余德釗，裘華東，劉衛(wèi)東，劉周斌，徐晨博，丁　一，宋永華

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州　310027；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州　310007；3.國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，浙江杭州　310008)

0　引　言

有關(guān)電力系統(tǒng)的風(fēng)險理論在這幾十年中不斷被提出并逐漸發(fā)展[1-2]。但目前電力系統(tǒng)中的風(fēng)險評估主要集中在運(yùn)行可靠性、電力設(shè)備管理、運(yùn)行風(fēng)險監(jiān)測和故障損失評估等[3-8]，而對于電力市場的風(fēng)險評估目前也只局限于電力批發(fā)側(cè)——著重考慮由市場導(dǎo)致的批發(fā)側(cè)購電風(fēng)險[9]。但隨著售電側(cè)市場改革逐步推進(jìn)，售電市場也逐漸呈現(xiàn)多元化的趨勢。顯然，在這個不確定因素不斷增加的市場中，重要風(fēng)險指標(biāo)的確定和控制將成為一個需要關(guān)注的學(xué)術(shù)問題。

隨著售電主體不斷進(jìn)入市場，原本的由電網(wǎng)統(tǒng)購統(tǒng)銷模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛砂l(fā)電公司、售電公司、用戶之間的購售電業(yè)務(wù)，由此而引發(fā)整個市場的風(fēng)險等級增加。因此，確定售電市場風(fēng)險指標(biāo)并進(jìn)行市場風(fēng)險評估是隨著售電市場發(fā)展的一項(xiàng)需要不斷深入的工作。然而，目前對于售電市場尚未有一個詳細(xì)全面的風(fēng)險指標(biāo)體系，而且也缺少一套科學(xué)的計算方法來確定哪些是需要重點(diǎn)關(guān)注的風(fēng)險指標(biāo)以及各項(xiàng)風(fēng)險指標(biāo)對市場影響的權(quán)重。

目前對于指標(biāo)評估，采用層次分析法(AHP)確定指標(biāo)權(quán)重是一種經(jīng)典常用的方法。文獻(xiàn)[10]詳細(xì)介紹了層次分析法的基本概念，也分析了層次分析法權(quán)重的計算方法和應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]采用層次分析法進(jìn)行了配電網(wǎng)能效評估和現(xiàn)狀電網(wǎng)評估。文獻(xiàn)[13]提出了一種層次分析法(AHP)和數(shù)據(jù)包絡(luò)法(DEA)相融合的方法，用于實(shí)際電網(wǎng)規(guī)劃問題的求解分析。但是層次分析法求解指標(biāo)權(quán)重時，需要輸入指標(biāo)間重要度比較值。對于實(shí)際問題中的任何評估指標(biāo)，指標(biāo)間一般都存在相關(guān)性，即學(xué)者對指標(biāo)B做評判時，或多或少受到指標(biāo)A的影響。那么，在這種情況下，要輸入指標(biāo)B對指標(biāo)A的重要度比較值是無從衡量的，或者說量化指標(biāo)間重要度比較值會受到指標(biāo)相關(guān)性的干擾。因此，在確定指標(biāo)相對重要度時，保證指標(biāo)去相關(guān)化是保證比較值準(zhǔn)確度和可信度的基本要求。

圖1　售電市場過渡期分層風(fēng)險評估指標(biāo)

考慮到指標(biāo)間重要度比較值是層次分析法的輸入，因此解決指標(biāo)相關(guān)性問題是準(zhǔn)確應(yīng)用層次分析法的前提。文獻(xiàn)[14]提出了一些改善指標(biāo)相關(guān)性的方法，對參與評價的多個指標(biāo)進(jìn)行分類和篩選通過權(quán)重進(jìn)行調(diào)整。但這些方法仍然只能在一定程度上減小指標(biāo)間的相關(guān)性，并不能將其徹底消除。在數(shù)學(xué)上可以通過正交化來解耦相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)各個變量間的協(xié)方差為零[15]。同樣，在解耦指標(biāo)時，也可以通過正交化來實(shí)現(xiàn)各個指標(biāo)的相關(guān)性為零[16]。在本文中，為了應(yīng)用層次分析法求解指標(biāo)權(quán)重，采用施密特正交化方法去除指標(biāo)間的相關(guān)性，然后通過離差標(biāo)準(zhǔn)化法將指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)歸一化，并基于此確定各個指標(biāo)間相對重要度比較值矩陣。最后采用層次分析法進(jìn)行各指標(biāo)的權(quán)重求解。

本文第一部分根據(jù)改革過渡期市場業(yè)務(wù)新特征建立售電市場過渡期分層風(fēng)險評估指標(biāo)，分多個方面展現(xiàn)市場上的風(fēng)險因素；然后在第二部分對求解指標(biāo)權(quán)重問題建模分析，分指標(biāo)去相關(guān)化、建立指標(biāo)重要度比較值矩陣、層次分析法計算權(quán)重三大步驟進(jìn)行；在第三部分運(yùn)用樣本數(shù)據(jù)對本文所建模型進(jìn)行算例分析；最后在第四部分對本文進(jìn)行總結(jié)。

1　售電市場風(fēng)險評估指標(biāo)

售電市場改革的目標(biāo)在于[17]：①降低需求側(cè)電價，尤其是工商業(yè)電價，并逐步取消交叉補(bǔ)貼；②需求側(cè)電價能夠反映并及時響應(yīng)供給側(cè)能源價格變化；③放開用戶參與市場交易權(quán)限，提高用戶參與市場競爭意識。

文獻(xiàn)[17]分析了售電市場改革階段的一些市場新特征。在售電市場改革的背景下，售電市場逐漸呈現(xiàn)多元化的趨勢。隨著售電主體不斷進(jìn)入市場，原本的由電網(wǎng)統(tǒng)購統(tǒng)銷模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛墒垭姽具M(jìn)行購售電業(yè)務(wù)，顯然，電網(wǎng)公司統(tǒng)收過網(wǎng)費(fèi)實(shí)現(xiàn)“旱澇保收”，價格風(fēng)險轉(zhuǎn)而由發(fā)電公司、售電公司和用戶等市場主體承擔(dān)，從而導(dǎo)致整個市場的風(fēng)險等級增加，包括售電公司的購售電風(fēng)險，雙邊合同所造成的安全調(diào)度風(fēng)險，市場主體的市場力風(fēng)險，以及售電公司的信用風(fēng)險等等。基于售電市場改革過渡期的市場特征，本文總結(jié)并提出了售電市場過渡期的風(fēng)險評估指標(biāo)。以售電市場過渡期風(fēng)險為一級指標(biāo)，市場主體風(fēng)險、市場交易風(fēng)險、市場運(yùn)營風(fēng)險、市場戰(zhàn)略風(fēng)險和外部環(huán)境風(fēng)險為二級指標(biāo)。每一個二級指標(biāo)下，根據(jù)售電市場過渡期的市場特征，考慮市場主體數(shù)量和職能的轉(zhuǎn)變，市場業(yè)務(wù)的升級與拓展等因素，將二級指標(biāo)繼續(xù)細(xì)分為更多低層次指標(biāo)，充分體現(xiàn)了售電市場的系統(tǒng)性和層次性，同時各指標(biāo)間具有相互聯(lián)系、相互約束的特性。本文提出共三層26個風(fēng)險指標(biāo)的售電市場過渡期風(fēng)險評估指標(biāo)，如圖1所示。

市場主體風(fēng)險：在售電市場過渡期中，市場主體增加，發(fā)電公司、售電公司、用戶都可以直接參加市場交易；發(fā)電公司和售電公司的數(shù)量增加都會增加市場的不確定性；由于目前售電公司準(zhǔn)入門檻較低，市場監(jiān)管機(jī)制尚不健全，售電公司的信用等級難以評定，一旦出現(xiàn)解約、撤資等現(xiàn)象便會大大增加市場風(fēng)險[18]。另外，隨著職能的改變，電網(wǎng)公司參與市場交易的份額大大減少，但電網(wǎng)公司的市場力并未衰減。

市場交易風(fēng)險：在開放的售電市場中，發(fā)電公司可以和售電公司進(jìn)行電力交易，也可以和開放直接交易權(quán)的用戶進(jìn)行直接交易，用戶也可以和售電公司進(jìn)行電力交易。文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]介紹了電力直接交易對區(qū)域電網(wǎng)的影響并分析新電改下我國售電公司的購售電途徑與經(jīng)營模式。因此，能夠參與直接交易的用戶比例、用戶更換供電商的頻率以及發(fā)電公司和售電公司的市場力都會對市場交易穩(wěn)定性造成影響。同時，電網(wǎng)企業(yè)能否及時對非市場用戶提供保底供電服務(wù)也是影響市場風(fēng)險等級的一個重要指標(biāo)。

市場價格風(fēng)險：如前所述，售電市場改革的目標(biāo)在于降低用戶側(cè)電價并且保證價格隨成本聯(lián)動，因此這些因素將影響市場風(fēng)險等級。顯然，一次能源價格、電網(wǎng)輸配電價以及交叉補(bǔ)貼水平都會影響用戶電價[21]。市場價格是主體間進(jìn)行市場交易的核心因素，對市場風(fēng)險的影響等級很大，尤其在售電市場過渡期，價格機(jī)制不成熟，市場監(jiān)管不完善，市場價格指標(biāo)將成為風(fēng)險評估的重要指標(biāo)。

市場運(yùn)營風(fēng)險：市場主體的增加以及市場交易的多元化，增加了市場運(yùn)營的風(fēng)險[22]。應(yīng)對售電公司和交易中心進(jìn)入售電市場的沖擊，信息系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性需要滿足主體內(nèi)部與主體之間的信息交互需求；同時，技術(shù)人員的操作與協(xié)調(diào)技能需要滿足售電業(yè)務(wù)的發(fā)展。市場化售電環(huán)境下，對所有購售電主體保證信息發(fā)布公平度是維持市場穩(wěn)定的一個重要措施；此外，逐漸增加的電量交易和電力交易將對電力系統(tǒng)的安全可靠性造成影響。

市場戰(zhàn)略風(fēng)險：售電市場的改革改變了原先售電側(cè)的格局，在升級原有業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，滿足市場發(fā)展需要開拓更多業(yè)務(wù)[23]。包括分布式電源、需求側(cè)響應(yīng)、電能替代等，都會增加用戶購電需求不確定性以及市場電力交易風(fēng)險。此外，電力金融作為一種推動用戶參與電力市場改革的一種市場衍生品，也會對市場的資本運(yùn)作增加風(fēng)險。

外部環(huán)境風(fēng)險：目前的政策支持并推動售電側(cè)改革，但是政策環(huán)境會根據(jù)市場實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整，相應(yīng)的監(jiān)管法規(guī)也會相繼出臺來約束不合理市場行為，比如提高主體準(zhǔn)入門檻等。而隨著能源一體化進(jìn)程，能源市場的改革也會對電力市場改革起到推動作用，隨著電能替代的不斷深入，電能和其他形式能源的交互將不斷加強(qiáng)。這一系列外部因素同樣將對售電市場的穩(wěn)定運(yùn)行造成沖擊。

2　求解指標(biāo)權(quán)重建模

指標(biāo)的權(quán)重是指各級指標(biāo)對于評價目標(biāo)的重要程度。當(dāng)被評估對象及評估指標(biāo)全部確定后，指標(biāo)評估結(jié)果將依賴于各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。因此，在確定評估指標(biāo)集之后，指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定是風(fēng)險綜合評估的核心問題。

本文采用層次分析法求解指標(biāo)權(quán)重，如前所述，層次分析法需要輸入指標(biāo)間重要度比較值。為了解決由于指標(biāo)相關(guān)性產(chǎn)生的指標(biāo)間重要度比較值的不準(zhǔn)確，本文通過施密特正交化進(jìn)行指標(biāo)的相關(guān)性解耦，而基于離差標(biāo)準(zhǔn)化法將樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，從而合理構(gòu)建指標(biāo)間重要度比較值矩陣。本文求解指標(biāo)權(quán)重的建模流程如圖2所示。

圖2　建模流程圖

2.1　施密特正交化解耦指標(biāo)相關(guān)性

本文通過施密特正交化來解耦指標(biāo)相關(guān)性。在數(shù)學(xué)上通過協(xié)方差來判別向量的相關(guān)性。即當(dāng)Cov(x,y)=0時，變量x和y是不相關(guān)的。

Cov(r1,r2-a21r1)=

Cov(r1,r2)-a21Cov(r1,r1)=0

(1)

因?yàn)镃ov(ri,rj)=E(rirj)-E(ri)E(rj)， 所以需要指標(biāo)的期望值才能求出a21。

(2)

(3)

式中:Tk(ri)表示指標(biāo)ri在n個樣本中的第k個樣本值，通過取樣本均值來表示指標(biāo)ri的期望。

將式(2)和式(3)代入式(1)，則可求得a21。

以此類推，可求得轉(zhuǎn)換矩陣A：

根據(jù)之前的定義，可知R*=AR；

因此，按照上述步驟對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行施密特正交化后，可以得到各指標(biāo)去除指標(biāo)相關(guān)性后的真實(shí)值。顯然，存在正相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)權(quán)重值將降低，存在負(fù)相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)權(quán)重值將增大。

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然后，本文根據(jù)T*建立指標(biāo)間重要度比較值矩陣。

2.2　層次分析法預(yù)處理

層次分析法是求解指標(biāo)權(quán)重的經(jīng)典方法，建立判斷矩陣是運(yùn)用層次分析法的關(guān)鍵步驟[10]。如前所述，判斷矩陣的元素為各指標(biāo)間的重要度比較值。

為了更合理地建立指標(biāo)間重要度判斷矩陣，本文采用離差標(biāo)準(zhǔn)化來對指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理。對于T*中的元素，采用式(4)進(jìn)行歸一化：

(4)

基于指標(biāo)的統(tǒng)一歸一化值，則可以建立層次分析法的判斷矩陣。對于某一個二級指標(biāo)Ci下的各指標(biāo)，表1表示構(gòu)建指標(biāo)間相對重要度的方式：

表1　建立判斷矩陣示意表

令

則V即為層次分析法的判斷矩陣。元素vij表示上層指標(biāo)Ci下的指標(biāo)ri和指標(biāo)rj在進(jìn)行比較時, 指標(biāo)ri和指標(biāo)rj具有模糊關(guān)系“…比…重要得多”的隸屬度。為了使任意兩個指標(biāo)關(guān)于上層指標(biāo)的相對重要程度得到定量描述，采用層次分析法的1-9標(biāo)度法建立如下量化關(guān)系：

鑒于各指標(biāo)的評價結(jié)果差值體現(xiàn)了指標(biāo)間重要的差值，顯然，指標(biāo)間重要度差值可以體現(xiàn)指標(biāo)間的相對重要度程度。本文基于評分映射的想法，構(gòu)建模糊映射關(guān)系，將各指標(biāo)重要度評分的差值轉(zhuǎn)化為指標(biāo)間的重要度比較值。在指標(biāo)樣本值歸一化的基礎(chǔ)上，按照表3所示規(guī)則進(jìn)行指標(biāo)樣本值與指標(biāo)重要度比較值的轉(zhuǎn)換。

表2　層次分析法1-9標(biāo)度表[10]

表3　指標(biāo)比較值映射表

2.3　層次分析法求解指標(biāo)權(quán)重

層次分析法(AHP)是由美國運(yùn)籌學(xué)家Thomas. L.Saaty提出，該方法將與決策有關(guān)的元素分解成不同層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[10]。在確定指標(biāo)體系后，AHP解決權(quán)重問題的三大重要步驟是：①建立判斷矩陣；②判斷矩陣的一致性校驗(yàn)(如果不通過一致性校驗(yàn)，則修改判斷矩陣)；③求得指標(biāo)權(quán)重。

為了保證層次分析法得到的結(jié)論能夠合理反映指標(biāo)權(quán)重，還需要對建立的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。因此，在層次分析法中引入了判斷矩陣最大特征根λmax以外的其余特征根的負(fù)平均值CI，作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)。按照式(5)建立λmax和CI的關(guān)系。

(5)

層次分析法用一致性比率(CR)來檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，CR與CI的關(guān)系如式(6)所示：

(6)

RI表示判斷矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，判斷矩陣的階數(shù)不同，RI的取值也會不同。RI和判斷矩陣階數(shù)n的關(guān)系如表4所示。

一般當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，否則就需要修改判斷矩陣從而使之通過一致性檢驗(yàn)[24]。

表4　判斷矩陣的一致性指標(biāo)值

Vω=λmaxω

(7)

式中:λmax為矩陣V的最大特征值，所要求解的權(quán)重即為該特征值對應(yīng)的歸一化特征向量ω=[ω1,ω2,...,ωm]T。

3　算例分析

對于本文所提的售電市場過渡期風(fēng)險評估指標(biāo)，將各指標(biāo)的評價結(jié)果作為樣本輸入，如表5所示。以二層指標(biāo)市場主體風(fēng)險(C1)為例，說明運(yùn)用本文所提方法確定各指標(biāo)權(quán)重的實(shí)現(xiàn)過程。r1～r4表示二層指標(biāo)C1下的4個指標(biāo)：發(fā)電公司規(guī)模、售電公司信用、售電公司規(guī)模和電網(wǎng)企業(yè)市場力。T1(ri)～T5(ri)(部分樣本數(shù)據(jù))為對指標(biāo)ri的5個綜合評價結(jié)果。

表5　算例樣本數(shù)據(jù)(部分)

對各項(xiàng)指標(biāo)的樣本求期望，可以得到矩陣T=[E(r)]=[5.8,8.4,6.2,8.4]。

根據(jù)式(2)至式(3)可以求得各指標(biāo)的協(xié)方差值。

繼而可以求得變換矩陣A。

由T*=AT可得去相關(guān)化后的指標(biāo)評價結(jié)果T*。

T*=[5.8,8.215,4.975,10.25]

采用式(4)所示的離差標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行歸一化，得到歸一化的指標(biāo)評價結(jié)果T′。

T′=[0.157,0.614,0,1]

根據(jù)表3(指標(biāo)比較值轉(zhuǎn)換表)所示的轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以得到層次分析法的判斷矩陣V。

對判斷矩陣V進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果顯示其能夠通過一致性檢驗(yàn)，并得到最大特征值λmax=4.35。將V和λmax代入層次分析法，可求得各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重ω=[0.191,0.267,0.166,0.376]。權(quán)重結(jié)果顯示，指標(biāo)r4(電網(wǎng)公司市場力)和指標(biāo)r1(售電公司信用)是在指標(biāo)C1(市場主體風(fēng)險)下重要程度高的風(fēng)險指標(biāo)。這說明，在目前階段，指標(biāo)“電網(wǎng)公司市場力”和“售電公司信用”是影響售電市場風(fēng)險水平的重要因素。

基于所有指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)，可以得到二層及三層所有指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果，如圖3和圖4所示。

圖3　二層指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖

圖4　三層指標(biāo)統(tǒng)一權(quán)重分布

由權(quán)重結(jié)果可知，所有風(fēng)險評估指標(biāo)中，能源價格、市場平均電價、信息發(fā)布公平度、電力系統(tǒng)安全度、政策環(huán)境等指標(biāo)是影響市場風(fēng)險的相對重要指標(biāo)。

算例結(jié)果說明，在目前的售電市場過渡期中，價格因素仍是發(fā)電商和售電商等市場主體關(guān)注的焦點(diǎn)。同時，在目前市場規(guī)則及監(jiān)管機(jī)制不完善的情況下，保證各個主體對獲取交易信息的公平度，避免一些市場主體產(chǎn)生市場力，是維持并推進(jìn)市場化交易的一大關(guān)鍵因素。此外，鑒于電力屬于一種無法存儲的特殊能量形式，推動包括簽訂電量交易合約或者是實(shí)時電力交易等在內(nèi)的市場化交易將對電網(wǎng)規(guī)劃調(diào)度造成多大的沖擊仍是一個重要的考慮因素。因此，政策環(huán)境必須能夠合理控制改革進(jìn)度，保證有序推進(jìn)售電市場改革。

因此，本文所提的方法能夠基于有效的指標(biāo)評價結(jié)果得出當(dāng)前階段的重要風(fēng)險指標(biāo)，并對目前市場狀況進(jìn)行評估，從而為規(guī)避市場風(fēng)險和評估市場發(fā)展階段提供依據(jù)。

4　結(jié)束語

確定指標(biāo)權(quán)重對指標(biāo)綜合評價結(jié)果的科學(xué)合理性和可信度十分關(guān)鍵。本文提出的風(fēng)險評估指標(biāo)歸納了售電市場過渡期的市場特征及新業(yè)務(wù)對市場產(chǎn)生的不確定性影響?；陲L(fēng)險評估指標(biāo)，本文通過應(yīng)用正交化的思想對指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行解耦，從而提高應(yīng)用層次分析法的科學(xué)合理性，使求得的權(quán)重結(jié)果更好地反映各指標(biāo)對市場風(fēng)險的影響程度。

本文建立的權(quán)重求解模型可以應(yīng)用于含有定性與定量指標(biāo)的風(fēng)險指標(biāo)評估?；谒憷治?，本文得出目前售電市場過渡期的典型重要風(fēng)險指標(biāo)及其權(quán)重，權(quán)重結(jié)果能夠?yàn)楹罄m(xù)市場風(fēng)險評估提供依據(jù)，有助于市場風(fēng)險規(guī)避與決策。同時，通過分析不同階段體現(xiàn)的市場特征，基于本文模型所求得的市場風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果，其反映的市場特征可以幫助評估售電市場的改革階段，從而為更切實(shí)有效地制定售電市場發(fā)展策略提供參考。

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