考虑保险机制与用户需求响应的售电公司优化运营

温钱惠，魏震波，张勇林，梁政，何永祥

(1.四川大学电气工程学院，成都市 610065；2.四川电力交易中心，成都市 610000；3.国网四川省电力公司遂宁供电公司，四川省遂宁市 629000)

0 引 言

国家发展和改革委员会于2021年10月发布《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》[1]，标志着新一轮电力体制改革进入了新的阶段。在开放的电力市场中，由于市场供需的多变性及市场竞争的激烈性，且受天气条件、季节、生产订单、政策等因素的影响，电力用户的用电行为具有较强的不确定性。由于电力的属性，电网处于发电和用电实时平衡的状态中，如果电力用户没有按照之前交易的电量计划进行用电，那么就会打破这种平衡，需要调整发电计划，给电网和电厂运行造成额外的成本。而偏差考核能够在一定程度上约束用户按计划进行用电，有助于电网安全稳定运行。代理零售用户的售电公司聚焦点之一在于偏差电量考核，为了避免售电公司在电力市场中的运营风险，已有相关学者进行了大量研究。

需求响应(demand response，DR)作为需求侧优化管理的一种长期有效的重要手段，其主要通过市场价格信号或激励机制引导用户主动改变原有用电消费模式以解决电力市场电量不平衡风险等问题。在价格型需求响应(price-based demand response，PBDR)方面，文献[2]考虑了月度偏差电量考核以及分时电价对用户用电量的影响，确定售电公司在不同市场的最优电价差率。文献[3]针对售电公司面临的现货价格和用电需求波动等风险，提出一种考虑价格型需求响应的售电公司风险评估模型。文献[2-3]所提出的模型均降低了售电公司偏差电量考核风险，提高了收益，但在设计电价方案时没有对各类型用户的用电行为进行充分分析，忽略了作为市场主体的售电公司和用户提高收益及节省电费成本的客观需要。针对上述研究的不足，文献[4]提出一种考虑用户用电特征的售电公司定制化电价决策模型，使用户获得一定的利益以驱动用户参与用电需求响应，保证了售电公司和用户的价值双赢。但以上研究均未考虑到用户响应的不确定性，文献[5]针对售电公司面临的用户用电量风险，提出了计及需求响应不确定性的售电商峰谷电价决策模型，降低了售电公司风险损失。

激励型需求响应(incentive-based demand response，IBDR)能够有效地鼓励用户实现更高效的用电，有助于售电公司在电力市场的电量平衡。文献[6]利用灵活有效的需求侧电价激励机制，提高终端用户参与需求响应的积极性，从而平衡偏差电量。文献[7]利用条件风险价值(conditional value at risk， CVaR)量化售电公司面临的负荷波动风险，搭建规避偏差电量考核的售电公司定价模型。文献[8]考虑在需求响应机制影响下，采用可中断负荷合同优化偏差电量考核模型，通过捆绑合同降低了考核费用，从而提高了整体收益。以上文献在一定程度上降低了售电公司电量风险，但是未将需求响应与售电公司的零售合同模式相关联。对此，文献[9]基于信息间隙决策理论建立了包含需求响应的多种零售合同模型，建立了与零售合同相匹配的需求响应模型，该模型能够保证售电公司收益不低于某一预设的最低可接受值，从而降低了售电公司的财务风险。文献[10]结合电价型与激励型需求响应的各自优势，售电商及用户均可通过需求响应而获益，但只能减少售电公司的正偏差电量。为消除售电公司电量差额，文献[11]将用户侧作为平衡资源降低了售电公司风险损失，但是忽略了在激励型需求响应中用户对相邻时段补贴价格差的反应。对此，文献[12]考虑了需求响应补贴价格对后续需求响应用户舒适成本的影响。文献[13]进一步构建了考虑用户对相邻时段补贴价格差反应的需求响应激励价格优化策略，提高了售电公司的最大化长期收益。

上述研究虽进一步降低了售电公司的偏差电量考核成本，提高了售电公司经济效益，但忽略了用户的需求响应能力。对此，文献[14]建立了协调考虑用户需求响应能力的售电公司购售电决策模型。文献[15]建立了包含用户是否响应以及响应量不确定性的随机规划模型，分析了售电公司收益最大的需求响应最优调用策略。上述文献所提模型仅对激励价格进行优化，未考虑激励形式对用户响应行为的引导作用。

此外，随着保险机制在风险行业的广泛应用，将保险纳入到售电市场中成为趋势。文献[16]提出在大用户直购电交易中将保险理论管理风险引入需求侧。文献[17]针对风电商参与现货市场电量电价预测不准确的问题，利用保险机制转移不平衡风险。此外，针对发电商的投资回报率不稳定等收益损失风险，设置发电商电量损失保险以及利润损失保险[18]。上述研究为售电公司转移不平衡风险、规避利润损失提供了有效途径。文献[19]构建了可再生能源发电商与售电公司博弈最优利润模型，研究有无电力保险下的最优交易决策。文献[20]针对电价波动导致的售电公司巨大利润损失风险，提出了基于市场保险的电价波动保险机制。以上研究主要针对发电商和大用户规避电量及利润风险，对售电公司在电力市场交易保险机制方面的研究及应用较少。

针对以上现状与不足，本文将电力保险机制引入电力市场中，以售电公司为实施主体提出阶梯式需求响应激励机制。分析用户在日前需求响应市场下的决策行为，考虑用户主动响应行为和负荷波动的不确定性，对售电公司实现规避风险的可行途径展开研究。第一阶段，搭建电力现货市场环境下保险公司、售电公司与电力用户参与电力市场的交易架构，阐述市场保险的原理，建立市场保险的保费模型；第二阶段，考虑双边合同违约惩罚机制，建立阶梯型需求响应激励模型，在此基础上建立售电公司的利润模型及用户的成本模型；第三阶段，以国内某售电公司为例进行仿真模拟，对其运营策略与利润情况进行分析。

1 含保险公司的现货市场结构

不同于传统电力市场，含保险公司介入的现货市场结构如图1所示。

图1 含保险公司介入的市场结构Fig.1 Market structure including the insurance companies

售电公司、保险公司及电力用户通过电力交易平台掌握市场政策及交易规则。售电公司可为用户设计具有激励作用的电力套餐，提供负荷管理服务方案，电力用户则可以通过改变生产用电时间等方式来动态调整用电行为以满足售电公司及自身需求。

保险公司制定并公布有关市场保险的相应条款，向售电公司说明保费及赔偿的厘定方法，并根据电力市场整体历史运营情况制定保险费率。售电公司根据自身情况及保险公司提供的保险策略购买保险，在市场保险支持下，售电公司如决定购买保险，则必须在开展电力市场业务之前与保险公司签订保单。为了直观地体现保险机制对售电公司效益的影响，提出适合售电公司的险种——偏差考核保险。所谓偏差考核保险就是售电公司通过保险公司为自己在参与电力市场交易后作偏差电量考核保险。保险公司担保的是售电公司的偏差电量考核费，当售电公司未产生偏差电量考核费时，保险公司不需要向售电公司支付赔付金额；当售电公司产生偏差电量考核费时，保险公司根据保单约定，赔付售电公司不超过赔偿期的经济损失。

2 市场主体模型

2.1 售电公司模型

2.1.1偏差考核模型

售电公司购电成本Ccd包括：

(1)

Qf,t=Qb,t+Qd,t

(2)

式中：PB为双边合同电价；Qb,t为长期双边合同在t时段的电量；λt为t时段的现货市场出清电价；Qd,t为t时段的现货市场购电量；Qf,t为售电公司在t时段的的总实际购电量；T为总时段数量。

本文采用售电公司承担全部偏差考核责任的方式，将售电公司的优化周期定为1天，即T=24。偏差考核的结算方式为：将用户实际用电量与售电公司购电量之差比上售电公司购电量，所得结果若在±2%以内，则售电公司免于支付偏差考核费用。当所得结果超过±2%时，若售电公司代理用户的实际用电量超过售电公司购电量，则超用部分电量按月度交易电价上限支付考核费用；若小于售电公司购电量，则按月度交易电价上限的70%支付考核费用[21]。售电公司的具体考核模型为：

(3)

(4)

(5)

2.1.2保费模型

售电公司在响应日之前与保险公司签订保单。售电公司购买保险时支付的保费m为：

(6)

2.1.3利润模型

1)售电公司未购买偏差考核保险时的利润函数R1为：

(7)

2)在偏差考核保险下，售电公司的利润函数R为：

(8)

3)保险公司将支付给售电公司的赔偿金C2为：

(9)

2.2 电力用户成本模型

2.2.1零售合同模型

(10)

2.2.2购售电合同越限惩罚机制

(11)

2.2.3用户需求响应模型

(yj-yj+1)(δj-100%)≥0

(12)

式中：yj为第j段阶梯区间的需求响应激励系数；yj+1为第j+1段阶梯区间的需求响应激励系数；δj为第j段阶梯区间边界。

在用户参与积极性不高、响应行为与需求响应合同电量偏差较大的情况下，提出阶梯式需求响应激励机制，如图2所示。

图2 阶梯式DR激励机制Fig.2 DR ladder-incentive mechanism

这样的需求响应阶梯激励系数可表示为：

(13)

售电公司根据用户实际响应量与期望响应量的比值对购售电合同价格进行修订。对于实际需求响应比值处于δ0与δk之间的用户，售电公司将提供一定的价格优惠套餐，制定购售电合同动态电价，提高用户参与需求响应的积极性。用户用电合同价格折扣套餐满足：

(14)

式中：ρc为需求响应优惠价格上限。

考虑用户心理因素、负荷波动、激励水平等多重不确定性的用户需求响应模型，用户的实际需求响应量服从正态分布。

(15)

(16)

(17)

3 售电公司优化运营模型及其求解

3.1 目标函数

3.1.1用户成本

对于电力用户而言，其优化目标为购电成本与需求响应成本之和最小，即：

(18)

式中：Cu为电力用户的总成本。

3.1.2售电公司收益

对于售电公司而言，其优化目标为收益最大化。收益组成为购售电费、偏差电量考核费、用户的越限电量惩罚费、保费，具体如下：

(19)

3.2 模型求解

上述模型的求解分为三层：

4 算例分析

4.1 原始数据

某售电公司有10个用户(用户均为负荷削减型用户)具备参与激励型需求响应的能力，对用户以及售电公司的相关数据进行设定。设整个电力市场用户统一电价系数为0.4，保险公司的利润率为行业平均值3%，需求响应顶格优惠价为0.1元/(kW·h)。需求响应选择冬季用电高峰时段，阶梯个数k=11，对模型进行验证分析。本文在Matlab-R2016b环境下进行仿真编程，取1 h为1个时段，将00：00—01：00记为时段1，01：00—02：00记为时段2，依次类推，可得一天共有24个时段。

4.2 结果分析

利用Matlab仿真求解考虑保险机制模式下阶梯式需求响应激励机制的最优阶梯激励系数，进行多目标优化。售电公司捆绑总负荷参与电力市场交易，用户需求响应激励达标比值为67%，激励封顶比值为133%范围，即当用户需求响应总量占需求响应期望量的67%～133%时售电公司无偏差考核电量。此时对应用户的需求响应量在2 412～4 788 kW·h之间，用户的需求响应量低于2 412 kW·h时为欠响应，高于4 788 kW·h时为过响应。表1所示为最优阶梯激励系数，随着阶梯区间接近100%，激励系数从最低的0.41递增到1.00，对用户参与响应、精准响应均有引导作用。

表1 阶梯式激励机制系数优化结果Table 1 Optimization result of demand-response ladder-incentive mechanism

图3为短时间尺度阶梯式激励机制系数多目标优化解集，其为运行1 500次后收敛所得，Cu/R最小值和最大值如图所示。因为用户实际用电量越多，且用户的实际需求响应量越偏离期望值时，售电公司的收益及用户总成本越高。而当用户实际用电量越少，且用户的实际需求响应量越靠近期望值时，售电公司的收益及用户总成本越低。并且发现并非响应比值为100%时，市场净收益一定最大。最优响应比值取决于激励标准以及不同时段内的响应特性。最优折中解如图3所示，对应用户的总成本为27 032.6元，售电公司的收益为8 825.1元。

图3 阶梯式激励机制系数最优解集Fig.3 Optimal solution set of ladder-incentive

需求响应量与售电公司的利润关系如图4所示。从中可以看出当用户为欠响应时，售电公司在有保险时的利润高于无保险时的利润，此时售电公司的利润较高且高于最优折中解所对应的值。而当用户的实际需求响应量高于2 412 kW·h且低于4 788 kW·h时，售电公司在有保险时利润低于无保险时利润。这是因为当用户的实际需求响应量比值落在67%～133%范围之外时，售电公司产生了偏差电量考核费，按照售电公司与保险公司签订的保险合同规定，保险公司需要向售电公司支付赔付金额。而当用户的实际需求响应比值落入67%～133%范围时，售电公司未产生偏差电量考核费用，保单成功，售电公司需要向保险公司交纳一定的保费。因此，当用户需求响应量为2 400 kW·h时，售电公司的收益和用户总用电成本都较低，这是因为多数用户的需求响应量落入激励比值区间内，并且位于期望值附近。相应地，用户受到的激励补贴较高，因此用户总用电成本较低，而售电公司因为用户用电量的减少导致售电服务费减少，以及补贴费用的增加，从而造成总体收益下降。另外，从图4中可以看出，售电公司的利润受用户的需求响应量影响最大，随着用户的需求响应量增加，用户的实际用电量减少，售电公司的利润在保费和阶梯式激励补贴的作用下减少。

图4 需求响应量与售电公司的利润关系Fig.4 Relationship between demand response volume and the profit of the electricity sales company

图5给出了保费和售电公司收益的关系。由图5可知，随着保费的变化，售电公司的收益先减少后增加再减少。这是因为随着用户响应量的增加，响应过程从欠响应过渡至过响应，直至用户响应能力趋近饱和。根据公式(6)，用户的响应能力直接影响保费的数值，保费先增加后减少，从而售电公司的收益出现如图5所示的变化，且用户处于过响应时售电公司收益下降的速度更快。本算例中，用户处于欠响应时，售电公司用于引导用户改变用电行为造成的售电收入损失影响不大，但由于是欠响应，仍会给售电公司带来偏差考核，造成其收益减少。随着用户响应量增加，用户需求响应电量处于规定响应区间，售电公司在保险和激励补贴的作用下总体利润增加。而后当用户的需求响应比值超过激励封顶比值上限时，根据售电公司与用户签订的购售电合同及需求响应合同，用户用电量越限会面临一定的惩罚费，且使售电公司产生偏差考核电量，造成售电公司总体收益下降。

图5 不同保费下的目标函数值Fig.5 Objective function value under different premiums

5 结 论

针对电力市场中电量高度波动给售电公司带来的巨大利润损失风险，本文在日级别时间尺度上，对售电公司优化运营问题进行了建模与分析，通过具体的算例模拟分析激励型需求响应的市场实施情况。仿真结果表明，激励型需求响应参与包含保险机制的现货市场能给售电公司和用户带来显著的经济效益，实现双赢的最佳市场设计目标。通过本文的研究，得出如下结论：

1)本文所提出的阶梯式需求响应激励机制能够提高用户需求响应积极性，降低激励成本，提高售电公司的需求响应机制实施效果。

2)在电力市场中引入市场保险能有效降低售电公司经营风险，售电公司可以获得可观的利润，有助于促进电力市场化改革，同时这为保险公司拓展业务开辟新的市场带来了新的机遇。

3)当用户按规定进行需求响应时，售电公司的利润随保费的增加而增加，这表明通过设置合理的保费，能使售电公司利润增加，同时降低用户的用电总成本。而用户如果是欠响应或过响应，则对售电公司的利润产生不利影响，使售电公司受到偏差电量考核。

本文所设计的考虑保险机制模式的需求响应激励机制模型为售电公司降低经营风险、提高自身竞争力提供了一种全新的思维导向，也为保险公司的业务创新带来了新的机遇。本文提出的阶梯式需求响应激励机制，可为未来售电商发布激励型需求响应提供参考。未来将考虑售电公司之间运营决策的影响，进一步研究我国售电公司规避风险的机制。