張浩，王宣元，寧卜，劉蓁，劉亞，黃紅偉

（1.冀北電力交易中心有限公司，北京 100054；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100102）

中發(fā)9號文及其配套文件拉開了我國本輪電力體制改革的序幕。售電側開放并允許電力用戶參與市場交易是本輪電力體制改革的重要內容。2021年全國兩會明確提出：允許所有制造業(yè)企業(yè)參與電力市場化交易?？梢灶A見，下階段將有更多的中小用戶參與電力市場，由此產生電力用戶售電套餐決策問題，即電力用戶如何有效選擇售電套餐服務[1-2]。

從國外成熟電力市場的實踐經驗來看，用電規(guī)模較大的電力用戶往往具有較高的議價能力，能夠采用雙邊協(xié)商等交易形式直接與發(fā)電企業(yè)交易購電；而中小用戶由于規(guī)模較小，無較強的議價能力，一般需要向售電公司購買售電套餐，委托其購電[3]。以美國、日本等成熟電力市場為例，售電公司能夠提供種類繁多的售電套餐[4-6]。文獻[5]介紹了日本售電市場的套餐設計情況，自2016年全面放開用電側市場以來，所有電力用戶均需要向售電公司或發(fā)電企業(yè)購電，售電公司的售電套餐既包括電-網-氣等多種客戶需求打捆的綜合型套餐，也包括峰谷型售電套餐等電力需求專一性套餐。文獻[7-8]研究了售電套餐設計與決策中用戶效用問題，提出了考慮有限理性選擇行為的售電套餐設計模型。文獻[9-10]研究了用戶選擇售電套餐過程中的從眾性心理，提出了基于深度強化學習的售電套餐決策方法。近年來，隨著我國電力體制改革的不斷深化，售電套餐領域相關的研究也越來越豐富。文獻[11]研究了用戶用電需求的差異化特征，提出了基于客戶畫像的電價套餐差異化劃分方法。文獻[12]研究了不同用電時期的用戶用電需求，提出了考慮淡旺季用戶效用的居民套餐設計方法。

可以看出，當前我國電力市場改革還處于起步階段。目前的研究主要集中于售電套餐設計方面，對電力用戶如何有效選擇售電套餐的研究還相對較少[13]。為此，本文將以國外電力市場應用較為廣泛的峰谷型售電套餐為案例，研究其篩選方法。首先，將介紹峰谷型售電套餐的基本概念和主要特征。接著，從用戶效用的角度出發(fā)，綜合考慮購電預期收益和違約預期風險，提出了一種考慮響應穩(wěn)定性的峰谷型售電套餐決策方法。最后，基于某用戶實際用電曲線構造算例，驗證了所提出方法的有效性。

1 峰谷型售電套餐概念與效用分析

1.1 基本概念

峰谷型售電套餐是當前國外售電市場應用較為廣泛的售電套餐類型，其主要特點在于將全天劃分為高峰、低谷兩個運行時段，用戶根據(jù)需要可以購買不同份額的高峰、低谷時段用電需求，其購電價格不僅與購電量有關，而且與高峰、低谷時段購電量比例有關；在實際用電中，若峰谷電量比例超過一定偏差幅度，則將支付違約電費[14-15]。

而對于特定電力用戶，其整體用電需求一定的前提下，其峰谷時段電價僅與峰谷電量比例有關。峰谷電量比例越高，電價相對越高；峰谷電量比例越低，電價相對越低。電價與峰谷電量比例關系一般為分段線性關系如圖1所示，可表示為

圖1 套餐電價修正系數(shù)與峰谷電量比例關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relationship between the package price correction factor and peak-valley electricity ratio

參考圖1，套餐電價修正系數(shù)可表示為

式中：φPV為售電套餐電價修正系數(shù)；EP，EV分別為電力用戶套餐協(xié)議中高峰、低谷時段電量需求；φU，φD分別為修正系數(shù)取值上、下限；rPV,U，rPV,D為對應峰谷電量比例取值上、下限；φa，φb分別為一次線性部分的一次項和常數(shù)項系數(shù)。

若實際用電峰谷電量比例不滿足套餐協(xié)議要求，且超出允許的偏差范圍，則電力用戶將承擔一定的電價違約處罰。考慮到實際峰谷電量比例低于協(xié)議值時，對售電商來說更有助于降低購電費用。當前峰谷型售電套餐設計中規(guī)定，若實際峰谷電量比例低于其允許范圍，則不予處罰；而若超過其允許范圍，則將按照實際峰谷電量比例對應套餐電價修正系數(shù)重新計算套餐電價，并按照重新計算的套餐電價進行結算。因此，電力用戶實際結算的電價可表示為

1.2 效用分析

電力用戶選購售電套餐的效用是指當該電力用戶購買該套餐時，較原方式下所能增加的電能使用效益。文獻[12-15]均研究了用戶購買售電套餐的效用問題。在峰谷型售電套餐中，由于電力用戶峰谷電量比例降低，其套餐電價隨之下降。因此用戶具有不斷調整其生產用電習慣、降低峰谷電量比例、配合電網削峰填谷的驅動力。但隨著調整生產用電習慣的程度不斷增大，對其生產生活的影響也隨之增加。因此，傳統(tǒng)模式下電力用戶售電套餐效用既包括由于選購售電套餐所產生的購電成本降低，也需要考慮調整用電習慣而導致的不利因素，可表示為

式中：Uu為電力用戶u選購售電套餐的效用；Eu為該電力用戶預期用電量分別為選購售電套餐所產生的購電成本降低和調整用電習慣而導致的不利影響為原購電方式下的電價；分別為原購電方式下低谷時段用電量和售電套餐中的低谷電量為調整用電習慣而產生不良影響的價格系數(shù)。

傳統(tǒng)售電套餐決策中，往往以式（4）所示的用戶售電套餐效用為決策目標，構建決策模型，確定售電套餐簽訂中電力用戶峰谷電量比例等關鍵指標。

然而，可以看出以上效用分析側重于關注用戶購買售電套餐之后的預期收益。由于售電套餐中高峰、低谷時段的價格均與峰谷用電量比例有關，且用戶峰谷電量比例越低，電價越低，因此購電效用為目標的決策結果，傾向于驅使用戶不斷調整自身用電習慣，盡可能多地在低谷用電。但實際上，用戶移峰填谷的能力是有限的，以一般家庭用戶而言，正常情況下移峰填谷電量僅占總用電量的20%左右。考慮到實際用電中，用戶還存在惰性等因素影響，其響應還可能有一定偏差。但是若實際用電偏差超過給定范圍，用戶將承受用電違約處罰，可能導致實際效用與預期不相符，甚至導致電力用戶購電成本上升的問題。

2 考慮響應穩(wěn)定度的峰谷型售電套餐決策

為解決傳統(tǒng)用戶效用指標未能充分考慮用戶違約風險的問題，本文將引入響應穩(wěn)定度系數(shù)，以客觀評估售電套餐決策中峰谷電量比例實際執(zhí)行的風險及可能導致的違約費用，由此提出售電套餐綜合效用指標，作為售電套餐決策的依據(jù)。

2.1 響應穩(wěn)定度指標設計

所謂響應穩(wěn)定度是指根據(jù)用戶用電習慣，其峰谷用電量比例能穩(wěn)定保持在套餐設定水平的概率。圖2為根據(jù)電力用戶歷史用電曲線統(tǒng)計得到的峰谷電量比例分布概率直方圖。不同氣象環(huán)境和運行日條件下，電力用戶的峰谷電量比例不同，并在一定范圍內變化。該變動范圍實際上反映了電力用戶調整用電習慣的能力范圍，即在該直方圖中峰谷電量比例最小值到最大值之間的發(fā)生概率之和應等于1，可表示為

圖2 峰谷電量比例分布直方圖Fig.2 Distribution histogram of peak-valley electricity ratio

圖2中，未超過該用戶選購售電套餐峰谷電量比例允許值范圍的部分實際上表征了正常情況下電力用戶能夠滿足該套餐協(xié)議要求的發(fā)生概率。同時考慮到電力用戶在簽署售電套餐協(xié)議后可能產生的錨定效應[15]，實際履約概率應為未超過允許范圍發(fā)生概率與錨定效應影響概率之和，可表示為

2.2 決策模型

受電力用戶響應穩(wěn)定度影響，實際執(zhí)行中電力用戶存在超過其售電套餐允許峰谷電量比例范圍用電的概率。因此，電力用戶在評估售電套餐效用時，必須充分考慮這一因素帶來的影響。為了區(qū)別傳統(tǒng)研究中所提出的售電套餐用戶效用，本文中將考慮用戶響應穩(wěn)定度的售電套餐用戶效用指標稱為綜合效用?？紤]到實際執(zhí)行中的復雜性，綜合效用計算時超出響應穩(wěn)定度部分建議僅考慮歷史峰谷電量比例最大的情況下對電力用戶的影響，以更加客觀地反映預期最差運行情況。

基于以上前提設定，本文所提出的綜合效用指標可表示為

以綜合效用最大化為目標，綜合考慮高峰電量平衡、低谷電量平衡、峰谷電量比例平衡等約束條件[16-17]，即可構建考慮用戶響應穩(wěn)定度的峰谷型售電套餐決策模型，可表示為

式中：ND為售電套餐對應運行天數(shù)分別為預計該電力用戶u第d個運行日高峰、低谷時段用電量分別為售電套餐中高峰、低谷時段總電量。

2.3 決策流程

該決策模型是電力用戶開展售電套餐決策的核心，其決策流程如圖3所示。

圖3 決策流程Fig.3 Decision-making process

決策流程主要實施要點如下：

1）歷史峰谷電量比例統(tǒng)計，統(tǒng)計歷史同一時期該電力用戶逐日峰谷電量比例，繪制分布直方圖；

2）確定錨定系數(shù)等邊界參數(shù)，根據(jù)電力用戶生產性質等參考歷史經驗，確定錨定系數(shù)等邊界參數(shù)；

3）構建決策模型并求解，參照式（8）所示的決策模型，構建電力用戶峰谷型售電套餐決策模型，該模型本質上為非線性規(guī)劃問題，可通過逐次線性化等方法將其轉化為線性模型分步求解[14-15]。

3 算例分析

3.1 基礎數(shù)據(jù)

為了驗證所提出決策方法的有效性，算例中選取了三個類型不同但用電量基本相當?shù)碾娏τ脩??；拘畔⑷绫?所示，三個用戶分別為大型商場、磨料加工廠、建材工廠，由于其月度用電量基本相同，通過售電公司購電時，售電套餐中基本電價相同。根據(jù)不同用電類型調整用電習慣的難易程度，磨料行業(yè)用電相對平穩(wěn)，生產工藝決定了其難以調整用電習慣，調整價格系數(shù)最高，商場用電需要適應購物者需求，較難調整，調整系數(shù)居中，建材工廠生產靈活性較高，價格系數(shù)最低。錨定系數(shù)方面，重點考慮電量費用在整個企業(yè)生產經營中的影響，商場最高，磨料居中，建材最低。

表1 電力用戶基本信息表Tab.1 Basic information table for power users

根據(jù)系統(tǒng)調峰需求，規(guī)定高峰時段為9：00～21：00，其他時段為低谷時段。統(tǒng)計上述三個用戶歷史同期用電情況，其峰谷電量比例直方圖如圖4所示。

圖4 不同用戶峰谷電量比例直方圖Fig.4 Distribution histogram of peak-valley electricity ratio of different power users

由圖4可知，從峰谷電量比例數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和波動范圍分布來看，上述三個用戶具有顯著的差別：磨料的穩(wěn)定性最高，且波動區(qū)間最小，基本在2.3%～3.8%之間變化，表明其生產穩(wěn)定性最高；商場波動范圍較大，但穩(wěn)定性相對也比較高，基本在25%～40%之間波動；建材生產規(guī)律性較低，峰谷電量比例在1.2%～50%之間大幅波動。這一特點與其生產經營特征相符，磨料屬于連續(xù)穩(wěn)定生產的行業(yè)，用電相對穩(wěn)定；商場用電與人流、氣溫等有關，波動性相對較大；建材生產在與訂單緊密相關，訂單集中期間峰谷用電基本持平，而訂單較少的周期峰谷電量比例顯著增加。

3.2 結果分析

根據(jù)以上基礎數(shù)據(jù)，可構建三個用戶的峰谷型售電套餐決策模型。規(guī)定套餐中協(xié)議允許偏差范圍為10%，則以上三類用戶推薦申報峰谷電量比例、響應穩(wěn)定度對比如表2所示。

表2 電力用戶申報及效用對比Tab.2 Power user declaration and utility comparison

表2顯示商場、磨料、建材三個電力用戶在峰谷電價套餐下的申報策略存在顯著差異。商場用戶申報相對較激進，所申報的峰谷電量比例為32.5%，對應響應穩(wěn)定度為77.3%。這一結果意味著實際運行中可能存在近30%的場景，商場將承擔實際峰谷電量比超過申報值后的違約處罰。磨料申報則最為保守，其申報的峰谷電量比為3.7，對應響應穩(wěn)定度為96.8%，意味著在該申報水平下，磨料用戶基本不會承擔違約處罰。建材申報處于中間水平，所申報的峰谷電量比為40%，響應穩(wěn)定度為86.3%。

以上申報策略差異是不同申報策略下用戶購電費用降低、用電調整成本和不同響應穩(wěn)定度下預期違約處罰三方面綜合影響的結果。商場用戶用電調整價格系數(shù)僅0.3元/（kW·h），相對較低，因此適當降低申報的峰谷電量比能夠獲得更高的購電費用降低。同時其錨定系數(shù)為4%，為三個用戶中最高，意味著其根據(jù)申報峰谷電量比調整用電習慣的潛力較大，對降低違約處罰有改進效益。因此，商場用戶采用了最大限度降低峰谷電量比的申報策略。而與之相對，磨料用戶用電調整價格系數(shù)最高，而其錨定系數(shù)并不突出，為了避免違約處罰，更適合采用偏保守的競價策略。建材用戶盡管用電調整價格系數(shù)最低，但錨定系數(shù)偏低，申報峰谷電量比對應響應穩(wěn)定度處于中間水平，以平衡各方面收益預期。

3.3 對比分析

為進一步分析響應穩(wěn)定度因素對電力用戶決策的影響，將對比以下兩個場景下三個用戶的申報策略。場景一為考慮響應穩(wěn)定度的申報策略，其申報結果即為3.2節(jié)中表2所示的申報結果；場景二為不考慮響應穩(wěn)定度的申報策略，即以式（4）為優(yōu)化目標構建決策模型所得到的申報結果。

對比了兩個場景下申報結果響應穩(wěn)定度，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)場景二下申報結果響應穩(wěn)定度均低于場景一，原因在于場景二下由于不考慮響應穩(wěn)定度因素變化帶來的預期違約處罰，電力用戶更傾向于申報偏低的峰谷電量比，以獲得更低的購電價格。三個用戶相比，建材用戶的降低幅度最大，原因在于其錨定系數(shù)和用電調整價格系數(shù)均最低，當不考慮響應穩(wěn)定度因素所引起的預期違約處罰后，降低峰谷電量比對降低購電費用的效果最顯著。而磨料用戶降低幅度最小，原因在于磨料用戶的用電調整價格系數(shù)最高，降低峰谷電量比后其調整成本隨之增加。

圖5 不同場景下申報結果響應穩(wěn)定度對比Fig.5 Comparison of response stability of declaration results in different scenarios

但是場景二忽略了實際運行中峰谷電量比超過申報值所產生的預期違約處罰。表3進一步展示了套餐效用、預期違約處罰和綜合效用三項指標。套餐效用即為場景二下電力用戶所能獲得的預期效用，場景一還將進一步考慮預期違約處罰，綜合考慮以上兩方面影響，可獲得考慮響應穩(wěn)定度后的綜合效用。

表3 電力用戶套餐效用對比Tab.3 Power user package utility comparison

表3數(shù)據(jù)顯示了建材用戶和商場用戶若不考慮響應穩(wěn)定度所造成的預期違約處罰，其套餐效用和綜合效用存在較大差別，可能導致其實際綜合效用偏低。

以上分析過程表明，本文所提出的決策方法結果與實際情況相一致，同時也表明不同類型的電力用戶在峰谷型售電套餐決策上需要綜合考慮調整意愿、調整難度和違約風險，基于自身實際選擇峰谷電量比例指標，科學制定套餐協(xié)議。

4 結論

為提升電力用戶峰谷型售電套餐決策時的科學性，合理申報峰谷電量比例，本文研究了用戶在峰谷電量調整的響應穩(wěn)定度問題，提出了基于響應穩(wěn)定度的峰谷型售電套餐決策方法。研究表明，由于不同類型電力用戶電費敏感性、用電習慣調整難度等因素存在差異，在制定申報策略時，必須統(tǒng)籌考慮預期收益及違約風險，避免盲目申報造成的經濟損失。