面向用戶可靠性需求差異的電價計算方法

摘要：根據社會發展需求制定新的具有差異化的可靠性電價機制，滿足用戶的差異化可靠性需求已是當務之急。基于用戶可靠性需求差異進行電價定價計算方法的研究。首先，根據可靠性提升成本的類別與性質提出可靠性成本的分攤思路，以指導基本電價和電度電價的調整。接著，基于電力用戶的可靠性需求要素和距離要素進行容量電價調整，基于電網公司收益最優的數學模型進行電度電價的調整。最后以某城市的可靠性需求差異調研結果為例，進行可靠性電價計算，驗證了所提方法的可行性和有效性。

關鍵詞：可靠性;需求差異;電價;成本分攤

DOI：10.15938/j.jhust.2022.03.016

中圖分類號： TM732文獻標志碼： A文章編號： 1007-2683（2022）03-0119-08

Electricity Price Calculation Method Based on Customer

Reliability Demand Difference

LI Hao1，WU Ya-xiong1，GAO Chong1，CAO Hua-zhen1，WANG Zi-jun2，WANG Cheng-min2

（1.Power Grid Planning Center of Guangdong Power Grid Company，Guangzhou 510080，China;

2.Department of Electrical Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：It is an urgent task to formulate a new differentiated reliability electricity price mechanism according to the needs of social development to meet the differentiated reliability needs of users. Therefore， this paper studies the reliability electricity price mechanism based on the difference in user reliability demand. First， according to the category and nature of the reliability improvement cost， the idea of apportioning the reliability cost is proposed to guide the adjustment of electricity price. Then， the capacity electricity price is adjusted based on the reliability demand elements and distance elements of the power users， and the electricity price is adjusted based on the mathematical model of the optimal income of the grid company. Finally， taking the research results of the reliability demand difference of a certain city as an example， the reliability electricity price calculation is carried out to verify the feasibility and effectiveness of the method in this paper.

Keywords：reliability; demand difference; electricity price; cost sharing

0引言

電價的形成機制一直是研究的熱點。傳統銷售電價主要有兩部制電價、峰谷電價和階梯電價等多種電價形式。大部分的電價形式都沒有考慮可靠性這個要素，峰谷電價雖然為降低電網解列風險考慮了電網的可靠性和安全性，但沒有可考慮用戶可靠性需求的差異。目前，我國沒有充分計及電價在可靠性管控中的影響和作用 ，對電網整體發展的支撐相對粗放，精益化水平有待進一步提升。近年來，黨中央、國務院高度重視優化營商環境，李克強總理批定的《對標世界銀行評估標準優化營商環境工作任務清單》，強調全面加強供電可靠性管理，為優化我國電力營商環境做出積極貢獻。電價成為營商環境中的重要指標之一，有必要根據社會發展需求制定新的具有差異化的可靠性電價機制，滿足用戶的差異化可靠性需求。

目前，可靠性電價的研究還在探索階段，部分文章進行了初步探討[1-15]。文[2]則在文[1]的基礎上考慮可中斷負荷參與備用市場，建立可靠性風險定價模型計算可靠性電價。文[3]考慮了停電風險，將停電損失作為機會成本的一部分，以全社會用電的機會成本最小進行可靠性電價的制定。為保證供電可靠性，電網公司需要有充足的備用容量，文[1]將備用容量成本分攤到各個電力用戶作為可靠性電價。文[4-5]均通過建立多項供電可靠性指標與可靠性電價之間的關系模型，求取各項指標權重，來獲取可靠性電價，該方法在離市場中簡單易行。文[5]在文[4]的基礎上，通過模糊聚類將電力負荷進行分類形成不同的虛擬負荷點以減少計算難度。文[6]根據可靠性需求進行電網投資建設，根據各個負荷點的年度增量成本與注入的單位功率之比作為可靠性節點電價。文[7]根據價值工程理論通過價格供能彈性系數，從可靠性水平的變化推出可靠性電價的變化量。文[8-9]基于成本效益分析，將節約的負荷中斷成本視為可靠性收益，與電網可靠性投資成本進行聯合優化來設計可靠性實時電價與可靠性備用電價。

基于可靠性成本分攤的思想設計可靠性電價的研究較多[1，3，6，11-20]，主要因為基于可靠性成本分攤原理的可靠性電價制定思路清晰，執行簡單。但目前研究可靠性成本分攤研究中還存在一定的問題：首先，對可靠性成本的考慮不足，部分研究只考慮備用購電成本，沒有考慮到電網投資成本等其他可靠性成本;其次，對可靠性的考慮過于片面，沒有考慮差異化的用戶可靠性需求。基于以上原因，本文提出面向用戶可靠性需求差異的電價計算方法。基于可靠性成本分攤思想，將不同類的可靠性成本分別分攤到基本電價和電度電價中。首先，根據電力用戶屬性進行用戶分類，根據屬性值大小進行基本電價的定價計算;其次根據電網公司獲取備用電的來源及成本，在保障電力用戶利益不受損的情況下，通過電網收益最優模型進行電度電價的定價計算;最后根據某地區算例證明本文提出的可靠性電價計算方法的有效性。

1可靠性成本分攤思路

不同用戶對可靠性的需求不同，部分電力用戶愿意支付可靠性電費以保證用電的高可靠性，而部分用戶愿意接受電力中斷以獲得中斷補償。因此將獲取高可靠性的成本分攤到可靠性水平需求較強的用戶上，對低可靠性需求的用戶進行補償，在可靠性成本分攤的思路下實現具有差異化的可靠性電價定價機制。

提高可靠性的成本主要由購買備用電成本、電網投資成本、備用電源安裝等方面構成。提高可靠性的成本分攤有以下3種形式：基本電價分攤，電度電價分攤，基本電價分攤加電度電價分攤。本文主要考慮可靠性的兩部制電價的重新制定，因此，從成本分攤轉移的角度重新制定基本電價和電度電價。在可靠性成本中，電網投資成本、備用電源安裝成本在電網規劃建設時期產生，為固定成本，且與實際用電量無關，與可靠性水平需求有關;而購買備用電成本在電網運行中產生，為變動成本。因此將電網投資成本、備用電源安裝成本等固定成本在基本電價中進行分攤，而購買備用電等變動成本在電度電價中進行分攤。

2可靠性電價制定流程

2.1基本電價制定策略

電網投資成本將提升電網的整體可靠性水平，因此將此成本的提高量在基本電價中進行分攤。

常規的兩部制電價只考慮不同時段所具有的不同發電成本，反映的是供應側生產成本，沒有考慮到電力用戶的負荷屬性（如電力用戶對供電可靠性需求和電力用戶與電源點的距離等）。不同電力用戶對供電可靠性需求不一樣，因此電力用戶所支付的實際電費也應有所差異。此外，不同電力用戶所處的具體地理位置也可能不同，有些電力用戶遠離中心變電站，電網公司為了向這些電力用戶供電，其輸電線路的建設維修費用必定高于其他電力用戶。因而，這類電力用戶所交付的電費也應該是不同的。因此考慮到負荷屬性問題，平衡電力企業與電力用戶效益，提出基于兩部制電價的可靠性電價。

1）電力用戶分類

首先，根據各個負荷電力用戶屬性Xmj進行分類。將配電網內某電壓等級的N個電力用戶分為M個子類，每個子類的電力用戶屬性Xmj相同。第m個子類中含有Q個電力用戶，第m個子類第j個電力用戶的容量表示為Smj。

電力用戶屬性Xmj=（xmj1，xmj2）的兩個分量分別為距離分量xmj1和可靠性水平分量xmj2。距離分量xmj1通過衡量第m子類電力用戶離變電站距離得到，由于電網的線路成本與電力用戶距離中心變電站的距離可近似認為成線性關系，所以對于距離分量的取值方法為：

xmj1=DiD-（1）

式中：Di為電網中各個負荷電力用戶與中心變電站之間的距離，i=1，2，…，N;D-為所有電力用戶距離中心變電所的平均距離。

對于電力用戶要求的供電可靠性與電網投資的關系，也近似認為成正比關系。因此對第二個分量（可靠性分量）的取值是按照電力用戶自身對可靠性的需求來進行的。

2）不同電力用戶容量電價計算

按照屬性將各個電力用戶分為不同的子類，并認為相同子類的容量電價權系數相同。計算出每個子類電力用戶的容量電價權系數：

Kmq=1Qm∑Qmj=1`∑2k=1xmjk（2）

式中：xmjk為某電壓等級電網的第m個子類第j個電力用戶的第k個屬性分量值;j=1，2，…，Qm;Kmq為第m個子類中第q個電力用戶的容量電價權系數。

按照計算出的權系數分配各個電力用戶的容量電價值。例如，第i個負荷節點屬于第m個子類中的第q個電力用戶，則第i個節點的容量電價為：

ρi=ρmq=ρmKmq（3）

式中：ρm為第m 類電力用戶容量電價的基值，單位為元/kW·h。這個基值初始值可以按照傳統的容量電價計算方法進行計算。

3）不同電壓等級電力用戶的容量電價計算

針對不同電壓等級的電網，可先對電壓等級最低的部分，將各個電力用戶按照各自的屬性進行分類，并求解出每個負荷節點的容量電價，然后對其上一電壓等級的電網，再以同一母線（或節點）所供電的各個電力用戶點的不同屬性（如電力用戶的可靠性要求和所處的地理位置）作為加權系數，將各個電力用戶點的容量電價進行加權求和，得到該母線（或節點）的綜合等值容量電價。依此類推，就可以求得不同電壓等級電網的各個節點的綜合等值容量電價。

2.2電度電價制定策略

2.2.1可靠性電價與備用容量關系

購買備用電、可中斷負荷的使用導致的成本增加可在電度電價中進行分攤。

可靠性電價與可中斷負荷之間的關系可概括為2個方面：

1）可中斷負荷對可靠性電價的影響。這又表現為：提供了備用容量，減少了負荷不足方面的可靠性問題，同時還使供電公司規避一定的備用市場購電風險，降低備用容量購買風險成本;減輕了系統的輸電壓力，減少了過載導致的可靠性問題，同時減少或者延緩電網投資改造工程，規避了一定的投資改造風險。

2）可靠性電價對可中斷負荷的影響。可靠性電價的制定首先需要電力用戶上報可靠性要求，而電力用戶的可靠性要求一般與其負荷中斷成本高度相關，負荷中斷成本越高要求的供電可靠性越高，參與可中斷負荷管理的可能性就越小，因而通過電力用戶申報的可靠性要求可為供電公司甄選有效的可中斷負荷電力用戶及了解電力用戶的中斷成本傳遞一定的信息。

2.2.2電度電價制定的數學模型

電力用戶對于供電可靠性需求的增加，將引起供電可靠性電價的變化。對于電力用戶而言，消費支付意愿或消費者剩余，代表電能對電力用戶的價值。當居民電力用戶對供電可靠性要求較高時，其愿意支付并未等同于電價。電力用戶是否接受實行可靠性電價，主要取決于實施可靠性電價后電力用戶是否更省錢，換言之與電力用戶未實行可靠性電價之前相比，高可靠性電力用戶在實施了可靠性電價后期因避免停電而免受的損失是否大于因提高供電可靠性而多付電費。

綜上，在電度電價制定策略模型中，電力用戶在停電損失和所支付電費之間選擇合適的供電可靠性以及對應的電價水平，實現自身的經濟效益的提升;而電網公司可以根據電力用戶的供電可靠性需求，評估電網的供電可靠性與安全性，從經濟效益最大化的角度，在保證供電可靠性需求的前提下，確定備用電和可中斷負荷的成本分攤策略以制定計及用戶差異的電度電價。

因此，電力用戶從自身的經濟效益角度出發，在采用可靠性電價策略后的支付電費和停電損失費用之和應該小于采用可靠性電價策略前的支付。

電費和停電損失費用之和，如式（4）所示：

c′i·Pl，i·T+ωiΔE′ENS，i≤ci·Pl，i·T+ωiΔEENS，i（4）

其中，ci、c′i分別為可靠性電價制定策略前后的第i個用戶的電度電價;Pl，i為第i個電力用戶的需求;ωi為第i個電力用戶的單位停電損失成本;ΔEENS，i、ΔE′ENS，i分別為可靠性提升前后的第i個電力用戶的缺供電量;T為一年的總小時數。

電網公司從自身的經濟效益角度出發，希望在滿足用戶差異化的可靠性需求的前提下，獲得最佳效益，如式（5）所示：

maxCb-Cp-Cγ-Cτ-Cλ（5）

其中，Cb為電網公司的總售電收入;Cp為電網公司支付給全系統電力用戶的總停電補償;Cγ為電網公司支付給低可靠性需求用戶的中斷費用;Cτ電網公司支付給可中斷負荷的費用;Cλ為電網公司從備用市場購電的費用。

其中，由于可靠性提升投資將會導致全系統的可靠性水平提升，包括部分低可靠性需求的電力用戶可靠性水平也隨之提升。此時，電網公司可以從3個方面獲取備用容量Pbs。首先，可以從低可靠性需求的用戶中獲取備用容量Pbs，1，將實際運行電網中高于用戶需求的可靠性部分所對應的供電量以切負荷的形式作為備用進行統一調度。其次，與可中斷負荷簽訂合約，調用可中斷負荷獲取備用容量Pbs，2。最后，可從備用市場購電獲取備用容量Pbs，3。

可靠性提升投資導致低可靠性需求的電力用戶的缺供電量減少ΔEENS，i-ΔE′ENS，i，所以其可靠性水平提升了ΔEENS，i-ΔE′ENS，iSi·T，即Pl，i·ΔEENS，i-ΔE′ENS，iSi·T可作為備用進行調度。因此，第一部分的備用容量如式（6）所示：

Pbs，1=αi·Pl，i·ΔEENS，i-ΔE′ENS，iSi·T（6）

其中，αi為0～1變量，如果αi為1，則第i個電力用戶為低需求用戶，且該用戶可靠性投資后的可靠性水平高于其可靠性需求。

第二部分的備用容量來自可中斷負荷，其數學表達式如式（7）所示：

Pbs，2≤∑iβiPl，i（7）

其中，βi為0～1變量，如果βi為1，則第i個電力用戶為可中斷負荷，若βi為0，則第i個電力用戶為非可中斷負荷。

當第一、第二部分的備用容量無法滿足系統總備用需求時，電網公司從備用市場供電，以滿足風險需求，因此第三部分的備用容量需要滿足式（8）：

Pbs，1+Pbs，2+Pbs，3≥Pbs（8）

根據上述對于備用的分析，可以詳細寫出電網公司總收益中的每一小項的數學表達式，如式（9）～式（13）所示。

Cb=∑i（c′i·Pl，i）·T（9）

Cp=∑i（pi·ΔE′ENS，i）（10）

其中，pi為第i個電力用戶的單位停電補償成本。

Cγ=γ·Pbs，1·T（11）

其中，γ為從低可靠性需求用戶獲取備用的單位成本。

Cτ=τ·（ηPbs-Pbs，1-Pbs，3）·T（12）

其中，τ為調用可中斷負荷的單位賠償成本;ηPbs為實際調用的備用容量;ηPbs-Pbs，1-Pbs，3為實際調用的可中斷負荷。

Cλ=λ·Pbs，3·T（13）

其中，λ為從備用市場購電的單位成本

綜上所示，電度電價的制定策略數學模型如式（14）所示。

max式（5）

s.t.式（4）

式（6）～式（13）（14）

2.3可靠性電價制定總流程

兩部制可靠性電價的制定關鍵在于考慮差異化的電力用戶可靠性需求，改變基本電價和電度電價的定價方法。在基本電價方面，主要考慮因可靠性水平提升導致的電網投資改建成本增加到電價的轉移;在電度電價方面，主要考慮購買備用的風險成本增加到電價的轉移。因此，可靠性電價制定的流程如圖1所示，首先根據電力用戶的距離屬性和可靠性屬性分攤電網投資費用進行基本電價的計算;其次，根據投資改建結果重新進行可靠性計算，標記可靠性水平超出需求的低可靠性用戶，為電度電價制定策略打下基礎;最后，求解考慮電網公司經濟效益最優的電度電價數學模型，得到合適的電度電價。

3算例分析

根據某地區的用戶供電可靠性需求調研結果，將用戶分為3種：高可靠性需求用戶、中可靠性需求用戶和低可靠性需求用戶。其中高可靠性需求用戶希望能用更高的價格獲取到更可靠穩定的電力;中可靠性需求用戶希望維持電價水平并對供電可靠性需求沒有更高的要求;低可靠性需求用戶希望降低電價并允許一定的負荷中斷情況發生。根據高可靠性用戶的需求進行電網建設，全網的用戶停電時間發生改變。每種用戶根據單位停電損失的高、中、低，分別分為3類，3種共9類用戶的具體數據如表1所示。

該地區電網的部分電力價格數據如表2所示。

3.1差異化電價機制對比

采用電度電價制定數學優化模型進行面向用戶可靠性需求差異的電價計算，計算結果如表3所示。

由表3可得，高可靠性需求的用戶電價有不同程度地上漲，其中單位停電損失最大的第一類負荷的電價上漲最為明顯;中可靠性需求的用戶電價維持不變;低可靠性需求的用戶電價呈現不同幅度的下降，其中單位停電損失最大的第七類負荷的下降幅度最為明顯。

當采用傳統電價機制時，電網公司的利潤為29692.91萬元，當采用考慮用戶差異需求的電價機制時，電網公司的利潤為29735.56萬元。可見，電價機制的改變提升了電網的總利潤。總利潤的提升主要在3個方面：首先，由于差異化的價格，更多的客戶會為高可靠性供電買單，導致賣電收益有所增加;其次可靠性的增長使得停電補償成本變小;最后，由于部分備用來自可中斷負荷調用以及切負荷調用，導致備用成本減小。

3.2電價的靈敏度分析

采用差異化電價機制的電價與用戶的可靠性水平變化有關。定義高可靠性用戶的可靠性提升水平β=t1/t2。高可靠性用戶中的第一類負荷、第二類負荷、第三類負荷的電價與可靠性提升水平如圖2所示。由圖中可得，3類負荷若均不提升可靠性，則電價均為0.6（元/kWh）。同時，3類負荷的可靠性提升水平越高，則電價越高。

對可靠性提升水平對電價的影響進行靈敏度分析。圖3為高可靠性需求用戶中的第一類負荷隨著可靠性提升程度的增長的電價增幅情況，即為圖2中第一類負荷的電價曲線的斜率。由圖3可得，隨著可靠性提升程度的增長，電價的增長情況并不是保持一定的。實際中，隨著可靠性提升程度的增長，電價的增幅呈現一定的下降趨勢。主要因為實施可靠性電價后可靠性水平較高時，停電損失減小的幅度較小，為保證用戶參與電價改革的積極性，模型使用了式（4）的限制，所以電價增幅變小。

對停電損失對電價的影響進行靈敏度分析。不同類負荷的停電損失不同，對比圖2中不同類負荷電價曲線的斜率可得當負荷的單位停電損失越高時，電價提升速度越快。以第一類負荷為例，具體分析停電損失對電價的影響，如圖4所示。

由于中可靠性需求用戶希望維持電價不變，因此不對中可靠性需求用戶的電價進行靈敏度分析。

低可靠性需求用戶希望通過參加可中斷負荷的調用來降低整體的電價水平。因此低可靠性需求用戶的電價與可中斷合約中的中斷時長有關，如圖4所示。由圖4可見，當可中斷時間較短時，電價不發生變化，當可中斷時間超出一定值時，電價不斷降低。主要是前期為達到高供電可靠性用戶的需求進行電網改造，導致其他用戶也會有一定的可靠性水平提升。因此，可中斷時長較小時，低可靠性用戶的可靠性水平高于電網改造建設前，因此電價不會降低而是維持不變。可中斷時長相等的負荷隨著單位停電損失的增加，電價不斷降低。同時，單位停電損失較大的第七類負荷隨著可中斷時間的增加，電價下降速度明顯大于單位停電損失偏小的第八類、第九類負荷。主要因為對于單位停電損失較大的負荷，電網公司只有給與較大的電價優惠，才能激勵其簽訂可中斷合約。

4結論

根據提高可靠性的成本來源，提出了可靠性成本分攤的基本思路，并根據不同成本的特性提出基本電價和電度電價的制定策略，總結可靠性電價制定總流程。最后以某城市的可靠性需求差異調研結果為例，進行可靠性電價計算和分析。本文的主要貢獻有：

1）提出了可靠性成本分攤思路，為后續的基本電價和電度電價定價機制提供基礎;

2）提出基于電力用戶分類的基本電價制定策略，以計算不同電壓等級下電力用戶的容量電價;

3）簡要闡釋了可靠性電價與備用容量之間的關系，提出基于電網公司收益最高的電度電價定價模型，為面向用戶可靠性需求差異的電價計算提供理論指導。

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（編輯：溫澤宇）