用户供电质量需求识别与优质供电增值服务策略

2020-07-06马智远莫文雄

四川电力技术 2020年2期

马智远, 莫文雄，许中，周凯

(广州供电局有限公司电力试验研究院，广东广州 510420)

0 引言

供电质量问题已经成为用户投诉和抱怨的主要原因[1]。以不间断电源(uninterruptible power supply, UPS)、有源滤波器(active power filter, APF)、动态电压恢复器(dynamic voltage restorer, DVR)等为代表的定制电力(custom power)技术已较为成熟[2]。供电企业通过优化配置定制电力技术方案，为用户提供差异化优质供电增值服务，并由此创造利益增长点，已成为当前售电市场的热点问题。研究供用电双方均满意的低成本优质电力增值服务策略，具有重要理论价值和现实意义。

针对优质供电增值服务，国内外已开展大量探索，但用户优质供电需求分类识别和增值服务的成本-效益问题，是当前尚未得到解决的两个关键性问题。

在用户分类识别方面，现有用户分类主要是围绕用电负荷特性、客户价值评价等开展研究，提出了模糊k-means聚类[3]、模糊c-means(FCM)[4]、层次聚类(hierarchical clustering，HC)[5]和自组织映射(self organizing map，SOM)[6]等方法。针对用户供电电压等级、低谷用电率、用电负荷、功率因数、电耗占能耗比重、企业总资产、合同履约率等技术性和非技术指标已分别开展了研究[7]，并提出了当前价值、潜在价值和信用状况等电力用户分类指标。欧盟试图通过立法促使供电企业提供过去和现在的供电质量等信息，包括负荷曲线、地理位置、当前能耗、历史同期能耗、标准化平均供电水平等[8]。利用这些信息提升用户节能和优质供电意识，激励用户采取措施[9-10]。有学者对供电质量引起的用户用电风险开展了研究，把用电风险细分为运行风险、政策风险和管理风险等[11]。遗憾的是，现有用户分类对用户所需优质供电需求定量刻画不足，难以解决实际问题。事实上，随着高科技产业的发展，各行业电力用户对供电质量要求越来越高且差异性越来越明显。文献[12]研究表明，供电质量已经给用户造成了严重的经济损失。文献[13]研究了谐波引起的损耗及其量化方法。可见，用户对优质供电的理解和需求差异性很大，用户优质供电需求分类和识别是解决优质供电问题的基础。

通过优质供电为用户提供增值服务，创造电力市场竞争条件下的供电企业新的效益增长点，必须解决不同增值服务策略下的优质供电成本-收益问题。针对不同优质供电需求，供电企业和用户均希望建立双方能接受的公平、公正、透明的有偿服务。供电企业不可能也不必要为每个用户提供专门的供电服务。通过用户优质供电分类识别，按照不同类别用户提供增值服务套餐是降低优质供电成本，达到供用电双方均满意的有效路径。但是，采用优质供电套餐模式提供增值服务，同样存在差异性问题。以电压暂降敏感用户为例，用户设备类型、供电容量、供电接入点等不同，均会影响所采用的UPS、DVR等定制电力技术方案的成本和收益。推行优质供电增值服务，急需一套同时考虑供用电双方利益的增值服务套餐设计方案和成本-收益计算方法。

下面以用户对优质供电的多样化需求为切入点，引入用户价值指标和多电能质量效用指标，提出一套用户优质供电需求分类指标体系，并基于熵权法提出一种用户优质供电需求分类方法。同时基于用户优质供电需求分类，提出用户优质供电增值服务套餐及其成本-收益量化方法，并进行实例分析证明所提方法的有效性和可行性。

1 电能质量需求分类指标体系

优质电力增值服务存在两个层面的问题，一方面是电力公司愿意售卖相关服务给用户，另一方面是用户愿意购买相应服务。电力公司为用户提供增值服务，会选择具有购买能力、信誉良好的用户，这里提出用户价值指标来刻画用户的综合素质。不同用户对不同的电能质量指标要求各异，但都可以量化为电能质量效用，以电能质量为用户带来的经济损失或收益增长来刻画用户的电能质量需求，这里提出电能质量效用指标来刻画用户电能质量需求。

基于客户价值理论[8]，将有关客户终身价值(customer lifetime value, CLV)的电力客户价值指标与有关用户优质供电需求的电能质量指标相结合，综合考虑售电公司与用户双方的不同需求，提出电力用户分类指标体系，如图1所示。

图1 电力用户需求分类指标体系

1.1 客户价值指标

客户价值是指从企业角度看，客户能够带给企业的价值。通常使用客户为企业带来收益的货币贡献来定义客户价值，这种意义下的客户价值称为客户终身价值，即企业从客户的整个生命周期内获得现金流的净现值[8]。对现有客户来说，传统客户终生价值可分成2个部分[14]：一是当前价值，即如果客户保持使用现在向电网公司购买的服务并持续购入，将来能够给电网公司提供的价值；二是潜在价值，即如果电网公司通过有效的交叉销售、调动客户增量购买积极性或客户向别人推荐产品和服务等，未来可能增加的客户价值。然而，随着能源可持续发展战略的提出，电网公司进行客户价值评估时不仅要考虑货币贡献，还需考虑非货币贡献，即用户的节能环保效益和持续发展潜力[15]。

1.1.1 当前价值

用户当前价值主要体现在收入贡献、服务成本、信誉等级等方面。收入贡献是度量用户当前价值的最基本标准，由用电量和平均电价共同决定。这里重新定义加权平均资本成本(weighted average cost of capital，WACC)以计算用户未来能为电网公司带来的收入贡献的期望净现值[16]。

(1)

式中：St为t时段内用户购电量与购电电价乘积，即用户向电网公司缴纳的购电费用；Ct为电网公司买电费用；d为折现率；t为时间单元(如月/季度/年)；T为时间单元总数，即预期的客户生命周期。

服务成本是售电公司在不同用户服务上的不同投入，可由电压等级、用电负荷率、低谷用电率、峰谷负荷差共同表征。电压等级可以体现电力用户的用电规模，对高电压等级的用户，电网公司需提供的运营成本越低，这标志着电网公司供电变压费用的降低，从而增加了电网公司可获得的利润。用电负荷率指用户本期的平均负荷与其历史最大负荷的比值，可以反映用户用电情况和负荷分布特征。低谷用电率指客户在低谷时段的用电量占该月总用电量的比例，可以缓解高峰时段用电压力，降低电网公司运行成本。峰谷负荷差可以表征用户是否需要改变用电模式与需求响应。

(2)

(3)

(4)

式中：Lnow-ave为用户本期平均负荷；Lhistory-max为用户历史最大负荷；QV为用户本期低谷时段累计用电量；QP为峰时段累计用电量；Qtotal为用户本期总用电量。

信誉等级使用拖欠率(delinquency rate，Dr)进行评估，表示拖欠和应收账款的比例[17]。越新的拖欠率越能反映客户的可信度，Dr越高，用户风险等级就越高，可信度就越低。在此使用最近3个月、半年、一年和历史同期的加权拖欠率累计，Dr的计算如式(5)所示。

(5)

式中：Dr3是最近3个月的拖欠率；Dr6是最近半年的拖欠率；Dr12是最近一年的拖欠率；Drhistory是历史同期拖欠率。

1.1.2 潜在价值

用户潜在价值是指用户持续生产和盈利的能力。对于电力公司而言，为用户进行优质供电的服务，需要投入大量定制电力设备，如果购买优质电力服务的用户不能持续生产和盈利，就可能会出现用户拖欠优质电力服务费用的情况。电力公司不仅会损失有偿优质电力服务的服务费用，还会损失购置、运输、安装、拆卸电能质量补偿设备的大量成本。相较于普通欠缴电费的情况，电力公司可以直接选择停电的方式止损；但是，优质电力服务需要电力公司大量的前期投入，如果出现欠费或用户违背合同约定期限，要求停止服务的情况，电力公司损失巨大。所以，评价用户持续生产和盈利，选择潜在价值大的客户，是电力公司选择客户时非常重要的指标。

采用历史同期用电增长率和历史同期电费增长率刻画用户潜在价值指标，具体公式如式(6)、式(7)。

(6)

(7)

式中：Qnow为本期用电量；Qbefore为历史同期用电量；Pnow为本期产生电费；Pbefore为历史同期产生电费。

1.1.3 节能贡献

节能贡献是指用户通过采取推行合同能源管理机制、更新设备、改进生产工艺流程、开展节能管理活动等一系列举措，从而提高电能利用效率，减少能源损耗为供电企业带来的社会收益，属于非货币贡献。具体指标可选择功率因数、电能消费强度下降率、是否推行合同能源管理项目、是否设立节能管理部门、是否具有持续发展潜力。前两点为数值型指标，后两点为二元(布尔)型指标。

(8)

1.2 电能质量效用指标

效用是用户对售电公司某种商品或服务的需求偏好程度[18]，一般由用户感知获得，可作为用户价值评价、购买决策的依据。通常情况下，由于敏感用户发生电能质量扰动会产生大量损失，因此该类用户对售电公司的要求不只包括可靠供电与合理电价，对电能质量与优质供电的需求反而更强烈，因此，其对优质供电增值服务套餐是有偏好的。为了衡量用户对差异化增值服务套餐的偏好程度，可以引入多电能质量效用概念，统一刻画电力用户的多样化优质电力需求。

1.2.1 考虑多种电能质量问题的效用指标

根据效用理论(utility theory)，用户的多电能质量效用可定义为：用户使用的优质供电增值服务套餐能满足其电压暂降、谐波、三相不平衡等电能质量需求的程度，是对用户电能质量需求是否得到满足以及满足度的一种心理评价。用户对多电能质量效用的实际感知会受到用户主观想法的影响[19]。此外，多电能质量效用还会受到优质供电增值服务套餐的竞争力、市场占有率等不确定或不可测因素的影响，因此，多电能质量效用包括可量化和不可量化两部分，如式(9)所示。

V=U+ε

(9)

式中：V为多电能质量效用；U为其可量化部分；ε为不可量化部分。

根据学者Kahneman和Tversky提出的前景理论(prospect theory)[20]和累积前景理论(cumulative prospect theory)[21]，用户关心优质供电增值服务套餐带来的用电效用，同时，由于用户存在损失厌恶心理，其在效用方面更重视损失而不是同等的收益。因此，式(9)中的U可写为

(10)

式中：v(x)为优质供电增值服务套餐带来的用户感知效用；x为电能质量经济损失指标(power quality economic loss index，PQELI)；α为反映用户风险规避心理的系数，取值为0<α<1；λ为反映损失厌恶的系数，取值为λ>1，具体取值可调查统计或专家经验确定。

式(10)中x以欧盟莱昂纳多电能质量工作组(LPQI)2007年的电能质量损失调查结果为依据，以多电能质量扰动现象对用户造成的年经济损失为指标，包括电压暂降与暂升、短时中断、长时中断、谐波、三相电压不平衡、电压波动与闪变等，如图2(a)所示，x的取值如式(11)所示。

xt=St+Ct

(11)

式中：xt为是一段时间(一年)内用户因电能质量造成的经济损失；St为设备成本，即保护装置在同一段时间内的投资成本；Ct为与该段时间t内相关电压事件导致的工艺过程中断相关的直接成本，可计算为

Ct=c·n

(12)

式中：c为单次中断的平均成本，包括人工成本、废品损失、停工损失、生产利润损失、重启动成本、其他成本、节约成本；n为t时间段内的中断次数。

用户多电能质量感知效用v(x)受风险规避心理影响，同时由于用户感知损失x表示为负值，可用凸函数表示[21]，如图2(b)所示。

图2 用户多电能质量效用函数

1.2.2 电能质量效用指标评估

根据式(10)至式(12)，用户多电能质量效用评估方法为：

1)以LPQI电能质量损失调查方法及其得到的非居民用电电能质量损失数据为依据，统计实测电能质量事件，通常以年周期进行统计；

2)根据式(11)与式(12)确定用户所经受电能质量扰动事件造成的经济损失，得电能质量经济损失指标x；

3)根据式(10)确定用户多电能质量感知效用U。

2 用户电能质量需求分类

在建立电力用户分类指标体系后，需要对电力用户指标数据进行预处理和分类，并对不同指标的权重进行确定，从而得到用户最终分值，建立电力用户等级划分模型。

2.1 数据归一化处理

由于用户的各类指标数据具有较大的差异性，在比较不同用户的指标特征时，数值的大小会影响相似度计算。为了缩小和统一量纲，更明显地体现用户终身价值及电能质量特性差异，需要进行数据归一化处理。

评价指标通常包括效益型和成本型两种，效益型指标是指属性值越高对评价结果越好的指标，成本型指标是指属性值越低对评价结果越好的指标。可按式(13)、式(14)将属性指标转化为规范型指标。

(13)

(14)

除了节能贡献指标中的是否推行合同能源管理项目、是否设立节能管理部门与持续发展潜力指标，其余都为效益型和成本型指标。对这类非数值型指标，可以采用附加值的形式。

(15)

式中：z为非数值型指标可附加的值，“是”时为“+”，“否”时为“-”；n为总指标数。

2.2 指标权重确定

指标权重计算使用熵权法，计算步骤如下[22]：

1)计算特征比重；

2)计算熵值；

3)计算差异性系数；

4)确定权重。

2.3 用户电能质量需求分级

在确定指标权重后，根据电力用户分类指标体系和分类结果，由于综合指标分值处于[0,1]之间，因此可将电力用户划分为3个等级，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级电力用户，建立电力用户等级划分模型，如表1所示。

表1 用户电能质量需求等级划分

针对各级优质供电的需求，具体分析如下：

1)Ⅰ级——需求非常强烈

Ⅰ级电力用户具有极高的经济价值和社会影响力，用电量与可信度较高，具有较高的节能贡献与持续发展潜力，对电能质量极其敏感，发生轻微电能质量问题将造成重大损失，如造成重要设备损坏或大量产品报废，恢复生产需要较长时间。这种级别的用户主要包括在社会、政治、经济生活中占有重要地位，中断供电可能造成人身伤亡、重大环境巧染、重大政治影响、重大经济损失、社会公共秩序严重混乱以及对供电可靠性有特殊要求的重要用电客户与重点关注客户等，例如高端制造业、信息技术产业、政府机关、医疗中心等。

2)Ⅱ级——需求强烈

Ⅱ级电力用户具有较高的经济价值和社会影响力，用电量与可信度中等，具有一定的节能贡献与持续发展潜力，对电能质量敏感，发生电能质量问题将造成较大损失，或将影响重要用电单位的正常工作以及造成人员集中的公共场所秩序混乱。

3)Ⅲ级——无强烈需求

Ⅲ级电力用户具有较低的经济价值和社会影响力，用电量与可信度较低，节能贡献与持续发展潜力较低，遭受电压暂降等电能质量扰动现象后造成的经济损失较低。这种级别的用户要求各种电能质量指标满足国家标准即可，只有在发生持续断电或电压波动幅度过大，持续时间较长才会受到影响。除了Ⅰ、Ⅱ级用户以外的电力用户均为Ⅲ级电力用户。

3 优质电力增值服务套餐设计

3.1 增值服务套餐内容设计

优质供电增值服务是售电侧改革下售电公司竞争的必然结果[23]。对不同级别的电力用户，售电公司可提供的差异化增值服务套餐中应包含信息服务、网络交易服务、预测诊断服务、治理方案服务、节能服务、需求侧管理服务等[24]。其中，信息服务与网络交易服务应为用户可无偿享受的基础增值服务，具体内容如下：

1)信息服务：为用户提供用电安全知识普及服务、行业资讯与用电信息发布服务、停电信息发布服务；及时通知停电信息，确保通知到位。

2)网络交易服务：提供网络商店服务、网络支付服务，用户可根据自身需求直接在网上缴纳电费或购买相应优质供电差异化服务。

3.1.1 Ⅰ级电力用户增值服务套餐

1)预测诊断服务：针对Ⅰ级用户对电能质量极其敏感的特点，提供用户所在配电网的系统元件故障与电能质量状态的监测、预测诊断等服务。

2)治理方案服务：针对Ⅰ级用户易因电能质量问题造成重大损失的特点，采集并分析用户的设备运行参数、电能质量免疫力等信息，基于电能质量监测，对用户设备实际耐受水平与供电质量等级之间的兼容水平进行评估，为用户提供最佳用电设备咨询服务，同时为用户提供治理方案设计与定制电力设备配置服务，如在关键敏感设备侧安装APF、DSTATCOM和DVR等设备，增配备用电源与不间断电源(UPS)等储能设备，以使敏感设备免受电压暂降、短时中断、谐波等电能质量扰动的影响。另一方面，提供设备维护指导服务，为大型电力用户提供内部配电网络的更新、改造等业务。

3)节能服务：售电公司根据业务范围，加强节能技术研发，优先提供节能改造、节能项目咨询、新技术新设备应用等服务，为用户提供合同能源管理服务。对于多能源供能的用户，售电公司还可为其提供综合低碳能源解决方案。

4)需求侧管理服务：为用户提供能效提升服务。例如，结合现行电价政策和节能重点，电力企业可以每年定期或不定期地进行电力需求侧技术培训，以引导用户提升能效管理水平，帮助用户实现削峰填谷并调节负荷特性，减少设备所需能耗与电费。

3.1.2 Ⅱ级电力用户增值服务套餐

1)预测诊断服务(同3.1.1)。

2)治理方案服务(同3.1.1)。

3)节能服务(同3.1.1)。

3.1.3 Ⅲ级电力用户增值服务套餐

1)治理方案服务：采集并分析用户的设备运行参数、电能质量免疫力等信息，对用户设备实际耐受水平与供电质量等级之间的兼容水平进行评估，并为用户提供优质供电服务购买咨询服务、定制电力设备维护或更换服务。

2)节能服务：为用户提供节能电器设备供应服务、分布式电源设备销售服务、使用培训及维修咨询服务，例如可以为农村及偏远山区用户销售风力照明灯、屋顶发电等分布式电源设备。

3.2 增值服务套餐成本-收益模型

3.2.1 成本模型

1)投资建设费用

投资建设费用为套餐内各项服务的投资之和，各项服务投资费用包括设备投资、技术投资等费用。投资建设费用的模型为

(20)

式中：I为优质供电差异化套餐投资费用；Ci为套餐内第i项增值服务的投资费用；n为套餐内所包含服务数目。

对Ⅰ级和Ⅱ级用户来说，投资建设费用为

(21)

对Ⅲ级用户来说，投资建设费用为

(22)

式中：ρmon为用户需安装的监测设备单价；ρi为电能质量治理设备单价，元/kVA；S1为监测设备容量；S2i为电能质量治理设备容量；F为节能服务合同年支付费用。

2)运行维护费用

运行维护费用主要包括设备和线路的运行成本、检修费用、人工维护费用等。具体模型为

M=IRm

(23)

式中：M为优质供电差异化套餐的年运行维护费用；Rm为优质供电差异化套餐的年运行维护率。

3.2.2 收益模型

目前进行的电力体制改革中，售电公司还没有真正的建立起增值服务盈利机制，其提供的增值服务还无法与购售电合同分开，按不同比例分别收取增值税。因此增值服务套餐成本及其为售电公司带来的价值主要表现为用户购电电价的增加。无增值服务时，用户购电电价由上网电价、输配电价和售电公司利润组成；加入增值服务后，用户购电电价由上网电价、输配电价、政府性基金及电费附加、售电公司利润和增值服务费用构成。其中，输配电价和政府性基金及电费附加是“不变成本”，售电公司利润是上网电价下调从发电侧得到的利润。

无增值服务时，电力用户购电电价计算公式为

pu0=pg+pt+pv=pg+pt+ktΔp

(24)

式中：pg为上网电价；pt为输配电价；pv为反映售电公司利润的电价，认为其与售电公司交易的发电侧降价Δp成比例，kt为比例系数。

有增值服务时，不同等级电力用户购电电价计算公式分别为

(25)

(26)

4 案例分析

4.1 用户数据构造及分类结果

通过走访中国南部某省的多家电力用户，其中6家用户能提供较详细的信息，用以验证所提方法。对6位用户的各项指标数据，进行归一化处理，均值如表2所示。

表2 各指标分布平均值

这里所用的电力用户分类指标为终身价值和电能质量效用，采用熵权法对指标权重进行两次计算，得到用户的客户价值与综合分值，如表3所示。α和λ分别取0.88和2.25[20-21]。

表3 电力用户综合分值

因此，根据第2节中给出的不同类别电力用户对应分值，可以判定C用户属于Ⅰ级电力用户，A用户属于Ⅱ级电力用户，B、D、E、F用户属于Ⅲ级电力用户，并可为之配备对应优质供电差异化套餐。

4.2 增值服务套餐收益分析

应用所提分类方法，对国内某晶圆制造厂[25]进行分类，判定其为Ⅰ类用户。根据3.1.1节为该用户设计增值服务套餐并进行收益分析[26]。已知该用户有6台电能质量监测设备安装于高压进线，已有电能质量治理设备为UPS，年治理成本为478.7万元；某年因电压暂降造成的经济损失为2 464.3万元，治理后经济损失减少346.2万元。负载容量为40 000 kVA，年均用电量为200 GWh。

该用户原有UPS治理方案无法覆盖全部用电负荷。使用所推荐的增值服务套餐后，在原有治理方案基础上加装大容量DVR进行集中治理。目前DVR单价约为0.18万元/kVA，加装容量为20 000 kVA，年运维成本按设备购置成本的5%考虑，kt取50%，α取70%。利用式(24)、式(25)，对用户与售电公司所签订合同的用电电价与合同年限之间关系进行分析，如图3所示。

图3 用户购电电价与合同年限关系曲线

由图3可以看出，随着合同年限不断增加，用户的购电电价呈现下降趋势，同时购电电价的下降速度越来越缓慢。这是因为电价公式中售电电价与合同年限成反比例关系，并且合同年限越长，DVR治理方案的投资回收期越长，售电公司的年均投资回收金额就越低。对图3进一步分析可以得到，合同年限大于等于6年时，电价下降速度变得较为缓慢，因此综合考虑售电公司与用户的需求后，可以选择6年为用户所签订合同年限，如表4所示。

表4 增值服务套餐设计

假设DVR均能可靠动作且补偿能力为50%额定电压，根据某年电压暂降监测数据，有一次暂降处于DVR补偿范围之外，可得出用户使用套餐后年经济损失为22.5万元，比无增值服务套餐情况下减少了2 441.8万元。因此，对无增值服务套餐和有增值服务套餐情况下用户年经济支出进行分析，如表5所示，可以得出有增值服务套餐情况下，用户每年所支付的电费虽然增加了1440万元，但遭受电压暂降所造成的经济损失却大大降低，使得用户年总经济支出与无增值服务套餐情况相比降低了26.17%。因此所设计的增值服务套餐可以给用户带来更好的经济效益，也可以明显改善其电能质量。同时，对售电公司来说，增值服务套餐可以为自身带来收益，也可以增强自身优势降低电能质量扰动对客户造成的经济损失，吸引并留住客户。