電能質量可用戶定制微網的按質定價方法

翁國慶 王 強 戚 軍 謝路耀

（浙江工業大學信息工程學院 杭州 310023）

1 引言

微網具有靈活的運行方式和可調度性能，是未來分布式發電（Distributed Generation，DG）應用的主要形式[1]。但由于存在多種特性差異大的分布式微源、受自然條件影響大、多種運行模式可切換且自身包含大量電力電子裝置等因素，其運行面臨嚴重的電能質量問題[2]。這將產生威脅系統安全運行，降低能量效率，損壞用戶設備等嚴重后果。根據美國分布式供能系統電氣并網分析報告，電能質量問題是大多數分布式供電案例都曾經歷過的最主要的技術性市場準入障礙之一[3]。

一方面，隨著電力市場化發展等電力改革的不斷推進，電能質量的優劣將直接影響DG或微網系統能否被允許并網交易，實現微網中電能質量有效、準確的評估至關重要。另一方面，隨著諸如有源濾波器（APF）[4]、柔性交流輸電技術（D-FACTS）[5]、統一電能質量控制器（UPQC）[6]和用戶電力技術（CP）[7,8]等先進電能質量治理技術不斷得以應用，未來微網系統中實現電能質量的用戶按需定制成為可能[9]。顯然，不同電能質量等級下，不同層級電力用戶的用電成本效益和微網的電能質量治理費用均不同，如何在微網中實現合理的電能按質定價具有重要意義。在未來新能源供電系統高滲透率及高度電力市場環境下，電力部門必將進一步制定合理的微網質量評估和定價機制。

近年來，少數研究者已經在電能定價領域進行了探索性研究。如文獻[10]提出的電力市場環境下基于差別定價的電能質量服務定價方法，文獻[11]提出的將特征價格模型用于電能多特征定價的思想，文獻[12]較早地在電能按質定價中引入風險管理機制。但是，文獻[10]未能考慮如何對電能進行電能質量合理層級劃分，文獻[11]所提定價機制需要對數量繁多的各類特征分別進行具體分項處理，大大提高了特征量化、特征價格模型的合理性選擇難度。更重要的是，上述文獻幾乎均是針對普通電網進行的研究，微網系統在電網結構、電能特性、質量指標特征、用戶需求和運行成本組成等多方面的特殊性基本未能得以考慮。目前，針對微網系統的按質定價方法研究成果基本未見。

本文針對未來微網中電能質量可用戶定制的特性，提出一種在盡可能滿足不同層級用戶電能質量等級需求的前提下，可同時充分考慮其用電成本效益和微網運營方成本效益的微網按質定價方法。為實現合理、簡潔地表征目標微網的電能質量整體等級這一按質定價的前提依據，提出一種可兼顧一致性檢驗和迭代精度的基于改進層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）-灰色關聯理論的電能質量綜合評估方法。在對目標微網進行詳盡調研的基礎上，重點針對不同層級電力用戶意愿支付函數和微網運營方的利潤函數進行深入研究，提出一種計及質量保險的微網電能按質定價模型。最后，通過海島微網實際案例，分析了所提方法和模型的有效性。

2 微網系統的按質定價流程

在未來高度市場化，電能質量可定制的微網系統中，各層級電力用戶所需要擔負的電能費用不僅和微網系統的發電成本有關，也和其定制的電能質量等級以及電能質量治理成本密切相關。系統運營方在向用戶收取電能費用前，應首先對各層級電力用戶的電能質量需求及用電成本效益進行詳細調研，并實現系統本身電能質量等級的合理評估，若未達到電力用戶的質量定制等級，則需根據用戶需求對該層級區域線路進行電能質量治理與改善。因此，考慮到不同層級電力用戶對電能質量的要求和敏感度不同，實現目標微網的整體質量評估，并根據用戶質量定制需求實現分層級的按質定價具有重要意義。

電能質量可用戶定制微網系統按質定價問題的本質是如何優化微網系統區域中各電能質量層級與其對應電價水平的組合，在盡量滿足系統中各層級電力用戶的電能質量定制需求的同時，兼顧各層級用戶用電的成本效益和微網運營方的利潤。所提微網按質定價方法的基本流程如圖1所示。

圖1 微網按質定價方法的基本流程Fig.1 Basic flow of the pricing method with featured power quality in microgrid

詳細、可信的調研將為目標微網系統中電能質量層級劃分、各層級電力用戶用電成本效益模型、電能質量治理成本和質量投保等關鍵步驟提供可靠的原始數據。采用電能質量監測裝置獲取各單項指標數據，并基于改進 AHP-灰色理論實現微網內各層級電力線路治理前后的實際電能質量綜合評估，是進一步進行按質定價和實施質量保險的前提依據。各層級電力用戶的各項成本效益與電能質量等級關系根據微網中各層級用戶組成不同而異，既需要合適的擬合模型，也需要詳細的調研數據[10]。引入電能質量保險的意義在于，當用戶定制電能質量等級后，因微網系統實際提供的電能質量不達標造成用戶損失時，可減少其直接經濟損失[12]。

3 基于改進AHP-灰色理論的微網電能質量綜合評估

3.1 AHP法的模糊一致性和迭代性改進

微網電能質量是一個典型的多指標體系，定義合理的電能質量綜合評估多指標體系是基本前提[13]。AHP法是一種結合定性分析與定量分析，能夠有效解決多指標體系綜合評估問題的系統分析方法[14]。微網電能質量綜合評估體系的梯階層次結構中，目標層即目標微網的電能質量綜合評估指標，方案層即參與綜合評估的各種單項特征指標，準則層即方案層中各種具體特征指標的分類組別。

傳統AHP法通常采取1～9標度法來生成判斷矩陣 A =( aij)n×n，以此描述梯階層次結構模型中上層元素的所有n個下層元素間的相對重要性關系。但是在實際問題的研究中，由于專家賦權的主觀誤差、權重標度不完備及判斷矩陣信息冗余等原因，該方法無法保證判斷矩陣A的一致性。為確保評估結論的可靠性，必須對其進行一致性檢驗和調整。當n較大時，一致性檢驗計算量非常大且調整非常困難，常導致決策無法繼續。為了確保判斷矩陣一致性檢驗通過，引入可表征模糊特性的0.1～0.9比例標度，并基于模糊一致性矩陣和迭代求解特征方程根法對傳統AHP法進行改進[15]。0.1～0.9標度的意義見表1，若元素i和j的重要性之比為aij，則j和i的重要性之比為aji。

表1 0.1～0.9比例標度的意義Tab.1 Meaning of the ratio-scaled variables from 0.1 to 0.9

利用以下公式將0.1～0.9標度判斷矩陣A轉換為模糊一致性判斷矩陣R其中，對于任意矩陣元素0 ＜ rij＜1，且 rij=1 - rji+ 0 .5。模糊一致性矩陣R具有很好的傳遞性和魯棒性，可用求解 R w=λmaxw計算R的最大特征根λmax的方法求取各特征指標權值向量 w，且具有兩大優勢：①不必再進行判斷矩陣一致性檢驗和不一致性調整；②可利用迭代算法得到滿足所需精度要求的權重排序向量w。

基于R的微網電能質量綜合評估體系各特征指標權值向量w求解算法的基本步驟如下：

（1）用轉換公式 eij= rij/ rji將模糊一致性判斷矩陣 R =( rij)n×n轉變成正互反矩陣 E =( eij)n×n。

（2）利用幾何平均法求取單準則下權重排序向量 w(0)

（3）把求得的 w(0)作為迭代初始向量 V0，利用迭代法求解特征方程 E · Vn×1= λmax·Vn×1，最終求得滿足精度要求的權重排序向量 w(k)。該迭代求解法的步驟如圖2所示。

圖2 權重向量迭代求解步驟Fig.2 Solving steps of weight vector with iterative method

3.2 基于灰色關聯法的微網電能質量綜合評估

灰色理論中的灰色關聯法基本思想是通過計算對象和對象之間的相互關聯系數和關聯度，從而反映對象之間的關聯程度[16]。假設有 m個樣本S = { s0,s1,… ,sm)，n個評估指標 J ={ j0,j1,… ,jn}，從而形成初始樣本指標矩陣 B =( bij)n×m，其綜合評估的步驟如下：

（2）計算關聯系數

（3）通過下式，可得到等級（1～10）之間的微網電能質量綜合評估結果

4 多質量層級的微網按質定價

4.1 各層級用戶支付優化模型

根據對目標微網區域內所有電力用戶進行電力質量需求、用電成本效益情況和參與保險意愿等多個方面的詳細調研，將整個區域合理劃分為N個電能質量層級子區域；各電能質量層級可記為qi( i = 1 ,2,… ,N )，層級越高表示該子區域用戶對電能質量水平的需求越高。同時，對各層級子區域布置電能質量監測裝置，監測并評估其初始電能質量等級及按需定制質量后達到的實際質量等級。

對于微網電力用戶，顯然電能質量越差其潛在的用電經濟損失越大，反之則可使其電能使用成本下降，但要達到其期望的更高等級電能質量所需的治理成本也將提高。各 qi層級電力用戶的電能總費用 CTi可表示為式中，CB為用戶電能基本費用，可設為常數；CZi為qi層級的質量治理平均費用，其值將隨 qi的提高而升高；相反， CUi為 qi層級的電能使用平均成本費用，其值將隨 qi的提高而降低。兩者估算模型基本滿足二次函數關系

式中，Δqi為該層級用戶定制質量等級和治理后實際評估所得質量等級之差（顯然，當 Δ qi＜0時，CZi=0）； CU0為最差質量等級時的平均電能使用費用； ak、 bk為二次函數系數，均可基于前期的調研數據進行擬合得到。因系統中電能質量等級設定為非連續的分層（分級）分布，可將上述擬合特性曲線按電能質量層級 qi取其平均值進行離散量化處理，如圖3所示。

圖3 qi層級用戶費用擬合特性Fig.3 Fitted characteristic curves of user costs in q leveli

4.2 計及質量保險的微網電能按質定價模型

從微網運營方角度考慮，綜合發電成本、基本電價、質量治理費用和保險賠償等各種因素構建系統利潤函數

式中， Qi為 qi層級用戶的電能實際使用總量； Ri為不考慮保險因素時 qi層級的基本電價； ci為 qi層級用戶是否參保選擇系數（參保時 ci= 1，否則 ci= 0 ）；di為 qi層級用戶參保金額與基本電價的比例系數（以百分比值表示）； CG表示微網實際平均發電成本，其值可通過調研確定； Si為 qi層級參保用戶的退還保險金。

一般而言，微網中的發電微源可能包括風力發電、光伏發電、潮汐能發電、地熱能發電和生物能發電等多種分布式發電系統[17]?？紤]微網中各種微源組成項及比例各不相同，以最常見的風力發電和光伏發電共同組成的微網為例，微網系統整體平均發電成本 CG可表達為

式中， Cw、 Cp分別為風機、光伏系統平均實際發電成本； Aw、 Ap分別為政府或行業依據相關政策給予風機、光伏發電的補貼；rw、rp為微網中風機、光伏的發電量比例。

由式（10）可知，微網各層用戶可由系數 ci選擇其是否參加質量保險。各層級用戶單位用電量所需繳納的保險金額 Bi可表示為

微網根據該層級用戶定制需求進行電能質量治理后，若仍然無法達到用戶所定制的質量等級，必然對該層級用戶造成用電經濟損失。出于對參保用戶的經濟利益保護，要求微網運營方對參保用戶進行適當賠償。賠償方案可由微網運營方和參保用戶方協商，根據互惠原則和可行性分析制定。為簡化算法，這里簡單設退還保險金Si與Δqi（用戶定制和治理后實際評估的質量等級差值）滿足一次線性關系

式中， K1、 K2為賠償系數。

對于微網運營方而言，在盡可能滿足用戶質量定制需求前提下，優化各層級電能質量等級 qi—基本電價 Ri的組合，以實現系統運營利潤最大化是其重要目標。根據式（9），微網系統中 qi層級用戶的意愿支付數值 Pi可求，進而可進一步定義其電能使用凈效用剩余值 Ui= Pi- Ri。上述優化求取各層級（ qi,Ri）組合的實質是，確定最佳的基本電價 Ri使qi層級用戶凈效用剩余值 Ui最合適。

以微網運營方利潤最大化為目標，以各 qi層級電力用戶的凈效用剩余量 Ui為約束，構建計及質量保險的微網電能按質定價模型

式中，前約束表示對于 qi層級用戶，購買 qi質量等級的電能所產生的效用不能小于所用于購買該部分電能的支出（即在此前提下，用戶才會愿意支付此電力費用），其邊界條件為 P1= R1；后約束表示用戶購買較高質量電能所獲得的剩余效用不小于購買較低質量電能，體現高電能質量給用戶帶來的好處，其邊界條件為 Ri- Ri-1= Pi- Pi-1。

結合式（9）、式（11），求解該優化模型，可得滿足按質定價原則的微網電能基本電價 Ri。再結合用戶參加保險情況和式（12）、式（13），可最終獲得各 qi層級用戶需向微網運營方支付的優化電價

5 算例分析

5.1 系統分層結構

圖4所示為某典型電能質量可定制微網系統的分層結構示意圖。該微網由風力發電單元、光伏發電單元、儲能系統和多質量等級區域負荷群組成。系統可能與外部配電網絡存在并網接口允許并網模式運行，也可能是獨立微網離網運行（如海島微網）。根據用戶電能質量調研，可將微網負荷劃分為若干用戶子區域，并分別布置區域電能質量控制器，由電能質量監控子系統（微網能量控制中心的重要功能模塊之一）統一在線管理，實現該區域線路電能質量的監測、評估和按需定制治理。

圖4 電能質量可定制微網的分層結構Fig.4 Hierarchical structure of the microgrid of power quality is customizable

5.2 微網電能質量綜合評估結果

代表性地選取電壓偏差、電壓波動、電壓閃變、諧波畸變、三相不平衡、頻率偏差和電壓暫降7項最重要的電能質量單項指標組成目標微網電能質量綜合評估多指標體系。表 2中，X1～X7分別代表上述 7項單項特征指標；S0是理想樣本；S1～S4分別代表優質樣本、良好樣本、合格樣本和較差樣本數據；S5、S6、S7分別為以圖4中層級區域I、層級區域 II、層級區域 III為例，由#1、#2、#3電能質量測控點獲取的對應區域線路電能質量實測數據。

表2 微網中電能質量標準樣本和待評樣本數據Tab.2 Data of the standard samples and the evaluated samples of power quality in micrigrid

基于專家意見及微網區域內電力用戶的需求調研，設定所選取7項電能質量單項指標的重要性排序：頻率>諧波畸變>電壓波動>閃變>電壓偏差>電壓暫降>三相不平衡，并建立基于 0.1～0.9標度的兩兩比較模糊一致性判斷矩陣

通過式（1）、式（2）和圖2所示的改進 AHP法的迭代求解步驟，可得同時滿足判斷矩陣一致性和所需精度要求的權重排序向量

W=(0.26,0.175,0.139,0.13,0.118,0.106,0.096)

進而利用式（4）、式（5）所示的灰色關聯法及相關步驟，可得到表2所示各樣本的電能質量綜合評估結果，見表 3?？芍?，目標微網區域中用戶層級區域I、層級區域II和層級區域III的電能質量等級綜合評估結果分別為 5.2，6.1和 9.0。根據離散量化處理原則，其電能質量分別可取整量化為 q5、q6和 q9層級。

表3 各樣本電能質量綜合評估結果Tab.3 Results of power quality comprehensive evaluation for the samples

5.3 用戶意愿支付優化模型求取

在圖4所示典型結構的電能質量可定制微網中，假設根據系統運營方及電力用戶方調研，將該微網按需求劃分為 q4、 q5、 q6、 q8質量層級對應的4個供電層級區域。通過對文獻[18-20]中電能質量治理成本和用戶損失統計數據的擬合，可得到式（7）、式（8）中對應的CZi、CUi和Δqi、qi間關系的關鍵參數，見表4。

表4 各層級區域治理費用和使用費用參數Tab.4 Parameters of quality controlling costs and power utilization costs of each quality level

5.4 微網電能按質定價確定

以2011年投建的浙江舟山東福山島微網為例，該海島微網風光總裝機容量310kW，由7臺單機容量 30kW的風力發電機組、1臺100kWp的光伏發電系統組成。根據島上太陽能資源、風力資源評估進行發電預測，該海島微網可再生能源發電量中光伏發電量和風力發電量比例分別約為 35.4%和64.6%。根據相關部門公布的可再生能源上網標桿電價、政府補貼政策及發電成本估算等調研信息可獲得部分所需關鍵參數，其余部分可進行合理設定，見表5。

表5 按質定價優化模型關鍵參數Tab.5 Key parameters of the optimization model to determine the power price with featured power quality

由式（11）計算可得，該微網實際平均發電成本約為610元/MW·h。設微網全系統初始電能質量等級為 q5，然后根據各層級區域用戶的不同定制需求進行治理。設經過分布式布置的各層級區域電能質量監控模塊的治理，各層級區域均達到用戶定制的電能質量等級。根據式（14）、式（15）以及表5所列關鍵參數，可進一步實現該微網的按質定價計算，結果見表6。

表6 微網各層級用戶各項費用（元/MW·h）Tab.6 Several costs of each quality level in microgrid(yuan/MW·h)

從表6所示結果可以看出，考慮到用戶所提的電能等級要求是對其自身用電情況進行全面考量后得到的綜合結果，用戶意愿支付度較高。因此，對于不同電能質量等級要求的電力用戶所收取的費用不相同，對電能質量要求越高，用戶向微網所支付的實際電價也會相應提高。在優質高價前提下，電網會盡量滿足高質量的用電需求，體現按質定價的意義。同時考慮到高等級的電能質量將減低用戶的電能質量事故損失，合理的電能質量保險策略在用戶電費增加不明顯的前提下既保證了用戶在電能質量不達標時的利益，同時也對電力公司進行了監督。

在對微網治理滿足用戶質量定制需求的情況下，微網運營方的利潤也達到最大化。以表格6中算例參數為例，假設微網所有用戶均參與質量保險：①若電能質量治理后，各層級區域均達到用戶定制需求，微網利潤達到577.35元/MW·h；②若電能質量治理后，整個或部分微網區域電能質量未達到用戶定制需求，運營方需向未達標區域用戶賠付相應保險金（假設微網全區域均僅達 q5，層級區域III、IV將獲保險金，微網利潤將降至391.92元/MW·h）。

6 結論

隨著電力市場化改革的不斷推進，以及電能質量治理技術的快速發展，在未來DG或微網系統中實現根據用戶需求提供電能質量定制服務成為可能。本文主要針對電能質量可用戶定制微網提出一種多層級用戶的電能按質定價方法。基于改進AHP-灰色理論的微網電能質量綜合評估方法合理、簡潔。采用的離散量化處理手段，很好實現了微網多層級用戶的電能質量等級劃分以及定制質量等級的匹配表征。獲得的電能使用費用特性曲線及其意愿支付函數具有較好適用性，但不同微網系統、不同層級電力用戶特性各異，需根據調研數據確定關鍵參數。構建的微網電能按質定價模型，可在盡可能滿足不同層級用戶電能質量定制需求的前提下，兼顧其用電成本效益和微網運營方利潤，并體現了合理的電能質量保險策略。微網算例分析表明，所提方法可實現系統電能質量可多層級用戶定制時，提供有效的質量評估和成本效益分析，獲得各層級區域的質量等級與電價的優化組合，為目標微網系統實行合理的按質定價提供合理、有效的依據。

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