中國儲能網(wǎng)訊：需求側(cè)響應(yīng)中的經(jīng)濟學(xué)原理
曾鳴，華北電力大學(xué)教授
王冬容，中電國際政研室副主任
陳貞，北京電力公司營銷專責(zé)
摘要：電力需求側(cè)響應(yīng)就是運用系統(tǒng)可靠性項目或基于市場的價格去影響需求的時間和水平?？偨Y(jié)介紹了需求側(cè)響應(yīng)在零售市場的幾種應(yīng)用形式，即可中斷負荷項目、電量回購項目和動態(tài)電價項目，并對幾個成功案例進行了介紹和分析，提出了需求側(cè)響應(yīng)尤其是動態(tài)電價項目在我國的設(shè)計機制。
關(guān)鍵詞：需求側(cè)響應(yīng);電力零售市場;可中斷負荷;電量回購;動態(tài)電價
零售層次的需求側(cè)響應(yīng)項目主要有可中斷負荷項目、電量回購項目和動態(tài)電價項目。
在電力零售領(lǐng)域已經(jīng)放開的情形下，零售商和消費者簽訂在一定價格下向其供電的合同，然后設(shè)法在批發(fā)市場購買足夠的電量和輔助服務(wù)來履行這些合同。在這種情形下，零售商面臨一個最大的問題就是如何定價，如何對不同類型的消費者提供不同的價格選擇;如何管理由于消費者未來的負荷以及批發(fā)市場價格的雙重不確定性造成的財務(wù)風(fēng)險。也就是說，面對未來的任意時段，零售商既無法精確知道他們的消費者將要消費多少電量，更無法預(yù)測屆時批發(fā)市場的價格將會怎樣。
因此，當零售商向消費者提供固定價格服務(wù)時，他將面臨雙重風(fēng)險：批發(fā)價格波動風(fēng)險和負荷波動風(fēng)險。價格和負荷都受許許多多的因素共同影響，如負荷對宏觀經(jīng)濟和天氣變化都很敏感。消費者新增加負荷時往往也不會通知零售商，所以零售商不可能依靠遠期合同來恰好滿足他們用戶的所有需求。他們要么采取購買稍多于預(yù)測負荷的電量然后再在現(xiàn)貨市場轉(zhuǎn)賣，要么實施需求側(cè)響應(yīng)項目，與消費者簽訂可中斷負荷合同或電量回購合同以對電量風(fēng)險進行管理，或者實施動態(tài)電價項目以對電價風(fēng)險進行管理。
1、電量回購與可中斷負荷
電力零售市場中的電量回購和可中斷負荷項目與電力批發(fā)市場中的系統(tǒng)導(dǎo)向型的緊急需求側(cè)響應(yīng)項目相對應(yīng)，二者的操作要點相似，其區(qū)別在于前者是由售電公司組織招標和合同設(shè)計，由消費者與售電公司簽訂合同，后者是由系統(tǒng)運營機構(gòu)組織招標和合同設(shè)計，由消費者與系統(tǒng)運營機構(gòu)簽訂合同;前者的目的是為售電公司管理電量波動風(fēng)險，其實質(zhì)是將這一風(fēng)險管理收益在售電公司和消費者之間分享;后者的目的是為系統(tǒng)運營機構(gòu)管理系統(tǒng)和市場穩(wěn)定風(fēng)險，其實質(zhì)是將這一風(fēng)險管理收益的外部性一定地內(nèi)化給提供者。
目前在國家零售市場成功實施且有影響的這一類型項目并不多，原因在于目前各個市場的平均零售電價都不高，市場中容量供應(yīng)充足，零售商普遍采用“過合同”策略來管理電量異動風(fēng)險，比采用需求側(cè)回購策略要更為成本有效。
目前幾個較有影響力的需求側(cè)回購項目均來自加州電力危機時期的幾個美國電力公司。如波特蘭通用電力公司(PGE )的需求側(cè)回購項目，南加州愛迪生電力公司(SCE )和圣地亞哥天然氣電力公司(SDG&E)的可中斷需求側(cè)響應(yīng)項目等。PGE 的需求側(cè)回購項目是一個自愿型、配額型的需求側(cè)投標項目。在2001年，PGE 為需求側(cè)回購項目設(shè)計了3 種負荷削減投標：包括日前、計劃前(從一周前到一日前)和期間事件(持續(xù)幾周到幾月)。2001年9 月，該項目共有26個用戶參與，潛在可削減負荷23萬kW;該公司規(guī)定負荷高于250 kW的用戶均可參加，但實際參加的用戶中超過2/3的用戶負荷在500 kW以上。PGE 在引導(dǎo)參與者發(fā)揮盡可能多的需求側(cè)響應(yīng)作用方面取得了顯著的成功。從 2000年7 月到 2001年5 月，共計有122 個事件日，導(dǎo)致的平均負荷削減量為 162 MW。在 2000年9 月，當電量回購價格達到300 美元/MWh 時，總的潛在負荷削減達到參與者總的夏季峰荷的50% 。PGE 的需求側(cè)回購項目成功的一個關(guān)鍵因素在于 PGE 和每一個參與者一起尋找適合于各個參與者的負荷削減策略，并對負荷削減額予以量化;另一個關(guān)鍵因素在于這些項目恰好是在美國西岸電力批發(fā)價瘋漲的時候推出的。通過購買這些負荷削減，PGE 得以避免在批發(fā)市場購買昂貴的電能來滿足這些短期負荷的需求，或者得以在批發(fā)市場出售多余的容量，從而獲取更大的經(jīng)濟效益。加州的SCE 和SDG&E的可中斷需求側(cè)響應(yīng)項目共計提供了147 萬kW 的可得負荷削減量，為加州電力危機的緩解和恢復(fù)起到了一定的作用。
2、動態(tài)電價項目
在電力零售價格的安排上有兩個極端。第一個極端是對每一單位的電力消費都采用一個穩(wěn)定的平價，也就是說在合同期內(nèi)每一小時的電力消費都為已知的固定的合同價格。在這種安排下，供電公司承擔(dān)全部批發(fā)市場價格波動的風(fēng)險，所以這個平穩(wěn)的價格中包含了一個風(fēng)險收益;而從消費者的角度來看，該風(fēng)險收益相當于為防范電力價格波動的一個保險成本。另一個極端就是供電公司只保證供應(yīng)電量，而消費者價格完全和批發(fā)市場價格相聯(lián)系。在這種安排下，供電公司的風(fēng)險完全消除，他們只獲得成本回收收益;而消費者承擔(dān)所有的批發(fā)價格不確定風(fēng)險，這種選擇一般只在某些電力市場中的大用戶可以得到。
在這兩個極端之間，存在著許許多多種可能的價格結(jié)構(gòu)，對批發(fā)價格波動和負荷波動不確定性的風(fēng)險分布也各不相同。有一種常見的安排是，各個特定時間段采用不同的價格，但這些價格事先已知，如季節(jié)電價，分時電價等。另一種是在某些時間段采用變動的動態(tài)價格去匹配批發(fā)市場價格，如實時定價，關(guān)鍵峰荷定價等。電價確定性成分越多，則其中包含的風(fēng)險收益成分越多，確定性成分越少，則風(fēng)險收益成分越少。從理論上而言，平均電價水平將隨著電價確定性水平的降低而降低。
2.1 美國喬治亞州兩部制實時定價(RTP)項目
喬治亞電力公司(GPC )開發(fā)和提供兩部制 RTP產(chǎn)品已有10余年的歷史。這種電價產(chǎn)品包含兩個關(guān)鍵部分：一是標準電價，用于用戶的基準線負荷(CBL )，基準線負荷是依據(jù)該用戶典型的歷史負荷使用情況核定的;二是實時電價成分，用于用戶真實負荷與基準線負荷的偏差部分。
如果用戶保持在負荷基準線，那么始終執(zhí)行標準電價，也就是說，不受實時電價波動的影響;如果用戶對實時電價產(chǎn)生響應(yīng)，削減了負荷，則相比負荷基準削減了的負荷按實時電價貸記在消費者賬上(即返回給消費者)。同樣，超過基準的部分也就按實時電價收費。但是對于預(yù)計到自己要超基準的用戶可以和GPC 簽合同購買“價格保護產(chǎn)品”，這種產(chǎn)品使得該用戶可以購買遠期合同來增加他們的基準。
目前該項目有1 700多個工商業(yè)用戶參與，總峰荷為500 萬kW。從目前運行情況來看，當峰荷電價在0.5~2.0美元/kWh 段時，負荷響應(yīng)高達20% ，也就是說達100 萬kW。
實時電價項目為GPC 提供了實時進行負荷削減的途徑，從而也就是把需求側(cè)資源作為了高價格時期和資源約束時期的供應(yīng)側(cè)資源，如峰荷機組和批發(fā)市場功能的替代資源。GPC 還定期分析其顧客的負荷響應(yīng)模型，用于每天的調(diào)度運行和長期的系統(tǒng)規(guī)劃。該實時定價項目還提供包含風(fēng)險平衡組合的價格服務(wù)，使得參與者認為在經(jīng)濟上合適時能有效地將自己的“用電份額”賣回給市場。同時也為選擇不響應(yīng)的用戶提供既有價格激勵又有風(fēng)險管理的保險產(chǎn)品。
2.2 法國TEMPO項目
法國的TEMPO項目是一個典型而成功的關(guān)鍵峰荷電價項目，也是目前世界上運行規(guī)模最大的一個關(guān)鍵峰荷電價項目，超過1 000萬消費者參加了這一項目。該項目從1996年開始實行，全年分藍色日、白色日和紅色日3 種電價，每天又分峰荷與非峰荷兩種電價。具體如表1 所示：
對于哪些天是哪種顏色電價并不固定，但是法國電力公司(EDF )會在前一天通過以下途徑提供：
●通過專門的網(wǎng)站http://www.tempo.fr ;
●由用戶預(yù)定Email預(yù)警;
●用戶預(yù)定的電話預(yù)警;
●提供一種專門的電子接收裝置，用戶可以在該裝置上查詢到接收的信息。
在TEMPO試行的時候，價格曾經(jīng)比表1 中的高得多。根據(jù)試行期的數(shù)據(jù)測算的電力消費彈性系數(shù)為高峰期0.790，非高峰期 0.18 。負荷調(diào)節(jié)主要是在替代燃料之間進行，但測出來的交叉彈性系數(shù)又不高。法國測得的電力彈性系數(shù)比美國同時期測得的數(shù)據(jù)要高一些，但和瑞士測得的數(shù)據(jù)接近，尤其是高峰期彈性系數(shù)，都是0.79 。
2.3 美國海灣電力公司可選擇電價項目
關(guān)鍵峰荷電價的另一個典型例子是美國的海灣電力公司的高級電量管理項目(AEM)，該項目利用廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)為家庭用戶提供更高級的家庭用電自動化管理。參加這一項目的居民用戶將接受一個變動電價RVSP，根據(jù) 2003年5 月數(shù)據(jù)，RVSP用戶收費為4.54 美元/月，其他用戶為8.07 美元/月，這一電價結(jié)構(gòu)如表2 所示。
上述峰谷電價中，高峰、平段和低谷的時段和價格都事先規(guī)定，其時段劃分全年有兩個，一個叫冬季時段，一個叫夏季時段，略有不同;對于尖峰期，則只是事先規(guī)定了價格，具體哪些小時為尖峰期，則由批發(fā)市場的情況決定，全年保持在88 h 左右。
整個能量管理系統(tǒng)包含局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)兩個部分，二者通過網(wǎng)關(guān)相連。局域網(wǎng)中包含價格信號接收功能、用戶提醒功能和用電設(shè)備自動控制功能，自動控制系統(tǒng)將依據(jù)用戶根據(jù)自身的經(jīng)濟承受力和舒適程度的折中而事先設(shè)定的控制程序，包括電價門檻和對應(yīng)的負荷削減程度進行控制。
廣域網(wǎng)包含一個由開關(guān)控制的電話上行線(switched telephone uplink)和一個特高頻傳呼發(fā)射裝置，用來向用戶和局域網(wǎng)發(fā)射價格信號。這套系統(tǒng)的自動化功能使得用戶可以事先設(shè)定程序控制他們的制冷制熱系統(tǒng)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)和游泳池水泵等設(shè)備的用電，以自動按照其自行設(shè)定的價格或其他參數(shù)(如溫度)的組合決定啟停。
這一項目產(chǎn)生了很高的負荷削減和整形效益。據(jù)估計，在夏天平均每戶可削減負荷2.1 kW ，冬天達到2.73 kW;在尖峰期的負荷削減達 44% ，高峰期達21%，平段達5.9%，而谷段負荷則上升了 11%。項目結(jié)果顯示，這一價格響應(yīng)形式既獲得了負荷削減和電量節(jié)約效益，也獲得了負荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。平均每戶每年的電費節(jié)約為187 美元，其中57%來自負荷削減和電費節(jié)約，43%來自于負荷轉(zhuǎn)移。
AEM項目還說明了家用網(wǎng)關(guān)在需求側(cè)響應(yīng)項目中的重要作用。家用網(wǎng)關(guān)主要起到兩個作用，一是作為一個網(wǎng)絡(luò)集線器來連接和管理家內(nèi)智能電器設(shè)備，一是作為與外部的聯(lián)系樞紐，接收從外面發(fā)來的信息。在這里，網(wǎng)關(guān)專用來執(zhí)行和支持用電管理設(shè)施。當前在國際上對家用自動設(shè)施標準有許多種，包括X10 ，藍牙，CEBus ，Lonworks ，Batibus和歐洲家用系統(tǒng)標準等。當前在許多國家，家用智能系統(tǒng)的應(yīng)用呈快速增長趨勢，據(jù)歐洲家庭自動化市場的一個統(tǒng)計，從2003年到2009年，歐洲的家庭自動化系統(tǒng)以20%每年的速度遞增。在這樣一種背景下，AEM項目充分利用現(xiàn)有的家庭自動化系統(tǒng)(用于安全監(jiān)控或舒適度監(jiān)控)，直接一步到位和其他功能整合，這樣其成本有效性將大大加強。
2.4 北歐的零售電價分類合同
北歐電力市場現(xiàn)在是一個競爭的、對所有電力購買者完全開放的市場(丹麥是北歐最后對需求側(cè)開放的，目前也已實現(xiàn)100%放開)。在北歐零售市場，較大規(guī)模的終端用戶(如工業(yè)，商業(yè)，服務(wù)業(yè))一般通過選擇電力零售商并與其單獨進行談判然后簽訂服務(wù)合同，服務(wù)質(zhì)量要求與價格類型等完全由雙方個性化設(shè)計，如前述的動態(tài)定價思想在這些供電合同中得以充分地創(chuàng)新和體現(xiàn)。對小規(guī)模的終端用戶，譬如家庭住戶和公寓租住者可以自行選擇電力零售商，但各個零售商提供的普通合同類型具有一定的標準化。普通合同類型有：
(1)標準合同，這種合同中電價可能變化且通知期較短;
(2)一年或二年期固定價格合同;
(3)現(xiàn)貨價格合同，其零售價格基于批發(fā)現(xiàn)貨價格加上一個帖費(Uplift)，且沒有任何價格上限;
(4)價格上限合同，就是帶價格上限的現(xiàn)貨價格合同，但其帖費要更高一些。
所有為小用戶服務(wù)的電力零售商都必須要做到讓公眾隨時可以得到它的各種電價信息，根據(jù)這一要求，各零售商都在英特網(wǎng)上公布各種零售價格信息，做到完全透明。這些合同除第二類之外，均為動態(tài)電價或?qū)崟r電價合同。可見，在北歐電力零售市場，需求側(cè)響應(yīng)資源已經(jīng)得到了充分地發(fā)掘。
3、動態(tài)電價項目與分時電價項目的比較
分時電價是指電價隨使用的小時、天、季節(jié)不同而不同。傳統(tǒng)的分時電價項目已被電力公司作為平衡需求的工具長期使用。大量的經(jīng)驗證據(jù)表明電力公司提供的這些分時定價產(chǎn)品，為用電者和供電者都提供了非常大的經(jīng)濟效益增長，但這些潛在的經(jīng)濟能量還是沒有充分釋放。
我國大部分省份也都已經(jīng)實行了分時電價，應(yīng)用最多的是峰谷電價和豐枯電價。和動態(tài)電價不同，分時電價的時段劃分和各個電價水平是提前設(shè)定的，然后在一段時間中固定，一年或多年后才重新評估，評估周期也不事先確定。
分時電價最大的缺點在于時段劃分的僵化：首先表現(xiàn)在時段劃分的粗糙，不同季節(jié)負荷特性變化很大，但為了操作的簡便，往往也套用同一個峰谷時段劃分;其次表現(xiàn)在評估滯后、調(diào)整困難，當分時電價政策執(zhí)行了一段時間之后，負荷峰谷特性往往會發(fā)生較大的遷移，在一些地方甚至出現(xiàn)了尖峰負荷落在了低谷時段的案例，但要對分時電價機制作出調(diào)整則非常困難。
而動態(tài)電價項目則在時段劃分和電價水平確定上朝著靈活的方向發(fā)展。按時段的固定性和電價的固定性程度的不同，零售電價大致有這么幾個發(fā)展階段：首先是一個時段、一個價格，這就是傳統(tǒng)管制型零售電價，然后是固定(多個)時段、固定(多個)價格，這就是分時電價，其后是浮動時段、固定價格，這就是關(guān)鍵峰荷電價，最后是浮動時段、浮動價格，這就是實時電價。
實時電價顯然是零售電價的最高形式，也是需求側(cè)響應(yīng)的最完美形態(tài)。其基本理念就是讓終端用戶的價格直接或間接地與批發(fā)市場出清價格相聯(lián)系。這些電價產(chǎn)品使得各個時段的電價水平事先都沒有設(shè)定，也不可預(yù)知。實時定價產(chǎn)品還可通過固定價格、市場價格和各種前向合同的組合提供一系列重新平衡供電和用電雙方的風(fēng)險和回報的選擇;可以有針對快速反應(yīng)的市場如時前市場的高時間敏感性的價格，也可以有針對反應(yīng)緩慢的市場如居民零售市場的相對固定時段的價格。
關(guān)鍵峰荷定價機制CPP(Critical Peak Pricing)是實時定價機制和分時定價機制的結(jié)合。一個典型的CPP 設(shè)計是在傳統(tǒng)的在全年執(zhí)行的分時電價的基礎(chǔ)上，提出一部分天數(shù)作為關(guān)鍵峰荷，并執(zhí)行高得多的電價。關(guān)鍵峰荷的天數(shù)事先確定，但具體哪一天并沒有確定，價格可以事先確定，也可以不完全確定，但一般在執(zhí)行的前一天會通過自動通信系統(tǒng)通知用戶。
還有一種形式更簡單一些的關(guān)鍵峰荷定價叫做極限日定價(EDP )。極限日定價和關(guān)鍵峰荷定價形式相同，但可能只規(guī)定兩個價格：譬如，一年中選擇10天(具體哪 10天事先并不知道)，這10天的全部24小時電價都執(zhí)行一個高價格。而對其余 355天，則執(zhí)行一個單一的較低價格。實際上關(guān)鍵峰荷電價產(chǎn)品和實時電價產(chǎn)品可以有無數(shù)種，電價產(chǎn)品有如保險產(chǎn)品及其他各種金融產(chǎn)品一樣，其產(chǎn)品設(shè)計中包含的智慧成為各個售電公司競爭的核心所在。
實時電價的實施需要有批發(fā)市場的價格作支撐，但關(guān)鍵峰荷電價完全可以在批發(fā)市場建立之前就在零售層次引入，這種電價機制對需求側(cè)響應(yīng)資源的發(fā)掘效果要遠遠大于分時電價。我國當前在電力零售領(lǐng)域最成本有效的需求側(cè)響應(yīng)項目應(yīng)該仍然是電價項目：一是將原有的分時電價項目擴大到商業(yè)和居民用戶;二是對大型工商業(yè)用戶，應(yīng)從分時電價項目進化到關(guān)鍵峰荷電價項目。
4、結(jié)束語
電力零售市場還普遍執(zhí)行著與時間無關(guān)，不能有效反映容量成本和邊際供電成本變化的價格。這一方面是因為傳統(tǒng)上政府部門和電力部門都認為電力用戶不愿意面對任何形式的隨時間波動的價格。但是，現(xiàn)在的消費者事實上已經(jīng)以保險成本(風(fēng)險收益)的形式承擔(dān)著電力成本的波動以及電力供應(yīng)鏈上的各種低效率，所有的消費者每年的電費中因為一年中的某幾個小時而增加了不少，如果這幾個小時的負荷能得以減少或轉(zhuǎn)移還將會產(chǎn)生比那幾個小時的電費大得多的長期效應(yīng)和外部效應(yīng)。
在零售領(lǐng)域已經(jīng)開放了的市場，電力零售公司會有一定的激勵去實行需求側(cè)響應(yīng)項目來管理其電量波動風(fēng)險和電價波動風(fēng)險，其實質(zhì)是由售電公司和消費者分享這一風(fēng)險管理的收益。但是，如果市場中容量充足，電價不高，沒有一定的管制政策引導(dǎo)，售電公司還是會傾向于到供應(yīng)側(cè)尋求解決辦法，如采用過合同的策略。在我國目前批發(fā)市場和零售市場均未放開，且沒有分割的情況下，需求側(cè)響應(yīng)資源仍然可以發(fā)掘，其中最成本有效的需求側(cè)響應(yīng)項目就是關(guān)鍵峰荷電價項目。
原標題:需求側(cè)響應(yīng)在電力零售市場中的應(yīng)用
