基于三方演化博弈的微网接入公共配电网服务输配电价调整监管机制

谢敬东， 卞泽远， 吕志伟， 孙 波

(1.上海电力大学能源电力科创中心， 上海 200082； 2.上海电力大学经济与管理学院， 上海 200082)

国家能源局颁布的《推进并网型微电网建设试行办法》规定，当并网型微网接入公用配电网时，由此引起的公用配电网建设与改造费用原则上由电网企业承担，这是中国推动微网建设、实现电网转型发展的重要举措。

微网的接入能够为公共配电网提供潜在的备用服务，提高电力系统的安全性和可靠性[1-2]。备用服务是在电力市场环境下保障供电可靠性和居民用电满意度的重要手段，具有公共服务特性。由于并网型微网的建设数量存在较大不确定性，需要建立适当的激励以及监管机制来解决电网企业为微网提供并网服务带来的成本增加问题。

国家发改委，国家能源局于2020年2月出台的《区域电网输电价格定价办法》中的第十六条规定：监管周期内遇有国家重大政策调整、发生重大自然灾害、不可抗力等因素造成的成本重大变化，电网企业可以向国家发展改革委申请对准许收入和输电价格作适当调整。电网公司进行微电网接入公共配电网服务属于国家重大政策调整造成的电网企业成本重大变化，因此可通过输配电费用调整对电网公司进行成本补偿与激励，下文以此为出发点进行研究。

由于电力市场规则、输配电价等尚处于不断完善中，对于电力市场环境下的微网接入服务的补偿和激励研究目前还处于空白。但是对于其他公共服务的补偿与激励的研究仍然值得我们参考。

文献[3]通过对政府、电网企业与农村居民三方主体利益博弈进行分析，建立了政府与电网公司在居民电价补贴政策中的利益博弈模型，提出混合居民电价补贴政策应该成为政府的首选策略，为本文建立三方博弈的理论模型提供了借鉴；文献[4]通过系统动力学仿真实验，对不同主体进行博弈分析，对电力市场环境下通过适量的补贴维持普遍服务质量进行了有益的探讨，认为通过一定的补贴和适当的监管，可以提高电力市场环境下的电力普遍服务，为本文建立博弈期望收益函数提供理论基础；

由上述文献综述可知，要研究公共服务的补偿与激励这一涉及不同利益主体的复杂经济行为，博弈论无疑是行之有效的工具。在学术研究中，博弈论被大量应用于不同利益主体的复杂经济行为研究，针对复杂经济行为分析中参与主体的博弈过程分析，主要可以分成如下两大类。

(1)两方博弈分析。文献[5]利用演化博弈理论分析了可再生能源发电企业与电网企业之间的利益协调机制，认为这种利益均衡的形成是一个动态的、逐步演化的过程；文献[6]结合中国南方电力市场的实际情况，运用多种群竞争的演化博弈理论，建立了发电厂商与电力公司共同竞价的市场均衡模型，从利润分配的角度得出了市场最终的稳定策略点；文献[7]考虑配电网和多微电网交互运行情况，分别分析其经济利益，建立了微电网和配电网随机双层调度模型，并提出协调控制策略。

(2)三方博弈分析。文献[8] 应用三方演化博弈对新能源发电企业、传统化石能源发电企业和电网企业组成“新体-旧体-电网”三方参与电力市场新能源消纳为场景进行了实际应用分析，验证了电力市场环境下的均衡稳定性分析的有效性和实用性，为本文应用三方演化博弈理论提供了参考；文献[9]通过运用演化博弈理论构建了政府部门、企业与消费者之间的三方动态博弈模型，对新能源分时租赁汽车监管机制进行分析，提出企业如果能够通过创新有效地降低经营成本，有利于新能源分时租赁汽车行业的健康发展，为本文建立求解三方演化博弈模型提供了思路；文献[10]建立了监管机构、P2P 平台和借款人之间的三方博弈复制动态模型，通过非线性系统稳定性理论，得到了有益的监管策略，为本文非线性系统稳定性理论的应用提供指导。

综上所述，目前电力市场环境下的参与主体的博弈分析主要还是以两两博弈讨论为主，而涉及三方参与主体的博弈分析较少。但是单纯的两两静态研究无法满足现实中监管机构、电网公司和微网运营方存在的三方动态博弈关系，因此演化博弈论作为研究多群体长期博弈行为特性的一种重要而有力的工具，其采用自然选择的机制，无需严格的理性假设，更为接近现实状况，更能反映不同利益群体的策略的自发演化过程(动态过程)[8]。运用演化博弈理论，对三方成本收益进行量化，构建三方演化博弈模型，通过渐进稳定性判据，对各参数进行分析，以期寻找最理想状况需要满足的条件，从而提出相应的监管建议，为政府决策和电力监管提供参考。

1 三方博弈模型

1.1 电力市场环境下 “吸脂效应”

“吸脂”原指当牛奶加热时，只把浮在表层营养较多、最美味的脂肪部分瓢起食用，其他部分则弃之不吃。应用到电力服务领域中，在电力市场化改革后，售电企业在利益驱动下，仅供给高获利区域，而不愿供给低获利区域，即电力市场用户结构发生了变化，如图1所示。因此，“吸脂效应”的结果是，一方面使低获利的保底区域全由原在位者电网企业承担，另一方面吸脂成功的新进入售电企业会压迫电网企业已有业务的经营利润，从而使其在竞争中处于劣势地位。电力保底服务机制研究就是要解决电力市场化改革导致的“吸脂效应”引发的接入服务质量下降问题[11]。

图1 电力市场用户结构变化图Fig.1 Diagram of changes in electricity market user structure

1.2 三方博弈模型假设

假定在微电网接入公共配电网服务监管博弈过程中参与的主体分别是监管机构、电网公司和微网，各主体策略选择如下。

(1)监管机构:接入服务监管、补贴相关的部门，包括发改委、财政部、工信部等多个部门。作为政策的制定与博弈的主导方，该博弈方策略选择分别为以社会整体效益优先的社会性监管与以经济效益优先的经济性监管，即增加人力物力应用到电网公司接入服务监管中，不定时进行监管与通过市场进行资源分配，放任电网公司进行接入服务，定时进行监管，以达到稳定状态两种策略选择。

(2)电网企业:为微电网进行接入公共配电网的电网企业。为了减少成本或牟取超额利润，企业在微电网的接入过程中会进行克扣、偷工减料或者虚报成本超额建设，造成浪费等情况，以及在微电网的并网运行过程当中存在对微网的供电质量差，风光电调度不及时导致的消纳率过低等消极运营现象。在监管部门的监管和微网的参与下，电网企业拟采取保持和提高接入质量，从而可提高企业声誉的服务质量优先型经营策略与压缩运营成本，从而可提高企业经济效益的经济效益优先型经营策略两个策略。

(3)微网:作为接入服务的直接受益者，接入质量越高，微网稳定性越大，经济效益越高，在接受接入服务过程中由于电网企业的调度检修不及时等行为会对接入服务产生负面评价。权衡参与监管成本与服务改进及补偿收益的得失决定微网在博弈系统中的策略集合，分别是主动向监管机构举报与反馈接入服务质量的主动参与监管策略或是等待监管机构介入的被动参与监管策略。

基于上述概念界定和模型假设，在三方均为有限理性且信息不对称的条件下，建立微电网接入公共配电网和监管过程中监管机构-电网-微网三方博弈模型，如图2 所示。

图2 三方博弈树Fig.2 Tripartite game tree

1.3 模型参数设定

设定微网接入服务三方参与的博弈模型中监管机构、电网公司和微网运营方的收益、成本、损失等相关参数表[12]，具体如下。

x,y,z:在监管机构-电网-微网三方博弈中,监管机构选择社会性监管策略的概率为x,监管机构选择经济性监管策略的概率为1-x;电网公司选择服务质量优先型经营策略的概率为y,电网公司选择经济效益优先型经营策略的概率为1-y;微网选择主动参与监管策略的概率为z,微网选择被动参与监管策略的概率为1-z,其中x,y,z∈[0,1],均为时间t的函数。Ci:监管机构设定的接入通道成本上限。it:输配电准许收益率。F:监管部门选择社会性监管的情况下,电网公司服务质量未达到监管基准时监管机构对其的罚款。p1:在微网主动、监管部门选择社会性监管的情况下电网公司服务质量低于监管基准被发现的概率。p2:在微网被动、监管部门选择社会性监管的情况下电网公司服务质量低于监管基准被发现的概率(p1>p2)。Cgov:监管部门选择社会性监管策略相比经济性策略需要增加的成本。Rgov1:电网采用服务质量优先型策略下监管机构获得的社会效益。Rgov2:电网采用经济效益优先型下监管机构获得的社会效益(Rgov1>Rgov2)。Lgov:在微网采取主动参与监管策略下,接入服务被未达到监管基准,监管机构采用经济性监管策略时,监管部门遭受的声誉损失。Ccp:电网企业进行接入服务的固定成本。Rgrid1:电网采用服务质量优先型策略下获得的综合效益。Rgrid2:电网采用经济效益优先型下获得的综合效益(Rgrid1>Rgrid2)。Cop:电网企业采用服务质量优先型策略时需额外增加的运营成本。Rmg1:电网采用服务质量优先型策略下微网获得的经济效益。Rmg2:电网采用经济效益优先型下微网获得的经济效益(Rmg1>Rmg2)。Cmg:微网主动治理电能质量问题,主动参与监管的成本。k:接入服务被未达到监管基准,当监管部门采用社会性监管,被监管部门获取到后,微网获得补偿的补偿系数。Lgrid:当监管机构采用社会性监管策略时,接入服务被未达到监管基准被监管部门获取到后,经监管部门通报之后,电网遭受的声誉损失。

1.4 博弈支付矩阵

根据上述设定，列出支付矩阵，在监管机构分别选择社会性监管和经济性监管情况下，微网与电网公司之间的博弈支付矩阵如表1、表2所示。

表2 监管机构经济性监管时电网与微网的支付矩阵Table 2 The payment matrix of the power grid and microgrid when the regulatory agency is economically supervised

2 三方博弈分析

2.1 监管机构监管策略博弈分析

监管机构选择社会性监管策略的期望收益为

π11=yz[Rgov1-Cgov-Ci(1+it)] +

(1-y)z[Rgov2+Fp1-(1-p1)×

(Ciit+Lgov)-Cgov-Ci]+

(1-y)(1-z)[Rgov2+Fp2-

(1-p2)(Ciit+Lgov)-Cgov-Ci]+

y(1-z)[Rgov1-Cgov-Ci(1+it)]

(1)

监管机构选择经济性监管策略的期望收益为

π12=yz[Rgov1-Ci(1+it)] +(1-y)z{Rgov2-

[Ci(1+it)+Lgov]}+(1-y)×

(1-z){Rgov2-[Ci(1+it)+Lgov]}+

y(1-z)[Rgov1-Ci(1+it)]

(2)

监管机构的平均期望收益为

(3)

由此可得，监管机构选择社会性监管时的复制动态方程为

(1-y)(1-z)[p2(F+Ciit+Lgov)]-Cgov

(4)

(1-y)(1-z)[p2(F+Ciit+Lgov)]-Cgov

(5)

令F(x)=0，得x=0，x=1，则

2.1.1 电网公司策略选择对监管机构策略选择的影响

若y=yx，则F(x) ≡0，此时博弈系统恒处于渐进稳定状态，即无论监管机构选择社会性和经济性监管策略的比例如何，当电网公司采取服务质量优先型的概率y=yx时，监管机构行为策略都不会发生变动。

分析x=0，x=1两点，若使得其邻近区域内出发的轨迹渐近并趋向于该点，即对F(x) 求导，使∂F(x)/∂x<0，则称该平衡点为局部渐近稳定的，则采用的行为策略也称为演化稳定策略(evolutionarily stable strategy，EES)。

若y≠yx，当y>yx，则x=0 时，F′(x)<0，处于局部渐近稳定状态，监管机构选择社会性监管策略的概率x随着电网公司选择服务质量优先型的概率y提高而降低，即此时监管机构趋向于选择经济性监管策略; 当y

2.1.2 微网策略选择对监管机构策略选择的影响

若z=zx，则F(x) ≡0，此时博弈系统恒处于渐进稳定状态，即无论监管机构选择社会性和经济性监管策略的比例如何，当微网选择主动参与监管的概率z=zx时，监管机构行为策略都不会发生变动。

若z≠zx，当z>zx，则x=1 时，F′(x)<0，处于局部渐近稳定状态，监管机构选择社会性监管策略的概率x随着微网选择主动参与监管的概率z提高而提高，即此时监管机构趋向于选择社会性监管策略; 当z

2.2 电网企业经营策略博弈分析

电网选择服务质量优先型策略的期望收益为

π21=Rgrid1+Ci(1+it)-Ccp-Cop

(6)

电网选择经济效益优先型策略的期望收益为

π22=xz[Ci+(1-p1)Ciit-p1(F+Lgrid+kF)-Ccp] +(1-x)z[Ci(1+it) -Ccp]+(1-x)×

(1-z)[Ci(1+it) -Ccp]+x(1-z)×

[Ci+(1-p2)Ciit-p2(F+Lgrid)-Ccp]+Rgrid2

(7)

电网的平均期望收益为

(8)

电网选择服务质量优先型策略的复制动态方程为

x(1-z)[p2(F+Lgrid+Ciit)]+Rgrid1-

Rgrid2-Cop

(9)

(10)

令F(y)=0，得y=0，y=1，则

2.2.1 监管机构策略选择对电网公司策略选择的影响

若x=xy，则F(y) ≡0，此时博弈系统恒处于渐进稳定状态，即无论电网公司选择服务质量优先型和经济效益优先型策略的比例如何，当监管机构采取社会性监管策略的概率x=xy时，电网公司的行为策略不会发生变动。

若x≠xy，当x>xy，则y=1 时，F′(y)<0，处于局部渐近稳定状态，电网选择服务质量优先型的策略的概率y随着监管机构选择社会性监管的概率x的提高而提高，即此时电网公司趋向于选择服务质量优先型策略; 当x

2.2.2 微网策略选择对电网公司策略选择的影响

若z=zy，则F(y) ≡0，此时恒处于渐近稳定状态，即无论电网公司选择服务质量优先型和经济效益优先型策略的比例如何，当微网主动参与监管的概率z=zy时，电网公司的行为策略不会发生变动。

若z≠zy，当z>zy，则y=1 时，F′(y)<0，处于局部渐近稳定状态，电网选择社会效益优先型策略的概率y随着微网主动参与监管的概率z提高而提高，即此时电网公司趋向于选择服务质量优先型策略; 当z

2.3 微网参与监管策略博弈分析

微网选择主动参与监管策略的期望收益为

π31=xy(Rmg1-Cmg)+(1-x)y(Rmg1-Cmg)+

(1-x)(1-y)(Rmg2-Cmg)+

x(1-y)(p1kF+Rmg2-Cmg)

(11)

微网选择被动参与监管策略的期望收益为

π32=xyRmg1+(1-x)yRmg1+(1-x)(1-y)Rmg2+x(1-y)Rmg2

(12)

微网的平均期望收益为

(13)

微网主动参与监管策略的复制动态方程为

(14)

(15)

令F(z)=0，得z=0，z=1，则

2.3.1 监管机构策略选择对微网策略选择的影响

若x=xz，则F(z) ≡0，此时恒处于演化稳定状态，即无论微网选择主动和被动策略的比例如何，当监管机构选择社会性监管的概率x=xz时，微网的行为策略不会发生变动。

若x≠xz，当x>xz，则z=1 时，F′(z)<0，处于局部渐近稳定状态，微网选择主动参与监管策略的概率z随着监管机构选择社会性监管x的概率提高而提高，即此时微网趋向于选择主动参与监管策略; 当x

2.3.2 电网公司策略对微网策略选择的影响

若y=yz，则F(z) ≡0，此时恒处于渐近稳定状态，即无论微网选择主动和被动策略的比例如何，当电网公司选择努力的概率y=yz时，微网的行为策略不会发生变动。

若y≠yz，当y>yz，则z=0 时，F′(z)<0，处于局部渐近稳定状态，微网选择主动参与监管的策略的概率随着电网公司选择服务质量优先型策略的概率提高而减少，即此时微网趋向于选择主动参与监管策略; 当y

2.4 三方演化博弈稳定策略

对于三方博弈，当雅可比矩阵J的特征值均小于0时，该平衡点为渐进稳定点[8]，反之即为鞍点。

表3 平衡点稳定性分析Table 3 Balance point stability analysis

3 算例仿真

根据上文的结论，系统各参数的初始值及其变动决定渐进稳定结论，故本节针对上述演化博弈模型，运用MATLAB软件分别进行了数值仿真分析，从而直观地体现各行为主体的策略演化路径以及各参数变化对渐进稳定结果的影响。设各初始参数为Cgov=3，Ci=20，Rgrid1=10，Rgrid2=7，Ccp=18，Cop=5，Cmg=1，it=0.01，F=1，k=0.1，Lgov=8，Lgrid=4，p1=0.6，p2=0.3，x0=0.8，y0=0.6，z0=0.5。

3.1 监管部门策略选择仿真分析

3.1.1 影响监管部门策略选择的关键参数

对p2(F+Ciit+Lgov) -Cgov进行分析，微网被动参与监督的情况下，社会性监管成功的概率p2较低，监管部门声誉损失Lgov无法人为干预，监管成本Cgov比较确定，因此准许收益Ciit与罚款金额F是影响监管策略选择的重要参数，当准许收益率it与罚款金额F增大至p2(F+Ciit+Lgov) -Cgov>0时，监管机构的博弈策略趋向于社会性监管状态。

3.1.2 监管部门策略选择仿真

在其他参数为初始值的情况下，设准许收益Ciit与罚款金额F分别为 (0.2，1)、(2，2)，系统状态演化仿真图如图3所示。

推论1准许收益Ciit与罚款F可以影响监管部门的演化稳定状态，当满足p2(F+Ciit+Lgov) -Cgov<0时，监管机构趋向于选择社会性监管策略，但无法到达渐进稳定状态，同时印证了上文，即电网选择服务质量优先型的策略的概率随着监管机构选择社会性监管的概率提高而提高。准许收益与罚款作为电力市场环境下监管部门解决潜在的市场失灵的有效手段，较高的准许收益Ciit有助于补偿电网公司在微网接入公共配电网后的运营成本，从而激励电网提高接入服务[2]，如提高可再生能源消纳率，推进微电网参与电力辅助服务市场，提升系统整体能源利用率；较为严厉的罚款F在一定程度上会降低监管机构与电网公司双方之间信息不对称带来的不利影响，减少电网公司采取经济效益优先型策略的概率。但是，准许收益与罚款的增大却不能促使电网公司演化到渐进稳定时采取服务质量优先型策略，即没有达到理想状态。

3.2 微网策略选择仿真分析

3.2.1 影响微网策略选择的关键参数

3.2.2 微网策略选择仿真

为减少无关变量的影响，在其他参数为初始值的情况下，设准许收益Ciit与罚款金额F为 (2，2)，微网主动参与监管成本Cmg分别为1、0.01，系统状态演化仿真图如图4所示。

图4 Cmg不同时的系统演化仿真图Fig.4 System evolution simulation diagram with different Cmg

3.3 电网策略选择仿真分析

3.3.1 影响电网策略选择的关键参数

3.3.2 电网策略选择仿真

图5 Cmg、Cop不同时的系统演化仿真图Fig.5 System evolution simulation diagram with different Cmg and Cop

推论3电网运营成本Cop可以影响电网公司的演化稳定状态，当Cop

4 结论与建议

(1)针对推论1(准许收益与罚款可以影响监管部门的演化稳定状态)和图3，监管机构应当选择运用经济性监管策略，即不额外增加监管成本，设定一定的监管基准，同时适当提高准许收益Ciit与罚款金额F，在微网被动参与监管的情况下，在监管周期内定时对接入服务质量进行检查，根据接入质量与监管基准对电网进行奖励或者罚款，双管齐下，激励电网企业通过高效的运营在获取成本补偿的同时倾向于提高服务质量，获取奖励，减少监管部门的信息劣势，实现强力监管，避免监管机构出现成为电网企业寻租工具的“规制俘虏”现象。此外，较高的准许收益Ciit能够助力于电网公司进行运营技术研发，从而提高创新水平，有助于减少电网公司在下一监管周期的运营成本Cop，即实现推论3假定的情形。

(2)针对推论2(微网主动参与监管成本Cmg可以影响微网的演化稳定状态，但无形中增加了监管成本Cgov，却无法促使博弈达到理想状态)和图4、图5(c)，在监管过程中，监管机构与其通过增加Cgov来提高行政行政效率从而减少Cmg，不如将相关成本通过补贴的形式运用到优化电力产业结构上，从而通过杠杆的形式传导至电网企业运营采购部门的供给端，有效地减少电网公司运营成本Cop，此时微网趋向于选择被动参与监管，而电网公司在市场的引导下和监管部门的监管压力下，更加趋于选择服务质量优先型策略。