售電公司需求側響應策略研究

王 偉，范娟娟，俞 靜，嚴清心

（浙江華云信息科技有限公司，杭州 310008）

0 引言

國網公司2019 年兩會提出了建設“三型兩網”企業的重大戰略目標，泛在電力物聯網將成為支撐公司戰略發展的重要基礎。要求在用戶側要進一步完善需求側管理系統功能，支持企業、居民用戶以互動化的方式參與電網需求側響應，全面支持新形勢下有序用電和主動需求響應業務需求，提升電網運行彈性和經濟性。

在電力需求響應方面，已有多位學者進行了相關研究。文獻[1]對美國和歐盟需求響應市場進行詳細分析，并對我國需求響應發展提出建議，指出定價結構要由分時電價逐步走向實時電價的演變路線。文獻[2]總結分析了不同電力市場環境下需求側響應的關鍵問題，并建立相應模型分析證明需求響應中可中斷負荷項目的作用。文獻[3]通過分析不同電力市場環境下需求側響應參與方式，進一步理清了需求側響應實施的效益，并創新設計了需求側響應的商業模式和市場框架。文獻[4]結合廣東電力市場發展現狀和國家政策，研究并設計了廣東近幾年電力市場發展的時序路線規劃圖，提出了廣東電力市場需求側響應交易品種與交易機制。在具體的需求側響應實施策略和建模研究方面，文獻[5]針對現階段用戶報量不報價的現貨市場模式，設計基于日前預出清的需求響應方案，并提出考慮需求彈性的日前安全校核模型。文獻[6-8]都從用戶用電滿意度的角度進行建模分析，設計需求側響應方案。但多數有關需求側響應的研究內容都沒有引入售電公司這一新興市場主體。

在零售市場逐漸開展和現貨市場逐步啟動的市場環境下，本文將采用案例分析、建模分析的方法，響應國網公司“三型兩網”戰略內容，總結國內外需求側響應實施進展，研究探討以售電公司為載體的需求響應策略。

1 美國電力市場需求響應模式

需求側響應作為能源調節和支持新能源接入的重要電網安全性手段，在國外電力市場已有較為成熟的技術和項目積累[9-11]。美國PJM 電力市場的需求側響應可分為可調度需求側響應和不可調度需求側響應，見圖1。其中針對不可調度需求響應則主要通過分時電價、峰荷電價、實時電價、系統峰荷電價等多種手段，切合用戶的用電需求彈性，提高用戶參與需求響應的積極性[1，12]。

圖1 美國電力市場需求響應分類

但隨著需求側響應技術和理念的不斷發展，美國電力市場一直致力于將需求響應無縫對接到其市場中，以實現PRD（價格響應負荷）。是將基于價格和激勵的需求側響應統一起來，促使原不可控的基于價格的需求響應成為可控資源，使基于激勵的需求響應統一到對價格的響應，以實現批發市場和零售市場的結合，將市場的經濟性、系統的安全性和輸電規劃及長期容量可靠性很好的結合起來。

2 國內需求側響應實施進展

2017 年9 月發布的《電力需求側管理辦法（修訂版）》對電力市場改革環境下的電力需求側響應的主要內容進行了詳細闡述。同時結合電力市場建設情況和電力體制改革初衷，要求新時期的需求側響應要支持、激勵各類電力市場參與方開發和利用需求響應資源，提供有償調峰、調頻等服務，逐步實現需求側機動調峰能力達到年度最大用電負荷的3%左右，以保障非嚴重缺電情況下的電力供需平衡。部分電力需求側管理綜合試點如天津、河南以及江蘇需求側響應項目都取得了較好的成效，見表1。同年4 月18 日，廣東省能源局下發《廣東省2019 年電力需求響應方案（征求意見稿）》，意見內容見表2。

表1 2018 年各地區需求側響應項目

將競價模式應用于需求側響應，給予負荷集成商（售電公司）和電力用戶結合區域、自身負荷特性、用電習慣進行需求側響應報價或補償報價，有利于進一步發現需求側響應價格，更有利于發揮市場作用，讓市場引導資源優化配置進一步激發用戶參與響應的積極性[13]。試點地區競價模式的成功實施，標志著我國需求響應市場化程度有了進一步提升。

3 售電公司需求側響應策略

作為負荷集成商的售電公司，利用區域內電力用戶的大量用電數據，掌握區域用戶的用電習慣，可以進一步精細化用戶用電管理策略，打包負荷資源參與需求響應項目，進行需求響應競價。

表2 廣東省2019 年電力需求響應方案

3.1 激勵型需求響應策略

售電公司清楚了解售電區域內可調負荷和儲能裝置容量的大小，以此參與輔助服務市場交易、電力需求側響應，進行輔助服務報價，介入電力需求響應考核。在拿下訂單后可進行輔助服務訂單容量分解，將分解后的輔助服務容量交易給區域內的電力用戶，簽訂保供電協議、可中斷負荷協議等，約定電力輔助服務權利與義務。使用戶在合理用電的同時可以根據所降電量獲得一定合同獎勵，可參考各區域《電力需求側響應方案》中有關市場化交易電力用戶參與需求側響應服務費價格標準制定零售側用戶獎勵，以此提高用戶參與需求側響應的自主性。

3.2 價格型需求響應策略

針對用戶實時需求價格彈性問題，售電公司可以通過日前市場預出清價格等重要相關數據進行出清價格預測，根據用戶需求彈性、用電習慣、需求響應效果、系統邊際條件等進行價格信號的預處理，在通過媒介平臺提前將這一價格信號傳遞給代理電力用戶，使用戶能夠提前響應[14-15]。針對日前市場預出清價格信號進行預處理，可以根據用戶滿意度建模、系統約束條件、目標函數和大量歷史數據進行優化測算。

3.2.1 日前市場預出清量價信息預處理

（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施需求側響應一直是需求側響應的主要目標之一，由于用戶的用電習慣改變和用電費用支出直接影響到用戶的用電滿意度，因此在進行需求側響應時要保證用戶用電滿意度才能達到最佳的削峰填谷的目的。本文從用戶用電的舒適度和經濟度2 個方面構建用戶滿意度模型來進一步表示用戶用電的成本效益問題。

舒適度：在未進行需求側響應時，用戶會根據自身的價格彈性和用電需求，采用最舒適的用電行為，即需求側響應前的用戶用電負荷曲線便是用戶最舒適的用電方式。用戶參與需求側響應后，負荷曲線的挑戰也就直接反應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；為實施需求側響應前后每小時電量改變量絕對值的和;qt為原負荷情況下的用電總量。

經濟度：售電公司實施需求側響應可以根據日前預出清價格制定次日電力用戶的電價方案，同時電力用戶依據自身對電價的需求彈性，調整自身用電行為，改變負荷曲線，以此減少電費支出，具體經濟效益可以用經濟度EC來進行衡量，公式如下：

式中：pt，qt分別為原負荷曲線的時段電價和負荷值；p1t，q1t分別為實施需求側響應后的時段電價和負荷值。

假定日前預出清時的經濟度和舒適度為1，優化后整個用戶用電滿意度可以用公式表示：

（2）區域電網穩定性參數模型

日負荷率及日最小負荷率是可反映當天負荷分布的均衡性，較高的日負荷率表示當天電能利用率較高，因而高日負荷率有利于電力系統的高效經濟運行，可表示為：

式中：η1表示日負荷率；表示日平均負荷；qmax為日最大負荷。

負荷波動系數反應日負荷或周負荷的波動程度，表現電網負荷的穩定性，可表示為：

式中：qi表示不同時間段的負荷；q 表示日平均負荷；η2即為優化后的負荷波動系數。

式中：η01為預出清情況下的日負荷率；η02為預出清情況下的負荷波動系數。

（3）需求側響應負荷優化目標函數

依據上節對售電公司參與電力需求響應中多個參與方的效益建模表示，因此在進行負荷曲線優化時的目標函數可以設計為以售電公司效益最優為主的兼顧用戶用電滿意度和大電網穩定性的目標函數。

總目標函數：

式中：γ1，γ2為修正參數，可依據修正參數判定售電公司、用戶、電網的效益重要程度。本次優化的目標函數初始值標準化后，將參數γ1，γ2統一設為0．5。

（4）需求響應負荷優化約束函數

在進行電力需求側負荷優化時也要考慮到電網系統的運營特點、日前預出清電量以及需求側響應中負荷轉移的前后特點。因此本文采用市場能量守恒約束、移峰填谷約束、售電公司效益變動約束等3 個約束函數：

市場能量守恒約束。售電公司實施需求響應只是通過有效手段改變用戶用電習慣和用電時段，為保證售電公司收益穩定，要確定需求響應前后售電公司所代理的區域電量不變，及保證日前預出清的總電量不變。公式如下：

移峰填谷約束模型。因發生需求響應，當負荷發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，新的谷段負荷不可小于原有對應谷段負荷：

存在移峰情況時，新的谷段負荷不可大于原有對應峰段負荷：

優化后的峰谷差不可大于原有峰谷差。

售電公司效益變動約束。以保證售電公司開展需求響應后收益為正：

式中：q1t為日前預出清的每小時負荷值；p1t為日前預出清每小時電價值；qt，pt為負荷調整后的負荷電價值；ΔBDR為售電公司需求響應收益，由需求響應獎勵政策決定。

3.2.2 優化算法選擇

針對日前預出清量價數據的電力需求側響應優化是一個非線性函數的尋優問題，由于蟻群算法自反饋、收斂性和魯棒性上的優點本文選自利用蟻群算法進行電力需求響應電價及負荷優化求解，參考文獻[16-17]進行蟻群算法建模。

3.2.3 日前市場預出清量價信息需求響應優化案例

由于國內現貨市場啟動較晚，缺少現貨市場交易出清、結算以及售電公司實際運營數據，將選取澳大利亞電力市場中新南威爾士州NSW 地區的歷史時期每天每1 h 負荷和電價數據來代替日前預出清的量價信息，并假定售電公司需求側響應獎勵標準2$/（kW·天），進行模型驗證。

在維持用戶用電滿意度和確保電網穩定性的基礎上，可以利用用戶對電價的彈性實現日前預出清數據的需求響應優化，優化后的電價、負荷變化如圖2、圖3 所示，數據如表3 所示。售電公司可以據此方法提前制定相應價格型需求響應，通過媒介提前傳遞給用戶，同時也可作為實時出清和電網安全校核的參考。

通過對日前市場預出清量價信息需求響應優化后可以進一步測算出，模型目標函數的變化如表4 所示。

可見進行需求側響應優化后，雖然居民用戶的用電舒適度有所下降，但由于居民用電經濟度的提升，其總體用電滿意度有所提高，同時進行需求側響應優化，有效提高了電網日負荷率，降低了系統負荷波動情況。在該案例數據測算過程中，整體需求側響應目標效益提升了5．06%（目標函數變化量）。

圖2 需求響應優化價格對比

圖3 需求響應優化負荷對比

4 結語

隨著國網公司“三型兩網”建設不斷推進，以泛在電力物聯網為主的電力物聯技術的成熟將會對市場主體參與實施需求側響應提供更多的便利。現階段各試點區域如天津、江蘇、上海等地都在開展需求側響應項目，創新需求側響應模式。為進一步研究電力市場環境下售電公司參與需求側響應的模式策略，本文通過對美國PJM 需求響應模式，國內各試點區域需求響應項目實施現狀進行梳理，提出了售電公司開展需求側響應的2 種模式：激勵型需求響應策略，通過售電公司進行需求響應合約訂單分解，與區域用戶簽訂協議；價格型需求響應策略，從經濟度和舒適度構建用戶用電滿意度模型，完善價格制定的電網約束條件和售電公司效益約束條件，對市場日前預出清量價信息進行優化，得出基于用戶滿意度的價格數據，售電公司可以此制定次日電價方案，通過價格信號影響用戶用電行為。我國電力現貨市場建設的初期尚缺少有效的歷史數據支撐，隨著市場的不斷發展，本文中所提出的售電公司價格型需求響應策略也將會不斷完善改進，進一步探究適合中國電力市場和能源互聯網發展的PRD 模式。

表3 引入需求響應前后的電價負荷數據

表4 需求響應優化后模型參數變化