風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中的利益分配研究

堯瑤，楊秀媛

（北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

近年來，隨著我國新能源的快速發(fā)展，為促進(jìn)清潔能源的消納，利用清潔能源之間的互補(bǔ)性，將各種能源之間進(jìn)行聯(lián)合。利用水電的調(diào)節(jié)能力將隨機(jī)的風(fēng)電轉(zhuǎn)化成可參與電力系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)劃的電源，使風(fēng)電場和水電廠向電力系統(tǒng)提供的總功率能按計(jì)劃輸出，這種方式稱為風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行[1]。國內(nèi)外對風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行已進(jìn)行大量研究[2-5]，但是對于風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行后的利益分配方法卻沒有得到廣泛的關(guān)注，產(chǎn)生的收益得不到合理的分配，對于企業(yè)而言，是不愿意做虧本生意的，只有合理的進(jìn)行利益分配，才能使合作能夠長期進(jìn)行。

利益分配就是將通過合作獲得的利益在各參與者之間的分配。文獻(xiàn)[6]基于利益相關(guān)者理論，對風(fēng)電與水電聯(lián)合運(yùn)行利益相關(guān)者的主要矛盾沖突進(jìn)行分析，也提到電網(wǎng)、政府和風(fēng)力發(fā)電商之間的矛盾，并提出了解決方案，但并未提出一個(gè)合理的利益分配方案。文獻(xiàn)[7]研究了風(fēng)電場和抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)營的利益分配問題，最后得出在該利潤分配中采用沙普利值法較為合理。文獻(xiàn)[8]分別計(jì)算風(fēng)電和水電單獨(dú)投標(biāo)的收益和聯(lián)合運(yùn)行的收益，并采用沙普利值法對額外的利益進(jìn)行分配。公平合理的利益分配能夠促進(jìn)合作的順利進(jìn)行，讓合作者在聯(lián)盟中積極性更高，進(jìn)而保證聯(lián)盟目標(biāo)的達(dá)成和利益最大化的實(shí)現(xiàn)。因此本文對風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中的利益分配方法進(jìn)行分析總結(jié)，以此推動(dòng)研究的進(jìn)一步開展。

1 風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行

隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，風(fēng)電場在電力市場環(huán)境下的運(yùn)行對于可再生能源的持續(xù)發(fā)展十分重要。但由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和反調(diào)峰等特性，使得大規(guī)模風(fēng)電場的風(fēng)電并網(wǎng)容量大大受限，而水電能調(diào)節(jié)峰谷差，調(diào)節(jié)頻率的不穩(wěn)定性，可以用來應(yīng)付間歇式能源給電網(wǎng)帶來的影響，利用風(fēng)電和水電的互補(bǔ)性將兩者聯(lián)合運(yùn)行，使得聯(lián)合輸出的功率能按計(jì)劃輸出，增加了電力系統(tǒng)吸收大量風(fēng)電的能力，也提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的長久穩(wěn)定性。圖1所示為某地區(qū)一年內(nèi)水電站發(fā)電量及風(fēng)電場風(fēng)速的變化情況。

圖1 某地區(qū)全年水量及風(fēng)速變化Fig. 1 Annual water volume and wind speed change in a certain area

風(fēng)電和水電的協(xié)調(diào)運(yùn)行已經(jīng)在不同方面進(jìn)行了研究。國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行的研究可概括為：1）以減少風(fēng)電的波動(dòng)性對電網(wǎng)的影響為目標(biāo)[9-11]；2）以提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)[12-13]；3）考慮實(shí)時(shí)階梯電價(jià)和電網(wǎng)傳輸容量的限制[14-15]；4）以優(yōu)先消耗風(fēng)電等無污染可再生能源為目標(biāo)[16]。其協(xié)同方案都是依據(jù)優(yōu)化目的，建立優(yōu)化模型，并創(chuàng)建某種新的算法或者商業(yè)軟件進(jìn)行求解。在上述文獻(xiàn)或其他文獻(xiàn)當(dāng)中，沒有提到風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行后對獲得的利潤進(jìn)行分配的方案。

2 風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行的利益分配

合理的利益分配不僅可以使參與者的合法權(quán)益得到保護(hù)，還可以保障合作長期穩(wěn)定進(jìn)行，企業(yè)之間若進(jìn)行合作必然是合作后的利潤收入要大于不合作時(shí)單獨(dú)經(jīng)營的利潤之和，否則便沒有進(jìn)行合作的必要。由于合作聯(lián)盟創(chuàng)造的最后收益是一定的，聯(lián)盟中某個(gè)成員利益的增加就會(huì)導(dǎo)致其他成員利益的減少，企業(yè)都想使利益最大化，但“蛋糕”只有那么大，不可能使所有企業(yè)都獲得最大收益，分配少的企業(yè)自然不滿意，因此利益的分配必須依照一定的原則，科學(xué)合理系統(tǒng)的進(jìn)行分配才能令所有企業(yè)成員都相對滿意[17]。

2.1 風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中的利益分配原則

利益的分配，要公平、合理，讓每個(gè)企業(yè)都覺得自己得到了自己應(yīng)得的一部分，因此必須遵循一定的原則[18]：

1）互惠互利原則。使風(fēng)電水電從協(xié)同運(yùn)行中獲取的收益要大于等于自己單獨(dú)運(yùn)行所獲得的收益。如果水電分配后獲得的總收益少于自己獨(dú)立運(yùn)行時(shí)獲得的收益，那么水電是不會(huì)愿意參與合作的。假設(shè)vi(S)表示企業(yè)i在聯(lián)盟S中獲得的收益，v(i)為企業(yè)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)獲得的收益，則

2）風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償原則。利益分配要考慮參與者在聯(lián)盟中承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)收益。分配的利益和面臨的風(fēng)險(xiǎn)大小是成正比的，風(fēng)險(xiǎn)大的企業(yè)，所分配的利潤也適當(dāng)增加，承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)小的企業(yè)，利潤分配適當(dāng)減少。假設(shè)企業(yè)i在聯(lián)盟中面臨的風(fēng)險(xiǎn)Ri大于企業(yè)j面臨的風(fēng)險(xiǎn)Rj，那么企業(yè)i的收益v(i)要大于企業(yè)j的收益v(j)，即

3）貢獻(xiàn)分配原則。企業(yè)對聯(lián)盟的貢獻(xiàn)包括企業(yè)對聯(lián)盟投入的資源，包括人力物力、管理技術(shù)、設(shè)備等。如果企業(yè) i在聯(lián)盟中投入的總資源 I(i)大于企業(yè)j的總資源I(j)，則企業(yè)i的收益v(i)要大于企業(yè)j的收益v(j)，即

4）利益分配過程必須公開透明化原則。在進(jìn)行利益分配時(shí)，對于分配流程、分配方法、參與形式、總的凈利潤收益等都需要毫無保留地告訴參與企業(yè)，以此保證這個(gè)分配過程是公開透明、開誠布公的。

2.2 利益分配方法

風(fēng)電水電聯(lián)合運(yùn)行，目的就是提高風(fēng)電場的日運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，平穩(wěn)風(fēng)電的波動(dòng)，使總的輸出功率保持在一定要求范圍內(nèi)，滿足市場平衡的需求，使得聯(lián)合運(yùn)行后獲得更大的效益。文獻(xiàn)[7]研究了風(fēng)電場和抽水蓄能之間的利益分配問題，將均分策略、按容量分配策略、沙普利值3種分配方法進(jìn)行實(shí)例分析，最后得出沙普利值法更適合聯(lián)營模式下的利益分配。文獻(xiàn)[8]對于風(fēng)電和水電協(xié)調(diào)運(yùn)行產(chǎn)生的收益，提出一種基于沙普利價(jià)值的新協(xié)作方案和公平透明的方法，用于分配由協(xié)調(diào)的投標(biāo)和運(yùn)營策略引起的額外價(jià)值。文獻(xiàn)[19]研究了在大規(guī)模風(fēng)、光、火電聯(lián)合外送體系下的協(xié)調(diào)調(diào)度及利潤分配問題，采用核仁理論對3方聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的利潤進(jìn)行分配，采用算例計(jì)算得出最后該方法根據(jù)各方在聯(lián)合收益中的貢獻(xiàn)度能夠合理分配各方利益。文獻(xiàn)[20]研究了多個(gè)投資主體的增量配電網(wǎng)公司之間的利益分配問題，由于投入的資本和承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)各不相同，因此收益分配存在一定的差異，采用合作博弈理論中的Nash談判模型求解增量配網(wǎng)收益分配，最后得到一個(gè)使增量配網(wǎng)各投資方都比較滿意的分配方案。多人合作的利益分配模型如下。

1）均分策略。

即將獲得的額外收益平均分配給每位參與者，各個(gè)聯(lián)盟成員分配到的利益都一樣，這樣的方法在某種環(huán)境下有著一定的公平性，但是對于所有的聯(lián)盟，合理性較差，有的企業(yè)可能投入的資金多，有的企業(yè)可能投入的資金少，如果對利益進(jìn)行平均分配，企業(yè)肯定是不同意的，導(dǎo)致合作無法繼續(xù)，使得聯(lián)盟的利益出現(xiàn)損失，只有當(dāng)聯(lián)盟中各個(gè)企業(yè)對聯(lián)盟的貢獻(xiàn)相差不大且無法衡量時(shí)使用這種方法才可以[7]。

風(fēng)電場水電站合作組成的聯(lián)盟中只有兩個(gè)參與者，風(fēng)電場w和水電站p，分別獲得的利潤為x(w)和 x(p)表示為

式中v(w,p)為合作后的整體利潤。

2）按容量分配策略。

該策略下，考慮每位參與者在合作中的貢獻(xiàn)，收益與貢獻(xiàn)成正比[7]。對于風(fēng)電水電協(xié)調(diào)運(yùn)行后的利益分配為：

式中：Ww為風(fēng)電場在合作中貢獻(xiàn)的電量；Wp為水電廠發(fā)出的電量。

3）Nash談判模型。

在合作聯(lián)盟利益分配的過程中，通過企業(yè)成員之間互相談判和商議，如果每個(gè)企業(yè)都能遵守一定的“合理性假設(shè)”，那么 Nash談判模型[21]就是滿足這些假設(shè)的解。假設(shè)vi表示第i個(gè)企業(yè)單獨(dú)運(yùn)行獲得的收益，Φi表示在合作博弈利益分配過程中，第 i個(gè)企業(yè)分配得到的收益，通過下列模型求得最優(yōu)解：

式中v(N)表示合作聯(lián)盟的總收益。

4）核仁理論。

利用核仁理論[19]對利潤進(jìn)行分配的目的是設(shè)法合理分配由各電場聯(lián)合運(yùn)行所產(chǎn)生的總利潤。設(shè)Y={y1, y2,…,yn}表示合作博弈下各電廠分得的利潤集合，X=(x1, x2,…,xn)表示各電場分得利潤的轉(zhuǎn)歸集合，v(s)為不同運(yùn)行聯(lián)盟s的所得利潤。則可利用核仁進(jìn)行求解，其中e(s, x)為聯(lián)盟s關(guān)于轉(zhuǎn)歸x的超出值，即表示聯(lián)盟參與者對分配方案的不滿意程度，e(s, x)=v(s)-x(s)。

設(shè)V(s)為聯(lián)盟s的參與者之間相互作用而產(chǎn)生的利潤，則

式中v(i)即為第i個(gè)參與者單獨(dú)運(yùn)行產(chǎn)生的利潤。

最后，各個(gè)參與者所獲得的利潤為其分得的由相互運(yùn)行獲得的額外利潤加上各參與者單獨(dú)運(yùn)行時(shí)所得利潤，即

5）沙普利值法。

風(fēng)電水電組成的合作聯(lián)盟滿足對稱性、有效性和累加性，因此可用沙普利值法[22-24]進(jìn)行利潤分配。沙普利值法對風(fēng)水協(xié)同的利益進(jìn)行分配時(shí)，是基于各發(fā)電廠對聯(lián)盟做出額外貢獻(xiàn)大小為依據(jù)進(jìn)行利益分配，與上述幾種分配方法不同，它主要關(guān)注電場的資源有效利用率以及為聯(lián)盟帶來的額外效益。其基本模型是：n個(gè)成員從事具有經(jīng)濟(jì)利潤的活動(dòng)，每個(gè)成員都能從中獲取一定的利潤，當(dāng)n個(gè)成員構(gòu)成聯(lián)盟后，聯(lián)盟的總利潤大于n個(gè)成員單獨(dú)從事該項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所取得的利潤之和。沙普利值模型為解決n人合作博弈的利益分配問題提供了簡單而方便的方法。

沙普利值法定義如下。

用xi表示集合N中博弈方i從聯(lián)盟的最大收益v(N)中應(yīng)該得到的一份收益。在聯(lián)盟N的基礎(chǔ)上，各博弈方的一個(gè)分配用x=(x1, x2,…,xn)表示。該聯(lián)盟必須滿足以下條件：

公式(9)表示聯(lián)盟總的利益等于聯(lián)盟總的分配，并且聯(lián)盟中的任意成員從中獲得的收益都不能小于其獨(dú)立運(yùn)行所得，這被稱為個(gè)體合理性條件。在沙普利法中，示各博弈方所得到的利潤。其中表示在聯(lián)盟N下博弈方i所得到的分配，其計(jì)算公式為：

式中：si表示屬于集合N中包含了博弈方i的子集；|s|表示聯(lián)盟s中所含參與者的個(gè)數(shù)；v(s)表示聯(lián)盟s合作時(shí)的總利潤；v(si)表示聯(lián)盟s沒有局中人i加入時(shí)的收益；v(s)-v(si)表示局中人i對聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)；局中人依隨機(jī)次序形成聯(lián)盟，各種次序發(fā)生的概率為w(|s|)。

綜上所述，這是目前對于風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行利益分配常用的分配方法，其中沙普利值法由于更具合理性，被研究的更多。沙普利值法是按照各個(gè)企業(yè)對聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)來進(jìn)行分配，即考慮每個(gè)企業(yè)加入聯(lián)盟后，給聯(lián)盟帶來的額外收益進(jìn)行分配，很顯然，這種分配方法不符合利益分配原則，水電站為彌補(bǔ)風(fēng)電的波動(dòng)，承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)更大，起到的作用也更強(qiáng)，在實(shí)際情況中，需要考慮到對合作產(chǎn)生影響的各個(gè)因素，如各個(gè)電場面臨的風(fēng)險(xiǎn)程度、初始投入資金等因素，對于承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)較大的水電廠，應(yīng)對其進(jìn)行一定的利益補(bǔ)償。

3 風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中的影響因素指標(biāo)

考慮風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行的特點(diǎn)，對合作利潤產(chǎn)生影響的因素主要有承擔(dān)風(fēng)電能力指標(biāo)、資源利用率指標(biāo)、投入資源程度指標(biāo)。其利益分配影響因素體系如圖2所示。

圖2 影響因素體系Fig. 2 Influencing factor system

3.1 承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)能力指標(biāo)MRi

沙普利值法默認(rèn)各個(gè)參與者之間所面臨的風(fēng)險(xiǎn)和承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的能力是一樣的，但是在實(shí)際參與情況中，不同的參與者所面臨的風(fēng)險(xiǎn)大小是不相同的。而就利益分配原則來講，分配的利益和面臨的風(fēng)險(xiǎn)大小是成正比的，風(fēng)險(xiǎn)大的成員，所分配的利潤也適當(dāng)增加，承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)小的成員，利潤分配適當(dāng)減少[25]。這樣才符合實(shí)際情況，使分配更加公平。由于在風(fēng)電抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行過程中，為了彌補(bǔ)風(fēng)電的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，抽水蓄能電站必須時(shí)刻根據(jù)風(fēng)電場的出力大小來調(diào)整水電機(jī)組的輸出功率，使得聯(lián)合輸出的功率能按計(jì)劃輸出。在評價(jià)成員風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以采用相對風(fēng)險(xiǎn)分配法、協(xié)方差風(fēng)險(xiǎn)分配法、層次分析法等，在對各個(gè)參與者的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行評價(jià)后，要進(jìn)一步做歸一化處理，方便比較及進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。即可得合作方的風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)能力指標(biāo)為

式中：Ri(i=1,2)表示成員i的風(fēng)險(xiǎn)程度評級結(jié)果；1、2表示風(fēng)電場和抽水蓄能電站。

3.2 資源利用率指標(biāo)MUi

不同電源(如核電、常規(guī)火電、水電、風(fēng)電光伏)的年平均設(shè)備利用率是不同的。美國能源信息署以2008—2012年運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對全球16個(gè)不同國家和地區(qū)的不同電廠的設(shè)備利用率進(jìn)行比較?？芍娫O(shè)備利用率在30%～40%之間，至于風(fēng)電、光伏，其平均利用率在20%上下。抽水蓄能電站能夠很好的控制其輸出大小，但風(fēng)電由于其隨機(jī)性，而且目前對于風(fēng)電的預(yù)測還不能達(dá)到非常準(zhǔn)確，現(xiàn)在的預(yù)測率只能達(dá)到80%以上，由于風(fēng)電的裝機(jī)容量逐漸增加，但是電網(wǎng)的承受能力有限，導(dǎo)致棄風(fēng)嚴(yán)重。因此資源利用率也是一個(gè)重要指標(biāo)：

式中Ui(i=1,2)表示成員i的資源利用率。

3.3 投入資源程度指標(biāo)MPi

投入資源程度指標(biāo)就是表示參與者在聯(lián)盟中的資源投入的大小[26]。由于現(xiàn)在我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，風(fēng)能資源豐富，對于風(fēng)電場而言，風(fēng)電場有足夠的能量輸出，在風(fēng)電抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行中，抽水蓄能電站主要是作為旋轉(zhuǎn)備用來平抑風(fēng)電場的波動(dòng)，因此風(fēng)電的資源投入較大，而水電的資源投資相對較小。則資源投入度指標(biāo)為

式中Pi(i=1,2)表示成員i的資源投入量。

4 風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中的利益分配研究展望

為更公平合理的對風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行產(chǎn)生的利潤進(jìn)行分配，需要考慮對利潤產(chǎn)生影響的各個(gè)因素，即風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)能力、投入資源程度、資源利用率。

文獻(xiàn)[21]考慮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中利益分配不公平問題，提出需要綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因素、合作意愿與質(zhì)量投入等因素，引入綜合修正因子，建立了改進(jìn)沙普利值法的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈利益分配模型。文獻(xiàn)[23]結(jié)合蔬菜供應(yīng)鏈的特點(diǎn)，提出在沙普利值法的基礎(chǔ)上，綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因子、合作程度和社會(huì)責(zé)任度3個(gè)影響因子及權(quán)重改進(jìn)模型，使分配更加公平合理。文獻(xiàn)[25]通過構(gòu)建生態(tài)工業(yè)園供應(yīng)鏈中企業(yè)利益分配的沙普利值模型，考慮企業(yè)的經(jīng)營成本、承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，引入修正因子，確定權(quán)重并對供應(yīng)鏈企業(yè)的增加收益分配額進(jìn)行調(diào)整。文獻(xiàn)[27]指出影響中小企業(yè)供應(yīng)鏈利益分配的4個(gè)因素為創(chuàng)新資源貢獻(xiàn)率、創(chuàng)新執(zhí)行度、風(fēng)險(xiǎn)因素以及創(chuàng)新補(bǔ)貼，并以此建立沙普利值法修正模型。

目前對利益分配研究較多的為供應(yīng)鏈方向，主要的分配方法為考慮綜合影響因素對沙普利值法進(jìn)行改進(jìn)[26-29]，和風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行的特點(diǎn)相對比，發(fā)現(xiàn)供應(yīng)鏈和風(fēng)水協(xié)同考慮的影響因素相差不大，因此可以將供應(yīng)鏈的利益分配方法應(yīng)用到風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中。

5 結(jié)論

風(fēng)電水電由于存在互補(bǔ)性，為增加雙方利益，進(jìn)行協(xié)同運(yùn)行后相比單獨(dú)運(yùn)行獲得更多的收益，合理分配利益促使雙方長期合作才能使利益最大化。合理的利益分配必須滿足一定的原則，即互惠互利原則、風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償原則、貢獻(xiàn)分配原則、利益分配過程必須公開透明化原則。

歸納總結(jié)了目前對風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中研究較多的利益分配方法，并簡要介紹其數(shù)學(xué)模型和其優(yōu)缺點(diǎn)，目前采用博弈論的沙普利值法對利益進(jìn)行分配的研究較多。

考慮到風(fēng)電水電運(yùn)行的特點(diǎn)，指出風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)能力、投入資源程度、資源利用率3個(gè)因素對分配結(jié)果產(chǎn)生的影響較大。對于風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行中的利益分配需考慮綜合影響因素，有必要對其進(jìn)行深入研究。