考虑可中断负荷的电力交易策略与风险管理研究.pdf
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1、【158】第45卷 第08期 2023-08收稿日期:2022-06-13基金项目:南方电网公司科技项目(GDKJXM20201925)作者简介:赵唯嘉(1990-),男,河南新乡人,工程师,硕士,从事电力市场建设研究。考虑可中断负荷的电力交易策略与风险管理研究Research on power trading strategy and risk management considering interruptible loads 赵唯嘉1*,孔淑琴1,梁志远1,陈 灏1,熊德甫2ZHAO Wei-jia1*,KONG Shu-qin1,LIANG Zhi-yuan1,CHEN Hao1,XI
2、ONG De-fu2(1.广东电力交易中心,广州 510062;2.广东元韬企业管理咨询有限公司,广州 510000)摘 要:自电改9号文发布后我国电力市场建设的进程不断推进,同时社会资本的参与也导致电力市场竞争愈发激烈。在新电改背景下,电力交易机构应充分调动用电客户的需求响应能力以提高运营效率并降低购电与售电的风险。在基于可中断负荷的基础上,考虑交易机构的交易策略与风险管理提出双层优化模型。上层考虑交易机构利润与商业风险以最大化条件风险价值为目标,下层以最大化用电客户满意度为目标,结合双层模型优化提出电力交易机构应基于可中断负荷提供多种合约。案例研究表明,所提出的策略可帮助交易机构降低风险并
3、有效提升机构竞争力。关键词:电力市场;电力交易;风险管理;可中断负荷中图分类号:TM92 文献标志码:A 文章编号:1009-0134(2023)08-0158-06 0 引言随着电改9号文的发布,我国电力市场的建设进入快速发展的新时期,配售电业务进一步向社会资本放开,电力交易市场也因此呈现出多样化的竞争态势1。而配售电侧的进一步改革也使得电力用户拥有市场化购电的能力,能够自主地选择配售电公司。在我国电力交易市场逐步走向成熟的情况下,配售电公司之间的竞争将进一步白热化,需求侧资源在竞争中的作用正在被重新认识,而需求响应将在未来的电力交易增值服务中发挥至关重要的作用,并且对电力市场的建设和完善都
4、将具有重要意义2。需求响应(Demand Response,DR)表现为电力用户可根据电价的不同时段定价自主选择用电。根据用户的不同响应,又可将DR划分为基于价格的DR与基于激励的DR。其中,可中断负荷(Interruptible Load,IL)是基于激励的DR中的一种重要形式。IL是以电力供应商与电力消费用户事先合约为基础,在电力高峰时段由中断负荷的实施机构向用户发出负荷中断请求,用户响应并中断供电一种方法3。目前,国内外学者对需求响应的优化、控制策略以及可中断负荷补偿定价机制了已经有了大量的研究。文献4基于中国国情建立了面向电力需求侧主动响应的商业模式与市场框架,将需求响应与电量市场与电
5、力市场结合进行分析。文献5考虑到需求响应的不确定性,以运行成本和多种需求响应成本为最小目标建立主动配电网优化调度模型;文献6,考虑需求响应的用户参与度以及购电成本、网损成本、发电成本等建立了以配电网日运行最小为目标函数的配电网调度模型,但未将风险因素考虑在内。文献7建立了一个以用户效应最大化为目标的需求响应策略模型,并验证了在不同需求响应条件下用电模式的变化,但未考虑到负荷反弹的问题。文献810探讨了当可中断负荷应用到电力市场时,电力交易商应采取的营销策略,文献8基于心理学方法构建用户对售电公司及用电合同的选择行为模型;文献9将配电网建设投资成本、用户购电需求以及发电机组考虑在内构建了电力交易
6、商的运营优化策略;文献10构建了基于IL的协调优化模型,并利用该模型确定了不同可靠性供电指标要求下的系统最优储备容量和不确定IL配置关系。但以上三者都没有考虑到客户的满意度。文章在目前学界研究成果的基础上,提出一种考虑可中断负荷并结合双层优化的电力市场交易策略,以实现最大化电力交易商销售利润的目的。首先考虑中长期与现货市场购电成本以及IL合同收入构建电力交易商策略模型;然后考虑用户满意度以及电力交易商的利润与风险构建双层优化模型,并提出自适应鲸鱼算法(Adaptive whale op-timization algorithm,AWOA)进行双层优化模型求解;最后对案例分析结果表明,文章方法可
7、有效得到电力交易商的最大利润。1 电力交易商策略模型电力交易商在电力市场中扮演着重要的中间商角色,一方面它可拥有发电资产与相关资质,直接将电力售给终端电力用户;另一方面电力交易商在自身发电资源不足或发电成本过高的情况下,可通过与其他发电厂合作的方式直接从电力市场购得电力后出售给终端电力用户,并且在售电过程中可开展多类型的需求侧响应服务11。因此电力交易商主要的业务可分为购电业务与售电业务两类,其业务模式如图1所示。第45卷 第08期 2023-08【159】中长期交中长期交易市场易市场现货交易现货交易市场市场购电侧购电侧电力交电力交易商易商ILIL合同合同分时电价分时电价用户用户售电侧售电侧电
8、能电能费用费用电能电能费用费用图1 电力交易商的商业模式在购电业务方面,电力市场交易中目前主要有中长期交易以及现货交易两种模式,电力交易商可通过中长期市场提前购买一定数量的电力,并结合现货市场购买电力实现对供电情况的平衡,以满足不同电力用户的需求12。而在售电业务方面,为充分调动电力用户的需求响应能力,电力交易商可根据用户需求制定合适的分时段电价制度与可中断负荷补偿(IL)合同,以降低用电高峰时的购电成本以及电力用户的用电成本,从而有效提升电力交易公司的运营效率。1.1 中长期市场购电成本电力市场中长期交易是指以多年、年、季、月、周等日以上周期进行的电力交易行为。在实际交易过程中,为满足不同电
9、力用户的负荷需求,电力交易商将根据中长期负荷预测,通过与发电商签订各种中长期合同的方式,在中长期电力市场购买一定量的电力以对冲风险,平衡负荷。同时为增加购电交易的灵活性,可在中长期合同中规定不同时间不同策略有针对性地提供电力。为了增加购电交易的灵活性,中长期电力合同可以在不同的时间有针对性地提供电力,在中长期市场场景s的情况下,购电成本CB(s)由式(1)决定:()()()()()fvtttBppffvvtItITtITCssP sP sP s=+(1)式中,CB为中长期市场的采购成本,p为高峰时段双边合同交易价格,Pt p为在高峰时段从中长期市场所购电力;f为统一时间内双边合同的电能价格;P
10、t f为平时从中长期市场所采购电力;v为谷时双边合同电力价格,Pt v为谷时从中长期市场所采购电力;(s)为场景s出现的概率。因此,在时间t时,在中长期市场上所购电量费用Pt bin为:()()()()pfvttttBinpfvt Tt Tt TPsP sP sP s=+(2)1.2 现货市场购电成本电力现货市场是市场化电力电量平衡机制的重要补充部分,通常以日前或更短的时间为交易周期。电力交易商在中长期市场所购电力与实际日负荷之间一般会存在差异,因此可通过在现货市场购买或出售电力以平衡电力供应差异。由于现货市场电价与负荷需求的存在波动性,可采用场景法模拟现货电价和负荷需求。电力市场上现货电价与
11、电力系统负荷水平之间存在近似的线性关系t spot13,因此在现货市场价格下购电成本为:(3)(4)式中,Pt spot,s(s)为时段t现货市场场景s下所购入的电力,Pt load(s)为时段t预测负荷,d为电价与负荷的相关系数,e为电价与负荷的相关常数。1.3 向用电客户售电收入考虑到国内电力市场的目前尚未成熟,且技术与经济措施存在一定的局限性,可认为电力交易商实施的是用时价格需求响应模式,而非实时电价模式。因此,在情景s下,电力零售商的收入由低谷时段售电收入、高峰时段售电收入、非峰谷时段售电收入三部分组成,如式(5)所示:()()()()()vfpselltselltRvloadvflo
12、adft Tt Tselltploadpt TCssPsPsPs=+(5)式中,sell v为谷时销售电价,sell f为非峰谷时销售电价,sell p为高峰时段销售电价;pt loadv为谷时预测负荷,pt loadf为非峰谷时预测负荷,pt loadp为高峰时预测负荷。1.4 IL合同收入目前电力市场上实施的可中断负荷合同主要有两种类型:1)低电价可中断负荷(Interruptible load with low price,ILL)合同,该合同与电力用户商定用户所消耗的所有电量享受一定的电价折扣,但在负荷中断实施时,电力交易商不再为电力用户提供补偿;2)高补偿可中断负荷(Interrup
13、tible load with low price,ILH)合同,与ILL合同相反,该类合同商定用户所使用的所有电量不再享受折扣,但在负荷中断发生时,电力交易商将为用户提供高额的费用补偿。ILL合同中,无论是否发生负荷中断,电费补偿对于电力交易商来说都是一项固定成本支出,较为影响收益。因此文章采用ILH售电合同,充分发挥可中断负荷降低市场风险的效益。IL收益与电力市场现货交易以及负荷情况有关,因此需考虑到所有可能出现的场景分别计算IL收益以及对风险的影响。1.4.1 购电成本减少在用电高峰时期,电力交易商可执行可中断负荷策略从而使用户响应并断开负荷,因而可减少高峰电价时期的购电成本,所获得的收
14、益Cp,1为:,1,1()()TpILP ttCsPs pt=(6)式中,PIL(s)为场景s下t时段可执行的可中断负荷容量;PP,t为执行可中断容量负荷前的现货电力市场价格;T【160】第45卷 第08期 2023-08为总时段。1.4.2 现货市场电价波动IL除了能够通过减少高峰时期用电量来获得收益外,还可通过降低节点电价来降低购电成本。由于IL项目的实施,该地区的用电负荷将减少,现货价格也将相应减少,因此,IL项目实施后的现货价格te为:()()()ttteloadILsdPsPse=+(7)式中,PtIL(s)为场景s下可执行的可中断负荷容量。因此,因节点电价降低而获得的收益Cp,2为
15、:,21()()()TttpILetCsPsst=(8)1.4.3 电费补偿电力交易商需对签订IL合同的用电客户支付一定的电费补偿费用,文章采用ILL14售电合同,因此仅向实际执行可中断负荷的用户支付补偿费用Cp,3为:,31()()TpILcomptCsPstp=(9)式中pcomp为所支付补偿电费价格。1.4.4 售电收益损失假设电力交易商提供的合同类型包括均一电价与保底封顶实时电价2种类型。执行均一电价合同时,售电收益损失与负荷削减量成正比;保底封顶实时电价用户的支付电价随现货市场电价波动,因此现货电价降低将导致保底封顶合同实时电价变化。设定调用2种类型用户的可能性相同,则售电收益损失为
16、:(10)式中,1,2为权重系数,p1为均一电价费率,p2为保底封顶电价费率,p2,t为执行IL后的保底封顶电价费率。可得IL项目最终收益为:,1,2,3,4()()()()()pppppCsCsCsCsCs=+(11)2 双层优化决策模型2.1 下层目标模型用户满意度评估模型执行可中断负荷后的电力用户满意度评估可通过IL项目实施后用电模式满意度的变化结合电价变化程度来计算,从而实现对电力用户用电满意度全面合理的评估15。用电模式满意度可通过电力交易商实施IL项目后,原用电负荷与新用电负荷曲线之间的变化来表示:01101()()()()1()TtttloadILloadtTtloadtPsPs
17、PsR sPs=(12)式中,Ptload()(s)为初始负载容量。电价的满意程度可由IL项目实施后减少的电费与原始电费之比,如式(13)所示:121()()()1()TttloadLtTttloadtPsCsR sPs=(13)式中,t为t时段现货市场电力价格,CL为IL项目实施后电力用户端所产生的成本。由于下层模型的目的是对用户满意度进行评估,结合用电模式满意度以及电价满意度可得到下层模型的目标求解方程为:1122()()()ILsRsR sR s=+(14)式中,1与2分别为R1(s)与R2(s)的权重。目标方程值越低,用户满意度越高。2.2 上层目标模型-利润和风险评估模型电力市场交易
18、中的主要风险因素包括实时电价的波动以及用户需求的不确定性,两者均可视为连续的随机变量,因此可将电力交易商面临的决策和风险评估问题转化为随机规划的决策问题。文章将CVaR(Conditional value at risk,CVaR)作为风险评价指标,CVaR克服了风险价值(VaR)所不具备的风险测量一致性缺陷,一般被用来求解在一定风险约束下,使电力交易商利润最大化的购电与售电策略16。CVaR指的是给定VaR值的平均组合损失。在场景s下,考虑到可中断负荷策略,电力交易商的售电利润Hprof如下:()()()()()profRPBspotHsCsCsCsCs=+(15)电力交易商总的利润预期是所
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