考虑政府参与的区域能源互联网协同演化研究.pdf
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1、第 卷第 期运 筹 与 管 理 ,年 月 收稿日期:基金项目:河北省社会科学基金项目()作者简介:陈娟(),通讯作者,女,江苏南京人,博士,副教授,研究方向:能源互联网与分布式能源系统规划,经济运行及评价;高江梅(),女,山西太原人,硕士研究生,研究方向:区域能源互联网商业模式与市场机制。考虑政府参与的区域能源互联网协同演化研究陈 娟,高江梅(华北电力大学 经济管理系,河北 保定 )摘要:区域能源互联网将为“双碳”目标的实现提供安全经济的保障,聚焦其市场建设中存在的市场体系不完善、运行机制不健全等问题,构建了能源产品交易者、第三方服务商和能源互联网平台的三方市场主体演化博弈模型,分情景分析了能
2、源互联网市场建设不同阶段的主体均衡策略,初期存在市场失灵需要引入政府监管,待市场机制完善后,政府仅充当“守夜人”即可实现市场的稳定均衡。研究发现:第一,在 市场建设初期,交易者和服务商容易存在损人利己的机会主义行为,需要政府通过 平台发挥监管职能;进入成熟期后,主体间的良性合作无需政府监管便可实现系统稳定均衡,并产生社会正外部效应。第二,主体的初始意愿较低时往往需要平台起到示范作用刺激均衡实现;平台通过政府激励和处罚发挥监管职能,适当的政府激励和较强的处罚力度能够刺激均衡实现。第三,平台可以通过控制搭便车收益来抑制市场中的机会主义行为,促进博弈系统实现理想均衡。关键词:区域能源互联网;主体利益
3、;政府监管;演化博弈中图分类号:文章标识码:文章编号:():,(,):“”,:,:,;,;“”,;,:(),;,;,“”(),“”(),:;引言作为能源革命的重要环节,能源互联网以能源体系碳减排推动全社会减排,为双碳目标的实现提供安全、经济保障 。区域能源互联网(,)以电力交易为核心,运用先进电力、信息技术等打破各类能源网络之间的壁垒,实现电、气、冷、热等互联共享的异质能源网络,是优化资源配置、促进可再生能源消纳、实现“双碳”目标的重要途径 。不同于传统能源系统,更强调能源主体协同发展,建设初期如何发挥好政府作用,利用市场机制协调网络运行、优化社会资源配置是其未来发展面临的关键问题。的共享互联
4、理念意味着围绕能源产品及服务供需端市场主体间存在信息交互和利益相关性,研究其生态环境中各方效益能否得到最大化是 市场建设核心。传统能源行业的自然垄断性,使市场机制在多能源网络运行及多主体利益协调等方面作用有限。同时,政府筹划、统一规范的能源互联网综合服务平台建设仍处于探索阶段 ,因此,对考虑政府参与的区域能源互联网市场主体如何实现稳定均衡问题展开研究,具有现实意义和理论价值。目前多能源市场交易中往往存在信息不对称及主体利益分配机制缺失等问题 ,由此催生了对于联盟协同 、点对点 等主体间利益分配问题的探讨。能源互联网背景下,呈现出多个供电主体竞争并存 ,构建主体间能量流、信息流、业务流开放互动的
5、能源生态体系成为关键 。博弈论被广泛应用于供电主体间的定价策略研究 、电网公司与企业以及用户报价 及负荷优化调控 、分布式能源运营商与用户供需均衡研究 等。目前 研究鲜少从动态视角出发,考虑不同发展阶段以及政府行为或市场中其他因素对主体行为影响。基于此,本文构建包括 平台、能源产品交易者和第三方服务商参与的 演化博弈系统,讨论各主体在市场建设各阶段均衡策略,及相关因素对稳定均衡影响,以期为我国 市场建设提供决策参考。运 筹 与 管 理 年第 卷 市场利益相关主体分析 以物理层、数据层、信息层及服务层的深度融合创新了能源系统的集成方式,市场主体日益多元化,包括能源生产商、输配商、零售商、其他服务
6、商及用户。本文研究 市场中利益相关主体之间的策略演化及协同发展过程,将能源供需方作为整体,将市场主体简化为能源产品交易者、第三方服务商与能源互联网平台。主体间关系可以概括为:能源产品供需双方通过能源互联网平台进行多能源产品的交易,并由第三方服务商提供交易过程中所需的服务,双方可通过建立合作机制来进行信息共享进而获得超额收益,政府通过能源互联网平台对合作双方的市场行为进行监管,如图 所示。图 市场三方主体的相互关系()能源互联网平台。由政府参与建设,不参与实际交易,为能源产品交易者和第三方服务商提供合作平台。平台建立各类能源、通信网络、储能及测控终端等基础设施,为合作双方提供能源、信息和服务共享
7、的交易服务 。政府可以对交易者和服务商进行监管以规范市场行为,或选择不监管以给予市场机制充分的作用空间。()能源产品交易者。市场中能源产品的供需双方,包括各类能源的生产者、零售商以及需求者。在市场中通过与第三方服务商进行合作在满足能源产品需求的同时,获取各种定制化能源服务以取得超额收益,专业化分工的好处得以充分体现。()第三方服务商。服务商是能源互联网平台建设体系中的顶层设计,提供金融、物流、支付和电信等能源产品交易过程中所需的各类服务,通过与交易者进行合作以低成本获取海量市场数据,从而加工整合成高价值的信息流及高质量的服务以获得超额收益,充分体现数据的生产要素价值。市场相关主体博弈模型构建
8、博弈基本假设及模型构建假设 市场三方演化博弈主体均具有有限理性,各方以自身利益最大化为目标进行理性策略选择;主体间存在信息不对称;三方进行重复博弈。具体参数及假设如下:假设 策略选择及概率:博弈三方的策略选择分别为能源产品交易者(合作,不合作),第三方服务商(合作,不合作),能源互联网平台(监管,不监管)。假设交易者合作的概率为 ;服务商合作的概率为 ;平台监管的概率为 (,)。假设 考虑收益共享及成本分摊:交易者和服务商独立运营且平台选择不监管时各方初始收益依次为,。双方合作时可获得超额收益 ,收益分配系数分别为 和 ,参与合作的总成本为 ,以成本分摊系数 和 分配。假设 考虑政府监管及存在
9、的违约成本:政府监管时选择合作的主体将获得成本节约 ,同时也是政府监管成本。政府监管下,若交易者或服务商不合作时,平台将分别向其收取罚金 和;同时不合作的一方需向合作方缴纳违约金分别为 和。假设 考虑社会福利和外部效应:交易者和服务商均选择合作策略时,后者能够获得更多数据进而为前者提供更精确的市场信息,提高能源产品及服务质量,增进社会福利;同时政府激励能够作为一种市场信号给其他主体产生良好的示范效应,实现良性循环。双方合作时产生的正外部效应为,由博弈三方按系数 ,分配。假设 考虑存在“搭便车”行为:交易者和服务商互相依存、利益相关,双方在合作过程中可能存在相互“搭便车”的机会主义行为。伴随着双
10、方之间信息等其他资源的共享,且市场中存在信息不对称,当交易者选择合作策略而服务商选择不合作策略时,服务商不需要支付合作成本即可获取大量免费信息或其他好处,反之同理。在长期重复博弈中,双方通过动态调整不断优化自身策略。假设 为存在“搭便车”行为时,不合作的一方获得的“搭便车”收益,同时也是合作一方损失的收益。基于上述假设得到能源产品交易者、第三方服务商和能源互联网平台的三方博弈支付矩阵,如表所示。第 期陈 娟,等:考虑政府参与的区域能源互联网协同演化研究 三方期望收益函数及复制动态方程在得到 市场三方支付收益矩阵后,计算博弈主体期望收益函数和复制动态方程,最终得到三维复制动力系统 。()()()
11、()()()()()()()()()()()()表 能源产品交易者、服务商和能源互联网平台三方博弈支付矩阵三方博弈主体策略交易者合作()交易者不合作()第三方合作()第三方不合作()第三方合作()第三方不合作()能源互联网平台监管()不监管()()()()()()()()()()()注:每种策略组合下三方收益函数从上之下依次代表能源产品交易者、第三方服务商和能源互联网平台。演化博弈系统稳定性分析基于复制动力系统,得到 个纯策略均衡点和个混合策略均衡点。根据 理论,雅可比矩阵的所有特征值均为负时对应的均衡点即为微分方程系统的演化稳定点(),否则为不稳定点,其中当存在 特征值时为鞍点。求解各均衡点
12、对应的雅可比矩阵的特征值,如表 所示,以分析其稳定性。假设政府不监管且有一方违约时,合作方获得的违约金和损失的搭便车收益的代数之和小于其所支付的合作成本,即 且();假设当政府监管下双方不合作时,平台收取的罚金之和大于其监管成本,即 。基于此判断特征值 ),),),)的正负情况并分析各均衡点的博弈稳定性,如表 所示。表 雅克比矩阵的特征值均衡点(,)()(,)()()()(,)()(,)()()(,)()()()(,)()()()()()(,)()()()()(,)()()()()(,)()()()()()情景 当特征值 ),),)均小于零且 )大于零,假设平台向任意一方收取的罚金均大于其监管
13、成本,即,且平台监管下,仅交易者合作时其获得的违约金与损失的搭便车收益及省去的罚金的代数之和大于合作成本,即()。此时在平台监管下,交易者选择“合作”策略时获得的超额收益及正外部效应带来的好处与补贴后合作成本之差大于违约时获得的搭便车收益与支付的违约金与罚金之差,在利润最大化目标下,交易者会选择合作来获得更多收益,服务商则相反。此时(,)点为演化博弈的稳定 均 衡 点,对 应 策 略 组 合 为 合 作,不 合 作,监管。情景 当特征值 ),),)均小于零且 )大于零,同样假设,且平台监管下,仅服务商合作时其获得的违约金与损失的搭便车收益及省去的罚金代数之和大于合作成本,即。此时在平台监管下,
14、服务商选择“合作”策略时获得的超额收益及正外部效应带来的好处与补贴后合作成本之差大于违约时获得的搭便车收益与支付的违约金与罚金之差,在利润最大化目标下,服务商会选择合作以获取更多的收益,而交易者恰好相反。此时(,)点为演化博弈的稳定均衡点,对应的策略组合为 不合作,合作,监管。情景 当特征值 ),)均大于零时,特征值 ),)也大于零。假设()和 运 筹 与 管 理 年第 卷()()至少有一个满足。此时在平台不监管时,双方合作获得的超额收益及正外部效应带来的好处与合作成本之差大于违约时获得的搭便车收益与支付的违约金之差。此时(,)点的雅可比矩阵的所有特征值均小于零,为演化博弈的稳定均衡点,策略组
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