馬智遠, 莫文雄,許 中,周 凱
(廣州供電局有限公司電力試驗研究院,廣東 廣州 510420)
供電質量問題已經成為用戶投訴和抱怨的主要原因[1]。以不間斷電源(uninterruptible power supply, UPS)、有源濾波器(active power filter, APF)、動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer, DVR)等為代表的定制電力(custom power)技術已較為成熟[2]。供電企業通過優化配置定制電力技術方案,為用戶提供差異化優質供電增值服務,并由此創造利益增長點,已成為當前售電市場的熱點問題。研究供用電雙方均滿意的低成本優質電力增值服務策略,具有重要理論價值和現實意義。
針對優質供電增值服務,國內外已開展大量探索,但用戶優質供電需求分類識別和增值服務的成本-效益問題,是當前尚未得到解決的兩個關鍵性問題。
在用戶分類識別方面,現有用戶分類主要是圍繞用電負荷特性、客戶價值評價等開展研究,提出了模糊k-means聚類[3]、模糊c-means(FCM)[4]、層次聚類(hierarchical clustering,HC)[5]和自組織映射(self organizing map,SOM)[6]等方法。針對用戶供電電壓等級、低谷用電率、用電負荷、功率因數、電耗占能耗比重、企業總資產、合同履約率等技術性和非技術指標已分別開展了研究[7],并提出了當前價值、潛在價值和信用狀況等電力用戶分類指標。歐盟試圖通過立法促使供電企業提供過去和現在的供電質量等信息,包括負荷曲線、地理位置、當前能耗、歷史同期能耗、標準化平均供電水平等[8]。利用這些信息提升用戶節能和優質供電意識,激勵用戶采取措施[9-10]。有學者對供電質量引起的用戶用電風險開展了研究,把用電風險細分為運行風險、政策風險和管理風險等[11]。遺憾的是,現有用戶分類對用戶所需優質供電需求定量刻畫不足,難以解決實際問題。事實上,隨著高科技產業的發展,各行業電力用戶對供電質量要求越來越高且差異性越來越明顯。文獻[12]研究表明,供電質量已經給用戶造成了嚴重的經濟損失。文獻[13]研究了諧波引起的損耗及其量化方法。可見,用戶對優質供電的理解和需求差異性很大,用戶優質供電需求分類和識別是解決優質供電問題的基礎。
通過優質供電為用戶提供增值服務,創造電力市場競爭條件下的供電企業新的效益增長點,必須解決不同增值服務策略下的優質供電成本-收益問題。針對不同優質供電需求,供電企業和用戶均希望建立雙方能接受的公平、公正、透明的有償服務。供電企業不可能也不必要為每個用戶提供專門的供電服務。通過用戶優質供電分類識別,按照不同類別用戶提供增值服務套餐是降低優質供電成本,達到供用電雙方均滿意的有效路徑。但是,采用優質供電套餐模式提供增值服務,同樣存在差異性問題。以電壓暫降敏感用戶為例,用戶設備類型、供電容量、供電接入點等不同,均會影響所采用的UPS、DVR等定制電力技術方案的成本和收益。推行優質供電增值服務,急需一套同時考慮供用電雙方利益的增值服務套餐設計方案和成本-收益計算方法。
下面以用戶對優質供電的多樣化需求為切入點,引入用戶價值指標和多電能質量效用指標,提出一套用戶優質供電需求分類指標體系,并基于熵權法提出一種用戶優質供電需求分類方法。同時基于用戶優質供電需求分類,提出用戶優質供電增值服務套餐及其成本-收益量化方法,并進行實例分析證明所提方法的有效性和可行性。
優質電力增值服務存在兩個層面的問題,一方面是電力公司愿意售賣相關服務給用戶,另一方面是用戶愿意購買相應服務。電力公司為用戶提供增值服務,會選擇具有購買能力、信譽良好的用戶,這里提出用戶價值指標來刻畫用戶的綜合素質。不同用戶對不同的電能質量指標要求各異,但都可以量化為電能質量效用,以電能質量為用戶帶來的經濟損失或收益增長來刻畫用戶的電能質量需求,這里提出電能質量效用指標來刻畫用戶電能質量需求。
基于客戶價值理論[8],將有關客戶終身價值(customer lifetime value, CLV)的電力客戶價值指標與有關用戶優質供電需求的電能質量指標相結合,綜合考慮售電公司與用戶雙方的不同需求,提出電力用戶分類指標體系,如圖1所示。

圖1 電力用戶需求分類指標體系
客戶價值是指從企業角度看,客戶能夠帶給企業的價值。通常使用客戶為企業帶來收益的貨幣貢獻來定義客戶價值,這種意義下的客戶價值稱為客戶終身價值,即企業從客戶的整個生命周期內獲得現金流的凈現值[8]。對現有客戶來說,傳統客戶終生價值可分成2個部分[14]:一是當前價值,即如果客戶保持使用現在向電網公司購買的服務并持續購入,將來能夠給電網公司提供的價值;二是潛在價值,即如果電網公司通過有效的交叉銷售、調動客戶增量購買積極性或客戶向別人推薦產品和服務等,未來可能增加的客戶價值。然而,隨著能源可持續發展戰略的提出,電網公司進行客戶價值評估時不僅要考慮貨幣貢獻,還需考慮非貨幣貢獻,即用戶的節能環保效益和持續發展潛力[15]。
1.1.1 當前價值
用戶當前價值主要體現在收入貢獻、服務成本、信譽等級等方面。收入貢獻是度量用戶當前價值的最基本標準,由用電量和平均電價共同決定。這里重新定義加權平均資本成本(weighted average cost of capital,WACC)以計算用戶未來能為電網公司帶來的收入貢獻的期望凈現值[16]。
(1)
式中:St為t時段內用戶購電量與購電電價乘積,即用戶向電網公司繳納的購電費用;Ct為電網公司買電費用;d為折現率;t為時間單元(如月/季度/年);T為時間單元總數,即預期的客戶生命周期。
服務成本是售電公司在不同用戶服務上的不同投入,可由電壓等級、用電負荷率、低谷用電率、峰谷負荷差共同表征。電壓等級可以體現電力用戶的用電規模,對高電壓等級的用戶,電網公司需提供的運營成本越低,這標志著電網公司供電變壓費用的降低,從而增加了電網公司可獲得的利潤。用電負荷率指用戶本期的平均負荷與其歷史最大負荷的比值,可以反映用戶用電情況和負荷分布特征。低谷用電率指客戶在低谷時段的用電量占該月總用電量的比例,可以緩解高峰時段用電壓力,降低電網公司運行成本。峰谷負荷差可以表征用戶是否需要改變用電模式與需求響應。
(2)
(3)
(4)
式中:Lnow-ave為用戶本期平均負荷;Lhistory-max為用戶歷史最大負荷;QV為用戶本期低谷時段累計用電量;QP為峰時段累計用電量;Qtotal為用戶本期總用電量。
信譽等級使用拖欠率(delinquency rate,Dr)進行評估,表示拖欠和應收賬款的比例[17]。越新的拖欠率越能反映客戶的可信度,Dr越高,用戶風險等級就越高,可信度就越低。在此使用最近3個月、半年、一年和歷史同期的加權拖欠率累計,Dr的計算如式(5)所示。
(5)
式中:Dr3是最近3個月的拖欠率;Dr6是最近半年的拖欠率;Dr12是最近一年的拖欠率;Drhistory是歷史同期拖欠率。
1.1.2 潛在價值
用戶潛在價值是指用戶持續生產和盈利的能力。對于電力公司而言,為用戶進行優質供電的服務,需要投入大量定制電力設備,如果購買優質電力服務的用戶不能持續生產和盈利,就可能會出現用戶拖欠優質電力服務費用的情況。電力公司不僅會損失有償優質電力服務的服務費用,還會損失購置、運輸、安裝、拆卸電能質量補償設備的大量成本。相較于普通欠繳電費的情況,電力公司可以直接選擇停電的方式止損;但是,優質電力服務需要電力公司大量的前期投入,如果出現欠費或用戶違背合同約定期限,要求停止服務的情況,電力公司損失巨大。所以,評價用戶持續生產和盈利,選擇潛在價值大的客戶,是電力公司選擇客戶時非常重要的指標。
采用歷史同期用電增長率和歷史同期電費增長率刻畫用戶潛在價值指標,具體公式如式(6)、式(7)。
(6)
(7)
式中:Qnow為本期用電量;Qbefore為歷史同期用電量;Pnow為本期產生電費;Pbefore為歷史同期產生電費。
1.1.3 節能貢獻
節能貢獻是指用戶通過采取推行合同能源管理機制、更新設備、改進生產工藝流程、開展節能管理活動等一系列舉措,從而提高電能利用效率,減少能源損耗為供電企業帶來的社會收益,屬于非貨幣貢獻。具體指標可選擇功率因數、電能消費強度下降率、是否推行合同能源管理項目、是否設立節能管理部門、是否具有持續發展潛力。前兩點為數值型指標,后兩點為二元(布爾)型指標。
(8)

效用是用戶對售電公司某種商品或服務的需求偏好程度[18],一般由用戶感知獲得,可作為用戶價值評價、購買決策的依據。通常情況下,由于敏感用戶發生電能質量擾動會產生大量損失,因此該類用戶對售電公司的要求不只包括可靠供電與合理電價,對電能質量與優質供電的需求反而更強烈,因此,其對優質供電增值服務套餐是有偏好的。為了衡量用戶對差異化增值服務套餐的偏好程度,可以引入多電能質量效用概念,統一刻畫電力用戶的多樣化優質電力需求。
1.2.1 考慮多種電能質量問題的效用指標
根據效用理論(utility theory),用戶的多電能質量效用可定義為:用戶使用的優質供電增值服務套餐能滿足其電壓暫降、諧波、三相不平衡等電能質量需求的程度,是對用戶電能質量需求是否得到滿足以及滿足度的一種心理評價。用戶對多電能質量效用的實際感知會受到用戶主觀想法的影響[19]。此外,多電能質量效用還會受到優質供電增值服務套餐的競爭力、市場占有率等不確定或不可測因素的影響,因此,多電能質量效用包括可量化和不可量化兩部分,如式(9)所示。
V=U+ε
(9)
式中:V為多電能質量效用;U為其可量化部分;ε為不可量化部分。
根據學者Kahneman和Tversky提出的前景理論(prospect theory)[20]和累積前景理論(cumulative prospect theory)[21],用戶關心優質供電增值服務套餐帶來的用電效用,同時,由于用戶存在損失厭惡心理,其在效用方面更重視損失而不是同等的收益。因此,式(9)中的U可寫為
(10)
式中:v(x)為優質供電增值服務套餐帶來的用戶感知效用;x為電能質量經濟損失指標(power quality economic loss index,PQELI);α為反映用戶風險規避心理的系數,取值為0<α<1;λ為反映損失厭惡的系數,取值為λ>1,具體取值可調查統計或專家經驗確定。
式(10)中x以歐盟萊昂納多電能質量工作組(LPQI)2007年的電能質量損失調查結果為依據,以多電能質量擾動現象對用戶造成的年經濟損失為指標,包括電壓暫降與暫升、短時中斷、長時中斷、諧波、三相電壓不平衡、電壓波動與閃變等,如圖2(a)所示,x的取值如式(11)所示。
xt=St+Ct
(11)
式中:xt為是一段時間(一年)內用戶因電能質量造成的經濟損失;St為設備成本,即保護裝置在同一段時間內的投資成本;Ct為與該段時間t內相關電壓事件導致的工藝過程中斷相關的直接成本,可計算為
Ct=c·n
(12)
式中:c為單次中斷的平均成本,包括人工成本、廢品損失、停工損失、生產利潤損失、重啟動成本、其他成本、節約成本;n為t時間段內的中斷次數。
用戶多電能質量感知效用v(x)受風險規避心理影響,同時由于用戶感知損失x表示為負值,可用凸函數表示[21],如圖2(b)所示。


圖2 用戶多電能質量效用函數
1.2.2 電能質量效用指標評估
根據式(10)至式(12),用戶多電能質量效用評估方法為:
1)以LPQI電能質量損失調查方法及其得到的非居民用電電能質量損失數據為依據,統計實測電能質量事件,通常以年周期進行統計;
2)根據式(11)與式(12)確定用戶所經受電能質量擾動事件造成的經濟損失,得電能質量經濟損失指標x;
3)根據式(10)確定用戶多電能質量感知效用U。
在建立電力用戶分類指標體系后,需要對電力用戶指標數據進行預處理和分類,并對不同指標的權重進行確定,從而得到用戶最終分值,建立電力用戶等級劃分模型。
由于用戶的各類指標數據具有較大的差異性,在比較不同用戶的指標特征時,數值的大小會影響相似度計算。為了縮小和統一量綱,更明顯地體現用戶終身價值及電能質量特性差異,需要進行數據歸一化處理。
評價指標通常包括效益型和成本型兩種,效益型指標是指屬性值越高對評價結果越好的指標,成本型指標是指屬性值越低對評價結果越好的指標??砂词?13)、式(14)將屬性指標轉化為規范型指標。
(13)
(14)

除了節能貢獻指標中的是否推行合同能源管理項目、是否設立節能管理部門與持續發展潛力指標,其余都為效益型和成本型指標。對這類非數值型指標,可以采用附加值的形式。
(15)
式中:z為非數值型指標可附加的值,“是”時為“+”,“否”時為“-”;n為總指標數。
指標權重計算使用熵權法,計算步驟如下[22]:
1)計算特征比重;
2)計算熵值;
3)計算差異性系數;
4)確定權重。
在確定指標權重后,根據電力用戶分類指標體系和分類結果,由于綜合指標分值處于[0,1]之間,因此可將電力用戶劃分為3個等級,分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級電力用戶,建立電力用戶等級劃分模型,如表1所示。

表1 用戶電能質量需求等級劃分
針對各級優質供電的需求,具體分析如下:
1)Ⅰ級——需求非常強烈
Ⅰ級電力用戶具有極高的經濟價值和社會影響力,用電量與可信度較高,具有較高的節能貢獻與持續發展潛力,對電能質量極其敏感,發生輕微電能質量問題將造成重大損失,如造成重要設備損壞或大量產品報廢,恢復生產需要較長時間。這種級別的用戶主要包括在社會、政治、經濟生活中占有重要地位,中斷供電可能造成人身傷亡、重大環境巧染、重大政治影響、重大經濟損失、社會公共秩序嚴重混亂以及對供電可靠性有特殊要求的重要用電客戶與重點關注客戶等,例如高端制造業、信息技術產業、政府機關、醫療中心等。
2)Ⅱ級——需求強烈
Ⅱ級電力用戶具有較高的經濟價值和社會影響力,用電量與可信度中等,具有一定的節能貢獻與持續發展潛力,對電能質量敏感,發生電能質量問題將造成較大損失,或將影響重要用電單位的正常工作以及造成人員集中的公共場所秩序混亂。
3)Ⅲ級——無強烈需求
Ⅲ級電力用戶具有較低的經濟價值和社會影響力,用電量與可信度較低,節能貢獻與持續發展潛力較低,遭受電壓暫降等電能質量擾動現象后造成的經濟損失較低。這種級別的用戶要求各種電能質量指標滿足國家標準即可,只有在發生持續斷電或電壓波動幅度過大,持續時間較長才會受到影響。除了Ⅰ、Ⅱ級用戶以外的電力用戶均為Ⅲ級電力用戶。
優質供電增值服務是售電側改革下售電公司競爭的必然結果[23]。對不同級別的電力用戶,售電公司可提供的差異化增值服務套餐中應包含信息服務、網絡交易服務、預測診斷服務、治理方案服務、節能服務、需求側管理服務等[24]。其中,信息服務與網絡交易服務應為用戶可無償享受的基礎增值服務,具體內容如下:
1)信息服務:為用戶提供用電安全知識普及服務、行業資訊與用電信息發布服務、停電信息發布服務;及時通知停電信息,確保通知到位。
2)網絡交易服務:提供網絡商店服務、網絡支付服務,用戶可根據自身需求直接在網上繳納電費或購買相應優質供電差異化服務。
3.1.1 Ⅰ級電力用戶增值服務套餐
1)預測診斷服務:針對Ⅰ級用戶對電能質量極其敏感的特點,提供用戶所在配電網的系統元件故障與電能質量狀態的監測、預測診斷等服務。
2)治理方案服務:針對Ⅰ級用戶易因電能質量問題造成重大損失的特點,采集并分析用戶的設備運行參數、電能質量免疫力等信息,基于電能質量監測,對用戶設備實際耐受水平與供電質量等級之間的兼容水平進行評估,為用戶提供最佳用電設備咨詢服務,同時為用戶提供治理方案設計與定制電力設備配置服務,如在關鍵敏感設備側安裝APF、DSTATCOM和DVR等設備,增配備用電源與不間斷電源(UPS)等儲能設備,以使敏感設備免受電壓暫降、短時中斷、諧波等電能質量擾動的影響。另一方面,提供設備維護指導服務,為大型電力用戶提供內部配電網絡的更新、改造等業務。
3)節能服務:售電公司根據業務范圍,加強節能技術研發,優先提供節能改造、節能項目咨詢、新技術新設備應用等服務,為用戶提供合同能源管理服務。對于多能源供能的用戶,售電公司還可為其提供綜合低碳能源解決方案。
4)需求側管理服務:為用戶提供能效提升服務。例如,結合現行電價政策和節能重點,電力企業可以每年定期或不定期地進行電力需求側技術培訓,以引導用戶提升能效管理水平,幫助用戶實現削峰填谷并調節負荷特性,減少設備所需能耗與電費。
3.1.2 Ⅱ級電力用戶增值服務套餐
1)預測診斷服務(同3.1.1)。
2)治理方案服務(同3.1.1)。
3)節能服務(同3.1.1)。
3.1.3 Ⅲ級電力用戶增值服務套餐
1)治理方案服務:采集并分析用戶的設備運行參數、電能質量免疫力等信息,對用戶設備實際耐受水平與供電質量等級之間的兼容水平進行評估,并為用戶提供優質供電服務購買咨詢服務、定制電力設備維護或更換服務。
2)節能服務:為用戶提供節能電器設備供應服務、分布式電源設備銷售服務、使用培訓及維修咨詢服務,例如可以為農村及偏遠山區用戶銷售風力照明燈、屋頂發電等分布式電源設備。
3.2.1 成本模型
1)投資建設費用
投資建設費用為套餐內各項服務的投資之和,各項服務投資費用包括設備投資、技術投資等費用。投資建設費用的模型為
(20)
式中:I為優質供電差異化套餐投資費用;Ci為套餐內第i項增值服務的投資費用;n為套餐內所包含服務數目。
對Ⅰ級和Ⅱ級用戶來說,投資建設費用為
(21)
對Ⅲ級用戶來說,投資建設費用為
(22)
式中:ρmon為用戶需安裝的監測設備單價;ρi為電能質量治理設備單價,元/kVA;S1為監測設備容量;S2i為電能質量治理設備容量;F為節能服務合同年支付費用。
2)運行維護費用
運行維護費用主要包括設備和線路的運行成本、檢修費用、人工維護費用等。具體模型為
M=IRm
(23)
式中:M為優質供電差異化套餐的年運行維護費用;Rm為優質供電差異化套餐的年運行維護率。
3.2.2 收益模型
目前進行的電力體制改革中,售電公司還沒有真正的建立起增值服務盈利機制,其提供的增值服務還無法與購售電合同分開,按不同比例分別收取增值稅。因此增值服務套餐成本及其為售電公司帶來的價值主要表現為用戶購電電價的增加。無增值服務時,用戶購電電價由上網電價、輸配電價和售電公司利潤組成;加入增值服務后,用戶購電電價由上網電價、輸配電價、政府性基金及電費附加、售電公司利潤和增值服務費用構成。其中,輸配電價和政府性基金及電費附加是“不變成本”,售電公司利潤是上網電價下調從發電側得到的利潤。
無增值服務時,電力用戶購電電價計算公式為
pu0=pg+pt+pv=pg+pt+ktΔp
(24)
式中:pg為上網電價;pt為輸配電價;pv為反映售電公司利潤的電價,認為其與售電公司交易的發電側降價Δp成比例,kt為比例系數。
有增值服務時,不同等級電力用戶購電電價計算公式分別為
(25)
(26)

通過走訪中國南部某省的多家電力用戶,其中6家用戶能提供較詳細的信息,用以驗證所提方法。對6位用戶的各項指標數據,進行歸一化處理,均值如表2所示。

表2 各指標分布平均值
這里所用的電力用戶分類指標為終身價值和電能質量效用,采用熵權法對指標權重進行兩次計算,得到用戶的客戶價值與綜合分值,如表3所示。α和λ分別取0.88和2.25[20-21]。

表3 電力用戶綜合分值
因此,根據第2節中給出的不同類別電力用戶對應分值,可以判定C用戶屬于Ⅰ級電力用戶,A用戶屬于Ⅱ級電力用戶,B、D、E、F用戶屬于Ⅲ級電力用戶,并可為之配備對應優質供電差異化套餐。
應用所提分類方法,對國內某晶圓制造廠[25]進行分類,判定其為Ⅰ類用戶。根據3.1.1節為該用戶設計增值服務套餐并進行收益分析[26]。已知該用戶有6臺電能質量監測設備安裝于高壓進線,已有電能質量治理設備為UPS,年治理成本為478.7萬元;某年因電壓暫降造成的經濟損失為2 464.3萬元,治理后經濟損失減少346.2萬元。負載容量為40 000 kVA,年均用電量為200 GWh。
該用戶原有UPS治理方案無法覆蓋全部用電負荷。使用所推薦的增值服務套餐后,在原有治理方案基礎上加裝大容量DVR進行集中治理。目前DVR單價約為0.18萬元/kVA,加裝容量為20 000 kVA,年運維成本按設備購置成本的5%考慮,kt取50%,α取70%。利用式(24)、式(25),對用戶與售電公司所簽訂合同的用電電價與合同年限之間關系進行分析,如圖3所示。

圖3 用戶購電電價與合同年限關系曲線
由圖3可以看出,隨著合同年限不斷增加,用戶的購電電價呈現下降趨勢,同時購電電價的下降速度越來越緩慢。這是因為電價公式中售電電價與合同年限成反比例關系,并且合同年限越長,DVR治理方案的投資回收期越長,售電公司的年均投資回收金額就越低。對圖3進一步分析可以得到,合同年限大于等于6年時,電價下降速度變得較為緩慢,因此綜合考慮售電公司與用戶的需求后,可以選擇6年為用戶所簽訂合同年限,如表4所示。

表4 增值服務套餐設計
假設DVR均能可靠動作且補償能力為50%額定電壓,根據某年電壓暫降監測數據,有一次暫降處于DVR補償范圍之外,可得出用戶使用套餐后年經濟損失為22.5萬元,比無增值服務套餐情況下減少了2 441.8萬元。因此,對無增值服務套餐和有增值服務套餐情況下用戶年經濟支出進行分析,如表5所示,可以得出有增值服務套餐情況下,用戶每年所支付的電費雖然增加了1440萬元,但遭受電壓暫降所造成的經濟損失卻大大降低,使得用戶年總經濟支出與無增值服務套餐情況相比降低了26.17%。因此所設計的增值服務套餐可以給用戶帶來更好的經濟效益,也可以明顯改善其電能質量。同時,對售電公司來說,增值服務套餐可以為自身帶來收益,也可以增強自身優勢降低電能質量擾動對客戶造成的經濟損失,吸引并留住客戶。

表5 不同套餐下用戶年經濟支出
面向電力市場激烈競爭的現狀,前面以優質供電為切入點,提出了用戶供電質量需求識別及優質供電增值服務策略。并基于中國南方某省的用戶數據驗證所提方法,得到以下結論:
1)考慮客戶當前價值、潛在價值和節能貢獻,提出客戶價值指標,為電力公司選擇優質供電服務對象提出量化指標;提出電能質量效用指標來刻畫因電能質量導致的經濟損失,描述用戶對使用優質電力的愿望。
2)基于熵權法,提出一種用戶優質供電需求分類方法。根據所提方法,把用戶需求分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類,提出每類需求的主要增值服務內容。
3)針對用戶的優質供電需求的個體差異,提出用戶優質供電增值服務套餐及其成本-收益量化方法,并進行實例分析,結果證明了所提方法的有效性和可行性。
4)所提方法可促進電力公司優質供電的服務進程。以優質供電差異化增值服務套餐的方式推廣有償優質供電服務,可為電力公司降低差異化增值服務成本,同時對售電公司掌握競爭優勢、實現穩固發展有重要意義。