綠色風(fēng)電場(chǎng)利益相關(guān)方安全投入績(jī)效博弈模型分析

楊太華, 劉 睿

(上海電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 上海 200090)

在全球加強(qiáng)節(jié)能減排的大環(huán)境下,我國(guó)可再生能源發(fā)電飛速發(fā)展,其中風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)尤其引人關(guān)注,已成為我國(guó)電力供應(yīng)的重要來源之一。大量風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)建設(shè)使得安全事故時(shí)有發(fā)生,造成停電、人員傷亡、設(shè)備損失以及環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。因此,加大項(xiàng)目的安全投入,提升其安全保障水平,對(duì)于預(yù)防和避免安全事故的發(fā)生至關(guān)重要。然而,作為風(fēng)電場(chǎng)利益相關(guān)方,如何獲得理想的安全投入績(jī)效是必須首要考慮的問題。

風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目安全投入績(jī)效是指根據(jù)電力安全生產(chǎn)目標(biāo),電力生產(chǎn)利益相關(guān)者在安全保障方面全部投入所取得的可測(cè)量的結(jié)果,是項(xiàng)目職業(yè)健康安全管理體系對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的控制效果。完善和運(yùn)轉(zhuǎn)正常的職業(yè)健康安全管理體系和風(fēng)險(xiǎn)控制需要足夠的安全投入。顯然,安全績(jī)效與安全管理中的安全投入和安全成本控制密切相關(guān)[1],不同的安全行為,會(huì)有不同的策略選擇,從而產(chǎn)生不同的安全投入績(jī)效。

對(duì)于安全績(jī)效,國(guó)內(nèi)外研究者大多從績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)和安全績(jī)效影響因素等角度進(jìn)行研究。HINZE J等人[2]對(duì)建筑工程中安全策略與安全績(jī)效的關(guān)系進(jìn)行了研究。FENG Y B[3]使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)安全投入績(jī)效進(jìn)行了研究,提出了安全文化建設(shè)的重要性。劉素霞等人[4]研究了企業(yè)安全行為對(duì)安全績(jī)效的影響。MORROW S L等人[5]通過對(duì)核電站的統(tǒng)計(jì),分析了企業(yè)安全文化與安全績(jī)效的關(guān)系。WEHBE F等人[6]研究認(rèn)為,社交網(wǎng)絡(luò)交流有利于施工安全管理,提高安全績(jī)效。陳春[7]研究了企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)控制的分級(jí)管理,并利用層次分析法篩選出26個(gè)安全績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)。TREMBLAY A和BADRI A[8]提出了在職業(yè)安全健康方面更為廣泛的安全績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在智能電網(wǎng)下,分布式新能源發(fā)電的安全性得到了很大的提升。目前,在新能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)間的并網(wǎng)安全穩(wěn)定方面取得了重要進(jìn)展。李碧君等人[9]研究了大電網(wǎng)安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)防御系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用功能。王昊昊等人[10]從大電網(wǎng)應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的安全需求出發(fā),提出了自適應(yīng)外部自然環(huán)境變化的安全防御系統(tǒng)的工程方案。劉臣賓等人[11]利用風(fēng)電場(chǎng)特殊的通信通道,建立了基于通用分組無線服務(wù)技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng),從而增強(qiáng)了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的安全可靠性。蘇劍等人[12]通過分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià),提出了不同光伏運(yùn)營(yíng)模式下并網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案和成本效益計(jì)算模型。這些成果大大推動(dòng)了新能源發(fā)電的開發(fā)和利用。

綜上所述,安全績(jī)效的研究大多集中于建設(shè)工程和礦業(yè)工程領(lǐng)域,對(duì)于智能電網(wǎng)下分布式新能源發(fā)電方面,并網(wǎng)技術(shù)的安全性研究相對(duì)更加成熟,但針對(duì)安全成本控制及其安全績(jī)效的研究尚不多見,特別是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全投入績(jī)效相關(guān)方面的研究未見報(bào)道。風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的安全投入績(jī)效涉及電力監(jiān)管部門(以下簡(jiǎn)稱“電監(jiān)部門”)、風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)企業(yè)3個(gè)利益相關(guān)方。本文將從安全成本控制策略入手,基于利益相關(guān)方的博弈模型分析,探討風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目安全績(jī)效的特征,并提出相應(yīng)的對(duì)策措施。

1 模型的建立

1.1 基本假設(shè)及模型參數(shù)符號(hào)

假設(shè)1 博弈模型參與者為政府電監(jiān)部門、風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè);與傳統(tǒng)博弈模型不同的是,三者均為有限理性的“經(jīng)濟(jì)人”,且掌握的信息均為有限信息,各方根據(jù)有限的信息選擇策略,以實(shí)現(xiàn)自己的最大收益。

假設(shè)2 風(fēng)電企業(yè)有進(jìn)行安全投入(y)與不進(jìn)行安全投入或者安全投入不足(1-y)兩種策略。足夠的安全投入需要較多安全成本,此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)重大安全事故;不進(jìn)行安全投入或安全投入不足,會(huì)使風(fēng)電的安全保障不足,帶來安全事故的不確定性,增加事故損失。由于電網(wǎng)并網(wǎng)后安全問題影響力增大,電網(wǎng)企業(yè)接收綠色風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)的期望安全損失會(huì)高于電網(wǎng)企業(yè)不接收時(shí)造成的損失。風(fēng)電企業(yè)的收益為綠色風(fēng)電并網(wǎng)安全輸出電能所獲得的收益,以及政府為鼓勵(lì)新能源開發(fā)利用而對(duì)風(fēng)電企業(yè)的補(bǔ)貼費(fèi)用。顯然,風(fēng)電場(chǎng)的安全績(jī)效與其安全投入及安全事故損失密切相關(guān)。

假設(shè)3 電監(jiān)部門有監(jiān)管(x)與不監(jiān)管(1-x)兩種策略選擇。監(jiān)管風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的安全行為,對(duì)于綠色風(fēng)電的生產(chǎn)、傳輸和利用具有重要意義。電力監(jiān)管需要付出成本,做出懲罰或獎(jiǎng)勵(lì)的決策,且只要監(jiān)管就必能發(fā)現(xiàn)風(fēng)電企業(yè)安全投入是否足夠以及電網(wǎng)是否接收綠色風(fēng)電。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)安全事故的概率增大時(shí),電監(jiān)部門會(huì)存在期望損失。電監(jiān)部門的收益是基于風(fēng)電的安全并網(wǎng)和傳輸,以實(shí)現(xiàn)綠色能源的開發(fā)、利用,提升其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

假設(shè)4 電網(wǎng)企業(yè)有接收(z)與不接收(1-z)安全綠色風(fēng)電兩種策略。假設(shè)風(fēng)電企業(yè)安全投入不充足時(shí)并網(wǎng)不安全運(yùn)行概率會(huì)提高,電網(wǎng)企業(yè)接收綠色風(fēng)電就會(huì)產(chǎn)生期望安全損失。

基于三方博弈模型的構(gòu)建,選取相應(yīng)符號(hào)表示模型所用相關(guān)參數(shù),如表1所示。

表1 博弈模型參數(shù)及符號(hào)

根據(jù)博弈三方做出的不同策略,可以形成多種策略組合,如表2所示。由表2可以得出相應(yīng)的支付矩陣,以反映博弈各方在不同策略下的收益,如表3所示。

表2 三方博弈矩陣

表3 博弈三方收益

1.2 博弈三方的復(fù)制子動(dòng)態(tài)方程

復(fù)制子動(dòng)態(tài)為

(4)

UW=xz(P3-C3+R1+P7)+

z(1-x)(P3-C3+P7)+

x(1-z)(P3-C3+R1)+

(1-x)(1-z)(P3-C3)

(5)

z(1-x)(P4-C4-C8)+

x(1-z)(P4-C4-F1-C7)+

(1-x)(1-z)(P4-C4-C7)

(6)

(7)

復(fù)制子動(dòng)態(tài)為

(8)

復(fù)制子動(dòng)態(tài)為

(12)

2 模型分析

2.1 電監(jiān)部門演化穩(wěn)定策略分析

當(dāng)S(x)=0時(shí),有2個(gè)穩(wěn)定點(diǎn):x=0,x=1。

令

s(y,z)=(P1+F1-C1+F2-P2+C2)-

(F1+R1+C2)y-(F2+R2)z

(13)

(14)

(15)

若y=σy或z=σz時(shí),S(x)≡0,則x在整個(gè)區(qū)間均為穩(wěn)定。

(16)

由于0

s(y,z)

當(dāng)(P1+F1-C1+F2-P2+C2)>0時(shí),分析y和z對(duì)x的影響。

在xyz坐標(biāo)系中,條件約束0

(17)

(18)

當(dāng)C1增大時(shí),λ1和λ2減小,上部空間增大,即隨著安全監(jiān)管成本的增大,電監(jiān)部門會(huì)有更大概率選擇不監(jiān)管。

圖1 其他條件變化對(duì)x的影響

當(dāng)λ1<1,λ2<1時(shí),下部空間體積為

(19)

電監(jiān)部門穩(wěn)定策略選擇及其收益演化規(guī)律也反映了目前我國(guó)電力監(jiān)管體制不完善的實(shí)際狀況。相關(guān)法律法規(guī)不健全,監(jiān)管職能不清[13]等方面的問題都會(huì)造成監(jiān)管成本高,安全監(jiān)管效益不大,電監(jiān)部門選擇不監(jiān)管的概率大,從而常常出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)安全監(jiān)管不到位的情況。因此,從政府的角度看,加快電力體制改革,完善監(jiān)管結(jié)構(gòu)和監(jiān)管程序,加強(qiáng)安全環(huán)保意識(shí)和生態(tài)文明建設(shè),促進(jìn)綠色能源的開發(fā)和利用,提升電力安全監(jiān)管的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,在考慮風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)足夠安全投入績(jī)效的情況下,優(yōu)化電力安全監(jiān)管成本是目前迫切需要解決的問題。

2.2 風(fēng)電企業(yè)演化穩(wěn)定策略分析

當(dāng)W(y)=0時(shí),有2個(gè)穩(wěn)定點(diǎn):y=0,y=1。

令

w(x,z)=(P3-C3-P4+C4+C7)+

(R1+F1)x+(P7+C8-C7)z

(20)

(21)

(22)

若x=ηx或z=ηz時(shí),W(y)≡0,則y在整個(gè)區(qū)間均為穩(wěn)定。

(23)

由于0

w(x,z)<(P3-C3-P4+C4+C7)+

(R1+F1)+(P7+C8-C7)

當(dāng)(P3-C3+R1+P7)>(P4-C4-F1-C8)時(shí),分析x和z對(duì)y的影響。

在xyz坐標(biāo)系中,w(x,z)=0為平面β,如圖2所示。圖2中,λ3和λ4為截距。

(24)

(25)

圖2 其他條件變化對(duì)y的影響

當(dāng)R1或F1增大時(shí),λ3減小;當(dāng)P7或C8增大時(shí),λ4減小,上部空間均增大,即隨著對(duì)風(fēng)電企業(yè)的獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰的增大,或是電網(wǎng)企業(yè)接受綠色風(fēng)電獲得的補(bǔ)貼、期望安全損失增大,風(fēng)電企業(yè)會(huì)有更大概率選擇投入充足的安全成本;當(dāng)C3增大或C4減小時(shí),λ3和λ4增大,上部空間減小,風(fēng)電企業(yè)應(yīng)投入的充足安全成本增大會(huì)使充足安全投入策略的收益減小,風(fēng)電企業(yè)會(huì)更傾向于選擇投入不充足。

風(fēng)電企業(yè)的策略選擇以收益為導(dǎo)向,所以需要各種調(diào)控措施促使其自發(fā)趨向于投入充足的安全成本。滿足(P3-C3+R1+P7)>(P4-C4-F1-C8),電監(jiān)部門可以提升對(duì)風(fēng)電企業(yè)的安全投入充足的獎(jiǎng)勵(lì)或不充足的懲罰,電網(wǎng)可以提升綠色風(fēng)電補(bǔ)貼,風(fēng)電企業(yè)應(yīng)該優(yōu)化安全成本,提高安全投入充足時(shí)的收益。

2.3 電網(wǎng)企業(yè)演化穩(wěn)定策略分析

當(dāng)G(z)=0時(shí),有2個(gè)穩(wěn)定點(diǎn):z=0,z=1。

令

(26)

(27)

g(x,y)=(P5-C5-C9-P6+C6)+

(F2+R2)x+C9y

(28)

若x=ρx或y=ρy時(shí),G(z)≡0,則z在整個(gè)區(qū)間均為穩(wěn)定。

(29)

因?yàn)?

g(x,y)

當(dāng)(P5-C5-P6+C6+F2+R2)>0時(shí),分析x和y對(duì)z的影響。

在xyz坐標(biāo)系中,g(x,y)=0為平面γ,如圖3所示。圖3中,λ5和λ6為截距。

(30)

(31)

圖3 其他條件變化對(duì)z的影響

圖3中,當(dāng)[xyz]策略組合處于空間 Ⅰ 時(shí),z=0為演化穩(wěn)定策略;當(dāng)[xyz]處于空間Ⅱ時(shí),z=1為演化穩(wěn)定策略。當(dāng)R2或F2增大時(shí),λ5減小,空間 Ⅰ 變小,電監(jiān)部門對(duì)不接收綠色風(fēng)電的懲罰加重,電網(wǎng)企業(yè)會(huì)趨向于選擇接收策略;當(dāng)C5減小或C6增大時(shí),λ5和λ6減小,空間 Ⅰ 減小。因此,當(dāng)接受綠色風(fēng)電的安全成本減小或不接收的策略成本增大時(shí),不接收綠色風(fēng)電的收益減少會(huì)使電網(wǎng)企業(yè)更趨向于選擇接收綠色風(fēng)電。

空間Ⅰ的體積為

(32)

要實(shí)現(xiàn)綠色能源的發(fā)展目標(biāo),電網(wǎng)企業(yè)接收綠色風(fēng)電并網(wǎng)和電力用戶選擇使用綠色電能是關(guān)鍵。因此,政府在完善相應(yīng)的法律法規(guī)的同時(shí),提高獎(jiǎng)懲措施,或給予一定的財(cái)政補(bǔ)貼,增加電網(wǎng)企業(yè)接受綠色風(fēng)電的收益,確保(P5-C5+R2)>(P6-C6-F2),從而促進(jìn)并網(wǎng)技術(shù)研究,優(yōu)化安全成本,使電網(wǎng)企業(yè)主動(dòng)采取接入和推廣綠色能源的策略。

3 MATLAB仿真分析

為了能夠更清晰準(zhǔn)確地把握風(fēng)電場(chǎng)利益相關(guān)方安全投入策略的選擇及其效果,本文選擇幾組參數(shù),利用MATLAB軟件對(duì)上述演化博弈模型進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)模型假設(shè),電監(jiān)部門收益P1=3.0,P2=2.0,成本C1=2.0,C2=3.0;風(fēng)電企業(yè)足夠安全投入時(shí)各項(xiàng)參數(shù)為P3=9.0,C3=5.0,R1=1.0,安全投入不足時(shí)P4=10.0,C4=1.0,F1=1.5,C7=3.0,C8=5.0,P7=1.0;電網(wǎng)企業(yè)接收綠色風(fēng)電時(shí)參數(shù)為P5=5.0,C5=3.0,R2=0.5,C9=3.0,不接收時(shí)P6=2.0,C6=0.5,F2=1.0。模擬結(jié)果如下。

(1) 此三方博弈沒有統(tǒng)一的演化穩(wěn)定均衡解,但存在局部均衡解。三方演化穩(wěn)定均衡狀態(tài)如圖4所示。由圖4可以看出,初始策略[0 0 0]在0

圖4 三方演化穩(wěn)定均衡狀態(tài)

(2) 條件參數(shù)對(duì)博弈演化穩(wěn)定有重要影響,甚至?xí)淖冄莼€(wěn)定均衡解。圖5為足夠安全投入收益的大小對(duì)風(fēng)電企業(yè)選擇演化穩(wěn)定策略的影響。由圖5可知,隨著足夠安全投入收益的增大,其收斂于1的演化穩(wěn)定將逐漸變緩,甚至分化,收斂于零,說明風(fēng)電企業(yè)足夠安全投入策略的選擇是有限的,主要受到安全成本的影響。

圖5 C3對(duì)y的影響

(3) 圖6為F1,F2,P7,R2對(duì)三方演化穩(wěn)定均衡狀態(tài)的影響。由圖6可知,電監(jiān)部門對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全投入與電網(wǎng)企業(yè)接受綠色風(fēng)電的監(jiān)管策略不同,三方演化策略曲線局部波動(dòng)減小,總體變得越來越陡,收斂速度越來越快。其實(shí)這與電監(jiān)部門實(shí)行獎(jiǎng)懲和激勵(lì)制度有關(guān),說明綠色補(bǔ)貼的增加會(huì)使風(fēng)電企業(yè)選擇足夠安全投入,電網(wǎng)企業(yè)選擇并網(wǎng)綠色風(fēng)電的概率快速增大。三方演化穩(wěn)定博弈的這一規(guī)律,與上述理論分析是一致的。

圖6 F1,F2,P7,R2對(duì)三方演化穩(wěn)定均衡狀態(tài)的影響

綜合上述仿真分析可以發(fā)現(xiàn),三方博弈一般不存在統(tǒng)一的演化穩(wěn)定解,三方策略選擇和條件參數(shù)的取值是演化穩(wěn)定趨勢(shì)和穩(wěn)定均衡點(diǎn)改變的重要因素。電監(jiān)部門、風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的三方穩(wěn)定策略相互影響,從而形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定演化過程,其演化穩(wěn)定均衡點(diǎn)由條件參數(shù)的取值確定。在完善政府對(duì)綠色能源安全保障的獎(jiǎng)懲措施和相關(guān)鼓勵(lì)政策后,其博弈演化穩(wěn)定狀態(tài)朝著我們期望的不依賴電監(jiān)部門的監(jiān)管、風(fēng)電企業(yè)自動(dòng)進(jìn)行足夠的安全投入、電網(wǎng)企業(yè)自發(fā)接收綠色風(fēng)電的積極方向改變,以提升綠色風(fēng)電的安全保障能力,促進(jìn)新能源的開發(fā)和安全健康的發(fā)展。

4 結(jié) 論

通過上述研究,得出如下結(jié)論。

(1) 綠色能源電力的開發(fā)利用是國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略,要確保其供應(yīng)的安全可靠性,需要各利益相關(guān)主體配套資金、技術(shù)措施和政府的政策支持。與過去簡(jiǎn)單地采用綠色能源的資金補(bǔ)貼和行政措施強(qiáng)制企業(yè)進(jìn)行綠色電力利用和安全管理相比,本文引入政府的政策、企業(yè)的安全投入、安全事故發(fā)生的概率及損失性成本的控制策略等參數(shù),在綜合分析電監(jiān)部門、風(fēng)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)三方演化博弈并進(jìn)行仿真模擬的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),各參與方的策略選擇是相互影響的,但都以各自的安全投入績(jī)效最優(yōu)為主要原則。

(2) 政府的獎(jiǎng)懲措施、風(fēng)電企業(yè)足夠的安全投入,將成為電網(wǎng)企業(yè)由短期被動(dòng)接收綠色風(fēng)電到長(zhǎng)期主動(dòng)接收綠色風(fēng)電的橋梁。這也為用戶提供安全可靠的清潔能源奠定了基礎(chǔ)。

(3)與以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)參與方安全行為的兩兩博弈研究相比,本文將政府、風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)三者放在一起進(jìn)行安全投入績(jī)效研究,突破了過去兩兩博弈研究的局限性,使研究結(jié)果更接近于實(shí)際。

(4) 為了提高綠色風(fēng)電的安全績(jī)效,應(yīng)該充分發(fā)揮政府和電力用戶在企業(yè)進(jìn)行安全投入方面所起的作用。除了加大政府對(duì)風(fēng)電企業(yè)進(jìn)行足夠安全投入策略和電網(wǎng)企業(yè)選擇綠色風(fēng)電策略的監(jiān)管力度外,還應(yīng)該通過財(cái)政補(bǔ)貼、稅費(fèi)減免等激勵(lì)措施增強(qiáng)電力用戶使用綠色風(fēng)電等清潔能源的購(gòu)買力,對(duì)風(fēng)電企業(yè)的電能加以“綠色能源”環(huán)保認(rèn)證,以確保此類電能在用電側(cè)的區(qū)分度,提高其競(jìng)爭(zhēng)力,共同推動(dòng)風(fēng)電企業(yè)主動(dòng)進(jìn)行足夠的安全投入,電網(wǎng)企業(yè)主動(dòng)選擇輸送綠色風(fēng)電,提升綠色電能的安全保障能力。