計(jì)及新能源消納的售電公司購售電策略

陳名揚(yáng)，劉 敏，曹 鵬，鄧 鵬，魯 杰

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

隨著電力體制的改革，我國(guó)的售電市場(chǎng)已經(jīng)逐步向社會(huì)資本開放[1]，各種新興的售電公司應(yīng)運(yùn)而生[2]。新能源的快速發(fā)展加劇了棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，且國(guó)家能源局明確指出我國(guó)將建成以售電市場(chǎng)為主體的可再生能源配額制度[3]，這意味著售電公司必須承擔(dān)一定的新能源消納責(zé)任。目前，我國(guó)售電公司的發(fā)展以及各項(xiàng)業(yè)務(wù)能力還處于初級(jí)階段[4]，于是售電公司在新能源責(zé)任制的背景下如何制定購售電策略去拓展符合自身利益且能提升其新能源消納能力的用戶成為了當(dāng)前面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

未來售電市場(chǎng)將是一個(gè)以新能源為主導(dǎo)[5,6]的市場(chǎng)格局。購售電的電價(jià)差是售電公司主要收益的來源。對(duì)售電公司的購電決策而言，多樣化的交易路徑等是影響售電公司購電決策的重要環(huán)節(jié)之一[7-11]。隨著新能源的發(fā)展，購電途徑也發(fā)生了一定的變化[12,13]。文獻(xiàn)[14]為分析可再生能源消納責(zé)任考核對(duì)售電公司的影響，建立了新的購電組合投資模型，但其新能源消納情形僅僅表現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)中。在購售電策略方面，常見的有隨機(jī)優(yōu)化模型和雙層優(yōu)化模型[15,16]。綜上所述，目前的售電公司購售電策略，大多是考慮電價(jià)的不確定性、負(fù)荷的不確定性、DR項(xiàng)目、用戶協(xié)調(diào)能力[17]、綜合能源系統(tǒng)[18]、目標(biāo)函數(shù)中包含新能源購電途徑等購售電策略。但這些策略很少站在售電公司的角度去考慮新增用戶對(duì)售電公司利潤(rùn)的影響。文獻(xiàn)[19]雖然求取了拓展目標(biāo)用戶對(duì)售電公司利潤(rùn)的貢獻(xiàn)度，但是未對(duì)新增用戶在售電公司新能源消納能力上的提升做出分析。

因此，本文首次將新能源消納引入到用戶的價(jià)格變量中，建立了售電公司新能源消納能力模型。首先根據(jù)用戶購電成本優(yōu)化用戶的用電量；進(jìn)而考慮可再生責(zé)任制下優(yōu)化售電公司的購電組合；然后基于拓展不同用戶前后的新能源購電量占比提升量（“量”）以及負(fù)荷在曲線形狀上的相似性（“形”）的貢獻(xiàn)度為售電公司甄別出了符合自身利益且能提升自身的新能源消納能力的用戶；最后通過算例驗(yàn)證了該方法有利于幫助售電公司拓展符合自身利益的用戶。

1 售電公司的新能源消納能力3層優(yōu)化模型

新能源消納能力是指售電公司在購電成本最小的條件下能夠盡可能購買新能源電量的能力。參考文獻(xiàn)[19]建立3層優(yōu)化模型。此模型的流程圖如圖1所示。

圖1 3層優(yōu)化流程圖Fig. 1 Flow chart of three-layer optimization

新用戶購電成本模型是第一層。決策變量為用戶的 DR參與量，目標(biāo)函數(shù)為用戶購電成本最小，目的是優(yōu)化用戶不同時(shí)段的負(fù)荷，優(yōu)化后用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)傳到第二層。

第二層模型以售電公司選擇用戶i后在中長(zhǎng)期常規(guī)能源市場(chǎng)、日前市場(chǎng)、新能源市場(chǎng)的購電量為變量，目標(biāo)為售電公司購售電利潤(rùn)最大，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化售電公司的購電比例，并且將新能源購電量傳到第三層。

第三層模型求出售電公司選擇用戶i前后新能源購電量占比情況，進(jìn)而求出用戶在新能源消納能力“量”上的貢獻(xiàn)度，根據(jù)負(fù)荷準(zhǔn)線機(jī)制，求出用戶在新能源消納能力“形”上的貢獻(xiàn)度。然后將求得新的價(jià)格并傳輸?shù)角皟蓪幽Ｐ椭?。最后比較售電公司在考慮新能源消納能力貢獻(xiàn)度前后的利潤(rùn)情況。

綜上，售電公司的新能源消納能力3層優(yōu)化模型和后續(xù)模型的關(guān)系為：第一層模型為用戶購電成本模型，第二層模型為售電公司購售電利潤(rùn)模型，第三層模型為售電公司的動(dòng)態(tài)定價(jià)模型。

2 用戶購電成本模型

2.1 用戶用電合同模型

2.1.1 合同費(fèi)用

用戶的合同費(fèi)用為：

2.1.2 越限懲罰費(fèi)用

當(dāng)實(shí)際電量與合同出現(xiàn)偏差時(shí)，用戶與售電公司各自承擔(dān) 50%的懲罰，具體的越限懲罰費(fèi)用如式（2）：

式中：為用戶i承擔(dān)的偏差考核費(fèi)用；為 用戶i在時(shí)段t內(nèi)的實(shí)際用電量；分別為合同電量的上下限；為越限懲罰價(jià)格。

2.2 需求響應(yīng)模型

第一層的優(yōu)化目標(biāo)是用戶購電成本最小，目標(biāo)函數(shù)見式（3），其約束條件如下：

3 售電公司購售電利潤(rùn)模型

售電公司將總電量分解到中長(zhǎng)期常規(guī)能源市場(chǎng)、日前市場(chǎng)、新能源市場(chǎng)中，因此電量應(yīng)該滿足式（8）：

假設(shè)中長(zhǎng)期常規(guī)能源市場(chǎng)購電價(jià)格ζf、中長(zhǎng)期可再生能源市場(chǎng)購電價(jià)格ζk均為常數(shù)且可再生能源能按時(shí)交付，且假設(shè)日前市場(chǎng)的購電價(jià)格ζd,t與購電量有如下線性關(guān)系：

式中：α和β分別為購電價(jià)格與購電量關(guān)系的系數(shù)和常數(shù)。

根據(jù)《可再生能源電力消納權(quán)重和消納量核算辦法》可知，可再生能源配額制要求售電公司等購電主體在交易中應(yīng)當(dāng)完成一定量的非水電可再生能源消納，承擔(dān)義務(wù)的售電公司不應(yīng)該低于一定的標(biāo)準(zhǔn)，否則將對(duì)售電公司處以一定的罰金（假設(shè)售電公司其全部電能來自購買）。

假設(shè)當(dāng)?shù)氐目稍偕茉吹臋?quán)重指標(biāo)為不低于δ，該處權(quán)重指標(biāo)不能低于15%，而售電公司選擇用戶i后的可再生能源的消納責(zé)任的權(quán)重指標(biāo)為：

當(dāng)可再生能源消納量未能達(dá)到權(quán)重指標(biāo)時(shí)，在選擇用戶i后收取的罰金為：

售電公司的利潤(rùn)：

綜上，第二層模型服務(wù)于售電公司，目標(biāo)函數(shù)如式（12）所示，約束如下：

功率平衡如式（8）所示。

購電量平衡：

4 售電公司動(dòng)態(tài)定價(jià)模型

4.1 新能源消納能力貢獻(xiàn)度模型

4.1.1 用戶在售電公司的新能源消納能力“量”上的貢獻(xiàn)度

隨著可再生能源配額制度的實(shí)施，可再生能源責(zé)任制將成為影響售電公司收益的一個(gè)不可忽視的因素，給售電公司的經(jīng)營(yíng)決策帶來影響。因此售電公司在選擇新用戶時(shí)，應(yīng)該充分考慮用戶的新能源消納能力。先從新能源量上考慮，設(shè)售電公司的購售電活動(dòng)的新能源消納能力在“量”上的提升比滿足：

式中：ξ為新能源購電量占比；Pk為售電公司在新能源市場(chǎng)購買的電量；P為總負(fù)荷。

相比售電公司在選擇用戶前，該用戶對(duì)售電公司的新能源消納能力“量”的提升比為：

式中：ξ+i，ξ–i分別為售電公司選擇用戶i前后的新能源購電量占比；λi為用戶選擇i負(fù)荷前后的新能源消納量的提升比。

4.1.2 用戶在售電公司的新能源消納能力“形”上的貢獻(xiàn)度

售電公司在制定購售電策略時(shí)，應(yīng)該放眼未來?！傲俊鄙系呢暙I(xiàn)度體現(xiàn)了當(dāng)下用戶對(duì)售電公司新能源消納能力的影響，因此還應(yīng)該從未來的角度思考?？烧{(diào)負(fù)荷越多，響應(yīng)需求響應(yīng)的潛力就越強(qiáng)，該用戶的用電靈活性就越突出，能平抑新能源出力的不確定性。因此本文將售電公司原有的最大可調(diào)負(fù)荷除以總負(fù)荷定義為售電公司的標(biāo)準(zhǔn)型負(fù)荷準(zhǔn)線，即最理想負(fù)荷曲線。該過程省去了數(shù)量級(jí)上的關(guān)系，轉(zhuǎn)化為一個(gè)0～1之間的值，因而用戶負(fù)荷準(zhǔn)線和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)線之間的比較也被稱為“形”的比較即“形”上的貢獻(xiàn)度。

售電公司根據(jù)自身運(yùn)行參數(shù)以形狀定義負(fù)荷準(zhǔn)線，用戶參與 DR后的準(zhǔn)線與售電公司準(zhǔn)線越相似，意味著有更大的潛力應(yīng)對(duì)未來的新能源消納。

用戶在各個(gè)時(shí)刻的電量約束為：

本文設(shè)定負(fù)荷的負(fù)荷準(zhǔn)線為每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際響應(yīng)的彈性負(fù)荷與總負(fù)荷的比值。

基于售電公司所給出的負(fù)荷準(zhǔn)線以及用戶參與DR后的負(fù)荷準(zhǔn)線得到“形”的衡量值。

式中：E為負(fù)荷準(zhǔn)線相似度最終的衡量值；為待度量的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)化后的值；為售電公提供的負(fù)荷準(zhǔn)線值；d為兩條序列的歐式距離。

將新能源消納能力的提升量λi和負(fù)荷曲線度量指標(biāo)E分別定義為新用戶在新能源消納能力“量”上、“形”上的貢獻(xiàn)度，并綜合考慮兩方面的貢獻(xiàn)度。

4.2 售電公司定價(jià)模型

根據(jù)新能源消納能力“量”上和“形”上的貢獻(xiàn)度來制定合適的動(dòng)態(tài)價(jià)格。

新的用戶用電合同價(jià)格為：

新的DR合同的加價(jià)為：

用上述新制定的動(dòng)態(tài)價(jià)格代替初始的價(jià)格，并反饋到前兩層模型中，這樣就建立了考慮用戶新能源消納能力的售電公司購售電模型，其中包括考慮用戶貢獻(xiàn)度的用戶購電模型min和考慮新能源消納能力貢獻(xiàn)度的售電公司利潤(rùn)模型max。

綜上，該層中的目標(biāo)函數(shù)為max，約束為：

約束式（25）代表動(dòng)態(tài)價(jià)格是建立在售電公司利益不虧損的情況下。

5 算例

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文主要解決售電公司在需要被考察一定的可再生能源責(zé)任制的情況下拓展自己新用戶的選擇流程以及套餐制定的購售電決策問題。目標(biāo)是售電公司1、2分別從新用戶1、2、3中選擇一個(gè)更符合自身利益的用戶作為拓展對(duì)象。兩個(gè)售電公司的初始情況以及用戶1、2、3的初始負(fù)荷分別如圖2、3所示[19]。

圖2 售電公司負(fù)荷Fig. 2 Electricity sales load

圖3 用戶負(fù)荷Fig. 3 Users load

假設(shè)中長(zhǎng)期常規(guī)能源市場(chǎng)合約價(jià)格均為20 $/MW、可再生能源市場(chǎng)合約價(jià)格為28 $/MW，且可再生能源責(zé)任指標(biāo)為 15%，當(dāng)可再生能源不達(dá)標(biāo)時(shí)，罰金為10 $/MW[14]。日前市場(chǎng)的每個(gè)時(shí)段的電價(jià)系數(shù)α均設(shè)為 0.01，各個(gè)時(shí)間段的常數(shù)項(xiàng)β根據(jù)某地的日前電價(jià)預(yù)測(cè)值得出。求解方法為MATLAB中的YALMIP工具箱。

假設(shè)兩個(gè)售電公司對(duì)用戶的價(jià)格相同，具體如圖4所示。

圖4 初始合同價(jià)格Fig. 4 Original contract price

5.2 用戶購電分析

經(jīng)過第一層的用戶購電成本優(yōu)化后，用戶1的購電總費(fèi)用3 810.231 $，用戶2的購電總費(fèi)用5 391.453 $，用戶3的購電總費(fèi)用5 260.507 $。圖 5、圖 6為售電公司拓展新用戶后需要購買的總電量。

圖5 售電公司1選擇優(yōu)化后的用戶后的總負(fù)荷Fig. 5 User’s total load of electricity sales company 1 after choosing optimization

圖6 售電公司2選擇優(yōu)化后的用戶后的總負(fù)荷Fig. 6 User’s total load of electricity sales company 2 after choosing optimization

從圖中可以看出售電公司1在選擇拓展用戶后電量基本上呈現(xiàn)出用電高峰時(shí)負(fù)荷大、用電低谷時(shí)負(fù)荷低的特點(diǎn)。特別是售電公司1選擇拓展用戶2后的高峰時(shí)用電量更大、低谷時(shí)用電量更低。售電公司2選擇拓展新用戶后的總負(fù)荷仍呈現(xiàn)出反調(diào)峰性質(zhì)，特別是售電公司在選擇拓展用戶3后的反調(diào)峰特性更明顯。

5.3 售電公司購售電利潤(rùn)分析

經(jīng)過第二層的售電公司購電比例優(yōu)化后，售電公司1、2拓展新用戶1、2、3的新能源購電量方案分別如圖7、8所示：

圖7 售電公司1選擇用戶后新能源購電量Fig. 7 Quantities of new energy purchase of electricity sales company 1 after selecting users

圖8 售電公司2選擇用戶后新能源購電量Fig. 8 Quantities of new energy purchase of electricity sales company 2 after selecting users

由圖 7、8可以看到售電公司每個(gè)時(shí)刻的新能源的購電量。售電公司為了減少因可再生能源的消納指標(biāo)不夠而帶來的罰金，安排了一定量的可再生能源購電量。售電公司在拓展用戶前后的利潤(rùn)對(duì)比如表1所示。

表1 售電公司的購售電利潤(rùn)（$）Tab. 1 Profits of purchase and sale of electricity sales companies

從表1可以看出，無論是售電公司1還是售電公司2，用戶1、用戶2、用戶3給其帶來的利潤(rùn)非常接近，因此不能準(zhǔn)確地判斷出選擇哪個(gè)用戶，本文將通過新能源消納能力貢獻(xiàn)度進(jìn)一步分析售電公司如何拓展新用戶。

5.4 新能源消納能力

5.4.1 新能源消納能力（“量”）上的貢獻(xiàn)

根據(jù)前面兩層的計(jì)算可以得出售電公司的新能源購電占比，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)用戶對(duì)售電公司1和售電公司2的新能源消納量的提升比，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 新能源消納量的提升比Tab. 2 Increase ratio of new energy consumption

對(duì)于售電公司1而言，用戶2對(duì)售電公司的新能源消納能力在“量”上提升比高于用戶1、用戶3。主要是用戶2用電低谷時(shí)負(fù)荷高、用電高峰時(shí)負(fù)荷低，而售電公司1初始負(fù)荷和用戶2類似，二者結(jié)合后仍是上述特性。因此售電公司在用電高峰時(shí)不會(huì)購買更多高昂的日前市場(chǎng)電量，而會(huì)購買同樣高昂的新能源電量，這樣也可以減少來自新能源消納量不足的罰金。對(duì)于售電公司2而言，用戶3的貢獻(xiàn)度大于用戶2、用戶1。售電公司2的用電特性呈現(xiàn)出高峰時(shí)負(fù)荷低、低谷時(shí)負(fù)荷高，用戶3用電特性也呈現(xiàn)出此特性。二者的結(jié)合使售電公司2在低谷時(shí)用電量高，在低谷時(shí)段售電公司接受新能源消納不足的懲罰也會(huì)購買日前市場(chǎng)的電量，進(jìn)而提升了售電公司的利潤(rùn)。由于用戶1的用電特性比較平穩(wěn)，因此無論對(duì)售電公司1還是售電公司2，用戶1的提升比均和最高的提升比接近，因此需進(jìn)一步從“形”上去判斷。

5.4.2 新能源消納能力（“形”）上的貢獻(xiàn)

“形”上的貢獻(xiàn)度反應(yīng)了用戶對(duì)售電公司的新能源消納能力的潛力大小。通過式（18）～式（20）可以得出各個(gè)用戶對(duì)售電公司的準(zhǔn)線相似度。準(zhǔn)線相似度越高代表用戶的 DR響應(yīng)效果更加明顯，也代表著具備更大的潛力消納更多隨機(jī)性的新能源。

由表3可知，對(duì)于售電公司1而言，用戶2的準(zhǔn)線相似度最高；對(duì)于售電公司2而言，用戶3的準(zhǔn)線相似度最高。

表3 負(fù)荷準(zhǔn)線ETab. 3 Cusomer directrix load E

5.4.3 售電利潤(rùn)分析

根據(jù)新能源消納量能力“量”的提升比和負(fù)荷準(zhǔn)線相似度E以及式（21）、式（22），進(jìn)而求得考慮用戶對(duì)售電公司新能源消納能力的貢獻(xiàn)度對(duì)用戶動(dòng)態(tài)價(jià)格的影響。其中合同用電價(jià)格與DR電價(jià)中的系數(shù)均大于0，又因“形”（指數(shù)函數(shù)）上的貢獻(xiàn)度始終大于0而“量”上的提升比并非如此，所以在設(shè)定系數(shù)時(shí)往往“量”前的系數(shù)值略大于“形”前面的系數(shù)。同時(shí)由于“量”、“形”上的貢獻(xiàn)度數(shù)值經(jīng)過計(jì)算成為一個(gè)定值，因此最終的合同電價(jià)與動(dòng)態(tài)電價(jià)公式中系數(shù)相關(guān)，在確定系數(shù)時(shí)，首先要保證修改后的用電合同電價(jià)和 DR合同電價(jià)經(jīng)過用戶購電成本模型到售電公司利潤(rùn)模型后售電公司的利潤(rùn)不能降低。最終將新的價(jià)格帶入售電公司利潤(rùn)函數(shù)中，進(jìn)行考慮貢獻(xiàn)度前后利潤(rùn)的對(duì)比，如表4所示。

由表4可知，兩個(gè)售電公司在綜合考慮用戶在售電公司新能源消納能力的影響后制定售電套餐后，前后利潤(rùn)基本不變，可見考慮用戶對(duì)售電公司的新能源消納能力的貢獻(xiàn)度的購售電方法是建立在售電公司利益不虧損的前提下。通過該方法售電公司選擇出自身利潤(rùn)提升最大以及能提升新能源消納能力的用戶。

表4 考慮新能源消納貢獻(xiàn)度前后售電公司利潤(rùn)對(duì)比Tab. 4 Profit comparison of electricity sales compaines before and after considering the contribution of new energy consumption

6 結(jié)論

本文提出了一種考慮新用戶在新能源消納能力“量”上和“形”上的貢獻(xiàn)度的售電公司購售電策略（首次將售電公司的新能源消納能力引入到用戶用電價(jià)格變量之中），經(jīng)過算例計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

（1）用戶通過計(jì)算新能源消納能力“量”貢獻(xiàn)度的計(jì)算和新能源消納能力“形”貢獻(xiàn)度的計(jì)算，可以更好地甄別出哪些用戶對(duì)自己的價(jià)值最大，有利于挖掘符合自身利益的用戶，更有利于售電公司完成新能源消納的責(zé)任。

（2）準(zhǔn)線相似度的引入不僅能甄別哪些用戶對(duì)自身利益更大而且能夠挖掘用戶更大的用電靈活性潛力。

后續(xù)研究可以引入對(duì)電網(wǎng)電價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及考慮售電公司含有自發(fā)電等情況。