風水協同運行中的利益分配研究

堯瑤，楊秀媛

（北京信息科技大學自動化學院，北京市 海淀區 100192）

0 引言

近年來，隨著我國新能源的快速發展，為促進清潔能源的消納，利用清潔能源之間的互補性，將各種能源之間進行聯合。利用水電的調節能力將隨機的風電轉化成可參與電力系統運行計劃的電源，使風電場和水電廠向電力系統提供的總功率能按計劃輸出，這種方式稱為風水協同運行[1]。國內外對風水協同運行已進行大量研究[2-5]，但是對于風水協同運行后的利益分配方法卻沒有得到廣泛的關注，產生的收益得不到合理的分配，對于企業而言，是不愿意做虧本生意的，只有合理的進行利益分配，才能使合作能夠長期進行。

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[6]基于利益相關者理論，對風電與水電聯合運行利益相關者的主要矛盾沖突進行分析，也提到電網、政府和風力發電商之間的矛盾，并提出了解決方案，但并未提出一個合理的利益分配方案。文獻[7]研究了風電場和抽水蓄能電站聯合運營的利益分配問題，最后得出在該利潤分配中采用沙普利值法較為合理。文獻[8]分別計算風電和水電單獨投標的收益和聯合運行的收益，并采用沙普利值法對額外的利益進行分配。公平合理的利益分配能夠促進合作的順利進行，讓合作者在聯盟中積極性更高，進而保證聯盟目標的達成和利益最大化的實現。因此本文對風水協同運行中的利益分配方法進行分析總結，以此推動研究的進一步開展。

1 風水協同運行

隨著風力發電的快速發展，風電場在電力市場環境下的運行對于可再生能源的持續發展十分重要。但由于風能具有隨機性、波動性和反調峰等特性，使得大規模風電場的風電并網容量大大受限，而水電能調節峰谷差，調節頻率的不穩定性，可以用來應付間歇式能源給電網帶來的影響，利用風電和水電的互補性將兩者聯合運行，使得聯合輸出的功率能按計劃輸出，增加了電力系統吸收大量風電的能力，也提高了電力系統運行的長久穩定性。圖1所示為某地區一年內水電站發電量及風電場風速的變化情況。

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

風電和水電的協調運行已經在不同方面進行了研究。國內外關于風水協同運行的研究可概括為：1）以減少風電的波動性對電網的影響為目標[9-11]；2）以提高風電場的經濟效益為目標[12-13]；3）考慮實時階梯電價和電網傳輸容量的限制[14-15]；4）以優先消耗風電等無污染可再生能源為目標[16]。其協同方案都是依據優化目的，建立優化模型，并創建某種新的算法或者商業軟件進行求解。在上述文獻或其他文獻當中，沒有提到風水協同運行后對獲得的利潤進行分配的方案。

2 風水協同運行的利益分配

合理的利益分配不僅可以使參與者的合法權益得到保護，還可以保障合作長期穩定進行，企業之間若進行合作必然是合作后的利潤收入要大于不合作時單獨經營的利潤之和，否則便沒有進行合作的必要。由于合作聯盟創造的最后收益是一定的，聯盟中某個成員利益的增加就會導致其他成員利益的減少，企業都想使利益最大化，但“蛋糕”只有那么大，不可能使所有企業都獲得最大收益，分配少的企業自然不滿意，因此利益的分配必須依照一定的原則，科學合理系統的進行分配才能令所有企業成員都相對滿意[17]。

2.1 風水協同運行中的利益分配原則

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

1）互惠互利原則。使風電水電從協同運行中獲取的收益要大于等于自己單獨運行所獲得的收益。如果水電分配后獲得的總收益少于自己獨立運行時獲得的收益，那么水電是不會愿意參與合作的。假設vi(S)表示企業i在聯盟S中獲得的收益，v(i)為企業單獨運行時獲得的收益，則

2）風險補償原則。利益分配要考慮參與者在聯盟中承擔的風險，體現風險收益。分配的利益和面臨的風險大小是成正比的，風險大的企業，所分配的利潤也適當增加，承擔風險小的企業，利潤分配適當減少。假設企業i在聯盟中面臨的風險Ri大于企業j面臨的風險Rj，那么企業i的收益v(i)要大于企業j的收益v(j)，即

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

4）利益分配過程必須公開透明化原則。在進行利益分配時，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，以此保證這個分配過程是公開透明、開誠布公的。

2.2 利益分配方法

風電水電聯合運行，目的就是提高風電場的日運行經濟效益，平穩風電的波動，使總的輸出功率保持在一定要求范圍內，滿足市場平衡的需求，使得聯合運行后獲得更大的效益。文獻[7]研究了風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種分配方法進行實例分析，最后得出沙普利值法更適合聯營模式下的利益分配。文獻[8]對于風電和水電協調運行產生的收益，提出一種基于沙普利價值的新協作方案和公平透明的方法，用于分配由協調的投標和運營策略引起的額外價值。文獻[19]研究了在大規模風、光、火電聯合外送體系下的協調調度及利潤分配問題，采用核仁理論對3方聯合運行時的利潤進行分配，采用算例計算得出最后該方法根據各方在聯合收益中的貢獻度能夠合理分配各方利益。文獻[20]研究了多個投資主體的增量配電網公司之間的利益分配問題，由于投入的資本和承擔的風險各不相同，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收益分配，最后得到一個使增量配網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，各個聯盟成員分配到的利益都一樣，這樣的方法在某種環境下有著一定的公平性，但是對于所有的聯盟，合理性較差，有的企業可能投入的資金多，有的企業可能投入的資金少，如果對利益進行平均分配，企業肯定是不同意的，導致合作無法繼續，使得聯盟的利益出現損失，只有當聯盟中各個企業對聯盟的貢獻相差不大且無法衡量時使用這種方法才可以[7]。

風電場水電站合作組成的聯盟中只有兩個參與者，風電場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，收益與貢獻成正比[7]。對于風電水電協調運行后的利益分配為：

式中：Ww為風電場在合作中貢獻的電量；Wp為水電廠發出的電量。

3）Nash談判模型。

在合作聯盟利益分配的過程中，通過企業成員之間互相談判和商議，如果每個企業都能遵守一定的“合理性假設”，那么 Nash談判模型[21]就是滿足這些假設的解。假設vi表示第i個企業單獨運行獲得的收益，Φi表示在合作博弈利益分配過程中，第 i個企業分配得到的收益，通過下列模型求得最優解：

式中v(N)表示合作聯盟的總收益。

4）核仁理論。

利用核仁理論[19]對利潤進行分配的目的是設法合理分配由各電場聯合運行所產生的總利潤。設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歸集合，v(s)為不同運行聯盟s的所得利潤。則可利用核仁進行求解，其中e(s, x)為聯盟s關于轉歸x的超出值，即表示聯盟參與者對分配方案的不滿意程度，e(s, x)=v(s)-x(s)。

設V(s)為聯盟s的參與者之間相互作用而產生的利潤，則

式中v(i)即為第i個參與者單獨運行產生的利潤。

最后，各個參與者所獲得的利潤為其分得的由相互運行獲得的額外利潤加上各參與者單獨運行時所得利潤，即

5）沙普利值法。

風電水電組成的合作聯盟滿足對稱性、有效性和累加性，因此可用沙普利值法[22-24]進行利潤分配。沙普利值法對風水協同的利益進行分配時，是基于各發電廠對聯盟做出額外貢獻大小為依據進行利益分配，與上述幾種分配方法不同，它主要關注電場的資源有效利用率以及為聯盟帶來的額外效益。其基本模型是：n個成員從事具有經濟利潤的活動，每個成員都能從中獲取一定的利潤，當n個成員構成聯盟后，聯盟的總利潤大于n個成員單獨從事該項經濟活動所取得的利潤之和。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從聯盟的最大收益v(N)中應該得到的一份收益。在聯盟N的基礎上，各博弈方的一個分配用x=(x1, x2,…,xn)表示。該聯盟必須滿足以下條件：

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

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

綜上所述，這是目前對于風水協同運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企業對聯盟的邊際貢獻來進行分配，即考慮每個企業加入聯盟后，給聯盟帶來的額外收益進行分配，很顯然，這種分配方法不符合利益分配原則，水電站為彌補風電的波動，承擔的風險更大，起到的作用也更強，在實際情況中，需要考慮到對合作產生影響的各個因素，如各個電場面臨的風險程度、初始投入資金等因素，對于承擔風險較大的水電廠，應對其進行一定的利益補償。

3 風水協同運行中的影響因素指標

考慮風水協同運行的特點，對合作利潤產生影響的因素主要有承擔風電能力指標、資源利用率指標、投入資源程度指標。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 承擔風險能力指標MRi

沙普利值法默認各個參與者之間所面臨的風險和承擔風險的能力是一樣的，但是在實際參與情況中，不同的參與者所面臨的風險大小是不相同的。而就利益分配原則來講，分配的利益和面臨的風險大小是成正比的，風險大的成員，所分配的利潤也適當增加，承擔風險小的成員，利潤分配適當減少[25]。這樣才符合實際情況，使分配更加公平。由于在風電抽水蓄能聯合運行過程中，為了彌補風電的隨機性和不穩定性，抽水蓄能電站必須時刻根據風電場的出力大小來調整水電機組的輸出功率，使得聯合輸出的功率能按計劃輸出。在評價成員風險時，可以采用相對風險分配法、協方差風險分配法、層次分析法等，在對各個參與者的風險值進行評價后，要進一步做歸一化處理，方便比較及進行后續計算。即可得合作方的風險承擔能力指標為

式中：Ri(i=1,2)表示成員i的風險程度評級結果；1、2表示風電場和抽水蓄能電站。

3.2 資源利用率指標MUi

不同電源(如核電、常規火電、水電、風電光伏)的年平均設備利用率是不同的。美國能源信息署以2008—2012年運行數據為基礎，對全球16個不同國家和地區的不同電廠的設備利用率進行比較。可知水電設備利用率在30%～40%之間，至于風電、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，但風電由于其隨機性，而且目前對于風電的預測還不能達到非常準確，現在的預測率只能達到80%以上，由于風電的裝機容量逐漸增加，但是電網的承受能力有限，導致棄風嚴重。因此資源利用率也是一個重要指標：

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MPi

投入資源程度指標就是表示參與者在聯盟中的資源投入的大小[26]。由于現在我國的風電產業發展迅速，風能資源豐富，對于風電場而言，風電場有足夠的能量輸出，在風電抽水蓄能聯合運行中，抽水蓄能電站主要是作為旋轉備用來平抑風電場的波動，因此風電的資源投入較大，而水電的資源投資相對較小。則資源投入度指標為

式中Pi(i=1,2)表示成員i的資源投入量。

4 風水協同運行中的利益分配研究展望

為更公平合理的對風水協同運行產生的利潤進行分配，需要考慮對利潤產生影響的各個因素，即風險承擔能力、投入資源程度、資源利用率。

文獻[21]考慮農產品供應鏈中利益分配不公平問題，提出需要綜合考慮風險因素、合作意愿與質量投入等因素，引入綜合修正因子，建立了改進沙普利值法的農產品供應鏈利益分配模型。文獻[23]結合蔬菜供應鏈的特點，提出在沙普利值法的基礎上，綜合考慮風險因子、合作程度和社會責任度3個影響因子及權重改進模型，使分配更加公平合理。文獻[25]通過構建生態工業園供應鏈中企業利益分配的沙普利值模型，考慮企業的經營成本、承擔的風險，引入修正因子，確定權重并對供應鏈企業的增加收益分配額進行調整。文獻[27]指出影響中小企業供應鏈利益分配的4個因素為創新資源貢獻率、創新執行度、風險因素以及創新補貼，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行改進[26-29]，和風水協同運行的特點相對比，發現供應鏈和風水協同考慮的影響因素相差不大，因此可以將供應鏈的利益分配方法應用到風水協同運行中。

5 結論

風電水電由于存在互補性，為增加雙方利益，進行協同運行后相比單獨運行獲得更多的收益，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、風險補償原則、貢獻分配原則、利益分配過程必須公開透明化原則。

歸納總結了目前對風水協同運行中研究較多的利益分配方法，并簡要介紹其數學模型和其優缺點，目前采用博弈論的沙普利值法對利益進行分配的研究較多。

考慮到風電水電運行的特點，指出風險承擔能力、投入資源程度、資源利用率3個因素對分配結果產生的影響較大。對于風水協同運行中的利益分配需考慮綜合影響因素，有必要對其進行深入研究。