售電公司需求側(cè)響應(yīng)策略研究

王 偉，范娟娟，俞 靜，嚴(yán)清心

（浙江華云信息科技有限公司，杭州 310008）

0 引言

國(guó)網(wǎng)公司2019 年兩會(huì)提出了建設(shè)“三型兩網(wǎng)”企業(yè)的重大戰(zhàn)略目標(biāo)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將成為支撐公司戰(zhàn)略發(fā)展的重要基礎(chǔ)。要求在用戶側(cè)要進(jìn)一步完善需求側(cè)管理系統(tǒng)功能，支持企業(yè)、居民用戶以互動(dòng)化的方式參與電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)，全面支持新形勢(shì)下有序用電和主動(dòng)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)需求，提升電網(wǎng)運(yùn)行彈性和經(jīng)濟(jì)性。

在電力需求響應(yīng)方面，已有多位學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)美國(guó)和歐盟需求響應(yīng)市場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展提出建議，指出定價(jià)結(jié)構(gòu)要由分時(shí)電價(jià)逐步走向?qū)崟r(shí)電價(jià)的演變路線。文獻(xiàn)[2]總結(jié)分析了不同電力市場(chǎng)環(huán)境下需求側(cè)響應(yīng)的關(guān)鍵問(wèn)題，并建立相應(yīng)模型分析證明需求響應(yīng)中可中斷負(fù)荷項(xiàng)目的作用。文獻(xiàn)[3]通過(guò)分析不同電力市場(chǎng)環(huán)境下需求側(cè)響應(yīng)參與方式，進(jìn)一步理清了需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施的效益，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了需求側(cè)響應(yīng)的商業(yè)模式和市場(chǎng)框架。文獻(xiàn)[4]結(jié)合廣東電力市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)家政策，研究并設(shè)計(jì)了廣東近幾年電力市場(chǎng)發(fā)展的時(shí)序路線規(guī)劃圖，提出了廣東電力市場(chǎng)需求側(cè)響應(yīng)交易品種與交易機(jī)制。在具體的需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施策略和建模研究方面，文獻(xiàn)[5]針對(duì)現(xiàn)階段用戶報(bào)量不報(bào)價(jià)的現(xiàn)貨市場(chǎng)模式，設(shè)計(jì)基于日前預(yù)出清的需求響應(yīng)方案，并提出考慮需求彈性的日前安全校核模型。文獻(xiàn)[6-8]都從用戶用電滿意度的角度進(jìn)行建模分析，設(shè)計(jì)需求側(cè)響應(yīng)方案。但多數(shù)有關(guān)需求側(cè)響應(yīng)的研究?jī)?nèi)容都沒(méi)有引入售電公司這一新興市場(chǎng)主體。

在零售市場(chǎng)逐漸開(kāi)展和現(xiàn)貨市場(chǎng)逐步啟動(dòng)的市場(chǎng)環(huán)境下，本文將采用案例分析、建模分析的方法，響應(yīng)國(guó)網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略內(nèi)容，總結(jié)國(guó)內(nèi)外需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施進(jìn)展，研究探討以售電公司為載體的需求響應(yīng)策略。

1 美國(guó)電力市場(chǎng)需求響應(yīng)模式

需求側(cè)響應(yīng)作為能源調(diào)節(jié)和支持新能源接入的重要電網(wǎng)安全性手段，在國(guó)外電力市場(chǎng)已有較為成熟的技術(shù)和項(xiàng)目積累[9-11]。美國(guó)PJM 電力市場(chǎng)的需求側(cè)響應(yīng)可分為可調(diào)度需求側(cè)響應(yīng)和不可調(diào)度需求側(cè)響應(yīng)，見(jiàn)圖1。其中針對(duì)不可調(diào)度需求響應(yīng)則主要通過(guò)分時(shí)電價(jià)、峰荷電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)、系統(tǒng)峰荷電價(jià)等多種手段，切合用戶的用電需求彈性，提高用戶參與需求響應(yīng)的積極性[1，12]。

圖1 美國(guó)電力市場(chǎng)需求響應(yīng)分類

但隨著需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)和理念的不斷發(fā)展，美國(guó)電力市場(chǎng)一直致力于將需求響應(yīng)無(wú)縫對(duì)接到其市場(chǎng)中，以實(shí)現(xiàn)PRD（價(jià)格響應(yīng)負(fù)荷）。是將基于價(jià)格和激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)統(tǒng)一起來(lái)，促使原不可控的基于價(jià)格的需求響應(yīng)成為可控資源，使基于激勵(lì)的需求響應(yīng)統(tǒng)一到對(duì)價(jià)格的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)批發(fā)市場(chǎng)和零售市場(chǎng)的結(jié)合，將市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)的安全性和輸電規(guī)劃及長(zhǎng)期容量可靠性很好的結(jié)合起來(lái)。

2 國(guó)內(nèi)需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施進(jìn)展

2017 年9 月發(fā)布的《電力需求側(cè)管理辦法（修訂版）》對(duì)電力市場(chǎng)改革環(huán)境下的電力需求側(cè)響應(yīng)的主要內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述。同時(shí)結(jié)合電力市場(chǎng)建設(shè)情況和電力體制改革初衷，要求新時(shí)期的需求側(cè)響應(yīng)要支持、激勵(lì)各類電力市場(chǎng)參與方開(kāi)發(fā)和利用需求響應(yīng)資源，提供有償調(diào)峰、調(diào)頻等服務(wù)，逐步實(shí)現(xiàn)需求側(cè)機(jī)動(dòng)調(diào)峰能力達(dá)到年度最大用電負(fù)荷的3%左右，以保障非嚴(yán)重缺電情況下的電力供需平衡。部分電力需求側(cè)管理綜合試點(diǎn)如天津、河南以及江蘇需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目都取得了較好的成效，見(jiàn)表1。同年4 月18 日，廣東省能源局下發(fā)《廣東省2019 年電力需求響應(yīng)方案（征求意見(jiàn)稿）》，意見(jiàn)內(nèi)容見(jiàn)表2。

表1 2018 年各地區(qū)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目

將競(jìng)價(jià)模式應(yīng)用于需求側(cè)響應(yīng)，給予負(fù)荷集成商（售電公司）和電力用戶結(jié)合區(qū)域、自身負(fù)荷特性、用電習(xí)慣進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)報(bào)價(jià)或補(bǔ)償報(bào)價(jià)，有利于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)價(jià)格，更有利于發(fā)揮市場(chǎng)作用，讓市場(chǎng)引導(dǎo)資源優(yōu)化配置進(jìn)一步激發(fā)用戶參與響應(yīng)的積極性[13]。試點(diǎn)地區(qū)競(jìng)價(jià)模式的成功實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)需求響應(yīng)市場(chǎng)化程度有了進(jìn)一步提升。

3 售電公司需求側(cè)響應(yīng)策略

作為負(fù)荷集成商的售電公司，利用區(qū)域內(nèi)電力用戶的大量用電數(shù)據(jù)，掌握區(qū)域用戶的用電習(xí)慣，可以進(jìn)一步精細(xì)化用戶用電管理策略，打包負(fù)荷資源參與需求響應(yīng)項(xiàng)目，進(jìn)行需求響應(yīng)競(jìng)價(jià)。

表2 廣東省2019 年電力需求響應(yīng)方案

3.1 激勵(lì)型需求響應(yīng)策略

售電公司清楚了解售電區(qū)域內(nèi)可調(diào)負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置容量的大小，以此參與輔助服務(wù)市場(chǎng)交易、電力需求側(cè)響應(yīng)，進(jìn)行輔助服務(wù)報(bào)價(jià)，介入電力需求響應(yīng)考核。在拿下訂單后可進(jìn)行輔助服務(wù)訂單容量分解，將分解后的輔助服務(wù)容量交易給區(qū)域內(nèi)的電力用戶，簽訂保供電協(xié)議、可中斷負(fù)荷協(xié)議等，約定電力輔助服務(wù)權(quán)利與義務(wù)。使用戶在合理用電的同時(shí)可以根據(jù)所降電量獲得一定合同獎(jiǎng)勵(lì)，可參考各區(qū)域《電力需求側(cè)響應(yīng)方案》中有關(guān)市場(chǎng)化交易電力用戶參與需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)費(fèi)價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)制定零售側(cè)用戶獎(jiǎng)勵(lì)，以此提高用戶參與需求側(cè)響應(yīng)的自主性。

3.2 價(jià)格型需求響應(yīng)策略

針對(duì)用戶實(shí)時(shí)需求價(jià)格彈性問(wèn)題，售電公司可以通過(guò)日前市場(chǎng)預(yù)出清價(jià)格等重要相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行出清價(jià)格預(yù)測(cè)，根據(jù)用戶需求彈性、用電習(xí)慣、需求響應(yīng)效果、系統(tǒng)邊際條件等進(jìn)行價(jià)格信號(hào)的預(yù)處理，在通過(guò)媒介平臺(tái)提前將這一價(jià)格信號(hào)傳遞給代理電力用戶，使用戶能夠提前響應(yīng)[14-15]。針對(duì)日前市場(chǎng)預(yù)出清價(jià)格信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，可以根據(jù)用戶滿意度建模、系統(tǒng)約束條件、目標(biāo)函數(shù)和大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化測(cè)算。

3.2.1 日前市場(chǎng)預(yù)出清量?jī)r(jià)信息預(yù)處理

（1）用戶滿意度建模

如何在不影響甚至提高用戶用電滿意度的情況下實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)一直是需求側(cè)響應(yīng)的主要目標(biāo)之一，由于用戶的用電習(xí)慣改變和用電費(fèi)用支出直接影響到用戶的用電滿意度，因此在進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)時(shí)要保證用戶用電滿意度才能達(dá)到最佳的削峰填谷的目的。本文從用戶用電的舒適度和經(jīng)濟(jì)度2 個(gè)方面構(gòu)建用戶滿意度模型來(lái)進(jìn)一步表示用戶用電的成本效益問(wèn)題。

舒適度：在未進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)時(shí)，用戶會(huì)根據(jù)自身的價(jià)格彈性和用電需求，采用最舒適的用電行為，即需求側(cè)響應(yīng)前的用戶用電負(fù)荷曲線便是用戶最舒適的用電方式。用戶參與需求側(cè)響應(yīng)后，負(fù)荷曲線的挑戰(zhàn)也就直接反應(yīng)用戶用電舒適度的變化，可以表示為：

式中：C0為用戶用電舒適度；為實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)前后每小時(shí)電量改變量絕對(duì)值的和;qt為原負(fù)荷情況下的用電總量。

經(jīng)濟(jì)度：售電公司實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)可以根據(jù)日前預(yù)出清價(jià)格制定次日電力用戶的電價(jià)方案，同時(shí)電力用戶依據(jù)自身對(duì)電價(jià)的需求彈性，調(diào)整自身用電行為，改變負(fù)荷曲線，以此減少電費(fèi)支出，具體經(jīng)濟(jì)效益可以用經(jīng)濟(jì)度EC來(lái)進(jìn)行衡量，公式如下：

式中：pt，qt分別為原負(fù)荷曲線的時(shí)段電價(jià)和負(fù)荷值；p1t，q1t分別為實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)后的時(shí)段電價(jià)和負(fù)荷值。

假定日前預(yù)出清時(shí)的經(jīng)濟(jì)度和舒適度為1，優(yōu)化后整個(gè)用戶用電滿意度可以用公式表示：

（2）區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性參數(shù)模型

日負(fù)荷率及日最小負(fù)荷率是可反映當(dāng)天負(fù)荷分布的均衡性，較高的日負(fù)荷率表示當(dāng)天電能利用率較高，因而高日負(fù)荷率有利于電力系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，可表示為：

式中：η1表示日負(fù)荷率；表示日平均負(fù)荷；qmax為日最大負(fù)荷。

負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)反應(yīng)日負(fù)荷或周負(fù)荷的波動(dòng)程度，表現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的穩(wěn)定性，可表示為：

式中：qi表示不同時(shí)間段的負(fù)荷；q 表示日平均負(fù)荷；η2即為優(yōu)化后的負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)。

式中：η01為預(yù)出清情況下的日負(fù)荷率；η02為預(yù)出清情況下的負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)。

（3）需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

依據(jù)上節(jié)對(duì)售電公司參與電力需求響應(yīng)中多個(gè)參與方的效益建模表示，因此在進(jìn)行負(fù)荷曲線優(yōu)化時(shí)的目標(biāo)函數(shù)可以設(shè)計(jì)為以售電公司效益最優(yōu)為主的兼顧用戶用電滿意度和大電網(wǎng)穩(wěn)定性的目標(biāo)函數(shù)。

總目標(biāo)函數(shù)：

式中：γ1，γ2為修正參數(shù)，可依據(jù)修正參數(shù)判定售電公司、用戶、電網(wǎng)的效益重要程度。本次優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)初始值標(biāo)準(zhǔn)化后，將參數(shù)γ1，γ2統(tǒng)一設(shè)為0．5。

（4）需求響應(yīng)負(fù)荷優(yōu)化約束函數(shù)

在進(jìn)行電力需求側(cè)負(fù)荷優(yōu)化時(shí)也要考慮到電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)、日前預(yù)出清電量以及需求側(cè)響應(yīng)中負(fù)荷轉(zhuǎn)移的前后特點(diǎn)。因此本文采用市場(chǎng)能量守恒約束、移峰填谷約束、售電公司效益變動(dòng)約束等3 個(gè)約束函數(shù)：

市場(chǎng)能量守恒約束。售電公司實(shí)施需求響應(yīng)只是通過(guò)有效手段改變用戶用電習(xí)慣和用電時(shí)段，為保證售電公司收益穩(wěn)定，要確定需求響應(yīng)前后售電公司所代理的區(qū)域電量不變，及保證日前預(yù)出清的總電量不變。公式如下：

移峰填谷約束模型。因發(fā)生需求響應(yīng)，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生移峰填谷變化必須滿足一定的要求，具體如下：

存在填谷情況時(shí)，新的谷段負(fù)荷不可小于原有對(duì)應(yīng)谷段負(fù)荷：

存在移峰情況時(shí)，新的谷段負(fù)荷不可大于原有對(duì)應(yīng)峰段負(fù)荷：

優(yōu)化后的峰谷差不可大于原有峰谷差。

售電公司效益變動(dòng)約束。以保證售電公司開(kāi)展需求響應(yīng)后收益為正：

式中：q1t為日前預(yù)出清的每小時(shí)負(fù)荷值；p1t為日前預(yù)出清每小時(shí)電價(jià)值；qt，pt為負(fù)荷調(diào)整后的負(fù)荷電價(jià)值；ΔBDR為售電公司需求響應(yīng)收益，由需求響應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)政策決定。

3.2.2 優(yōu)化算法選擇

針對(duì)日前預(yù)出清量?jī)r(jià)數(shù)據(jù)的電力需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化是一個(gè)非線性函數(shù)的尋優(yōu)問(wèn)題，由于蟻群算法自反饋、收斂性和魯棒性上的優(yōu)點(diǎn)本文選自利用蟻群算法進(jìn)行電力需求響應(yīng)電價(jià)及負(fù)荷優(yōu)化求解，參考文獻(xiàn)[16-17]進(jìn)行蟻群算法建模。

3.2.3 日前市場(chǎng)預(yù)出清量?jī)r(jià)信息需求響應(yīng)優(yōu)化案例

由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)貨市場(chǎng)啟動(dòng)較晚，缺少現(xiàn)貨市場(chǎng)交易出清、結(jié)算以及售電公司實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，將選取澳大利亞電力市場(chǎng)中新南威爾士州NSW 地區(qū)的歷史時(shí)期每天每1 h 負(fù)荷和電價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)代替日前預(yù)出清的量?jī)r(jià)信息，并假定售電公司需求側(cè)響應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)2$/（kW·天），進(jìn)行模型驗(yàn)證。

在維持用戶用電滿意度和確保電網(wǎng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，可以利用用戶對(duì)電價(jià)的彈性實(shí)現(xiàn)日前預(yù)出清數(shù)據(jù)的需求響應(yīng)優(yōu)化，優(yōu)化后的電價(jià)、負(fù)荷變化如圖2、圖3 所示，數(shù)據(jù)如表3 所示。售電公司可以據(jù)此方法提前制定相應(yīng)價(jià)格型需求響應(yīng)，通過(guò)媒介提前傳遞給用戶，同時(shí)也可作為實(shí)時(shí)出清和電網(wǎng)安全校核的參考。

通過(guò)對(duì)日前市場(chǎng)預(yù)出清量?jī)r(jià)信息需求響應(yīng)優(yōu)化后可以進(jìn)一步測(cè)算出，模型目標(biāo)函數(shù)的變化如表4 所示。

可見(jiàn)進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化后，雖然居民用戶的用電舒適度有所下降，但由于居民用電經(jīng)濟(jì)度的提升，其總體用電滿意度有所提高，同時(shí)進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化，有效提高了電網(wǎng)日負(fù)荷率，降低了系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)情況。在該案例數(shù)據(jù)測(cè)算過(guò)程中，整體需求側(cè)響應(yīng)目標(biāo)效益提升了5．06%（目標(biāo)函數(shù)變化量）。

圖2 需求響應(yīng)優(yōu)化價(jià)格對(duì)比

圖3 需求響應(yīng)優(yōu)化負(fù)荷對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)”建設(shè)不斷推進(jìn)，以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為主的電力物聯(lián)技術(shù)的成熟將會(huì)對(duì)市場(chǎng)主體參與實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)提供更多的便利?，F(xiàn)階段各試點(diǎn)區(qū)域如天津、江蘇、上海等地都在開(kāi)展需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目，創(chuàng)新需求側(cè)響應(yīng)模式。為進(jìn)一步研究電力市場(chǎng)環(huán)境下售電公司參與需求側(cè)響應(yīng)的模式策略，本文通過(guò)對(duì)美國(guó)PJM 需求響應(yīng)模式，國(guó)內(nèi)各試點(diǎn)區(qū)域需求響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，提出了售電公司開(kāi)展需求側(cè)響應(yīng)的2 種模式：激勵(lì)型需求響應(yīng)策略，通過(guò)售電公司進(jìn)行需求響應(yīng)合約訂單分解，與區(qū)域用戶簽訂協(xié)議；價(jià)格型需求響應(yīng)策略，從經(jīng)濟(jì)度和舒適度構(gòu)建用戶用電滿意度模型，完善價(jià)格制定的電網(wǎng)約束條件和售電公司效益約束條件，對(duì)市場(chǎng)日前預(yù)出清量?jī)r(jià)信息進(jìn)行優(yōu)化，得出基于用戶滿意度的價(jià)格數(shù)據(jù)，售電公司可以此制定次日電價(jià)方案，通過(guò)價(jià)格信號(hào)影響用戶用電行為。我國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的初期尚缺少有效的歷史數(shù)據(jù)支撐，隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展，本文中所提出的售電公司價(jià)格型需求響應(yīng)策略也將會(huì)不斷完善改進(jìn)，進(jìn)一步探究適合中國(guó)電力市場(chǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的PRD 模式。

表3 引入需求響應(yīng)前后的電價(jià)負(fù)荷數(shù)據(jù)

表4 需求響應(yīng)優(yōu)化后模型參數(shù)變化