多投资主体合作的增量配网差异化运营策略

2021-06-10王绵斌谭彩霞谭忠富

电力系统及其自动化学报 2021年5期

王绵斌，谭彩霞，刘宣，安磊，谭忠富，3

（1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100038；2.华北电力大学经济与管理学院，北京 102206；3.延安大学经济与管理学院，延安 716000）

随着九号文《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》的发布，其指出增量配网是重点任务之一，并提出引入社会资本，以混合所有制方式开展增量配网园区的投资建设运营[1]。随后发布的《有序放开配电网业务管理办法》中明确了增量配网运营权及增量配网投资运营主体的收益权问题[2]。基于两大政策文件，随后推进了4批增量配网改革试点项目，试点项目在推进过程中存在投资模式、投资运营策略、投资运营主体收益分配等方面的问题[3]。由此增量配网研究成为社会各界关注的问题，在增量配网研究方面也展开了大量研究。

关于增量投资运营策略方面，文献[4-5]考虑负荷及分布式电源的波动性，并通过净现值和动态回收期等财务指标，采用年时序仿真方法分析评估增量配网运营模式；文献[6]基于新电改背景分析了商业型与公益型两种类型业务的投资策略；文献[7-8]在前述研究的基础上引入条件风险价值量化增量配网在投资运营过程中的风险，为增量配网构建合适的投资运营策略提供支持。上述研究主要通过动态评价指标以及考虑投资运营风险进行增量配网运营策略的选择及评价，但未考虑不同区域、不同用电负荷情况下增量配网投资运营策略的选择。

关于增量配网多投资运营主体利益分配方面，文献[9]基于各投资运营主体的贡献因素，运用Shapley值法设计了关于多投资运营主体的分配方案；文献[10]从各主体之间的利益矛盾入手，构建各主体之间的利益分析框架，为增量配网的顺利实施提供建议；文献[11-13]考虑投资运营主体的投资额及风险程度，构建合作博弈谈判模型，寻求投资运营主体分配方案。上述研究仅考虑影响收益分配的风险及投资额，但对影响收益分配的因素未全面考虑，同时对于分配最优方案的搜寻并未涉及。

在现有研究的基础上，本文利用logistic模型划分不同区域负荷需求发展阶段，基于不同的发展阶段，从成本收益视角构建增量配网园区差异化运营策略模型，以此解决现有研究未考虑不同区域、不同用电负荷情况下增量配网投资运营策略的选择的问题。在运营策略的基础上，充分考虑影响增量配网多投资运营主体收益分配的因素，引入合作博弈的粒子群算法寻求增量配网多投资运营主体有效公正的收益分配方案。

1 增量配网差异化运营策略模型

1.1 基于logistic的园区负荷需求发展阶段划分

增量配网园区负荷需求发展阶段的不同，导致容量需求和负荷增长率等方面均存在差异，会对增量配网运营策略选择产生影响。由此考虑不同区域园区负荷需求阶段划分构建增量配网运营策略模型，有利于提高增量配网园区的运营收益。Lo⁃gistic模型具有收敛性极好的特性，并与园区负荷需求发展阶段吻合，适用于园区负荷需求发展阶段的划分。Logistic通过园区年平均用电量指标拟合对应曲线的参数，进而判断园区负荷需求所处发展阶段。但是该方法用过去的园区年平均用电量预测负荷需求未来发展趋势，会造成阶段划分误差。因此通过logistic划分的负荷需求发展阶段，需要根据当地经济发展潜力进行验证，保证输出更准确的阶段划分结果。其中经济发展潜力由GDP增速和人均GDP水平反映。园区负荷需求发展阶段划分流程如图1所示。

图1 园区负荷需求发展阶段划分流程Fig.1 Division process of park load demand development stage

基于logistic的园区负荷需求发展阶段划分，首先输入园区年平均用电量，并用logstic模型拟合园区年平均用电量，由此得到模型参数及各阶段节点。其中快速增长阶段节点t1是指负荷需求初期增长阶段与快速增长阶段的临界点；后快速增长阶段节点t2是指快速增长阶段与后快速增长阶段的临界点；饱和增长阶段节点t3是指后快速增长阶段与饱和增长阶段的临界点。各节点具体计算公式[14]为

式中：f(x)为logistic拟合模型，通过输入年平均用电量后得到各年拟合值，将各年拟合值用平滑的曲线连接起来得到拟合曲线；ln是以e为底的对数函数；B、∂、β均为园区年平均用电量所得拟合参数。

然后，基于模型及拟合参数初步判断增量配网园区需求发展所处阶段，并得到初始阶段划分结果。具体判断规则为

式中：S为园区负荷需求发展阶段；S1为负荷需求初期增长阶段，处于初期增长阶段的园区增长潜力大，增长速度小但增长加速度为正；S2为负荷需求快速增长阶段，处于快速增长阶段的园区增长潜力大增长速度相对于初期增长阶段快同时加速度为正；S3为负荷需求后快速增长阶段，处于后快速增长阶段的园区增长潜力小，增长速度大但增长加速度为负；S4为负荷需求饱和增长阶段，处于饱和增长阶段的园区，增长潜力与增长速度都小同时加速度为负。

最后，基于负荷需求初始阶段划分结果，并根据经济发展潜力指标值判断负荷需求初始阶段划分结果是否与经济发展潜力匹配。若匹配则输出最终验证的阶段划分结果；否则对输入的历史数据年平均用电量的可信度进行复查，同时对logistic模型的回归输入值进行修正，调整修正到实现负荷需求初始阶段划分结果与经济发展潜力相互匹配则停止。

1.2 基于成本收益的增量配网差异化运营模型

增量配网差异化运营策略即为增量配网对园区用户所提供服务类型结构组成的选择。增量配网园区为用户提供的服务类型包括综合能源服务、节能服务、个性化套餐服务和配网运维服务。增量配网园区负荷需求阶段不同，增量配网园区负荷增长率存在差异，从而服务类型成本收益影响也不同，因此本文考虑增量配网园区负荷需求阶段划分及所提服务的成本收益，同时为了引导园区负荷需求稳定健康发展，引入负荷需求发展系数，构建成本收益视角下的增量配网差异化运营策略模型。

1.2.1 综合能源服务成本收益模型

综合能源服务指增量配网园区满足用户提供冷热电气等综合能源需求。园区提供综合能源服务的成本包括供气成本、供电成本、供热成本、供冷成本和储能成本，其综合能源服务成本收益模型表示为

其中储能成本为增量配网园区配置储能设备进行储能释能产生的成本，具体表示为

收益则包括供气收益、供电收益、供热收益和供冷收益，具体模型表示为

1.2.2 节能服务成本收益模型

节能服务成本是指增量配网园区通过搜集用户用能信息进行数据分析，为用户设计节能方案，降低园区用户用能成本。增量配网园区提供节能服务成本包括大数据平台搭建成本、大数据平台运行维护成本、数据分析成本和节能方案设计成本，具体表示为

节能服务成本收益模型表示为

提供节能服务收益包括信息化服务收益和节能方案设计收益，具体表示为

式（7）～式（9）中：Rnet_sav为增量配网园区提供节能服务的净收益；Rsav和Csav分别为提供节能服务的总收益和总成本；Rinfor_sav和Rdes_sav分别为提供信息化服务与节能方案设计的收益；Cbuil_sav、Cmain_sav、Canal_sav和Cdes_sav分别为大数据平台搭建成本、大数据平台运行维护成本、数据分析成本和节能方案设计成本。

1.2.3 个性化套餐成本服务收益模型

个性化套餐服务是指增量配网园区针对用户的个性化需求制定用能套餐，包括工商业大用户套餐、分时电价套餐和绿色能源套餐。增量配网园区提供个性化套餐服务的成本包括各类型套餐设计成本与执行成本，具体表示为

增量配网园区提供个性化套餐服务的收益为用户使用该套餐支付的费用，具体表示为

个性化套餐成本收益模型表示为

1.2.4 配网运维服务成本收益模型

增量配网运维服务是指当用户端发生用电故障及其设备损坏时，增量配网园区为用户提供的抢修、检修、巡检服务。配网运维服务的成本为检修成本、抢修成本和巡检成本，具体表示为

运维服务收益为增量配网每次维修及其抢修时收取的服务费，具体表示为

个性化套餐服务成本收益表示为

1.2.5 增量配网差异化运营策略

基于增量配网园区提供服务的成本收益模型，以运营收益最大化为目标函数，构建增量配网差异化运营策略目标函数为

式中，Rincre为增量配网园区总的净收益。

2 多主体增量配网收益分配模型

由增量配网园区为用户提供的服务类型可知，增量配网园区除了电网企业外还有其他企业参与到增量配网园区的投资建设中，比如燃气公司供气，节能公司提供节能服务，电力设备公司提供能源转换设备。这些公司之间构成合作博弈，实现增量配网园区的运营收益最大化。但为了合作博弈局面的长期稳定的发展，公平激励的收益方案必不可少，因此本文基于增量配网园区多投资运营主体之间的合作博弈，通过分析影响收益分配的因素，设计收益分配方案。

2.1 收益分配影响因素分析

假设参与增量配网投资运营的主体为n个，n个投资运营主体达成协议，以合作博弈形式共同参与增量配网建设及运营。影响收益分配的因素主要包括各投资运营主体的投资额、风险承担大小、投资运营主体的贡献程度、投资运营主体对合同的履行程度。

2.1.1 投资额

投资额是指增量配网园区的投资运营主体，在增量配网投资运营时的投资多少。投资方式包括资金投资、技术投资、土地投资、设备投资等方式。技术、土地、设备等投资方式通过公正有效的评估程序折算为响应的资金额度大小。一般来说，其他影响因素一定，投资额越大的投资运营主体，分配收益越多。假设增量配网园区总投资额为I，电网企业投资额为I1以控股形式参与增量配网园区的投资运营，则有

2.1.2 风险承担程度

增量配网建设运营过程中存在的风险包括社会、政策、运营、建设等方面的风险，增量配网的投资运营主体来自于气、热、电等领域，由此在运营过程中承担的风险类型不一致，每类型风险承担的大小也不一致。因此在增量配网建设运营过程中应该考虑投资运营主体承担风险大小。另外收益是风险的回报，其他影响因素一定，风险承担因素越大的主体，分配收益越多，则有

式中：u为风险的种类；ψj为第j种风险所占比例；rij为参与者i对第j种风险的分摊系数；ri为参与者i对所有风险的分摊系数。

2.1.3 贡献程度

增量配网在投资运营过程中可能会存在突发事故以及其他预想不到的事情，导致增量配网园区收益受损，此时需要投资运营主体致力于解决突发事故，保障增量配网园区收益最大化。因此各主体在解决突发事故时贡献度应该考虑到收益分配中。各主体的贡献程度通过专家评分并进行归一化获得，即

式中：m为专家数量；λj为专家j的评分权重；yij为专家j给投资运营主体i贡献度评分；Ci为投资运营主体的贡献程度。

2.1.4 合同履行程度

各投资运营主体在投资运营增量配网前会签订协议与合同，合同中规定每一个投资运营主体的权利与义务。若投资运营主体不依照合同中规定的义务与权利执行，将会导致增量配网收益受损。而合同履行程度是衡量各投资运营主体执行合同条款的程度。因此在增量配网投资收益过程中应该考虑合同履行程度，则有

式中：Hi为投资运营主体i在所有投资运营主体中的合同履行度；hi为主体i对自身合同履行程度，当hi=1，说明主体完全履行合同规定内容；hi<1，说明主体i有部分内容未完全履行。

增量配网投资运营主体受上述4种因素影响，可得各主体在各因素中的综合影响程度，即

式中：ϑi为主题i的综合影响程度；τ1、τ2、τ3、τ4分别为投资额、风险承担程度、贡献程度、合同履行程度等影响因素在综合影响程度中的权重。

2.2 收益分配方案设计

步骤1 初始化种群。

设置粒子即为投资运营主体i的分配方案ei；算法的最大迭代次数为Nmax；粒子速度的上、下限分别为vmax、vmin；学习因子为d1、d2，分别表示粒子自身、社会经验对运动轨迹的影响，具体计算公式为

式中：d1s、d2s为学习因子的初始值；d1f、d2f为学习因子的终值。

步骤2 计算粒子适应度。

通过个体信息与全局信息实现粒子适应度值的迭代优化。增量配网园区投资运营主体适应度函数由两部分构成，第1部分为投资运营主体所提分配方案与所有投资运营主体期望分配值差异，第2部分为投资运营主体最满意分配方案与最不满意分配方案的差值。具体表示为

步骤3 更新粒子状态。

粒子更新状态的计算公式为

步骤4 检验约束条件。

其中粒子需满足的约束条件一方面为所有投资者获得的分配收益之和等于各投资运营主体合作所得，即

另一方面为任一投资运营主体合作所得分配收益不小于其不参与合作博弈的所得收益与分配方案满意下限，即

基于上述粒子群算法，求解增量配网园区收益分配方案具体如图2所示。

图2 增量配网园区收益分配流程Fig.2 Flow chart of incremental distribution network park revenue allocation

3 算例分析

3.1 基础数据

以4个典型地市L1、L2、L3、L4的增量配网园区的投资建设运营为例进行算例分析，其中地市L2的经济发展速度最快，地市L1次之，地市L3、L4经济发展相对较慢。另外4个地市的投资运营主体均为电网公司、燃气公司、电力设备公司、节能公司、运维公司。并设置最大迭代次数Nmax为1 500，粒子速度上限vmax为2，粒子速度下限vmin为0，惯性权重终值wf为0.3、惯性权重初值ws为0.8。其余模型参数如表1所示。

表1 模型相关参数Tab.1 Related parameters of model

3.2 结果分析

3.2.1 负荷需求阶段划分结果分析

利用logistic拟合2010—2019年地市 L1、L2、L3、L4的园区年平均用电量，拟合结果如图3所示。

图3 各地市园区年平均用电量拟合Fig.3 Fitting of annual average electricity consumption by city-level parks

由图3可知，地市L1园区年平均用电量2009-2011年为4个地市中用电量最高的年份，从2012年起，园区年平均用电量低于地市L2，并且增长加速度为负，说明地市L1处于饱和增长阶段；地市L2年平均用电量在2009—2015年之间增长速度大同时增长加速度为正，但2016年起地市L2加速度为负，由拟合结果可知，地市L2处于后快速增长阶段；地市L3与L4增长速度相对于地市L1、L2较小，但是增长加速度一直为正，增长潜力较大，由拟合结果可知，地市L3与L4处于快速增长阶段。将上述阶段划分结果再与各市经济发展阶段进行验证，可得logistic拟合得到的阶段划分结果与各地市的经济发展情况相符，由此可说明logistic拟合结果可信度高。

3.2.2 运营策略结果分析

通过综合能源服务，节能服务、个性化套餐服务、配网运维服务成本收益模型，可得不同地市各服务成本收益如图4所示。

由图4可知，地市L1与地市L2节能服务净收益>综合能源服务收益>个性化套餐服务收益>配网运维服务收益；而地市L3与地市L4则是综合能源服务收益>个性化套餐服务收益>节能服务收益>配网运维服务收益，说明处于不同负荷需求阶段的增量配网园区其收益结构存在差异。不同地市的增量配网园区的运行策略结果如表2所示。

图4 不同地市各服务成本收益Fig.4 Service cost benefits of different city-level regions

表2 增量配网园区运行策略结果Tab.2 Results under operation strategy for incremental distribution network park

由表2可知，从总收益角度看，增量配网园区总收益最高的是地市L2，为1 122.21万元，最低的是地市L4，这是因为地市L2负荷需求增长速度比其他地市快，园区年平均用电量高，由此增量配网园区为园区用户提供更多服务，产生的收益也更多；而地市L4增长速度较慢，园区年平均用电量低，产生的收益也较少。从各类服务占比角度看，地市L1的各类服务中，节能服务比例28.92%>配网运维比例25.30%>综合能源服务比例24.10%>个性化套餐比例21.69%；地市L2的各类服务中，节能服务比例29.07%>配网运维比例25.58%>综合能源服务比例23.26%>个性化套餐比例22.09%；地市L3的各类服务中，个性化套餐比例30.33%>综合能源比例25.06%>配网运维比例22.81%>节能服务比例21.80%；地市L4的各类服务中，个性化套餐比例31.28%>综合能源比例24.63%>节能服务比例22.91%>配网运维比例21.18%。造成各类服务比重不一致的原因是各类地市负荷需求所处阶段不一致，对于处于负荷后期及饱和增长阶段的地市L1与L2而言，两者的增量配网园区增长稳定，负荷需求多，园区用户对综合能源及个性化套餐服务需求比较稳定，但对通过节能服务公司搜集整理其用能数据提供节能方案，获得节能收益的需求较多，因此地市L1与L2节能服务占比高。对于处于前期快速增长的地市L3与L4而言，一方面增长速度相对小，但是增长潜力大，为了充分激发各增量配网园区的潜力，通过设计分时电价套餐、绿色能源套餐等个性化套餐满足用户的个性化需求；另一方面增加用户冷热电气等综合能源供能，提升用户的用能效率，因此地市L1与L2个性化套餐与综合能源比例占比较高。

3.2.3 收益分配结果分析

通过专家评价可得电网公司、燃气公司、电力设备公司、节能公司、运维公司对于社会风险、政策风险、建设风险、运营风险分摊比例如表3所示。

表3 增量配网园区投资运营主体风险分摊Tab.3 Risk allocation of incremental distribution network park investment entities

基于风险分摊结果再通过调研可得不同区域地市增量配网园区的各投资运营主体的投资比例。对于各投资运营主体的贡献程度与合同履行程度的获取，为了减少误差，采取主客观相结合的方法进行评价获取，其中熵权法通过信息熵从定量分析各投资运营主体的贡献程度与合同履行程度；而序关系分析法从定性角度分析各投资运营主体的贡献程度与合同履行程度；最终组合熵权法与序关系分析法确定各投资运营主体的贡献程度与合同履行程度。具体如表4所示。

表4 增量配网园区各投资运营主体收益分配影响值Tab.4 Revenue distribution impact values of incremental distribution network park investment entities

根据各投资收益分配值，利用粒子群算法求解不同区域增量配网在不同主体之间的方案。图5为粒子群算法求解分配方案的迭代次数。

由式（31）可知，粒子适应度函数由两部分构成：第1部分为投资运营主体所提分配方案与所有投资运营主体期望分配值差异，第2部分为投资运营主体最满意分配方案与最不满意分配方案的差值。由此可知粒子适应度值越小，分配方案的实际值与期望值差异越小，越接近各投资运营主体的满意分配方案。由图5可知，粒子适应度值不断下降，说明在粒子群算法的迭代过程中，各投资运营主体不断接近各自的满意分配方案。还可看出当迭代至30次左右时，最优适应度趋于平缓，并最终收敛于0；仅迭代30次说明运用粒子群算法迭代速度快，求解速度快；最优适应度趋于平缓，并最终收敛于0，说明此时已经迭代得到各主体一致同意的稳定的分配方案。由此通过粒子群算法得到不同区域增量配网的分配方案如表5所示。

图5 粒子群优化算法迭代次数Fig.5 Iteration times of particle swarm optimization algorithm

由表5可得L1、L2、L3、L4的分配方案分别为{0475.0.124，0.145，0.123，0.133}，{0.408，0.146，0.148，0.147，0.151}，{0.446，0.132，0.128，0.146，0.148}，{0.513，0.125，0.116，0.129，0.117}。不同区域的增量配网园区分配方案中的共同点是电网公司的收益分配值最高，这是由于4个地市级增量配网园区投资建设运营中，电网公司的投资比例最大，同时承担的风险及其贡献程度最高，所以电网最终分配的收益值最大。