绿色风电场利益相关方安全投入绩效博弈模型分析

杨太华, 刘 睿

(上海电力大学 经济与管理学院, 上海 200090)

在全球加强节能减排的大环境下,我国可再生能源发电飞速发展,其中风力发电的开发尤其引人关注,已成为我国电力供应的重要来源之一。大量风电场的开发建设使得安全事故时有发生,造成停电、人员伤亡、设备损失以及环境污染等严重后果。因此,加大项目的安全投入,提升其安全保障水平,对于预防和避免安全事故的发生至关重要。然而,作为风电场利益相关方,如何获得理想的安全投入绩效是必须首要考虑的问题。

风电场项目安全投入绩效是指根据电力安全生产目标,电力生产利益相关者在安全保障方面全部投入所取得的可测量的结果,是项目职业健康安全管理体系对安全风险的控制效果。完善和运转正常的职业健康安全管理体系和风险控制需要足够的安全投入。显然,安全绩效与安全管理中的安全投入和安全成本控制密切相关[1],不同的安全行为,会有不同的策略选择,从而产生不同的安全投入绩效。

对于安全绩效,国内外研究者大多从绩效评价指标和安全绩效影响因素等角度进行研究。HINZE J等人[2]对建筑工程中安全策略与安全绩效的关系进行了研究。FENG Y B[3]使用统计学方法对安全投入绩效进行了研究,提出了安全文化建设的重要性。刘素霞等人[4]研究了企业安全行为对安全绩效的影响。MORROW S L等人[5]通过对核电站的统计,分析了企业安全文化与安全绩效的关系。WEHBE F等人[6]研究认为,社交网络交流有利于施工安全管理,提高安全绩效。陈春[7]研究了企业安全风险控制的分级管理,并利用层次分析法筛选出26个安全绩效评价指标。TREMBLAY A和BADRI A[8]提出了在职业安全健康方面更为广泛的安全绩效评价指标。

在智能电网下,分布式新能源发电的安全性得到了很大的提升。目前,在新能源发电系统与电网间的并网安全稳定方面取得了重要进展。李碧君等人[9]研究了大电网安全稳定协调防御系统的技术特点和应用功能。王昊昊等人[10]从大电网应对自然灾害的安全需求出发,提出了自适应外部自然环境变化的安全防御系统的工程方案。刘臣宾等人[11]利用风电场特殊的通信通道,建立了基于通用分组无线服务技术的风电场并网稳定控制系统,从而增强了风电场并网的安全可靠性。苏剑等人[12]通过分布式光伏发电并网的经济性评价,提出了不同光伏运营模式下并网的设计方案和成本效益计算模型。这些成果大大推动了新能源发电的开发和利用。

综上所述,安全绩效的研究大多集中于建设工程和矿业工程领域,对于智能电网下分布式新能源发电方面,并网技术的安全性研究相对更加成熟,但针对安全成本控制及其安全绩效的研究尚不多见,特别是对风电场安全投入绩效相关方面的研究未见报道。风电场项目的安全投入绩效涉及电力监管部门(以下简称“电监部门”)、风电场和电网企业3个利益相关方。本文将从安全成本控制策略入手,基于利益相关方的博弈模型分析,探讨风电场项目安全绩效的特征,并提出相应的对策措施。

1 模型的建立

1.1 基本假设及模型参数符号

假设1 博弈模型参与者为政府电监部门、风电企业和电网企业;与传统博弈模型不同的是,三者均为有限理性的“经济人”,且掌握的信息均为有限信息,各方根据有限的信息选择策略,以实现自己的最大收益。

假设2 风电企业有进行安全投入(y)与不进行安全投入或者安全投入不足(1-y)两种策略。足够的安全投入需要较多安全成本,此时不会出现重大安全事故;不进行安全投入或安全投入不足,会使风电的安全保障不足,带来安全事故的不确定性,增加事故损失。由于电网并网后安全问题影响力增大,电网企业接收绿色风电并网时的期望安全损失会高于电网企业不接收时造成的损失。风电企业的收益为绿色风电并网安全输出电能所获得的收益,以及政府为鼓励新能源开发利用而对风电企业的补贴费用。显然,风电场的安全绩效与其安全投入及安全事故损失密切相关。

假设3 电监部门有监管(x)与不监管(1-x)两种策略选择。监管风电企业和电网企业的安全行为,对于绿色风电的生产、传输和利用具有重要意义。电力监管需要付出成本,做出惩罚或奖励的决策,且只要监管就必能发现风电企业安全投入是否足够以及电网是否接收绿色风电。当风电场出现安全事故的概率增大时,电监部门会存在期望损失。电监部门的收益是基于风电的安全并网和传输,以实现绿色能源的开发、利用,提升其经济效益和社会效益。

假设4 电网企业有接收(z)与不接收(1-z)安全绿色风电两种策略。假设风电企业安全投入不充足时并网不安全运行概率会提高,电网企业接收绿色风电就会产生期望安全损失。

基于三方博弈模型的构建,选取相应符号表示模型所用相关参数,如表1所示。

表1 博弈模型参数及符号

根据博弈三方做出的不同策略,可以形成多种策略组合,如表2所示。由表2可以得出相应的支付矩阵,以反映博弈各方在不同策略下的收益,如表3所示。

表2 三方博弈矩阵

表3 博弈三方收益

1.2 博弈三方的复制子动态方程

复制子动态为

(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)

复制子动态为

(8)

复制子动态为

(12)

2 模型分析

2.1 电监部门演化稳定策略分析

当S(x)=0时,有2个稳定点: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时,S(x)≡0,则x在整个区间均为稳定。

(16)

由于0

s(y,z)

当(P1+F1-C1+F2-P2+C2)>0时,分析y和z对x的影响。

在xyz坐标系中,条件约束0

(17)

(18)

当C1增大时,λ1和λ2减小,上部空间增大,即随着安全监管成本的增大,电监部门会有更大概率选择不监管。

图1 其他条件变化对x的影响

当λ1<1,λ2<1时,下部空间体积为

(19)

电监部门稳定策略选择及其收益演化规律也反映了目前我国电力监管体制不完善的实际状况。相关法律法规不健全,监管职能不清[13]等方面的问题都会造成监管成本高,安全监管效益不大,电监部门选择不监管的概率大,从而常常出现风电场安全监管不到位的情况。因此,从政府的角度看,加快电力体制改革,完善监管结构和监管程序,加强安全环保意识和生态文明建设,促进绿色能源的开发和利用,提升电力安全监管的社会效益和经济效益,在考虑风电企业和电网企业足够安全投入绩效的情况下,优化电力安全监管成本是目前迫切需要解决的问题。

2.2 风电企业演化稳定策略分析

当W(y)=0时,有2个稳定点: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时,W(y)≡0,则y在整个区间均为稳定。

(23)

由于0

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

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

当(P3-C3+R1+P7)>(P4-C4-F1-C8)时,分析x和z对y的影响。

在xyz坐标系中,w(x,z)=0为平面β,如图2所示。图2中,λ3和λ4为截距。

(24)

(25)

图2 其他条件变化对y的影响

当R1或F1增大时,λ3减小;当P7或C8增大时,λ4减小,上部空间均增大,即随着对风电企业的奖励或惩罚的增大,或是电网企业接受绿色风电获得的补贴、期望安全损失增大,风电企业会有更大概率选择投入充足的安全成本;当C3增大或C4减小时,λ3和λ4增大,上部空间减小,风电企业应投入的充足安全成本增大会使充足安全投入策略的收益减小,风电企业会更倾向于选择投入不充足。

风电企业的策略选择以收益为导向,所以需要各种调控措施促使其自发趋向于投入充足的安全成本。满足(P3-C3+R1+P7)>(P4-C4-F1-C8),电监部门可以提升对风电企业的安全投入充足的奖励或不充足的惩罚,电网可以提升绿色风电补贴,风电企业应该优化安全成本,提高安全投入充足时的收益。

2.3 电网企业演化稳定策略分析

当G(z)=0时,有2个稳定点: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时,G(z)≡0,则z在整个区间均为稳定。

(29)

因为0

g(x,y)

当(P5-C5-P6+C6+F2+R2)>0时,分析x和y对z的影响。

在xyz坐标系中,g(x,y)=0为平面γ,如图3所示。图3中,λ5和λ6为截距。

(30)

(31)

图3 其他条件变化对z的影响

图3中,当[xyz]策略组合处于空间 Ⅰ 时,z=0为演化稳定策略;当[xyz]处于空间Ⅱ时,z=1为演化稳定策略。当R2或F2增大时,λ5减小,空间 Ⅰ 变小,电监部门对不接收绿色风电的惩罚加重,电网企业会趋向于选择接收策略;当C5减小或C6增大时,λ5和λ6减小,空间 Ⅰ 减小。因此,当接受绿色风电的安全成本减小或不接收的策略成本增大时,不接收绿色风电的收益减少会使电网企业更趋向于选择接收绿色风电。

空间Ⅰ的体积为

(32)

要实现绿色能源的发展目标,电网企业接收绿色风电并网和电力用户选择使用绿色电能是关键。因此,政府在完善相应的法律法规的同时,提高奖惩措施,或给予一定的财政补贴,增加电网企业接受绿色风电的收益,确保(P5-C5+R2)>(P6-C6-F2),从而促进并网技术研究,优化安全成本,使电网企业主动采取接入和推广绿色能源的策略。

3 MATLAB仿真分析

为了能够更清晰准确地把握风电场利益相关方安全投入策略的选择及其效果,本文选择几组参数,利用MATLAB软件对上述演化博弈模型进行仿真模拟。根据模型假设,电监部门收益P1=3.0,P2=2.0,成本C1=2.0,C2=3.0;风电企业足够安全投入时各项参数为P3=9.0,C3=5.0,R1=1.0,安全投入不足时P4=10.0,C4=1.0,F1=1.5,C7=3.0,C8=5.0,P7=1.0;电网企业接收绿色风电时参数为P5=5.0,C5=3.0,R2=0.5,C9=3.0,不接收时P6=2.0,C6=0.5,F2=1.0。模拟结果如下。

(1) 此三方博弈没有统一的演化稳定均衡解,但存在局部均衡解。三方演化稳定均衡状态如图4所示。由图4可以看出,初始策略[0 0 0]在0

图4 三方演化稳定均衡状态

(2) 条件参数对博弈演化稳定有重要影响,甚至会改变演化稳定均衡解。图5为足够安全投入收益的大小对风电企业选择演化稳定策略的影响。由图5可知,随着足够安全投入收益的增大,其收敛于1的演化稳定将逐渐变缓,甚至分化,收敛于零,说明风电企业足够安全投入策略的选择是有限的,主要受到安全成本的影响。

图5 C3对y的影响

(3) 图6为F1,F2,P7,R2对三方演化稳定均衡状态的影响。由图6可知,电监部门对风电场安全投入与电网企业接受绿色风电的监管策略不同,三方演化策略曲线局部波动减小,总体变得越来越陡,收敛速度越来越快。其实这与电监部门实行奖惩和激励制度有关,说明绿色补贴的增加会使风电企业选择足够安全投入,电网企业选择并网绿色风电的概率快速增大。三方演化稳定博弈的这一规律,与上述理论分析是一致的。

图6 F1,F2,P7,R2对三方演化稳定均衡状态的影响

综合上述仿真分析可以发现,三方博弈一般不存在统一的演化稳定解,三方策略选择和条件参数的取值是演化稳定趋势和稳定均衡点改变的重要因素。电监部门、风电企业和电网企业的三方稳定策略相互影响,从而形成动态稳定演化过程,其演化稳定均衡点由条件参数的取值确定。在完善政府对绿色能源安全保障的奖惩措施和相关鼓励政策后,其博弈演化稳定状态朝着我们期望的不依赖电监部门的监管、风电企业自动进行足够的安全投入、电网企业自发接收绿色风电的积极方向改变,以提升绿色风电的安全保障能力,促进新能源的开发和安全健康的发展。

4 结 论

通过上述研究,得出如下结论。

(1) 绿色能源电力的开发利用是国家的发展战略,要确保其供应的安全可靠性,需要各利益相关主体配套资金、技术措施和政府的政策支持。与过去简单地采用绿色能源的资金补贴和行政措施强制企业进行绿色电力利用和安全管理相比,本文引入政府的政策、企业的安全投入、安全事故发生的概率及损失性成本的控制策略等参数,在综合分析电监部门、风电企业、电网企业三方演化博弈并进行仿真模拟的基础上发现,各参与方的策略选择是相互影响的,但都以各自的安全投入绩效最优为主要原则。

(2) 政府的奖惩措施、风电企业足够的安全投入,将成为电网企业由短期被动接收绿色风电到长期主动接收绿色风电的桥梁。这也为用户提供安全可靠的清洁能源奠定了基础。

(3)与以往国内外学者对参与方安全行为的两两博弈研究相比,本文将政府、风电企业和电网企业三者放在一起进行安全投入绩效研究,突破了过去两两博弈研究的局限性,使研究结果更接近于实际。

(4) 为了提高绿色风电的安全绩效,应该充分发挥政府和电力用户在企业进行安全投入方面所起的作用。除了加大政府对风电企业进行足够安全投入策略和电网企业选择绿色风电策略的监管力度外,还应该通过财政补贴、税费减免等激励措施增强电力用户使用绿色风电等清洁能源的购买力,对风电企业的电能加以“绿色能源”环保认证,以确保此类电能在用电侧的区分度,提高其竞争力,共同推动风电企业主动进行足够的安全投入,电网企业主动选择输送绿色风电,提升绿色电能的安全保障能力。