廣東電力現貨市場環境下的需求響應交易機制設計

關玉衡，何宇俊，肖云鵬，蔡秋娜，陳啟鑫

（1.廣東電網有限責任公司 電力調度控制中心，廣州 510699；2.清華大學 電機系 電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

需求響應(demand response,DR）指用戶根據價格信號或激勵手段改變既定用電計劃的行為。隨著用戶側市場的放開，以需求響應交易代替電力需求側管理已成為電力市場的發展趨勢［1］。國外需求響應的市場化實施已經開展了相當長時間，對我國需求響應機制設計具有一定的啟示［2］。美國PJM市場中，用戶可由削減服務提供商（curtailment service providers,CSP）代理的方式參與需求響應項目。PJM市場提供緊急型和經濟型需求響應，并基于聯合優化出清價格為CSP等市場主體提供補償［3］。澳大利亞能源市場運營商2013年已將需求響應納入了電力零售市場，2020年又設計了需求響應參與電力批發市場的框架，并將于2021年10月在澳大利亞國家電力市場正式實施［4］。在國內，隨著售電側改革的推進，目前浙江、山東、廣東等省份都相繼出臺了需求響應實施方案，從而推動需求側資源參與市場交易，緩解電力供需矛盾和保障電網的安全穩定運行［5］。近年來，更有學者提出諸如虛擬電廠［6—7］、可交易能源系統［8］、需求側能量共享［9］、第三方主體參與調峰［10］等新型的需求側市場化運營模式。

廣東省電力負荷具有峰谷差大、負荷波動劇烈的特點，滿足電力供需的動態平衡一直是廣東電網電力調度的一大難題。廣東省的電力用戶具有相當可觀的調節潛力［11］，需要有效的市場機制去引導利用。廣東省現貨市場在現階段對用戶側采用報量不報價的參與方式［12］，通過日前市場出清價格引導用戶需求彈性，是一種被動的用戶響應方式。隨著廣東省現貨市場的建設，市場主體逐步壯大，使需求響應可以主動參與市場競價［13］。從目前的電力市場建設來看，廣東省現貨市場環境下的需求響應機制無論是與國外成熟的現貨市場，還是與山東、浙江等電力市場中的需求側競價機制相比，均有所不同。本文介紹了廣東現貨市場環境下需求響應交易的組織機制，提出并分析了需求響應與發電機組同臺競價的市場出清模式與定價機制，并通過實際算例分析市場主體的市場行為和影響，以期為廣東省需求響應的市場化實施提供具體的思路。

1 廣東省需求響應市場化交易機制

1.1 需求響應的交易品種

需求響應按照響應類型可分為削峰需求響應和填谷需求響應；按照交易時序可分為日前需求響應和日內需求響應，并分別與現貨市場聯合出清。

1.2 需求響應的啟動條件

需求響應的啟動可以采用緊急情況和常態化參與現貨市場2種方式進行。

在市場初期采用緊急情況啟動。緊急情況包括因電網備用容量不足等導致電力供應缺口或當火電機組出力達最小技術出力仍不能匹配負荷需求時，滿足啟動條件則啟動需求響應。

1.3 需求響應的交易流程

需求側市場主體包括大用戶和需求響應代理商。日前需求響應與日前現貨市場協同出清，其交易流程如圖1所示。

（1）發布階段。在運行日前一日（D-1日），當系統運營機構預測到電力供應缺口時，需要決定是否啟動需求響應，并向需求側市場主體發布需求響應信息，包含需求時段、需求地區預測等。

（2）申報階段。需求側市場主體在收到發布信息后，需要向系統運營商申報響應價格和響應容量。需求響應的代理商也會同時向代理用戶發出邀約響應信號。代理商可根據用戶反饋的響應能力進行市場投標方案的決策。需求側市場主體采用分段報量報價的方式，最多可以分2段，報價曲線隨響應量增加單調遞增。

（3）出清階段。系統運營商對現貨市場與需求響應聯合優化出清，并公布出清結果，包括各時段響應容量、響應時段和出清價格等，然后向各市場主體發送中標響應容量和響應時段等。

（4）執行階段。運行日（D日），需求側市場主體按照中標結果在約定的時段執行需求響應，其中大用戶直接執行，代理商向代理用戶發送響應執行信號。

（5）結算階段。響應結束后，系統運營商基于用戶的響應執行情況，按照需求響應出清價格對市場主體結算。當響應存在偏差時，系統運營商會對市場主體進行偏差考核，而代理商是否對代理用戶考核取決于響應合同的約定方式。

1.4 需求響應的測量方式

需求響應負荷為基線負荷與實際測量負荷之差，按小時統計。基線負荷指未實施需求響應時用戶的用電負荷，作為判定需求響應執行效果的依據。基線負荷一般采用過去同類型日期負荷曲線的平均值來確定。對于儲能等類型負荷，可以直接采用計量負荷作為響應負荷。

1.5 需求響應的資金來源

削峰需求響應的各時段總收益由該時段需求地區市場用戶用電量進行分攤；填谷需求響應參照“兩個細則”深度調峰價格進行補償，由發電側按該時段上網電量比例分攤。

2 廣東省需求響應的出清與定價機制

2.1 基于現貨市場的需求響應出清模式

在廣東省需求響應機制設計中，需求響應不僅作為可競價的交易品種，而且作為“虛擬發電”與發電機組同平臺競價，與現貨市場聯合優化出清。需求響應可能采取的出清模式如下。

2.1.1 自主競價模式

在自主競價模式下，用戶可以申報“量-價”曲線，包括各時段可響應容量和對應的價格。需求響應用戶與其他機組具有相等地位，在美國PJM等成熟的現貨市場中長期采用這種模式。

自主競價模式賦予需求側市場主體較大的自主性，當需求側成為邊際機組時，也使其具有了現貨市場的定價權利。但由于需求側并不像發電機組一樣有真實的物理成本，因此需求側市場主體更可能通過抬高市場價格的方式獲得額外利潤，并影響其他發電機組的收益。

2.1.2 價格接受者模式

在價格接受者模式下，需求側市場主體沒有定價權，而是作為價格接受者。在實際模型中可將需求響應用戶視為計劃機組并優先出清。

價格接受者模式能夠保證需求側市場主體以最大容量中標，并且不會影響發電側市場價格。然而這種模式剝奪了需求側的報價權利，使得需求側主動參與現貨市場的積極性降低。

2.1.3 2次出清模式

綜合以上思路，在廣東省現貨市場的需求響應交易機制設計中，提出了2次出清模式，即首先由需求側與發電機組聯合優化出清，得到需求側聯合優化的市場出清價格；然后基于需求側中標結果修改負荷側的邊界條件，并再次對發電機組出清，得到僅包含發電機組優化的市場出清價格。因此，2次出清模式實現了需求側與發電機組的分別定價。

2.2 2次出清模式的市場出清模型

2次出清模式中，首先需要求解包含需求側競價的安全約束機組組合（security-constrained unit commitment,SCUC）問題。SCUC問題目標函數如式（1）所示

2.3 不同出清機制下的需求響應定價模式分析

上節討論了需求響應參與下的市場出清模型。在給定發電供應曲線和負荷預測的基礎上，不同出清機制的定價和市場主體收益如圖2所示。

在自主競價模式下需求側與發電機組同臺競價并且基于相同電能量價格結算。當需求側成為邊際機組時，需求側主體為了追求更大利潤而選擇報高價，會抬高發電側的整體價格，使其他用戶受損。

采用價格接受者模式時，完全由發電機組定價，雖然可以避免需求側主體影響市場價格，但同樣會削弱需求側資源參與市場的積極性，并且不能區分不同需求側資源的價值，削弱需求側競價對資源優化配置的作用。

2次出清模式下，能夠解決需求側自主競價和參與現貨市場出清的矛盾。首先，需求側競價的機制能夠發揮作用，需求側資源也會按照從低到高的報價順序出清，從而抑制部分市場主體隨意報價的行為，鼓勵其合理報價；其次，發電側的定價仍由發電機組報價曲線決定，即需求側市場主體無法抬高發電側價格。該機制保證了需求側在自主競價和不影響市場其他主體利益2方面取得平衡。

3 市場算例分析

本文采用廣東省現貨市場的實際算例來分析需求側選擇不同報價行為時市場主體的效益變化。圖3為廣東省現貨市場試結算運行期間某日的日前市場出清數據。同時，假設需求側參與現貨市場并與其他發電機組統一出清，并忽略網架結構等約束。

本文假設共有1 200 MW的需求側資源參與日前市場，分別屬于5家需求側市場主體A1、A2、A3、A4、A5，各市場主體擁有的用戶可調負荷以及對用戶可調負荷的補償金額如表1所示。

市場主體A1 A2 A3 A4 A5可調負荷/MW 240 200 280 200 180補償金額/（元·kWh-1）0.30 0.25 0.26 0.28 0.25

圖3中，16:00時的出清價格最高，為0.388元/kWh，因此需求側市場主體可以在16:00投標。基于發電機組在16:00—17:00時段4個15 min節點的報價數據，模擬16:00系統供給曲線如圖4所示。從圖4可見，大部分出力的報價在0.2～0.3元/kWh的區間內。

假設市場主體分別采用保守型和持留型2種策略進行投標，其中保守型對容量沒有持留，并按照真實成本報價；持留型選擇抬高報價并在容量上有一定持留。不同策略投標方案如表2所示。

市場主體A1 A2 A3 A4 A5保守型策略場景投標容量/MW 240 200 280 200 180投標價格/（元·kWh-1）0.30 0.25 0.26 0.28 0.25持留型策略場景投標容量/MW 200 160 200 150 150投標價格/（元·kWh-1）0.37 0.36 0.36 0.35 0.36

考慮需求側是否參與及不同投標策略場景下，發電側的96節點日前市場出清曲線如圖5所示。可以看出在需求側的參與下，系統減少尖峰時段的發電側出力，提高了系統運行的經濟性。

接下來聚焦到需求側中標的16:00時刻，該時段市場出清結果如表3所示。可以看到不同場景下出清價格有一定差異，這是因為在需求側參與現貨市場的情況下，一部分發電機組的容量會被替代，導致發電側出清容量下降，出清價格降低。而需求側在不同策略下的出清容量不同，也使得系統出清價格略有差異。16:00時不同需求側市場主體的凈收益情況（即市場收益減去補償費用）如圖6所示。市場出清后16:00時用戶側的總費用（包括發電機組和需求響應費用）如圖7所示。

出清機制自主競價模式價格接受者兩次出清模式投標策略保守型持留型保守型持留型保守型持留型需求響應出清價格/（元·kWh-1）0.332 0.370 0.332 0.346 0.332 0.370需求響應出清電量/MWh 1 200 960 1 200 960 1 200 960發電機組平均出清價格/（元·kWh-1）0.332 0.370 0.332 0.346 0.332 0.346發電機組平均出清電量/MWh 46 246 46 486 46 246 46 486 46 246 46 486

從算例結果可見，需求側的持留策略會讓市場出清價格明顯提高。在自主競價模式和2次出清模式下，由于此時需求側成為邊際機組，需求側主體會更傾向持留策略的報價，通過影響出清價格來獲得更高收益。在價格接受者模式下，由于需求側主體不能影響價格，因此在其投標時段選擇更多容量中標的策略更有利。從圖7可以看出，在自主競價模式下，如果需求側選擇持留策略，系統總費用會明顯高于其他場景。這是因為在自主競價模式中，有可能由需求側來定價，此時如果需求側抬高價格，系統的總費用會顯著增加，并影響用戶利益。而價格接受者模式和2次出清模式都是由發電機組中的邊際機組來定價，對出清價格影響較小。綜上所述，2次出清模式是3種機制中唯一能夠同時兼顧需求側自主競價和對市場影響較小的方式。

4 結束語

隨著廣東省電力現貨市場機制的不斷完善，將需求側資源納入現貨市場交易具有深遠的發展前景。本文首先介紹了廣東現貨市場環境下需求響應機制的交易品種、啟動條件、交易流程、測量方式和資金來源等。然后，針對需求響應和發電機組同臺競價的情形，探討了廣東省需求響應的2次出清模式與其他出清機制的差異，并分析了相應的定價機制。最后，基于廣東電網實際數據進行了模擬仿真，結果表明通過2次出清模式能夠避免需求響應競價行為影響市場價格，有利于穩定現貨市場的正常運行秩序。本文對需求響應機制的分析將會為廣東省進一步完善市場化需求響應的實施提供參考借鑒。D