基于機制設(shè)計的可控負荷需求響應(yīng)菜單定價研究

孫 沛， 黨 倩， 袁 昊， 李 興， 張 俊

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司 信息通信公司，甘肅 蘭州 730050；2.深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司 長沙分公司，湖南 長沙 410007)

基于機制設(shè)計的可控負荷需求響應(yīng)菜單定價研究

孫 沛1， 黨 倩1， 袁 昊1， 李 興1， 張 俊2

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司 信息通信公司，甘肅 蘭州 730050；2.深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司 長沙分公司，湖南 長沙 410007)

隨著高級量測體系(AMI)為核心的智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，用戶從完全被動的電力消費者轉(zhuǎn)變成主動的需求響應(yīng)參與者。為了促進用戶積極的響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度，減小用戶與電網(wǎng)之間信息不對稱產(chǎn)生的信息成本，引入機制設(shè)計理論，借助可控負荷參與市場交易時的報價信息劃分用戶類型，提出了以系統(tǒng)供電成本最小為目標的用戶類型離散的可控負荷菜單定價方法。通過IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)算例仿真，設(shè)計出適用于5種用戶類型的菜單電價，通過菜單電價和固定電價下系統(tǒng)供電成本和用戶總負荷減少量和利潤的對比分析，表明引入機制設(shè)計理論的菜單定價能夠節(jié)約系統(tǒng)供電成本，有效促使用戶主動上報真實類型信息并獲得更多的利潤回報，提高可控資源的利用效率。

報價信息； 需求響應(yīng)； 菜單定價； 機制設(shè)計； 激勵相容

0 引言

為確保間歇性風(fēng)能、太陽能等可再生能源大量接入后的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，必須具備充足的可控、可調(diào)度資源，以確保發(fā)電和用電的實時平衡。除傳統(tǒng)的發(fā)電機組作為可調(diào)度資源外，需求側(cè)終端用戶中擁有快速響應(yīng)能力的可控負荷對維持電力系統(tǒng)的供需平衡及安全穩(wěn)定運行同樣重要[1]。面對以高級量測體系(AMI)為核心的智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，用戶從完全被動的不可控負荷轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c電網(wǎng)調(diào)度的可控負荷，從而發(fā)揮終端用戶的資源配置效益和節(jié)能減排能力[2]。需求響應(yīng)(Demand Response, DR)作為需求側(cè)管理的重要手段之一，是指用戶針對系統(tǒng)調(diào)度提供的價格或者激勵手段，改變原有用電模式，達到減少或者推移某時段用電的行為[3]，從而實現(xiàn)削峰填谷，提高系統(tǒng)資源的利用效率[4]。隨著越來越多的用戶參與到電網(wǎng)的運行與管理，種類各異的終端用戶的負荷需求和對電價響應(yīng)能力的差異性，以及用戶和電網(wǎng)之間的信息不對稱給電價的制定帶來了新的問題。為此，如何設(shè)計合理、有效的需求側(cè)電價機制對調(diào)動用戶參與需求響應(yīng)的積極性，提高資源配置效率具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

目前，國內(nèi)外關(guān)于需求側(cè)電價設(shè)計的研究成果主要集中在實時定價、分時定價、可中斷負荷補償定價方法等方面。文獻[5] 通過刻畫用戶對價格信號的響應(yīng)程度以及用戶滿意度等因素，分析不同用戶的用電特性，提出了電網(wǎng)公司與單用戶博弈的分時電價定價模型。文獻[6] 考慮風(fēng)力發(fā)電的情況下，以系統(tǒng)凈負荷期望值峰谷差最小為目標函數(shù)，建立了用戶側(cè)分時電價定價模型。針對可中斷負荷，文獻[7-8]研究了可中斷負荷的激勵性補償價格，以鼓勵用戶簽訂可中斷負荷合同。但是，上述模型均未涉及可控負荷參與電網(wǎng)調(diào)度的市場運營狀態(tài)下的電價決策問題。為此，文獻[9]探討了用戶參與實時平衡市場的需求響應(yīng)競價過程及其模型，并通過市場出清給出了按報價支付的定價方式。然而，這些電價決策模型是在市場信息完全對稱的情況下，通過刻畫用戶總體的需求響應(yīng)，分析不同電價機制對零售商和用戶利益的影響，缺乏對種類各異的終端用戶用電行為的定量分析，無法描述不同用戶對價格響應(yīng)的差異性和有效解信息不對稱的問題。

基于上述分析，本文提出了以系統(tǒng)供電成本最小為目標的可控負荷菜單定價決策模型，通過引入激勵相容約束，誘導(dǎo)用戶披露真實的私有成本信息，促使用戶積極參與電網(wǎng)調(diào)度。最后，算例結(jié)果驗證了本文提出的定價方法的合理性和其有效性。

1 可控負荷需求響應(yīng)模型

1.1可控負荷需求響應(yīng)的市場結(jié)構(gòu)

本文提出的需求響應(yīng)計劃是基于美國PJM日前或者小時前用戶參與市場交易的過程[10]。負荷服務(wù)機構(gòu)(LSE)利用經(jīng)濟措施誘導(dǎo)用戶增加或減少負荷功率，參與市場交易，以促進用戶主動改變用電方式，實現(xiàn)有效的需求側(cè)管理和系統(tǒng)削峰填谷。LSE、分布式電源、可控負荷參與市場交易的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 需求側(cè)參與市場交易結(jié)構(gòu)

圖2 可控負荷需求響應(yīng)時序

1.2可控負荷需求響應(yīng)模型

可控負荷根據(jù)價格信號做出響應(yīng)、改變用電方式而調(diào)整負荷功率會產(chǎn)生相應(yīng)的成本，其與功率調(diào)整的邊際成本成正相關(guān)。本文選取一次函數(shù)形式來描述可控負荷功率調(diào)整成本，即：

(1)

對于用戶而言，參與需求響應(yīng)項目的收益來自于LSE給予的經(jīng)濟補償和功率調(diào)整成本的差值，則用戶i參與需求響應(yīng)獲得的收益Udi為：

(2)

式中：λ為補償電價。

然而，當(dāng)用戶決定參與市場交易時，負荷功率增減量的大小取決于給定補償電價的高低、改變用電方式所帶來的成本以及自身的負荷需求等因素。文獻[12]描述了用戶功率裁減量和價格之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)用戶參與市場交易時，用戶類型參數(shù)的大小反映了用戶增減功率的邊際成本，只有當(dāng)系統(tǒng)提供的補償電價大于邊際成本時，用戶才愿意參與市場交易。為此，功率增減補償電價與用戶類型參數(shù)的差值在一定程度上反映了用戶愿意參與電網(wǎng)調(diào)度和市場交易的程度。用戶增減功率量與用戶類型參數(shù)、補償電價和需求彈性系數(shù)之間滿足如下關(guān)系：

(3)

(4)

圖3 功率調(diào)整量、需求彈性系數(shù)、補償電價之間的關(guān)系

2 機制設(shè)計理論

機制設(shè)計理論主要研究的是在自由選擇、自愿交換、信息不完全及決策分散化的條件下，能否設(shè)計一套機制，使經(jīng)濟活動參與者的個人利益和設(shè)計者既定的目標一致[13-14]。通常情況下，機制設(shè)計主要涉及到2個方面[15]：一是由于設(shè)計者與參與者的信息不對稱所引起的相關(guān)信息成本問題；二是機制的激勵方面，即在設(shè)計者所設(shè)計的機制下能否實現(xiàn)設(shè)計者與參與者的目標方向一致。

因此，設(shè)計者在機制設(shè)計時，要使得該機制不僅能為參與者帶來最大的效益，而且也能實現(xiàn)設(shè)計者既定的目標。為此，機制設(shè)計者需要考慮下列2個約束：

(5)

(2)激勵相容約束：實現(xiàn)設(shè)計者和參與者的目標方向一致，即如果設(shè)計者的期望抉擇能給他帶來最大的期望效用，他才愿意積極的選擇該策略。因此，激勵相容約束可表示為：

(6)

上式可理解為，只有參與者i上報真實私有信息時才能獲得最大收益，即機制設(shè)計理論能夠有效地誘導(dǎo)參與者披露真實私有信息，在實現(xiàn)參與者個人利益最大的同時達到設(shè)計者的預(yù)期目標。

3 基于機制設(shè)計的菜單定價過程

在電力市場具體環(huán)境下，機制的設(shè)計者可以是指負荷服務(wù)機構(gòu)(LSE)，可控負荷用戶為機制的參與者。每個用戶具有自己的屬性特征，為用戶的私有信息，LSE并不能準確地獲知。針對LSE與用戶的信息不對稱，避免引發(fā)用戶需求響應(yīng)的策略性上報行為，引入機制設(shè)計理論，引導(dǎo)用戶上報真實類型信息并獲得最大收益?；跈C制設(shè)計理論面向需求響應(yīng)的可控負荷菜單定價過程為：

(1) LSE根據(jù)系統(tǒng)變量實時情況和批發(fā)市場電價λiso，發(fā)布功率調(diào)整需求信號。

(3) LSE根據(jù)可控負荷參與需求響應(yīng)的特點，選擇可控負荷功率調(diào)整量和補償電價作為菜單組合項目。根據(jù)用戶類型劃分，為可控負荷用戶設(shè)計K+、K-種“菜單”選項組合。每種菜單選項分別對應(yīng)的功率調(diào)整量和補償電價為(ΔP+,λ+)和(ΔP-,λ-)。其菜單參數(shù)如表1所示。

表1 菜單參數(shù)說明

(5)應(yīng)用機制設(shè)計理論，并以系統(tǒng)供電成本最小為目標進行市場統(tǒng)一出清，確定菜單電價組合，即補償電價和可控負荷功率調(diào)整量。菜單電價組合的決策流程如圖4所示。

圖4 菜單電價決策流程圖

4 基于機制設(shè)計的可控負荷需求響應(yīng)菜單定價模型

4.1目標函數(shù)

為了實現(xiàn)不同類型可控負荷的差別定價，基于用戶類型劃分，在最大化利用分布式可再生能源發(fā)電和滿足電力網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備運行約束的前提下，提出以系統(tǒng)供電成本最小為目標的可控負荷菜單定價模型?？紤]LSE和用戶之間的信息不對稱，引入激勵相容約束，引導(dǎo)用戶披露真實的私有信息，激勵用戶自愿參與市場交易，在滿足用戶市場收益最大化的同時，減少LSE的供電成本，其目標函數(shù)為：

(7)

可控負荷需求響應(yīng)的補償成本主要體現(xiàn)在LSE支付給參與需求響應(yīng)的用戶負荷功率調(diào)整的補償費用。由于LSE并不知道用戶具體選擇哪種菜單選項，因此，補償成本和補償電價以及功率調(diào)整量有關(guān)，其值為用戶選擇各類菜單選項所獲補償?shù)钠谕?，其?shù)學(xué)表達式為(假設(shè)用戶選擇每一種類型的概率相同)：

(8)

常規(guī)發(fā)電機組的生產(chǎn)成本采用二次函數(shù)形式，即：

(9)

式中：Pgn為節(jié)點n的常規(guī)發(fā)電機的出力；agn、bgn為常數(shù)，分別為節(jié)點n常規(guī)發(fā)電機的運行成本系數(shù)。

風(fēng)電機組的發(fā)電成本包括3部分[16]，即：

(10)

式中：Pwn,s表示節(jié)點n的風(fēng)力發(fā)電功率；cwn為成本系數(shù)；cwn,u、cwn,o分別為低估和高估懲罰成本系數(shù)；Pwn為節(jié)點n實際可用風(fēng)力發(fā)電功率；[x]+=max{x,0}。

4.2約束條件

(1)機制設(shè)計中參與約束，即它要鼓勵用戶自愿參與，必須使用戶所獲得的利潤至少大于0，數(shù)學(xué)表達式如下：

(11)

(12)

(2)機制設(shè)計中激勵約束，即當(dāng)可控負荷用戶上報的類型信息為真實類型時，用戶所選擇的菜單電價組合獲得的收益最大。即：

(13)

(14)

(3)功率平衡約束：

(15)

(16)

(4)可控負荷對電價響應(yīng)函數(shù)等式約束：

(17)

(18)

式中：εk為第k類型用戶的需求彈性因子。

(5)線路約束：

(19)

(20)

式中：ηln為節(jié)點n對系統(tǒng)輸電線路l注入功率的靈敏度系數(shù)；Tl為輸電線路l的傳輸功率最大值；L為系統(tǒng)線路總數(shù)。

(6)可控負荷功率增減約束：

(21)

(22)

(7)發(fā)電機組出力約束：

(23)

(24)

4.3激勵相容約束處理

考慮激勵相容約束時，披露真實信息的利潤大于其他策略性上報信息的利潤的約束，稱為全局約束，如式(11)、(12)所示；只考慮披露真實類型和相鄰類型收益的關(guān)系稱為局部激勵約束。因此，模型中的激勵約束可表示為2種局部約束：

(25)

(26)

式(25)為向下的局部激勵約束；式(26)為向上的局部激勵約束；由于考慮所有激勵相容約束條件會產(chǎn)生很大的工作量，并難以求解模型。為此，根據(jù)文獻[17-18]中Spence和Mirrlees提出的斯賓塞-莫里斯(Spence-Mirrlees)條件，只考慮局部激勵約束時也能滿足全局約束從而簡化激勵相容約束的求解。

Spence-Mirrlees條件：假設(shè)用戶的效用函數(shù)定義在配置(λ,ΔP)的空間和用戶類型θ的空間上，表示為U(λ,ΔP,θ)。任意給定U(λ,ΔP,θ)，用戶效用函數(shù)滿足以下性質(zhì)：

(27)

Spence和Mirrlees證明，若用戶的效用函數(shù)滿足式(27)時，模型的求解中只要考慮向上的局部激勵約束就能滿足全局約束。顯然可控負荷用戶需求響應(yīng)的效用函數(shù)式(2)滿足Spence-Mirrlees條件。因此，論文的激勵約束只考慮向上局部激勵約束式，可以表示為：

(28)

(29)

5 算例分析

5.1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

以需求響應(yīng)減功率模型為例，采用IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)仿真。假設(shè)風(fēng)電場在7節(jié)點接入系統(tǒng)，風(fēng)速服從Weibull分布，風(fēng)速與風(fēng)機最大可用輸出功率之間的關(guān)系如文獻[19]所示，LSE在批發(fā)市場的購電價格為92$/MW·h。在3、10、15、21節(jié)點上接入可控負荷，且同一個節(jié)點上的可控負荷用戶類型參數(shù)相同，其節(jié)點上可控負荷的參數(shù)如表2所示。常規(guī)發(fā)電機組和風(fēng)電機組參數(shù)如表3和表4所示。

表2 節(jié)點可控負荷參數(shù)

表3 常規(guī)發(fā)電機組參數(shù)

表4 風(fēng)電機組參數(shù)

5.2用戶類型劃分

考慮到每個用戶需求響應(yīng)的程度不一樣，本文根據(jù)用戶愿意參與市場交易的程度，將用戶劃分為“非常愿意”、“愿意”、“一般”、“不太愿意”、“不愿意”(在LSE提供利潤補償?shù)那疤嵯拢僭O(shè)所有用戶都會參與需求響應(yīng)，但負荷減少量不一樣)5種類型。因此，選取2015年9月每晚20：20分，美國PJM市場400組用戶減功率的報價數(shù)據(jù)(報價值和功率調(diào)整量上限值)，通過k均值聚類方法(取k=5)選取5種不同報價參數(shù)(5組聚類中心值)來一一對應(yīng)用戶的5種類型，如表5所示。

表5 可控負荷類型數(shù)據(jù)

從表5可以看出，隨著用戶愿意參與市場交易的程度提升，其彈性系數(shù)和功率調(diào)整的上限值也相應(yīng)的提高，而參與交易時的報價值則會相應(yīng)的降低，表明用戶參與市場交易的減功率成本越低，則更愿意參與市場交易，用戶越會上報較低的報價值和較高的功率調(diào)整值來提高參與市場交易的成功性，這與實際情況符合。

5.3基于機制設(shè)計的菜單電價及對用戶需求響應(yīng)程度和供電成本的影響

基于菜單電價決策模型求解，在考慮機制設(shè)計理論下，可控負荷菜單組合電價如表6所示。

從表6可以看出，在菜單定價模式下，針對5類不同的用戶，設(shè)計了5種不同的菜單選項。每種菜單選項包含4個信息，即可控負荷報價、功率調(diào)整上限值、需求彈性系數(shù)以及補償電價。

考慮機制設(shè)計理論下，定量分析各類菜單電價對系統(tǒng)供電成本的影響，參數(shù)設(shè)置如表7所示，當(dāng)采用固定電價時，分別考慮對用戶進行分類和不分類2種情形。不分類時，假設(shè)用戶對應(yīng)C、D、E、F4種不同類型的參數(shù)設(shè)置。不同用戶的負荷減少量和系統(tǒng)供電成本如圖5、6所示。

表7 6種可控負荷功率調(diào)整補償電價設(shè)置

圖5 不同電價下的用戶功率減少量

圖6 不同電價下LSE供電成本

圖5、6反映了不同電價下用戶負荷減少量以及系統(tǒng)的供電成本。從圖中可以看出，當(dāng)采用菜單電價時(A情形)，用戶負荷減少量均大于采用固定電價時的負荷減少量，且此時系統(tǒng)的供電成本最小。這說明由于系統(tǒng)提供了多種菜單選項，不同類型的用戶會根據(jù)功率調(diào)整成本和對價格響應(yīng)的差異性，選擇相應(yīng)的菜單電價選項，參與電網(wǎng)的調(diào)度，從而促使更多的用戶自愿參與需求響應(yīng)計劃。用戶負荷減少量的增加雖然增大了系統(tǒng)支付給用戶的補償成本，但由于降低了系統(tǒng)高峰負荷，減少了信息成本，有效地節(jié)約了系統(tǒng)的供電成本。此外，BCDEF 5種情況表明，用戶負荷減少量的大小與其功率調(diào)整的邊際成本有關(guān)，邊際成本越高，負荷減少量越小，則系統(tǒng)需利用更多的發(fā)電資源來確保供需的實時平衡。

5.4考慮機制設(shè)計的菜單電價下用戶利潤分析

若節(jié)點3、10、15、21上的用戶真實類型分別為23.55(類型5)、31.47(類型3)、39.57(類型2)、43.58(類型1)，各用戶采用策略性上報類型所獲得收益情況如表8所示。

表8 各類菜單電價下用戶的功率減少量和利潤分析

6 結(jié)論

本文考慮電力市場中信息不對稱的情況，借助可控負荷參與市場交易時的報價信息劃分用戶類型，構(gòu)建了基于機制設(shè)計的可控負荷需求響應(yīng)菜單定價模型。該模型能夠促進用戶積極參與電網(wǎng)調(diào)度，減少信息不對稱產(chǎn)生的信息成本，有效地減少系統(tǒng)供電成本，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。數(shù)據(jù)仿真結(jié)果驗證了該定價模型的合理性。

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A Study on the Menu-pricing for Demand Response of Controllable Load Based on Mechanism Design

SUN Pei1， DANG Qian1， YUAN Hao1， LI Xing1， ZHANG Jun2

(1.Information & Communication Corporation, State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730050, China;2. Shenzhen Huayang International Engineering Design Co. Ltd., Changsha Branch, Changsha 410007, China)

As the core of smart grid technology, advanced measurement system (AMI) develops fast. In recent years, users have changed from completely passive power consumers into active demand response participants. In order to facilitate the user′s proactive response to grid scheduling and reduce the information cost caused by information asymmetry between user and grid, this paper introduces the theory of mechanism design. Based on controllable load involved in market trading quote information, different user types are classified. A user-type discrete controllable load menu-pricing method is put forward as well, with its goal of minimum power supply cost. Through the simulation of IEEE-30 system, a menu price for 5 types of users is designed. The power supply cost and user total load reduction cutting and user profit obtained by the menu price system and fixed price system respectively are analyzed and compared, and the results show that the proposed menu-pricing based on mechanism design theory can save the cost of power supply system; meanwhile it effectively encourages users to report real type information and gain more profit, which improves the efficiency of the controlled resources remarkably.

bidding; demand response; menu pricing; mechanism design; incentive compatibility

2017-06-09。

國網(wǎng)甘肅省電力公司科技項目 (52272315000X)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.08.006

TM731

：A

：1672-0792(2017)08-0035-08

孫沛(1983-)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力行業(yè)信息通信研究及管理。