CN109784714A - 一种基于Shapley值法的多主体合资下的P2G场站运营模式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多主体合资以实现装置产能多方共享的P2G场站投资–运营模式。综合考虑浮动成本和固定成本对新模式的日常运营成本进行核算。以合理分摊成本、公平分配利润为目标，用经典Shapley值法能够根据成员参与度和贡献度，按比例分配应得收益，可保证结果公平合理。并分析风电场侧、厂网侧、燃气轮机组侧各主体的利益与合资P2G场站的利益高度。

Description

一种基于Shapley值法的多主体合资下的P2G场站运营模式

技术领域

本发明涉及电转气场站建设规划领域，具体地说，特别涉及到一种基于Shapley值法的多主体合资下的P2G场站运营模式。

背景技术

近年来随着可再生能源渗透率的持续提高，弃风、弃光问题也日益突出，为谋求新能源最大化消纳，在风电场、光伏电站或电网侧投资兴建大型消纳设备的呼声越来越高。随着能源互联网的提出，P2G设备作为电网和天然气网的耦合元件，可将富余风电转为天然气，并注入天然气网中进行传输消纳，正是提高新能源消纳的一种直接体现。

但是由于P2G场站造价高昂，且使用寿命有限，其折旧费用数额巨大，所以多方合资建厂才会使其达到盈利运营，尽管不同主体在不同时段的利润有高低差异，但是得益于分摊高折旧成本，其运行压力将从根本上获得缓解。

一般多agent方法，没有一个在各agent之上的主体对各方利益予以协调，在客观上要求市场参与者的经济利益彼此冲突，各自策略的制定与自我优化依据竞争中的非合作博弈过程，可能陷入严重影响全局经济性的“囚徒困境”中。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于Shapley值法的多主体合资下的P2G场站运营模式，对合资运营P2G场站成本核算、分摊与利润分配方面进行研究，综合考虑浮动成本和固定成本计算日常运营成本。以合理分摊成本、公平分配利润为目标，根据经典Shapley值法，建立新模式下的投资成本分摊与利润分配，以解决现有技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于Shapley值法的多主体合资下的P2G场站运营模式，包括如下步骤：

1)构建多主体合资的运营模式

以新能源侧、厂网侧和燃气轮机组侧为母公司，运营P2G场站的经济实体为子公司，构建多主体合资的运营模式；

子公司分别核算与母公司之间的关联交易，并支付母公司因投资和运营子公司的商业行为而新增加的日常运营成本；

2)日常运营成本核算方式

日常运营成本分为浮动成本和固定成本；

浮动成本包括使用风电场电力而使风电场减少的收入、使用燃气轮机组电力而使燃气轮机组发电厂减少的收入、向厂网侧购电而使厂网侧增加的成本；固定成本只包括设备的折旧成本；

浮动成本补偿的原则为支付任何因子公司的购电行为而新增加的合资方成本或减少的合资方收入，即：

C_i(P₀，ΔP_i)＝[M_i(P₀)-F_i(P₀)]-[M_i(P₀，ΔP_i)-F_i(P₀，ΔP_i)] (1)

式中：P₀为原本的第i个合资方的总发电功率；ΔP_i为其因子公司的购电行为而新增加的功率；M_i、F_i为与功率对应的总收入和总成本；

在t时刻，P2G场站购电使得风电场减少的销售收入为：

在t时刻，P2G场站购电使得燃气轮机发电厂减少的销售收入为：

和分别是分别为P2G场站购电前后的风电场上网功率和燃气轮机发电上网功率；为风电上网电价，为燃气发电上网电价；

对于厂网侧而言，需计入P2G场站购电使得厂网侧增加的煤耗成本，根据以往经验得

式中n为火电机组台数，a_j、b_j、c_j为第j台机组的燃料成本系数；p₁为燃料价格；为制氢设备购电前后常规发电机组j在第t时段的功率输出；

由于P2G场站向风电场购电的行为也会减少厂网侧接纳风电和燃气发电的开支，因此，厂网侧增加的成本是增加的煤耗成本减去少花费的购置上网风电和燃气发电的费用，表示为：

由式(2)、(3)、(5)之和可知，P2G场站方所支出的总费用实质等于所增加的煤耗成本；

采用年限平均法，日折旧额C_D为：

式中C_s为制氢设备原值；C_R为残值，取的C_s的30％；Y为预计使用年限，取15年；

3)投资成本分摊与利润分配

基本模型为：

多个主体参与有经济利润的活动中，每个主体都会从中获取利润，但当其联合后，联合的总利润大于多个主体单独进行该经济活动所得利润之和；

当主体的个数为n时，令集合N＝{1，2，…，n}，如果对于N中的任一子集S，都对应一个实值函数V(S)满足：

则[N，V]为n个主体的合作对策，V为对策的特征函数，其中V(S)是合作S的收益；

若记φ＝(φ₁(v)，φ₂(v)，…，φ_n(v))为合作的分配向量，其中φ_i(v)表示合作博弈[N，V]中第i个主体投资股权和利润的应得分配，即Shapley值，具体计算公式为：

其中，w(|S|)＝(n-|S|)！(|S|-1)！/n！；|S|表示联合中主体的个数；n为局中主体个数；v(S/i)表示主体i对该联合S的贡献；

风电场侧、厂网侧和燃气机组侧单独投资、两两合资以及三者合资运营P2G场站构成合作联合空间S＝({W}，{F}，{G}，{W，F}，{W，G}，{F，G}，{W，F，G})；

收益向量可表示为V＝(V{W}，V{F}，V{G}，V{W，F}，V{W，G}，V{F，G}，V{W，F，G})；

在具体利益分配时，严格执行合作联盟的分配向量

φ＝(φ₁(v)，φ₂(v)，φ₃(v)，φ₁₄(v)，φ₅(v)，φ₆(v)，φ7(v))；

4)整体-各主体关系

任何调度策略的执行均是一个双/多方博弈的过程，对于第i个主体，其最终收益S为：

S(P₀，ΔP)＝M_i(P₀)-F_i(P₀，ΔP)+C_i(P₀，ΔP)+φ_i (7)

将式(1)代入上式有：

S(P₀，ΔP)＝M_i(P₀)-F_i(P₀)+φ_i (8)

φ_i为合作分配的收益；风电场、厂网侧、燃气机组侧各主体的利益与合资P2G场站的利益高度一致，P2G场站利益最大化的同时也符合每一个参与主体的利益最大化原则，该结果是合作博弈中的帕累托最优，为合资各方所接受。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

设计了一种多主体合资以实现装置产能多方共享的P2G场站投资–运营模式。综合考虑浮动成本和固定成本对新模式的日常运营成本进行核算。以合理分摊成本、公平分配利润为目标，用经典Shapley值法能够根据成员参与度和贡献度，按比例分配应得收益，可保证结果公平合理。并分析风电场侧、厂网侧、燃气轮机组侧各主体的利益与合资P2G场站的利益高度。

附图说明

图1为本发明所述的多主体合资的运营模式的示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明所述的一种基于Shapley值法的多主体合资下的P2G场站运营模式，包括如下步骤：

1)构建多主体合资的运营模式

以新能源侧、厂网侧和燃气轮机组侧为母公司，运营P2G场站的经济实体为子公司，构建多主体合资的运营模式；

子公司分别核算与母公司之间的关联交易，并支付母公司因投资和运营子公司的商业行为而新增加的日常运营成本；

2)日常运营成本核算方式

日常运营成本分为浮动成本和固定成本；

浮动成本包括使用风电场电力而使风电场减少的收入、使用燃气轮机组电力而使燃气轮机组发电厂减少的收入、向厂网侧购电而使厂网侧增加的成本；固定成本只包括设备的折旧成本；

浮动成本补偿的原则为支付任何因子公司的购电行为而新增加的合资方成本或减少的合资方收入，即：

C_i(P₀，ΔP_i)＝[M_i(P₀)-F_i(P₀)]-[M_i(P₀，ΔP_i)-F_i(P₀，ΔP_i)] (1)

式中：P₀为原本的第i个合资方的总发电功率；ΔP_i为其因子公司的购电行为而新增加的功率；M_i、F_i为与功率对应的总收入和总成本；

在t时刻，P2G场站购电使得风电场减少的销售收入为：

在t时刻，P2G场站购电使得燃气轮机发电厂减少的销售收入为：

和分别是分别为P2G场站购电前后的风电场上网功率和燃气轮机发电上网功率；为风电上网电价，为燃气发电上网电价；

对于厂网侧而言，需计入P2G场站购电使得厂网侧增加的煤耗成本，根据以往经验得

式中n为火电机组台数，a_j、b_j、c_j为第j台机组的燃料成本系数；p₁为燃料价格；为制氢设备购电前后常规发电机组j在第t时段的功率输出；

由于P2G场站向风电场购电的行为也会减少厂网侧接纳风电和燃气发电的开支，因此，厂网侧增加的成本是增加的煤耗成本减去少花费的购置上网风电和燃气发电的费用，表示为：

由式(2)、(3)、(5)之和可知，P2G场站方所支出的总费用实质等于所增加的煤耗成本；

采用年限平均法，日折旧额C_D为：

式中C_s为制氢设备原值；C_R为残值，取的C_s的30％；Y为预计使用年限，取15年；

3)投资成本分摊与利润分配

基本模型为：

多个主体参与有经济利润的活动中，每个主体都会从中获取利润，但当其联合后，联合的总利润大于多个主体单独进行该经济活动所得利润之和；

当主体的个数为n时，令集合N＝{1，2，…，n}，如果对于N中的任一子集S，都对应一个实值函数V(S)满足：

则[N，V]为n个主体的合作对策，V为对策的特征函数，其中V(S)是合作S的收益；

若记φ＝(φ₁(v)，φ₂(v)，…，φ_n(v))为合作的分配向量，其中φ_i(v)表示合作博弈[N，V]中第i个主体投资股权和利润的应得分配，即Shapley值，具体计算公式为：

其中，w(|S|)＝(n-|S|)！(|S|-1)！/n！；|S|表示联合中主体的个数；n为局中主体个数；v(S/i)表示主体i对该联合S的贡献；

风电场侧、厂网侧和燃气机组侧单独投资、两两合资以及三者合资运营P2G场站构成合作联合空间S＝({W}，{F}，{G}，{W，F}，{W，G}，{F，G}，{W，F，G})；

收益向量可表示为V＝(V{W}，V{F}，V{G}，V{W，F}，V{W，G}，V{F，G}，V{W，F，G})；

在具体利益分配时，严格执行合作联盟的分配向量

φ＝(φ₁(v)，φ₂(v)，φ₃(v)，φ₄(v)，φ₅(v)，φ₆(v)，φ₇(v))；

4)整体-各主体关系

任何调度策略的执行均是一个双/多方博弈的过程，对于第i个主体，其最终收益S为：

S(P₀，Δ_P)＝M_i(P₀)-F_i(P₀，ΔP)+C_i(P₀，ΔP)+φ_i (7)

将式(1)代入上式有：

S(P₀，ΔP)＝M_i(P₀)-F_i(P₀)+φ_i (8)

φ_i为合作分配的收益；风电场、厂网侧、燃气机组侧各主体的利益与合资P2G场站的利益高度一致，P2G场站利益最大化的同时也符合每一个参与主体的利益最大化原则，该结果是合作博弈中的帕累托最优，为合资各方所接受。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于Shapley值法的多主体合资下的P2G场站运营模式，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建多主体合资的运营模式

以新能源侧、厂网侧和燃气轮机组侧为母公司，运营P2G场站的经济实体为子公司，构建多主体合资的运营模式；

子公司分别核算与母公司之间的关联交易，并支付母公司因投资和运营子公司的商业行为而新增加的日常运营成本；

2)日常运营成本核算方式

日常运营成本分为浮动成本和固定成本；

浮动成本包括使用风电场电力而使风电场减少的收入、使用燃气轮机组电力而使燃气轮机组发电厂减少的收入、向厂网侧购电而使厂网侧增加的成本；固定成本只包括设备的折旧成本；

浮动成本补偿的原则为支付任何因子公司的购电行为而新增加的合资方成本或减少的合资方收入，即：

C_i(P₀，ΔP_i)＝[M_i(P₀)-F_i(P₀)]-[M_i(P₀，ΔP_i)-F_i(P₀，ΔP_i)] (1)

式中：P₀为原本的第i个合资方的总发电功率；ΔP_i为其因子公司的购电行为而新增加的功率；M_i、F_i为与功率对应的总收入和总成本；

在t时刻，P2G场站购电使得风电场减少的销售收入为：

在t时刻，P2G场站购电使得燃气轮机发电厂减少的销售收入为：

和分别是分别为P2G场站购电前后的风电场上网功率和燃气轮机发电上网功率；为风电上网电价，为燃气发电上网电价；

对于厂网侧而言，需计入P2G场站购电使得厂网侧增加的煤耗成本，根据以往经验得

式中n为火电机组台数，a_j、b_j、c_j为第j台机组的燃料成本系数；p₁为燃料价格；为制氢设备购电前后常规发电机组j在第t时段的功率输出；

由于P2G场站向风电场购电的行为也会减少厂网侧接纳风电和燃气发电的开支，因此，厂网侧增加的成本是增加的煤耗成本减去少花费的购置上网风电和燃气发电的费用，表示为：

由式(2)、(3)、(5)之和可知，P2G场站方所支出的总费用实质等于所增加的煤耗成本；

采用年限平均法，日折旧额C_D为：

式中C_s为制氢设备原值；C_R为残值，取的C_s的30％；Y为预计使用年限，取15年；

3)投资成本分摊与利润分配

基本模型为：

多个主体参与有经济利润的活动中，每个主体都会从中获取利润，但当其联合后，联合的总利润大于多个主体单独进行该经济活动所得利润之和；

当主体的个数为n时，令集合N＝{1，2，…，n}，如果对于N中的任一子集S，都对应一个实值函数V(S)满足：

则[N，V]为n个主体的合作对策，V为对策的特征函数，其中V(S)是合作S的收益；

若记φ＝(φ₁(v)，φ₂(v)，…，φ_n(v))为合作的分配向量，其中φ_i(v)表示合作博弈[N，V]中第i个主体投资股权和利润的应得分配，即Shapley值，具体计算公式为：

其中，w(|S|)＝(n-|S|)！(|S|-1)！/n！；|S|表示联合中主体的个数；n为局中主体个数；v(S/i)表示主体i对该联合S的贡献；

风电场侧、厂网侧和燃气机组侧单独投资、两两合资以及三者合资运营P2G场站构成合作联合空间S＝({W}，{F}，{G}，{W，F}，{W，G}，{F，G}，{W，F，G})；

收益向量可表示为V＝(V{W}，V{F}，V{G}，V{W，F}，V{W，G}，V{F，G}，V{W，F，G})；

在具体利益分配时，严格执行合作联盟的分配向量

φ＝(φ₁(v)，φ₂(v)，φ₃(v)，φ₄(v)，φ₅(v)，φ₆(v)，φ₇(v))；

4)整体-各主体关系

任何调度策略的执行均是一个双/多方博弈的过程，对于第i个主体，其最终收益S为：

S(P₀，ΔP)＝M_i(P₀)-F_i(P₀，ΔP)+C_i(P₀，ΔP)+φ_i (7)

将式(1)代入上式有：

S(P₀，ΔP)＝M_i(P₀)-F_i(P₀)+φ_i (8)

φ_i为合作分配的收益；风电场、厂网侧、燃气机组侧各主体的利益与合资P2G场站的利益高度一致，P2G场站利益最大化的同时也符合每一个参与主体的利益最大化原则，该结果是合作博弈中的帕累托最优，为合资各方所接受。