考慮財務管理優(yōu)化的能源互聯網投資收益策略

王 欣

（遼東學院，遼寧 丹東118001）

0 引言

隨著能源互聯網規(guī)模的擴大和電力市場化的改革，能源系統(tǒng)相關企業(yè)的經營效率和投資能力快速提升[1]～[4]。由于能源互聯網加大投資和提升收益的建設目標已不再單一由技術部門主導，而是由企業(yè)財務管理與業(yè)務管理共同負責，因此保障供能可靠性和經濟性須要充分體現財務管理的優(yōu)化決策作用。另外，大量的多能源轉換、存儲設備和可再生能源接入電網，給電網運行可靠性帶來一定的挑戰(zhàn)，對能源企業(yè)財務管理和運行維護的動態(tài)調整優(yōu)化能力提出了更高的要求。

目前，國內外一些學者從技術經濟優(yōu)化角度對能源互聯網投資決策及收益評估問題進行了研究。文獻[5]針對多能源系統(tǒng)的可再生能源發(fā)電規(guī)劃以及投資收益優(yōu)化問題，提出了考慮多能源功率平衡及系統(tǒng)動態(tài)約束的可再生能源容量多目標優(yōu)化模型，能夠保障較高的投資收益，并進一步提升電網對可再生能源的接納能力。文獻[6]針對具有不確定性的電網、氣網聯合投資規(guī)劃問題，提出了綜合電力、熱力的魯棒規(guī)劃模型，具有較高的投資收益，能夠提升電網在不確定環(huán)境下的彈性。文獻[7]考慮電力信息物理融合，提出了考慮信息安全約束的可再生能源電網多主體投資方法，該方法能夠實現以可再生能源發(fā)電商、電力用戶和電網為多主體的電力系統(tǒng)投資決策優(yōu)化，并且提升投資決策結果的魯棒性。文獻[8]基于成本效益分析，提出了區(qū)域微能源網的光伏儲能投資決策模型，能夠保證發(fā)電商在市場中的收益最大化，提升電網的安全穩(wěn)定運行能力。

上述文獻均對能源互聯網或微能源網的投資決策進行了深入研究，并取得了一定的成果。但是，從企業(yè)內部生產經營角度出發(fā)，目前關于能源互聯網投資收益優(yōu)化的研究以及現有投資模式忽略了對系統(tǒng)性財務管理決策在能源互聯網投資收益優(yōu)化中的作用，并且也較少考慮整個能源互聯網企業(yè)在市場化的投資運行機制中的全部投資者利益及其博弈關系，不利于提升市場活力。因此，結合能源互聯網企業(yè)的財務管理要求和市場博弈機制進行投資收益優(yōu)化，通過企業(yè)成本管理、固定資產管理和投資管理等財務管理優(yōu)化方法，建立合理的基于財務管理優(yōu)化的能源互聯網最優(yōu)投資決策，是保障財務管理優(yōu)化功效，促進能源互聯網低碳、高質量發(fā)展的有效方法。

本文針對市場化能源互聯網的投資收益優(yōu)化問題，考慮包含企業(yè)盈利和經營管理模式的財務管理優(yōu)化對能源互聯網投資收益的影響，提出一種考慮財務管理優(yōu)化的能源互聯網投資收益決策模型。首先，研究財務管理對市場化能源互聯網投資收益影響機理，建立基于財務管理的能源互聯網企業(yè)投資收益模型；其次，針對能源互聯網多主體投資企業(yè)在市場中的運行機制，提出基于非合作博弈的能源互聯網企業(yè)財務管理決策；最后，以某高比例風電能源互聯網數據和相關企業(yè)財務管理信息數據為基礎進行仿真分析。結果顯示本文所提方法能夠保證在較高供能需求和經濟效益前提下，實現能源互聯網投資決策優(yōu)化。

1 財務管理對市場化能源互聯網投資收益影響機理建模

1.1 能源互聯網模型

能源互聯網一般是由電力網絡、天然氣網絡以及供氫、供熱、供冷等能源集成交互而成的多能源集群互聯系統(tǒng)（圖1）。相較于傳統(tǒng)電熱系統(tǒng)或電氣系統(tǒng)，能源互聯網的能源形式更為多樣，能源耦合方式更為靈活。能源互聯網作為大型能源系統(tǒng)的子系統(tǒng)單元，對上級電網或天然氣網的能量平衡具有一定的支撐與調節(jié)作用，可保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

圖1 能源互聯網結構Fig.1 The structure of energy internet

能源互聯網以電網和天然氣網為主要載體，多種能源經過轉換、存儲和消費，實現多種能源形式的交互。在如圖1所示的能源互聯網DEIi中，上級電網和天然氣網傳遞的電能、天然氣經過能源互聯網轉換、存儲和消費等環(huán)節(jié)，并考慮能源互聯網中可再生能源發(fā)電，DEIi能源輸出為

式中：E＇（t）為能源互聯網DEIi在t時刻的能源輸出；Epr（t）為能源生產量；Est（t）為能源存儲量；Econ（t）為能源消費量

對于能源互聯網DEIt，能量輸入E（t）和能量輸出E＇（t）可表示為

式中：?為能源互聯網中能量轉換系數。

1.2 財務管理對能源互聯網投資收益的影響機理

財務管理優(yōu)化是實現能源互聯網企業(yè)整體財務目標的重要經濟管理方式，也是增強企業(yè)價值，發(fā)揮資源整合優(yōu)化潛能和提升能源互聯網企業(yè)供能可靠性和經濟性的重要手段。

隨著能源互聯網市場化發(fā)展，為保障在較高供能可靠性前提下的電網投資收益最大化，能源互聯網建設與運行對財務管理的要求日益嚴格。在能源互聯網的能源生產、傳遞、轉換和消費各個環(huán)節(jié)中，進行可再生能源發(fā)電、電力線路、輸氣管道和能源轉換、存儲等設備的運行維護成本管理優(yōu)化、固定資產管理優(yōu)化和投資管理優(yōu)化，是完善能源互聯網財務戰(zhàn)略、經營戰(zhàn)略和實現為多能源用戶高質量供能的關鍵環(huán)節(jié)。本文充分考慮可再生能源發(fā)電特性、多能源互聯互濟特性、多能源轉換與存儲特性和多能源負荷特性，同時根據能源互聯網企業(yè)財務管理方法的運行維護成本管理特性、固定資產管理特性和投資管理特性，則能源互聯網企業(yè)DEIi進行財務管理所產生的投資收益可表示為

式中：Cg，i為能源互聯網企業(yè)DEIi的投資收益；Ca，i，Cfa，i和Cin，i分別表示運行維護成本管理投資收益、固定資產管理投資收益和投資管理投資收益；ψa，i，ψfa，i和ψin，i分別表示3種財務管理所產生投資收益的目標權重。

（1）運行維護成本管理

能源互聯網運行維護成本是指能源互聯網運行過程中所產生的能源設備折舊費和能源系統(tǒng)運行維護費，依照能源市場等相關政策，不包括不得計入與供能業(yè)務無關的其他費用。能源互聯網DEIi的運行維護成本為

式中：Ca（k）為能源互聯網企業(yè)DEIi在第k個調度周期的運行維護成本，包括能源設備折舊費用Cde（k）和能源互聯網企業(yè)運行維護費用Cop（k）；Ain為固定資產投資額；δre為對供能質量進行調節(jié)而使財務管理產生費用的調節(jié)參數；φfix為能源設備投資總額占固定資產的比率；γde為能源設備折舊率；Cm（k）為材料費；Cre（k）為維護費；Cst（k）為員工工資；Cot（k）為與供能業(yè)務相關的其他費用。

（2）固定資產管理

能源互聯網固定資產管理的目的是對能源互聯網企業(yè)的固定資產進行管理，實現企業(yè)對固定資產狀態(tài)的嚴格監(jiān)管。固定資產管理成本為

式中：Cfa（k）為能源互聯網企業(yè)DEIi在第k個調度周期的固定資產管理成本；φfa為可計提收益的能源設備有效資產率；γfa為能源設備收益率；rr-DEI為能源互聯網企業(yè)權益資本收益率；φde為資產負債率；rd-DEI為債務資本收益率。

（3）投資管理

投資管理是通過合理地規(guī)劃可再生能源、電力網絡、天然氣網絡和多能源負荷，使能源互聯網企業(yè)自身利益最大化。投資管理成本為

式中：Cin（k）為能源互聯網企業(yè)DEIi在第k個調度周期的投資管理成本；CEin（k）為能源互聯網設備投資成本；CEo（k）為能源互聯網設備運行成本；?為資金折現率；PE（k）為能源互聯網設備投資費用；TE為能源互聯網設備使用壽命；ρE為購買能源價格；E（t）和E＇（t）分別為輸入能量和輸出能量。

2 基于非合作博弈的能源互聯網企業(yè)財務管理決策

2.1 能源互聯網投資收益優(yōu)化模型

能源互聯網投資收益優(yōu)化問題是在考慮能源互聯網建設和運行特性，保障供能的可靠性、經濟性和企業(yè)財務管理優(yōu)化決策前提下，在市場化能源互聯網投資環(huán)境中，具有多主體（I個能源互聯網企業(yè)參與投資博弈）多目標（M個目標）的博弈問題。由于多元化能源互聯網企業(yè)之間信息不完全共享，因此屬于非合作博弈，可以引入非合作博弈理論構建數學模型[9]，[10]。

能源互聯網企業(yè)投資決策如下：

假設參與博弈的每個能源互聯網企業(yè)都有自己的策略集Sq，Sq={sjq｜jq∈Λq}，Λq是指標集。在博弈過程中，每個局勢是由參與博弈企業(yè)選擇一個策略組而形成。若sjq是第q個企業(yè)的一個策略，則該企業(yè)的一個局勢可以表示為s={sj1，…，sjI}。因此，全體參與企業(yè)的全體局勢集合S為各參與企業(yè)策略集的笛卡爾積。

參與企業(yè)nq的混合策略集為

式中：xjq為參與企業(yè)nq純策略集Sq={sjq｜jq∈Λq}的策略概率；Λq為純策略集的指標集；xq=（xjq｜jq∈Λq）T是混合策略。

由此可以得到：

式中：當參與企業(yè)nq選擇混合策略xq∈Xq時，x=（x1，…，xI）即為混合策略局勢，且x∈X。

在能源互聯網企業(yè)多主體博弈過程中，參與企業(yè)之間不能得到相互的目標權重，只能將自身目標權重作為其他參與企業(yè)的博弈依據，從而得出投資策略選擇。此時每個參與企業(yè)nq都將自身目標權重賦值于另外參與企業(yè)nq＇。若能源互聯網企業(yè)DEIi的投資決策如公式（7）所示，則：

式中：Θqq＇（x）為參與企業(yè)nq＇在策略x中的加權支付值；Θmq＇（x）為參與企業(yè)nq＇在局勢x中關于目標m的支付值；νqm為參與企業(yè)nq關于目標m的支付值；πmq＇為參與企業(yè)nq＇在純策略局勢中關于目標m的支付值。

2.2 模型求解

能源互聯網企業(yè)投資決策求解步驟如下。

①令x＇q=（x＇jq｜jq∈Λq）T為常量，求解min Eqq＇（x‖x＇q），得到gq（x＇q）（nq∈I）。

針對實際決策與理想賦值決策偏差，投資決策局勢應為x＇=（xq1，…，xqq），參與企業(yè)實際得到的加權收益為

3 算例分析

本文以某地區(qū)能源互聯網數據和相關財務管理數據為基礎，通過圖2的連接方式組成多主體投資決策仿真系統(tǒng)[4]，[5]。

圖2 仿真系統(tǒng)連接方式Fig.2 The connection way of simulation system

假設3個能源互聯網企業(yè)相連且參與市場博弈，仿真分析能源互聯網在不同財務管理優(yōu)化下的系統(tǒng)投資決策與投資收益。圖1中的各子系統(tǒng)拓撲結構的能源互聯網典型多能源負荷以及風電和光伏出力曲線如圖3所示。

圖3 典型多能源負荷以及風電出力曲線Fig.3The typicalcurvesofmulti-energy loadsandwind power

能源互聯網參數如表1所示。

表1 能源互聯網參數Table 1 The parameters of energy internet

根據目前能源互聯網財務管理機制，本文設定能源互聯網財務管理所產生投資收益的目標權重取值如表2所示。

表2 目標權重參數Table 1 The parameters ofmanagementweights

為驗證本文所提方法的有效性，針對能源互聯網投資收益優(yōu)化，設置了3種情景。情景1為不考慮博弈的各區(qū)域能源互聯網獨立投資；情景2為不考慮博弈的各區(qū)域能源互聯網聯合投資；情景3為本文所提出的考慮博弈的各區(qū)域能源互聯網聯合投資。3種情景的投資收益優(yōu)化結果如表3所示。

表3 投資收益優(yōu)化結果Table 3 The results of investment income optimization

由表3可知，場景3的投資收益優(yōu)化結果分別比場景1和場景2增加了604萬元和116萬元，并且提升了收益率。這主要是因為整體投資收益優(yōu)化結果不僅要考慮能源互聯網規(guī)劃收益，還要考慮在全生命周期內運行維護財務管理對于投資收益的影響，即本文提出的財務管理優(yōu)化方法。場景1和場景2對這一重要機制有一定程度的忽略，而場景3在充分考慮能源市場運行整體性財務管理機制的前提下，進行基于財務管理優(yōu)化的企業(yè)投資決策，提升了投資收益凈現值。由于基于非合作博弈的聯合投資決策的方案更適用于市場化多能源互聯系統(tǒng)的投資決策，因此投資回收周期也比其他兩種場景的回收周期短。

在不同供能可靠性要求下各個場景的財務管理成本如表4所示。

表4 在不同供能可靠性要求下各場景財務管理總成本Table 4 The total cost of financialmanagement for each scenario under differentenergy supply reliability requirements

由表4可知，供能可靠性要求的提升將增加財務管理總成本。場景1呈現指數增加趨勢；場景2成本上升較為平緩，但并未對互聯系統(tǒng)目標權重給出合理的預判，導致投資成本持續(xù)增加。相對而言，場景3在較低可靠性要求下存在附加成本，從而導致財務管理總成本高于場景1和場景2；當供能可靠性參數為0.99 時，其成本明顯低于場景1和場景2。因此，場景3能夠提升系統(tǒng)的經濟性，并且保持供能可靠性，更適用于能源互聯網發(fā)展需求。

4 結論

本文針對市場化能源互聯網的投資收益優(yōu)化問題，提出考慮財務管理優(yōu)化的能源互聯網投資收益評估模型。通過對包含電能、熱能和燃氣等多種能源生產、轉換、存儲和消費過程的能源互聯網模型研究，建立財務管理優(yōu)化對能源互聯網投資收益的影響機理模型。通過計算能源互聯網在不同財務管理優(yōu)化策略下的投資收益，建立能源互聯網企業(yè)多主體投資的動態(tài)博弈模型及求解算法。該方法可在提升能源互聯網供能可靠性、運行經濟性的前提下，實現能源互聯網企業(yè)投資收益最大化，為能源市場的靈活穩(wěn)定有序發(fā)展提供了理論支撐，是能源互聯網發(fā)展過程中財務管理優(yōu)化決策形成的重要依據。