李 龍，徐宏泉，張 勇，文福拴

(1.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050;2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

大用戶直購電，也即雙邊合同交易，是電力市場環(huán)境下的一種主要交易形式[1]。國家電力監(jiān)管委員會在2009年6月印發(fā)了《關(guān)于完善電力用戶與發(fā)電企業(yè)直接交易試點工作有關(guān)問題的通知》，其中明確了大用戶直購電的市場準(zhǔn)入條件。

與大用戶直購電相關(guān)的輸配電價或輸配電成本分攤直接影響市場參與者的利益，是決定交易能否成功的關(guān)鍵因素之一，因此受到普遍關(guān)注。到目前為止，我國尚未建立獨立的輸配電價體系，與大用戶直購電相關(guān)的輸配電價按電網(wǎng)企業(yè)平均輸配電價 (不含躉售縣)扣減電壓等級差價后的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[2]。這種做法在理論上不嚴密，在實踐方面也引起爭議。為促進大用戶直購電交易的健康發(fā)展，并規(guī)范和引導(dǎo)發(fā)電公司、電力大用戶、電網(wǎng)公司在電力市場中的行為，需要建立能夠適當(dāng)反映市場經(jīng)濟信號的輸配電價體系或輸配電成本分攤方法。

在大用戶直購電的理論與實踐方面，不少學(xué)者在交易模式、定價機制、結(jié)算機制以及購電組合策略等方面做了一些研究工作[1～12]。文獻[1]提出了“轉(zhuǎn)運風(fēng)險收益”的概念，分析了現(xiàn)行直購電試點中各市場主體之間的博弈行為，評析了有關(guān)試點所采用的電價機制的優(yōu)缺點。文獻[3]基于多層次交互式結(jié)構(gòu)，提出了一種計及直購電量、分時電價和電能質(zhì)量的直購電固定成本綜合分攤方法。這兩篇文章探討了與大用戶直購電相關(guān)的輸配電系統(tǒng)固定成本分攤，但未涉及其運行成本 (損耗和阻塞成本等)的分攤。

在實施直購電的初期，考慮到定價和結(jié)算等實際問題的難度，通常采用“一對一”的直購電模式，如吉林省所采用的模式。隨著改革的逐步深入，逐步過渡到“一對多”模式，如廣東省所采用的直購電模式。可以預(yù)期，直購電交易最終將過渡到“多對多”模式。

在上述背景下，針對允許大用戶“部分電量直購”的情況，探討了“多對多”直購電交易模式下的輸配電固定成本和運行成本的分攤問題，并采用基于夏普利值 (Shapley)的分攤法來解決這一問題。

1 大用戶直購電的輸配電價與交易模式

在討論與大用戶直購電相關(guān)的輸配電價或輸配電成本分攤之前，首先對與大用戶直購電相關(guān)的一些問題做深入分析，包括:輸配電系統(tǒng)為什么需要采用兩部制定價方法;直購電交易為什么最終會過渡到“多對多”模式?為什么需要考慮“部分電量直購”問題?

1.1 輸配電定價模式

輸配電定價模式總體上可分為三類，即單一電量電價、單一容量電價和兩部制電價。

單一電量電價無法合理反映實際的輸配電成本結(jié)構(gòu)。輸配電服務(wù)成本包括固定的和可變的，其中固定成本所占比例較大且一般與輸送電力或電量多少關(guān)系不大[13]。采用單一電量電價不利于刺激輸電投資，尤其是需要大量投資的輸電工程如跨區(qū)大型輸電工程的投資。單一電量電價可根據(jù)邊際成本或?qū)嶋H使用量確定。

單一容量電價一般根據(jù)用戶的負荷最大容量確定其應(yīng)該承擔(dān)的輸配電網(wǎng)絡(luò)成本。這種方法不考慮用戶對輸配電網(wǎng)絡(luò)的實際使用情況，分攤結(jié)果自然也不公平。

兩部制電價顧名思義包括兩部分:一為使用費，用于回收運行成本，主要包括網(wǎng)損和網(wǎng)絡(luò)阻塞成本，這可以根據(jù)邊際成本或?qū)嶋H使用量確定;二為固定費，用于回收固定成本，包括電網(wǎng)建設(shè)、管理和維修費用，以及合理的利潤和稅金等。兩部制電價可以較好的反映輸配電網(wǎng)絡(luò)的成本結(jié)構(gòu)。

電力網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模經(jīng)濟特性，其平均成本隨著容量增加而呈下降趨勢[14]。對于存在規(guī)模經(jīng)濟的商品不能采用邊際成本定價，這是由于邊際成本小于平均成本，這會導(dǎo)致生產(chǎn)廠商虧損。這樣，如果采用邊際成本方法來確定輸配電價格，就無法保證電網(wǎng)公司收回成本。采用兩部制電價則可以適當(dāng)回收固定成本和運行成本。

1.2 大用戶直購電交易模式

根據(jù)參與大用戶直購電的發(fā)電公司和電力大用戶數(shù)量，可以將大用戶直購電分為“一對一”、“一對多”和“多對多”三種模式。

“一對一”模式指符合直購電市場準(zhǔn)入條件的單一發(fā)電公司和單一電力大用戶所簽訂的直購電合同。

“一對多”模式指符合直購電市場準(zhǔn)入條件的單一發(fā)電公司和兩個或兩個以上的電力大用戶，以及單個電力大用戶和兩個或兩個以上的發(fā)電公司所簽訂的直購電合同。

“多對多”模式指符合直購電市場準(zhǔn)入條件的發(fā)電公司和電力大用戶，在滿足系統(tǒng)安全約束的前提下，可以自由選擇兩個或兩個以上的直購電交易對象。

隨著電力市場化改革的不斷深入，電力市場管理機構(gòu)給予市場參與者的自由度越來越大，這從國外電力市場化程度較高國家的電力工業(yè)改革過程就可以明顯看出。在一些西方國家如英國的電力市場中，隨著電力市場改革的不斷深化，對參與雙邊交易的發(fā)電公司和大用戶的要求越來越低，管制放松的程度越來越大。由此可以預(yù)期，隨著我們電力工業(yè)改革的深化，大用戶直購電交易最終會過渡到“多對多”模式?！岸鄬Χ唷笨梢愿玫膶崿F(xiàn)電力資源的有效分配。

在發(fā)電公司和大用戶簽訂直購電合同時，一個需要考慮的重要因素是合同電力/電量，即是否一個大用戶的全部負荷都要參與直購電，或者一個發(fā)電公司或發(fā)電機組的全部容量都要參與直購電交易。對于這個問題的回答，國內(nèi)和國外都是否定的。在電力市場化改革比較先進的國家和地區(qū)，發(fā)電公司有參與各種市場如現(xiàn)貨市場和合同市場售電的自由;同樣，用戶也有從不同市場購電的自由。對我國目前的情況而言，發(fā)電公司每年有政府相關(guān)部門分配的計劃電量 (電量指標(biāo))，這些計劃電量在正常情況下是需要完成的，這樣參與直購電交易的就是其計劃電量之外的電量;就用戶側(cè)而言，由于發(fā)電公司可參與直購電交易的電量受限，這樣大用戶未必能夠全部通過直購來滿足用電需求。因此，大用戶直購電應(yīng)以“部分電量直購”作為主要方式[15]，如圖1所示。

圖1 考慮“部分電量直購”的多對多交易模式Fig．1 Multiple-to-multiple transaction mode with partial electricity quantity directly traded

如圖1所示，大用戶的購電量分為兩部分;一部分是與各發(fā)電公司簽訂的直購電合同電量之和;另一部分則從電網(wǎng)公司統(tǒng)售中購買。關(guān)于二者的比例，這要由大用戶和發(fā)電公司綜合考慮各種因素做出決策后，最終由市場確定。設(shè)在給定時段內(nèi)直購電合同電量占參與直購電的大用戶總購電量的比例為α(0＜α≤1)，參與直購電的大用戶的總電量為Q。設(shè)與統(tǒng)購電量相關(guān)的單位MWh電量的輸配電價按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行為Ct，與直購電相關(guān)的每輸送單位MW·h電量的固定成本費用為Cz，在輸配電成本由用戶承擔(dān)并考慮相關(guān)的運行成本的情況下，直購電用戶需要支付的輸配電費用SΣ可表示為

式中:Fsh和Fzs分別表示輸配電損耗費用和輸配電阻塞費用，它們的計算方法將在下文中論述。式(1)中沒有考慮參與直購電的各方違約情況和相關(guān)的政府性基金等強制性收費。

2 與大用戶直購電相關(guān)的輸配電成本分攤

與大用戶直購電相關(guān)的輸配電成本分攤問題可以分為以下兩個層次[16]:(1)確定輸配電價格或成本，可以采用兩部制電價或會計成本核算方法;(2)將相關(guān)成本公平合理地分攤給參與直購電的各方。這里著重探討在與大用戶直購電相關(guān)的輸配電系統(tǒng)固定成本、網(wǎng)絡(luò)損耗成本和網(wǎng)絡(luò)阻塞成本已知的情況下，如何合理分攤這些費用。

輸配電成本分攤需要滿足一些基本要求[13，14，16]:(1) 合理性。需要保證電網(wǎng)公司收支平衡且有合理收益，符合“誰使用誰付錢，用多少付多少”的市場原則;(2)能夠給出正確且明確的市場信號，為發(fā)電公司和電力大用戶提供有效的經(jīng)濟信息，引導(dǎo)其參與電力市場;(3)盡可能避免交叉補貼;(4)計算過程要易于理解，能夠被各參與方接受。

到目前為止，國內(nèi)外已經(jīng)提出了一些輸配電成本分攤方法，總體上可分為基于交易的和基于節(jié)點的兩大類。基于交易的分攤方法以交易合同為基礎(chǔ)，包括郵票法、兆瓦－公里法、長期邊際成本法等;基于節(jié)點的分攤方法則以對輸配電系統(tǒng)的實際使用情況為基礎(chǔ)，包括直流分布因子法、潮流跟蹤法[17，18]等。基于交易的分攤方法的缺點在于其是以人為設(shè)定的商業(yè)合同為基礎(chǔ)的，而商業(yè)合同中定義的電力/電量的買賣關(guān)系和電力的物理流動并不一致。基于節(jié)點的分攤方法則需要知道所有發(fā)電機的成本或報價數(shù)據(jù)，這與我們目前電力工業(yè)廠網(wǎng)已經(jīng)分開、但電力市場尚未建立的情況并不匹配。

本文采用合作博弈法分攤與大用戶直購電相關(guān)的輸配電成本，包括固定成本、網(wǎng)絡(luò)損耗成本和網(wǎng)絡(luò)阻塞成本，并用Shapley值法求解這一問題。基于合作博弈的成本分攤方法的基本思路為:首先把單個成員導(dǎo)致的成本直接分攤給該成員，然后將各成員通過合作獲得的收益按商定的原則分配給各成員，最后各成員將兩個數(shù)值相減，就可得到各自需要分攤的成本。Shapley值具有邊際特性，即聯(lián)盟中每個參與者所分攤費用由其自身對聯(lián)盟收益的邊際貢獻所確定。這一特性基本體現(xiàn)了“誰使用誰付錢，用多少付多少”的市場原則，滿足合理和公平的定價要求。此外，基于Shapley值的分攤結(jié)果能夠提供合理的經(jīng)濟信號，從而引導(dǎo)參與直購電各方的理性市場行為。

3 合作博弈模型

在多對多直購電交易模式下，各個交易之間相互影響，有著天然的合作屬性。下面以輸配電固定成本分攤為例介紹合作博弈模型[19]。網(wǎng)絡(luò)損耗成本和阻塞成本的合作博弈模型可采用類似的方法獲得。

合作博弈模型中包括特征函數(shù)和局中人集合兩個基本要素。固定成本分攤問題可用n人合作模型表示，N={1，2，…，n}表示n個局中人的集合，在本文中每個局中人表示一個大用戶直購電交易，S?N表示一個聯(lián)盟，聯(lián)盟S產(chǎn)生的收益用特征函數(shù)V(s)表示，定義V(s)為

式中:C(i)為各用戶不參加任何聯(lián)盟時需要單獨承擔(dān)的固定成本;C(s)為聯(lián)盟S所承擔(dān)的固定成本總額。通過Shapley值求解合作博弈模型之后，可得到用戶 i的合作收益 xi，從而得到用戶i在合作之后最終應(yīng)該承擔(dān)的固定成本為

4 求解算法

4.1 固定成本Shapley值

第i個直供電交易分攤到的合作收益 xi可由式 (4)計算:

式中:i表示任一個大用戶直購電交易;xi為交易i的固定成本合作收益;S表示包含i的一個直購電交易聯(lián)盟;為聯(lián)盟S中的直購電交易數(shù)目;n為參與固定成本分攤的直購電交易總數(shù)目;V為特征函數(shù)，當(dāng)無直購電交易時，V(0)=0;[V(S)－V(S－{i})]表示直購電交易i進入聯(lián)盟S之后，給該聯(lián)盟帶來的收益增加值，即聯(lián)盟S的邊際收益;n！為大聯(lián)盟所有直購電交易加入次序的排列。

采用Shapley值處理考慮交易i最后一個進入聯(lián)盟S和交易i進入聯(lián)盟次序先于其它所有交易的排列。交易i可能的排列數(shù)為交易 i的加入次序先于聯(lián)盟S之外所有其它直購電交易的排列數(shù)目為這樣，采用 Shapley值處理的總的排列數(shù)目為

Shapley值公平對待每個相關(guān)排列，并以相同的比例1/n！來對所有排列分配聯(lián)盟S的邊際收益。表示交易i從聯(lián)盟S的邊際收益中所分配到的份額。

利用式 (4)求得xi之后，將xi代入式 (3)則得到C'(i)，即式(1)中的Cz。

4.2 網(wǎng)絡(luò)損耗的Shapley值

計算網(wǎng)絡(luò)損耗的Shapley值時，可首先采用最優(yōu)潮流方法分別計算聯(lián)盟S中每個交易單獨作用下的網(wǎng)損。由于網(wǎng)損是潮流的非線性函數(shù)，且各個交易之間存在交互作用，這樣就會產(chǎn)生網(wǎng)損交叉項。

當(dāng)α取1時，即不考慮統(tǒng)銷電量時，第i個直購電交易參與聯(lián)盟后分攤到的輸電損耗可由式(4)計算得到。此時，式 (4)中各項的含義修改為:i為任一參與網(wǎng)損分攤的直購電交易;xi為分攤給交易i的網(wǎng)損;V(S)表示聯(lián)盟S的網(wǎng)損函數(shù)，[V(S)－V(S－{i})]表示交易i進入聯(lián)盟S之后給聯(lián)盟帶來的網(wǎng)損增加值，即聯(lián)盟S的邊際網(wǎng)損。其余變量含義與前述的相同。

采用式 (3)求得每個大用戶所需承擔(dān)的網(wǎng)絡(luò)損耗之后，即可得到式 (1)中的Fsh。

4.3 網(wǎng)絡(luò)阻塞的Shapley值

網(wǎng)絡(luò)阻塞指由于網(wǎng)絡(luò)容量不足或系統(tǒng)安全約束的限制，而不能保證所有電力交易得以實施。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞時，總體上有兩種解決方法，一是削減部分交易，二是通過適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)控制或增加輸電容量。這里把為緩解網(wǎng)絡(luò)阻塞所導(dǎo)致的成本稱為網(wǎng)絡(luò)阻塞成本，需要合理分攤給導(dǎo)致阻塞的各個參與者[20，21]。利用 Shapley值進行網(wǎng)絡(luò)阻塞成本分攤時，首先要根據(jù)潮流計算判斷造成網(wǎng)絡(luò)阻塞的直購電交易，之后將這些交易作為局中人形成聯(lián)盟。計算公式依然為式 (4)，此時V(S)表示聯(lián)盟S的網(wǎng)絡(luò)阻塞成本，其余變量可參照與固定成本的Shapley值類似的方法求得。

5 算例分析

5.1 基于Shapley值的網(wǎng)絡(luò)固定成本分攤

圖2所示為一條承擔(dān)了3個大用戶直購電交易的輸電線路。不失一般性，假設(shè)有2個發(fā)電公司和3個大用戶參與直購電交易。交易1－3分別為發(fā)電公司A與大用戶1之間、發(fā)電公司A與大用戶2、發(fā)電公司B與大用戶2之間的直購電交易。下面利用合作博弈方法將該條輸電線路的固定成本分攤到各個交易。

圖2 多對多交易模式的輸電線路Fig．2 A transmission line undertaking multipleto-multiple trading

假設(shè)每輸送一個MW·h電能應(yīng)承擔(dān)的輸電固定成本為100$，每個交易分3個時段來完成，各個交易的具體時間安排如圖3所示。每個交易在各時段的交易電量如表1所示，3個交易的峰荷功率均為50 MW。

圖3 三個交易在三個時段的負荷分布Fig．3 The loads in the 3 time periods for the 3 transactions

以每個直購電交易作為一個局中人，則可有7個聯(lián)盟，分別為 {1}， {2}， {3}， {1，2}，{1，3}， {2，3}， {1，2，3}。從圖3中可以看出，聯(lián)盟 {1，2}和聯(lián)盟 {1，3}引起的潮流峰值為70 MW，聯(lián)盟 {2，3}引起的潮流峰值為80 MW，而3個交易共同作用時引起的潮流峰值為100 MW。

表1 各個交易時段的輸電功率Tab.1 The transfer power in each trading period

若由每個交易單獨承擔(dān)固定成本，則所需承擔(dān)的固定成本為

若3個交易合作形成聯(lián)盟，則各聯(lián)盟所需承擔(dān)的固定成本為

采用式 (2)可求得7個聯(lián)盟的特征函數(shù)，具體數(shù)值列于表2。

表2 各聯(lián)盟的特征函數(shù)值Tab.2 The characteristic function values of all alliances

下面計算各個交易的Shapley值:

同理，可以求得x2=1 500，x3=1 500。代入式(3)中可求得各直購電交易分攤的固定成本為:C'(1) =3 000$，C'(2) =3 500$，C'(3) =3 500$。

5.2 結(jié)果分析

從分攤結(jié)果來看，無論是對個體還是對整體而言，各交易通過合作得到的收益是理性的。

(1)個體理性。每個交易通過合作得到的收益大于該交易單獨進行的收益，即滿足x1≥V({1})=0，x2≥V({2})=0，x3≥V({3})=0。

(2)合作理性。滿足:

(3)整體理性。x1+x2+x3=5 000。這樣，最終得到的每個直購電用戶應(yīng)該承擔(dān)的固定成本費用也滿足個體和整體理性，在反映經(jīng)濟信號的同時實現(xiàn)收支平衡。

網(wǎng)絡(luò)損耗成本和網(wǎng)絡(luò)阻塞成本可采用類似方法分攤，這里不再給出細節(jié)。

6 結(jié)論

大用戶直購電是電力市場改革的重要內(nèi)容，如何適當(dāng)分攤與其相關(guān)的輸配電成本是一個需要解決的重要問題。針對“部分電量直購”的多對多交易模式，基于合作博弈理論、采用Shapley值研究了如何合理分攤相關(guān)的輸配電固定成本、網(wǎng)絡(luò)損耗成本和網(wǎng)絡(luò)阻塞成本。這種方法不但可以保證收支平衡，而且分攤結(jié)果為市場參與者提供了適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟信號。

本文所提出的分攤方法假定由大用戶承擔(dān)與直購電相關(guān)的輸配電費用。如果這個費用由發(fā)電公司承擔(dān)，所提出的方法同樣適用;如果由大用戶和發(fā)電公司聯(lián)合承擔(dān)，則可以按雙方商定的比例進一步分攤。

[1]林國慶，黃民翔．大用戶直購電試點現(xiàn)行轉(zhuǎn)運定價機制[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2007，19(4):32－36．

[2]國家電力監(jiān)管委員會．關(guān)于完善電力用戶與發(fā)電企業(yè)直接交易試點工作有關(guān)問題的通知[S]．電監(jiān)市場[2009]20號，2009．

[3]陳西穎，胡江溢．大用戶與發(fā)電企業(yè)直接交易算法探討[J]．電力系統(tǒng)自動化，2008，32(24):100－103．

[4]王 漪，于繼來．基于讓利和索利價格排序的大用戶直購電集中撮合交易方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2009，32(16):81－86．

[5]胡江溢，陳西穎．對大用戶直購電交易的探討[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(24):40－45．

[6]陳皓勇，張森林，張堯．電力市場中大用戶直購電交易模式及算法研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(21):85－90．

[7]周 明，鄭雅楠，李庚銀，等．考慮分時電價和電能質(zhì)量的大用戶轉(zhuǎn)運費用固定成本的綜合分攤方法[J]．中國電機工程學(xué)報，2008，28(19):125－130．

[8]王 鵬，吳素華，戴俊良，等．基于激勵相容原理的大用戶直購電模型與機制研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2009，29(10):91－96．

[9]鄭雅楠，李庚銀，周 明．大用戶模糊優(yōu)化購電組合策略的研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2010，30(10):98－104．

[10]譚忠富，張麗英，王綿斌，等．大用戶控制購電成本風(fēng)險的均值-熵權(quán)組合優(yōu)化模型[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(11):65－70．

[11]魏穎莉，周 明，李庚銀．大用戶購電組合策略研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(10):22－27．

[12]王 漪，何召慧，于繼來．按讓價、索價和能效綜合排序的集中撮合交易方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2010，34(18):32－38．

[13]荊朝霞，段獻忠，文福拴，等．輸電系統(tǒng)固定成本分攤問題[J]．電力系統(tǒng)自動化，2003，27(15):84－89．

[14]甘德強，楊 莉，馮冬涵．電力經(jīng)濟與電力市場[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

[15]Conejo A J，Carrion M．Risk-constrained electricity procurement for a large consumer[C]．IEE Proceedings -Generation， Transmission and Distribution，2006，153(4):407－413．

[16]湯振飛，唐國慶，于爾鏗，等．電力市場輸電定價[J]．中國電機工程學(xué)報，2001，21(10):91－95．

[17]王功濤，傅書逷．采用潮流跟蹤法的輸電費分攤算法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2004，28(9):25－27．

[18]Bialek J．Topological generation and load distribution factors for supplement charge allocation in transmission open access[J]．IEEE Transactions on Power Systems，1997，12(3):1185－1193．

[19]高 效，彭建春，羅 安．考慮輸電阻塞的電網(wǎng)固定成本分攤核仁法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(22):49－53．

[20]彭慧敏，薛禹勝，許劍冰，等．關(guān)于輸電阻塞及其管理的評述[J]．電力系統(tǒng)自動化，2007，31(13):101－107．

[21]周興華，杜松懷．雙邊交易電力市場下基于核仁理論的網(wǎng)損分攤方法[J]．中國電機工程學(xué)報，2005，25(1):60－65．