A Structural Characterization of Market Power in Electric Power Networks

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 market share and 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.

Review of Market Power Assessment and Mitigation in Reshaping of Power Systems

“…Such sharp price spikes during some periods can be regarded as the result of market power. In addition, the excess monetary loss caused by the aforementioned crisis reached $40 billion and led to the bankruptcy of Pacific Gas and Electric [28], [29], which is also the result of market failure caused by market power.…”

A Scalar Parameterized Mechanism for Two-Sided Markets

“…Moreover, the work of Johari et al (2004) and Johari and Tsitsiklis (2011) showed that such supply offers possess a number of attractive properties including bounded Price of Anarchy and price markups at the Nash equilibrium. The family of supply functions considered here is a capacitated version of those introduced by Johari and Tsitsiklis (2011) that have been studied by Xu et al (2016) and Lin and Bitar (2017) under perfectly inelastic demand. Such supply functions prohibit situations where firms can offer in the market beyond their means.…”

Equilíbrios De Nash Em Mercados Elétricos Com Funções De Oferta Quadráticas Cotadas

“…Em mercados reais de energia, o espaço de estratégias dos geradores não são funções duas vezes diferenciáveis, mas funções definidas pelas regras do leilão. Usualmente, são funções de custo lineares por partes 7 , não decrescentes, com um número máximo de segmentos pré-estabelecido [23,24]. A falta de diferenciabilidade e convexidade estrita deste tipo de função dificulta seu tratamento, motivo pelo qual é comum a literatura recorrer a outros tipos de função.…”

“…A falta de diferenciabilidade e convexidade estrita deste tipo de função dificulta seu tratamento, motivo pelo qual é comum a literatura recorrer a outros tipos de função. Em [24], por exemplo, considera-se como espaço de estratégias funções de custo para um agente j do tipo θ j ln G j G j −g , em que os agentes escolhem o valor de θ j em suas declarações ao operador. A escolha da função se deve ao fato de que, conforme g tende a G j , a função de custo se aproxima assintoticamente a um segmento vertical, representando o fato de que a capacidade é finita.…”

“…Primeiro, o espaço de estratégias consiste de funções quadráticas cotadas e parametrizadas por um coeficiente b j . Este espaço é mais restrito que funções duas vezes diferenciáveis e considera explicitamente limites de capacidade, sem recorrer a suavizações contínuas, como em [24]. Acreditamos que muitos dos resultados obtidos ao longo da dissertação podem ser generalizados para funções estritamente convexas mais gerais.…”