电力现货市场环境下的可调节负荷机制研究

周 波，丁 荣，徐 宁，徐 楠

（国网河北省电力有限公司经济技术研究院，河北 石家庄 050021）

0 引言

随着我国经济快速发展，人民生活水平迅速提高，电力需求稳步提升，尤其是夏季空调负荷和冬季电采暖负荷较大时段，电力系统供需平衡紧张，存在“硬缺电”现象。为缓解电网负荷高峰时段供需平衡矛盾，电力需求侧管理技术的相关理论和实践得到了广泛研究。

国外对需求侧响应的研究始于20 世纪70 年代［1］，主要从需求侧响应资源和能效资源两方面开展相关研究［2-3］。文献［4］测算了不同用户的电价弹性及参与需求侧响应的程度；文献［5-6］通过研究指出，采取尖峰电价政策有利于调动可调节负荷资源参与响应；文献［7-8］分别构建了智能电网和智能家居背景下的电力需求侧响应模型；文献［9］研究了包含燃气三联供系统的电力需求响应情况。我国对需求侧响应的研究和实践从20 世纪90 年代开始。文献［10］对需求侧响应的基本概念、方法和美国典型需求侧响应项目进行了介绍；文献［11］介绍了电力市场中长期交易模式下的需求侧响应，未涉及电力现货市场；文献［12］对电价和负荷曲线的相互关系进行了求解，并以此为基础建立了分时电价模型；文献［13］设计了峰谷分时电价的定价模型，通过对算例仿真验证了可行性；文献［14］深入研究了尖峰电价机制，建立了供、用双方利益平衡的尖峰电价定价模型；文献［15］通过模糊聚类的算法对分时电价下用户的需求侧响应情况进行了评估。文献［16］在分时电价优化模型中引入了用户综合满意度指标，并将创建的用户满意度指标整合进峰谷分时电价决策模型中。现有研究均基于非电力现货市场环境进行分析，而在现货交易机制下，如何运用价格手段调动需求侧资源保证电力市场供需平衡，现有研究成果均不成熟。

针对上述问题，在梳理电力需求侧响应相关研究成果的基础上，对电力现货市场环境下的电力需求侧可调节负荷机制进行深入分析，提出了适应电力现货市场交易规则的可调节负荷运行机制。在理论研究的基础上，根据某省实际情况进行仿真分析，仿真结果验证所提机制的合理性和可行性。

1 拍卖机制简介

拍卖的基本类型共有4 种：英国式拍卖、荷兰式拍卖、第一价格密封拍卖和第二价格密封拍卖，4 种拍卖形式的特点见表1。

表1 4 种基本拍卖类型的特点

4 种基本的拍卖类型通常针对单个物品一次拍卖出售的情况，对于多个物品以及可分割物品（如电力），须采用逐次进行、多场拍卖的形式出售商品，该形式称为序贯拍卖，即多个物品以多次拍卖的形式出售。

序贯拍卖属于升价拍卖方式，在拍卖过程中，每个竞买人均按照事先分配的竞拍序号按顺序进行竞价，每位竞拍人只知道其前一位竞拍人的报价，并根据前一位竞买人的竞价和自己的私人估价开展报价，若竞买人在某轮次竞拍过程中选择放弃竞价，则该竞买人在随后的竞价轮次中不再有报价资格［10-13］。

2 基于需求侧响应的可调节负荷机制设计

基于用户需求侧响应的可调节负荷机制遵循“契合电力用户的用能特点及电力价格需求弹性、适应电力供需形势及现货市场规则、科学反映不同用户利益分配关系、动态联动年度调节” 原则进行设计，建立包含可调节负荷容量市场、电量市场的二级市场模式。容量市场初期按照政府行政指令确定市场容量和市场主体，电量市场则由市场主体采用序贯拍卖方式进行竞价。

2.1 容量市场

调度机构按照区域内年度电力供需平衡预测情况，开展下一年度尖峰（顶峰）负荷水平预测，并与年度电网最大供电能力进行比较，预估年度最大电力供应缺口ΔQ0。

根据预测的年度最大电力供应缺口ΔQ0，调度机构与政府能源主管部门沟通协商，确定可调节负荷容量市场的规模Qd，应保证Qd＞ΔQ0。

按照政府部门批复的可调节负荷容量市场规模，确定容量市场参与主体。在市场建设初期，建议沿用行政手段确定市场主体（可参考有序用电主体名单），避免市场规则不完善、市场主体对规则不熟悉造成市场失灵。在市场运行成熟后，通过框架招标等市场化方式确定市场主体。

关于补偿标准。在市场建设初期，建议由政府部门采用行政手段确定容量补偿额度，在市场运行成熟后，通过招标方式确定容量补偿额度（边际报价，即临界中标主体的投标报价）。

关于补偿金额来源。容量市场参与主体为保证电力市场安全稳定运行做出了贡献，应由全体电力用户对其进行补偿。建议探索通过加收输配电价附加费等方式收取该项费用。该项费用设置独立账户，由政府主管部门管理、接受社会监督，专款专用，与电网公司无关。

2.2 电量市场

调度机构根据区域内电力供需平衡预测情况（市场建设初期按照日前发布开市通知，即在N-1 天确定是否需要在第N 天开启需求侧可调节负荷市场），针对“硬缺电”时段，提前发布可调节负荷电量市场开市通知。

调度机构根据电网供需平衡预测情况确定的年度第i 次启动可调节负荷电量市场的电力缺口为ΔQi（ΔQi＝ΔQ0），交易中心负责组织需求侧响应市场各主体针对“硬缺电”时段开展“报量又报价”模式申报购电需求（可仿照电厂报价、采取三段式报价）。在可调节负荷电量市场中购电商j 的购电需求报价如图1 所示，图中纵坐标Qj表示购电商j 在市场中申报的用电量需求，Qjmax表示其最大用电量，横坐标P表示购电商j 针对不同用电需求的报价，随报价升高，用户用电意愿降低。

图1 购电商j 的购电需求报价曲线

电力交易机构将日前汇总收集的所有购电商的购电需求报价封存，形成可调节负荷电量市场总报价曲线如图2 所示，此时电力市场的供需状况如图3 所示。可调节负荷电量市场的总份额为

式中：Q 为可调节负荷市场的总可调节电量；n 为参与可调节负荷电量市场的用户数量。

图2 总购电需求报价曲线

图3 电力供需状况

从图3 可以看到，预计第i 个缺电时段内，电力市场的最大用电需求为Qid，最大电力供给为Qis，存在ΔQi的电力供应缺口。可调节负荷市场的总可调节用电需求为Q，启动可调节负荷市场后，由所有可调节负荷市场参与主体竞价争夺可竞争电量份额ΔQ，电力市场总用电需求扣除可调节市场的用电需求后，其他电力用户的用电需求为Qib（Qib=Qid-Q，且Qib

图4 可调节负荷市场竞价结果

从图4 可以看到，在缺电时段内，可调节负荷市场主体竞价争夺图4 中ΔQ 部分的可竞争电量份额，图4 中P0为可调节负荷市场的边际成交价，即当用户的报价低于边际成交电价P0时，竞价失败，无法用电；当报价高于边际成交电价P0时，竞价成功，可以用电。

可调节负荷市场的竞价结果排序相当于购电权排序，即在电力供应不足时优先向高价用户售电，也可以理解为电力供应不足时优先将低价用户限电。

2.3 负荷市场结算

可调节负荷电量市场的结算，按照用户报价及实际用电量开展结算。

图5 为某参与需求侧响应市场用户的用电情况，图中Qmax、Qmin分别表示该用户一天内用电最大、最小时段的用电需求。该日［t1，t2］时段需求侧响应市场启动，假设该用户的三段报价分别为1.35 元／kWh、1.2 元／kWh、1.13 元／kWh，需求侧响应市场边际成交价格为1.15 元／kWh，则该用户一段、二段成交，三段不成交。图5 中阴影部分为用户的缺电量，用户尖峰时段预期用电和实际用电曲线已在图5 中标识。

图5 用户用电情况

在结算时，针对用户成交电量采用需求侧响应市场封存的用户报价收取电费。

收取的电费应按两步制发放，首先按照电力现货市场成交价支付电厂与电网公司 （上网电价及输配电价），盈余部分资金返还需求侧响应市场未成交用户，即将支付完上网电价及输配电价后的盈余部分按照需求响应用户未成交电量比例进行分配，实现需求侧响应市场资金内部循环，即用电主体支付高价对未用电主体进行补贴。

在电力需求侧交易市场中，采取序贯拍卖方式开展，假设第j 个购电商第i 次报价为Cji，则第j 个购电商第i 次报价时可了解到前（j-1）个购电商的第i 次有效报价Cj（i-1），如报价Cji≥C（j-1）i则报价有效，如Cji

3 算例分析

3.1 基础数据

假设某次迎峰度夏时段，电网尖峰负荷为40 GW，电网最大电力供应能力为36 GW，电网可调节负荷容量市场用户共6 家，市场容量为8 GW。

按照序贯拍卖组织6 家用户开展竞价，最终报价单见表3。

可争夺的电力市场份额为4 GW，除可调节负荷市场外的电力现货市场出清价格为1.05 元／kWh。

3.2 测算结果及分析

按照可调节负荷市场报价从高到低依次排序，则成交记录如表4 所示。

表3 可调节负荷市场竞价结果

表4 可调节负荷市场成交结果

按照拍卖成交结果，按照电力现货市场均价支付电费后，可调节负荷市场盈余资金124 万元，未中标电量共4×106kWh，则对未中标电量度电补偿为124÷400=0.31（元／kWh），各用户获得的补偿款见表5。

表5 可调节负荷市场补偿款分配结果

根据上述可调节负荷市场的盈余及补偿分配结果可以看到，市场交易结果符合“谁受益，谁付款”原则，确保了公平，申报高价的用户保证了自己的用电需求，低价用户未能正常用电但因其限电行为获得了额外补偿，确保了各方利益的均衡。

4 结语

在深入研究电力现货市场规则和可调节负荷市场基本原理的基础上，将经济学中的竞价拍卖理论引入电力市场中，设计了一套与电力现货市场规则密切衔接的可调节负荷市场，市场包含容量市场和电量市场。在报价阶段采用序贯报价的方式，在结算阶段采取“报价成交、盈余返还”的方式，可实现资源的优化配置，符合“谁受益，谁付款”原则，在保证公平的基础上实现了各方利益的均衡，并通过实际算例验证了机制的可行性与分配结果的合理性。

在可调节负荷市场运行方面，采用用户依次序贯报价的方式形成总报价曲线，在缺电时段按照报价由低到高的次序依次切除用户负荷保证系统平衡。未来，在市场的报价组织、用户的响应方式方面，可以结合现货市场的建设情况继续进行深入探索，在保障电力系统安全运行的基础上实现资源的优化配置。