配电市场购售电优化模型研究综述.pdf

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配电市场购售电优化模型研究综述1 配电市场购售电优化模型研究综述2 配电市场购售电优化模型研究综述3 配电市场购售电优化模型研究综述4 配电市场购售电优化模型研究综述5 配电市场购售电优化模型研究综述6 配电市场购售电优化模型研究综述7 配电市场购售电优化模型研究综述8 配电市场购售电优化模型研究综述9 配电市场购售电优化模型研究综述10
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第38卷第2期2010年1月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl0l-38NO.2Jan.16.201O配电市场购售电优化模型研究综述雷霞,刘俊勇,党晓强(1.西华大学电气信息学院,四川成都610039;2.四川大学,四川成都610065)摘要:购售电的优化是配电市场中的重要决策。围绕配电市场购售电优化模型的问题,对购电风险决策、电力需求弹性的应用、大用户、分时电价决策、实时电价决策和随机规划在配电市场中的应用等方面的研究现状和关键问题进行了综述。提出了配电市场购售电优化问题中还未得到解决并值得研究的内容。关键词:配电市场;购售电优化;风险;电价;需求侧Reviewofoptimalmodelsofpurchaseandsaleindistributionelectricitymarket—LEIXia,LIUJun-yong,DANGXiaoqiang(1.SchoolofElectricalInformation,XihuaUniversity,Chengdu610039,China;2.SichuanUniversity,Chengdu610065,China)Abstract:Theoptimizationofpurchaseandsaleisanimportantstrategyinthedistributionelectricitymarket.Aboutoptimalmodelsofpurchaseandsaleinthemarket,thepresentresearchsituationandkeyproblemsofpurchaseriskstrategy,applicationof—powerdemandelasticity,largeconsumers,timeof-usepricedecision,spotpricedecisionandapplicationofthestochasticprogramminginthedistributionmarket,aresummarized.Severalissuesonoptimalpurchaseandsalemethodswhichhavebeenunsettledandworthstudyingareproposed.ThisworkissupportedbySpecialFundoftheNationalBasicResearchProgramofChina(No.20O4CB2179051.Keywords:distributionelectricitymarket;optimizationofpurchaseandsale;risk;price;demandside中图分类号:TM73;F123.9文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2010)020136-100引言电力市场的发展通常经历四个阶段,配售分离的零售型竞争市场是电力市场的最终形式II之J。在配电市场中,允许成立独立经营的专门负责向最终用户供电的供电公司,并且允许所有的用户可自由选择供电公司。发达国家已经纷纷打破配电侧的垄断,比如英国[引、北欧四国[】、美国加州[、澳大利亚[引、新加坡【9]等国家,都采用从大用户逐步到小用户、最后直至所有用户选择供电商的方法来实现配电市场的彻底开放。配电市场的开放使供电公司和用户处于一个自由选择的环境中,同时也使他们暴露于市场波动的风险之下,为市场交易双方提供交易优化决策的理论依据显然非常重要。供电公司和用户的交易以购售电为主,所以购售电的优化模型是研究的重点之O配电市场的购售电离不开电价这个核心问题,基金项目:国家973计划资助项目(2004CB217905);西华大学2009人才培养项目(R0920906)…引入竞争性市场的根本原因是促使电价降低,用户的选择权使电价形式的多样化成为必然,供电公司和用户的效益和成本是决定电价水平的主要因素。同时,波动的市场因素导致了交易双方必须面临风险。本文围绕购售电优化的问题,对配电市场的风险决策、电力需求侧、电价制定模型等问题的研究现状和关键问题进行了总结,并展望了配电市场购售电优化进一步研究的内容。1配电市场的购电风险决策研究由于配电市场对用户的完全开放,用户可以根据自己的意愿选择供电商,还可以选择供电商提供的不同质量的电能,因此供电公司面临购售的双边市场。由于用户的选择权扩大,因此市场的供需状况随时都在发生变化,需求量大小的变化、市场价格的波动都会增加供电公司和用户自身的风险。在配电市场中,供电公司相当于一个期望获取“”利润同时还需规避风险的投资商,它的投资运作是在多个市场中优化购买电能,再以合理形式的电价卖给用户。用户也可以选择从合同市场、现货市雷霞,等配电市场购售电优化模型研究综述一137一场或自发电的方式购电。投资的定义包括了两个基本内涵:收益和风险。随着市场和投资学理论的发展,投资者都认识到只追求收益的最大化,而忽视风险存在的盲目乐观是非常危险的。收益与风险的紧密关系使风险管理成为一个重要课题。目前对于购电优化模型主要从投资组合的风险度量方法着手研究,无论是供电公司、发电公司、电网公司或用户的购电优化方案都采用类似的方法。风险的定义包含了两层含义:一层表示未来结果的不确定性,二层表示损失的不确定性。配电侧电力市场的风险来源主要有三类:价格的不”确定性ll、需求量的不确定性[]和电网运行状况的不确定性。目前的研究主要集中在前两种。对风险度量的方法一般有三种:均值一方差法、VaR(ValueatRisk)法和CVaR(ConditionalValueatRisk)法。均值一方差法是对考察对象的期望值与波动的描述,VaR和CVaR是对损失的概率描述L1引。配电是整个电力系统中的一个环节,配电侧电力市场的风险也与其他环节的市场风险具有共性,所以对配电侧电力市场风险的研究可以借鉴其他环节风险研究的方法。文献[14]指出风险会影响电力市场成员对收益的判断,从而难以进行有效的经济决策,认为电力市场的风险主要源于人的有限理性、机会主义行为和未来的不确定性等,并提出了控制电力市场风险的对策。文献[15]对电力市场的风险管理做了综述,介绍了针对价格波动的几种风险管理办法,包括:套期保值、投资组合优化、风险评价和自产评估等,前两种方法属于风险控制范畴,后两种方法属于风险评估。可见,电力市场中风险的分析、评估、管理与控制对市场的发展是必要的。本文根据不同的风险度量方法在配电市场应用的研究现状进行总结和分析。1.1均值一方差理论根据Markowitz著名的最优资产组合理论,以预期收益率来衡量实际收益率的总体水平,而风险的度量则是未来实际收益率与期望收益率的偏差。文献[16-23]对配电侧电力市场中供电公司的风险进行了分析,并运用均值一方差法对市场的风险进行了评估。电力市场中均值.方差法的典型用法包括:①将方差作为风险成本乘以一个风险项系数计入供电公司的成本中[21,24]。②用确定性等价回报方法将方差计入供电公司的效用函数中[251:=()一AO-2(r)(1)式中:表示供电公司对风险规避的程度。③引入最优风险资产组合中的最小方差证券组合方法计算多个市场的电量比例[19,26]:∑∑—mino-p2=,CoV(0)i=1j=l式中::是投资组合的方差;和X,分别代表第i和第,个市场的电量比例;Cov(r ̄一r,)表示协方差。用方差来表示风险是一种简单易行的方法,曾经在金融领域得到广泛应用,但这种方法也有明显的缺陷,方差关于期望收益是对称的,它将高于和低于期望收益的值都认为是风险。如果将风险的范畴缩小到损失的可能性,均值一方差法则无法体现。1.2VaR价值风险VaR表示在正常的市场波动和给定的置信水平下,在持有期间内,某一资产组合预期可能发生的最大价值损失,即该资产组合发生不超过VaR值损失的概率为置信度概率水平。具体表示为△Pr06(尸>VaR)=1一C(3)△式中:Prob为括号内表达式成立的概率;尸为资产△组合在持有期f内的损失;VaR为置信度C下处于风险中的价值。在文献[27.311中电力市场的风险采用VaR来度量。文献中或讨论电力市场的VaR值大小的求取,或将VaR值作为风险成本进行决策。VaR因为其具有概念简单、易于沟通和理解的特点,为不同金融工具构成的复杂的投资组合提供了一个统一的综合性的测量框架,而成为国际上主流的金融风险计量方法。但同时VaR也有很大的不足:用VaR度量组合风险时,可能出现组合投资比分散投资的风险还大;随机量必须满足正态分布的前提限制了VaR在资产组合中的应用范围;无法考察超过分位点的下方风险信息。1.3CVaR条件风险价值CVaR指投资组合的损失大于某个给定VaR值的条件下,该组合投资损失的平均值【3。CVaR法在发电侧[。6市场研究较多,运用到配电侧。的研究相对较少,但方法近似,运用蒙特卡罗法或情∈景分析法近似表达积分值,建立置信度(0,1】下基于CVaR风险最小化的最优投资组合模型如下:min()=+1J(4)一138-电力系统保护与控制s.t.E(R(x,))b(5)zf(x,Y)一(6)≥0(7)∑=1(8)i=10<xi<1(9)式中:E(R(x,))是期望收益;b是最低期望收益率,虚拟变量=[厂(,Y)一51;Ot是VaR值;n是市场的个数。CVaR不是单一的分位点,这与VaR有着根本的区别,CVaR是尾部损失的平均值,因此它对尾部的测量是充分的。此外,无论投资组合的回报是否满足正态分布,CVaR都是一致性风险度量。CVaR的计算可以通过构造一个功能函数而化为一个凸性优化问题,在数学上用样本均值逼近总体均值,凸规划可以转化为线性规划问题如式(4)~(9),使计算更加简单。计算CVaR的同时可以获得VaR值,实现对风险的双重监管。所以CVaR适合于投资组合的优化计算。1.4动态风险以上三种风险度量方法都只考虑了单期资产的变化,是基于固定投资期限的一种风险度量,通常称之为静态风险度量。但由于实际的资产组合往往是多期投资,影响风险的因素在每个时期应该是变化的,就产生了动态风险度量的问题。风险的动态性必须体现风险随时间的变化而变化的特征,当前时段的风险度量值与历史时间相关,而且对未来风险的波动产生持续的影响。与前面几种风险度量方法不一样的是,到目前为止动态风险值还没有一个确切的表达式来表示,在已有的研究成果中,大多将动态风险定义在多阶段决策过程的基础上,将已发生投资时段的状态量”传递到当前时段中[4。。,从而影响当前时段风险的计算。电力市场的动态风险研究主要集中在发电市场,文献【42】将基于分位数的CVaR值作为多期风险的度量值,文献[43】建立了发电商加权多时段CVaR组合市场投标策略优化模型,配电市场中还没有应用。动态风险的度量弥补了静态风险分析法对风险的时间持续性描述不足的缺陷,是多期风险度量的主要方法,但目前还没有统一的框架,并且定义和计算都比较困难。2配电市场的售电决策研究2.1电力需求侧由于完全竞争的配电侧电力市场应该是对用户彻底开放的市场,供电公司的售电决策必须考虑用户参与的动态过程,所以用户作为需求侧对市场的反应是配电市场改革是否能顺利进行的关键。2.1.1需求价格弹性需求侧弹性是配电市场研究的主要参数之一。微观经济学中定义为需求变化率对价格变化率的比例。早期对需求侧弹性的研究主要集中在需求函数上,文献【44】建立了居民用户对动态电价的响应模型,运用二次函数描述了用户的用电方式。文献[45】分析了大工业用户对分时电价的响应情况,运用先验对数成本函数估计了五个大工业用户的电价弹性。文献[461以经济学的定义为基础研究了电力需求的弹性,分析了市场结构对需求弹性的影响,描述了如何用自弹性系数和交叉弹性系数矩阵对用户的用电行为建模,并指出对电力市场中制定发电计划和电力库定价时如何将弹性系数作为一种因素来考虑。文献【47】给出了电量电价弹性矩阵的建立过程,分析了由于用户分类和电价分类不同所引起的弹性矩阵的不同,并提出了一种电量电价弹性矩阵求取的简化方法。文献[48】基于需求价格弹性矩阵,对丰枯一峰谷电价中的用户反应度进行了计算。文献[491运用生产经济学的要素派生需求理论,论证了电力需求对峰谷电价短期价格弹性的特性,揭示了自弹性和交叉弹性的关联性,得到各时段电价等幅变化在短期内不改变用户的日用电量分布的结论。由于用户对周期变化的电价具有更大的响应,大量的文献将需求价格弹性用于分时电价的研究中[50-54]。此外,需求弹性对市场运行机制L5孓J、发电侧运行[57-59】、系统阻塞、安全性定价引、辅助服务[64-66]等方面的影响也得到深入研究。2.1.2大用户大用户是需求侧中比较特殊的一个群体,世界各国对零售市场的开放都是从大用户开始的。分析其中原因有以下几点:一是大用户是电力的主要用户,大用户对电力的生产和销售有着重要影响;二是大用户可以拥有各种具有电力市场运行相关知识的专业人员进行市场分析和预测;三是大用户有能力和资本进行与电力市场发展相适应的设备改造;四是由于电力成本是大用户的主要成本之一,电力市场各种电价和激励机制更容易引起大用户的关注并得到积极响应;五是大用户更容易采取负荷转移等措施来参与需求响应。大用户的研究主要集中在直购电模式、交易机制、大用户获取电能策略和定价机制等方面。文献『67.711研究了大用户和发电公司的直购电模型,分析了直购电的现状,主要运用博弈论对直购电的模雷霞,等配电市场购售电优化模型研究综述一139一式和合同等进行了探讨。文献[72】结合中国区域电力市场化改革的实际情况,提出一种大用户进入市场购电的方案。文献[73.75】以大用户成本最小为目标,在不考虑或加入风险成本的情况下,分别用确定性规划和随机规划模型确定了大用户分别从双边合同、电力库和自产电三个来源获取电能的最优比例。文献[76.79]研究了大用户的需求价格弹性,分析了大用户如何根据电价变化来调整自己的负荷曲线。由于大用户在电力市场中的重要作用,对大用户的定价成为了大用户研究的一个重点,文献f8O.83】对大用户的定价提出了一些方法,从—TOU(Timeof-Use)、PAB(PayasBid)、合同与实时电价和基于特征价格模型等各种方法讨论了大用户的电价机制。2.2电价决策模型配电市场中,合理的电价具有以下职能:体现交易双方的利益关系;正确反应市场的供需状况;保证市场的稳定运行;促进配电网的建设和发展;推进需求侧管理的实施。制定电价遵循三个原则:成本为主、合理利润、公平负担。供电公司和用户是配电市场交易的两个主体,电价对电力这个商品价值的体现是通过对供需双方的利益体现而实现的。因此在配电市场的售电电价决策中,往往采用最大化供电公司利润、最小化用户购电成本或最小化风险为目标函数。根据定价机制的不同,对电价影响因素作不同的假设,采用的数学规划方法通常有两大类:以确定数值表示各种参数的确定性规划法和以概率分布表示参数和目标值的随机规划法。2.2.1分时电价电力需求侧管理(DSM)利用各种激励机制鼓励用户优化用电方式和提高用电效率,达到节约能源的目的。分时电价(xou)指不同时段采用不同电价的机制,是需求侧管理的重要手段之一,也是国内外有着众多成功经验的较早实施的DSM措施。文献[841对英国私有化供电公司实施的TOU制度进行了讨论,得出其能推进负荷管理实施的结论。文献『85]根据边际成本定价原理,针对简化的配电网条件,建立了分时电价优化模型,再利用Kuhn.Tucker条件得到了供电公司分时售电电价的表达式。我国主要着重于对峰谷分时电价的研究,这是一个实施多年的DSM措施,而且实践证明它对平缓负荷曲线,特别是削峰填谷起到了重要作用,对峰谷分时电价的持续研究是希望能将更多更全面的影响因素考虑进电价的制定中。文献【86]基于负荷曲线分布分析,利用模糊半梯度隶属函数方法进行了峰谷时段的划分,并提出含有用户对分时电价反应度分析的分时电价模型。文献[25,26]将风险考虑进分时零—售电价的制定中。文献[5052,871将用户满意度和需求价格弹性进行考虑,建立了峰谷分时电价的决策模型。文献[54】在用户电量电价弹性矩阵的基础上,探讨了对用户进行分类确定峰谷分时电价的方法。文献[88.901以多目标或分级优化的模型将销售侧与发电侧的峰谷分时电价实现了联动。2.2.2实时电价实时电价(SpotPrice)的概念最早由美国的EC.Schweppe教授在20世纪8O年代提出,是在给定的极短的时段(如1h、30min、15min等)内向用户提供电能的边际成本。实时电价是配电市场中最理想的电价机制之一。文献[91]在总结实时电价理论的基础上,推导出最优实时电价的形式,并对实时电价理论付诸于实践的问题进行了讨论和给出了建议。文献[921讨论了确定实时电价的各种因素和美国以及其他OECD组织国家实施费率与这些因素的关系。文献f93]根据潮流等系统量得到了放射状配电系统实时电价的表达式,采用的电价算法是强调分布式处理方案的分散学问题,主要计算节点电价。文献[94.95]运用短期边际成本的原理确定售电电价。电价建立的原则主要是供电公司的成本回收和利润保证,但同样需要给用户提供一个合理的电价才能反应市场的竞争性。文献[961讨论一个电力公司面对多个发电商的竞价,如何给其用户一个合理的批发或零售电价的问题。文献[53,97.98]在确定实时电价时,将用户对电价的响应作为了一个主要因素。2.2.3随机规划的应用电力市场中存在大量的不确定性因素,用户对实时电价的响应也远不如想象中快速。在电力市场的各种不确定性条件下如何进行决策已成为近年来研究的热点,是2006年IEEE电力工程学会的学术年会讨论的主题之一。不确定因素给市场带来了风险,也需要更适当的模型去描述,随机规划是目前采用的主要方法。文献[1OO]认为用户消耗电能、市场参与者的决策行为和系统可靠性指标都是随机过程,因此电价的模型也应该是随机模型,该文的电价建模分析是建立在用户的小时耗电、日前或实时电价、发电和输电计划、旋转备用需求、需求弹性和市场参与者的决策等基础上。文献[1011将市场中不确定因素用概率分布表示,并建立了期望值优化模型。文献[102]是通过历史数据得到了实时电价的混合数学模型。文献[103.104]都是站在零售商的角度,考虑交易风险的基础上建立随机规划模型,..140..电力系统保护与控制以确定最优的电量分配和销售电价。随机规划还应用于描述大用户的购电策略l和市场的博弈过∞程【1。3配电市场购售电决策模型研究的展望随着电力体制改革的深入,电力市场的发展,配电网中的购售电决策领域还有很多方面值得进一步探讨:1)配电市场的动态风险度量方法,以及基于动态风险的最优电量分配模型有待研究。2)在以往分时电价的研究中,需求价格弹性系数作为一个已知量参与计算,但实际中需求价格弹性系数却是一个获取非常困难的量。作为一个已经执行稳定的分时电价,用户的需求价格弹性系数可通过历史数据用统计方法求得,但对于即将要执行的新的分时电价,各用户的需求价格弹性系数如何预测;在根据需求价格弹性系数进行分类的分时电价中,应该如何确定分类级别,都是值得研究的崭新的课题。3)在分时电价研究中,目前基本都是将分时电价执行前后总电量不变作为一个假设条件,但需求价格弹性系数并不能完全满足这个假定,供电公司在关心电量转移比例的同时,更关心执行后总需求的增减,而实际上这也可以通过需求价格弹性进行一定的反映,因此还需要进一步的研究。4)如果供电公司的购电和售电市场由多个市场构成,比如合同、现货、备用、期权市场等,在多个市场中如何进行优化决策,以及多个市场的优化决策如何统一协调还有待研究。5)对于供电公司的购售联动及供电公司与用户的统一优化等整合优化问题,可以从大系统理论的角度进行更深入的研究。6)随着配电市场对用户的开放,各种有条件的用户都将参与到市场中购电甚至售电,市场中各成员的角色和交易过程以及每个成员的交易行为都变得更复杂,对各个成员的购售电辅助决策和整个市场的优化决策都是值得研究的课题。4结论本文总结了配电市场中与购售电优化模型相关内容的研究现状,包括购电风险分析法、电力需求价格弹性、大用户、分时电价、实时电价和随机规划在配电市场中的应用等。通过研究现状的总结和分析,提出了对配电市场购售电决策模型研究方向的展望。参考文献[1]赵豫,于尔铿.电力零售市场研究(一)充满竞争的电力零售市场[JJ.电力系统自动化,2003,27(9):20.23,40.—ZHAOYu,YUErkeng.StudyonRetailElectricityMarketPartoneCompetitiveRetailElectricityMarket[J].AutomationofElectricityPowerSystems,2003,27(9):20-23,40.[2]刘俊勇,段登伟,吴集光.国外配电侧电力市场的模式、运行及对我国配电侧电力市场化改革的启示[J】.电力自动化设备,2004,24(7):7.14.——LIUJunyong,DUANDeng-wei,WUJiguang.ModelsandOperationofDistributionMarketinSever 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