构建绿色可持续电网的博弈论方法

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A game theory approach for the construction of a green and sustainable power grid

　　

应对气候变化、减少温室气体排放以及向可再生能源过渡的迫切需求，促使政府实体对电力利益相关者实施监管，以确保供应链中的能源市场更加绿色和廉价。受将能源供应系统与政府战略干预相一致的需求所推动，本研究假设有针对性的监管工具能够有效协调利益相关者的行为，从而加速绿色能源的整合。在此方面，研究人员探讨了影响政府、供应商和零售商在电网实施决策中的博弈论因素，强调了政府通过四项关键政策：税收、补贴、绿色以及研究与开发（Research and Development, R&D）的监管影响。在方法论上，引入了三种新颖的博弈模型：鼓励全面合作的 Nash 博弈、支持政府与供应商结盟对抗零售商的第一个非合作博弈、以及促进政府与零售商结盟对抗供应商的第二个非合作博弈。利用加拿大案例研究和样本数据，研究人员应用了灰狼优化（Grey Wolf Optimization, GWO）、人工蜂群（Artificial Bee Colony, ABC）和粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法来估计各利益相关者在电网实施方面的均衡策略。结果表明：（1）第一种博弈的联盟；（2）最低能源价格阈值；（3）综合绿色能源规划；以及（4）稳定的税收政策对该地区绿色和可持续电网的建设做出了积极贡献。研究结果提供了实用的政策见解，指导政府开发有针对性的财政工具，促进利益相关者之间的协作，并确保监管框架与长期能源转型目标相一致。

在全球能源基础设施领域，电力分配系统的战略管理和治理在决定经济稳定、环境可持续性和社会福祉方面发挥着至关重要的作用。向低碳能源未来的转变需要技术进步和各利益相关者之间高效的政策协调。加拿大计划到2035年实现净零电网的目标突显了开发可持续且具有成本效益的能源解决方案的必要性。阿尔伯塔省作为加拿大石油和天然气工业的中心，为国家发电和经济增长做出了贡献，但也因此产生了超高水平的温室气体排放。各国政府通常实施包括碳税、补贴、绿色研发（Research and Development, R&D）和环境监管在内的政策工具组合，以促进向可持续能源系统的过渡。然而，现有文献往往孤立地研究这些政策工具，未能充分捕捉多个利益相关者群体之间复杂的系统性相互作用和战略行为适应，以往的模型大多采用静态决策，忽略了利益相关者互动的动态复杂性，且缺乏利用真实世界案例来验证综合政策模型的研究。为了填补这些空白，研究人员开展了一项旨在优化电力供应链的三层结构博弈论研究，并在《RENEWABLE 》上发表了其成果。研究开发了一个统一四项关键政府政策工具（税收、补贴、R&D投资和绿色监管）的综合博弈论平台，提出了基于绿色贡献和社会福利贡献的全新动态监管机制，并构建了三个新颖的博弈模型，以评估不同治理策略对市场效率和利益相关者合规性的影响，这具有重要的理论和实践指导意义。

研究人员为开展此项研究，主要引入了三个新颖的博弈论模型，即一个鼓励全面合作的Nash博弈、一个政府与供应商结盟对抗零售商的非合作博弈，以及一个政府与零售商结盟对抗供应商的非合作博弈。研究将政府、供应商和零售商各方的绿色贡献率及社会福利率设定为模型的参数和约束条件。为求解这些复杂的博弈模型并估计各利益相关者参与电网建设的均衡策略，研究采用了三种自然启发的启发式优化算法：适用于全面合作系统的粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）、适用于层级化政策驱动问题的灰狼优化（Grey Wolf Optimization, GWO），以及适用于分散决策环境的人工蜂群（Artificial Bee Colony, ABC）算法。样本队列来源于加拿大阿尔伯塔省2023年的真实数据，涉及阿尔伯塔省政府、大型能源生产商Capital Power公司以及该省约一百四十七万余户电力零售家庭消费者。

在系统描述与问题描述部分，研究构建了一个包含政府、供应商和零售商的电网供应链应用框架。政府利用S、R、Ts和Tr等参数，通过税收、补贴、R&D和绿色定价四项主要工具参与并影响市场行为。供应商和零售商在电网应用下分别获得相应的税收折扣和补贴，其绿色贡献率（如g₁和g₂）及社会效益率（如w₁和w₂）根据其绿色能源生产或需求以及能源价格波动进行计算。政府的目标是通过确立电网电价低于传统电价，实现正的绿色贡献（G）和社会福利贡献（W）。研究提出了四种博弈场景及六项可玩性条件，并定义了各方的期望支付和期望回复函数，通过最大化博弈成本函数求解均衡。

在数值结果与样本数据分析部分，研究人员基于样本数据集计算了各方参数，并验证了政府支付保持恒定的条件。通过对能源价格、税收金额和绿色能源产出的敏感性分析，研究发现当供应商电价p_s高于1.14且零售商电价p_r高于1.16时，政府的绿色贡献保持为正，这确立了能源价格的下限阈值。在Nash博弈中，政府在各价格水平下均100%批准电网应用，而零售商对此不感兴趣；在第一种非合作博弈中，极高的税收会激励供应商和零售商参与应用；分析还表明，绿色能源产量的变化在Nash均衡和第二种非合作博弈中作用不显著，但在第一种博弈中，供应商的参与度会随着绿色能源生产的增加而略有提升。

在案例研究部分，研究将模型应用于加拿大阿尔伯塔省的具体实践。数据涵盖了阿尔伯塔省政府的补贴与研发政策、Capital Power公司（作为供应商）的发电量与成本，以及该省家庭的用电需求与税负。经过计算得出供应商与零售商的绿色贡献率分别为1.0625和1.125，并设定了电网应用下的实际价格阈值p_s=85和p_r121。通过三种启发式算法求解发现，在Nash博弈中，阿尔伯塔省政府对电网应用的接受率达到100%，但家庭用户不太可能参与。在该省政府与Capital Power结盟对抗家庭用户的第一种非合作博弈中，省政府的接受率同样为100%，且家庭用户对该应用的参与兴趣增长了28%。

在政策启示讨论部分，研究指出，通过非合作博弈中政府与供应商的联盟，政府能够有效引导电力市场的战略行为，实现集体社会福利的最大化。研究为政府制定稳定且协调的税收政策提供了公式化依据，阿尔伯塔省的案例表明，约14%的最优税收折扣不仅能平衡各方利益，还能促进整个供应链的参与。此外，研究建立了一个政府监管的可负担能源定价框架，在不损害供应商利润率的前提下有效保护了消费者，降低了终端用户的用电成本。通过设定最低能源售价与买价下限，有效减少了市场价格波动并增强了市场信心。整合的绿色能源规划将供应商定位为混合代理，通过战略性的全系统协调，在满足不断增长的绿色需求的同时降低了平均价格。研究最终得出以下重要结论：第一，通过政府与供应商联盟对抗零售商的非合作博弈模型，能有效激励零售商参与电网应用，是构建绿色可持续电网的最适宜决策模型；第二，在该博弈设定下，供应商受到了增加绿色能源生产的驱动；第三，政府倾向于实现全面Nash合作或与供应商结盟，而不愿与零售商结盟；第四，政府通过这四项政策工具在电网应用中构建了稳定的税收体系，并设定了具有下限的能源价格阈值机制，从而在复杂的市场环境中确保了政策的连贯性与市场的稳定性。未来的研究可以进一步引入配电商、电网运营商等其他利益相关者，并结合宏观不确定性因素扩展当前的框架。