考慮保險機制與用戶需求響應的售電公司優化運營

溫錢惠，魏震波，張勇林，梁政，何永祥

(1.四川大學電氣工程學院，成都市 610065；2.四川電力交易中心，成都市 610000；3.國網四川省電力公司遂寧供電公司，四川省遂寧市 629000)

0 引 言

國家發展和改革委員會于2021年10月發布《關于進一步深化燃煤發電上網電價市場化改革的通知》[1]，標志著新一輪電力體制改革進入了新的階段。在開放的電力市場中，由于市場供需的多變性及市場競爭的激烈性，且受天氣條件、季節、生產訂單、政策等因素的影響，電力用戶的用電行為具有較強的不確定性。由于電力的屬性，電網處于發電和用電實時平衡的狀態中，如果電力用戶沒有按照之前交易的電量計劃進行用電，那么就會打破這種平衡，需要調整發電計劃，給電網和電廠運行造成額外的成本。而偏差考核能夠在一定程度上約束用戶按計劃進行用電，有助于電網安全穩定運行。代理零售用戶的售電公司聚焦點之一在于偏差電量考核，為了避免售電公司在電力市場中的運營風險，已有相關學者進行了大量研究。

需求響應(demand response，DR)作為需求側優化管理的一種長期有效的重要手段，其主要通過市場價格信號或激勵機制引導用戶主動改變原有用電消費模式以解決電力市場電量不平衡風險等問題。在價格型需求響應(price-based demand response，PBDR)方面，文獻[2]考慮了月度偏差電量考核以及分時電價對用戶用電量的影響，確定售電公司在不同市場的最優電價差率。文獻[3]針對售電公司面臨的現貨價格和用電需求波動等風險，提出一種考慮價格型需求響應的售電公司風險評估模型。文獻[2-3]所提出的模型均降低了售電公司偏差電量考核風險，提高了收益，但在設計電價方案時沒有對各類型用戶的用電行為進行充分分析，忽略了作為市場主體的售電公司和用戶提高收益及節省電費成本的客觀需要。針對上述研究的不足，文獻[4]提出一種考慮用戶用電特征的售電公司定制化電價決策模型，使用戶獲得一定的利益以驅動用戶參與用電需求響應，保證了售電公司和用戶的價值雙贏。但以上研究均未考慮到用戶響應的不確定性，文獻[5]針對售電公司面臨的用戶用電量風險，提出了計及需求響應不確定性的售電商峰谷電價決策模型，降低了售電公司風險損失。

激勵型需求響應(incentive-based demand response，IBDR)能夠有效地鼓勵用戶實現更高效的用電，有助于售電公司在電力市場的電量平衡。文獻[6]利用靈活有效的需求側電價激勵機制，提高終端用戶參與需求響應的積極性，從而平衡偏差電量。文獻[7]利用條件風險價值(conditional value at risk， CVaR)量化售電公司面臨的負荷波動風險，搭建規避偏差電量考核的售電公司定價模型。文獻[8]考慮在需求響應機制影響下，采用可中斷負荷合同優化偏差電量考核模型，通過捆綁合同降低了考核費用，從而提高了整體收益。以上文獻在一定程度上降低了售電公司電量風險，但是未將需求響應與售電公司的零售合同模式相關聯。對此，文獻[9]基于信息間隙決策理論建立了包含需求響應的多種零售合同模型，建立了與零售合同相匹配的需求響應模型，該模型能夠保證售電公司收益不低于某一預設的最低可接受值，從而降低了售電公司的財務風險。文獻[10]結合電價型與激勵型需求響應的各自優勢，售電商及用戶均可通過需求響應而獲益，但只能減少售電公司的正偏差電量。為消除售電公司電量差額，文獻[11]將用戶側作為平衡資源降低了售電公司風險損失，但是忽略了在激勵型需求響應中用戶對相鄰時段補貼價格差的反應。對此，文獻[12]考慮了需求響應補貼價格對后續需求響應用戶舒適成本的影響。文獻[13]進一步構建了考慮用戶對相鄰時段補貼價格差反應的需求響應激勵價格優化策略，提高了售電公司的最大化長期收益。

上述研究雖進一步降低了售電公司的偏差電量考核成本，提高了售電公司經濟效益，但忽略了用戶的需求響應能力。對此，文獻[14]建立了協調考慮用戶需求響應能力的售電公司購售電決策模型。文獻[15]建立了包含用戶是否響應以及響應量不確定性的隨機規劃模型，分析了售電公司收益最大的需求響應最優調用策略。上述文獻所提模型僅對激勵價格進行優化，未考慮激勵形式對用戶響應行為的引導作用。

此外，隨著保險機制在風險行業的廣泛應用，將保險納入到售電市場中成為趨勢。文獻[16]提出在大用戶直購電交易中將保險理論管理風險引入需求側。文獻[17]針對風電商參與現貨市場電量電價預測不準確的問題，利用保險機制轉移不平衡風險。此外，針對發電商的投資回報率不穩定等收益損失風險，設置發電商電量損失保險以及利潤損失保險[18]。上述研究為售電公司轉移不平衡風險、規避利潤損失提供了有效途徑。文獻[19]構建了可再生能源發電商與售電公司博弈最優利潤模型，研究有無電力保險下的最優交易決策。文獻[20]針對電價波動導致的售電公司巨大利潤損失風險，提出了基于市場保險的電價波動保險機制。以上研究主要針對發電商和大用戶規避電量及利潤風險，對售電公司在電力市場交易保險機制方面的研究及應用較少。

針對以上現狀與不足，本文將電力保險機制引入電力市場中，以售電公司為實施主體提出階梯式需求響應激勵機制。分析用戶在日前需求響應市場下的決策行為，考慮用戶主動響應行為和負荷波動的不確定性，對售電公司實現規避風險的可行途徑展開研究。第一階段，搭建電力現貨市場環境下保險公司、售電公司與電力用戶參與電力市場的交易架構，闡述市場保險的原理，建立市場保險的保費模型；第二階段，考慮雙邊合同違約懲罰機制，建立階梯型需求響應激勵模型，在此基礎上建立售電公司的利潤模型及用戶的成本模型；第三階段，以國內某售電公司為例進行仿真模擬，對其運營策略與利潤情況進行分析。

1 含保險公司的現貨市場結構

不同于傳統電力市場，含保險公司介入的現貨市場結構如圖1所示。

圖1 含保險公司介入的市場結構Fig.1 Market structure including the insurance companies

售電公司、保險公司及電力用戶通過電力交易平臺掌握市場政策及交易規則。售電公司可為用戶設計具有激勵作用的電力套餐，提供負荷管理服務方案，電力用戶則可以通過改變生產用電時間等方式來動態調整用電行為以滿足售電公司及自身需求。

保險公司制定并公布有關市場保險的相應條款，向售電公司說明保費及賠償的厘定方法，并根據電力市場整體歷史運營情況制定保險費率。售電公司根據自身情況及保險公司提供的保險策略購買保險，在市場保險支持下，售電公司如決定購買保險，則必須在開展電力市場業務之前與保險公司簽訂保單。為了直觀地體現保險機制對售電公司效益的影響，提出適合售電公司的險種——偏差考核保險。所謂偏差考核保險就是售電公司通過保險公司為自己在參與電力市場交易后作偏差電量考核保險。保險公司擔保的是售電公司的偏差電量考核費，當售電公司未產生偏差電量考核費時，保險公司不需要向售電公司支付賠付金額；當售電公司產生偏差電量考核費時，保險公司根據保單約定，賠付售電公司不超過賠償期的經濟損失。

2 市場主體模型

2.1 售電公司模型

2.1.1偏差考核模型

售電公司購電成本Ccd包括：

(1)

Qf,t=Qb,t+Qd,t

(2)

式中：PB為雙邊合同電價；Qb,t為長期雙邊合同在t時段的電量；λt為t時段的現貨市場出清電價；Qd,t為t時段的現貨市場購電量；Qf,t為售電公司在t時段的的總實際購電量；T為總時段數量。

本文采用售電公司承擔全部偏差考核責任的方式，將售電公司的優化周期定為1天，即T=24。偏差考核的結算方式為：將用戶實際用電量與售電公司購電量之差比上售電公司購電量，所得結果若在±2%以內，則售電公司免于支付偏差考核費用。當所得結果超過±2%時，若售電公司代理用戶的實際用電量超過售電公司購電量，則超用部分電量按月度交易電價上限支付考核費用；若小于售電公司購電量，則按月度交易電價上限的70%支付考核費用[21]。售電公司的具體考核模型為：

(3)

(4)

(5)

2.1.2保費模型

售電公司在響應日之前與保險公司簽訂保單。售電公司購買保險時支付的保費m為：

(6)

2.1.3利潤模型

1)售電公司未購買偏差考核保險時的利潤函數R1為：

(7)

2)在偏差考核保險下，售電公司的利潤函數R為：

(8)

3)保險公司將支付給售電公司的賠償金C2為：

(9)

2.2 電力用戶成本模型

2.2.1零售合同模型

(10)

2.2.2購售電合同越限懲罰機制

(11)

2.2.3用戶需求響應模型

(yj-yj+1)(δj-100%)≥0

(12)

式中：yj為第j段階梯區間的需求響應激勵系數；yj+1為第j+1段階梯區間的需求響應激勵系數；δj為第j段階梯區間邊界。

在用戶參與積極性不高、響應行為與需求響應合同電量偏差較大的情況下，提出階梯式需求響應激勵機制，如圖2所示。

圖2 階梯式DR激勵機制Fig.2 DR ladder-incentive mechanism

這樣的需求響應階梯激勵系數可表示為：

(13)

售電公司根據用戶實際響應量與期望響應量的比值對購售電合同價格進行修訂。對于實際需求響應比值處于δ0與δk之間的用戶，售電公司將提供一定的價格優惠套餐，制定購售電合同動態電價，提高用戶參與需求響應的積極性。用戶用電合同價格折扣套餐滿足：

(14)

式中：ρc為需求響應優惠價格上限。

考慮用戶心理因素、負荷波動、激勵水平等多重不確定性的用戶需求響應模型，用戶的實際需求響應量服從正態分布。

(15)

(16)

(17)

3 售電公司優化運營模型及其求解

3.1 目標函數

3.1.1用戶成本

對于電力用戶而言，其優化目標為購電成本與需求響應成本之和最小，即：

(18)

式中：Cu為電力用戶的總成本。

3.1.2售電公司收益

對于售電公司而言，其優化目標為收益最大化。收益組成為購售電費、偏差電量考核費、用戶的越限電量懲罰費、保費，具體如下：

(19)

3.2 模型求解

上述模型的求解分為三層：

4 算例分析

4.1 原始數據

某售電公司有10個用戶(用戶均為負荷削減型用戶)具備參與激勵型需求響應的能力，對用戶以及售電公司的相關數據進行設定。設整個電力市場用戶統一電價系數為0.4，保險公司的利潤率為行業平均值3%，需求響應頂格優惠價為0.1元/(kW·h)。需求響應選擇冬季用電高峰時段，階梯個數k=11，對模型進行驗證分析。本文在Matlab-R2016b環境下進行仿真編程，取1 h為1個時段，將00：00—01：00記為時段1，01：00—02：00記為時段2，依次類推，可得一天共有24個時段。

4.2 結果分析

利用Matlab仿真求解考慮保險機制模式下階梯式需求響應激勵機制的最優階梯激勵系數，進行多目標優化。售電公司捆綁總負荷參與電力市場交易，用戶需求響應激勵達標比值為67%，激勵封頂比值為133%范圍，即當用戶需求響應總量占需求響應期望量的67%～133%時售電公司無偏差考核電量。此時對應用戶的需求響應量在2 412～4 788 kW·h之間，用戶的需求響應量低于2 412 kW·h時為欠響應，高于4 788 kW·h時為過響應。表1所示為最優階梯激勵系數，隨著階梯區間接近100%，激勵系數從最低的0.41遞增到1.00，對用戶參與響應、精準響應均有引導作用。

表1 階梯式激勵機制系數優化結果Table 1 Optimization result of demand-response ladder-incentive mechanism

圖3為短時間尺度階梯式激勵機制系數多目標優化解集，其為運行1 500次后收斂所得，Cu/R最小值和最大值如圖所示。因為用戶實際用電量越多，且用戶的實際需求響應量越偏離期望值時，售電公司的收益及用戶總成本越高。而當用戶實際用電量越少，且用戶的實際需求響應量越靠近期望值時，售電公司的收益及用戶總成本越低。并且發現并非響應比值為100%時，市場凈收益一定最大。最優響應比值取決于激勵標準以及不同時段內的響應特性。最優折中解如圖3所示，對應用戶的總成本為27 032.6元，售電公司的收益為8 825.1元。

圖3 階梯式激勵機制系數最優解集Fig.3 Optimal solution set of ladder-incentive

需求響應量與售電公司的利潤關系如圖4所示。從中可以看出當用戶為欠響應時，售電公司在有保險時的利潤高于無保險時的利潤，此時售電公司的利潤較高且高于最優折中解所對應的值。而當用戶的實際需求響應量高于2 412 kW·h且低于4 788 kW·h時，售電公司在有保險時利潤低于無保險時利潤。這是因為當用戶的實際需求響應量比值落在67%～133%范圍之外時，售電公司產生了偏差電量考核費，按照售電公司與保險公司簽訂的保險合同規定，保險公司需要向售電公司支付賠付金額。而當用戶的實際需求響應比值落入67%～133%范圍時，售電公司未產生偏差電量考核費用，保單成功，售電公司需要向保險公司交納一定的保費。因此，當用戶需求響應量為2 400 kW·h時，售電公司的收益和用戶總用電成本都較低，這是因為多數用戶的需求響應量落入激勵比值區間內，并且位于期望值附近。相應地，用戶受到的激勵補貼較高，因此用戶總用電成本較低，而售電公司因為用戶用電量的減少導致售電服務費減少，以及補貼費用的增加，從而造成總體收益下降。另外，從圖4中可以看出，售電公司的利潤受用戶的需求響應量影響最大，隨著用戶的需求響應量增加，用戶的實際用電量減少，售電公司的利潤在保費和階梯式激勵補貼的作用下減少。

圖4 需求響應量與售電公司的利潤關系Fig.4 Relationship between demand response volume and the profit of the electricity sales company

圖5給出了保費和售電公司收益的關系。由圖5可知，隨著保費的變化，售電公司的收益先減少后增加再減少。這是因為隨著用戶響應量的增加，響應過程從欠響應過渡至過響應，直至用戶響應能力趨近飽和。根據公式(6)，用戶的響應能力直接影響保費的數值，保費先增加后減少，從而售電公司的收益出現如圖5所示的變化，且用戶處于過響應時售電公司收益下降的速度更快。本算例中，用戶處于欠響應時，售電公司用于引導用戶改變用電行為造成的售電收入損失影響不大，但由于是欠響應，仍會給售電公司帶來偏差考核，造成其收益減少。隨著用戶響應量增加，用戶需求響應電量處于規定響應區間，售電公司在保險和激勵補貼的作用下總體利潤增加。而后當用戶的需求響應比值超過激勵封頂比值上限時，根據售電公司與用戶簽訂的購售電合同及需求響應合同，用戶用電量越限會面臨一定的懲罰費，且使售電公司產生偏差考核電量，造成售電公司總體收益下降。

圖5 不同保費下的目標函數值Fig.5 Objective function value under different premiums

5 結 論

針對電力市場中電量高度波動給售電公司帶來的巨大利潤損失風險，本文在日級別時間尺度上，對售電公司優化運營問題進行了建模與分析，通過具體的算例模擬分析激勵型需求響應的市場實施情況。仿真結果表明，激勵型需求響應參與包含保險機制的現貨市場能給售電公司和用戶帶來顯著的經濟效益，實現雙贏的最佳市場設計目標。通過本文的研究，得出如下結論：

1)本文所提出的階梯式需求響應激勵機制能夠提高用戶需求響應積極性，降低激勵成本，提高售電公司的需求響應機制實施效果。

2)在電力市場中引入市場保險能有效降低售電公司經營風險，售電公司可以獲得可觀的利潤，有助于促進電力市場化改革，同時這為保險公司拓展業務開辟新的市場帶來了新的機遇。

3)當用戶按規定進行需求響應時，售電公司的利潤隨保費的增加而增加，這表明通過設置合理的保費，能使售電公司利潤增加，同時降低用戶的用電總成本。而用戶如果是欠響應或過響應，則對售電公司的利潤產生不利影響，使售電公司受到偏差電量考核。

本文所設計的考慮保險機制模式的需求響應激勵機制模型為售電公司降低經營風險、提高自身競爭力提供了一種全新的思維導向，也為保險公司的業務創新帶來了新的機遇。本文提出的階梯式需求響應激勵機制，可為未來售電商發布激勵型需求響應提供參考。未來將考慮售電公司之間運營決策的影響，進一步研究我國售電公司規避風險的機制。