TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 4, April 2013, pp. 1967 ~19 7 2   ISSN: 2302-4 046           1967      Re cei v ed  De cem ber 2 9 , 2012; Re vi sed  Febr uary 17,  2013; Accept ed March 1, 2 013   Application of Designing Economic Mechanisms to  Power Market - Part 2 Characteristic Analysis of  Generation Side Power Market      ZHU Yon gga ng 1,2 , XIE Qing y a ng 1 , YING  Liming* 1 School of Elec trical Eng i ne eri ng, W uhan U n i v ersit y , W u h a n  4300 72, Ch ina     2 Hubei El ectric al Po w e r Com pan y, W uha n 4 300 77, Hu bei  Provinc e , Chin *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : LMYing @ w h u .edu.cn       A b st r a ct  T he ince ntive  p o w e r mark et may lea d  to a h i gh inf o rma tio n  cost if it is not informatio nal ly  efficient.   T he pa per a n a l y z e s  the c har acteristic of th e ge ner ati on s i de p o w e r mar k et mec h a n is mo del  bas e d  on   the d e sig n i ng  econ o m ic  mec han is ms the o r y  by  th e thre e  GENCOs (Ge nerati on  Co mp ani es) cas e . T h e   result of a n a l y s is is that th me c h a n is mode l has  four  ma in fe atures : the  infor m atio n a lly efficient  w h ich   me ans that th e mec h a n is m meets req u ir ements of  the  observati ona l  efficiency, the communic a ti on  efficiency a n d  the low  complexity of co mputin g; t he in centive co mpa t ibility w h ich i ndic a tes that the  resourc e  al loc a tion  of the  pow er  market  is Pareto  Optimality  and   the soci al  be nefit ach i ev es  the   max i mi z a ti on  w hen GENCOs also achi eve  profit maxi mi za tion; the dec e n trali z e d  dec isi on w h ich refer s  to  preservi ng th e  privacy  infor m ati on  of GENCOs; enco u r age ment  of co mp etitio n w h ic h sug gests th at the   m e chanism  encourages GENCOs to co mp ete w i th each oth e r hea lthily.      Ke y w ords : po w e r market, inf o rmatio nal ly efficient, inc entiv e compati b il ity    Copyrig h ©  2013  Univer sitas Ahmad  Dahlan. All rights res e rv ed.       1. Introduc tion  The  re sea r ch  on the  po we r ma rket me chani sms de si gn is al ways  a hot spot a r o und the  worl d. With the develop ment of rela ted t heorie s and the accumul a tion o f  power m a rkets  pra c tical  exp e rien ce, the  trend  of de sig n ing a u ctio mech ani sm has  ch ang ed  obviou s ly. As   other  asymm e tric i n form ation sy st em s, the p r ivate inf o rmatio n di st ributes i n  ea ch pa rticipa n of  the po we r m a rket. In tra d itional u n ifo r clea ring   price m e ch a n ism s , GE NCO s  (Gen eration   Comp anie s ) coul d bid  stra tegically  an hoard capa bil i ties to hold  market po we r for ea rning  more   profits, which  leads to the  large  pri c e in cre a ses  [1 -2] .  After that, r e se arche r s b egin to see k  for  other a u ctio n  mech ani sm s. The FE RC (F ede ral  Energy Reg u latory  Com m issi on re q u ire s   relevant aut h o rities to  stud y the alternati v e sch eme of  the uniform  clearin g pri c mech ani sm, for   example, a d opting the  pa y-as-bid  me chani sm by  which  re se archers h ope  to  red u ce  strat egic   behavio rs fro m  GENCOs [ 3 ]. But with the dee peni ng  of rese arch  and practi ce,  more an d m o re   schola r s fin d  that the pa y-as-bid m e chani sm is  n o t the funda mental soluti on to stop pi ng   strategi c ga m e  action s fro m  GENCOs [ 4 , 5].  Re cent years, resea r che r s introdu ce  the  concep t of incentive comp atibili ty which  belon gs t o  th e me cha n ism  de sign th eo ry to the p o wer m a rket d e s ign.  We  call  this  kin d  of t h e   market me ch anism  as the  incentive p o w er m a rket  whi c h can fu ndame n tally redu ce GE NCOs  market po wer; meanwhil e , the market  efficien cy is uni nfluen ced [6-13].  But, there i s  a problem t hat if the in centiv e po wer market did n t  con s ide r  a b out the   inform ationall y  efficie n t , the inform ation  co st of run n i ng t he  me ch anism wo uld increa se sha r ply  [14]. In dece n tralized m e chani sms, the  market re so urce allo catio n  is d e ci ded  by outcom e s of   every ag ent’s de cisi on  whi c h i s  m ade  throu gh va st i n formatio n e x chan ge s. Accordi ng to  th e   informatio n e c on omics th e o ry, age nts t r an sa ct wi th  each othe r b y  exchan ging  informatio n,  market is  a  netwo rk  de livering info rmation  with  whi c h a g e n ts are inte rco nne cted.  The  inform ationall y  efficie n t  is  relevant  clo s e with the  informatio n cost  whi c h i s  the  most imp o rt ant  part of tra n saction  co st i n  po wer  market [15 ]. Co mpared  with  the tradition al po wer  ma rket   mech ani sm, the ince ntive powe r  ma rket need s mo re informatio n excha nge s to achieve t he  incentive compatibility du ring operating the market . So the in formation  cost  of the incentive   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1967 –1 972   1968 power ma rket without the  inform ationall y  efficient  will  be increa sed .  Thus, it sho u ld be taken i n to  con s id eratio n  that ho w to  d e sig n  an  in ce ntive power  market me ch anism  with  th inform ationally   efficient . Considering the f easi b ility of  operating power m a rket s, it is  very  signifi cant to study  on  the  inform ationall y  efficie n t  and ince ntive compatibl e  powe r  ma rket mechani sm for prom oting  the further m a rketizatio n p r og re ss of po wer m a rkets.        2. A Case  of Ge nera ti on Side Po w e r  Mar k e t   Compe t itiv e  Mecha n ism Bas e d on  the  Designing E c onomic Me chanisms Th eor y   In the pa pe “Appli c ation  of De signi ng  Econo mic  M e ch ani sms to  Powe r M a rket Part 1  Gene ration S i de Power M a rket De sig n ”, base d  on th e de signin g  e c on omic  mechani sms th eo ry,  we have  stu d ied a ne approa ch to  desi gning  th e ince ntive power ma rke t. The incent ive   compatible,  inform ationall y  efficient  an d decentrali zed gen eratio n  si de po we r market com p etitive   mech ani sm model   has b een con s tru c ted.    12 3 1 2 3 [ , ( , ), ( , ), ( , ), ( ) , ( ), ( ) ] M g m a g m b g m c h mh mh m                           (1)     Whe r e, 11 1 2 3 2 1 2 3 (, ) ( 2 ) 3 ( ) L L g m a a m mm P a m m mP  11 2 3 () ( 2 ) / 3 L h m m mmP  21 2 1 3 2 1 2 3 (, ) ( 2 ) 3 ( ) L L g m b b m mm P b mm m P  21 2 3 () ( 2 ) / 3 L hm m m m P  31 3 1 2 2 1 2 3 (, ) ( 2 ) 3 ( ) L L g m c c m mm P c mm m P  31 3 2 () ( ) / 3 L hm m m m P  .   1 (, ) g ma 2 (, ) g mb  and  3 (, ) g mc  corre s pond to equili brium me ssa ge function of GENCO  1, GENCO 2  and GENCO  3. Outcome f unctio n 1 () hm 2 () hm  and  3 () hm  correspon d to  1 P  the  output of  GE NCO 1,   3 P  the  output of  GE NCO 3  an p  the u n iform  cl earin g p r i c e.  Assu me th at  the req u irem ent of the ne xt period load  is 100M W,  the gen eratio n co st is give n by the Equation   (2) a nd the re levant data of three GENCOs a r e listed i n  Table 1.     2 () ii i i i i i CP P P                                             (2)    Table 1. The  Data of Three  GENCOs  GE NC O i   i   i   i   Minimum  Output (MW)  Max i mum Output   (MW)  1 22  10.125   0.7865   15  100  2 12  9.588   0.5195   10  80  3 46  15.897   0.949   20  150      The  paramet er  sp ace of  G E NCO s is obt ained   through  ma king  pa ra meter t r an sfo r mation   based  on th e alg o rithm  i n  Part  1. Th e pa ram e ter sp ace  (, , ) ab c  is shown in  Ta b l e 2.  Be c a us e th e p o w e r mark e t  is  a n  asymme tr ic   i n formatio system (d ecentralize d  sy ste m ),  GENCO i  only  kno w s its pa rameters  i a  a nd  i b  which bel on g to GE NCO i ’s p r ivate info rmation,  and the ma rket operatio n d epartm ent do esn’t kno w  the para m eter  spa c e.       Table 2. The  Paramete r Space of Thre e GENCO s   GE NC O 1   GE NC O 2   GE NC O 3   1 a   2 a   1 b   2 b   1 c   2 c   1.573  10.125  1.039   9.588   1.898   15.897       The m a rket o peratio n d e p a rtment i s  i n   cha r ge  of  co nstru c ting  out come  fun c tio n () hm   and eq uilibri um messa g e  function (, ) i gm  by the algorithm of the desi gning e c onomi c   mech ani sm s theory.  The  (, ) i gm  will be  sent  to GENCO i  only. Then,  GENCO i  use s  its  para m eters  i a  and  i b  to figure  out the equilibrium me ssa ge  function gi ven by the Equation (3),  (4) o r  (5 ) whi c h is  waiting f o r bein g  v e rifi ed.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Applicatio n of Desi gnin g  Econ om ic Mechani sm s to Powe r Market (ZHU Yo ngg a ng)  1969 11 2 3 ( , ) 4 .14 6 0 . 5 7 3 0 .573 87 .6 75 gm a m m m                           (3)    21 2 3 ( , ) 0 .03 9 3.078 0.039 32.664 gm b m m m                            (4)     31 2 3 ( , ) 0 .8 98 0 . 8 9 8 4 .796 1 37.491 gm c m m m                            (5)     The n e xt ste p  is th ve rification  scen ario  process. T he op eration  flow of the  ge neratio n   side p o wer m a rket based o n  the desi gni ng economi c   mech ani sm s theory is  sho w n in Figu re  1.         12 3 (, , ) mm m m (, ) i gm (, ) 0 ? i gm () i hm     Figure 1. The  Operatio n Fl ow of  the Ge neratio n Side  Power Ma rket      The ma rket operation d e partme n t se nds  a set messag 12 3 (, , ) mm m m  which i s   obtaine d by some  ce rtain rule s o r   algorithm s to  each GENCO.  The GENCO i  plugs  12 3 (, , ) mm m m  into its  equilibrium  message function  (, ) i gm  to cal c ul ate whethe or n o (, ) 0 i gm . The result should b e  rep o r ted ba ck to t he market op eration d epa rtment.  If  (, ) 0 i gm  is true, G E NCO i  i s  in  the e quilib riu m  condition   of  ii M RM C  an can   achi eve the p r ofits maximi zation i n  the  curre n t ma rket resou r ce a llocatio n  whi c h is dete r min ed  by the message set. We assume that every GENCO is  rational, so they are  willing to report  real  results of cal c ulating their e quilib ri um me ssage fun c tio n s. If any GENCO i ’s  (, ) 0 i gm  is  fals e,  the market  o peratio n de p a rtment h a s to sel e ct a  ne w me ssag e set and  start  a ne w roun d  of  verifi cation scenari o Rep eat the  verific a tion s c enario  process until every  G E NCO’ s   (, ) 0 i gm  is t r ue, at the   moment, the  cu rre nt eq uilibriu m  me ssage  set  12 3 '( ' , ' , ' ) mm m m  is n a med   the group   equilibrium  message. Fi nally, t he market operati on departm ent  plugs the group equili brium  messag 12 3 '( ' , ' , ' ) mm m m  in to outcome f unctio n 1 () hm 2 () hm  and  3 () hm , then  i P  the  output of GENCO i   and  p  th e uniform cl e a ring p r ice co uld be obtain ed. In the case, the gro u p   equilibrium m e ssage is  12 ' 2 7 . 69 94 , ' 11 .4 19 1 mm   an 3 ' 35.9924 m and the  wh ole gen eratio n   side p o wer m a rket clea rin g  information o f  t he three G E NCO ca se  is listed in Ta ble 3.      Table 3. The  Market Cle a ri ng Informatio n of the Thre e GENCO s  Case   Uniform Clearing  Price: 58.3703 ( / MW)  GE NC O i   Output (MW)   Total  Revenue ( Marginal Revenu e ( / MW)  1 30.6709   1790.27   58.3703   2 46.9512   2740.56   58.3703   3 22.3779   1306.21   58.3703       3. The Characteristic Anal y s is of Generati on Side  Po w e r Mark et Comp etiti v e  Mechanis based on  th e Designing  Economic Mechanisms T h eor y   (1) T he po we r market me chani sm is de centrali zed d e c isi on an d pri v acy pre s e r ving.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1967 –1 972   1970 When a  GENCO verifies  whether  or not it is  in equilibrium, they  just need to  know it private info rmation like p a ram e ters of  the gen erat io n co st, and it  is not n e cessary to  rep o rt  its   private inform ation to other  GENCO s  or  the market op eration d epa rtment.   (2) T he po we r market me chani sm is in centive comp a t ibility.  If the power  market ope ra tion follows t he prin cipl e of profit maximization, the o u tput  i P   of GENCO i  should  have  a  relatio n ship  sho w n  as th e Equatio n (7)  with the  u n iform  clea ri ng  price  p .     ii M RM C                                                     (6)     () / ( 2 ) ii i Pp                                                 (7)     Acco rdi ng to the paramete r  transfo rmatio n in Table 2, we obtai n:    21 () / i Pp                                                  (8)     Whe r 1 111 (, , ) ab c 22 2 2 (, , ) ab c Plug the ma rket  clea rin g  informatio listed in  T abl e 3 into the  Equation  (8 ), verify  wheth e r o r  n o t the market  operation fol l ows the pr i n ciple of p r ofit maximizatio n . The re sult  o f   verification i s  sho w n in Ta b l e 4.      Table 4. The  Verificatio n  of the Profit Maximization   GE NC O i   Marginal Revenu ( / MW)  Output   (MW )   1 ( 1 a 1 b 1 c 2 ( 2 a 2 b 2 c Marginal Cost  ( / MW)  1 58.3703   30.6709   1.573   10.125   58.3703   2 58.3703   46.9512   1.039   9.588   58.3703   3 58.3703   22.3779   1.898   15.897   58.3703       Table  4 p r e s ents th at the  power  market  ba sed  on  th e de sig n ing  e c on omic me chani sms  theory follo ws the p r inci pl e of profit m a ximiza tion t o  clea r the  market. At the moment, e a ch   GENCO get s the maximu m profits in  corre s p ondi n g  outputs, a n d  the entire  market re so u r ce  allocation a c h i eves the  Pareto Optimalit y .            Figure 2. The  Margin al Co st Cu rve of GENCO     (3) T he po we r market me chani sm is  info rm ationally ef ficient 1) Due to t he de cent rali zed  de cisio n ,  GENC Os j u st re qui re t o  kn ow thei r private   informatio n, whi c h is h e lpf u l for GENCOs to  improve their ob se rvational efficie n cie s .   2)  Com pared  with th e tra d itional p o we r ma rket wit h  the  uniform cle a ri ng p r ice, th e   market ba se d  on the  de sig n ing e c o nomi c  me ch ani sm s t heo ry  u s e s  f e we r si ze  of  t he me ss ag spa c e.   3) The  po wer market ba se d on the de si gning e c o n o m ic me cha n i s m s  theory  can re du ce  the computing complexity  of t he m a rket  operation department, an d improves t he ability of t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Applicatio n of Desi gnin g  Econ om ic Mechani sm s to Powe r Market (ZHU Yo ngg a ng)  1971 entire sy stem ’s inform ation  processin g  throu gh  u s ing  the distribut ed (cl oud ) co mputing [16]. In  gene ral, the   gene ration  si de p o wer m a rket b a sed  on the  de sig n ing  econom ic m e chani sms  theory is  info rm ationally efficient (4) T he po we r market en coura g e s  GE NCOs to  co mpete with e a ch oth e r h e a lthily.The   relation shi p  b e twee n GE NCO s  outp u ts and m a rgin al co st i s  sh own i n  Fig u re 2. The  obli que  lines a r e the  margi nal cost  curve of GE NCOs, t he re d line is the  market unifo rm clea ring p r i c e,  the cro s s poi nt corre s po nd  to each GE NCO’ s output s at the uniform  cleari ng p r ice.  Figure 2 sh ows that GE NCO  2’s  out put and total  revenu e are most for i t s lea s gene ration  co st (the l o west  margi nal  co st curve ) . On t he contra ry, GENCO 3’ output an d to tal  revenu e a r e l east fo r its m o st ge ne ratio n  co st. We can get the  same result b y  obse r ving t he  market cle a ri ng inform atio n in Table 3.   Thus, th e ge neratio side  power m a rket  based o n  the  desi gnin g  e c onomi c  me ch anism theory en cou r age s GE NCOs to cut do wn the ge ner ation co st. Th at is, who s gene ration  co st is  low, who get s more  reven u e . In this kin d  power  market mechanism, GENC Os  wil l  comp ete wit h   each other h ealthily by updati ng gen eration equip m ent and tech nologi es, imp o rting adva n ced  manag eme n t philo sophy, i m provin g the resou r ce utilization effici en cy.      4. Conclusio n   Acco rdi ng to   the info rmati on e c o nomi c s, the   pap er  sug g e s ts th at the info rmati on  co st  will increase  sharply if the incent ive power m a rket i s  lack of the  inform ationa lly efficient . T he  gene ration  si de po wer ma rket ba se d on  the designi n g  eco nomi c  mech ani sm s theory intro d u ce the phil o soph y of the  i n form ationally eff i cient  to  the  i n ce ntive po wer m a rket,  which  ma ke s t h e   power market own features of   the i n centive compati b ility, the  info rm ationally ef ficient  an d th e   decentrali ze d  deci s ion.   By analyzing  the ca se of  three GE NCO s , the pa per find s tha t  the powe r   market  desi gne d by  the de sig n i ng e c on omi c  mechani sm s the o ry foll ows the  pri n cipl e of p r ofit  maximizatio n , which me a n s the me chani sm lead s to the Pareto Optimali ty of reso urce  allocation; m ean while  GE NCOs are p e r mitted to  pur sue  profits m a ximization.  And this ki nd  of  power m a rke t  can  re duce  the info rmat ion cost   duri ng runni ng t he enti r e m a rket  obviou s l y Beside s, the   gene ration  si de p o wer  ma rket  ha s the   cha r a c teri stic of en co ura g i ng GE NCO s   to   comp ete with  each oth e r h ealthily, which make the  power ma rket develop  furth e r co mpetitio n.  No w, Chi na i s  p e rfe c ting t he ge ne ratio n  sid e  p o wer  market. The  rese arch  of thi s  p ape coul d provide  som e  ne w id eas  and  helpf ul exploratio n  to the practi ce and th eoretical  resea r ch  of  Chin ese power market s.       Referen ces   [1]  Silsb ee CH, Ju re w i tz JL. W hol e Sale Ge ner ator Inc entiv es to  Exerc i se Mark et Po w e r i n  the  Califor n i a   Electricit y  Market.  T he Electricity Journa l . 200 1; (8): 51-56.   [2]  David AK, W e n F S . Market Po w e r i n  El ectricit y  S upp l y I EEE Trans on Energy Conv ersion . 2 0 01;  16(4):  352- 36 0.  [3]  Che n  HY, W ang XL, W ang XF Aucti o n   T heor y a nd  Its  Appl icatio n in  Electricit M a r k et  Part  T w o   Appl icatio n of Auction   T heor y in   El ectric it y Market A u ctio n D e sig n Aut o mation of  Electric Power   System . 20 03; 27(4): 17- 23(In  Chin ese).   [4]  Kahn  AE, Cra m ton PC, Port er RH. U n ifor m Pricin or P a y - as-bi d  Pric i ng: A D ilemm a  for Cal i forn i a   and Be yo n d T he Electric ity Journ a l . 20 01; 1 4 (6): 70-7 9 [5]  Vázquez C,  Rivier M, P é rez- Arri ag a IJ. If Pa y - as-bi d  A u cti ons Ar e N o t a   Soluti on f o r C a liforni a, the n   W h y  Not a R e li abil i t y  M a rket. T he Electricit y   Journ a l. 20 01; 14(4): 41- 48.   [6]  Silva  C, W o l l e nber g BF , Z h a ng  CZ . Appl ic ation  of M e ch anism  Des i gn   to Electric  Po w e r Mark ets.   IEEE Trans on Power Systems . 2001; 16( 1): 1-8.  [7]  F ahriol u  M,  Alvara do F L .  Desi gni ng I n centiv e Com patib le C ontra cts for Effective D e man d   Mana geme n t.  IEEE Trans on Power Systems . 2000; 15 4(4) : 1255-1 2 6 0 [8]  Agra w a l DK, Patidar NP, Nema RK . Dema nd Shiftin g  Bid d in g in a H y b r i d  S y stem W i th  Volatil e  W i n d   Po w e r Generat i on.  Te lkomn i ka . 2012; 1 0 (1): 33-4 2 [9]  Saguan M, Keseric N,  Dess ante P.  Mark et  Pow e r in  Pow e r Markets: Ga me  T h e o ry vs.  Agent-b ase d   Appro a ch . IEEE PES  T r ansmission  and D i stributi on  Co nfer ence a nd E x p o s ition. 20 06.   [10]  T e llidou A C , Bakirtzis AG. Multi-ag ent R e info rc ement  Lear nin g  for  Strategic Bi ddi ng i n  Po w e r   Markets.  IEEE Intelli gent  Systems . 2 006: 4 0 8 -41 3 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1967 –1 972   1972 [11] T e sfatsion  L.  Auction B a sics  for W holesa l e Pow e r Mark ets: Objectives  and Pric ing  Rules . IEEE  Po w e r a nd En erg y   Soci et y  G ener al Meeti n g .  2009.   [12]  Ediso n  El ectric Institute.  Pow e r Market A u ction  Desi gn: R u les  a nd  Less o ns in M a rket-b ased  Co ntro l   for the New  Electricity Industr y . 2001.   [13]  Hob b s BF . Rothkopf MH, H y de LC. Eval ua tion of  a T r uth f ul Revel a tio n  Auction i n  the  Conte x t of   Energ y  Mark ets  w i th N onc onc ave Ben e fits.  Journ a l of Re gul atory Econo mi cs . 2000; 18( 1) : 5-32.  [14]  Hur w icz  L, Re iter S. Desi gn i ng  Eco nom ic Mecha n isms. Cambri dg e:  C a mbrid ge Univ ersit y  Press.   200 6: 2-5.  [15]  Sun K, Xi a Q. Effectiveness  of  Electricit y   Market Information Dis c l os ur e and Se lectio n of Market  T r ansaction Mode.  Automation of Electric Power System . 2008; 32( 6): 60- 65.   [16]  Yang Z X , Xue  HC. Informatization E x p e ct a t ion W i th Clo u d  Comp utin g i n  Chi na.  Te l k om ni ka . 20 12 ;   10(4): 87 6-8 8 2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.