考虑政府参与的区域能源互联网协同演化研究.pdf

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；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 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 。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）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，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，策略组合为 合作，合作，不监管。三种情景下，当特征值 ），），），）均大于零且，同时 时，除纯策略稳定均衡点外，为混合策略的稳定均衡解，此时系统的稳定均衡结果与参数值相关，均衡状态下部分交易者和部分服务商合作，符合 市场处于初期阶段的情况，在数值仿真分析中将其与情景 和情景 同时考虑为市场初期阶段进行讨论。表 不同情景下均衡点的稳定性分析均衡点情景 情景 情景 稳定性稳定性稳定性（，）不稳定不稳定不稳定（，）不稳定 不稳定 不稳定（，）不稳定不稳定不稳定（，）不稳定不稳定不稳定（，）不稳定不稳定 （，）不稳定 不稳定（，）不稳定 不稳定（，）不稳定不稳定不稳定（，）不稳定 不稳定 不稳定注：三种情景下，当特征值）至）均大于零且，同时 时除上述稳定均衡点外存在混合策略均衡点 。数值仿真分析由复制动力系统 得出，影响博弈演化稳定策略的因素主要有政府监管成本 ，合作产生的市场外部效应 及其分配系数 和 ，超额收益 及其分配系数 ，合作成本 及其分摊系数 ，平台监管下对不合作方收取的罚金 和，违约成本 和。本文运用 软件，首先对三种情景进行数值进行仿真模拟，进而分析主要参数变化对三方博弈系统动态演化的影响。分阶段市场模式的演化仿真对影响复制动态系统参数赋以不同数值，如表所示，并满足各情景 点稳定均衡条件。表 分情景参数初始值设定参数情景 情景 情景 参数情景 情景 情景 情景 和 假定交易者和服务商在合作中占主导，改变参数大小分析系统均衡路径及结果。令仿真 步 长 为 ，演 化 时 间 分 别 为 ，和 ，各方初始意愿均为 ，构建三方演化博弈如图 图 所示。坐标轴 ，分别表示交易者、服务商和平台参与合作或监管的意愿，取值范围为 ，。当数值设定符合情景 的条件时，图显示演化过程呈复杂螺旋状，并随着时间的推移，交易者的合作意愿先有小幅下降后不断增强，而服务商的合作意愿在不断减少直至为 ，平台的监管意愿则快速增强至最大。演化过程显示出平台的均衡演化速度最快，服务商次之，交易者最慢。经 次 演 化 曲 线 交 汇 在 三 维 立 方 体 的 顶 点（，），策略组合为 合作，不合作，监管。情景 条件下，从图 可看出演化过程呈螺旋状，并随着时间的推移，发现不论三方初始意愿为何值，次演化后服务商合作意愿和平台监管意愿小幅下降后不断增强，交易者合作意愿不断减弱，其中平台均衡演化速度最快，交易者次之，服务商最慢。博弈演化均衡点（，），对应的策略组合为 不合作，合作，监管。情景 条件下，演化过程如图 所示，不论各初始意愿为何值，平台的监督意愿快速下降为 ，交易者和服务商的合作意愿逐渐增强，且前者的均衡速度快于后者。最终交汇于点（，），策略组合为 合作，合作，不监管。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图 情景 下三方演化结果图 情景 下三方演化结果图 情景 下三方演化结果基于上述三种情景，可以看出政府在区域能源互联网建设不同阶段应当扮演不同角色。建设初期各项基础设施和配套服务不完善，市场机制尚不成熟，相应的监督机制也未形成。市场主体为追求自身利益最大化会选择违约获取高额搭便车收益，导致市场失灵。合作一方利益受损，若政府无监管，各方合作意愿将会削弱，整个社会福利受到影响。因此市场建设初期存在“搭便车”现象时政府必须建立奖惩机制，参与监管，最终实现市场的稳定。在长期演化进程中，各主体策略选择不断得到优化，逐步形成综合、灵活、开放包容的市场。交易者和服务商在长期博弈中逐渐形成合作共赢的长效机制，以共同获得合作带来的超额收益和市场正外部效应带来的好处。在市场成熟阶段，政府只需扮演“守夜人”角色，市场主体能够在“看不见的手”作用下达到均衡状态。博弈主体初始意愿对演化路径的影响 市场以多能源交易为主，相应的服务为辅，假设超额收益与成本分摊系数均为 ：，在情景 数值设定基础上，探究各主体在不同初始意愿下的均衡演化速度。当交易者初始合作意愿较低时，其均衡演化速度先快后慢最后均衡于 ，服务商合作意愿波动形增长收敛于 ；交易者初始合作意愿越高，交易者和服务商均衡收敛速度越快；平台收敛速度与交易者初始意愿成正比，且在三者之中最快。因此交易者初始意愿的提高会加快整个系统均衡演化速度。当第三方服务商初始合作意愿较低时，系统演化过程分为三个阶段。第一阶段，交易者和服务商选择不合作且平台也不愿监管；第二阶段，平台为激励合作加强监管，交易者和服务商会保持观望；第三阶段，平台的监管意愿增加接近峰值，交易者和服务商的合作意愿将会快速均衡于 ，此时平台将会扮演“守夜人”角色，其监管意愿迅速减至 ，最后博弈系统达到均衡，收敛于 合作，合作，不监管。当服务商的初始合作意愿较高时，博弈各方将会在短期之内收敛于理想均衡状态。可见服务商初始意愿越高，均衡收敛速度越快，路径实现越简单。当平台初始监管意愿较低，系统演化过程分为三个阶段。第一阶段，三方参与意愿均接近于 ；第二阶段，平台为改善市场环境加强监管，由于初始意愿低且市场中有很多不利于合作因素需要消除，双方对平台监管措施在较长时间内持观望态度；第三阶段，平台监管意愿收敛为 时，双方先后停止观望，合作意愿快速收敛于 后，平台监管意愿降至 ，系统实现理想均衡状态。若平台初始合作意愿增强，系统在短时间内迅速实现理想均衡。因此平台高初始监管意愿能刺激系统实现均衡，反之，监管缺位会导致市场长期处于双方独立运营或其中一方搭便车的不利局面。政府行为对演化路径的影响政府通过 平台发挥市场监管职能，假设各主体合作或监管意愿为 ，分析一定时间内政府行为对系统演化路径的影响。政府激励设置政府不同的激励水平发现交易者、服务商和平台的演化路径不同。政府激励水平越高，交易者和服务商收敛于 的速度越慢，平台也会花费更长时间收敛于“不监管”的均衡策略。当激励水平提高，平台监管意愿会先上升后下降，这可能是由于当监管成本较低时平台愿意参与市场监管获得额外收益并促进社会福利增加，而随着监管成本提高，平台会更加快速地收敛于“不监管”策略。可以看出，较高的政府激励不仅延长了其他两方均衡收敛时间，政府也不能获得所期望收益。从社会角度看，政府激励的增加并没有实现帕累托改进，反而导致社会资源闲置浪费。因此，提升政府监督意愿的有效方法是减少监督成本。政府处罚力度为研究政府处罚的公平性和处罚力度是否会对博弈系统演化造成影响，设置不同处罚力度，观察三方的均衡演化过程。通过仿真发现，当政府对交易者和服务商一视同仁时，交易者和服务商均衡收敛速度会加快。可见，政府处罚的公平性会作为一种市场信号对合作双方的市场行为产生影响，公平程度的提高会减少市场各主体无谓的损失并给运 筹 与 管 理 年第 卷整个社会带来福利。当政府的惩罚力度加大时即双方的违约成本提高，均衡速度将会加快，同时意味着平台监管的收益增加了，由于平台具有有限理性，因此其监管意愿会有小幅增加后快速减少收敛于 。搭便车收益对演化路径的影响通过设置不同的搭便车收益，交易者、服务商和平台出现演化路径的改变。结果显示，当搭便车收益设置较低时，系统稳定策略集均为 合作，合作，不监管，搭便车收益越大意味着合作机会成本越大，双方必须通过更复杂的交易模式或收取更高违约金来建立稳定合作关系，因此二者趋向于 的速度就会越慢。当搭便车收益增大时，双方纷纷选择不参与市场合作，政府为了规范市场采取监管措施，但高额的搭便车收益仍无法动摇双方的不合作意愿，最终系统均衡于 不合作、不合作、监管。这表明当市场中采取机会主义行为获得的收益很高时，政府只靠积极参与监管来规范市场行为往往是徒劳的，明智的做法是对不合理的搭便车收益进行控制并严厉打击这种行为。结论及建议基于 建设中存在的市场主体合作动力不足、激励机制不健全、市场运行机制不完善等问题，构建了考虑政府参与的能源互联网平台、能源产品交易者和第三方服务商组成的三方演化博弈模型，探讨不同情景下博弈均衡条件及演化路径，分析了影响均衡路径及博弈结果的因素。研究发现：第一，在 市场建设初期，交易者和服务商易出现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，主体间将良性合作，此时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。对策建议如下：（）发挥政府在 市场发展不同阶段中协调主体间利益关系的作用。在市场初期阶段，政府应建立有效的奖惩机制，完善基础设施并着力打造一个开放互联的综合能源互联网服务平台；成熟期，政府则以提高合作双方初始参与意愿为重点，保证市场安全运行，政府只需做“守夜人”。（）政府应控制资金投入以降低监管成本并尽可能减小搭便车收益，同时引入竞争机制鼓励大量分布式主体参与市场合作，引导主体间形成合理的利益分配机制。（）能源产品交易者和第三方服务商应主动打破信息壁垒，寻求长效的合作机制巩固双方的利益关系，以避免不必要的经济和时间损失更快地实现合作共赢。同时相关企业也要积极承担起 的建设重任，争做有中国特色的能源互联网企业。参考文献：康重庆 能源互联网促进实现“双碳”目标 全球能源互联网，（）：曾鸣 如何在保证能源安全与经济的前提下顺利实现双碳目标？国家电网报，（）王晓辉，季知祥，周扬，等 城市能源互联网综合服务平台架构及关键技术 中国电机工程学报，（）：谈金晶，李扬 多能源协同的交易模式研究综述 中国电机工程学报，（）：孙秋野，胡杰，胡旌伟，等 中国特色能源互联网三网融合及其“自?互?群”协同管控技术框架 中国电机工程学报，（）：，：，：刘宏国，宗振国，张春秋，等 能源互联网背景下基于势博弈的多供电主体竞争策略研究 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