陳 嶺，蔣 樂，李 俊，魏震波

(1.成都電業(yè)局，四川成都 610041;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;3.國家開發(fā)銀行重慶分公司，重慶 400023)

0 引言

歷史原因?qū)е轮袊S多地方存在著地方政府牽頭建設(shè)的小水電和地方電網(wǎng)，這些小水電和地方電網(wǎng)在實現(xiàn)農(nóng)村電氣化建設(shè)、提高當?shù)鼐用裆钏?、促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展起到了重要作用。近些年，由于小水電的進一步開發(fā)及地方電網(wǎng)公司和省級電網(wǎng)公司的利益沖突，導(dǎo)致小水電生產(chǎn)的大量電能無法通過大網(wǎng)外售。但在地區(qū)之間，小水電窩電的同時，又存在電力不足現(xiàn)象。例如西部水電大省四川［1］，2004年全省建成中小水電站4 253座，年發(fā)電量達到210.90 GWh，同時全省中小水電站的窩電量高達43.60 GWh，占到了總發(fā)電量的20%以上;另一方面，枯水期四川主網(wǎng)電力供需缺口卻在30 000 GWh至40 000 GWh，豐水期也難改缺電困局。小水電窩電的原因包括小水電自身的局限(來水量不均勻)和電力需求負荷的波動性(負荷峰谷變化)等，但大小網(wǎng)之間的利益沖突和大網(wǎng)的強勢壟斷地位是造成其現(xiàn)狀的主要原因。優(yōu)質(zhì)可再生能源生產(chǎn)的低價電能未能充分利用，不僅不符合國家節(jié)能調(diào)度政策，而且使資源未達到優(yōu)化的配置。因此，如何處理好省級電網(wǎng)公司與代表地方小水電企業(yè)的地方電網(wǎng)之間的關(guān)系，促進小水電發(fā)展，使其成為水資源豐富地區(qū)地方產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是各級政府及相關(guān)電力企業(yè)共同關(guān)注的重大課題。

文獻［2］在分析了非合作狀態(tài)下省級電網(wǎng)公司和地方電網(wǎng)公司利益沖突的基礎(chǔ)上，提出了建立合作聯(lián)盟是解決大小電網(wǎng)矛盾的有效途徑，并采用shapley值來分配合作得益;文獻［3］在合作搏弈的基礎(chǔ)上探討了地方電力處理大小電網(wǎng)矛盾的體會。以上文獻中:①都是從合作搏弈角度討論電能輸送過程的各方利益沖突;②考慮問題出發(fā)點全部基于實際電能必須通過輸電網(wǎng)售出或買入。

電能是生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)性資源，在以實體方式輸送過程中由于各方利益協(xié)調(diào)問題而受到阻礙時，從經(jīng)濟學(xué)的角度，將電能以虛擬的形式“傳輸”，不僅可以補充實體傳輸?shù)牟蛔悖铱梢跃徑馑娰Y源分配不均和電力消費水平不均的矛盾。

1 虛擬電、虛擬電交易及其含義

虛擬電概念借鑒于虛擬水、虛擬土概念，并考慮電能自身的特點進行改進。虛擬水是國外20世紀90年代提出的新概念，隨后引入中國［4－6］，獲得商品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量。虛擬水不是真實意義上的水，而是以“虛擬”的形式包含在產(chǎn)品中的“看不見”的水，因此也被稱為“嵌入水”和“外生水”，它以“無形”的形式寄存在其他的產(chǎn)品中，相對于實體水資源而言，其便于運輸?shù)奶攸c使貿(mào)易變成了一種緩解水資源短缺的有用工具。因此，從經(jīng)濟學(xué)的角度解決水電資源分配不均及電力傳輸阻塞問題，虛擬電有著非常重要的現(xiàn)實意義。筆者認為，虛擬電是指在商品和服務(wù)生產(chǎn)過程中所需要的電力資源數(shù)量。虛擬電并非真實意義上的電，是指以“虛擬”的形式隱形于產(chǎn)品中的電。虛擬電的特征主要表現(xiàn)為:①非真實性。顧名思義，虛擬電不是真實意義上的電，而是以“虛擬”的形式包含在產(chǎn)品中，是“看不見”的電。②社會交易性。虛擬電是通過商品交易即貿(mào)易來實現(xiàn)的，沒有商品交易或服務(wù)就不存在虛擬電。③便捷性。基于實體電貿(mào)易中的傳輸瓶頸，虛擬電以“無形”的形式存在于其他商品中，其易于運輸?shù)奶攸c使貿(mào)易變成了一種可以緩解電力資源短缺的有用工具，并為充分利用可再生能源發(fā)電及傳輸提供了有效途徑。

2 產(chǎn)品虛擬電的量化方法

產(chǎn)品虛擬電主要指在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)和加工過程中所需用的電量。虛擬電的計量方式相對虛擬水略有不同。對于虛擬水而言，目前計算農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量的方法主要有兩種［5，6］:一種是 Chapagain和Hoekstra提出的研究不同產(chǎn)品生產(chǎn)樹的方法;另一種是Zimmer和Remault基于對不同產(chǎn)品類型進行區(qū)分的計算方法。虛擬電主要是針對工業(yè)產(chǎn)品。工業(yè)產(chǎn)品的虛擬電計算總的來說應(yīng)包括工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸及服務(wù)全過程用電。在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸和服務(wù)過程中，電能的消耗主要有以下幾部分:原材料和燃料生產(chǎn)用電、原材料和燃料運輸用電、生產(chǎn)過程中機械損耗折合生產(chǎn)用電、生產(chǎn)人員生產(chǎn)生活用電、生產(chǎn)過程中的服務(wù)性用電。根據(jù)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中電能及虛擬電的消耗途徑，從生產(chǎn)者角度設(shè)定虛擬電的計算公式如下。

其中，Wv為某工廠年產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品所含虛擬電總量;Wp為年原材料和燃料生產(chǎn)用電;Wt為年原材料和燃料運輸用電;WO為年生產(chǎn)過程中機械損耗折合用電;Wl為年生產(chǎn)人員生產(chǎn)生活用電;WS為年生產(chǎn)過程中的服務(wù)性用電;Wvpp為單位產(chǎn)品虛擬電的含量;Q為企業(yè)年產(chǎn)量。

3 虛擬電交易模型

3.1 模型假設(shè)

1)假設(shè)有m個工業(yè)用電企業(yè)，Wivpp表示第i個企業(yè)的產(chǎn)品單位虛擬電含量，Qi表示第i個企業(yè)的年產(chǎn)量。

2)不妨設(shè)電網(wǎng)公司的電力供給曲線為一條直線。省級電網(wǎng)公司的電力供給函數(shù)P1=a1+b1W1，地方電網(wǎng)公司的電力供給函數(shù)P2=a2+b2W2。由于地網(wǎng)(地方電網(wǎng)，下同)電力公司主要是小水電，相對于大型水電或火力發(fā)電，投資較小，即a2＜a1;且一般情況下，地方電網(wǎng)公司的邊際發(fā)電成本更小，即b2＜b1，這也是區(qū)域小水電低價形成的原因，在此不再詳述。如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)公司電力報價比較

3)假設(shè)市場完全競爭且信息對稱。

4)假設(shè)企業(yè)在省網(wǎng)(省級電網(wǎng)，下同)供電區(qū)域或在代表小水電的地網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)量不變。

5)假定社會總工業(yè)用電量不變，即省網(wǎng)供區(qū)的工業(yè)用電量為W1，地網(wǎng)供區(qū)的工業(yè)用電量為W2，而總的工業(yè)用電量Wtotal=W1+W2，Wtotal，總量不變。

模型分為企業(yè)用戶、省級電網(wǎng)、小水電(地方電網(wǎng))三部分。

3.2 企業(yè)用戶

無論對省網(wǎng)還是地方電網(wǎng)，對企業(yè)用戶而言，都不能參與電價的制定，只能被迫接受電價，但能通過對省網(wǎng)電價和地網(wǎng)電價的高低比較以及電能可靠性、電能質(zhì)量等其他因素的綜合評價，確定企業(yè)選址在省網(wǎng)或地網(wǎng)的供電區(qū)域。

企業(yè)用戶i在給定的電力報價函數(shù)情況下，根據(jù)自身利益最大化，確定企業(yè)選址。

因此，考慮電價的原因而導(dǎo)致的總的虛擬電量為愿意選址在地網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)的企業(yè)的生產(chǎn)用電量總和。

圖2 總虛擬電量與電價差的關(guān)系

即，總的虛擬轉(zhuǎn)移的電量WT為含△Si的條件函數(shù)，由于△Si與(P1－P2)有關(guān)，因此，WT為(P1－P2)的條件分段函數(shù)，當(P1－P2)越大，即小水電電網(wǎng)電價與省網(wǎng)電價差值越大時，愿意選址在地網(wǎng)供區(qū)的企業(yè)越多，實現(xiàn)的虛擬電轉(zhuǎn)移量WT越大，如圖2所示。

3.3 省級電網(wǎng)

對省級電網(wǎng)而言，由于國家控股，其利潤的變化直接影響稅收的變化，同時，省網(wǎng)供電區(qū)域的負荷大小的變化也影響著電網(wǎng)公司對電網(wǎng)建設(shè)和電網(wǎng)投資的變化。所以，省網(wǎng)公司應(yīng)是在電網(wǎng)潮流約束和投資約束條件下追求自身利益的最大化，其目標函數(shù)為

其中，I1為電網(wǎng)建設(shè)投資，建設(shè)投資量應(yīng)該是電網(wǎng)負荷量的增函數(shù)。

其中，交納的稅收T1是企業(yè)利潤的增函數(shù)。

其中，F(xiàn)為可靠性補償，即省網(wǎng)公司協(xié)助地網(wǎng)公司解決電能可靠性差而獲得的收益，F(xiàn)為地方電網(wǎng)公司銷售電量的增函數(shù)。

約束條件有省級電網(wǎng)電價約束、發(fā)電機出力約束、潮流約束、電量約束。

電力不僅具有商品的屬性，同時也具有公共品的屬性，因此，政府應(yīng)對電力實行最高限價PMAX，最高限價可用Ramsey－Boiteux公用品定價模型制定［10］?？紤]WT≥0，即相對之前負荷(W1－WT)≤W1，所以實際上發(fā)電機出力約束、輸電約束和平衡約束都是松約束。將式(4)、(6)和(7)代入式(5)，并考慮約束條件式(9)整理得式(10)。

由式(10)可知，在P2一定的情況下，省網(wǎng)公司問題的實質(zhì)是電價在一定范圍內(nèi)變化時，關(guān)于P1的開口向下的二次分段函數(shù)的極大值求解問題。

3.4 小水電(地方電網(wǎng))

由于地方電網(wǎng)公司和小水電企業(yè)一般屬于當?shù)卣鬓k的公共事業(yè)，或者由當?shù)鼐用窦Y興建的，地方政府的有關(guān)意志以及當?shù)鼐用竦睦嬉话愣紩ㄟ^地方電網(wǎng)公司來反映，因此，將小水電抽象為代表地方政府利益的地方電網(wǎng)公司和代表當?shù)鼐用窭娴牡胤诫娋W(wǎng)公司。其目標函數(shù)為

其中，I2為電網(wǎng)建設(shè)投資，建設(shè)投資量應(yīng)該是電網(wǎng)負荷量的增函數(shù)。

交納的稅收T2是企業(yè)利潤的增函數(shù)。

F為可靠性補償，對地網(wǎng)公司而言，是依靠省網(wǎng)公司解決電力可靠性問題而支付的成本。

約束條件同前。

將式(4)、(12)和(13)代入式(11)，考慮約束條件式(14)簡單數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得

由式(15)知，在P1一定的情況下，代表小水電的地方電網(wǎng)問題的實質(zhì)是在潮流約束下，電價P2在一定范圍內(nèi)變化時，關(guān)于P2的開口向下的二次分段函數(shù)的極大值求解問題。

3.5 模型求解

對式(10)利用拉格朗日極值法求極值，考慮約束條件，得省網(wǎng)公司最優(yōu)電價為

對方程(15)利用拉格朗日極值法求極值，考慮約束條件，得地方電網(wǎng)公司最優(yōu)電價為

4 結(jié)論

通過以上模型可得到如下結(jié)論:①所提模型的實質(zhì)是通過虛擬電交易，增加了地方電網(wǎng)和小水電銷售電量，而增加的利潤空間通過可靠性補償系數(shù)F部分轉(zhuǎn)移給省級電網(wǎng)公司，使雙方實現(xiàn)了利潤最大化。模型既解決了窩電問題，又淡化了電力傳輸過程中地網(wǎng)公司和省級電網(wǎng)公司之間的利益沖突，使可再生能源得以充分利用，資源達到了優(yōu)化配置;②如果市場完全競爭，當?shù)胤诫娋W(wǎng)和省級電網(wǎng)的電價差越大時，虛擬電轉(zhuǎn)移量越大，符合比較優(yōu)勢理論。虛擬電交易的實行，在一定程度上緩解了電力輸送壓力，也是換一種形式對“西電東送”政策的補充;③地方電網(wǎng)和省網(wǎng)雙方在搏弈過程中各自如何定價就成了決定虛擬電交易量大小的關(guān)鍵因素;④虛擬電交易具有很強的可操作性和可持續(xù)性，這對大型輸電工程項目來說是一種環(huán)境上的替代方法，從經(jīng)濟效益和環(huán)境效益角度來看，都具有明顯的優(yōu)越性，也為在思路上解決水電資源配置予以重新審視。

虛擬電交易進一步將電力資源管理問題從單個行業(yè)拓展到整個社會經(jīng)濟系統(tǒng)，產(chǎn)品中的虛擬電的量化可以使人們意識到生產(chǎn)各種產(chǎn)品所需要的實際耗電量，增強生產(chǎn)過程中對消耗電力資源系統(tǒng)的認識，促使生產(chǎn)者增強節(jié)能意識，促使消費者優(yōu)化消費結(jié)構(gòu)，提高電力資源的使用價值。

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