基于博弈論的區域小水電虛擬電交易研究

陳 嶺，蔣 樂，李 俊，魏震波

(1.成都電業局，四川成都 610041;2.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065;3.國家開發銀行重慶分公司，重慶 400023)

0 引言

歷史原因導致中國許多地方存在著地方政府牽頭建設的小水電和地方電網，這些小水電和地方電網在實現農村電氣化建設、提高當地居民生活水平、促進當地經濟發展起到了重要作用。近些年，由于小水電的進一步開發及地方電網公司和省級電網公司的利益沖突，導致小水電生產的大量電能無法通過大網外售。但在地區之間，小水電窩電的同時，又存在電力不足現象。例如西部水電大省四川［1］，2004年全省建成中小水電站4 253座，年發電量達到210.90 GWh，同時全省中小水電站的窩電量高達43.60 GWh，占到了總發電量的20%以上;另一方面，枯水期四川主網電力供需缺口卻在30 000 GWh至40 000 GWh，豐水期也難改缺電困局。小水電窩電的原因包括小水電自身的局限(來水量不均勻)和電力需求負荷的波動性(負荷峰谷變化)等，但大小網之間的利益沖突和大網的強勢壟斷地位是造成其現狀的主要原因。優質可再生能源生產的低價電能未能充分利用，不僅不符合國家節能調度政策，而且使資源未達到優化的配置。因此，如何處理好省級電網公司與代表地方小水電企業的地方電網之間的關系，促進小水電發展，使其成為水資源豐富地區地方產業優勢并帶動相關產業的發展，是各級政府及相關電力企業共同關注的重大課題。

文獻［2］在分析了非合作狀態下省級電網公司和地方電網公司利益沖突的基礎上，提出了建立合作聯盟是解決大小電網矛盾的有效途徑，并采用shapley值來分配合作得益;文獻［3］在合作搏弈的基礎上探討了地方電力處理大小電網矛盾的體會。以上文獻中:①都是從合作搏弈角度討論電能輸送過程的各方利益沖突;②考慮問題出發點全部基于實際電能必須通過輸電網售出或買入。

電能是生產生活的基礎性資源，在以實體方式輸送過程中由于各方利益協調問題而受到阻礙時，從經濟學的角度，將電能以虛擬的形式“傳輸”，不僅可以補充實體傳輸的不足，而且可以緩解水電資源分配不均和電力消費水平不均的矛盾。

1 虛擬電、虛擬電交易及其含義

虛擬電概念借鑒于虛擬水、虛擬土概念，并考慮電能自身的特點進行改進。虛擬水是國外20世紀90年代提出的新概念，隨后引入中國［4－6］，獲得商品和服務所需要的水資源數量。虛擬水不是真實意義上的水，而是以“虛擬”的形式包含在產品中的“看不見”的水，因此也被稱為“嵌入水”和“外生水”，它以“無形”的形式寄存在其他的產品中，相對于實體水資源而言，其便于運輸的特點使貿易變成了一種緩解水資源短缺的有用工具。因此，從經濟學的角度解決水電資源分配不均及電力傳輸阻塞問題，虛擬電有著非常重要的現實意義。筆者認為，虛擬電是指在商品和服務生產過程中所需要的電力資源數量。虛擬電并非真實意義上的電，是指以“虛擬”的形式隱形于產品中的電。虛擬電的特征主要表現為:①非真實性。顧名思義，虛擬電不是真實意義上的電，而是以“虛擬”的形式包含在產品中，是“看不見”的電。②社會交易性。虛擬電是通過商品交易即貿易來實現的，沒有商品交易或服務就不存在虛擬電。③便捷性。基于實體電貿易中的傳輸瓶頸，虛擬電以“無形”的形式存在于其他商品中，其易于運輸的特點使貿易變成了一種可以緩解電力資源短缺的有用工具，并為充分利用可再生能源發電及傳輸提供了有效途徑。

2 產品虛擬電的量化方法

產品虛擬電主要指在工業產品生產和加工過程中所需用的電量。虛擬電的計量方式相對虛擬水略有不同。對于虛擬水而言，目前計算農作物產品虛擬水含量的方法主要有兩種［5，6］:一種是 Chapagain和Hoekstra提出的研究不同產品生產樹的方法;另一種是Zimmer和Remault基于對不同產品類型進行區分的計算方法。虛擬電主要是針對工業產品。工業產品的虛擬電計算總的來說應包括工業產品的生產、運輸及服務全過程用電。在工業產品生產、運輸和服務過程中，電能的消耗主要有以下幾部分:原材料和燃料生產用電、原材料和燃料運輸用電、生產過程中機械損耗折合生產用電、生產人員生產生活用電、生產過程中的服務性用電。根據工業產品生產中電能及虛擬電的消耗途徑，從生產者角度設定虛擬電的計算公式如下。

其中，Wv為某工廠年產工業產品所含虛擬電總量;Wp為年原材料和燃料生產用電;Wt為年原材料和燃料運輸用電;WO為年生產過程中機械損耗折合用電;Wl為年生產人員生產生活用電;WS為年生產過程中的服務性用電;Wvpp為單位產品虛擬電的含量;Q為企業年產量。

3 虛擬電交易模型

3.1 模型假設

1)假設有m個工業用電企業，Wivpp表示第i個企業的產品單位虛擬電含量，Qi表示第i個企業的年產量。

2)不妨設電網公司的電力供給曲線為一條直線。省級電網公司的電力供給函數P1=a1+b1W1，地方電網公司的電力供給函數P2=a2+b2W2。由于地網(地方電網，下同)電力公司主要是小水電，相對于大型水電或火力發電，投資較小，即a2＜a1;且一般情況下，地方電網公司的邊際發電成本更小，即b2＜b1，這也是區域小水電低價形成的原因，在此不再詳述。如圖1所示。

圖1 電網公司電力報價比較

3)假設市場完全競爭且信息對稱。

4)假設企業在省網(省級電網，下同)供電區域或在代表小水電的地網供電區域內產量不變。

5)假定社會總工業用電量不變，即省網供區的工業用電量為W1，地網供區的工業用電量為W2，而總的工業用電量Wtotal=W1+W2，Wtotal，總量不變。

模型分為企業用戶、省級電網、小水電(地方電網)三部分。

3.2 企業用戶

無論對省網還是地方電網，對企業用戶而言，都不能參與電價的制定，只能被迫接受電價，但能通過對省網電價和地網電價的高低比較以及電能可靠性、電能質量等其他因素的綜合評價，確定企業選址在省網或地網的供電區域。

企業用戶i在給定的電力報價函數情況下，根據自身利益最大化，確定企業選址。

因此，考慮電價的原因而導致的總的虛擬電量為愿意選址在地網供電區域內的企業的生產用電量總和。

圖2 總虛擬電量與電價差的關系

即，總的虛擬轉移的電量WT為含△Si的條件函數，由于△Si與(P1－P2)有關，因此，WT為(P1－P2)的條件分段函數，當(P1－P2)越大，即小水電電網電價與省網電價差值越大時，愿意選址在地網供區的企業越多，實現的虛擬電轉移量WT越大，如圖2所示。

3.3 省級電網

對省級電網而言，由于國家控股，其利潤的變化直接影響稅收的變化，同時，省網供電區域的負荷大小的變化也影響著電網公司對電網建設和電網投資的變化。所以，省網公司應是在電網潮流約束和投資約束條件下追求自身利益的最大化，其目標函數為

其中，I1為電網建設投資，建設投資量應該是電網負荷量的增函數。

其中，交納的稅收T1是企業利潤的增函數。

其中，F為可靠性補償，即省網公司協助地網公司解決電能可靠性差而獲得的收益，F為地方電網公司銷售電量的增函數。

約束條件有省級電網電價約束、發電機出力約束、潮流約束、電量約束。

電力不僅具有商品的屬性，同時也具有公共品的屬性，因此，政府應對電力實行最高限價PMAX，最高限價可用Ramsey－Boiteux公用品定價模型制定［10］。考慮WT≥0，即相對之前負荷(W1－WT)≤W1，所以實際上發電機出力約束、輸電約束和平衡約束都是松約束。將式(4)、(6)和(7)代入式(5)，并考慮約束條件式(9)整理得式(10)。

由式(10)可知，在P2一定的情況下，省網公司問題的實質是電價在一定范圍內變化時，關于P1的開口向下的二次分段函數的極大值求解問題。

3.4 小水電(地方電網)

由于地方電網公司和小水電企業一般屬于當地政府主辦的公共事業，或者由當地居民集資興建的，地方政府的有關意志以及當地居民的利益一般都會通過地方電網公司來反映，因此，將小水電抽象為代表地方政府利益的地方電網公司和代表當地居民利益的地方電網公司。其目標函數為

其中，I2為電網建設投資，建設投資量應該是電網負荷量的增函數。

交納的稅收T2是企業利潤的增函數。

F為可靠性補償，對地網公司而言，是依靠省網公司解決電力可靠性問題而支付的成本。

約束條件同前。

將式(4)、(12)和(13)代入式(11)，考慮約束條件式(14)簡單數學推導可得

由式(15)知，在P1一定的情況下，代表小水電的地方電網問題的實質是在潮流約束下，電價P2在一定范圍內變化時，關于P2的開口向下的二次分段函數的極大值求解問題。

3.5 模型求解

對式(10)利用拉格朗日極值法求極值，考慮約束條件，得省網公司最優電價為

對方程(15)利用拉格朗日極值法求極值，考慮約束條件，得地方電網公司最優電價為

4 結論

通過以上模型可得到如下結論:①所提模型的實質是通過虛擬電交易，增加了地方電網和小水電銷售電量，而增加的利潤空間通過可靠性補償系數F部分轉移給省級電網公司，使雙方實現了利潤最大化。模型既解決了窩電問題，又淡化了電力傳輸過程中地網公司和省級電網公司之間的利益沖突，使可再生能源得以充分利用，資源達到了優化配置;②如果市場完全競爭，當地方電網和省級電網的電價差越大時，虛擬電轉移量越大，符合比較優勢理論。虛擬電交易的實行，在一定程度上緩解了電力輸送壓力，也是換一種形式對“西電東送”政策的補充;③地方電網和省網雙方在搏弈過程中各自如何定價就成了決定虛擬電交易量大小的關鍵因素;④虛擬電交易具有很強的可操作性和可持續性，這對大型輸電工程項目來說是一種環境上的替代方法，從經濟效益和環境效益角度來看，都具有明顯的優越性，也為在思路上解決水電資源配置予以重新審視。

虛擬電交易進一步將電力資源管理問題從單個行業拓展到整個社會經濟系統，產品中的虛擬電的量化可以使人們意識到生產各種產品所需要的實際耗電量，增強生產過程中對消耗電力資源系統的認識，促使生產者增強節能意識，促使消費者優化消費結構，提高電力資源的使用價值。

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