郭曼蘭，陳皓勇，肖文平，黃釗文，劉豐華，張立榮

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528000；2. 華南理工大學(xué)，廣州510641)

0 引言

目前，電力市場(chǎng)改革和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展極大地促進(jìn)了需求側(cè)響應(yīng)發(fā)展，改變了用戶傳統(tǒng)的用電習(xí)慣[1 - 5]。此外，售電公司的出現(xiàn)在激活市場(chǎng)活力的同時(shí)，不僅可以整合用戶并根據(jù)其特性和需求設(shè)計(jì)差異化的服務(wù)產(chǎn)品，提高服務(wù)質(zhì)量，也可以激勵(lì)用戶側(cè)根據(jù)價(jià)格信號(hào)做出響應(yīng)，引導(dǎo)用戶科學(xué)合理用電。

在我國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)初期，用戶的需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)有限，應(yīng)該基于電力市場(chǎng)的不斷推進(jìn)逐步培養(yǎng)用戶側(cè)的響應(yīng)意識(shí)和專業(yè)知識(shí)。此外，現(xiàn)貨市場(chǎng)的發(fā)展也加大了售電公司參與市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，售電公司需要具備抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力。售電公司代理的用戶負(fù)荷，有可變負(fù)荷也有固定負(fù)荷，將可變負(fù)荷充分利用，對(duì)用戶進(jìn)行一定程度的需求側(cè)響應(yīng)，能夠抵抗市場(chǎng)不可預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，在此過(guò)程中，售電公司需要逐步推出需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品，一來(lái)可以基于產(chǎn)品抵抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，二來(lái)為用戶提供多種服務(wù)，能夠提高用戶粘度，提升公司品牌。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)需求側(cè)響應(yīng)研究主要集中在：需求側(cè)響應(yīng)運(yùn)作機(jī)制的頂層設(shè)計(jì)[6 - 10]、需求側(cè)響應(yīng)的調(diào)節(jié)手段[11 - 12]、需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的社會(huì)效益及技術(shù)支持[13 - 16]。分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)屬于價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)。

分時(shí)電價(jià)屬于價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)，合理的峰谷分時(shí)電價(jià)能夠削峰填谷、緩解風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源隨機(jī)性、間歇性出力對(duì)電網(wǎng)造成的安全穩(wěn)定影響，在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注[17 - 18]。需求側(cè)的分時(shí)電價(jià)則主要根據(jù)用戶響應(yīng)情況進(jìn)行制定[19 - 20]。在考慮需求側(cè)的分時(shí)電價(jià)方面，文獻(xiàn)[21]以峰谷差最小化為目標(biāo)，并以用戶的平均電價(jià)變小為約束條件，給出了分時(shí)定價(jià)的方法。文獻(xiàn)[22]提出了一種考慮峰谷分時(shí)電價(jià)策略的多類型負(fù)荷協(xié)調(diào)控制模型，將用戶對(duì)電價(jià)的響應(yīng)融入模型中進(jìn)而確定最優(yōu)峰谷分時(shí)電價(jià)。

實(shí)時(shí)電價(jià)定價(jià)方法包括基于能耗調(diào)度理論的實(shí)時(shí)電價(jià)算法[23]、基于統(tǒng)計(jì)需求彈性模型的實(shí)時(shí)電價(jià)算法[24]、基于效益模型的實(shí)時(shí)電價(jià)算法[25]和基于阻塞管理的實(shí)時(shí)電價(jià)算法[26]。文獻(xiàn)[27]將用戶所需負(fù)荷函數(shù)表示為電價(jià)的函數(shù)，把社會(huì)效益最大化作為最優(yōu)實(shí)時(shí)電價(jià)問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)迭代算法，得到用戶與供電商的總體效益最大化。文獻(xiàn)[28]提出了考慮需求彈性的定價(jià)方法。用自彈性與互彈性矩陣對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行建模，彈性影響的計(jì)算隨著調(diào)度策略與計(jì)算價(jià)格不斷迭代。通過(guò)拉格朗日松弛算法來(lái)計(jì)算每一次調(diào)度安排，并根據(jù)英格蘭和威爾士的電力庫(kù)規(guī)則完成電力價(jià)格的實(shí)際制定。

在電力市場(chǎng)成熟期，需求側(cè)響應(yīng)更多的是應(yīng)用于需求側(cè)競(jìng)價(jià)、輔助服務(wù)市場(chǎng)和容量市場(chǎng)。在電力市場(chǎng)初期，亟需與之相適應(yīng)需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品出現(xiàn)，將其與電力市場(chǎng)相銜接，不斷提高用戶需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)的同時(shí)保障電力系統(tǒng)安全可靠。而集中式電力現(xiàn)貨市場(chǎng)主要以中長(zhǎng)期差價(jià)合同管理市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，配合現(xiàn)貨交易采用全電量集中競(jìng)價(jià)的電力市場(chǎng)模式[29 - 31]。為適應(yīng)集中式電力現(xiàn)貨市場(chǎng)以及用戶需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)較為薄弱的局勢(shì)，本文提出基于需求側(cè)響應(yīng)改進(jìn)的浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品，將其與現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)的相聯(lián)動(dòng)，將需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品嵌入到現(xiàn)貨市場(chǎng)交易中，并構(gòu)建基于浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品的購(gòu)售雙方盈利模型，降低售電公司參與市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，提高售電公司甚至是參與用戶的收益，最后通過(guò)算例驗(yàn)證該模型的有效性。

1 售電公司需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品

市場(chǎng)化第3主體——售電公司的出現(xiàn)，促進(jìn)市場(chǎng)交易格局更趨向于競(jìng)爭(zhēng)性和活躍性[32 - 33]。電力市場(chǎng)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展可以促使售電公司整合用戶，根據(jù)其特性和需求設(shè)計(jì)差異化的服務(wù)產(chǎn)品，提高服務(wù)質(zhì)量。也可以激勵(lì)用戶側(cè)根據(jù)價(jià)格信號(hào)做出相應(yīng)，引導(dǎo)用戶科學(xué)合理用電。

1.1 需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品

縱觀全球，越來(lái)越多國(guó)家傾向于通過(guò)市場(chǎng)引導(dǎo)進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)，有效管理系統(tǒng)電力供需(尤其是高峰時(shí)段)。美國(guó)的需求側(cè)響應(yīng)已有幾十年歷史，政府出臺(tái)一系列政策促進(jìn)和推動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)的發(fā)展，目前已實(shí)施各種政策機(jī)制促進(jìn)需求側(cè)響應(yīng)成為電力系統(tǒng)資源，使電力市場(chǎng)更有效運(yùn)作。美國(guó)有不同的需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品，為參與用戶提供電價(jià)信息引導(dǎo)或激勵(lì)機(jī)制補(bǔ)償。在競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)中，需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品可分為兩類：1)直接調(diào)控；2)間接調(diào)控。競(jìng)爭(zhēng)性市場(chǎng)的需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)品如表1所示。

1.2 售電公司的價(jià)格型響應(yīng)產(chǎn)品

價(jià)格型需求響應(yīng)產(chǎn)品采用基于時(shí)間變化的電價(jià)來(lái)引導(dǎo)用戶改變其電力需求，特別是在系統(tǒng)高峰時(shí)期，由于本文提出的浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品是由分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)衍生而來(lái)，下文將對(duì)分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行介紹。

1)分時(shí)電價(jià)：電價(jià)隨用電所處時(shí)段、日期、季節(jié)不同而不同的電價(jià)。北京典型工業(yè)用戶和商業(yè)用戶的分時(shí)電價(jià)，其中高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段的價(jià)格比達(dá)到了4:1。采用了分時(shí)電價(jià)，鼓勵(lì)工業(yè)和商業(yè)用戶錯(cuò)開(kāi)高峰負(fù)荷時(shí)段用電。

2)實(shí)時(shí)定價(jià)：用戶的零售電價(jià)等于實(shí)際批發(fā)市場(chǎng)的電價(jià)。當(dāng)市場(chǎng)電價(jià)高或可能會(huì)高的時(shí)候，智能裝置發(fā)出警示，要求用戶做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。

分時(shí)電價(jià)的價(jià)格在一段時(shí)間內(nèi)是固定的，對(duì)用戶的計(jì)量設(shè)備和響應(yīng)意識(shí)要求不高，用戶容易做出響應(yīng)。但由于電力供需、煤耗價(jià)格等波動(dòng)，導(dǎo)致電價(jià)無(wú)法反映實(shí)際的市場(chǎng)情況，無(wú)法較好實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。實(shí)時(shí)電價(jià)根據(jù)實(shí)際電力市場(chǎng)價(jià)格，每小時(shí)每天都不同，價(jià)格波動(dòng)性大。雖然能實(shí)時(shí)反映實(shí)際市場(chǎng)的供需情況，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。但在缺乏高級(jí)量測(cè)技術(shù)普及、市場(chǎng)不透明和用戶需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)有限的情況下，實(shí)施起來(lái)較為困難。

2 浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品

2.1 集中式現(xiàn)貨市場(chǎng)

集中式現(xiàn)貨市場(chǎng)是指全電量通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)考慮電力系統(tǒng)約束出清形成物理執(zhí)行的發(fā)用電計(jì)劃，市場(chǎng)雙方報(bào)量報(bào)價(jià)可以影響曲線的形成。具體如下：中長(zhǎng)期合同只有結(jié)算意義，不需要物理執(zhí)行；在現(xiàn)貨市場(chǎng)中，全電量物理執(zhí)行的發(fā)用電計(jì)劃通過(guò)日前運(yùn)行安全機(jī)組組合出清、實(shí)時(shí)運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度出清程序，得到系統(tǒng)優(yōu)化的物理執(zhí)行發(fā)用電計(jì)劃和節(jié)點(diǎn)電價(jià)。

在電力市場(chǎng)中，降低負(fù)荷需求可以增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和滿足系統(tǒng)供需平衡。在現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下，用戶側(cè)可以通過(guò)價(jià)格信號(hào)、激勵(lì)合同或直接參與市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)，是一種靈活性大且分布廣泛的虛擬發(fā)電機(jī)組。深入推進(jìn)現(xiàn)貨市場(chǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將大大促進(jìn)需求側(cè)響應(yīng)發(fā)展。

2.2 浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品

傳統(tǒng)的峰谷分時(shí)電價(jià)在每個(gè)時(shí)段的時(shí)間和價(jià)格都是預(yù)先確定和固定的，缺少靈活性和市場(chǎng)適應(yīng)性，因此，本文提出售電公司的浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品，該產(chǎn)品是峰谷分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)定價(jià)的混合體，主要特點(diǎn)是，各類型用戶峰谷平時(shí)段不變，平和谷時(shí)段價(jià)格不變，但高峰時(shí)段的價(jià)格將受到現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格的影響，對(duì)高級(jí)量測(cè)技術(shù)和用戶需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)的要求低于實(shí)時(shí)電價(jià)，有助于更緊密地將零售電價(jià)和現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格聯(lián)系起來(lái)。

2.2.1 適用對(duì)象和時(shí)間

針對(duì)大型工業(yè)或商業(yè)消費(fèi)者，擁有可自動(dòng)監(jiān)視和反映價(jià)格變化的智能工具，例如，智能冷凍庫(kù)、熱水鍋爐或電動(dòng)車輛，這些工具可被設(shè)置為推遲到一天中電價(jià)較低時(shí)再啟動(dòng)，避開(kāi)峰時(shí)段。居民用戶也可安裝“智能” 恒溫器、電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施、儲(chǔ)能和熱水器計(jì)時(shí)器。

不同售電公司執(zhí)行的浮動(dòng)高峰電價(jià)時(shí)間有所不同，一般而言，在每年的6—9月份，負(fù)荷缺口較大，市場(chǎng)交易波動(dòng)性較大，高峰時(shí)段為了滿足負(fù)荷需求，電網(wǎng)可能采用更昂貴的發(fā)電機(jī)組或者售電公司有時(shí)候不得不在現(xiàn)貨市場(chǎng)以較高的成本購(gòu)入電力。在這個(gè)時(shí)候執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)，一方面有利于降低系統(tǒng)峰谷差，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性；另一方面有利于在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行虛擬投標(biāo)獲得更多收益。

2.2.2 實(shí)施的邊界條件

電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品的順利開(kāi)展提供技術(shù)支持。售電公司代理的用戶在日前電力市場(chǎng)結(jié)束后將會(huì)收到售電公司發(fā)送的峰電價(jià)，并對(duì)次日負(fù)荷進(jìn)行響應(yīng)。由于峰時(shí)段電價(jià)發(fā)生變化，平和谷時(shí)段電價(jià)未變化，將在峰時(shí)段出現(xiàn)負(fù)荷削減或者將峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移到平、谷負(fù)荷。要求用戶普及智能電表，應(yīng)用信號(hào)通信和負(fù)荷控制技術(shù)，同時(shí)要求售電公司具有較高的負(fù)荷和電價(jià)預(yù)測(cè)能力。

2.2.3 在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行交易

執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品，用戶在高峰時(shí)段的負(fù)荷進(jìn)行削減和轉(zhuǎn)移，因此，售電公司可以將每個(gè)時(shí)段的負(fù)荷變化量在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行交易。平、谷時(shí)段由于增加負(fù)荷，在實(shí)時(shí)市場(chǎng)將買進(jìn)，而峰時(shí)段減少負(fù)荷，在實(shí)時(shí)市場(chǎng)將賣出。與虛擬投標(biāo)原理類似，已有的措施是通過(guò)激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)與用戶簽訂合同，促使售電公司在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行買賣電交易，但價(jià)格是固定的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置和收益最優(yōu)。而執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)，則可以將實(shí)時(shí)市場(chǎng)與零售市場(chǎng)價(jià)格聯(lián)系起來(lái)的同時(shí)，還能促使雙方收益有所增加，通過(guò)價(jià)格引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

2.2.4 與現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制

現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)具有一定的波動(dòng)性和不可預(yù)測(cè)性，日前市場(chǎng)得到日前節(jié)點(diǎn)電價(jià)，基于日前節(jié)點(diǎn)電價(jià)和預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)電價(jià)，通過(guò)模型，得到售電公司代理各類型用戶高峰時(shí)段的最優(yōu)峰電價(jià)，將峰電價(jià)發(fā)送至用戶，用戶進(jìn)行響應(yīng)。

2.2.5 結(jié)算機(jī)制

對(duì)用戶的峰谷平時(shí)段的用電量與對(duì)應(yīng)電價(jià)進(jìn)行計(jì)算得到用戶當(dāng)天的電費(fèi)，名義上電費(fèi)比未采用浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品高，但該差額將由售電公司補(bǔ)償，因?yàn)槭垭姽居捎诟?dòng)高峰產(chǎn)品的實(shí)施，在電力市場(chǎng)將有盈利，盈利部分在補(bǔ)償用戶的同時(shí)還可以按照一定比例分紅給用戶，使用戶在滿足實(shí)際電費(fèi)不變的基礎(chǔ)上還可以獲利。

2.3 平衡賬戶效益分析

本文假定的浮動(dòng)高峰電價(jià)福利是與未執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)效益相比較的，則設(shè)定未執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)效益相比較的福利為0。

用戶執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品之后的用電效用分析和用電效益分析如圖1—2所示。

圖1 用戶的用電效用分析圖Fig.1 User’s power utility analysis chart

圖2 售電公司的收益分析圖Fig.2 Benfit analysis of the retailer

圖1和圖2中，A點(diǎn)均表示為未執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)的狀態(tài)，B點(diǎn)為執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)的狀態(tài)。正常情況下，售電公司會(huì)在雙邊合約和日前市場(chǎng)購(gòu)入用戶所需電量，當(dāng)用戶由于浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品而減少或轉(zhuǎn)移高峰時(shí)刻電量的時(shí)候，在實(shí)時(shí)市場(chǎng)出售的電量將為執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品前后每個(gè)時(shí)刻所需電量的差值，Q1-Q2=Q3-Q1。

圖1中，陰影部分和灰色部分分別表示用戶執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品前后的用電成本。用戶由于執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品將會(huì)引起用電費(fèi)用的升高，同時(shí)還會(huì)由于高峰時(shí)段負(fù)荷的削減和轉(zhuǎn)移引起的生產(chǎn)、舒適度等損失，即從A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)。圖2中，陰影部分和藍(lán)色部分表示售電公司執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品前后的收益。且執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)后，售電公司收益的增加內(nèi)容包括用戶用電費(fèi)用的增加值和實(shí)時(shí)市場(chǎng)電量的出售，即從A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)。

因此，將售電公司與用戶收益損失放在一個(gè)平衡賬戶里面，執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品后該平衡賬戶的總效益(與原效益進(jìn)行對(duì)比，原效益為0)。

平衡賬戶總效益=售電公司收益變化量+用戶用電成本變化量

平衡賬戶總收益表明售電公司和用戶執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)得到的多余收益。這部分收益將由售電公司和用戶按比例進(jìn)行分析，具體分配規(guī)則由售電公司與用戶協(xié)商而定。

3 現(xiàn)貨市場(chǎng)下用戶價(jià)格響應(yīng)模型

3.1 峰谷電力需求價(jià)格彈性

模型中考慮用戶某時(shí)段的電量將受該時(shí)段和其他時(shí)段電價(jià)的影響。因此，電量電價(jià)彈性系數(shù)如式(1)—(2)所示。

(1)

(2)

式中：εii為自彈性系數(shù)；εij為互彈性系數(shù)；Qi與ΔQi分別表示時(shí)段i的用電量和變化量；Pi、Pj與ΔPi、 ΔPj分別表示時(shí)段i、j的電價(jià)和電價(jià)的變化量。

由經(jīng)濟(jì)學(xué)原理分析可知，εii<0，εij>0。當(dāng)該時(shí)段電價(jià)較高時(shí)，用戶采取的措施是削減負(fù)荷或轉(zhuǎn)移負(fù)荷。因此，多時(shí)段負(fù)荷響應(yīng)方式中，負(fù)荷削減和轉(zhuǎn)移系數(shù)如式(3)—(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Tp、Tf、Tv分別為負(fù)荷的峰、平、谷時(shí)段；λpf、λpv、λfv分別為峰-平、平-谷和峰-谷的轉(zhuǎn)移系數(shù)；λpp、λff、λvv分別為各時(shí)段的削減系數(shù)；pp、pf、pv分別為峰時(shí)段電價(jià)、平時(shí)段電價(jià)和谷時(shí)段電價(jià)；由于在浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品中，峰電價(jià)是在原來(lái)電價(jià)基礎(chǔ)上發(fā)生變化，其余時(shí)段均為平電價(jià)，kp、kf、kv分別為對(duì)應(yīng)時(shí)段的電價(jià)波動(dòng)比，且kp>0、kf=0、kv=0。因此，λff=0、λvv=0，λpf>0、λpv>0， 此外，由于εii<0，λpp>0。

(7)

式中：L′t為執(zhí)行后的t時(shí)段負(fù)荷；Lt為原始t時(shí)段的負(fù)荷；Lp、Lf、Lv分別為峰、平、谷時(shí)段總負(fù)荷在相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的平均值。

3.2 浮動(dòng)高峰電價(jià)與現(xiàn)貨市場(chǎng)聯(lián)動(dòng)

要使得用戶分時(shí)電價(jià)與現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格相聯(lián)系，在原來(lái)高峰電價(jià)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)與現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)相聯(lián)系的系數(shù)，即通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格引導(dǎo)用戶改變高峰時(shí)刻的用電行為，如式(8)所示。

Pp=(1+kp)×P′f

(8)

式中：P′f為原來(lái)峰時(shí)段電價(jià)(即平電價(jià))；Pp為執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品后的峰時(shí)段電價(jià)。kp為3.1節(jié)所述的負(fù)荷削減和轉(zhuǎn)移系數(shù)，數(shù)值通過(guò)第4節(jié)的購(gòu)售雙方盈利模型優(yōu)化所得。

4 購(gòu)售雙方盈利模型

4.1 售電公司收益

在電力市場(chǎng)交易中，售電公司購(gòu)買電量渠道為雙邊合約、日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)。因此，售電公司收益為雙邊合約購(gòu)買電量費(fèi)用、日前市場(chǎng)購(gòu)買電量費(fèi)用、實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電費(fèi)用和售電費(fèi)用之和。

目標(biāo)函數(shù)為售電公司收益最大化，即雙邊合約購(gòu)買電量費(fèi)用、現(xiàn)貨市場(chǎng)購(gòu)買電量費(fèi)用和售電費(fèi)用之和最大，如式(9)所示。

(9)

則未執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品時(shí)售電公司的收益Rrini為(設(shè)定售電公司用電量均從雙邊合約和日前市場(chǎng)購(gòu)入)如式(10)所示。

(10)

執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品后售電公司的效益Rrbe為：

Rrbe=Rr-Rrini

(11)

4.2 用戶用電成本效益

在電力市場(chǎng)交易中，售電公司與用戶簽訂的售電合同，合同規(guī)定交易電量和交易電價(jià)。用戶效用為實(shí)施浮動(dòng)峰谷電價(jià)前后的購(gòu)電成本之差為負(fù)值。用戶用電成本Rc為：

(12)

(13)

0≤η≤1

(14)

式中：A為各類型用戶由于高峰時(shí)刻的負(fù)荷變化而引起的生產(chǎn)效益、舒適度等損失；η為比例系數(shù)；Rcini為未執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品時(shí)用戶的用電成本。

則未執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品時(shí)，A=0；用戶的用電成本Rcini如式(15)所示：

(15)

執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品后用戶用電成本損失Rcbe為：

Rcbe=Rc-Rcini

(16)

4.3 購(gòu)售電雙方效用模型

4.3.1 目標(biāo)函數(shù)

執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品，購(gòu)售電雙方效用以不執(zhí)行產(chǎn)品前售電公司收益與用戶用電成本作為參考點(diǎn)。把售電公司收益和用戶用電成本損失整體化，在平衡賬戶中，則購(gòu)售電雙方效用(即平衡賬戶收益)R表達(dá)式如式(17)所示。

R=Rrbe+Rcbe

(17)

將售電公司收益和用戶效用相疊加，得到平衡賬戶的總效益。當(dāng)售電公司采用浮動(dòng)高峰電價(jià)的時(shí)候，用戶用電成本上升，但上升部分由售電公司承擔(dān)。購(gòu)售雙方效用即考慮整體得到的總收益，因此該收益是通過(guò)采用浮動(dòng)高峰電價(jià)之后，用戶高峰時(shí)段電量下降，售電公司在實(shí)時(shí)市場(chǎng)出售電量獲得的。

計(jì)及浮動(dòng)高峰電價(jià)的購(gòu)售雙方效用模型的目標(biāo)函數(shù)是平衡賬戶收益最大化，如式(18)所示。

maxR=Rrbe+Rcbe

(18)

4.3.2 約束方程

1)售電公司時(shí)段t購(gòu)售電量平衡。

(19)

2)售電價(jià)格約束。

對(duì)售電公司售電價(jià)格進(jìn)行一定程度約束，可適時(shí)保障售電市場(chǎng)的公平性，確保用戶利益，如式(20)—(21)。

(20)

(21)

3)用戶滿意度約束

執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品會(huì)對(duì)用戶的產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)質(zhì)量以及生活質(zhì)量造成影響，因此定義用戶滿意度約束，以避免不切實(shí)際的改變用戶用電方式情況的發(fā)生。用電方式滿意度為：

(22)

4.4 浮動(dòng)高峰電價(jià)的具體實(shí)施流程

售電公司在雙邊交易和日前市場(chǎng)得到的電量和電價(jià)在合約規(guī)定時(shí)間內(nèi)是固定的，實(shí)時(shí)市場(chǎng)得到的電價(jià)和電量會(huì)受當(dāng)天市場(chǎng)需求而波動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通過(guò)模型確定用戶當(dāng)天與實(shí)時(shí)市場(chǎng)相聯(lián)動(dòng)的峰電價(jià)。具體步驟如圖3所示。

圖3 浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品的實(shí)施流程Fig.3 Implementation process of floating peak price products

1)售電公司與用戶簽訂交易合約，確定交易電量及電價(jià)、用戶的峰谷平時(shí)段，每年6—9月份執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)。

2)售電公司根據(jù)用戶負(fù)荷需求在雙邊合約和日前市場(chǎng)進(jìn)行交易，得到日前市場(chǎng)電價(jià)。通常情況下，由于實(shí)際負(fù)荷與日前預(yù)測(cè)或申報(bào)負(fù)荷存在偏差,實(shí)時(shí)電價(jià)相對(duì)日前電價(jià)有所漲落。但PJM等電力市場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)表明，二者整體趨勢(shì)一致,且大部分情況下日前與實(shí)時(shí)價(jià)格趨同[34]。因此可以得到預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)電價(jià)。

3)售電公司將雙邊交易數(shù)據(jù)、日前交易數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)電價(jià)及各類型用戶的彈性系數(shù)輸入模型進(jìn)行優(yōu)化求解。該模型屬于非線性規(guī)劃問(wèn)題，用數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件GAMS- 23.5.1編程并調(diào)用 CPLEX.12.1進(jìn)行求解。得到各類型用戶的峰電價(jià)，以及不同時(shí)段的負(fù)荷變化量。

4)將得到的峰電價(jià)傳遞至用戶進(jìn)行響應(yīng)，用戶提前收到第2天的高峰時(shí)段價(jià)格通知。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，電力用戶及其設(shè)備實(shí)現(xiàn)連接，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備及客戶的狀態(tài)全面感知、信息交互和數(shù)據(jù)共享、需求快速響應(yīng)。因此，用戶通過(guò)自動(dòng)需求響應(yīng)終端設(shè)備關(guān)停設(shè)備或調(diào)整運(yùn)行功率(比如更改設(shè)備所需溫度)，進(jìn)行響應(yīng)改變各自的用電計(jì)劃。

5)將預(yù)測(cè)的負(fù)荷變化量在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行交易，得到平衡賬戶最終收益。售電公司按一定比例與用戶協(xié)商一起分配。

5 算例分析

5.1 算例描述

本文設(shè)定售電公司具有A類工業(yè)、B類工業(yè)、商業(yè)和居民用戶。該售電公司已經(jīng)預(yù)測(cè)這幾類用戶的日負(fù)荷曲線，該售電公司根據(jù)已有的日負(fù)荷曲線在雙邊合約市場(chǎng)購(gòu)買了80%的電量，日前市場(chǎng)購(gòu)買20%的電量。

1)負(fù)荷參數(shù)方面。由文獻(xiàn)[35]可知，對(duì)電價(jià)的靈敏度：A類工業(yè)負(fù)荷>B類工業(yè)負(fù)荷>商業(yè)負(fù)荷>居民負(fù)荷。本文彈性系數(shù)為各類用戶實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)后一段時(shí)間的穩(wěn)定值。通過(guò)負(fù)荷變化量和電價(jià)變化量來(lái)計(jì)算不同時(shí)段的彈性系數(shù)。用戶類型及響應(yīng)特性的相關(guān)參數(shù)調(diào)查結(jié)果如表2所示。本文只考慮高峰電價(jià)的變化，對(duì)應(yīng)的參數(shù)也如表2所示。

表2 用戶類型及響應(yīng)特性參數(shù)Tab.2 User types and response characteristic parameters

2)電價(jià)數(shù)據(jù)方面：雙邊交易和現(xiàn)貨市場(chǎng)交易中各時(shí)段的電價(jià)如圖4所示。

圖4 交易電價(jià)數(shù)據(jù)Fig.4 Transaction price data

不同類型用戶的典型日負(fù)荷曲線如圖5所示。

圖5 各類型負(fù)荷曲線Fig.5 Various types of load curves

5.2 設(shè)計(jì)策略

由于浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品的實(shí)施過(guò)程需要循序漸進(jìn)，且工業(yè)用戶對(duì)電價(jià)的敏感度遠(yuǎn)大于商業(yè)用戶和居民用戶，商業(yè)用戶和居民用戶對(duì)電價(jià)的響應(yīng)程度類似。因此，售電公司執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)，在技術(shù)、用戶需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)有限的情況下，可以先對(duì)工業(yè)用戶開(kāi)展，再逐步將浮動(dòng)高峰電價(jià)擴(kuò)大到更多的客戶群體，如居民和商業(yè)用戶。本文設(shè)計(jì)3種策略來(lái)驗(yàn)證購(gòu)售雙方運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型的有效性，具體如下。

1)場(chǎng)景1：不執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品；

2)場(chǎng)景2：工業(yè)用戶執(zhí)行峰谷電價(jià)產(chǎn)品；

3)場(chǎng)景3：工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民用戶均執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品。

本文負(fù)荷的峰谷平時(shí)段劃分方法是在分析各類型負(fù)荷曲線的峰谷分布特點(diǎn)后，確定負(fù)荷的最大值和最小值，采用模糊半梯度隸屬度函數(shù)進(jìn)行劃分。峰谷平時(shí)段的劃分結(jié)果如表3所示。

表3 峰谷平時(shí)段的劃分結(jié)果Tab.3 Peak-valley-flat time division results

5.3 結(jié)果分析

在場(chǎng)景2和場(chǎng)景3下，售電公司制定的針對(duì)不同類型用戶的最優(yōu)峰谷分時(shí)電價(jià)如表4所示。

表4 場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的優(yōu)化電價(jià)Tab.4 Optimal prices of scene 2 and scene 3

5.3.1 負(fù)荷曲線峰谷對(duì)比

圖6為3種場(chǎng)景下的負(fù)荷曲線圖。表5為不同場(chǎng)景下的負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比。各策略對(duì)負(fù)荷曲線的削峰填谷影響如下。

圖6 3種場(chǎng)景下的負(fù)荷曲線Fig.6 Load curves under three scenes

場(chǎng)景1與場(chǎng)景2相比，場(chǎng)景2的工業(yè)用戶執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)，是模型最優(yōu)情況下獲得。由于場(chǎng)景2只有工業(yè)用戶執(zhí)行，對(duì)負(fù)荷曲線起到的削峰填谷能力有限。而場(chǎng)景2與場(chǎng)景3相比，場(chǎng)景3是所有用戶均執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)，將預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)市場(chǎng)電價(jià)與用戶的峰電價(jià)相聯(lián)動(dòng)，保持各類型用戶峰谷平時(shí)段不變，平和谷時(shí)段價(jià)格不變，但高峰時(shí)段的價(jià)格受到實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格的影響。

場(chǎng)景3中，在考慮用戶滿意度的基礎(chǔ)上，執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品之后，峰電價(jià)上升，用戶會(huì)削減和轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷，導(dǎo)致高峰時(shí)段的用電量減少，平、谷時(shí)段的用電量增加，用戶總用電量減少。通過(guò)浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品改變用戶高峰時(shí)刻的用電行為，更有效地降低負(fù)荷峰谷差。不同場(chǎng)景下的負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

表5 不同場(chǎng)景下的負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5 Comparison of load data under different scenes

5.3.2 平衡賬戶收益對(duì)比

不同場(chǎng)景下的收益與成本如表6所示。實(shí)施場(chǎng)景2只有工業(yè)用戶參與，平衡賬戶獲得收益有限。而場(chǎng)景3是所有用戶均執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品，在滿足用戶滿意度約束條件的基礎(chǔ)上，用戶的用電成本增加，即用電費(fèi)用和效益損失的增加。將用戶執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)得到的一天24 h負(fù)荷變化量在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行交易，即高峰時(shí)刻將電量賣出去賺取收益，類似虛擬投標(biāo)。賺取的平衡賬戶收益相比未執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)高738元，可將這部分進(jìn)行利益分配，不斷培養(yǎng)用戶的需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)。最后，由于用戶用電成本增加是由售電公司承擔(dān)，對(duì)于用戶而言，在用電成本不變的基礎(chǔ)上，增加收益；對(duì)于售電公司而言，在保證原本的收益并承擔(dān)用戶用電成本變化的基礎(chǔ)上額外增加收益。

表6 不同場(chǎng)景下的收益與成本Tab.6 Benefits and costs under different scenes

平衡賬戶收益主要是從實(shí)時(shí)電價(jià)獲得，即通過(guò)浮動(dòng)高峰電價(jià)引導(dǎo)用戶在高峰低谷時(shí)刻科學(xué)用電，在高峰時(shí)刻將電量出售出去，賺取差價(jià)。傳統(tǒng)的虛擬報(bào)價(jià)更多的是基于合同對(duì)用戶進(jìn)行約束，缺乏靈活性的同時(shí)無(wú)法將合同電價(jià)與現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)相配合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

6 浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品的實(shí)施路徑建議

電力市場(chǎng)改革和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展推動(dòng)售電公司不斷設(shè)計(jì)更合適地服務(wù)產(chǎn)品來(lái)增強(qiáng)用戶粘度，提高自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和收益?，F(xiàn)階段執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)尚且存在一些挑戰(zhàn)：售電公司的負(fù)荷和電價(jià)預(yù)測(cè)技術(shù)精確度有限、用戶需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)有限、需求側(cè)響應(yīng)的高級(jí)量測(cè)體系缺乏。要使浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品順利執(zhí)行，提供以下3點(diǎn)建議。

1)提高售電公司自身能力。(1)售電公司需要不斷提高負(fù)荷預(yù)測(cè)能力和現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格預(yù)測(cè)方法，促使售電公司和用戶組成的平衡賬戶收益最大化。(2)可以為用戶提供多元化服務(wù)產(chǎn)品，并將服務(wù)延伸至電能銷售之外。充分利用開(kāi)放性電力市場(chǎng)，將電力市場(chǎng)與需求側(cè)響應(yīng)更好結(jié)合，增加用戶粘度，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。(3)可以借助泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集大量客戶負(fù)荷信息，細(xì)分負(fù)荷類型及其響應(yīng)特性，開(kāi)展用戶用電行為研究，評(píng)估客戶對(duì)浮動(dòng)高峰電價(jià)的接收程度，執(zhí)行支持度和響應(yīng)程度，以不斷改進(jìn)服務(wù)產(chǎn)品和實(shí)施策略。有助于售電公司分析并管理不同類型用戶的需求側(cè)響應(yīng)潛力，為電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提供更多資源。

2)加強(qiáng)用戶需求側(cè)響應(yīng)意識(shí)。相關(guān)政府部門、電網(wǎng)企業(yè)或售電公司，應(yīng)與用戶密切合作，提供培訓(xùn)，并定時(shí)跟蹤工作進(jìn)展。該產(chǎn)品成功的關(guān)鍵因素就是用戶的主動(dòng)積極參與。不斷培養(yǎng)用戶，宣傳浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品的效益。

3)加強(qiáng)技術(shù)方面的支持：浮動(dòng)高峰電價(jià)需要涉及智能計(jì)量裝置、通訊裝置及負(fù)荷控制設(shè)備，需要不斷建立高級(jí)量測(cè)體系，將先進(jìn)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和智能計(jì)量等無(wú)縫集成一起，推動(dòng)浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品的發(fā)展。

7 結(jié)論

售電側(cè)放開(kāi)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動(dòng)售電公司與用戶緊密合作，數(shù)據(jù)采集和信息溝通及分享，有助于需求側(cè)響應(yīng)廣泛推廣。為了促進(jìn)需求側(cè)響應(yīng)與現(xiàn)貨市場(chǎng)相連接，本文提出了浮動(dòng)高峰電價(jià)，促使零售價(jià)格與現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格相聯(lián)動(dòng)，并總結(jié)分析浮動(dòng)高峰電價(jià)的特點(diǎn)。在滿足用戶滿意度的基礎(chǔ)上構(gòu)建了購(gòu)售雙方運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型，并設(shè)計(jì)了3種場(chǎng)景進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證模型的有效性。結(jié)果表明，當(dāng)售電公司代理的所有用戶均執(zhí)行浮動(dòng)高峰電價(jià)產(chǎn)品，浮動(dòng)高峰電價(jià)的平衡賬戶收益是最大的。通過(guò)浮動(dòng)高峰電價(jià)，用戶的用電成本保持不變的同時(shí)，還能獲得額外收益。一方面將需求側(cè)響應(yīng)與現(xiàn)貨市場(chǎng)連接起來(lái)，一方面降低售點(diǎn)公司風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提高購(gòu)售電雙方效益。后續(xù)將考慮物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下高比例可再生能源并網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等因素對(duì)售電公司運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型的影響，有效地規(guī)避市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。