智能電網下需求響應與可中斷負荷研究

摘要：智能電網極大地促進了電力市場的發展，為用戶參與電網運行提供了技術支持，增強了用電彈性。分析了智能電網對電力市場的影響及需求響應在智能電網下的表現形式。重點研究一種實用的需求響應——可中斷負荷，提出基于失負荷價值的補償方法，并展望可中斷負荷的發展方向。最后，結合我國電力市場現狀，提出了開展IL的建議和設想。

關鍵詞：智能電網；需求響應；可中斷負荷；失負荷價值；可靠性

作者簡介：李士動（1989-），男，山東泰安人，上海電力學院電氣工程學院碩士研究生；施泉生（1961-），男，上海人，上海電力學院經濟與管理學院，教授。（上海 200090）

基金項目：本文系上海市教委科研創新重點課題（課題編號：12ZS161）的研究成果。

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）20-0202-03

當前，能源短缺、全球暖化和環境污染的壓力迫使人們開始開發利用可再生能源、提高能源使用效率，電網規模的擴大和市場化改革的推進也對電網的安全穩定運行提出了更高的要求，電力系統必須對其傳統的運行方式做出改變，由此，提出了智能電網[1，2]的概念。智能電網實質是能源替代、兼容利用和互動經濟，實現途徑是對傳統電網進行信息化改造，以綠色能源替代傳統化石能源，突出特點是實現了電力潮流和信息流的雙向流動，允許分布式電源（distributed generation，簡稱DG）和電動汽車等儲能設備的雙向接入。智能電網鼓勵用戶改變傳統的用電方式，根據實時電價調整用電模式，積極參與電網運行，保證電力系統的穩定可靠運行。

智能電網是在各國電力系統市場化改革和能源短缺的背景下提出的，應該說智能電網和電力市場是相輔相成的關系，智能電網為適應電力這種具有特殊屬性商品的市場化提供技術支持，電力市場化則為充分發揮智能電網的潛力提供基礎平臺和機制保證，兩者相互促進，實現能源的多樣化供給和資源有效配置。競爭的電力市場需要供給側和需求側的相互作用，因此開展需求側響應（demend response，簡稱DR）是發展和完善電力市場的需要。通過智能電網強大的雙向通信網絡，可以在終端用戶、電網公司之間建立網絡連接實現信息的實時交互和實時響應，電網將由傳統的單向供需關系變成雙向的供需互動。作為完善電力市場的重要組成部分，應該對智能電網下的DR做深入研究，為將來智能電網和電力市場運行做理論儲備，也應基于我國目前電網和電力市場的現狀，積極開展符合我國實際的DR措施，以保證當前電力系統運行的安全性、可靠性以及運行效率的提升。

一、智能電網和電力市場

1.智能電網對電力市場的影響

在市場機制下，供給與需求相互作用形成價格信號，價格信號傳導至需求側時能夠有效配置資源，但電力這種商品的供給與消耗實時平衡要求建立電力市場。電力市場的建立就是要實現電能的生產、交易與電力系統運行分離，從而使電能最終成為市場中交易的商品。解決方案有兩個：一是實現大規模的儲能，但是當前大規模儲能依然不具備技術或商業可行性，通過輸配電網絡供電仍是唯一路徑；二是用戶對價格信號做出實時的響應，不同于其他商品市場，電力是實時供需平衡的，因此電力供給與需求的相互作用不可以被延遲而必須瞬時完成，傳統電網沒有實時需求響應技術支持系統，而智能電網AMI可以充當價格信號傳導的這一媒介。智能電網對電力市場的最大影響是實現了供需互動，把電力變成了普通商品，但同時智能電網也對電力市場提出了新問題。文獻[3]和文獻[4]詳細分析了智能電網下的電力市場面臨的機遇與挑戰，在此不再贅述。應當指出，實現供需互動的前提是必須開放零售側市場，最終價格應該解捆，允許實時電價等多種價格機制。

2.智能電網下的DR

DR是用戶側資源參與電力市場的重要方式，用戶對價格信號或激勵做出響應，改變或調整其用電行為，保證電力系統安全穩定和經濟運行。DR可以分為基于價格的DR和基于激勵的DR。[5]

智能電網下實時電價（real-time pricing，RTP）得以實現，通過智能電表和信息傳輸系統可以在用戶與電網公司間實時傳遞電價和負荷信息，用戶可以利用DR決策支持系統來作出響應。RTP相關效益表現為：直接感受電價變化促使用戶改變用電方式，大量的可平移負荷（電暖氣、空調、熱水器、電冰箱等）使負荷曲線更加平穩，峰谷差值縮小，減少了發電機組備用投資；RTP下電力系統的運行降低了社會損失（無謂損失）。如圖1所示，當價格信號傳導至需求側時用戶可以做出有效率的用電決策，陰影面積表示固定價格下的用電損失。

DR的另一效益是提高了電網的可靠性，表現為：DR作為需求側備用提高發輸電充裕性；RTP提高用電側需求彈性，抵制發電商市場力，增強了電力市場環境下應對尖峰電價風險的能力，以及電力市場的穩定性。圖2供給曲線由分段曲線構成，第一段坡度平緩對應于市場上大部分機組；第二段對應于調用次數較少的峰荷機組，這部分機組效率較低，邊際成本高；第三段所有機組已投入運行，電能供給無法滿足需求。此時，如果需求無彈性，將會出現尖峰電價，即使需求彈性較小，也能帶來較大價格下降。

由上可見DR的效益是非常明顯的，DR的成本主要是安裝分時計量裝置或者智能電網下AMI所需費用，由于DR有正的外部性，政府應該參與其中，或者引入第三方，設計合理的商業模式，吸引用戶、電力公司、第三方參與。

3.DR與我國實際

目前我國正處于電力市場建設的初級階段，零售側電價并未放開，建設智能配電網也尚需時日。DR的研究應基于我國電網和電力市場現狀，首先以保證電力系統安全可靠運行為目的，結合實際實施合理的DR項目，然后隨電力市場發展和智能電網建設，逐步過渡到RTP等響應周期更短、市場化更強的方式，追求電力系統運行的經濟性和市場效率。可中斷負荷（interruptible load，簡稱IL）是適應我國實際情況的DR，當前對IL的研究應注重其實用性，緩解我國負荷峰谷差較大、拉閘限電矛盾等突出問題。同時，也應分析IL在市場化改革和智能電網建設中所表現出的新特點，積極適應電網發展，故下文將提出一種適合我國實際的IL補償方式，同時對智能電網下的IL進行展望。

二、可中斷負荷（IL）

1.IL的實施

IL實施機制主要有兩種：[6]簽訂IL合同和需求側競價（DSB-demend side bid）。通過簽訂IL合同，合同期內滿足中斷條件時發電商按照合同規定中止對用戶供電，并按相應規定給予用戶補償；而DSB是IL作為一種“虛擬發電資源”直接參與電能現貨市場的報價，調度機構負責保持實時市場的平衡即可。目前我國正處于電力市場的過渡時期，實施IL主要是保證電力系統運行的安全性和可靠性，且市場機制還不夠完善，售電側并未完全開放，可中斷負荷管理主要是通過IL合同進行。

IL主要針對負荷調節潛力大的工、商業等“塑性負荷”，如冶金、水泥、造紙、紡織等用電容量較大且生產安排較為靈活的工業用戶，通過調查其負荷特性、分析其中斷能力，從而為制定IL方案提供依據。隨著電力市場發展和智能電網建設，RTP得以實施，IL的實施可以圍繞電價展開，但目前我國電價無法隨市場的供需變化得到實時的調整，即電價無法反應系統運行狀態。中斷條件應該依據可靠性指標，如負荷高于某一門檻值、備用低于某一比例，中斷定價則為滿足可靠性約束的某類優化問題。

2.基于失負荷價值的補償方法

單位容量補償電價是實施IL的關鍵。IL傳統的定價方法主要有可避免成本法、基于機制設計理論的方法、金融期權定價法，但這些方法不能反應用戶斷電損失、機制過于復雜或者不適用于我國電力市場實際，其中，結合可中斷負荷電力合同的期權理論上可以作為風險管理工具使用，但電力期權理論價格需要結合復雜的電力價格模型反應實時電價變化，顯然IL期權定價要求實時電力市場的運行，在智能電網下RTP能真實反映供給與需求，IL的金融期權定價將成為一種較理想的定價方式。結合我國實際，本文將基于用戶斷電時的失負荷價值（VOLL-value of lost load）提出一種新的IL定價方法。VOLL是指由于斷電而對國民經濟造成的損失，這也是電力的經濟價值。文獻[7]和文獻[8]利用投入產出表分析VOLL，計算不同行業的電力經濟價值VL，但此VL是不同部門完全斷電的電力平均價值。根據經濟學理論，每一單位功率的價值是不同的，對企業的斷電賠償應該基于每一單位功率的邊際價值而不是完全斷電的平均價值。

參照有功功率在火電機組間的最優分配方法，可以利用“等耗量微增率準則”求解。分析結果的經濟意義，在滿足切除總量的約束下，每一IL用戶切除負荷功率到相等的邊際價值，此時引起的總失負荷價值最小。

三、IL應用

電力市場環境下，IL可以作為需求側資源提供系統備用容量，提高電力系統運行的可靠性和經濟性，智能電網下的IL的作用將發生轉變和擴展：

（1）RTP在智能電網下得以實施，IL作為備用的作用得到減弱。傳統電網下需求側缺乏響應，可以通過“強制響應”即拉閘限電或IL來保證電力系統運行的安全性和可靠性，但智能電網提高了用電彈性，當充分考慮DR時甚至可以不再需要容量市場。

（2）從電網公司的角度來看，智能電網下的IL將結合期權合同變成風險管理的工具，有效應對電價波動帶來的風險；從需求側內部來看，IL演變為用電權利的交易，滿足不同可靠性用戶的要求。

（3）智能電網的顯著特點是允許接入DG，為了避免或減少其并網和脫網時的沖擊以及其間隙波動性，可以考慮利用DR兼容各類發電方式和新技術，如通過IL和用電激勵響應風電出力變化。[9]

四、IL與可靠性

備用的主要作用是提高系統的可靠性，進而減少VOLL損失。而IL作為需求側備用，與可靠性密切相關，體現在IL提供備用容量減少了相對負荷的發輸電負荷容量不足方面的可靠性問題；作為緊急控制方式，峰荷時段或故障時中斷部分用戶供電必然能提高系統安全性。IL的產生有兩方面原因：一是當前RTP無法實施，用戶無法根據實時電價改變用電負荷，為保證電網安全可靠需要強制切除部分負荷；二是不同用戶可靠性要求不同，用電緊張時可靠性高的用戶希望可靠性低的用戶切掉負荷，并愿意賠償其損失，以保證自身可靠的用電和電價的平穩，相當于兩者之間進行用電權利的交易。因此，部分用戶中斷負荷必然帶來正的外部性，以市場機制方式維持IL的運行必然要對這種外部性收費以補償IL用戶損失，從經濟層面考慮，只要正常用電用戶的“機會收益”大于IL用戶中斷負荷的“機會成本”，兩者之間用電權的交易必然是有效率的資源配置方式，[10]然而問題的關鍵是應該給予IL用戶多少補償，電網公司作為IL的管理主體，要建立公平合理實施方案和電價機制。

五、結語

本文分析了智能電網對電力市場的影響及需求響應在智能電網下的表現形式，重點分析了IL補償費用及智能電網下IL的轉變。當前，IL對于電力系統的運行與發展具有重要意義。

（1）實施IL的關鍵是制定公平合理的可中斷電價，對用戶的補償應能反映斷電損失。當前開展IL的主要目標是保證電力系統運行的安全性和可靠性，IL的實施也主要面向大工業用戶，基于此，可以依據用戶中斷一定容量下的VOLL制定可中斷電價。

（2）作為開展IL的主體，IL不應損害電網公司的利益，IL應該通過市場化的方式良性運轉，如果將IL作為需求側提供的一種資源，電網公司只是作為“中間人”，將這種資源調度到可靠性要求或使用價值更高的需求者手中。

（3）智能電網下，IL的作用將會發生轉變和擴展，IL作為備用的需求作用弱化，IL將結合遠期購電合同成為電力公司的避險工具，IL也可以作為用電權利在需求側內部交易。此外，IL在電網接納分布式電源的應用得到顯現。

參考文獻：

[1]余貽鑫，欒文鵬.智能電網述評[J].中國電機工程學報，2009，（34）.

[2]王明俊.智能電網熱點問題探討[J].電網技術，2009，（18）.

[3]顏偉，文旭，余娟，等.智能電網環境下電力市場面臨的機遇與挑戰[J].電力系統保護與控制，2010，（24）.

[4]張粒子，黃仁輝.智能電網對電力市場發展模式的影響與展望[J].電力系統自動化，2010，（8）.

[5]趙鴻圖，朱治中，于爾鏗.電力市場中需求響應市場與需求響應項目研究[J].電網技術，2010，（5）.

[6]張欽，王錫凡，王建學，等.電力市場下需求響應研究綜述[J].電力系統自動化，2008，（3）.

[7]何永秀，黃文杰，譚忠富，等.基于投入-產出法的電力失負荷價值研究[J].電網技術2006，（1）.

[8]譚顯東，胡兆光.基于投入產出法的電力失負荷價值研究拓展[J].電網技術，2008，（1）.

[9]王卿然，謝國輝，張粒子.含風電系統的發用電一體化調度模型[J].電力系統自動化，2011，（5）.

[10]王卿然，張粒子，謝國輝，等.電力用戶互濟策略研究與展望[J].華東電力，2010，（5）.

（責任編輯：孫晴）