售电侧放开下需求响应资源代理参与机制设计

第29卷第5期2017年5月电力系统及其自动化学报Proceedings of the CSU-EPSA Vol.29 No.5 May 2017 售电侧放开下需求晌应资源代理参与机制设计刘顺桂孙成龙川，孙杰丁继为王磊2 1.深圳供电局有限公司，深圳518048;2.东南大学电气工程学院，南京210096;3.淮安供电公司，淮安223002 摘要随着我国电力体制的市场化改革，需求响应资源DRRsdemand response resources参与市场交易的时机渐渐到来。首先，介绍了美国PJM的DRRs代理准入机制、市场参与和运营情况;基于国内售电侧市场放开初期市场准入和交易机制仍不完善的背景，探讨设计依托于售电主体代理整合的DRRs市场参与机制，并详细论述了售电主体代理机制的特点，售电主体代理的用户业务、整合业务和市场业务;最后，通过案例对售电主体代理和发电企业进行双边交易的收益情况进行了分析。关键词需求响应资源;代理机制;售电主体;整合策略双边交易中图分类号F416.61; TK018 文献标志码A文章编号1003-8930201705-0115-07 DOI 1O.3969/j.issn.1003-8930.2017.05.019 Design of Agency and Participation Mechanism of DRRs with Sale圄marketReleased LIU ShunguiI, SUN Chenglong23, SUN JieI, DING Jiwei2, W ANG Lei2 1. Shenzhen Power Supply Co. , Ltd, Shenzhen 518048, China; 2. School of Electrical Engineering, Southeast University , Nanjing 210096, China; 3. Huai an Power Supply Company , Huai an 223002, China Abstract With the market-oriented re of power system in China , the chance of demand response resources DRRs participating in market transactions is increasing. The experience of PJM DRRs in USA market is introduced , which contains agent-based admittance mechanism , market participation and operation data. Since the market admit tance and transaction mechanism are far from perfect at the early stage of domestic sale market re , the DRRs a在entand integration mechanism with power sale entity are investigated. The details are discussed , incIuding agent-mecha nism characteristics , customers business , integration business and market business. Finally , a case study on the bilat eral transaction between power sale entity and generation companies analyzes the revenues of the two parts from the par ticipation of DRRs. Key words demand response resourcesDRRs; agency mechanism; power sale entity; integration strategy; bilateral transactIon 当前我国电力体制正处于进一步深化改革的时期，中发[20159号文件关于进一步深化电力体制改革的若干意见明确了改革的重点和途径，其中，在市场交易机制方面，意见提出规范市场主体的准人标准，分批放开发电企业、售电主体和用户参与直接交易，鼓励建立长期稳定的交易机制以及建立用户参与的辅助服务分担共享的新机制。该机制肯定了需求侧在市场交易参与中的主体性，并鼓励用户与发电企业和电网企业签订保电协议和可中断负荷协议等辅助服务合同，这为需求侧响应资源参与市场交易并提供辅助服务奠定了基础，使得系统利用需求响应缓解电网可靠运行的收稿日期2015-09-06;修回日期2016-07-04 成本压力和优化资源的配置成为可能。需求响应DRdemand response川l指响应系统价格信号和激励手段来调节自身电力需求时间和水平的行为，而需求响应资源DRRsdemand re sponse resources是指具备这类响应能力的负荷资源。开放式自动需求响应O句penADRo叩penautoma tied daman时dres叩pons回e严β问]等电网{信言息与通讯技术的发展有效减少了DR自的9成本，并提高了DR的灵活性和效率，进一步解决了DRO响向应的技术可行性问题，需求响应资源已成为一种重要的可调资源即[牛叫7ηl然而，由于DRRs数量众多、分布分散、容量和响应特性往往参差不齐，其直接参与市场交易提供 116 . 电力系统及其自动化学报第5期削减服务在操作上并不可行，一般需要通过中间机构来进行代理整合。国外电力市场中，这些中间机构往往来自负荷服务商LSEOoad service entity或是负荷聚合商LAOoad aggregator ，如美国PJM电力市场采用削减服务提供商CSPscurtailment ser vice providers [8]进行代理整合，而美国中西部独立系统运营商IS0independent system operator则一般由LSE直接进行操作。在国内，文献[9]总结了国外基于LA的研究现状及其发展，对LA定义、作用和控制资源进行了概述，重点介绍了LA的运营机制、控制策略和研究成果;文献[10]则从电力公司角度设计了包含多种类型电力终端用户的负荷代理与电网调度中心的互动调度机制，并以代理利益最大化为决策模型分析了负荷代理报价策略;文献[11-12]分别针对电动汽车负荷和空调负荷构建了相应代理的双层调度模型，并进行了相关优化模型的求解和控制策略的分析。虽然国内对代理机制进行了→定的研究，然而尚无基于售电侧放开下的DRRs代理参与机制的研究O本文在售电侧放开的基础上，结合美国PJM市场DRRs代理参与经验，设计DRRs代理参与机制，并针对该机制进行详细的分析和探讨。1 美国PlM的DRRs代理参与机制美国时M电力市场的运作实行市场准入机制，在该机制下，若参与电能或辅助服务等各项市场交易，必须成为电力市场的合法成员。DR参与PJM市场时间超过20年，早期DRRs作为配电公司EDCelectric distribution company在紧急情况下削负荷的工具，是一种满足EDCs可靠性要求的容量资源。如今，PJM已将需求响应写入市场运行协议问中，规定DRRs基本可以参与所有的市场类别，如容量市场[141、电能市场和辅助服务市场[1飞具有较好的市场准入和参与机制。1.1代理准入机制DRRs参与PJM各类市场主要通过CSPs代理实现。CSPs是系统运营商指定的电力市场既定成员，任何的LSE及EDC或其他具有专业技术的第三方机构均可成为CSPsoCSPs为DRRs提供代理服务，从而使得DRRs通过提供负荷削减服务间接获得市场参与权。此外，CSPs具有指导和控制DRRs参与响应行为的功能。图1为PJM市场CSPs代理准入机制示意。PJM各市场针对DRRs设立相应的准入条件，达到准人条件后方可进入该市场。不同市场的准入条件不尽相同，一般包含以下6个方面。1最小申报容量。申报的削减量必须满足最小容量约束，以便系统进行调度。2响应速度。即需要调度提前通知的时间量，调度通知后多少时间可进行削减。3响应可持续时间。削减控制通常需要持续一定的时间，因而DRRs必须能够保证一定的响应可持续时间。4通信控制系统和高级计量仪表AM1ad vanced metering instrument 0通信控制系统用于传达、接受和识别调度指令，并按调度指令执行削减控制，上传DRR用户的负荷数据等信息;AM1用于对负荷数据进行计量和统计。5参与上限约束。由于DRRs本身特性带来的不确定性，DRR参与提供的资源容量占该类资源需求总容量的百分比应设上限。目前PJM规定DRRs提供运行备用比例上限为33。6必须进行“合格性“测试。使用前和持续参与的过程均必须进行训练测试。只有在测试中保持良好的合格记录，才能持续参与。市场准入条件响应测试町MISO 市场均1、臼h↑↑↑资源聚集，整合DRRs申报登记测试合格的DRRs获得市场参与许可图1PJM市场CSPs代理准入机制示意Fig.l CSPs agency and admittance mechanism of P JM 为达到各市场准入条件的要求.CSPs需要对区域内意向参与的DRRs进行代理整合。整合完成后CSPs在PJM的需求响应系统中对DRRs进行申报登记，主要包括以下信息。1适用性登记。标明资源的适用性、参加的DRRs数目和相关的削减容量标记特定位置oCSPs 需要维持登记信息的准确性，并及时更新变化。2资源分类。CSP交易将对资源位置进行初级分类，如医院、工业/制造业、办公建筑、居民、零售服务、惩教设施或学校。每个分类在PJM中都有合适的用户指导手册。3负荷削减方法和相应容量确定方法。负荷削减方法显示被控制提供需求响应的用电设备类型;容量确定方法则要求在计量装置和数据上的能够达到准确的削减容量的确定。CSPs在eLRS中完成信息登记及结算等后，再连接人PJM电子市场eMKTelectronic market选择第29卷刘顺桂等售电侧放开下需求响应资源代理参与机制设计 117 参与的市场类别，经过一定的响应训练和测试合格后，即可参与市场交易，通过削减来获得支付收益。1.2市场参与DRRs参与PJM市场主要分为两类，紧急需求响应和经济需求响应。1紧急需求响应指DRRs在系统紧急运行υ期间响应P町 JM紧急负荷管理事件进行负荷削减，并得到相应的削减支付的市场参与行为，其主要为容量市场参与。PJM的容量市场是一种保证长期发电资源充裕性的市场。DRRs参与容量市场需事先认缴负荷削减量和可用容量UCAPunforcedcapacity ，认缴负荷削减量用发电侧的装机容量ICAPinstalled ca pacity来表示，之后依据可靠性定价模型[14]RPMreliability pricing model进行竞价，竞价成功后被系统选中为系统的紧急需求响应容量市场资源，在紧急事件中被调用，响应后将获得实时区域边际价格LMPOocationalmarginal price支付。2经济需求响应指DRRs参与系统日前/实时电能或辅助服务等市场交易并作为调度资源从而获得收益的市场参与行为。此类市场参与方式采用竞价交易。在竞价交易完成并调用时，PJM通常基于以下两者的较大值对CSPs的支付①LMP支付，该支付方式对日前或实时市场分别以日前/实时LMP乘以削减量进行支付。需要注意的是，政策不同，响应支付费率往往有所变化问。②整体支付方式，计算方式为预购价格基于报价的市场出清价格乘以削减量。作为整体支付，要求实际削减量只有在出清的削减量t20波动范围内才是合格的，可以按照预购价格整体进行支付。当削减量超出这个范围，只能按方式①进行结算并支付平衡运行备用费用。1.3运营情况在2013/2014年，紧急需求响应承担的认缴负荷削减量为7754MW，而总登记容量则达到了8967 MW，市场参与率较高。该年PJM发生的5次紧急需求响应强制调用事件和8次非强制事件调用中，实际削减量与承担的认缴削减量ICAP总比值均值为94，比值范围为87-96，DRRs总体响应效果良好。费用结算方面，该年PJM紧急电能结算支付了0.866亿美元，其中紧急需求响应获得了其中的0.53亿美元，可见DRRs在保证PJM系统长期可靠运行方面发挥了积极重要的作用。同时，经济需求响应在PJM市场各月平均登记容量为2300MW。在电能市场，PJM实际调用容量往往只占登记容量很小的比例，而在辅助服务市场，调频参与每月平均容量为6.2MW，同步备用参与每月平均容量为380MW，占同步备用总需求容量的比例达到28。2 DRRs代理参与机制设计当前国内售电侧放开下的电力交易市场仍处于筹划建设当中，市场主体的准入规范和放开需要一定时间，短期内还不能为DRRs形成准入机制，更难以实现PJM的集中市场报价参与。因而，DRRs参与市场交易需通过已有的市场主体代理且作为市场双边交易阳9]的辅助交易进行。售电侧放开下准入的售电主体服务于需求侧的负荷用户，其方便获取DRRs，随着售电市场社会资本的引人和辅助服务分担共享新机制的建立，售电主体为追求利益最大化，必将视挖掘和利用DRRs在调峰和提供辅助服务方面的潜力为有效的手段。因而，建立依托于售电主体代理整合的DRRs市场参与机制合理可行。2.1售电主体代理参与机制设计DRRs售电主体代理参与机制的设计参考了PJM市场的代理机制，通过作为双边交易的辅助交易避免了像PJM集中式市场交易规则完善性的要求，其与PJM相应机制的比较结果见表10表1DRRs售电主体代理参与机制与PJM相应机制比较Tab.l Comparison between DRRs agent participation mechanisms based on power sale entity and PJM CSPs 代理市场市场需求响应交易DRRs激机制提供服务者准人参与项目价格励机制电费折无需、交易双方削峰/备用双边扣或额规范‘个性“设计主体交易等辅助服务协定外激励准入定制支付等紧急需求基于市CSPs利容量资源/集中响应和场报价润分成Ps规范电能/备用交易经济需和LMP或电费等辅助服务求响应结算折扣等售电主体代理的参与机制提供了-种代理交易模式，对DRRs也实质构建了一种分层调度模型，其示意如图2所示。从代理市场交易角度而言，售电主体向下通过激励补偿方式获得DRRs削减响应，向上与其他市场主体进行双边交易提供削峰及辅助服务，获得市场收益;从分层调度角度而言，系统控制层根据各售电主体承担的调度任务下发调度指令，售电主体代理层向用户层各DRR进行削 118 . 电力系统及其自动化学报第5期图2售电主体代理参与和调度示意Fig.2 Agent participation and dispatch of power sale entity 减控制获得负荷个体削减信息，汇总整体负荷削减信息并向上回传至系统控制层。可见，售电主体代理参与机制将微观层DRRs庞杂繁复的工作量交给了售电主体，使得市场交易和调度控制层仅需面对和处理整合后的DRRs.避免了系统运营的复杂化。2.2售电主体代理的用户业务售电主体对用户的DRRs进行削减控制一般会对用户的生产生活产生一定的影响，售电主体代理整合时应尽量根据用户的用电需求、负荷特性、响应特性等因素制定合理的利用方案，避免这种影响，并给予用户适当的激励补偿以保证用户参与的积极性。因而，售电主体代理的用户业务通常包括以下3个方面的内容。 IDRRs削减潜力评估。售电主体对区域内意向参与削减响应的用户DRRs进行调研，确定资源的类别、负荷特性和控制方案，评估其削减潜力间，一般包括响应容量、响应速度、响应成本、响应可持续时间等。潜力评估一般需形成一定的DR参数[21J作为衡量指标，以便整合业务的进行。2安装通信和削减控制装置。售电主体对大量的DRRs用户进行削减控制并即时反馈负荷削减信息，这需要售电主体对用户安装通信和削减控制装置，以传达、接受、识别控制指令，并按控制指令执行削减控制，并能够上传DRR用户的负荷数据等信息。3确定激励补偿和惩罚等结算方式。售电主体可以通过电费折扣或额外激励支付等方式对按要求实施削减响应的用户进行激励补偿。此外，为公正评价DRRs的响应性能，可对未按要求削减响应的用户进行适当的惩罚收费阳。2.3售电主体代理的整合业务意向响应参与市场的DRRs可能来自各行各业。PJM市场的实施数据[23]显示，参与响应削减的负荷类型主要有工业/制造业、暖通空调、需求侧发电机、照明、冰箱、热水器、插拔式负荷及电池等。这些负荷中，除工业/制造业负荷一般较大且比较集中外，其他负荷均较小且分散，需要通过代理整合来实现容量聚集和控制简化。而整合也是实现更好资源响应特性、提高市场参与收益的有效手段。在整合业务方面，售电主体通过基本整合与优化整合两步实现，其示意如图3所示。圈3售电主体代理两步整合示意Fig.3 Agent integration of power sale entity 1基本整合。售电主体通过一些基本的整合及控制手段将各类DRRs进行分组聚合，形成具有一定削减特性的分组资源，并将其放入一个需求响应资源池。分组聚合时，结合DRRs削减潜力评估得到的DR参数，并依据资源类别、响应成本、响应速度、可用时段、响应控制方式、响应持续时间及控制间隔等进行分组。当某类负荷资源较多时，可将其分成多组进行控制O分组后应保证分组资源应具有一定的削减响应特性，以便进行进→步优化整合。2优化整合。售电主体根据双边交易的资源、特性需求，将资源池中的分组资源通过进一步的整合和协调控制手段封装成资源包，进行市场交易O首先，优化整合可进一步进行容量响应聚合和响应持续时间优化。图4示例说明，4组30min资源通过优化整合，容量增加了，响应持续时间达到2h。其次，可进行响应速度优化整合。如对于响应速度较慢的工业负荷DRR.其元法直接提供对响应速度要求较高的旋转备用等服务。若是和响应速度较快而响应持续时间较短的空调负荷等进行优化整合，如图5所示，则可实现双方响应特性的优化。此外，还可进行可用时段整合，以应对较长时段的响应需求。如办公建筑的空调负荷可削减时段通常在日间，而居民空调负荷削减能力较强的时间在晚间，售电主体可对这两类资源进行时段整合实现接近全天的可用资源。第29卷刘顺桂等售电侧放开下需求响应资源代理参与机制设计 119 PIMW L________ 资源4资源3。60 90 时“ 可/min120 30 图4晌应容量和晌应持续时间优化整合示意Fig.4 Optimized integration of response capacity and response duration 4 P1MWI 空调负荷| 工业负荷| 、30 60 90 120 响应速度/min圈5晌应速度优化整合示意Fig.5 Optimized integration of response speed 2.4售电主体代理的市场业务售电主体代理可与发电企业、电网企业甚至其它售电主体进行一对一交易，提供DR服务。交易双方可通过双边博弈谈判l叫]签订‘‘个性化“交易合同实现利益共赢，而不用受集中市场交易规则影响，具有较强的自主性。双边交易中，售电主体代理DRRs主要可以提供削峰和辅助服务。1削峰。DRRs可以在电力系统负荷高峰期间通过中断或削减控制实现削峰间。售电主体提供DRRs削峰服务可以通过与电网企业签订相应的保电协议实现，电网企业在预测系统负荷高峰或电力供应缺额达到一定阔值时，按双方事先约定的协议调用DRRs，缓解电力供应的紧缺，从而保证系统运行的可靠性。在局部负荷高峰形成输电阻塞时，DRRs削峰的同时还可以就地缓解阻塞间，提升系统运行的经济性。此外，售电主体同样可以对用户实施分时电价[28J引导DRRs进行移峰填谷，间接为电网企业的提供削峰服务。2辅助服务。DRRs可以作为可中断负荷或可削减负荷为系统提供备用、调频和调压等辅助服务[阳30J。备用“备而不用“的特点导致其设置是非经济的，这与DRRs可接受偶尔短期的削减或中断的特性十分符合问。在双边交易市场机制下，售电主体可与发电企业签订备用交易合同，由DRRs代替传统发电机组承担系统备用供给责任，释放发电企业的发电机组预留容量问，实现利益的共赢。尤其在辅助服务分担共享机制下，DRRs至少可以用来承担售电主体本身的备用容量责任。此外，售电主体也可直接响应配合电网企业相关辅助服务需求，签订相应合同，为系统提供备用等辅助服务。3 案例分析案例将针对售电主体代理与发电企业进行双边交易和分析，说明售电主体代理DRRs的参与对市场各方收益的影响。假设某发电企业A在基于双边交易的电力市场进行交易，该市场同时实行备用等辅助服务强制分担机制，仅就备用而言，即进行电能交易的双方必须承担与交易量相匹配的备用责任。设发电企业A共有3台发电机组，具体参数如表2所示。为简化分析，假设这些机组的平均成本在整个运行范围内恒定不变。发电企业A与该地区售电主体B签订了长期双边电能交易合同，系统运营商根据发电企业A的机组故障概率和售电主体B服务的负荷波动水平核定，两者分别承担交易量3和2的备用责任。表2发电企业A发电机组参数Tab.2 Unit parameters of generation company A 机组Pm,, /MW Pm,, /MW 平均成本/兀/MW.h100 500 225 2 75 300 240 3 50 200 265 当双边交易需承担的备用容量全部由发电企业A提供时，双方在某日140萨一1500时段的双边交易情况如表3所示。此时，发电企业A共提供了50 MW.h的备用容量，其中30MW.h为自身责任，剩余20MW.h则是以一定的备用市场价格交易出售给售电主体B。由于机组3的平均发电成本最高，发电企业A可以利用机组3承担150MW.h电能生产，而剩余50MW.h作为备用。表3双边交易情况1型一能用类←电备Tab.3 BiJateral transaction 1 交易量/交易价格A交易收MW h 元 MW.h- 益/元A交易总收益/元950 410 50 165250 1000 166250 20 不过，由于备用的非经济性，备用的市场价格通常远低于机组电能生产的收益，如对于机组3而言，生产1MW.h的电能收益为145元，远高于50元的备用收益。因而，发电企业A寻求与售电主体B协商，希望售电主体B代理整合一定的DRRs提供两者的备用责任容量。假设售电主体B代理整合了区域内意愿进行削减响应的空调负荷、工业负荷、需求侧备用发电设备和照明等其他负荷作为备用资源，如图6所示。根 120 电力系统及其自动化学报第5期。..憾刚刚感F;; ;;i;;;“，;L; ，; ; 1工业负荷需求侧备用发电设备其他负荷30 60 90 120 tlmin 图6售电主体B整合各类DRRs示意Fig.6 DRRs integration of power sale entity B 据国外的市场经验，DRRs削减量一般可达总负荷的6-lOW3飞由售电主体B与发电企业A的电能交易量可知，其DRRs削减量可以达到50MW。于是，发电企业A与售电主体B签订了另一份以售电主体B代理DRRs提供备用的双边交易，如表4所示。此时，电能交易量增加了50MW.h，即原本发电企业A预留作备用的容量。由于备用全部由售电主体B承担，发电企业A需向售电主体B购买30MW.h的备用。表4双边交易情况2Tab.4 Bilateral transaction 2 类型交易量/交易价格A交易收益IA交易总收益/MW.h 元 MW.h-I元元电能1000 410 172 500 备用-30 100 -3∞o 169500 分析表4可知，售电主体B承担备用供给后，虽然发电企业A以高于备用市场价格的代价从售电主体B购买了备用，备用的支出费用增加，但是其电能交易的收益获得了更大的提高，因而总收益实现了增加。另外，对于售电主体B而言，其通过代理整合DRRs提供50MW.h的备用，避免了1000元的备用购买支出并获得了额外的3000元交易收入。在DRRs响应成本可控的情况下，售电主体通过DRRs提供备用等辅助服务增加运营收益是可行的。综上，利用售电主体代理整合DRRs参与市场交易有利于促进市场交易双方的利益共赢，尤其是在辅助服务分担共享市场机制下，DRRs起到了优化市场资源配置的作用。4结语紧密结合售电侧放开初期电力市场准入标准不规范、市场主体单一和电力交易机制不完善这一背景，设计了依托于售电主体代理整合的DRRs双边交易参与机制，参考PJM成熟市场的先进经验并做了适当简化，降低了其对市场机制完善性的要求，为我国电改环境下需求响应实施和利用提供了→种合理有效的新方式。但更细化的DRRs削减潜力评估和补偿激励措施有待进一步研究。参考文献[1] USA Department of Energy. 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