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        電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下的可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制研究

        2020-06-10 09:03:26波,丁榮,徐寧,徐
        山東電力技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:競價(jià)電價(jià)電量

        周 波,丁 榮,徐 寧,徐 楠

        (國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,河北 石家莊 050021)

        0 引言

        隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人民生活水平迅速提高,電力需求穩(wěn)步提升,尤其是夏季空調(diào)負(fù)荷和冬季電采暖負(fù)荷較大時(shí)段,電力系統(tǒng)供需平衡緊張,存在“硬缺電”現(xiàn)象。為緩解電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段供需平衡矛盾,電力需求側(cè)管理技術(shù)的相關(guān)理論和實(shí)踐得到了廣泛研究。

        國外對需求側(cè)響應(yīng)的研究始于20 世紀(jì)70 年代[1],主要從需求側(cè)響應(yīng)資源和能效資源兩方面開展相關(guān)研究[2-3]。文獻(xiàn)[4]測算了不同用戶的電價(jià)彈性及參與需求側(cè)響應(yīng)的程度;文獻(xiàn)[5-6]通過研究指出,采取尖峰電價(jià)政策有利于調(diào)動(dòng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源參與響應(yīng);文獻(xiàn)[7-8]分別構(gòu)建了智能電網(wǎng)和智能家居背景下的電力需求側(cè)響應(yīng)模型;文獻(xiàn)[9]研究了包含燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的電力需求響應(yīng)情況。我國對需求側(cè)響應(yīng)的研究和實(shí)踐從20 世紀(jì)90 年代開始。文獻(xiàn)[10]對需求側(cè)響應(yīng)的基本概念、方法和美國典型需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行了介紹;文獻(xiàn)[11]介紹了電力市場中長期交易模式下的需求側(cè)響應(yīng),未涉及電力現(xiàn)貨市場;文獻(xiàn)[12]對電價(jià)和負(fù)荷曲線的相互關(guān)系進(jìn)行了求解,并以此為基礎(chǔ)建立了分時(shí)電價(jià)模型;文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了峰谷分時(shí)電價(jià)的定價(jià)模型,通過對算例仿真驗(yàn)證了可行性;文獻(xiàn)[14]深入研究了尖峰電價(jià)機(jī)制,建立了供、用雙方利益平衡的尖峰電價(jià)定價(jià)模型;文獻(xiàn)[15]通過模糊聚類的算法對分時(shí)電價(jià)下用戶的需求側(cè)響應(yīng)情況進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)[16]在分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型中引入了用戶綜合滿意度指標(biāo),并將創(chuàng)建的用戶滿意度指標(biāo)整合進(jìn)峰谷分時(shí)電價(jià)決策模型中?,F(xiàn)有研究均基于非電力現(xiàn)貨市場環(huán)境進(jìn)行分析,而在現(xiàn)貨交易機(jī)制下,如何運(yùn)用價(jià)格手段調(diào)動(dòng)需求側(cè)資源保證電力市場供需平衡,現(xiàn)有研究成果均不成熟。

        針對上述問題,在梳理電力需求側(cè)響應(yīng)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,對電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下的電力需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制進(jìn)行深入分析,提出了適應(yīng)電力現(xiàn)貨市場交易規(guī)則的可調(diào)節(jié)負(fù)荷運(yùn)行機(jī)制。在理論研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)某省實(shí)際情況進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果驗(yàn)證所提機(jī)制的合理性和可行性。

        1 拍賣機(jī)制簡介

        拍賣的基本類型共有4 種:英國式拍賣、荷蘭式拍賣、第一價(jià)格密封拍賣和第二價(jià)格密封拍賣,4 種拍賣形式的特點(diǎn)見表1。

        表1 4 種基本拍賣類型的特點(diǎn)

        4 種基本的拍賣類型通常針對單個(gè)物品一次拍賣出售的情況,對于多個(gè)物品以及可分割物品(如電力),須采用逐次進(jìn)行、多場拍賣的形式出售商品,該形式稱為序貫拍賣,即多個(gè)物品以多次拍賣的形式出售。

        序貫拍賣屬于升價(jià)拍賣方式,在拍賣過程中,每個(gè)競買人均按照事先分配的競拍序號按順序進(jìn)行競價(jià),每位競拍人只知道其前一位競拍人的報(bào)價(jià),并根據(jù)前一位競買人的競價(jià)和自己的私人估價(jià)開展報(bào)價(jià),若競買人在某輪次競拍過程中選擇放棄競價(jià),則該競買人在隨后的競價(jià)輪次中不再有報(bào)價(jià)資格[10-13]。

        2 基于需求側(cè)響應(yīng)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制設(shè)計(jì)

        基于用戶需求側(cè)響應(yīng)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制遵循“契合電力用戶的用能特點(diǎn)及電力價(jià)格需求彈性、適應(yīng)電力供需形勢及現(xiàn)貨市場規(guī)則、科學(xué)反映不同用戶利益分配關(guān)系、動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)年度調(diào)節(jié)” 原則進(jìn)行設(shè)計(jì),建立包含可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場、電量市場的二級市場模式。容量市場初期按照政府行政指令確定市場容量和市場主體,電量市場則由市場主體采用序貫拍賣方式進(jìn)行競價(jià)。

        2.1 容量市場

        調(diào)度機(jī)構(gòu)按照區(qū)域內(nèi)年度電力供需平衡預(yù)測情況,開展下一年度尖峰(頂峰)負(fù)荷水平預(yù)測,并與年度電網(wǎng)最大供電能力進(jìn)行比較,預(yù)估年度最大電力供應(yīng)缺口ΔQ0。

        根據(jù)預(yù)測的年度最大電力供應(yīng)缺口ΔQ0,調(diào)度機(jī)構(gòu)與政府能源主管部門溝通協(xié)商,確定可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場的規(guī)模Qd,應(yīng)保證Qd>ΔQ0。

        按照政府部門批復(fù)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場規(guī)模,確定容量市場參與主體。在市場建設(shè)初期,建議沿用行政手段確定市場主體(可參考有序用電主體名單),避免市場規(guī)則不完善、市場主體對規(guī)則不熟悉造成市場失靈。在市場運(yùn)行成熟后,通過框架招標(biāo)等市場化方式確定市場主體。

        關(guān)于補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。在市場建設(shè)初期,建議由政府部門采用行政手段確定容量補(bǔ)償額度,在市場運(yùn)行成熟后,通過招標(biāo)方式確定容量補(bǔ)償額度(邊際報(bào)價(jià),即臨界中標(biāo)主體的投標(biāo)報(bào)價(jià))。

        關(guān)于補(bǔ)償金額來源。容量市場參與主體為保證電力市場安全穩(wěn)定運(yùn)行做出了貢獻(xiàn),應(yīng)由全體電力用戶對其進(jìn)行補(bǔ)償。建議探索通過加收輸配電價(jià)附加費(fèi)等方式收取該項(xiàng)費(fèi)用。該項(xiàng)費(fèi)用設(shè)置獨(dú)立賬戶,由政府主管部門管理、接受社會監(jiān)督,??顚S?,與電網(wǎng)公司無關(guān)。

        2.2 電量市場

        調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)區(qū)域內(nèi)電力供需平衡預(yù)測情況(市場建設(shè)初期按照日前發(fā)布開市通知,即在N-1 天確定是否需要在第N 天開啟需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場),針對“硬缺電”時(shí)段,提前發(fā)布可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場開市通知。

        調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)電網(wǎng)供需平衡預(yù)測情況確定的年度第i 次啟動(dòng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的電力缺口為ΔQi(ΔQi=ΔQ0),交易中心負(fù)責(zé)組織需求側(cè)響應(yīng)市場各主體針對“硬缺電”時(shí)段開展“報(bào)量又報(bào)價(jià)”模式申報(bào)購電需求(可仿照電廠報(bào)價(jià)、采取三段式報(bào)價(jià))。在可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場中購電商j 的購電需求報(bào)價(jià)如圖1 所示,圖中縱坐標(biāo)Qj表示購電商j 在市場中申報(bào)的用電量需求,Qjmax表示其最大用電量,橫坐標(biāo)P表示購電商j 針對不同用電需求的報(bào)價(jià),隨報(bào)價(jià)升高,用戶用電意愿降低。

        圖1 購電商j 的購電需求報(bào)價(jià)曲線

        電力交易機(jī)構(gòu)將日前匯總收集的所有購電商的購電需求報(bào)價(jià)封存,形成可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場總報(bào)價(jià)曲線如圖2 所示,此時(shí)電力市場的供需狀況如圖3 所示。可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的總份額為

        式中:Q 為可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的總可調(diào)節(jié)電量;n 為參與可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的用戶數(shù)量。

        圖2 總購電需求報(bào)價(jià)曲線

        圖3 電力供需狀況

        從圖3 可以看到,預(yù)計(jì)第i 個(gè)缺電時(shí)段內(nèi),電力市場的最大用電需求為Qid,最大電力供給為Qis,存在ΔQi的電力供應(yīng)缺口。可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的總可調(diào)節(jié)用電需求為Q,啟動(dòng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場后,由所有可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場參與主體競價(jià)爭奪可競爭電量份額ΔQ,電力市場總用電需求扣除可調(diào)節(jié)市場的用電需求后,其他電力用戶的用電需求為Qib(Qib=Qid-Q,且Qib

        圖4 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場競價(jià)結(jié)果

        從圖4 可以看到,在缺電時(shí)段內(nèi),可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場主體競價(jià)爭奪圖4 中ΔQ 部分的可競爭電量份額,圖4 中P0為可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的邊際成交價(jià),即當(dāng)用戶的報(bào)價(jià)低于邊際成交電價(jià)P0時(shí),競價(jià)失敗,無法用電;當(dāng)報(bào)價(jià)高于邊際成交電價(jià)P0時(shí),競價(jià)成功,可以用電。

        可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的競價(jià)結(jié)果排序相當(dāng)于購電權(quán)排序,即在電力供應(yīng)不足時(shí)優(yōu)先向高價(jià)用戶售電,也可以理解為電力供應(yīng)不足時(shí)優(yōu)先將低價(jià)用戶限電。

        2.3 負(fù)荷市場結(jié)算

        可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的結(jié)算,按照用戶報(bào)價(jià)及實(shí)際用電量開展結(jié)算。

        圖5 為某參與需求側(cè)響應(yīng)市場用戶的用電情況,圖中Qmax、Qmin分別表示該用戶一天內(nèi)用電最大、最小時(shí)段的用電需求。該日[t1,t2]時(shí)段需求側(cè)響應(yīng)市場啟動(dòng),假設(shè)該用戶的三段報(bào)價(jià)分別為1.35 元/kWh、1.2 元/kWh、1.13 元/kWh,需求側(cè)響應(yīng)市場邊際成交價(jià)格為1.15 元/kWh,則該用戶一段、二段成交,三段不成交。圖5 中陰影部分為用戶的缺電量,用戶尖峰時(shí)段預(yù)期用電和實(shí)際用電曲線已在圖5 中標(biāo)識。

        圖5 用戶用電情況

        在結(jié)算時(shí),針對用戶成交電量采用需求側(cè)響應(yīng)市場封存的用戶報(bào)價(jià)收取電費(fèi)。

        收取的電費(fèi)應(yīng)按兩步制發(fā)放,首先按照電力現(xiàn)貨市場成交價(jià)支付電廠與電網(wǎng)公司 (上網(wǎng)電價(jià)及輸配電價(jià)),盈余部分資金返還需求側(cè)響應(yīng)市場未成交用戶,即將支付完上網(wǎng)電價(jià)及輸配電價(jià)后的盈余部分按照需求響應(yīng)用戶未成交電量比例進(jìn)行分配,實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)市場資金內(nèi)部循環(huán),即用電主體支付高價(jià)對未用電主體進(jìn)行補(bǔ)貼。

        在電力需求側(cè)交易市場中,采取序貫拍賣方式開展,假設(shè)第j 個(gè)購電商第i 次報(bào)價(jià)為Cji,則第j 個(gè)購電商第i 次報(bào)價(jià)時(shí)可了解到前(j-1)個(gè)購電商的第i 次有效報(bào)價(jià)Cj(i-1),如報(bào)價(jià)Cji≥C(j-1)i則報(bào)價(jià)有效,如Cji

        3 算例分析

        3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

        假設(shè)某次迎峰度夏時(shí)段,電網(wǎng)尖峰負(fù)荷為40 GW,電網(wǎng)最大電力供應(yīng)能力為36 GW,電網(wǎng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場用戶共6 家,市場容量為8 GW。

        按照序貫拍賣組織6 家用戶開展競價(jià),最終報(bào)價(jià)單見表3。

        可爭奪的電力市場份額為4 GW,除可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場外的電力現(xiàn)貨市場出清價(jià)格為1.05 元/kWh。

        3.2 測算結(jié)果及分析

        按照可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場報(bào)價(jià)從高到低依次排序,則成交記錄如表4 所示。

        表3 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場競價(jià)結(jié)果

        表4 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場成交結(jié)果

        按照拍賣成交結(jié)果,按照電力現(xiàn)貨市場均價(jià)支付電費(fèi)后,可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場盈余資金124 萬元,未中標(biāo)電量共4×106kWh,則對未中標(biāo)電量度電補(bǔ)償為124÷400=0.31(元/kWh),各用戶獲得的補(bǔ)償款見表5。

        表5 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場補(bǔ)償款分配結(jié)果

        根據(jù)上述可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的盈余及補(bǔ)償分配結(jié)果可以看到,市場交易結(jié)果符合“誰受益,誰付款”原則,確保了公平,申報(bào)高價(jià)的用戶保證了自己的用電需求,低價(jià)用戶未能正常用電但因其限電行為獲得了額外補(bǔ)償,確保了各方利益的均衡。

        4 結(jié)語

        在深入研究電力現(xiàn)貨市場規(guī)則和可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場基本原理的基礎(chǔ)上,將經(jīng)濟(jì)學(xué)中的競價(jià)拍賣理論引入電力市場中,設(shè)計(jì)了一套與電力現(xiàn)貨市場規(guī)則密切銜接的可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場,市場包含容量市場和電量市場。在報(bào)價(jià)階段采用序貫報(bào)價(jià)的方式,在結(jié)算階段采取“報(bào)價(jià)成交、盈余返還”的方式,可實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置,符合“誰受益,誰付款”原則,在保證公平的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了各方利益的均衡,并通過實(shí)際算例驗(yàn)證了機(jī)制的可行性與分配結(jié)果的合理性。

        在可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場運(yùn)行方面,采用用戶依次序貫報(bào)價(jià)的方式形成總報(bào)價(jià)曲線,在缺電時(shí)段按照報(bào)價(jià)由低到高的次序依次切除用戶負(fù)荷保證系統(tǒng)平衡。未來,在市場的報(bào)價(jià)組織、用戶的響應(yīng)方式方面,可以結(jié)合現(xiàn)貨市場的建設(shè)情況繼續(xù)進(jìn)行深入探索,在保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

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