроса и предложения дает рыночное равновесие (рыночная цена и объем рынка) l При наличии системных ограничений рынок разбивается на ценовые зоны, в каждой из которых устанавливается своя рыночная цена, равная значению множителя Лагранжа для ограничения баланса (активной) мощности в узле в решении задачи оптимального потокораспределения (OPF problem)

Равновесие Нэша – базовая концепция теории игр Простейшая игра – дилемма заключенного Игрок 1 Игрок 2 Стратегия 1 Стратегия 2 Стратегия 1 2, 2 0, 3 Стратегия 2 3, 0 1, 1 Общественный оптимум Равновесие (Нэша и в доминантных стратегиях)

Базовые модели олигополии: олигополия Курно Игроки одновременно выбирают объемы производства si Рыночная цена определяется линейной функцией спроса p = A - s 1 - … - sn Выигрыш участника fi = p*si= (A - s 1 - … - sn)si Пример. 3 игрока Рыночная цена p = 12 - s 1 – s 2 – s 3 Выигрыш участника fi = p*si= (12 - s 1 - s 2 – s 3)si Общественный оптимум si = 2 Равновесие Нэша si = 3

Базовые модели олигополии: олигополия Бертрана Объемы производства Si фиксированы У каждого производителя есть себестоимость ci производства единицы продукции Объем рынка A фиксирован, спрос неэластичен Участники рынка выбирают цены pi Потребители раскупают самый дешевый товар, потом более дорогой и т. д…. В результате формируются объемы продаж si. Выигрыши производителей равны их прибыли fi = (pi - ci)*si Очень похож на РСВ

Предпосылки манипулирования на российском рынке электроэнергии (например, РСВ) ➜ Теоретически, рынок электроэнергии высококонкурентный; ➜ Однако системные ограничения разбивают его на зоны, в каждой из которых формируется свой локальный рынок ➜ Участники рынка могут влиять на рыночное равновесие (объем рынка и рыночную цену) Последствия манипулирования ➜ Рост стоимости электроэнергии; ➜ Недооценка максимальной мощности генерации; ➜ Необоснованно неудовлетворенный спрос; ➜ Потери общественного благосостояния.

Методология деловых игр

История деловых игр в России 1975 1977 1985 г.

Декомпозиция исходной задачи

Информационная система для проведения деловых игр

Лабораторные эксперименты по исследованию рынка электроэнергии

Базовая модель Один узел, несколько генераторов, неэластичный спрос Предсказание теории рыночного равновесия Одно из равновесий Нэша

Расширения базовой модели Расширение 1 – эластичный, но фиксированный спрос P 1 P 2 P 3

Расширения базовой модели Расширение 1 a – эластичный манипулируемый спрос P 5 P 1 P 5 P 4 P 2 P 4 P 3 P 1 P 2 P 3

Расширения базовой модели Расширение 1 b – общий хозяин у генератора и потребителя + манипулирование заявкой потребителя P 3 P 1 P 2 P 3

Расширения базовой модели Расширение 2 – простейшая модель ограничений по перетоку; две области Модель • 2 узла соединенные линией с ограничением • Три игрока • По одному генератору в каждом узле Концепция совершенной конкуренции Пропускная способность Цена в узле 1 Цена в узле 2 0, нет связи 14 6 200 14 6 1000, нет ограничения 6 6

Расширения базовой модели Расширение 2 – простейшая модель системных ограничений; переток между двумя областями Модель • 2 узла соединенные линией с ограничением • Три игрока • По одному генератору в каждом узле Концепция совершенной конкуренции Пропускная способность Цена в узле 1 Цена в узле 2 14 6 Цена в узле 1 Цена в узле 2 1 15 15 2 18 18 3 17 17 4 10 10 200 Результаты игр Игра

Зоны рыночного влияния участников оптового рынка электроэнергии Проблема • При планировании развития сети учитываются только технические аргументы • Влияние развития сети на рынок игнорируется • Однако «расшивка» локальных рынков повышает конкуренцию и снижает цены Подход • Исследуются рыночные последствия улучшений структуры сети. • По данным РСВ выделяются «локальные рынки» и зоны влияния участников рынка Задачи • Методика предсказания влияния локального развития сети на узловые цены • Алгоритм выбора оптимального плана развития сети

Результаты и перспективы Результаты • Заявленный объем (не ценовая заявка) дает больше возможностей для манипулирования • Выгодоприобретатели манипулирования – не обязательно маржинальные генераторы • Манипулирование заявками скрывает карманы избыточной генерации не запирая сечения Перспективы • Рассмотрение других ситуаций и рынков (КСВ, КОМ, ОРЭМ) • Новые методики выявления локальных рынков и возможностей манипулирования • Новые механизмы ценообразования для локальных рынков электроэнергии

Совершенствование механизмов ценообразования на энергетических рынках

Электроэнергетика как сложная многоуровневая система Физический уровень (старый, 1890+) Генерация Передача и распределение Потребление Кибер-уровень (новый, 2000+) Измерения Коммуникация Контроль Принятие решений Рынок Операции Планирование

Эксперименты: сравнение механизмов распределения ресурса Экспериментальные данные: Средний суммарный выигрыш агентов для разных механизмов распределения ресурса. Зеленая линия – социальный оптимум (недостижимый) Красная линия – теория (равновесие Нэша) Экспериментальные данные: Среднее расстояние до оптимального распределения ресурса Зеленая линия – оптимальное распределение (недостижимое) Красная линия – теория (равновесие Нэша)

РДС: ИС моделирования механизмов управления

Спасибо за внимание