（控制理论与控制工程专业论文）基于机会约束规划的可中断负荷管理研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 在电力市场环境下，可中断负荷管理的实施需要使参与用户受益而激 励其自愿参与，同时供电公司也应该从避免或减少在批发市场高价购电的 费用中，获得相应的经济效益。而且也要考虑各个参与者不同风险偏好特 性的影响。本文运用了金融理论中风险价值的思想，基于机会约束规划方 法研究了计入参与者风险特性的可中断负荷管理模型和方法。 首先，从用户侧角度，考虑可中断用户不同的风险偏好，用实际收益 不小于某一期望值的概率来度量风险，构建了一种基于机会约束规划的可 中断负荷定价模型。其中，考虑了不同停电持续时间和用户类型对用户缺 电成本的影响。运用遗传算法中嵌入蒙特卡罗随机模拟的方法来求解该定 价模型。算例仿真分析了不同用户的中断补偿与停电持续时间的关系，以 及用户风险偏好对中断补偿及用户收益的影响。结果表明停电持续时间越 长，对各用户的中断补偿就越大，且对各用户的中断补偿的增长趋势因用 户类型不同而各异。随着用户的风险偏好系数变大，用户收益越多，但其 承担的风险也越大。 其次，从供电侧角度，考虑供电公司在实施可中断负荷管理时需要权 衡的风险与收益问题。用类似的风险度量方法，基于机会约束规划方法， 以供电公司的期望利益最大化为目标，建立了一种用户类型离散的可中断 负荷管理模型。该模型采用一个综合的用户缺电成本函数，其中计入了停 电发生时间、停电持续时间、提前通知时间和用户类型对用户缺电成本的 影响，并运用遗传算法中嵌入蒙特卡罗随机模拟的方法给与求解。算例仿 真对不同供电公司风险偏好下供电公司和各用户的收益情况做了分析，并 给出了平均售电价格对供电公司和各用户的收益的影响。结果表明供电公 司的风险偏好系数越大，其收益越多，但其承担的风险就越大。平均售电 价格的变化直接影响了供电公司和各用户的收益，其灵敏度变化分析与现 实相符。 v 上海大学硕士学位论文 本文工作主要围绕在可中断负荷管理模型引入风险价值思想而展开， 基于机会约束规划方法建立考虑参与者风险偏好特性的可中断负荷定价和 管理模型，并采用遗传算法中嵌入蒙特卡罗模拟的方法求解，这也是本文 的主要创新所在。 关键词：电力市场，可中断负荷，风险价值，蒙特卡罗随机模拟， 机会约束规划，遗传算法 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e re l e c t r i c i t ym a r k e t ，i n t e r r u p t i b l el o a dm a n a g e m e n t ( i l m ) s h o u l dn o t o n l ys i m u l a t et h ec u s t o m e r st op a r t i c i p a t ei ni tb yb r i n gt h e ms o m eb e n e f i t s ，b u t a l s om a k ep o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e sg e tm o r ep r o f i t sw i t ha v o i d i n ge x p a n s i v e r o t a t i n go u t a g e sa n dc u t t i n gd o w nt h ee x t r ai n v e s t m e n t w h a t sm o r e ，i ts h o u l d c o n s i d e rt h ei m p a c to fp a r t i c i p a t o r s r i s kr e f e r e n c e s w i t ht h ec o n c e p to fv a l u ea t r i s kw a r ) f r o mf i n a n c i a lt h e o r i e s ，t h i sp a p e rp r o v i d e san e wi l mm o d e la n d m e t h o d c o n s i d e r i n g t h e p a r t i c i p a t o r s r i s k r e f e r e n c e sb a s e do nc h a n c e c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ( c c p ) f i r s t l y , o nt h es i d eo fc o n s u m e r s ，i te s t a b l i s h e sa ni n t e r r u p t i b l ep r i c e m o d e li nt h ef r a m e w o r ko fc c p , w i t ht h eo b j e c to fm a x i m i z i n gc o n s u m e r s e x p e c t e dp r o f i t sa n dr i s k so ft h ep r o b a b i l i t yo f t h ea c t u a lp r o f i tn o ts m a l l e rt h a n t h ee x p e c t e d i tt a k e si n t oa c c o u n tt h ei m p a c t so fd i f f e r e n ti n t e r r u p t i o nd u r a t i o n s a n dc o n s u m e rt y p e st oc o n s u m e r s s h o r t a g ec o s t s w i t ht h ew e l lk n o w nm o n t e c a r l os i m u l a t i o ne m b e d d e d ，t h em o d e li ss o l v e db yag e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) n u m e r i c a le x a m p l e sa r ep r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e i n t e r r u p t i o nd u r a t i o n sa n dc o m p e n s a t i o np r i c e sf o rd i f f e r e n tc o n s u m e r s t h e i m p a c t so fc o n s u m e r s r i s kp r e f e r e n c e s o ni n t e r r u p t i o n c o m p e n s a t i o na n d c o n s u m e r s b e n e f i ta r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h em o r et h e i n t e r r u p t i o nd u r a t i o n s ，t h em o r ei n t e r r u p t i o nc o m p e n s a t i o nf o rc o n s u m e r s t h e i n t e r r u p t i o nc o m p e n s a t i o ni si n c r e a s i n gd i f f e r e n t l yf o rd i f f e r e n tt y p ec o n s u m e r s t h ec o n s u m e rw h oh a sah i g h e rr i s kr e f e r e n c ew i l lg e tm o r eb e n e f i t s ，a n da l s oi t w i l lt a k eo v e rm o r er i s k s s e c o n d l y , o nt h es i d eo fp o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e s ，i tw i l lf a c et h et r a d e - o f f b e t w e e np r o f i t sa n dr i s k sw h e ne x e r c i s i n gi l m u s i n gt h es a m er i s ke v a l u a t i o n c r i t e r i o na b o v e ，i tc o n s t r u c t s 肌i l mm o d e lw h i c hh a sad i s c r e t ec o n s u m e rt y p e s v i i 上海大学硕士学位论文 w i t ht h eo b j e c to fm a x i m i z i n ge x p e c t e dp r o f i t so fp o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e s b a s e do nc c ei nt h i sm o d e l ，i tu s e sa l li n t e g r a t e di n t e r r u p t i b l ec o s tf u n c t i o no f c o n s r n l e r sw h i c hc o n s i d e r st h ei m p a c t so fp o w e rc u t t i n gt i m e , i n t e r r u p t i o n d u r a t i o n , a d v a n c e dw a r n i n gt i m ea n dc o n s u m e rt y p e s a n di t ss o l v e db yg a w i t hm o n t ec a r l os i m u l a t i o ne m b e d d e d t h r o u g ht h ee x a m p l e s ，i ta n a l y z e st h e b e n e f i t so fp o w e rs u p p l y e n t e r p r i s e a n dc o n s u m e r su n d e rd i f f e r e n tr i s k p r e f e r e n c e so fp o w e rs u p p l ye n t e r p r i s ew h e ne x e r c i s i n gi l m a tt h es a m et i m e ， i ta n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fa v e r a g es a l ep r i c et ot h eb e n e f i t so fp o w e rs u p p l y e n t e r p r i s ea n dc o n s u m e r s t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tp o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e w h oh a sah i g h e rr i s kr e f e r e n c ew i l lg e tm o r eb e n e f i t s ，a n da l s oi tw i l lt a k eo v e r m o r er i s k s t h ea v e r a g es a l ep r i c ew o r k so nt h eb e n e f i t so fp o w e rs u p p l y e n t e r p r i s ea n dc o n s u m e r sd i r e c t l y , a n dt h es e n s i t i v ea n a l y s i so fa v e r a g es a l e p r i c e sc h a n g i n gi sa c c o r dw i t hr e a l i t y t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h ei l mm o d e la n dm e t h o dw h i c hi sa s s o c i a t e d t h ec o n c e p to fv a ra n dc o n s i d e r sp a r t i c i p a t o r s r i s kr e f e r e n c e sb a s e do nc c p , a n dt h i sm o d e li ss o l v e db yg ae m b e d d e dw i t l lm o n t ec a r l os i m u l a t i o n t h a t s t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e r k e y w o r d s ：p o w e rm a r k e t ，i n t e r r u p t i b l el o a dm a n a g e m e n t ，v a l u ea t r i s k ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，c h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ， g e n e t i ca l g o r i t h m 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特, 另j d h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型多l p 一导师签名： 1 1 日期：一竺竺! ：! 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 国内外电力工业市场化改革 电力工业是国民经济的基础产业，且多年以来电力这个特别的商品在国际 上一直处于垄断行业。直至2 0 世纪8 0 年代后，世界上许多国家开始改革电力 经营体制。以英国、美国和智利为代表的国家首先开始探索适合自己国情的电 力体制改革，并取得显著的效果。在9 0 年代以后，全世界范围内都掀起了电力 工业体制改革的浪潮。各国的改革方式各异，但都有一个共同的特点，就是要 打破电力行业的垄断，建立合理的公平竞争的电力市场。 随后，欧盟国家、澳大利亚、俄罗斯等国家都进行了类似的改革，在降低 发电成本、降低电价、提高电力行业服务水平上取得很大的进步。同样，在国 内，电力工业市场化改革也逐步展开。其改革历程经历了1 9 8 5 年到1 9 9 6 年之 间多元化投资办电阶段、1 9 9 7 年到1 9 9 9 年的重组阶段和2 0 0 0 年后的市场化改 革阶段。1 9 9 7 年1 月1 6 日国家供电公司的成立，标志着“公司化改组、商业 化运营、法制化管理”为指导原则的电力工业改革的正式启动。从1 9 9 8 年开始， 确定山东、上海、浙江及辽宁、吉林、黑农江6 个电网为首批“厂网分开、竞 价上网”的试点单位。2 0 0 0 年1 月，山东、上海、浙江的发电侧电力市场相继 投入商业化试运营。同年6 月，东北三省区域发电市场也正式启动，标志着我 国迸一步推进电力工业改革，以形成统一、开放、有序电力市场的开始。在2 0 0 2 年4 月国务院颁布了电力体制改革方案，提出要“初步建立竞争开放的区域 电力市场，实行新的电价机制”。2 0 0 3 年3 月国家电力监管委员会正式挂牌成 立，标志着新一轮的电力体制改革进入实质启动阶段。 经过长时间的积极推动和扎实工作，我国的电力市场化改革已取得了一定 的成果。发电企业的竞争意识大大增强，上网电价也大有降低。电力工业纳入 市场经济框架，充分引入竞争，通过市场竞争来实现资源的优化配置，提高效 上海大学硕士学位论文 率，降低成本，优质服务，合理规划，促进电力工业的长期持续稳定地发展。 同时由于电力商品的特殊性，其需求弹性很小、不能大量存储且传输受到 输电线路输电能力的限制，使电价易受电力供求关系的影响，产生剧烈波动， 有时一日内的峰谷电价相差好几倍，尤其是在缺电的情况下，还会导致电价的 飞升。电力市场价格的这种高度波动性是电力市场中风险产生的主要因素，特 别是在发电侧单边开放的电力市场中，电价强烈的波动和尖峰特性将使作为单 一购买者的电网公司面临巨大的购电风险，如果不加以防范和规避，将会带来 灾难性的后果。加州电力市场危机的出现使人们不得不对电力工业解除管制的 进程进行反思。总结加州电力市场的教训可以发现危机爆发时市场中的发电容 量严重不足、实时市场上电价异常增高以及没有利用用户的用电弹性等都是导 致出现市场危机的重要原因。在这次危机中两家大型的供电公司破产，充分说 明供电公司在电力市场中承担了巨大的风险。所以，电力市场化改革中的风险 管理问题不容忽视。 1 1 2 可中断负荷管理的引入 2 0 0 0 年美国加州的电力危机事件，使得人们重新认识到电力系统需求侧管 理( d s m ) 在维持系统安全可靠运行方面的重要性。作为d s m 的重要组成部分， 可中断负荷管理通过供电公司与用户签订合同，实现在系统用电高峰或紧急状 态下，用户按合同规定中断或削减负荷，从而缓解系统供电紧张状况。随着世 界范围电力工业市场化改革的进行，可中断负荷管理正逐渐从传统的管制型行 为，转为参与者在市场环境下的一种自愿行为，而且也正成为改善有限电力资 源社会利用效率的一种有效工具。在电力市场环境下，实施可中断负荷管理 的重要内容之一是设计合理的可中断负荷电价( 包括可中断负荷的经济补偿) ， 其中要体现使用户受益而激励其自愿参与，同时供电公司也应该从避免或减少 昂贵的旋转备用和满足负荷增长而需要的发电容量投资中，获得相应得经济效 益。更重要的是要体现使有限电力资源达到最有效利用的激励机制。 我国的电力工业长期属于垄断管制行业，缺乏在电力不足时切除负荷应给 予用户合理经济补偿的观念和相关理论研究。负荷管理大多数基于行政手段而 2 上海大学硕士学位论文 非经济手段，很少考虑用户的停电意愿和不同的供电可靠性等级要求，使得有 限的电力资源难于达到全社会的最优分配。近年来，随着我国国民经济和人民 生活水平的不断提高，电网峰谷差也日益增大，尤其是高峰时期电力供应的紧 张局面一时难以得到有效的缓解。同时，我国电力工业的市场化改革也在积极 推进。面对这一状况，国家发改委与2 0 0 5 年4 月发出通知，要求各地主管部门 加强电力需求侧管理，特别是要求研究制定可中断负荷电价、高可靠性电价等 新的电价形式，加快建立强化需求侧管理的长效机制，从以行政手段为主向以 市场经济手段为主转变，从以移峰填谷为主向提高社会经济效率为主转变。 面对我国电力工业的现状以及市场化改革趋势，本文将研究电力市场环境 下的可中断负荷定价和管理模型和方法，对影响可中断负荷电价的因素进行分 析研究，并对用户效益和供电公司效益进行合理协调，使电力资源达到最有效 的利用并激励不同类型用户自愿参与可中断负荷管理机制。本文研究工作也将 为供电公司对不同类型用户进行可中断负荷定价提供决策支持。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 电力市场中远期合同交易 电力远期合同是一种有效的风险管理工具和交易手段。英国在电力市场运营 的初期，几乎超过8 0 的电力交易通过远期差价合同( c o n t r a c t sf o rd i f f e r e n c e s ) 市 场来进行口1 ，并正进行新的电力市场改革的探索，其中一个重要内容就是进一 步向类似于期货交易的方向发展口1 。在澳大利亚的电力市场化进程中，远期合同 市场也有着不可忽视的重要地位h 1 。挪威于1 9 9 1 年开始电力市场化改革，1 9 9 2 年 秋季就开始运营一个挪威电力远期交易市场，其中按星期交易的电力远期合同 的期限从1 星期到3 年不等畸1 。美国，纽约商品交易所于1 9 9 6 年3 月开始经营电力 远期交易，其中按月交易的电力远期合同的期限从1 个月到1 8 个月不等，同时期 权交易的思想在电力市场中也得到了充分的重视晒1 。在我国电力工业市场化改革 的初期，远期合同同样得到了广泛的采用，从几个试点的发电侧电力市场运营 来看，近9 0 的电量交易通过合同市场来进行m 3 。需要指出的是，按严格的定义 3 上海大学硕士学位论文 h 一1 ，远期合同交易和期货交易这两个概念存在本质的不同。简单地说，期货交 易是由远期交易通过合同标准化，且引入保证金、对冲平仓、结算等制度后形成 的在交易所内进行的一种合约交易。由于电力不同于一般商品，因而目前在电力 市场中应用较多的还是属于远期合同或结合期权交易思想的可选择远期合同， 而不是标准化的须在交易所内进行交易的期货合同的形式，这种远期合同在到期 交货前也可转让或买卖啼1 。而且，期权交易具有较好的灵活性和多样性，结合期 权交易思想的可选择电力远期合同不但能使参与者回避不利情况下的利益损失 风险，而且可以保留在有利情况下的获利机会。 电能不能大量有效地储存，这是制约电力市场健康、有序发展的主要因素之 一，而通过电力远期合同交易，电力可以被“虚拟地储存，这说明远期合同 市场可提供类似于其他可储存商品的某种事前保护。除了能为各参与者提供选择 机会以满足在价格和风险方面的特定要求，并有利于供需双方信息交流外，电 力远期合同交易由于减少了发电商可以操纵的现货电量，从而降低了它在现货 市场中的份额，即降低了其市场力，从而减少了其操纵现货电价的兴趣，有利于 市场公平竞争，形成高效的市场均衡电价。另外，适当的远期合同交易机制的引 入还有利于维持电力市场的稳定性嘲。 1 2 2 基于期权思想的可中断远期合同的风险建模理论研究 从金融期权角度来看，电力市场中的可中断负荷是一种单边可选择远期合 同。有关远期合同的风险建模理论研究始于2 0 世纪9 0 年代。文献 1 0 用随机模拟 方法对电力远期合同交易的风险回避作用进行了模拟，并指出结合远期合同的实 时定价方案会得到更合理的结果。文献 1 1 提出一种用户与供电公司之间带有期 权( c a l l ，看涨期权) 的可选择远期合同，其中用户给予供电者中断用户电力的 权利，并采用b l a c k s c h o l e s 期权定价理论建立了合同价格和期权敲定价之间的 定量关系。 文献 1 1 一1 5 研究了具有激励相容特性的可中断负荷管理机制。文献 1 1 中 用户买入远期合同，卖出看涨期权，而卖电方相反，具有执行该期权的权利。当 现货价格超过期权敲定价格，卖电方则取消此合同对用户中断供电，而以敲定价 4 上海大学硕士学位论文 格赔偿用户。文献 1 3 则介绍了一个具有双看涨期权的可中断电力远期合同。文 献 1 4 提出了结合期权理论的双边可中断电力远期合同，使用户和卖电方获得更 大期望利益。文献 1 5 - 1 6 介绍基于机制设计理论的可中断负荷管理模型。这些 理论研究的共同点是以激励相容的费用机制来引导用户自愿参与可中断负荷管 理和披露真实信息。 但以上研究大多基于风险中性用户期望效益最大化目标，没有考虑供电公司 实施可中断负荷管理的收支平衡问题；也很少考虑用户不同供电可靠性等级要求 对可中断电价的影响；而且并没有给出供电公司具有中断提前通知选择时可中断 电价设计的实用方法，从而限制了模型方法的实用型和可操作性。 在国内，对可中断负荷电价模型也做了很多研究。其中，文献 1 7 对电力市 场可中断负荷管理模型及其系统价值评估进行了总结性的归纳。文献 1 8 2 4 代 表了国内可中断负荷电价理论的研究现状。文献 1 8 ，1 9 提出了更加公平灵活的 基于现货市场价格不确定性的可中断远期合同模型，根据期权定价思想给出了合 理的合同价格的计算方法，并通过一个买卖双方各自追求最大期望报酬的优化模 型，给出了有关中断电价的理性选择。文献 2 0 介绍了具有可中断负荷的供电公 司与发电商之间先行动、后行动和同时行动的市场博弈问题；文献 2 1 考虑到供 电公司的风险偏好，应用机制设计理论建立了一种用户类型离散的可中断负荷合 同模型，引导用户披露真实信息，实现电力资源的有效配置。 文献 2 2 2 4 也对电力市场可中断负荷合同模型进行了分析探讨。文献 2 2 讨论了可中断负荷合同的内容和相关市场的组织形式，利用发电容量停运表得 到考虑负荷不确定情况下的系统缺额容量以及采用需求侧报价来反映用户可接 受的停电补偿，给出了可中断负荷的最优购买模型。文献 2 3 - 2 4 则介绍了比较 新颖的期权下的可中断负荷合同模型。 1 2 3 可中断负荷电价 在电力市场的环境下，可中断负荷管理是负荷管理的一项重要措施，可中 断负荷管理是供电公司和用户签订合同( 协议) ，通过电价激励，实现系统供电 紧张时，用户按照合同( 协议) 规定中断或削减负荷。一方面使用户自愿参与 5 上海大学硕士学位论文 可中断负荷管理，并产生按合同( 协议) 要求削减或转移其在系统负荷高峰时 用电负荷的动力；另一方面使供电公司可以移峰填谷，提高电网负荷率，促进 电网安全，发电机组也能经济稳定运行，降低运行成本乜5 2 引。可中断负荷的运 行可以等效为系统备用容量的增加，并且能够平稳系统负荷，提高电力系统运 行的经济性和可靠性，削弱电力市场中市场力的影响，抑制价格尖峰。 实施可中断负荷管理的重要内容之一是设计合理的可中断负荷电价。可中断 负荷管弹及可中断电价手段，在许多国家已经得到了广泛的应用，并取得了较为 可观的调荷效益，电力企业和用户都可从中获益。文献 2 7 给出了韩国采用全国 g d p 总用电量和某产业g d p 该产业用电量来估算停电损失，从而确定可中断负荷 电价的宏观经济方法；文献e 2 8 给出了香港地区利用已知信息，如以前的停电损 失、通货膨胀率、税率等来预测以后停电损失，确定可中断电价；文献 2 9 j 对台 湾供电公司实施可中断负荷管理的过程及其结果进行了分析，说明了可中断负荷 具有削峰填谷和减缓电力投资的作用，并提出了三种中断方案。英格兰一威尔士 电力市场于1 9 9 5 年就率先采用需求侧报价d s b ( d e m a n ds i d eb i d d i n g ) 形式，大工 业用户可以在日前电力市场对可削减的负荷容量进行报价。 然而在我国，可中断负荷管理和可中断负荷电价研究工作刚刚起步，尚未见 到相关成熟的研究资料及成果报道。我国工业用电一直占全社会用电量的7 0 以 上，全国性缺电局面尤其是缺峰荷电力现象更是在近几年显得非常突出，故我们 更应该借鉴国外成功经验，研究和实施符合我国实际的可中断负荷方式。对于可 中断负荷的实施，供电公司是主导方，然而用户有权选择不参与或者不配合。如 何调动用户的主动性，积极和供电公司配合共同参与可中断负荷管理，首先需 要解决可中断机制设计，也就是要设计出科学合理的可中断负荷管理模型。文献 3 0 将可中断负荷的典型模型归纳如下：( 1 ) 基于动态潮流优化的可中断负荷管 理模型，( 2 ) 基于可避免成本理论的可中断负荷管理模型，( 3 ) 备用辅助服务模 式的可中断负荷管理模型，( 4 ) 基于期权思想的可中断负荷电价模型，( 5 ) 激励 相容的可中断负荷管理模型。 6 上海大学硕士学位论文 1 2 4 影响可中断负荷电价的重要因素 在基于期权思想的可中断负荷电价模型中，考虑较多的因素为以下两个： a ) 现货市场价格 现货市场价格具有不确定性。在文献 1 8 2 4 中，可中断负荷合同定价及卖 电方是否对用户实施可中断负荷管理都与现货市场价格有关。现货价格受很多因 素影响，随着电力市场的全面开放和竞争供电的加剧，现货市场价格的不确定性 将增加，因而供电公司在可中断负荷合同交易想回避的主要风险来自电力现货价 格的不确定性。 b ) 用户缺电成本 用户缺电成本也是可中断负荷电价管理模型中确定可中断电价的一个重要 依据。不同类型的用户，其缺电成本是不同的，因而不同用户与卖电方之间产 生的可中断电价是不同的。所以影响用户缺电成本的因素也将直接影响可中断 负荷电价。文献 3 1 - 3 3 介绍了电力市场中影响用户缺电成本的因素，其中主要 包括停电持续时间、停电发生时间和提前中断时间。文献 3 4 介绍了不同用户 的缺电成本计算及评估方法文献 3 5 对美国中部居民用户的缺电成本和可靠 性进行了评估。由于用户缺电成本与其影响因素的关系可直接引入基于期权思 想的可中断负荷电价模型，因而可反映出可中断负荷电价与用户类型、停电持 续时间、停电发生时间及提前中断时间等因素之间的直接关系。 1 3 论文的主要研究内容 基于以上的现实和研究背景，本文重点考虑了可中断负荷管理中用户侧和 供电公司不同风险偏好特性，并用机会约束规划的方法建立如下两个模型。 1 3 1 考虑用户风险偏好的可中断负荷定价模型 该模型考虑了可中断用户不同的风险偏好，用实际收益不小于某一期望值 成立的概率度量风险。不同用户的缺电成本受多种因素的影响，比如停电发生 时间、停电持续时间、提前通知时间和用户类型等。在模型的设计过程中，主 7 上海大学硕士学位论文 要考虑停电持续时间和用户类型对用户缺电成本的影响。同时以用户的利益最 大化为目标函数，用机会约束规划的方法来体现风险，即将用户的风险偏好特 性转化为事先给定的目标函数的置信水平，最后运用遗传算法中嵌入蒙特卡罗 随机模拟的方法给与求解。算例仿真分析了不同用户的中断补偿与停电持续时 间的关系，以及用户风险偏好对中断补偿及用户收益的影响，同时表明了该模 型的有效性。 1 3 2 考虑供电公司风险偏好的可中断负荷管理模型 用以上度量风险的方法，本文建立了一种用户类型离散的可中断负荷合同 模型。该模型考虑了供电公司在实施可中断负荷管理时需要权衡的风险与收益 的问题。并给出一个综合的用户缺电成本函数，计入了停电发生时间、停电持 续时间、提前通知时间和用户类型对用户缺电成本的影响。以供电公司的期望 利益最大化为目标，用机会约束规划的方法表达条件约束，并给与遗传算法中 嵌入蒙特卡罗随机模拟的方法求解。考虑到可中断负荷合同的可操作性，本文 设置6 个离散型用户同时参与可中断负荷管理，通过算例来决策供电公司对各 个用户实施可中断负荷管理的收益情况和各用户的收益情况，且对在供电公司 不同的风险偏好下供电公司和各用户的收益变化做出了分析。同时，分析了平 均售电价格对供电公司和各用户的收益的影响。 本论文内容安排如下：第二章初步探究了基于期权思想的可中断负荷电价 模型及本文运用到的相关理论方法；第三章建立了考虑用户风险偏好的可中断 负荷定价模型，重点研究了用户不同风险偏好对可中断负荷补偿电价的影响及 持续停电时间对其造成的影响。第四章则考虑了供电公司风险偏好，提出建立 了一种用户类型离散的可中断负荷管理模型。第五章给出了全文总结和展望。 上海大学硕士学位论文 第二章基于期权思想的可中断负荷电价模型初探 及理论方法简述 2 1 引言 电力工业的市场化运营使得电力价格随时随地变化，而且电力价格在各种 机制的电力市场中均表现出了与普通商品价格不同的特点。由于电力商品不能 有效存储，而电力消费要求实时供需平衡，这使得电价呈现出强烈的波动性。 电力合同交易双方想回避的主要风险正是电力现货价格的不确定性。面临 着巨大的利益损失风险，如果不加以有效的防范，将会导致灾难性的后果。例 如，1 9 9 8 年夏季美国中西部电价的强烈波动，导致了两个市场参与者被迫离开 市场口引。因此越来越多的市场参与者认识到电力市场中风险管理的重要性，并 积极采用合适的风险管理工具和方法来回避或控制风险。 作为风险管理的有效方法，远期( f o r w a r d ) 、期货( f u t u r e ) 和期权( o p t i o n ) 等现代金融衍生工具在电力市场合同交易中的应用日趋普遍口l 矧。电力远期合 同交易机制的引入使电力可以“虚拟的储存，对电力这种特殊的商品提供某 种事前的保护，有利于电力市场的健康发展。除了能为各参与方提供机会来选 择在价格和风险方面满足他们的特定要求，有利于供需双方信息交流外，电力 远期合同还能减少市场参与者操纵电价的兴趣，有利于市场的公平竞争，形成 高效的市场均衡电价。随着改革进一步深入和市场的进一步开放，必将出现大 量的原意承担风险的市场投机者，通过合同的买卖而获利，从而可增加市场的 竞争程度，从而有利于电力市场的进一步完善。 电力远期交易合同在一定程度上实现了电力的可存储性，并有利于供需双 方的信息交流。因此在电力工业市场化改革的道路上，电力远期交易合同在电 力交易中始终占有重要的地位。在理论研究上主要集中在带有期权思想的可中 断电力远期合同的风险建模理论研究。有关电力远期合同的风险建模理论研究 始于2 0 世纪9 0 年代初，r j k a y e 等人n 用随机模拟方法对电力远期合同交易 的风险回避作用进行了模拟，并指出结合远期合同的实时定价方案会得到更合 9 上海大学硕士学位论文 理的结果。t w g e d r a 等人u 提出一种用户与供电公司之间带有期权( c a l l ，看 涨期权) 的可中断远期合同，其中用户给予供电者中断用户电力的权利，并采 用b l a c k - s c h o l e s 期权定价理论建立了合同价格和期权敲定价之间的定量关 系。随后更多学者尝试将期权定价工具用于各种可中断合同定价模型及电力资 产的价值评估研究等等。 本章将对基于期权定价思想的可中断负荷电价模型进行初步探究。 2 2 基于期权思想的可中断负荷电价模型 期权是一种选择权，其购买者在支付一定数量的权利金之后，即拥有在将 来一定时间内以一定价格出售或购买一定数量相关资产( 或标的物) 的权利， 但不负有必须买进或卖出的义务。这里的资产可以使实物商品，可以是远期合 同或期货合同。 可中断负荷合同可以看作是供电公司与用户之间带有期权性质交易的供电 合同。图2 - i 给出了这种合同交易的权利和义务。 用户：买入供电公司： 卖出一个 远期，买入 一个远期， 或)一个看涨 卖出一个 看涨期权 - 期权 图2 - i 用户与供电公司之间可中断负荷合同的权利和义务 该合同需规定两个价格，即合同电价和中断电价，当合同交货时的市场价 格小于中断价格时，则供电公司供电给用户；当合同交货时的市场价格大于中 断价格时，则供电公司不供电给用户，而支付给用户中断电价( 相当于一种违 约金) 。用合成期权的思想来解释，用户买入一个远期、卖出一个看涨期权，其 合成期权相当于卖出一看跌期权；而供电公司卖出一个远期、买入一个看涨期 权，其合成期权相当于买入一看跌期权。这种合同使得供电公司既回避了市场 l o 上海大学硕士学位论文 降价的风险，又保留了市场涨价获利的机会( 把电高于中断价格的价格卖给市 场，从而获取差价利润) 。而用户要么得到供电，要么获得中断电价( 其最优选 择是用户的单位用电价值) 的支付，即无利益损失风险，同时还获得相当于权 利金的收入( 一般合同电价小于中断电价) 。 对于供电公司来说，这种可选择的供电合同可等效为一种“电力资源 ，即 把中断电价视作该“电源 的发电成本，把中断供电的可能性视为“电源 的 可用概率，因而可方便地结合于经济调度或发电可靠性的评定。 当中断电价选择为用户的单位用电价值时，则单位用电价值较高的用户中 断供电的可能性较小，而单位用电价值较低的用户中断供电的可能性较大，这 种机制可以达到有限电力资源的最优分配。 2 2 1 数学模型 用户为将来某时刻t 的用电而与供电公司签订可中断购电合同。假设： a ) 将来时刻t 的现货价格为p ( 随机变量) ，其概率分布函数为q 。( x ) ，概 率密度函数为g p = d q _ p ( x ) 。 以x b ) 用户只能与该供电公司发生电力交易，而无别的选择，用户在时刻t 的 用电单位效益为y 。 c ) 合同电价为厂。供电公司在时刻t 有权利不履行合同，即拒绝供电，但 须付给用户违约金( 即中断电价) k 。假设供电公司是理性的，则当p k 时， 公司将拒绝供电给用户。 以上基于期权的远期合同等价于供电公司在卖出一个远期合同给用户的同 时，向用户买入了一个看涨期权。供电公司与用户在中断和不中断供电的情况 下的支付情况如图2 2 和图2 3 所示。 上海大学硕士学位论文 p 图2 - 2 供电公司在中断与不中断情况下的支付 支 付 图2 - 3 用户在中断与不中断情况下的支付 合同电价厂的确定在原理上可做如下分析：假如不发生供电公司拒绝供电 的情况，则合同电价应等于时刻t 的现货价格的期望值，而事实上供电公司有 权利拒绝供电，因而合同电价中应减去与这种权利相对应的价格( 即看涨期权 的价格) 。 对于供电公司拒绝供电的情况，当条件p k 满足时发生，此时拒绝供电权 利会给供电公司产生单位电量( p k ) 的价值，当p lh ， = f f x q p ( x ) e x f ( 戈一尼( x ) 出 = 尼一l q p ( x ) e x = j ： 1 - g ( z ) 协 ( 2 一1 ) 由式( 2 1 ) 可知，当t 时刻现货价格p 为一确定值时，则足 p 时( 用户获得供电) ，f = p 。通常t 时刻现货价格p 总会存在不确定性，因而一般情况下，厂 k 怕纠 则该模型追求用户利益最大，可得： m a xe b fb = 丁y 一厂p 七 s t 【肛厂p 儿 ( 2 - 3 ) l 厂= r ( 1 一a ) ) 出 2 2 2 模型求解 根据( 2 - 3 ) 用户的期望报酬模型，整理后用户单位电量期望报酬表示为： 上海大学硕士学位论文 丘【矗j = 【庀一，) t l 一绋【庀) j + ( 一，) 绵l 庀j ( 2 4 ) 为追求目标利益最大，由极值条件掣：o 可推得： o f c 百a e s = ( y 一( 七) = o ( 2 5 ) 由于通常q p ( 尼) 0 ，则当后= 矿时，用户单位电量期望报酬达到一个极值 点，e h 于 i 型 呲 0 的用户，选择最优中断电价k = v ，相当于拥有一个无风 险的合同，因为用户在合同交货时，或者得到供电，取得单位用电报酬( 矿一厂) ， 或者被中断供电，获得的单位用电报酬也为( v f ) ，也就是说，用户虽然有断 电风险，但无用电报酬损失的风险。 c ) 选择最优中断电价k = v 的用户，当v p 时将得到供电，当矿 恕时，供电公司中断该时段的用户供电， 此时中断供电权利给供电公司产生单位电量的价值为( p t ) 。当p 乞时，供 电公司按照合同给用户供电，此权利没有产生实际价值。因此，供电公司中断 供电的权利所产生的单位电量的价值为m a x o ，p 一恕) 。假定日为签订合同时所 能利用的全部信息，根据期望值定价原理，可中断合同价格可表示为： f = e ph 一e m a x 0 ，p 一尼。 1 日】 = f x 9 p ( x ) a x f ( x 一红蛔p ( x ) d x 化简后可得： = f ( 1 一鳞( x ) ) 出 = n 1 一g ( x ) ) 出 ( 3 - 1 ) 用户参与t 时段的可中断负荷管理获得的单位电力收益可表示为： 跗，一嚣i f 蹦p k 。 仔2 ， 2 0 上海大学硕士学位论文 式中矿表示用户在时段t 的单位电力价值( 或停电损失) 。 考虑用户的风险偏好特性，以用户收益最大化为目标，并以用户实际收益 不小于某一期望值的概率( 即置信水平) 来度量用户的风险偏好，可构造如下有 关可中断负荷定价的机会约束规划模型： m a x b k s t p r b b ) ， 召= 舷厶九i fp k t u 训 一，t 厂2j ：( 1 一q ( 工) ) 出 其中，p r ) 表示概率，在 0 ，1 之间取值。，为可中断用户的风险偏好 系数，0 r x ，a t , ( 4 - 7 ) 一j 一 3 3 上海大学硕士学位论文 考虑供电公司的风险偏好，以实际收益不小于某一期望值的概率，来度量 供电公司面临的风险。联立( 4 一1 ) ( 4 7 ) 式，可构造基于机会约束规划4 2 3 的如下模型： m a xb s x i ，kj p r 窆( 乃+ 己一只一kl p ，( - ) 一f 虿) ， j i ( q x + 只x ，t - c ( x f ，- ，t 屈，履，只( 歹) ) ) p ；( 歹) o 0 x 一一x 1 a