“双碳”目标下的港口岸电改造决策优化模型与算法

2021-09-25赵景茜程昊文陈思捷

电力需求侧管理 2021年5期

赵景茜，程昊文，陈思捷

（上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240）

0 引言

随着人类面临的环境压力日益增大，我国提出在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和［1］的“双碳”目标。上海作为国内重要港口城市，上海港内各类船舶排放的CO2占比约为全市排放总量的5.47%［2］。因此港区节能减排、电能替代是上海市实现“双碳”目标的重要环节［3—4］。

相关文献针对岸电改造决策以及节能减排效益评估的方法主要有3种：建立多主体博弈模型、建立单一主体优化模型及统计类方法。博弈模型［5—6］通常考虑港口、船舶、政府中的两方或三方为参与主体，讨论参与者的投资、改造或减排策略，并评估岸电系统环境与经济效益。优化模型［7—9］通常以港口、船舶、政府一方或多方收益最大为优化目标，探究电价、政策等因素对岸电系统各指标的影响。统计类方法包括层次分析法、模糊评价方法［10—12］与Grey熵权法［13］等，它们常被用于建立岸电系统经济与环境效益评价模型，研究者基于模型评估结果提出绿色港口发展策略。

在现实中，岸电系统中的船方与港口方经济利益通常不统一，在市场环境下双方都会寻求自身利益最大化，因此简单的单主体优化模型难以实现系统的“帕累托最优”。而现有的博弈模型建模较为粗糙，尚未考虑船舶排队、泊位选择等精细化过程。此外，现有优化或博弈模型均默认所有到港船舶均使用岸电，船舶的个体差异性被忽略。事实上，在市场环境下，船舶将根据靠港时间、用油用电成本、港口条件等因素自主决策是否使用岸电。岸电建设长期“岸侧热、船侧冷”，忽略船舶的自主选择权也是目前长江中下游不少港口岸电利用率不高、港口难以收回岸电改造成本的重要原因。因此，港口在制定岸电规划与岸电服务费时应当考虑船舶决策变化带来的影响。

针对上述问题，本文提出一种基于两阶段动态博弈的港口岸电规划模型。该模型考虑船舶自主决策权，能够帮助港口在市场条件下决策泊位的岸电改造方案与岸电服务费定价机制。同时，本文用上海金山港作为算例，验证说明此方法能够协助港口实现自身利益最大化，避免过度投资造成岸电装置空余。同时，讨论不同政策对港口和船舶决策的影响以及对岸电项目电能替代、节能减排效果的影响。

1 基于两阶段动态博弈的模型

1.1 整体模型

在岸电系统中，船方与港口方的利益并不统一。港口方期待较高的岸电服务费和较少的港口改造泊位数，以最大化自身收益。然而在此情况下，多数船舶因高昂的用电成本和较长的排队充电等待时间放弃使用岸电而选择使用自备辅助发电机供电。

因港口拥有岸电服务费定价权，在岸电系统中港口率先决策。因此，可构建两阶段主从博弈模型描述这一过程。博弈参与方为港口与船舶群体，博弈顺序为：第一阶段港口根据历史来船数据决定进行岸电改造的泊位数和岸电服务费，决策目标是自身收益最大化；第二阶段为船方公司根据船舶自身参数（停靠时间、用电功率、等待意愿、自备辅助发电机的油电转换效率）、油价、岸电服务费等因素决策是否使用岸电。船方和港口方成本效益模型在1.2节和1.3节中详细展开。此博弈模型如图1所示，其中m为到港船舶的总数。

图1 两阶段动态博弈模型结构图Fig.1 Structure diagram of two-stage dynamic game model

1.2 船方模型（博弈下层模型）

各船到达港口时，根据自身用电功率、停靠时间及港口各泊位排队现状，分别计算使用辅助发电机发电及连接岸电的成本，并决策是否连接岸电电源。

（1）船舶用油成本

排污费计算方法如下

（2）船舶用电成本

排污费计算式为

船舶的决策目标为最小化成本，决策变量为是否使用岸电，用Xi∈[ ]0,1表示，Xi=1表示船舶i选择使用岸电。对于第i条船，有

1.3 港口方模型（博弈上层模型）

港口承担泊位的岸电改造费用并向电网公司支付电费，同时通过向船舶收取岸电服务费获得收益。

（1）港口成本

港口成本Cgk包括投资改造费用、向电网公司支付的电费及向政府支付的碳税。计算式为

式中：k为港口改造的岸电泊位数；Cgz为港口改造一个岸电泊位的投资成本；ρ为投资年化率；β为政府对港口岸电改造的补贴率；Cgrid为港口支付给电网公司的电费。

投资年化率ρ的计算式为

式中：I为贴现率；N为岸电设备使用年限。

港口所支付电费Cgrid的计算式为

式中：πgrid为电网公司向岸电电源供电电价；m为船舶总数。

（2）港口收益

港口收益Bgk来源于船舶所支付的岸电服务费，与岸电使用量和港口定价有关。计算式为

港口的决策目标是自身经济利益最大化，决策变量为改造泊位数k和岸电服务费πser，通过选择最优决策，使得港口效益最大，即

2 模型求解算法

此模型的求解方法为后项归纳法。首先给定一个改造泊位数和岸电服务费(k,πser)，其次计算船舶群体的选择X。

计算船舶群体决策及每条船只等待时间的伪代码如图1所示。船舶按到达时刻依次编号，对于第i条到达港口的船舶，其等待时间与前(i-1)条船舶的决策有关。第1条船舶到达时，比较自身耗油和用电成本，选择花费较少的方案并停靠在相应油/电泊位，将该船舶的靠泊时间计入对应泊位的等待时间。第i条船舶到达时，根据当前时刻更新所有泊位的等待时间，并根据港口停泊情况，计算计及等待时间的耗油和用电成本，并选择相应泊位停靠，靠泊时间计入所停靠泊位的等待时间。重复上述过程，直至m条船舶计算完毕。

图2中，Tw∈Rn为n个泊位等待时间；n个泊位中前k个为岸电泊位，(k+1)至n为油泊位；s i为第i条船到达时刻；nele和noil分别为当前状态下排队时间最短的油泊位编号和电泊位编号。

图2 算法1：考虑排队时间的船舶决策算法Fig.2 Algorithm 1:ship decision algorithm considering queuing time

图3 算法2：两阶段博弈模型求解算法Fig.3 Algorithm 2:two-stage game model solving algorithm

3 算例分析

3.1 参数选取

本文选取上海金山港2015年到港实际船舶数据集进行仿真。

（1）港口参数

金山港属于张泾河沿岸河港，拥有500 t级泊位15个。图4为金山港地理位置及泊位海图。

图4 金山港地理位置及泊位情况Fig.4 Geographical location and berths of Jinshan port

依据《上海市港口岸电建设方案》，岸电建设补贴由市专项基金补贴30%（β=30%），并按大工业电价收取岸电电费（πgrid=0.661元/kWh）。低压模式的岸电充电桩单个建造成本为50万元［14］（Cgz=5×105元），使用年限平均为30年（N=30），年化成本的贴现率为8%（I=8%）。

（2）船舶参数

通常情况下，小型船舶连接岸电的平均时间为15 min（tf=0.25 h）。依据交通运输部海事局制定的《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》，进入我国内河排放控制区的船舶不得使用硫含量超过0.1%的燃油。因此，本文选取低硫油价格为3 315元/t，使用低硫油的主要排放物及污染当量值如表1所示。依据《上海市排污收费和罚款管理办法》，气体污染物收费标准为每污染当量7元（Cdl=7元/当量）。

表1 污染物排放因子及当量值Table 1 Pollutant emission factors and equivalent values

2015年到港船舶频率平均为6.4艘/日，图5为每日到港船舶数量统计，图6为到港船舶特性分布。

图5 船舶到港时间分布Fig.5 Distribution of ship arrival time

图6 到港船舶特性分布Fig.6 Characteristics distribution of arriving ships

3.2 仿真结果分析

（1）无政府干预

系统无政府干预即政府不对船舶征收排污费且不对岸电项目给予补贴。此时港口决策过程如图7所示。结果表明，港口仅愿意改造2个泊位，愿意选择使用岸电的船舶仅占全部到港船舶的10%，岸电服务费为0.694元/kWh，港口通过岸电改造所获最大年收益为10.9万元。

图7 港口决策过程Fig.7 Decision-making process of port

图8为港口采取最优改造方案与强制完全改造的对比。若港口将全部泊位改造成岸电泊位，虽然最优岸电服务费下，选择使用岸电的船舶数目会略有增加，但多数岸电泊位无法被利用，港口将面临巨额亏损。

图8 无政府干预时最优改造方案与强制完全改造方案对比Fig.8 Comparison of the optimal retrofit plan without government intervention and compulsory complete transformation plan

图8也显示了港口繁忙程度对船舶决策的影响。当改造泊位数较少时，岸电充电桩较为拥挤，等待时间成本是大多数船舶决策的主导因素。在相同的岸电服务费水平下，改造泊位数较多时，由于岸电等待时间缩短，有更多的船舶选择使用岸电。此外，当岸电服务费较低时，仅从价格角度看，船舶群体选择岸电的意愿会更加强烈，但因先到船舶优先选择岸电，岸电充电桩逐渐出现饱和现象，排队等待时间较长，因此后到的船舶由于等待时间成本高，放弃使用岸电。故k=2时，随岸电服务费上升，选择使用岸电的船舶数波动较大。当改造泊位数较多时，各岸电充电桩排队时间较短，船舶等待时间成本对船舶的决策影响较小，因此价格因素成为船舶决策的主导因素。故k=15时，随岸电服务费上升，选择使用岸电的船舶数单调下降。

（2）有政府干预

在无政府干预的情形下，船方选择使用岸电和港口改造岸电泊位的意愿都不强。因此，政府有必要采取合理的奖惩政策。目前上海市对船舶征收的排污费为7元/当量，对港口岸电的建设补贴为30%，本节分别讨论上述2个因素对岸电系统的影响。

维持政府对港口岸电建设补贴为30%，即β=30%，记录不同排污费下港口的最优决策，包括改造的泊位数量和岸电服务费收费标准、对应的收益及选择使用岸电的船舶数量如图9所示。政府对船方征收排污费能显著提升船方使用岸电的意愿，选择使用岸电的船舶数量随排污费的上涨而增加。岸电使用方市场规模的扩张进一步提高港口方改造岸电的意愿。为使更多的船舶使用岸电，港口方选择改造的泊位数也有所增加。一方面，岸电需求量增加；另一方面，船舶能接受的岸电服务费也更高，因此港口盈利显著提升。值得注意的是，排污费的增长使船方能接受的岸电服务费提高了，在某些特殊情况下，港口方为使自身利益最大，并不一定改造更多的岸电泊位，则选择使用岸电的船舶数反而小幅下降。

图9 排污费对岸电系统的影响（β=30%）Fig.9 Impact of sewage charges on on-shore power system（β=30%）

维持政府对船方征收7元/当量排污费，即Cdl=7元/当量，记录不同岸电建设补贴下，港口的最优决策、所对应的收益及选择使用岸电的船舶数量。如图10所示，岸电系统对政府补贴率并不敏感。当补贴率为10%时，相较于无补贴的情况港口倾向于制定更高岸电服务费，此时选择使用岸电的船舶数反而减少。当补贴率增加至70%和100%，政府补贴对港口方的岸电改造意愿的有明显激励作用。补贴率的增加使得港口愿意改造更多的岸电泊位，从而降低船舶到港时选择岸电的等待成本，因此选择使用岸电的船舶数增加。当港口进行岸电改造的成本较低时，港口倾向于主动降低岸电服务费，以吸引更多的船舶靠泊时选择连接岸电。

图10 岸电建设补贴率对岸电系统的影响（C dl=7元/当量）Fig.10 Impact of shore power construction subsidy rate on on-shore power system（C dl=7 yuan/dl）

（3）环境效益分析

将港口岸电用于供给靠泊船舶电力需求的油耗与电耗全部折算为标准煤，分别评估无政府干预情形和政府采取当前激励措施，即β=30%，Cdl=7元/当量的场景下，港口做最优决策时的节能效果。如表2所示，无政府干预情形下，引入岸电技术可使港口此部分年耗能下降约20%，终端用电比例小幅提高。当政府采取政策干预时，港口方建设岸电与船方使用岸电的意愿均有增长，节能效果显著提高，年总能耗下降超50%，终端电力占比大幅增长至70.6%。

表2 岸电使用前后港口耗能对比Table 2 Comparison of port energy consumption before and after on-shore power retrofit

从环保角度，船舶靠港时使用岸电能够减少港口区域污染物的排放。依据《中国电力统计年鉴》，上海电力企业线损率为2.23%，火电占比约为74.55%，火力发电造成的SO2、NOx和CO2为排放量分别为0.187 g/kWh、0.195 g/kWh、577 g/kWh。当前政策条件下，即β=30%，Cdl=7元/当量，使用岸电前后港口区域与电厂区域排放物对比如表3所示。引入岸电使各种污染物排放量均有所减少，NOx与CO2排放量下降显著。