溫錢惠，魏震波，張勇林，梁政，何永祥

(1.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都市 610065；2.四川電力交易中心，成都市 610000；3.國網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司，四川省遂寧市 629000)

0 引 言

國家發(fā)展和改革委員會于2021年10月發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價市場化改革的通知》[1]，標(biāo)志著新一輪電力體制改革進(jìn)入了新的階段。在開放的電力市場中，由于市場供需的多變性及市場競爭的激烈性，且受天氣條件、季節(jié)、生產(chǎn)訂單、政策等因素的影響，電力用戶的用電行為具有較強(qiáng)的不確定性。由于電力的屬性，電網(wǎng)處于發(fā)電和用電實時平衡的狀態(tài)中，如果電力用戶沒有按照之前交易的電量計劃進(jìn)行用電，那么就會打破這種平衡，需要調(diào)整發(fā)電計劃，給電網(wǎng)和電廠運行造成額外的成本。而偏差考核能夠在一定程度上約束用戶按計劃進(jìn)行用電，有助于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。代理零售用戶的售電公司聚焦點之一在于偏差電量考核，為了避免售電公司在電力市場中的運營風(fēng)險，已有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。

需求響應(yīng)(demand response，DR)作為需求側(cè)優(yōu)化管理的一種長期有效的重要手段，其主要通過市場價格信號或激勵機(jī)制引導(dǎo)用戶主動改變原有用電消費模式以解決電力市場電量不平衡風(fēng)險等問題。在價格型需求響應(yīng)(price-based demand response，PBDR)方面，文獻(xiàn)[2]考慮了月度偏差電量考核以及分時電價對用戶用電量的影響，確定售電公司在不同市場的最優(yōu)電價差率。文獻(xiàn)[3]針對售電公司面臨的現(xiàn)貨價格和用電需求波動等風(fēng)險，提出一種考慮價格型需求響應(yīng)的售電公司風(fēng)險評估模型。文獻(xiàn)[2-3]所提出的模型均降低了售電公司偏差電量考核風(fēng)險，提高了收益，但在設(shè)計電價方案時沒有對各類型用戶的用電行為進(jìn)行充分分析，忽略了作為市場主體的售電公司和用戶提高收益及節(jié)省電費成本的客觀需要。針對上述研究的不足，文獻(xiàn)[4]提出一種考慮用戶用電特征的售電公司定制化電價決策模型，使用戶獲得一定的利益以驅(qū)動用戶參與用電需求響應(yīng)，保證了售電公司和用戶的價值雙贏。但以上研究均未考慮到用戶響應(yīng)的不確定性，文獻(xiàn)[5]針對售電公司面臨的用戶用電量風(fēng)險，提出了計及需求響應(yīng)不確定性的售電商峰谷電價決策模型，降低了售電公司風(fēng)險損失。

激勵型需求響應(yīng)(incentive-based demand response，IBDR)能夠有效地鼓勵用戶實現(xiàn)更高效的用電，有助于售電公司在電力市場的電量平衡。文獻(xiàn)[6]利用靈活有效的需求側(cè)電價激勵機(jī)制，提高終端用戶參與需求響應(yīng)的積極性，從而平衡偏差電量。文獻(xiàn)[7]利用條件風(fēng)險價值(conditional value at risk， CVaR)量化售電公司面臨的負(fù)荷波動風(fēng)險，搭建規(guī)避偏差電量考核的售電公司定價模型。文獻(xiàn)[8]考慮在需求響應(yīng)機(jī)制影響下，采用可中斷負(fù)荷合同優(yōu)化偏差電量考核模型，通過捆綁合同降低了考核費用，從而提高了整體收益。以上文獻(xiàn)在一定程度上降低了售電公司電量風(fēng)險，但是未將需求響應(yīng)與售電公司的零售合同模式相關(guān)聯(lián)。對此，文獻(xiàn)[9]基于信息間隙決策理論建立了包含需求響應(yīng)的多種零售合同模型，建立了與零售合同相匹配的需求響應(yīng)模型，該模型能夠保證售電公司收益不低于某一預(yù)設(shè)的最低可接受值，從而降低了售電公司的財務(wù)風(fēng)險。文獻(xiàn)[10]結(jié)合電價型與激勵型需求響應(yīng)的各自優(yōu)勢，售電商及用戶均可通過需求響應(yīng)而獲益，但只能減少售電公司的正偏差電量。為消除售電公司電量差額，文獻(xiàn)[11]將用戶側(cè)作為平衡資源降低了售電公司風(fēng)險損失，但是忽略了在激勵型需求響應(yīng)中用戶對相鄰時段補(bǔ)貼價格差的反應(yīng)。對此，文獻(xiàn)[12]考慮了需求響應(yīng)補(bǔ)貼價格對后續(xù)需求響應(yīng)用戶舒適成本的影響。文獻(xiàn)[13]進(jìn)一步構(gòu)建了考慮用戶對相鄰時段補(bǔ)貼價格差反應(yīng)的需求響應(yīng)激勵價格優(yōu)化策略，提高了售電公司的最大化長期收益。

上述研究雖進(jìn)一步降低了售電公司的偏差電量考核成本，提高了售電公司經(jīng)濟(jì)效益，但忽略了用戶的需求響應(yīng)能力。對此，文獻(xiàn)[14]建立了協(xié)調(diào)考慮用戶需求響應(yīng)能力的售電公司購售電決策模型。文獻(xiàn)[15]建立了包含用戶是否響應(yīng)以及響應(yīng)量不確定性的隨機(jī)規(guī)劃模型，分析了售電公司收益最大的需求響應(yīng)最優(yōu)調(diào)用策略。上述文獻(xiàn)所提模型僅對激勵價格進(jìn)行優(yōu)化，未考慮激勵形式對用戶響應(yīng)行為的引導(dǎo)作用。

此外，隨著保險機(jī)制在風(fēng)險行業(yè)的廣泛應(yīng)用，將保險納入到售電市場中成為趨勢。文獻(xiàn)[16]提出在大用戶直購電交易中將保險理論管理風(fēng)險引入需求側(cè)。文獻(xiàn)[17]針對風(fēng)電商參與現(xiàn)貨市場電量電價預(yù)測不準(zhǔn)確的問題，利用保險機(jī)制轉(zhuǎn)移不平衡風(fēng)險。此外，針對發(fā)電商的投資回報率不穩(wěn)定等收益損失風(fēng)險，設(shè)置發(fā)電商電量損失保險以及利潤損失保險[18]。上述研究為售電公司轉(zhuǎn)移不平衡風(fēng)險、規(guī)避利潤損失提供了有效途徑。文獻(xiàn)[19]構(gòu)建了可再生能源發(fā)電商與售電公司博弈最優(yōu)利潤模型，研究有無電力保險下的最優(yōu)交易決策。文獻(xiàn)[20]針對電價波動導(dǎo)致的售電公司巨大利潤損失風(fēng)險，提出了基于市場保險的電價波動保險機(jī)制。以上研究主要針對發(fā)電商和大用戶規(guī)避電量及利潤風(fēng)險，對售電公司在電力市場交易保險機(jī)制方面的研究及應(yīng)用較少。

針對以上現(xiàn)狀與不足，本文將電力保險機(jī)制引入電力市場中，以售電公司為實施主體提出階梯式需求響應(yīng)激勵機(jī)制。分析用戶在日前需求響應(yīng)市場下的決策行為，考慮用戶主動響應(yīng)行為和負(fù)荷波動的不確定性，對售電公司實現(xiàn)規(guī)避風(fēng)險的可行途徑展開研究。第一階段，搭建電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下保險公司、售電公司與電力用戶參與電力市場的交易架構(gòu)，闡述市場保險的原理，建立市場保險的保費模型；第二階段，考慮雙邊合同違約懲罰機(jī)制，建立階梯型需求響應(yīng)激勵模型，在此基礎(chǔ)上建立售電公司的利潤模型及用戶的成本模型；第三階段，以國內(nèi)某售電公司為例進(jìn)行仿真模擬，對其運營策略與利潤情況進(jìn)行分析。

1 含保險公司的現(xiàn)貨市場結(jié)構(gòu)

不同于傳統(tǒng)電力市場，含保險公司介入的現(xiàn)貨市場結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含保險公司介入的市場結(jié)構(gòu)Fig.1 Market structure including the insurance companies

售電公司、保險公司及電力用戶通過電力交易平臺掌握市場政策及交易規(guī)則。售電公司可為用戶設(shè)計具有激勵作用的電力套餐，提供負(fù)荷管理服務(wù)方案，電力用戶則可以通過改變生產(chǎn)用電時間等方式來動態(tài)調(diào)整用電行為以滿足售電公司及自身需求。

保險公司制定并公布有關(guān)市場保險的相應(yīng)條款，向售電公司說明保費及賠償?shù)睦宥ǚ椒?，并根?jù)電力市場整體歷史運營情況制定保險費率。售電公司根據(jù)自身情況及保險公司提供的保險策略購買保險，在市場保險支持下，售電公司如決定購買保險，則必須在開展電力市場業(yè)務(wù)之前與保險公司簽訂保單。為了直觀地體現(xiàn)保險機(jī)制對售電公司效益的影響，提出適合售電公司的險種——偏差考核保險。所謂偏差考核保險就是售電公司通過保險公司為自己在參與電力市場交易后作偏差電量考核保險。保險公司擔(dān)保的是售電公司的偏差電量考核費，當(dāng)售電公司未產(chǎn)生偏差電量考核費時，保險公司不需要向售電公司支付賠付金額；當(dāng)售電公司產(chǎn)生偏差電量考核費時，保險公司根據(jù)保單約定，賠付售電公司不超過賠償期的經(jīng)濟(jì)損失。

2 市場主體模型

2.1 售電公司模型

2.1.1偏差考核模型

售電公司購電成本Ccd包括：

(1)

Qf,t=Qb,t+Qd,t

(2)

式中：PB為雙邊合同電價；Qb,t為長期雙邊合同在t時段的電量；λt為t時段的現(xiàn)貨市場出清電價；Qd,t為t時段的現(xiàn)貨市場購電量；Qf,t為售電公司在t時段的的總實際購電量；T為總時段數(shù)量。

本文采用售電公司承擔(dān)全部偏差考核責(zé)任的方式，將售電公司的優(yōu)化周期定為1天，即T=24。偏差考核的結(jié)算方式為：將用戶實際用電量與售電公司購電量之差比上售電公司購電量，所得結(jié)果若在±2%以內(nèi)，則售電公司免于支付偏差考核費用。當(dāng)所得結(jié)果超過±2%時，若售電公司代理用戶的實際用電量超過售電公司購電量，則超用部分電量按月度交易電價上限支付考核費用；若小于售電公司購電量，則按月度交易電價上限的70%支付考核費用[21]。售電公司的具體考核模型為：

(3)

(4)

(5)

2.1.2保費模型

售電公司在響應(yīng)日之前與保險公司簽訂保單。售電公司購買保險時支付的保費m為：

(6)

2.1.3利潤模型

1)售電公司未購買偏差考核保險時的利潤函數(shù)R1為：

(7)

2)在偏差考核保險下，售電公司的利潤函數(shù)R為：

(8)

3)保險公司將支付給售電公司的賠償金C2為：

(9)

2.2 電力用戶成本模型

2.2.1零售合同模型

(10)

2.2.2購售電合同越限懲罰機(jī)制

(11)

2.2.3用戶需求響應(yīng)模型

(yj-yj+1)(δj-100%)≥0

(12)

式中：yj為第j段階梯區(qū)間的需求響應(yīng)激勵系數(shù)；yj+1為第j+1段階梯區(qū)間的需求響應(yīng)激勵系數(shù)；δj為第j段階梯區(qū)間邊界。

在用戶參與積極性不高、響應(yīng)行為與需求響應(yīng)合同電量偏差較大的情況下，提出階梯式需求響應(yīng)激勵機(jī)制，如圖2所示。

圖2 階梯式DR激勵機(jī)制Fig.2 DR ladder-incentive mechanism

這樣的需求響應(yīng)階梯激勵系數(shù)可表示為：

(13)

售電公司根據(jù)用戶實際響應(yīng)量與期望響應(yīng)量的比值對購售電合同價格進(jìn)行修訂。對于實際需求響應(yīng)比值處于δ0與δk之間的用戶，售電公司將提供一定的價格優(yōu)惠套餐，制定購售電合同動態(tài)電價，提高用戶參與需求響應(yīng)的積極性。用戶用電合同價格折扣套餐滿足：

(14)

式中：ρc為需求響應(yīng)優(yōu)惠價格上限。

考慮用戶心理因素、負(fù)荷波動、激勵水平等多重不確定性的用戶需求響應(yīng)模型，用戶的實際需求響應(yīng)量服從正態(tài)分布。

(15)

(16)

(17)

3 售電公司優(yōu)化運營模型及其求解

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.1.1用戶成本

對于電力用戶而言，其優(yōu)化目標(biāo)為購電成本與需求響應(yīng)成本之和最小，即：

(18)

式中：Cu為電力用戶的總成本。

3.1.2售電公司收益

對于售電公司而言，其優(yōu)化目標(biāo)為收益最大化。收益組成為購售電費、偏差電量考核費、用戶的越限電量懲罰費、保費，具體如下：

(19)

3.2 模型求解

上述模型的求解分為三層：

4 算例分析

4.1 原始數(shù)據(jù)

某售電公司有10個用戶(用戶均為負(fù)荷削減型用戶)具備參與激勵型需求響應(yīng)的能力，對用戶以及售電公司的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。設(shè)整個電力市場用戶統(tǒng)一電價系數(shù)為0.4，保險公司的利潤率為行業(yè)平均值3%，需求響應(yīng)頂格優(yōu)惠價為0.1元/(kW·h)。需求響應(yīng)選擇冬季用電高峰時段，階梯個數(shù)k=11，對模型進(jìn)行驗證分析。本文在Matlab-R2016b環(huán)境下進(jìn)行仿真編程，取1 h為1個時段，將00：00—01：00記為時段1，01：00—02：00記為時段2，依次類推，可得一天共有24個時段。

4.2 結(jié)果分析

利用Matlab仿真求解考慮保險機(jī)制模式下階梯式需求響應(yīng)激勵機(jī)制的最優(yōu)階梯激勵系數(shù)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。售電公司捆綁總負(fù)荷參與電力市場交易，用戶需求響應(yīng)激勵達(dá)標(biāo)比值為67%，激勵封頂比值為133%范圍，即當(dāng)用戶需求響應(yīng)總量占需求響應(yīng)期望量的67%～133%時售電公司無偏差考核電量。此時對應(yīng)用戶的需求響應(yīng)量在2 412～4 788 kW·h之間，用戶的需求響應(yīng)量低于2 412 kW·h時為欠響應(yīng)，高于4 788 kW·h時為過響應(yīng)。表1所示為最優(yōu)階梯激勵系數(shù)，隨著階梯區(qū)間接近100%，激勵系數(shù)從最低的0.41遞增到1.00，對用戶參與響應(yīng)、精準(zhǔn)響應(yīng)均有引導(dǎo)作用。

表1 階梯式激勵機(jī)制系數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimization result of demand-response ladder-incentive mechanism

圖3為短時間尺度階梯式激勵機(jī)制系數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化解集，其為運行1 500次后收斂所得，Cu/R最小值和最大值如圖所示。因為用戶實際用電量越多，且用戶的實際需求響應(yīng)量越偏離期望值時，售電公司的收益及用戶總成本越高。而當(dāng)用戶實際用電量越少，且用戶的實際需求響應(yīng)量越靠近期望值時，售電公司的收益及用戶總成本越低。并且發(fā)現(xiàn)并非響應(yīng)比值為100%時，市場凈收益一定最大。最優(yōu)響應(yīng)比值取決于激勵標(biāo)準(zhǔn)以及不同時段內(nèi)的響應(yīng)特性。最優(yōu)折中解如圖3所示，對應(yīng)用戶的總成本為27 032.6元，售電公司的收益為8 825.1元。

圖3 階梯式激勵機(jī)制系數(shù)最優(yōu)解集Fig.3 Optimal solution set of ladder-incentive

需求響應(yīng)量與售電公司的利潤關(guān)系如圖4所示。從中可以看出當(dāng)用戶為欠響應(yīng)時，售電公司在有保險時的利潤高于無保險時的利潤，此時售電公司的利潤較高且高于最優(yōu)折中解所對應(yīng)的值。而當(dāng)用戶的實際需求響應(yīng)量高于2 412 kW·h且低于4 788 kW·h時，售電公司在有保險時利潤低于無保險時利潤。這是因為當(dāng)用戶的實際需求響應(yīng)量比值落在67%～133%范圍之外時，售電公司產(chǎn)生了偏差電量考核費，按照售電公司與保險公司簽訂的保險合同規(guī)定，保險公司需要向售電公司支付賠付金額。而當(dāng)用戶的實際需求響應(yīng)比值落入67%～133%范圍時，售電公司未產(chǎn)生偏差電量考核費用，保單成功，售電公司需要向保險公司交納一定的保費。因此，當(dāng)用戶需求響應(yīng)量為2 400 kW·h時，售電公司的收益和用戶總用電成本都較低，這是因為多數(shù)用戶的需求響應(yīng)量落入激勵比值區(qū)間內(nèi)，并且位于期望值附近。相應(yīng)地，用戶受到的激勵補(bǔ)貼較高，因此用戶總用電成本較低，而售電公司因為用戶用電量的減少導(dǎo)致售電服務(wù)費減少，以及補(bǔ)貼費用的增加，從而造成總體收益下降。另外，從圖4中可以看出，售電公司的利潤受用戶的需求響應(yīng)量影響最大，隨著用戶的需求響應(yīng)量增加，用戶的實際用電量減少，售電公司的利潤在保費和階梯式激勵補(bǔ)貼的作用下減少。

圖4 需求響應(yīng)量與售電公司的利潤關(guān)系Fig.4 Relationship between demand response volume and the profit of the electricity sales company

圖5給出了保費和售電公司收益的關(guān)系。由圖5可知，隨著保費的變化，售電公司的收益先減少后增加再減少。這是因為隨著用戶響應(yīng)量的增加，響應(yīng)過程從欠響應(yīng)過渡至過響應(yīng)，直至用戶響應(yīng)能力趨近飽和。根據(jù)公式(6)，用戶的響應(yīng)能力直接影響保費的數(shù)值，保費先增加后減少，從而售電公司的收益出現(xiàn)如圖5所示的變化，且用戶處于過響應(yīng)時售電公司收益下降的速度更快。本算例中，用戶處于欠響應(yīng)時，售電公司用于引導(dǎo)用戶改變用電行為造成的售電收入損失影響不大，但由于是欠響應(yīng)，仍會給售電公司帶來偏差考核，造成其收益減少。隨著用戶響應(yīng)量增加，用戶需求響應(yīng)電量處于規(guī)定響應(yīng)區(qū)間，售電公司在保險和激勵補(bǔ)貼的作用下總體利潤增加。而后當(dāng)用戶的需求響應(yīng)比值超過激勵封頂比值上限時，根據(jù)售電公司與用戶簽訂的購售電合同及需求響應(yīng)合同，用戶用電量越限會面臨一定的懲罰費，且使售電公司產(chǎn)生偏差考核電量，造成售電公司總體收益下降。

圖5 不同保費下的目標(biāo)函數(shù)值Fig.5 Objective function value under different premiums

5 結(jié) 論

針對電力市場中電量高度波動給售電公司帶來的巨大利潤損失風(fēng)險，本文在日級別時間尺度上，對售電公司優(yōu)化運營問題進(jìn)行了建模與分析，通過具體的算例模擬分析激勵型需求響應(yīng)的市場實施情況。仿真結(jié)果表明，激勵型需求響應(yīng)參與包含保險機(jī)制的現(xiàn)貨市場能給售電公司和用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)雙贏的最佳市場設(shè)計目標(biāo)。通過本文的研究，得出如下結(jié)論：

1)本文所提出的階梯式需求響應(yīng)激勵機(jī)制能夠提高用戶需求響應(yīng)積極性，降低激勵成本，提高售電公司的需求響應(yīng)機(jī)制實施效果。

2)在電力市場中引入市場保險能有效降低售電公司經(jīng)營風(fēng)險，售電公司可以獲得可觀的利潤，有助于促進(jìn)電力市場化改革，同時這為保險公司拓展業(yè)務(wù)開辟新的市場帶來了新的機(jī)遇。

3)當(dāng)用戶按規(guī)定進(jìn)行需求響應(yīng)時，售電公司的利潤隨保費的增加而增加，這表明通過設(shè)置合理的保費，能使售電公司利潤增加，同時降低用戶的用電總成本。而用戶如果是欠響應(yīng)或過響應(yīng)，則對售電公司的利潤產(chǎn)生不利影響，使售電公司受到偏差電量考核。

本文所設(shè)計的考慮保險機(jī)制模式的需求響應(yīng)激勵機(jī)制模型為售電公司降低經(jīng)營風(fēng)險、提高自身競爭力提供了一種全新的思維導(dǎo)向，也為保險公司的業(yè)務(wù)創(chuàng)新帶來了新的機(jī)遇。本文提出的階梯式需求響應(yīng)激勵機(jī)制，可為未來售電商發(fā)布激勵型需求響應(yīng)提供參考。未來將考慮售電公司之間運營決策的影響，進(jìn)一步研究我國售電公司規(guī)避風(fēng)險的機(jī)制。