基于Shapley 值的園區分布式綜合能源系統利益分配研究

閆慶友，于振華

（華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206）

0 引言

在環保壓力加劇、能源供應緊缺的狀況下，提高能源利用效率、實現能源互聯互通、保障可再生能源消納成為必然選擇。綜合能源系統作為一種人類社會能源的承載形式，可以實現多種類型的能源耦合，靈活接入和消納分布式能源，逐漸進入人們視野。國家電網有限公司在確定了向綜合能源服務商轉型的戰略后，于2020 年又進一步確立了“建設中國特色國際領先的能源互聯網企業”的新戰略［1］，其中能源互聯網在功能上要實現“源網荷儲”協調互動，保障綜合化服務需求，綜合能源系統已經成為未來能源系統的發展方向［2-3］。伴隨著綜合能源系統研究的逐步深入，相關業務服務將產生新產業、新業態，形成不同的商業模式。園區的能源需求包括冷、熱、電等多種形式，并且園區本身具備各種分布式電源之間的互聯條件，因此成為分布式綜合能源系統的重要應用場景［4］。隨著電改的逐步深入，電源運營主體向用戶直接售電成為可能。園區內各參與主體如何在協同優化配置資源的同時保障各方利益，成為促進分布式綜合能源系統建設的重要研究內容。

關于綜合能源系統收益分配，目前已有研究側重于非合作模式下的收益問題或僅考慮部分主體的收益。例如楊崢等［5］針對三方市場主體，提出了以能源運營商為主體的市場交易框架，建立了三方理性追求自身利益最大非合作博弈模型。馬恒瑞等［6］建立了儲能參與調頻服務的區域綜合能源運營優化模型，保證了電能與調頻服務市場總體利潤最大。王旭東等［7］從整體角度出發提出了多主體商業運營模式，但未考慮整體收益如何分配至各參與主體。薛金花等［8］提出了3 種光伏運營模式，并分析了用戶及能源投資商在不同運營模式中的效益，但并未考慮用戶負荷和光伏系統之間的聯系。WANG 等［9］針對多能交易問題，提出一種基于分層Stackelberg 博弈模型用以解決交易中各主體的利益均衡問題。LEE 等［10］重點研究了微網間分布式能源交易機制，提出收入按銷售額比例進行分配。Shapley 值法具有計算方便、所得解唯一的特點，廣泛用于研究供應鏈利益分配問題，付秋芳等［11］將TOPSIS 與Shapley 值相結合，并將之應用于供應鏈利益分配。李軍等［12］在研究企業協同創新聯盟利益分配問題時，對Shapley 值法進行改進，使其聯盟更加穩定。Shapley 值近年來也逐漸應用到能源領域，閆慶友等［13］構建了基于Shapley 值的碳排放因素分解模型，并分析了京津冀火電行業碳排放因素。周長城等［14］建立了工業園區綜合能源的合作博弈模型及效用函數，但未能建立不同運營模式的收益模型。

鑒于目前研究較多集中在多能系統的單獨運營，只追求單方利益最大，對合作模式下的多主體行為和各主體的收益分配研究較少。以分布式綜合能源系統為研究對象，針對園區分布式綜合能源系統商業模式和運營特點，建立各市場主體在不同運營模式下的收益計算模型；在此基礎上，考慮多方主體合作運營的整體利益，運用Shapley 值法對增量收益進行分配；并將其應用到一個由分布式光伏、熱電聯產和用戶三方主體組成的分布式綜合能源系統中。

1 園區分布式綜合能源運營模式

分布式能源作為一個系統工程，包含眾多子系統。如圖1 所示，所研究的園區綜合能源系統中主要參與的主體包括光伏系統（Photovoltaic，PV）、熱電聯產聯供系統 （Combined Heating and Power，CHP）、分布式儲能系統（Distributed Energy Storage System，DESS） 以及園區內的工商業用戶（User，U）。其中分布式儲能采取恰當的充放電策略，保障園區供電可靠，提高能源利用；光伏和熱電聯產為園區提供電能，CHP 將低品位的熱量為用戶供熱。

圖1 園區分布式綜合能源系統能量流動

在合作供能模式下，各參與主體可以組建合作聯盟，按照一定規則合理調配各種資源，該模式下的能量流和資金流如圖2（b）所示。

圖2 園區各參與主體供能模式

1.1 傳統單獨供能模式下收益模型

1）儲能主體收益：儲能在傳統的電力系統中不具備規模經濟性，在日內未進行充放電操作，所以沒有直接的經濟收益。即

2）光伏主體收益：在傳統獨立供能模式下，光伏主體的收益主要來源于光伏全額上網的收益和補貼收益。即

3）熱電聯產機組收益：由于熱電聯產機組熱出力按成本價出售給市政部門，其收益來源主要是發電全額上網。即

選擇培養基，從牦牛酸醡肉中共分離純化得到乳酸菌11株、芽孢桿菌10株、真菌17株(不排除同種菌)，一一編號，保存于4 ℃冰箱備用。

4）用戶收益：用戶收益主要包括用電和用熱所花費用的總和，主要和用能單價和用能負荷有關。即

1.2 綜合能源合作供能模式下收益模型

1）儲能收益：儲能收益主要為賺取峰谷價差。即

2）光伏收益：主要包括政府補貼、余電上網收益以及出售給儲能企業的收益。即

3）熱電聯產機組收益：主要包括出售給用戶的電收益和熱收益。即

4）用戶收益：主要包括購熱收益和從熱電聯產、光伏、儲能以及電網的購電收益。即

式中：LG（t）為t 時刻園區用戶的購電量。

2 基于Shapley 值的區域綜合能源系統利益分配

Shapley 值法最早由美國學者提出［15］，該方法將聯盟成員所應分配的利益與成員貢獻相匹配，同時可以體現聯盟成員之間的個體博弈，可以體現分配的公平性，被廣泛用于解決動態聯盟中多人的收益分配問題。本文研究的合作供能模式即是多主體參與的合作博弈問題，根據各個主體在合作項目中的貢獻來對收益進行合理分配，即主體i 的收益等于i對其所參與聯盟的邊際貢獻均值。

假設I=｛1，2，3，…，n｝為n 個參與合作項目的主體集合，對于I 的任一子集S∈I，均對應一個實數函數F（S），該函數滿足：

式中：F（S）為聯盟S 的合作收益，即使聯盟人數增加，其收益也不會減少。聯盟內主體i 的利益分配所得值為

式中：S 為包含成員i 的所有子聯盟；｜S｜為子聯盟S中成員的個數；F（S＼i）為子聯盟S 除去成員i 后的收益；F（S）－F（S＼i）為成員i 對子聯盟S 的邊際貢獻；θ（｜S｜）為聯盟S 出現的概率，計算公式為

園區分布式綜合能源系統中由多個主體進行合作時，根據理性原則，合作收益應不小于各主體單獨供能時的各主體收益之和。園區主體通過合作聯盟增加的收益包含兩部分：聯盟參與者增加投資所產生的收益和聯盟內部對于所掌控資源的合理配置所產生的協作收益，兩者合稱增量收益，可由式（12）表示。基于此，應用Shapley 值法對增量收益進行分配。

3 算例分析

3.1 園區基本情況

以某工業園區為研究對象，園區位于我國北方區域，存在冬季供暖負荷，供暖季為國家法定121 天，供暖建筑面積為10 萬m2，選取冬季典型日的園區電熱負荷曲線作為基礎數據，如圖3 所示，典型日時長取24 h。園區內主體主要包括分布式光伏運營商、熱電聯產運營商以及用戶三大主體。分布式光伏出力特性曲線如圖4 所示，其他邊界計算條件分別為：光伏全額上網電價0.65 元／kWh，光伏余額上網補貼電價為0.32 元／kWh，光伏直供電價為0.7 元／kWh。園區熱電聯產機組采用人馬座40 型號的機組，燃機出力為3 418 kW，熱電比為164.59%，天然氣消耗量為1 280 m3／h，當地的天然氣價為2.31 元／m3。園區儲能裝置暫未投入使用。用戶從市政購熱價格實行兩部制熱價，基礎熱價為18 元／m2，計量熱價為0.25元／kWh，用戶從熱電聯產直購熱價為91 元／GJ，從電網購電的分時電價如表1 所示，從熱電聯產購電的直供電價如表2 所示。

圖3 冬季典型日園區負荷曲線

圖4 冬季典型日園區光伏出力特性曲線

表1 電網購電分時電價

應用構建的園區各主體收益模型，分別測算園區獨立運營模式以及合作運營模式下的總體收益可得，獨立模式系統總體收益為-9.943 8 萬元，合作運營模式下總體收益為-5.889 3 萬元，兩種模式相比，其增量收益為4.054 5 萬元。由于用戶用能需求量以及系統內的能源供應量均不會隨著模式轉換而改變，增量收益主要來源于在因合作運營模式下對系統內能源的合理調度。兩種模式下總收益為負是因為系統內電能和熱能供應不足，需要從外部電網、熱網獲取能源。

表2 熱電聯產直供電價

3.2 增量收益分配

將園區內3 個主體通過合作運營創造出來的增量收益作為分配的總收益，直接應用Shapley 值法可得各種在主體的分配結果，分別如表3—表5 所示。

表3 用戶收益分配

表4 分布式光伏收益分配

表5 熱電聯產收益分配

將表3 中最后一列數字相加得到園區內用戶應分配的增量收益φU（u）=2.276 2 萬元，同理，可得園區內光伏運營商應分配的增量收益為φPV（u）=0.271 7 萬元，園區熱電聯產運營商的收益為φCCHP（u）=1.506 6 萬元。從計算結果可以看出，合作模式下用戶的用電用熱成本降低，其余主體的收入均有所增加；因此系統內各主體直接進行電量和熱的交易有益于降低運行成本，提高收益。合作供能模式中，用戶用能成本降低2.276 2 萬元，光伏系統增加收益0.271 7 萬元，熱電聯產增加收益1.506 6 萬元。因此園區分布式綜合能源系統更適合采用合作供能運營。

4 結語

針對分布式綜合能源的特點，得出園區內多個主體參與下的2 種運營模式，即獨立供能模式和合作供能模式；通過對2 種模式下不同主體的行為分析，建立各主體收益函數和總體增量收益函數；應用Shapley 值法對增量收益進行分配。計算結果表明，園區內多主體進行合作聯盟，在合作供能模式下能增加整個系統的總體收益，有效應用提升整個系統的經濟效益，Shapley 值可以較為公正合理的對增量收益進行分配，有利于加強合作聯盟的整體協作，保障園區分布式綜合能源系統創造的社會效益。