基于閾值價格的可中斷負荷補償與利潤聯(lián)動研究

基于閾值價格的可中斷負荷補償與利潤聯(lián)動研究

在能源市場環(huán)境下，中央動力中心的供應率保持不變。衡,有時需要購買一部分可中斷負荷等效為一種“電力資源”,即把可中斷負荷補償費視為該“電源”的電價,因此,可中斷負荷定價問題的核心是建立一套符合市場規(guī)律的可中斷負荷補償機制。近期,全國電力供應緊張,“電荒”蔓延到各省電網(wǎng),拉閘限電報道不絕于耳。引發(fā)了一個令人深思的問題,在解除管制條件下,電力緊張時,如何利用經(jīng)濟杠桿作用,合理利用可中斷負荷資源,調(diào)配有限的電力資源,實現(xiàn)社會效益最大化。市場環(huán)境下,市場參與者之間都是平等的,經(jīng)濟上是獨立的,目標是追求利益最大化,目前依靠行政命令拉閘限電方式已經(jīng)不能適應電力市場的要求,必然引起經(jīng)濟糾紛。尤其我國現(xiàn)階段的電力市場初級階段,區(qū)域電力市場地理范圍大,可靠性水平相對較低,被迫中斷供電在所難免。因此,建立一套符合市場規(guī)律的可中斷負荷補償機制對保障系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行具有重要意義。另外,傳統(tǒng)方法確定的備用容量,缺乏科學性,存在著長期“備而不用”的問題,不僅造成資源的浪費,而且也導致電費成本的增大。選取合理的備用容量是解決問題的關(guān)鍵,目前,有許多確定備用容量優(yōu)化方法,不可避免會遇到備用容量不足的風險,然而,由于缺乏一套合理的可中斷負荷補償機制,致使許多算法無法實際應用,沒有發(fā)揮社會效益。可中斷負荷在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定以及有效規(guī)避風險有很大作用。文獻討論了利用可中斷負荷替代一部分備用容量;文獻介紹了臺灣電力公司采用的可中斷負荷方案;文獻討論電價期權(quán)定價方法,可中斷負荷基于遠期合約認購期權(quán)方式獲得補償?shù)姆椒?文獻、論述了基于博弈理論的思想利用可中斷負荷的方法,有關(guān)可中斷負荷利用研究的文獻不勝枚舉。總之,合理利用可中斷負荷是電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行和規(guī)避風險的有效手段。要有效利用可中斷負荷必須首先解決兩大關(guān)鍵難題:1)如何激勵負荷積極參加可中斷負荷服務;2)如何制定合理的補償費。提出一種利用可中斷負荷補償?shù)难a償機制,合理解決了上述兩個難題,有效解決激勵與補償之間矛盾。同時討論了兩種補償費計算方法。仿真計算利用加拿大負荷停電成本為依據(jù),分析說明該方法可行,具有實用價值。1閾值價格t分析假設某一用戶t,消費單位電能創(chuàng)造的社會效益為V(t);購買單位電能邊際價格CMcp;伴隨使用單位電能引起的附加成本為Co(t),包括材料消耗、人工成本、設備成本磨損等。用戶t單位電量創(chuàng)造的利潤Bu(t)為:Bu(t)=V(t)-Co(t)-CΜcp(1)Bu(t)=V(t)?Co(t)?CMcp(1)定義用戶t的停電閾值價格Pf(t)為:Ρf(t)=V(t)-Co(t)(2)Pf(t)=V(t)?Co(t)(2)上式中各變量之間關(guān)系見圖1。圖上顯示閾值價格Pf(t)的另外一個含義為購電成本與利潤之和。定義閾值價格有3個意義:1)利潤可比性。不同的負荷效益不同,缺乏可比性。去掉負荷的附加成本Co(t),負荷利潤在相同價格水平下,經(jīng)濟利潤具有可比性。見圖2。2)動態(tài)反應利潤隨電價波動變化的規(guī)律,為計算動態(tài)補償提供依據(jù)。3)有效規(guī)避高成本購電。在電力市場環(huán)境下,電價隨供需關(guān)系波動,從公式(1)分析,如果CMcp增大,當Pf(t)=CMcp時,Bu(t)=0,即,用戶利潤為零。作為理性消費用戶應該選擇停止用電。因此,用戶t設置一個臨界值作為停電閾值價格能有效規(guī)避高購電成本的風險,出現(xiàn)Bu(1)≤0,購買電能創(chuàng)造的負利潤現(xiàn)象。圖2顯示:1)利潤低的負荷閾值價格低,閾值價格與利潤之間是聯(lián)動關(guān)系,調(diào)度根據(jù)閾值價格的排序確定切除可中斷負荷的順序;2)電價波動,從CMcp上升到CMcp′(虛線高度)時,所有負荷利潤都減少。負荷1(成本高利潤低)的利潤Bu(1)≤0;負荷2正好達到閾值價格,Bu(2)=0;負荷3(利潤高的用戶)Bu(3)≥0。只有負荷3閾值價格高于閾值價格,其它負荷應該理智的選擇停止用電,獲得相應的停電補償費。因此,閾值價格不僅能反應電價波動引起利潤動態(tài)變化的關(guān)系,而且能作為調(diào)度機構(gòu)切負荷的依據(jù)。2放電費、可中斷負荷可中斷負荷的補償機制,必須解決補償費用來源和具體定價補償費用問題。當系統(tǒng)發(fā)生有功缺額情況時,調(diào)度交易中心應該購買一部分可中斷負荷充當“電力資源”,用于維持系統(tǒng)供需平衡,該“電源”的購電成本由仍然繼續(xù)用電的用戶分攤。具體補償額可以通過兩種方式獲得,一種方法由類似于ISO、PX或SC等機構(gòu)對用戶的閾值價格進行評估;另一種方法是由用戶申報可中斷負荷容量及其相應的閾值價格。系統(tǒng)調(diào)度根據(jù)閾值價格排序,同時計算停電補償費,按低價優(yōu)先原則,切除可中斷負荷?？芍袛嘭摵晒芾矸椒ㄊ?消費者與調(diào)度交易中心簽訂一個可中斷負荷合同,在固定時間或任何系統(tǒng)需要的時間用戶減少他們的負荷需求。這些用戶通過安裝負荷限制器或電網(wǎng)調(diào)度發(fā)控制信號控制可中斷負荷,達到減負荷的目的,同時獲得補償。3數(shù)學模型3.1社會收益社會主義f,ccp的約束條件該機制是通過價格杠桿調(diào)節(jié)需求,把有限資源重新最優(yōu)配置。例如,當系統(tǒng)電能緊張或者備用容量不足時,調(diào)度機構(gòu)按停電閾值價格順序切除負荷。設系統(tǒng)目標函數(shù)為社會利潤最大化:ΜaxB(→Q,→V,→Ρf,→CΜcp)(3)s.t.S(→Q,→V,→Ρf,→CΜcp)=0,Τ(→Q,→V,→Ρf,→CΜcp)≤0。式中,B(→Q,→V,→Ρf,→CΜcp)為標量,為社會利潤;等式約束條件:S(→Q,→V,→Ρf,→CΜcp)=0;不等式約束條件:Τ(→Q,→V,→Ρf,→CΜcp)≤0?！鶹=(V(1),V(2),?,V(n))；→Ρf=(Ρf(1),Ρf(2),?,Ρf(n))；→CΜcp=(CΜcp1,CΜcp2,?,CΜcpm)；→Q=(Q1,Q1,?,Qm)?CMcpi、Qi分別表示第i個區(qū)域邊際電價、發(fā)電容量。3.2計算中斷補償制定合適的停電補償費是一個關(guān)鍵問題。本文補償宗旨是合理補償可中斷負荷的利潤,提出兩種補償費算法,即固定補償費和動態(tài)補償費。1基于供需關(guān)系和成本核算方法的費用值的確定取系統(tǒng)正常時平均邊際電價CMcpA,閾值價格與邊際電價之差,即為正常情況下的利潤。補償費等于系統(tǒng)邊際電價為CMcpA時的利潤乘以一個比例系數(shù)。可中斷負荷的Pc(t)補償費為:Ρc(t)=μ(Ρf(t)-CΜcpA),0≤μ≤1(4)μ(0≤μ≤1)是一個常數(shù)。有兩種思路確定μ:一種,基于供需關(guān)系,即在峰、谷、平3個時段確定不同的μ值,補償費按照該利潤的一定比例支付,補償費體現(xiàn)供需關(guān)系;另一種,基于成本核算方法,取μ=1,停電補償費等于利潤。本文算例中μ=1。2實時邊際電價利潤隨價格波動,補償費等于利潤,補償費也應該隨價格波動?？芍袛嘭摵傻腜c(t)補償費為:Ρc(t)=Ρf(t)-CΜcp(5)式中,CMcp為實時邊際電價。動態(tài)補償更能反應實時電價對利潤的影響。由(4)、(5)式得出,閾值價格與補償費聯(lián)動。在相同的邊際電價時,利潤越大,閾值價格高,補償費多。成本高利潤低的負荷,補償費也低,供電不足時先停電。利潤、補償費和閾值價格聯(lián)動關(guān)系,符合市場運行規(guī)律。3.3購電成本分析目前我國省級電力市場電網(wǎng)的范圍相當于一個中等歐洲國家電網(wǎng)所管轄范圍,但我國電網(wǎng)薄弱,負荷分布不合理,造成局部地區(qū)電力供需緊張的矛盾,因此,提出分區(qū)域定價方案。缺電問題通過一個現(xiàn)貨市場結(jié)算來解決,每個價格區(qū)域采用單獨電價。如果市場缺電現(xiàn)象,那么市場將以統(tǒng)一價格結(jié)算。如果預測到有缺電,調(diào)度(或ISO)就宣布系統(tǒng)將在預測的缺電區(qū)域分割出價格分區(qū),而且每個價格區(qū)域都要在滿足輸電約束的條件下分別設置分區(qū)價格。設系統(tǒng)第i分區(qū)發(fā)生缺電現(xiàn)象,考慮對不同用戶的可中斷負荷補償費存在差異,系統(tǒng)購電成本由兩部分組成,一部分是無約束條件下購買電能成本;另一部分是購買可中斷負荷補償成本。系統(tǒng)購電成本Cg為:Cg=Μ∑i=1CΜcpQi+λl∑t=1R(t)Ρc(t)(6)式中,Qi為i區(qū)域發(fā)電量;R(t)表示用戶t提供可中斷負荷容量;當發(fā)生系統(tǒng)有功功率缺額時λ=1,否則λ=0。當沒有調(diào)用可中斷負荷時該部分為0。設i分區(qū)電價等于系統(tǒng)單位容量購電成本Ce:Ce=Μ∑i=1CΜcpQi+λl∑t=1R(t)Ρc(t)Μ∑i=1Qi(7)由(7)式知,當電網(wǎng)發(fā)電量一定時,隨著購買可中斷容量增加,購電單位成本增加。3.4節(jié)點負荷自適應求解過程設系統(tǒng)總負荷為QR,系統(tǒng)價格上限為Cmax,根據(jù)上述(3)～(7)公式,按照補償費由低到高順序切除可中斷負荷,利用自適應方法求解,求解過程見圖3。調(diào)度交易中心通過程序計算,由(3)式及其約束條件,確定停電閾值價格,履行可中斷負荷合同。被切除的可中斷負荷最高閾值價格為邊際閾值價格。低于邊際閾值價格的可中斷負荷按照賠償費及相應停電容量進行補償?？芍袛嘭摵赏ｋ婇撝祪r格是由供需關(guān)系決定的,缺電越嚴重,價格越高,符合市場規(guī)律。3.5利益分配效應分析絕大多數(shù)文獻討論可中斷負荷補償機制時,不約而同地提出一個關(guān)鍵問題,如何激勵負荷如實申報停電補償問題。補償費低,不能激勵負荷參與可中斷負荷服務。補償費過高,造成購電成本增加,電價不合理。本文機制有效解決該問題。通過一個例子說明該算法的激勵機制。設某可中斷負荷,單位電能產(chǎn)生真實社會效益為100元,附加成本占60元,其中原材料費、設備損耗費、稅金等占附加成本的80%(48元)。系統(tǒng)正常情況下,購電花費18元,此時,該負荷的利潤為:22元,按公式(4)、(5)計算得補償費均為22元。如果發(fā)生缺電,價格上升到21元,此時,該負荷得利潤減少到19元。如果該用戶申報一個合適的停電閾值價格,被系統(tǒng)切除,用戶按照方法A計算可獲得22元的利潤補償,按照方法B獲得19元補償。另外,聰明的消費者還能從附加成本中節(jié)約48元,利潤高于此時用電帶來的利潤。可以看出方法A比方法B的激勵作用更明顯。在市場環(huán)境下,市場參與者的目標是追求利潤最大化,上例分析知該機制下,對于成本高效益低的理性電力負荷,當電費成本增大,利潤空間減少時,選擇停電并獲得補償,能實現(xiàn)的利潤最大化,因此,能激勵負荷參與可中斷負荷管理。另一方面,鼓勵可中斷負荷申報合理的閾值價格,避免出現(xiàn)“負利潤”風險,消除負荷申報高補償費的動機。4加拿大各節(jié)點系統(tǒng)負荷利用加拿大的停電成本,討論兩種補償費計算方法比較和實用性說明。采用文獻提供的測試系統(tǒng),總裝機容量為240MW,系統(tǒng)參數(shù)及系統(tǒng)圖見文獻,Bus1為平衡節(jié)點,Bus2為PV節(jié)點,設系統(tǒng)Bus1、Bus2各留10MW備用容量,系統(tǒng)總負荷為185MW。設上網(wǎng)電價為0.30元/(kW·h)。文獻提供的加拿大各類負荷平均停電成本及每類負荷占總負荷的比例。增加可比性,將文獻中的加元(按1∶6近似)轉(zhuǎn)換為人民幣,列出可中斷負荷容量、停電補償費及停電閾值價格見表1。4.1可中斷負荷的電價功率缺額一定,補償費變化對系統(tǒng)電價影響。設:Bus1的10MW、20MW和Bus2的一臺5MW發(fā)電機因故停運,在該運行方式下,計算系統(tǒng)潮流,Bus1、Bus2發(fā)電量分別為69.1MW、115.0MW,此時,系統(tǒng)負荷容量178MW,容量缺額為7MW。平均分攤網(wǎng)損后,下網(wǎng)電價為0.31元/(kW·h)。補償費以大用戶停電成本0.978元/(kW·h)為基礎(chǔ),按一定比例增大,系統(tǒng)電價變化結(jié)果,見表2。當調(diào)用可中斷負荷容量為7MW時,補償費按0.978元/(kW·h)計算,系統(tǒng)電價為0.348元/(kW·h),一般負荷都能接受。討論一種夸大的現(xiàn)象,如果停電補償費增大10倍,即,可中斷負荷出讓1kW·h電能,獲得補償9.78元(絕大多數(shù)負荷利用單位電能創(chuàng)造利潤不會大于該值),此時,系統(tǒng)電價為0.694元/(kW·h),該電價還是可以被容忍。說明可中斷負荷的補償費可以在很大范圍內(nèi)變化,可以預見,我國可中斷負荷補償費不會超出該范圍。因此,在補償費方面,該算法滿足實用要求。4.2可中斷負荷和補償價格計算閾值價格不變(補償費不變),調(diào)用可中斷負荷容量變化對系統(tǒng)電價影響負荷容量變化,系統(tǒng)潮流必然變化,潮流計算結(jié)果顯示,網(wǎng)損變化相對不大,因此,設下網(wǎng)電價保持0.31元/(kW·h)。設停電補償費為0.978元/(kW·h)時,可中斷負荷從2～55MW增大。利用公式(3)～(7)計算得到可中斷負荷容量與電價的關(guān)系結(jié)果見表3。當系統(tǒng)調(diào)用可中斷負荷達到55MW,達到總負荷的30%時,系統(tǒng)電價為0.723元/(kW·h)(低于我國目前某些地區(qū)農(nóng)網(wǎng)電價),該價格能也能被用戶接受。按照表1,大用戶和居民占總負荷的64%,而且補償費低。說明該算法有充足的廉價的可中斷負荷資源作基礎(chǔ),滿足系統(tǒng)實際應用條件。通過上述分析,得到如下結(jié)論:1)實際系統(tǒng)中可中斷容量和補償價格兩方面都能滿足該算法實用性要求;2)購買可中斷容量越多,電價越高;3)隨著補償費增大,系統(tǒng)電價上漲。另外,兩種定價補償費計算方法計算結(jié)果比較見表3,結(jié)論如下:1)方法B的電價結(jié)果低于方法A的電價;2)在停電閾值價格低的情況下,兩種方法計算的系統(tǒng)價格非常接近,隨著閾值價格增大,價格差增大呈增大趨勢,但增幅不大;3)方法B計算的補償費,能體現(xiàn)實時補償費波動的特點,更能體現(xiàn)補償?shù)默F(xiàn)實意義,但方法B計算復雜,補償費隨供需關(guān)系變化,對于可中斷負荷補償額不明確,激勵機制明顯不如方法A?？傊?兩種補償費計算方法都能滿足實際要求,需要根據(jù)具體情況選擇,建議采用方法A計算補償費。5閾值上限問題本機制能鼓勵用戶如實申報補償費用,從根源上消除