運輸問題在電力交易與輸送研究中的文獻綜述

【摘要】運輸問題是運籌學中的經典問題。從經濟學的角度來看，運輸問題中常見的有物資調配問題，其實質是各個產銷公司之間因產量與價格而形成的網絡競爭與博弈；從我國國情現實來看，國內的南水北調、西氣東輸、西電東送和互聯網流量的分配問題等實際上都是運輸問題運用的典型體現，而這些問題歸根結底，最后也仍可以歸結于我國的社會經濟問題。因此可以發現，從表面上看，運輸問題是一個物流管理問題，但從更深層次的角度而言，它還是一個經濟問題。就電力輸送領域而言，實現電力交易和輸送的過程中整個物流鏈中各方成員的綜合經濟效益最大化，應該是其追求的最終目標。文章著重探究國內外電力交易及電網互聯輸送中運用研究，包括中國的電力交易與跨區域電網輸送——西電東送、運輸問題在民營電力交易與輸送中的應用研究，電力輸送中的合作博弈理論和魯棒性在電力交易與輸送中的運用等。在參考國內外有關運輸問題在電力運輸領域運用的文獻研究基礎上，對此方面的研究進行綜述。

【關鍵字】電力交易 電網互聯輸送 運輸問題 經濟效益 合作博弈 魯棒性

一、引言

電力交易與運輸是運籌學中運輸問題的一種典型運用。應該說電力交易管理是公司生產經營工作中的重點，直接關系到公司業務的最終體現，設計公司的核心利益，具有重要的研究意義與價值。電力輸送指由發電廠或電源由某處輸送到另一處的一種方式，由于早期技術不成熟，電能輸送多采用直流輸電，而后期逐漸演變成交流傳送，相信以后技術成熟，會出現更加合適的電能傳輸方式。實質上，電力跨距離輸配是一類具有特殊約束的運輸問題，由此，文章從運輸問題角度對電力交易和輸送研究進行文獻梳理和總結與展望。具體從如下幾個方面進行闡述。

二、電力交易及電網輸送互聯商業化

1.國外的電力交易及電網輸送研究

20世紀90年代以來，在國外，PANTO(S) M 和 GUBINA F[1]研究了電力輸送分配因素對于電力交易服務定價的影響；KRASENBRINK B 和 PRIBICEVI C B[2]等就競爭激烈的市場中的綜合規劃發電和交易進行了研究；2002年，NGUYEN D H M 和 WONG K P[3]則研究了自然條件下的動態電力均衡狀況和多均衡的競爭力市場。

Rau N[4]指出想要提出一整套標準化的設計方案，在當前是不現實的，并列舉了許多暫時無法很好解決的問題，包括形成的區域輸電組織與原有價格體系的沖突問題，規劃統籌問題，輸電過程中費用分攤問題，阻塞管理問題等等，并分析了可能的實用性舉措。Ilic M[5]的研究描述了覆蓋多個電力市場的跨區域輸電組(IRTO)的組織設計構思。Khal Le[6]介紹了發電公司在區域輸電組織模式下，如何進行報價。Li Chaoan 、Fu Shuti和Yi Su[7]則介紹了區域輸電組織中實時平衡市場的優化和組織，用基于改進單純性的線性規劃算法來計劃市場出清價格。Erli G[8]基于非合作博弈模型，分析了多區域電力市場下定價和系統運行的模型。Yoon X、Collison K和Hie M[9]共同發表論文，描述了在考慮各個區域是獨立市場，且具有獨立的價格體系的情況下，如何在多區域互聯系統中確定電能傳輸服務價格。

總體來看，國外有關電力市場交易及輸送的文獻研究主要集中在如何將區域電價作為輸電系統阻塞管理的手段，認為市場的收益將不僅僅局限在解除阻塞這樣的問題上(KENT S、MARK H S、JORGE V，2004)[10]，而更需要依靠更多的基礎投資，比如STAMTSIS G C 和 ERLICH I[11]提出要通過合理的發電廠投資及運營來獲得收益。一個好的市場設計必須能避免傳輸約束之間的博弈，因為這個問題在管制系統里不會遇到。

目前，國外電力市場已發展到一定的成熟階段，研究的重點已放到轉運費用的分析計算上。

2. 國內的電力交易及電網輸送研究

1998年，鐘金[12]在其學位論文《電力市場條件下的交易分析與發電計劃》中闡明了要在結合國外電力市場實踐經驗和中國電網互聯初步商業化運營經驗的基礎上，研究探討電網商業化運營應遵循的一些基本原則及其實現方法。文章對電網運行從統一調度到分散調度的變化所引起的系統優化分析方法的改變進行了研究，分析了幾種典型交易分析方法，并提出了兩種可用于不同情況的交易分析與決策模型。同時，文章分析了中國互聯電網在向商業化運行方式轉變的過程中出現的一些問題，并針對這些問題提出了可能的解決辦法。

由于文章理論算法性較強而忽視了模型在現實中的具體應用實際情況，而體現出一定程度的不足。但是，文章在中國電網輸送的互聯商業化運營模型方面，仍帶給學術界和國家以巨大的理論意義與現實意義。

Wei guo Xing [13]介紹了中國第一個跨區域電力交易的市場——三峽市場的前景，討論了市場可能的組織結構，提出了未來中國電力市場主要為國家電力市場和區域電力市場的兩層市場結構。王芝茗和馮慶東[14]給出了一個解決區域電力市場有約束實時調度的實用方法——等值發電機成本增量曲線法，以應用于區域電力市場輸電服務決策。柏瑞，劉福斌，李燦等三人[15]提出了直接考慮網絡約束的交易計劃新方法，通過引入發電貢獻因子和負荷汲取因子解決多級電力市場中存在的協調問題，并針對雙邊交易的特點，采用交易矩陣的方式建立了區域電力市場中Broker系統制定交易計劃的數學模型。曾鳴和劉敏[16]針對我國目前的六大區域互聯電網在形成區域性電力市場過程中面臨的價格問題，通過借鑒國外經驗，尤其是發展中國家的經驗，并結合我國實際，分析研究促進我國區域電力市場形成的價格方案及調控機制。主要內容包括：躉售電價、包含轉供和開放輸電通道在內的輸電價格、電力庫運營模式、各類合同以及電力市場價格風險等方面。劉坤[17]則針對區域電網公司所擁有的調峰電廠在電網安全運營和平衡市場需求兩個方面的重要作用，運用委托一代理模型，對電網公司和調峰電廠間最優合同模型進行設計，證明在對稱信息條件下，當委托人是風險中性而代理人是風險規避型時，該最優合同能夠達到帕累托最優風險分擔和帕累托最優努力水平；電網公司可以在保證整個電網運營的安全性和穩定性的同時實現電網整體的利潤最大。

王紅蕾和魏一鳴（2007）[18]結合南方互聯電網的實際情況，在滿足電力撮合交易的條件下，運用貪心算法中的任務時間表方法分析了現行模擬電力市場中購售雙方存在”就近購買”的行為，指出經濟利益的分配是重要因素，并提出了具體的建議。這一點較之前的各類文獻已經有很大進步，然而在理論應用和經濟管理中的博弈思想體現的仍不明顯。

進一步地，他們對南方互聯電網從形成之初便開展商業化運營過程中，各主體行為進行了研究，認為只有對每一次電力交換所帶來的利益進行合理的分配，才能調動區域電網的積極性，但是如果不真正實現利益共享，互聯運行就難以實現（王紅蕾，魏一鳴，2007）[19]；并指出聯網效果不佳不是技術上的原因，而是由于在統一電力市場電能交易中存在著整體和局部利益的沖突。省間電力交易的價格應經過嚴格的經濟調度和交易計劃分析后確定，送電端所獲利潤應與受電端分享，依靠市場博弈來解決問題。而為了求出“購電整體最優”方案，文章運用了帶權擬陣的貪心算法。

曾鳴、孫昕和張啟平[20]考慮到我國電力系統管理和調度的實際情況，指出互聯電網效果不大的深層次原因是電力運輸在價格形成機制上和區域電力市場管理體制上的問題。在區域電力市場內省間電網的電力交易中，主要是由于管理體制的缺陷形成鏈式反應，引發一系列的矛盾和沖突，進而影響了各方參與跨省網交易的積極性。

由上述文獻看來，我國的電力市場交易和電網輸送研究還剛剛起步，國內確實有學者針對具有輸電網絡約束的電力市場模型進行了分析和研究，但是在輸配電市場的建立與完善還有許多工作要做。電力交易與電網互聯輸送中存在著巨大的經濟效益潛力，如何同時調動電網內供給者與接受者的積極性，充分發揮互聯電網的效益，實現運輸問題的最優，是目前的理論研究亟需解決的重要問題。

3. 中國的電力交易與跨區域電網輸送——西電東送

“全國聯網、西電東送、南北互供”是國家電力公司十五規劃的工作重點。

史連軍、韓放和張曉園[21]在2001年的《互聯電網電力市場運行模式的研究》一文中研究了建立以運輸問題理論為基礎的互聯電網電力交易的機制，促進東西部地區間的電力交換，優化資源配置，獲取聯網效益，迫在眉睫。他們針對互聯電網電力市場運行模式，分析了互聯電網的效益，提出了組織互聯電網電力交易的三種基本模式，并討論了電力交易類型和價格，研究出了互聯電網聯絡線的調頻與控制模式。這一文獻，對運輸問題在中國電力交易市場與跨區域電網輸送領域的理論研究和中國西電東送工程在現實中的運用具有重要意義。

隨著西電東送工程的推進，國內學者對區域電力市場的研究與實踐也在不斷深入，調度、定價、規劃、公平合理的費用分攤與利益分配等已成為跨區域電力市場化交易的主要問題。

2007年，馬文斌[22]在前人研究的基礎上，在其《跨區域電力市場電力交易及管理研究》的學位論文中通過分析比較國外電力市場化進程，借鑒國外電力市場構建的成功經驗，結合我國電力工業運營實際，系統地研究了我國跨區域電力市場的框架和運營的理論與方式，分析了在不增加電力需求側用電成本的前提下增加電力企業收益、進而加強電力行業管理、實現和諧電力輸送的一個重要思路。文章真正實現將運輸問題從理論到實際的運用，對我國的“西電東送”事業擁有重要意義。

針對以上文獻對中國西電東送工程研究的貢獻和尚存不足，專家和學者在今后還需要在優化資源配置、實現最大經濟效益、完善電力輸送調度方式和管理模式等方面加以重點研究。

4. 運輸問題在民營電力交易與輸送中的應用研究

在我國民營的電力交易與電力輸送網絡中，民營送變電工程企業是電力行業內電網基建的施工方。而運輸則是整個系統中具有增值效應的環節之一，在競爭激烈的行業背景下，提高運輸效益是該類企業發展的必然要求，也是我國民營電力交易發展和提高經濟效益的必然要求。從運籌學中運輸問題的角度出發進行統籌規劃，該類企業可考慮從以下幾方面進行相關改善：建立管理信息系統；制定合作博弈的合理運榆計劃；合理結合多種運榆方式和路線等。

基于上述實際經濟意義，韋琦和劉秋蘭[23]發表了論文《民營送變電施工企業的運輸問題研究——以廣東某送變電工程有限公司為例》，論文以廣東某送變電工程有限公司為例，用運籌學的理論與思想，對民營送變電工程企業的運輸問題進行了深入探究。其旨在探討從運輸問題方面提高該類企業經濟效益的途徑，從而提高整個民營電力交易網絡的經濟效益，為我國民營電力交易和輸送網絡整合出合理可行的運營方案。

總體而言，由于電力交易與輸送在民營企業中的應用實際較少，因而關于運輸在此類民營企業的電力輸送中的研究文獻也較少，盡管其運用可借鑒國家宏觀的跨區域電力交易與輸送，但是由于微觀個體的差異性與獨特性，不同民營企業中的電力交易與輸送仍存在差異。基于此，學者在今后的研究中，應在對民營企業有個體獨特性的分析上，具體問題具體分析，為不同類型和規模的民營企業提供適合其發展的電力輸送方案。

三、電力輸送中的合作博弈

目前已有一些學者運用博弈論對區域間交易決策優化進行了研究，包括Jukka R 、Harri E、Raimo P H、Bai X 、Shahidehpour S M、Ramesh V C、Tan X和Lie T T的合作與不協作情況下雙邊電力交易決策的研究[24-26]。J.Cardell、C.hitt和W.Hogan[27]提出電力市場并不是一個能夠實現完全自由競爭的市場。發電廠和大用戶都具有一定市場力，如果放任市場成員在市場中自由交易，將導致市場交易秩序混亂，市場價格失控，嚴重影響區域經濟的協調發展。 Hirsch P、Lee S、Alvarado F 、Mares A Bolton Zammit、David J Hill和R John Kaye[28-30]等人則認為電力市場化的改革以及區域電力市場的建立應該結合現狀，在現有調度和交易機制的基礎上，利用市場的手段和方式，改進、完善和規范現有的調度和交易機制，而不是重新設計和建立一套全新的機制，使電力市場化改革給電力系統帶來的安全隱患降到最小。

在費用分攤方面，D．Chatttopadhyay[31]首次在國際上提出應用Shapley值來分攤聯網效益，隨后，J．W. Marangon Lima、M．V F．Pereira和J．L．R．Pereira[32]提出運用同樣的原理分析輸電費用，而Y Tsukamoto、I.Iyoda和 J．E F．Wu[33-34]則研究了輸電線路擴建成本的分攤原理。D．Chattopadhyay和 B．B．Chakrabarti[35]提出了無功網損的公理分攤方法，研究了輸電成本的公理分攤等。

隨著我國電力行業體制的改革，形成了利益主體多元化的分散管理格局。王先甲和李湘姣[36]提出，在這種格局下進行電網互聯，就可能產生決策主體與多利益主體之間的利益沖突。電力跨區域交易決策時的特點是相應聯絡線的傳輸極限必須計及，以及相應輸電費用必須計及，并應計算區域間交易帶來的各種效益的量化值，以確定最優交易量、價格及時間。

一般來說，運輸問題只能解決一個可以控制調度的運輸系統，實現該系統中的運輸優化。運用于電力系統中，由于市場機制和自由競爭，一個較大的電網布局系統通常是由若干子系統所構成的，并且這些子系統相對于大系統來說通常是獨立的（不論從經濟上還是行政上來看都是如此）。因此，在一個大的電網布局系統中，例如地區或全國等，盡管可以建立運輸問題的優化模型并采用運籌學中的方法求得最佳調運方案，但是，這些最佳調運方案通常是無法實現的。因為全局最佳調運方案可能會損害一些在市場機制下具有優勢的子系統的利益，給一些弱勢的子系統帶來額外獲利。另一方面，全局最佳調運方案與市場機制下的自由競爭原則相違背，由于大系統不能控制子系統的調度，所以，必然會有一些子系統拒絕全局最佳調運方案。因此，在考慮運輸費用或營運盈利時，每個子系統都會為了自身利益而局部地優化本子系統的調運方案，當從而破壞整體的帕累托最優性。

針對這一問題，張建高，鄭乃偉[37]曾有所探究，他們在《合作博弈與運輸優化》（2002年7月）中從博弈論的角度分析了區域性大系統中的運輸問題，考慮了在這種運輸系統中，由于各個子運輸系統之間的相對獨立性和彼此之間的競爭，采用運籌學中通常的運輸問題模型是無法使這樣的一個運輸系統達到最優狀態的。

這一文獻從理論和實踐的分析中證明出，要在區域性運輸大系統中實現運輸問題的最優解，允許各子運輸系統之間結盟是必要的。遺憾的是，盡管此文已經初步闡明了博弈論在電力運輸中的重要應用價值極其應用方法，但是它仍然沒有擺脫理論算法的限制，也沒有將運輸問題與現實的管理問題、經濟問題所結合。具體來看，表現在仍然遺留了關于運輸合作博弈的兩個問題：

（1）如果公共銷地假設條件不成立，即至少有一個子系統壟斷某個銷地，運輸合作博弈的特征函數還滿足超可加性嗎？

（2）對于運輸合作博弈，是否存在一個線性規劃或某種較好的算法，能同時求解全局運輸問題最優解和運輸合作博弈的核心，或者最小核心，或者核仁。

馬文斌、唐德善和陸琳[38]分析了互聯電網的特點和問題，指出跨區域互聯電網合作的必要性，并結合運輸問題的思想，運用博弈論構建了基于多人合作對策的互聯電網合作對策模型，并采用核心法、Shapley值法和簡化的MCRS法等分配方式進行了算例分析，探討了不同計算結果的寓意。結果表明，博弈合作對策模型可以更好地體現各合作電網之間的相互影響，使得電力分配運輸結果較傳統方法更為合理，可以較好地應用于互聯電網電力交易的優化決策。據此，他們發表了《基于合作博弈的互聯電網電力交易優化分配模型》(2007)。

孔祥榮，韓伯棠[39]在其論文《基于合作博弈的運輸分配方法》(2010)中指出，要按照合作博弈規則劃分計算運輸網絡的夏普里值，提出了新型的運輸分配方法。而在對物資進行科學分配的同時，綜合考慮了運輸資源的合理利用和成本最優，便于利益相關者形成穩定的合作同盟。

綜合上述文獻來看，基于合作博弈的電力運輸分配方法超越了單純追求費用最小或時間最短的傳統原則，從管理角度合理利用各方資源，優化運輸成本，同時達到穩定和均衡，真正實現了以管理學與經濟學的完美結合。

四、魯棒性在電力交易與輸送中的體現

盧強、王仲鴻和韓英鐸[40]指出，在現有的電力系統魯棒控制策略中，有些是以單機無窮大系統為模型進行設計，但由于缺乏各個控制器之間的協調從而形成了“各自為政”的局面，達不到理想的控制效果。而另一些是以大系統整體模型為基礎，以預先選定各控制器的結構作為約束條件而得到。理論上按這種方法所設計出的各子系統控制規律可使得總體性能指標在給定控制結構條件下達到最優，但當系統較大時，計算量可能無法接受。

張文泉、董福貴、張世英和陳永權[41]進行了發電側引入競爭機制，使發電廠如何組合、發電資產如何重組成為電力市場的重要研究課題。研究敘述了近年來，在電源規劃過程中，負荷需求、發電成本等許多因素日益呈現不確定性，制定發電規劃必須考慮這些不確定性因素，從而使發電組合成為魯棒性組合，即為《電廠魯棒性組合研究》(2003)一文。他們的研究表明了，電廠魯棒性組合的發電成本對不確定因素變化不敏感或反應遲鈍，這不僅真正充分反映出電廠組合魯棒性的真實內涵，也充分說明電廠組合魯棒性研究的現實意義。

陳卓、李少波及郝正航[42]的《復雜電力系統魯棒性協調控制研究》(2008)針對現有的電力系統魯棒控制策略中存在的不足，提出了將關聯測量控制理論與魯棒控制相結合的控制策略。

魯棒性在運輸問題中的運用體現研究是一個比較新穎的課題，以往的研究大多強調系統內的控制策略和組合等，而對魯棒性與經濟效益的關系研究較少。專家和學者今后可就此方面進行進一步深入探析。

五、總結及展望

運輸問題在電力方面的運用已經得到國家和各類民營企業的普遍重視，如我國的西電東送工程就是最好的例證。此前國內外專家和學者也已經對電力交易及電網互聯輸送、電力輸送中的合作博弈理論和魯棒性在電力交易與輸送中的運用等各方面問題進行了研究。

對于運輸問題在跨區域電力市場交易中應用的研究，在國內外都屬于較新的課題。結合我國的特點，目前的研究和分析基本符合我國廣大區域電力交易和輸送的實際，對于建立和完善我國區域電力交易及電網輸送理論，和進行跨區域電力市場交易研究具有一定的指導意義。但是，從整理的文獻中，可以看到，當前的研究內容普遍比較零散，缺乏系統性和深度。主要表現在以下幾個方面：

1.未能提出系統、具體、實用的跨區域電力交易體系、價格機制和跨區域輸電費用分攤方法。

2.對于跨區域電力市場交易過程中的電力需求、尤其是長期需求的預測沒有相對比較精確的方法。

3.對于供電企業管理的研究較少，沒有在電力體制改革逐漸深化的情況下從供電企業內部管理上迸行深入分析研究，也沒有對直接參與電力市場的電力大用戶的管理機制進行深入研究。

由此可見，運輸問題在我國跨區域電力市場的研究還有待進一步的深入。尚需要進一步研究的內容有主要以下幾方面：

1.在跨區域電力市場運行過程中如何限制與消除地方保護主義和寡頭主義對跨區域電力交易的障礙與影響。

2.怎樣保證跨區域的電力市場交易規模與各個區域電網的發展相協調。

3.在根據適度超前及成本效益原則不斷擴大聯網規模的同時，怎樣保證跨區域聯網工程的整體經濟性。

另外，魯棒性在電力運輸中的體現是運輸問題在電力交易與輸送領域運用的另一個研究方向與要點。在當前學術界研究的基礎上，若能更加深入地對其進行實際運用上的探究，明晰系統魯棒性與經濟效益的深層關系，則能給中國的電力運輸界帶來更大的經濟效益。

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作者簡介：張忞嫻（1991-），女，昆山人，就讀于中國地質大學，研究方向：工商管理（雙語教學）。