CN109740948A - 一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，包括如下步骤：建立用户需求响应模型；建立用户效用模型；基于用户效用模型建立售电公司购电决策双层模型；基于售电公司购电决策双层模型，确定售电公司的购电决策。本发明同时考虑分时电价和电量中断合同，以用户效用最大化为目标，预测用户高峰时段实际耗电量，基于用户高峰时段实际耗电量，以售电公司利润最大化为目标，确定售电公司在各购电市场购买电量的比例。在保证用户非弹性耗电量的前提下，降低用户用电费用且提高售电公司利润，实现双赢。

Description

一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法

技术领域

本发明属于电力市场下售电公司购售电价定价决策领域，具体涉及一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法。

背景技术

随着电力工业的发展，需求侧资源的有效利用受到了极大的关注。在电力市场环境下，用户会对电价的变化或售电公司的激励进行响应，在以牺牲部分舒适度的代价下，适量的减少在高峰时段的用电量或转移部分电量至低谷时段，从而实现负荷的削峰填谷。同时，售电公司作为电力市场的主要参与者，可以直接和用户进行协商，从而引导用户主动参与需求响应项目，优化其用电行为。通过需求响应项目，售电公司可以减少其从高电价时期的购电量，从而实现购电决策的优化；而用户通过负荷的转移与削减，也可以降低其用电开支。

本发明公开了一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，同时考虑分时电价和电量中断合同，以用户效用最大化为目标，预测用户高峰时段实际耗电量，基于用户高峰时段实际耗电量，以售电公司利润最大化为目标，确定售电公司在各购电市场购买电量的比例。在保证用户非弹性耗电量的前提下，降低用户用电费用且提高售电公司利润，实现双赢。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明公开了一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，同时考虑分时电价和电量中断合同，以用户效用最大化为目标，预测用户高峰时段实际耗电量，基于用户高峰时段实际耗电量，以售电公司利润最大化为目标，确定售电公司在各购电市场购买电量的比例。在保证用户非弹性耗电量的前提下，降低用户用电费用且提高售电公司利润，实现双赢。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，包括如下步骤：

建立用户需求响应模型；

建立用户效用模型；

基于用户效用模型建立售电公司购电决策双层模型，所述售电公司购电决策双层模型包括上层模型及下层模型，所述上层模型为以售电公司利润最大化为目标的售电公司决策模型，所述售电公司决策模型用于确定售电公司在各购电市场购买电量的比例；所述下层模型为以用户效用最大化为目标的用户决策模型，所述用户决策模型用于确定用户在每个时段的用电量；

获取用户用电信息，基于用户用电信息及户需求响应模型计算售电公司与用户签订的电量中断合同的费用、用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益及用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益；

将售电公司与用户签订的电量中断合同的费用、用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益及用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益输入售电公司购电决策双层模型，确定售电公司的购电决策。

优选地，所述用户需求响应模型包括：

式(1)中，为用户在t时段的实际消耗电量，为用户在t时段的高峰时段非弹性耗电量，α_t表示用户在t时段的高峰时段弹性耗电量消耗系数，为用户在t时段的高峰时段弹性耗电量；

式(2)中，C^DR为售电公司与用户签订的电量中断合同的费用， 为用户与售电公司签订的t时段的高峰时段可中断电价，为用户在t时段的高峰时段中断电量，β_t为用户在t时段的高峰时段弹性耗电量中断系数，T为高峰时段电量中断合同总时段；

式(3)中，R^DR为用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益，

式(4)中，R^DT为用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益，λ_p为高峰时段电价，λ_v为低谷时段电价。

优选地，所述用户效用模型为f，式中，ε_k为需求-价格弹性系数，ε_k≤0，L为用户用电量，a为常数，为用户在t时段的基础负荷，为用户参与响应需求项目后在t时段的实际负荷，为用户在t时段的实际购电价格。

优选地，

所述上层模型的目标函数为：

式中：C^B为售电公司的双边合同购买电量费用，B为双边合同数量，P_l,t为t时段的第l个双边合同的电量，λ_l,t为双边合同中t时段的电价，C^DA为售电公司在现货市场的购电支出，λ_p,t为现货市场中t时段的电价，P_p,t为售电公司在现货市场t时段的购电量，C^P为电公司的双边合同越界的惩罚，C^P＝S₁(x^min-x_1,t)+S₃x_3,t，S₁为双边合同中购电量低于预设购电量范围时的惩罚价格，x^min为双边合同中的预设购电量的下限值，x_1,t为低于x^min的购电量，S₃为购电量高于预设购电量范围时的惩罚价格，x^max为双边合同中的预设购电量的上限值，x_3,t为高于x^max的购电量，x_2,t为x^min和x^max之间的购电量，C^DG为售电公司的自营生产设施发电的总费用，N为自营生产设施发电费用模型的分段数，F_h为第h段的电量的单位成本，第h段t时段的自营生产设施发电量；

约束条件有：

功率平衡约束

式中：N为签订双边合同用户数，P_h,t为自营生产设施发电量，M为自营生产设施发电单元数目；

双边合同越界惩罚约束

0≤x_1,t≤x^min

w_up(x^max-x^min)≤x_2,t≤w_down(x^max-x^min)

0≤x_3,t≤w_upMax

w_down≥w_up,w_down,w_up∈{0,1}

式中，E_e为双边合同越界惩罚项，P_d,t为t时段双边合同越界用电量，e为双边合同时段数，x_i为，i＝1,2,3x₁表示低于双边合同用电量下边界时的用电量；x₂表示在合同上下边界以内的用电量；x₃表示高于上边界时的用电量，Max为双边合同规定的最大越界上限，w_down、w_up均为二元变量；

自营生产设施约束

式中，为第h段的自营生产设备发电量上限；

用户需求响应约束：

所述下层的目标函数为：

maxf

本发明公开了一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，包括如下步骤：建立用户需求响应模型；建立用户效用模型；基于用户效用模型建立售电公司购电决策双层模型；基于售电公司购电决策双层模型，确定售电公司的购电决策。本发明同时考虑分时电价和电量中断合同，以用户效用最大化为目标，预测用户高峰时段实际耗电量，基于用户高峰时段实际耗电量，以售电公司利润最大化为目标，确定售电公司在各购电市场购买电量的比例。在保证用户非弹性耗电量的前提下，降低用户用电费用且提高售电公司利润，实现双赢。

附图说明

为了使申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法；

图2为本发明方法的用户需求响应模型示意图；

图3为本发明公开的用户需求响应模型中电价-耗电量曲线的影响曲线示意图；

图4为本发明公开的售电公司决策模型及用户决策模型示意图；

图5为具体实例中高峰时段电量中断合同费用的示意图；

图6为双边合同的惩罚规则示意图；

图7为自营生产设施的费用模型的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，包括如下步骤：

S101、建立用户需求响应模型；

S102、建立用户效用模型；

S103、基于用户效用模型建立售电公司购电决策双层模型，所述售电公司购电决策双层模型包括上层模型及下层模型，所述上层模型为以售电公司利润最大化为目标的售电公司决策模型，所述售电公司决策模型用于确定售电公司在各购电市场购买电量的比例；所述下层模型为以用户效用最大化为目标的用户决策模型，所述用户决策模型用于确定用户在每个时段的用电量；

S104、获取用户用电信息，基于用户用电信息及户需求响应模型计算售电公司与用户签订的电量中断合同的费用、用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益及用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益；

S105、将售电公司与用户签订的电量中断合同的费用、用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益及用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益输入售电公司购电决策双层模型，确定售电公司的购电决策。

本发明同时考虑分时电价和电量中断合同，以用户效用最大化为目标，预测用户高峰时段实际耗电量，基于用户高峰时段实际耗电量，以售电公司利润最大化为目标，确定售电公司在各购电市场购买电量的比例。在保证用户非弹性耗电量的前提下，降低用户用电费用且提高售电公司利润，实现双赢。

在本发明中，上层模型能够求出售电公司具体通过哪些渠道进行购电，并且，不同的购电渠道的购电量是多少，即本发明最终需要确定的售电公司的购电决策。但是购电决策需要用到负荷量数据，将求到的购电决策输入下层模型，下层得到电价数据后求出用户侧最经济的用电量，即负荷量数据，再反馈给上层模型，进行优化。如此往复，直到问题逐渐收敛，达到精度，完成优化。

具体实施时，所述用户需求响应模型包括：

式(1)中，为用户在t时段的实际消耗电量，为用户在t时段的高峰时段非弹性耗电量，α_t表示用户在t时段的高峰时段弹性耗电量消耗系数，为用户在t时段的高峰时段弹性耗电量；

式(2)中，C^DR为售电公司与用户签订的电量中断合同的费用， 为用户与售电公司签订的t时段的高峰时段可中断电价，为用户在t时段的高峰时段中断电量，β_t为用户在t时段的高峰时段弹性耗电量中断系数，T为高峰时段电量中断合同总时段；

式(3)中，R^DR为用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益，

式(4)中，R^DT为用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益，λ_p为高峰时段电价，λ_v为低谷时段电价。

在电力市场中，用户需求响应可分为价格型需求响应和激励型需求响应两种基本形式。基于价格的需求响应是指用户对电价的变化做出反应，调整其用电行为。通过对电价进行响应，用户可以适量的将高电价时段的负荷转移到低电价时段，从而节省电费开支。基于激励的需求响应则是指售电公司通过制定确定的或随时间变化的政策，激励电力用户在高电价时段削减负荷。为弥补用户因削减负荷而造成的损失，售电公司通常会给予用户一定的补偿，从而引导用户参与需求响应政策。相较于价格型需求响应，激励型需求响应一般是售电公司为保障自身利益而实行的中断电力的行为。

在本发明中，同时考虑了价格型和激励型需求响应两种形式。售电公司通过分时电价向用户售卖电力，同时，与用户签订可中断负荷合同，以期在现货电价较高时，通过削减用户负荷，来实现自身利润的最大化。

用户需求响应模型如图2所示。本发明将用户负荷分为无法削减和转移的基础负荷(高峰时段非弹性耗电量)以及高峰时段弹性耗电量两部分。其中，高峰时段弹性耗电量又可以拆分为高峰时段转移电量以及高峰时段中断电量。

具体实施时，所述用户效用模型为f，式中，ε_k为需求-价格弹性系数，ε_k≤0，L为用户用电量，a为常数，为用户在t时段的基础负荷，为用户参与响应需求项目后在t时段的实际负荷，为用户在t时段的实际购电价格。

结合用户价格-需求曲线来表示用户效用，用户的需求随价格的上升而下降，其规律可以表示为：

用户的需求曲线如图3所示。由于用户参与需求响应项目，导致电量减少，因此用电需求曲线左移。图中，为用户的基础负荷，为用户参与需求响应项目后的实际负荷，为用户参与需求响应项目前的负荷，为用户的实际购电价。

根据微观经济学理论，附图3中斜线部分的面积，即表示用户在市场中的消费剩余。同时，由于用户参与需求响应项目可获得正向收益，用户用电效用可表示为用户市场消费剩余与需求响应项目收益之和。

具体实施时，

所述上层模型的目标函数为：

式中：C^B为售电公司的双边合同购买电量费用，B为双边合同数量，P_l,t为t时段的第l个双边合同的电量，λ_l,t为双边合同中t时段的电价，双边合同可以为电力用户提供稳定的电力供应，同时也为发电商带来长期稳定的收益。电力市场中，双边合同主要包括电力物理合同和电力金融合同两种。电力物理合同指签订具有固定电价且合同交割与现货市场竞价无关的远期合同。电力物理合同签订后，其合约电量将不再参与现货竞价，而是直接上报电力交易中心进行交割。电力金融合同则依然通过现货市场进行交割，合同电价仍然参与现货竞价。电力市场中常用的电力金融合同包括差价合同、可选择远期合同以及期货合同。

签订双边合同时，除价格约定外，还会约定交易电量的上下限。因此，当售电公司在规定时段内的电量消耗不在合同范围内时，售电公司需要承担一定的惩罚费用。惩罚规则如图6所示。

C^P为电公司的双边合同越界的惩罚，C^P＝S₁(x^min-x_1,t)+S₃x_3,t，S₁为双边合同中购电量低于预设购电量范围时的惩罚价格，x^min为双边合同中的预设购电量的下限值，x_1,t为低于x^min的购电量，S₃为购电量高于预设购电量范围时的惩罚价格，x^max为双边合同中的预设购电量的上限值，x_3,t为高于x^max的购电量，x_2,t为x^min和x^max之间的购电量。

C^DA为售电公司在现货市场的购电支出，λ_p,t为现货市场中t时段的电价，P_p,t为售电公司在现货市场t时段的购电量，由于售电公司仅需在现货市场购买极小一部分电量作为补充，且实时电价波动极大，难以预测，本发明仅考虑含日前电力市场的现货市场。因此，售电公司在现货市场的购电支出可表示为：

C^DG为售电公司的自营生产设施发电的总费用，N为自营生产设施发电费用模型的分段数，F_h为第h段的电量的单位成本，第h段t时段的自营生产设施发电量，售电公司除通过双边合同和在现货市场购电外，还可以通过自营生产设施，如：自备电厂、分布式电源等，对用户的电力消耗进行补充。本发明采用一个分段线性曲线(如图7所示)来对自营生产设施的费用进行建模。

约束条件有：

功率平衡约束

式中：N为签订双边合同用户数，P_h,t为自营生产设施发电量，M为自营生产设施发电单元数目；

双边合同越界惩罚约束

0≤x_1,t≤x^min

w_up(x^max-x^min)≤x_2,t≤w_down(x^max-x^min)

0≤x_3,t≤w_upMax

w_down≥w_up,w_down,w_up∈{0,1}

式中，E_e为双边合同越界惩罚项，P_d,t为t时段双边合同越界用电量，e为双边合同时段数，x_i为，i＝1,2,3x₁表示低于双边合同用电量下边界时的用电量；x₂表示在合同上下边界以内的用电量；x₃表示高于上边界时的用电量，Max为双边合同规定的最大越界上限，w_down、w_up均为二元变量；

自营生产设施约束

式中，为第h段的自营生产设备发电量上限；

用户需求响应约束：

从现货市场购电量和自营生产设施发电量之和应大于0，即售电公司可以在现货市场电价较高时向其出售电量，但出售电量不大于自营生产设施的发电量。

所述下层的目标函数为：

以下为采用本发明中考虑用户需求响应的方法与现有未考虑用户需求响应的方法的对比实例：

用户的分时电价时间分段如表1所示；分时电价各个时间段的售电价格表2所示；双边合同分段电价及电量约束如表3所示；用户与售电公司签订的可中断负荷合同价格如图5所示。

表4.1分时电价时间分段

表4.2用户分时电价

表4.3双边合同电价

结果分析

通过分时电价向用户售电，售电公司总收入为412134975美元。表4给出了售电公司在各个市场：双边合同市场、现货市场、自营生产设施和可中断负荷合同的购电比例及电费组成情况。在总购电量中，双边合同的购电比例为57.56％，现货市场的购电比例为31.38％，自营生产设施的购电比例为1.98％，用户通过可中断负荷合同所削减的电量，可视作售电公司从虚拟电厂购电的比例为9.08％；总购电费用为387735.73k$。其中，双边合同越界惩罚费用已包含在双边合同市场的购电费用中。通过参与需求响应项目，用户的用电费用将减少42710.2k$，相当于每个用户节省了10.36％的电费开支。因此，通过引入用户的需求响应，用户可以降低自身的用电费用，售电公司也可以获得更大的收益。

表4售电公司购电决策及购电费用

Table 4.4Procurement strategy and costs of electricity retails

表5-7展示了在峰、平、谷三个时段，售电公司在考虑需求响应和不考虑需求响应时，从各个市场购电的比例。从表中可以看出

①考虑需求响应项目后，现货市场的购电量明显下降。在峰时段，现货市场购电量由37.14％下降至28.11％；在平时段，现货市场购电量由38.97％下降至32.86％；在谷时段，现货市场购电量由36.95％下降至35.69％。这说明通过考虑需求响应项目，可以大幅降低售电公司在现货市场购电所面临的价格风险。

②在峰时段，通过需求响应项目削减电量最多，这主要是因为售电公司在峰时段对电力用户设置的可中断负荷补偿更高，因此可以引导用户在负荷高峰时段，减少电量使用，在降低自身用电费用的同时，也同样降低了负荷峰值，可以使系统运行更加平稳可靠。

表5峰时段售电公司购电决策

表6平时段售电公司购电决策

表7谷时段售电公司购电决策

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立用户需求响应模型；

建立用户效用模型；

基于用户效用模型建立售电公司购电决策双层模型，所述售电公司购电决策双层模型包括上层模型及下层模型，所述上层模型为以售电公司利润最大化为目标的售电公司决策模型，所述售电公司决策模型用于确定售电公司在各购电市场购买电量的比例；所述下层模型为以用户效用最大化为目标的用户决策模型，所述用户决策模型用于确定用户在每个时段的用电量；

获取用户用电信息，基于用户用电信息及户需求响应模型计算售电公司与用户签订的电量中断合同的费用、用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益及用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益；

将售电公司与用户签订的电量中断合同的费用、用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益及用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益输入售电公司购电决策双层模型，确定售电公司的购电决策。

2.如权利要求1所述的计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，其特征在于，所述用户需求响应模型包括：

式(1)中，为用户在t时段的实际消耗电量，为用户在t时段的高峰时段非弹性耗电量，α_t表示用户在t时段的高峰时段弹性耗电量消耗系数，为用户在t时段的高峰时段弹性耗电量；

式(2)中，C^DR为售电公司与用户签订的电量中断合同的费用， 为用户与售电公司签订的t时段的高峰时段可中断电价，为用户在t时段的高峰时段中断电量，β_t为用户在t时段的高峰时段弹性耗电量中断系数，T为高峰时段电量中断合同总时段；

式(3)中，R^DR为用户通过将可中断负荷卖给售电公司可获得的收益，

式(4)中，R^DT为用户将峰时段负荷转移至谷时段负荷的收益，λ_p为高峰时段电价，λ_v为低谷时段电价。

3.如权利要求2所述的计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，其特征在于，所述用户效用模型为f，式中，ε_k为需求-价格弹性系数，ε_k≤0，L为用户用电量，a为常数，为用户在t时段的基础负荷，为用户参与响应需求项目后在t时段的实际负荷，为用户在t时段的实际购电价格。

4.如权利要求3所述的计及用户需求响应的售电公司购电决策方法，其特征在于，

所述上层模型的目标函数为：

式中：C^B为售电公司的双边合同购买电量费用，B为双边合同数量，P_l,t为t时段的第l个双边合同的电量，λ_l,t为双边合同中t时段的电价，C^DA为售电公司在现货市场的购电支出，λ_p,t为现货市场中t时段的电价，P_p,t为售电公司在现货市场t时段的购电量，C^P为电公司的双边合同越界的惩罚，C^P＝S₁(x^min-x_1,t)+S₃x_3,t，S₁为双边合同中购电量低于预设购电量范围时的惩罚价格，x^min为双边合同中的预设购电量的下限值，x_1,t为低于x^min的购电量，S₃为购电量高于预设购电量范围时的惩罚价格，x^max为双边合同中的预设购电量的上限值，x_3,t为高于x^max的购电量，x_2,t为x^min和x^max之间的购电量，C_DG为售电公司的自营生产设施发电的总费用，N为自营生产设施发电费用模型的分段数，F_h为第h段的电量的单位成本，第h段t时段的自营生产设施发电量；

约束条件有：

功率平衡约束

式中：N为签订双边合同用户数，P_h,t为自营生产设施发电量，M为自营生产设施发电单元数目；

双边合同越界惩罚约束

0≤x_1,t≤x^min

w_up(x^max-x^min)≤x_2,t≤w_down(x^max-x^min)

0≤x_3,t≤w_upMax

w_down≥w_up,w_down,w_up∈{0,1}

式中，E_e为双边合同越界惩罚项，P_d,t为t时段双边合同越界用电量，e为双边合同时段数，x_i为，i＝1,2,3x₁表示低于双边合同用电量下边界时的用电量；x₂表示在合同上下边界以内的用电量；x₃表示高于上边界时的用电量，Max为双边合同规定的最大越界上限，w_down、w_up均为二元变量；

自营生产设施约束

式中，为第h段的自营生产设备发电量上限；

用户需求响应约束：

所述下层的目标函数为：

maxf