0  引言

可中断负荷（interruptible load, IL）是指以合约等方式允许有条件停电的负荷[1]，作为紧急备用容量资源，其参与备用服务市场的意义非常重大[2]。国外电力市场开放条件下，可中断负荷项目一般由供电公司和用户提前签订合同，在电网峰荷时段向用户发出信号，经用户响应后中断部分供电负荷，用户与供电公司按照合同结算费用，常被用于参与系统紧急调峰和需求响应[3]以提高系统可靠性[4]，且参与的用户数量越多越有助于各方获益[5]。

中小型商业用户的主要负荷为空调，需求响应潜力较大[6]，但考虑舒适性，中断持续时间不宜过长；耗电密集、产品易于储存、工艺流程灵活的工业也具有一定的响应潜力[7]，但其响应容量小，不可以直接与电网签订合同。随着电力市场的开放和自动需求响应技术的发展[8]，中小型用户可以通过与负荷聚合商（load aggregator，LA）签订合同进行资源整合，再参与到可中断负荷项目中。负荷聚合商是通过专业的技术手段充分挖掘负荷的需求响应潜力，帮助用户了解批发市场上的价格波动，同时也给自身和电力系统带来利益的中间机构，且其整合后的资源数量可观，调度方式灵活，可以向电网提供不同类型的备用[9]。成本效益研究是可中断负荷研究的基础，有助于供电公司了解用户效益和停电意愿，负荷聚合商了解自身收益来源和制定合理的项目管理方法。

文献[10]对我国可中断负荷合同的内容及具体的模型求解方法进行了研究，但在讨论经济性时仅考虑了电力公司可减少的购电费用。文献[11]介绍了可中断负荷合同的内容和最优购买模型，验证了用户和电网均能获得经济收益，但其背景是电力市场完全开放的环境。文献[12]对可中断负荷用户的成本效益进行了综述，分析了用户成本的影响因素，但没有考虑用户实际参与项目需投入的设备成本。文献[13]研究了供电公司根据不同的用户类型给予不同补贴，鼓励用户披露真实的用户类型，并考虑供电公司不同的风险偏好对合同实施的影响，但仅考虑了电网和用户之间的关系。文献[14]介绍了可中断措施成本效益的计算方法，但没有考虑聚合商的参与。文献[15]针对需求侧管理中的蓄冷空调方案进行了成本效益分析，以项目回收期作为分析各不确定性因素的影响的指标。综上，现有的成本效益分析方法均没有考虑如下内容：负荷聚合商参与可中断负荷项目；项目实施初期如何给予用户补贴以提高用户参与的积极性和项目运作效率；当电力供求状态变化时，如何对实施的项目作出调整。

基于上述分析，本文研究了负荷聚合商与电网和中小型用户签订双边合同的运营机制，对现行合同的补偿方案进行了改进，提出了给用户补贴以使各方成本效益协调的方法，以及参与系统供需平衡调节可做出的调整方案。在此基础上研究了用户、负荷聚合商、电网成本效益的计算方法。最后，以算例为基础，分析了各方成本效益变化的基本特点，以益本比为指标分析了补偿方案、前期补贴、参与系统供需平衡调节对各方的影响。

1     负荷聚合商参与项目的运营机制

负荷聚合商作为中间机构，在可中断负荷项目中起着重要的作用。本文着重讨论其在合同签订、项目结算以及电网和用户互动方面的机制。

1）合同签订：(1)聚合商与用户签订合同，包括合同类型、中断容量、补偿价格、前期补贴、参与中断总时间等；(2)聚合商与电网签订合同，包括中断容量、补偿价格、前期补贴、中断次数、参与中断总时间等。

2）系统运行：电网根据实际运行需要调度可中断资源，用户履行合同，中断负荷。

3）项目结算：(1)电网与聚合商结算中断补偿；(2)聚合商与用户结算中断补偿；(3)聚合商评估用户累计的成本效益情况。

负荷聚合商从电网获得的中断补偿与其向用户支付的中断补偿不同，从中获得收益，本文设计了聚合商对用户的补偿方案，具体见2.1节。电网公司有专门的智能电网建设补贴项目[16]，为提高可中断负荷项目的运作效率，本文设计了向用户提供前期补贴，加快用户成本回收，由聚合商代电网先向用户支付。前期补贴结合用户前期累计的成本回收情况确定，逐年减少直至最终取消，具体见2.2节。

聚合商分别与电网和用户签订合同，可中断负荷合同应反映可中断负荷的特性，并明确规定相关费用[17]。现行市场中可中断负荷合同的内容主要包含合同有效期、提前通知时间、中断持续时间、中断容量及费用等[18]。

电网的可中断负荷管理主要面向大用户和负荷聚合商，例如：一次中断容量可大于2 MW，中断持续时间可满足一次持续4 h[10]。电网与负荷聚合商签订的合同，单位补偿价格a按照负荷资源的响应速度越快越大。

对聚合商与用户签订的合同，按照用户需求响应的潜力性质不同，参照文献[19]中美国一些州电力公司的合同内容设定，本文设定的负荷聚合商提供的可中断负荷合同按照提前通知时间分为三类：提前0.5 h通知中断的为I类可中断负荷合同，4 h的为II类、16 h的为III类。这三类合同的最小切除容量均设定为0.25 MW；合同有效期均设定为12个月；一次中断的最大可持续时间均设定为2 h；年参与中断的总时间则与用户自身意愿有关。

2     可中断负荷项目的管理方案

为保证可中断负荷项目的顺利实施，本节对聚合商的补偿方案、前期补贴、合同约束条件和参与系统供需平衡调节方案等内容进行了设计。

2.1     补偿方案

为体现不同用户可中断负荷特性的差异，并鼓励用户参与的积极性，增大中断容量，本文设计了负荷聚合商对用户的补偿方案，单位补偿价格b根据用户提供的可中断容量大小和中断响应速度分档。对于相同容量级别，I类补偿价格最大，II类其次，III类最小。同一类型的资源，容量越大的部分补偿价格越大，用户无最大参与容量约束。

以I类可中断资源合同为例，单位补偿价格b与可中断容量的关系如（1）式所示：

           （1）

式中：Pmin为用户参与需求响应项目的最小容量；P1、P2为参与容量第一档、第二档的上限。、、分别为各档的补偿价格，。

以I类为例，用户年可获得的中断补偿为：

（2）

式中t为用户年参与中断的总时间。

2.2     前期补贴

为加快用户成本回收，提高用户参与项目的积极性，在本文设计的项目前期对用户的补贴方案中，补贴大小与中断容量和单位中断容量的补贴（单位为）有关，依据用户收益与成本的比值益本比BCR评价用户前期累计的成本回收情况，BCR越小则越大：

     （3）

式中、、为用户益本比不同时的单位补贴，。用户实际每期可获得的前期补贴为，单位为万元。

用户与负荷聚合商签订合同的年中断总时间受用户自身意愿的影响，根据消费者心理的一般原理，用户在项目前期更多考虑舒适度和生产效率，参与中断时间较少；随着项目的进行，用户理念逐渐改变，参与时间增加；成本回收后，参与时间不再发生变化。年参与中断的总时间应为：

       （4）

式中：为用户基础年参与中断总时间；为用户意愿对用户年参与时间的影响因子，单位为h/a；为用户参与年数；为用户成本回收年数。

前期补贴越大，用户年中断时间增多则越大。，为前期补贴对用户年中断时间的影响因子，单位为h/万元，为一固定值，与用户对补贴的积极性有关。

2.3     合同约束条件

插入标题

本文考虑到负荷聚合商作为中间机构，应保证可中断资源的最大化被调用，提出了根据与用户合同的签订情况，与电网签订合同时需满足约束条件（5）—（7），即中断容量小于用户可中断的总容量、总电量小于等于用户的总电量、中断总时间小于等于用户年参与中断总时间。

           （5）

       （6）

          （7）

式中：、、分别为负荷聚合商与电网签订的合同中的中断容量、中断次数、一次中断的持续小时数；n为与负荷聚合商签订合同的用户个数；和分别为第i个用户的中断容量和年参与中断的总时间。

2.4     参与系统供需平衡调节方案

插入标题

为应对系统运行过程中供需情况的变化，本文利用可中断负荷作为可灵活调度的需求响应资源，通过合约内容的调整参与市场的供需平衡调节，配合供给侧缓解供需矛盾[20]，调整主要在补偿价格和参与中断的总时间两个方面。

参与市场供需平衡调节时，负荷聚合商与电网的补偿价格变为，为原始价格，为电网补偿价格供需状态平衡调整因子；负荷聚合商对用户的补偿价格变为，为原始价格，为聚合商补偿价格供需状态平衡调整因子；、在供需平衡状态时均为1，在供大于求状态时均小于1，在供不应求状态时均大于1。

年参与中断的总时间变为。其中，为原年参与中断的总时间（见式(4)），为参与电力供需平衡对用户参与中断时间的影响因子，单位为h/a。供不应求时，为正，参与中断时间变多，供大于求时，为负，用户参与中断时间变少。

以表示系统供需平衡状态需要调整的程度，其为0表示不需调节，大于0表示供大于求，小于0表示供不应求。价格调整因子、与的关系如下：

，          （8）

绝对值越大，价格调整程度越大，供过于求时价格降低，供不应求时价格升高。

中断总时间影响因子与关系如下：

             （9）

式中为用户年参与中断时间的最大可调节范围，单位为h/a。供大于求时中断时间减少，供不应求时中断时间增加。

3     各方的成本及效益计算方法

插入标题

为对用户、负荷聚合商和电网的成本回收情况进行评估，研究各方成本效益相互间的关系，本文将聚合商的中间费用及前期补贴考虑进各方的成本效益，对各方成本效益建立了计算模型。用户控制设备的相关费用由用户自身承担，大部分表计资产属供电公司所有，并由供电公司提供计量和抢修服务，负荷聚合商承担项目管理费用[21]。

3.1     用户的成本及效益

插入标题

单个用户的成本除了控制器、接收器、传输器等硬件设备费用、系统年运行管理费、建设AMI系统的费用[22]以外，本文还考虑了支付给聚合商的年运行管理费。负荷聚合商对用户投资设备和建设AMI系统提供一定的补贴。第个聚合商管理的第个用户的成本如式（10）所示。

 

              ;   （10）

式中：为聚合商补贴比例,为聚合商的个数，为第个聚合商管理的用户个数，为用户投资硬件设备的成本，为建设AMI系统的成本,为系统年运行管理成本，T为项目实施年数，为用户第m年向聚合商缴纳的年项目管理费用。

用户的效益除了获得的中断补偿、少购电的收入以外，本文还考虑了项目前期电网通过负荷聚合商给予的额外补贴。第个聚合商管理的第个用户累计收益如式（11）所示。

  （11）

 ;

式中：、、分别为用户第m年获得的前期补贴、中断补偿和总中断时间；为售电电价，为用户中断容量。

3.2     负荷聚合商的成本及效益

插入标题

负荷聚合商的成本为支付给用户的中断补偿、代电网给用户的前期补贴、补贴用户设备的成本、和对用户进行项目管理的成本之和。第个聚合商的累计成本如式（12）所示。

        （12）

式中：为第个聚合商管理的用户编号集合，、、分别为第个聚合商管理的第i个用户第m年的中断补偿、前期补贴、实际的项目管理费用。

负荷聚合商的收益为从电网获得的中断补偿，额外补贴和用户缴纳的项目管理费用之和。第个聚合商的累计效益如式（13）所示。

         （13）

式中：a为电网对聚合商的中断补偿价格；，分别为第个聚合商第m年的中断电量和支付给用户的前期补贴，，；为第个聚合商管理的第i个用户第m年缴纳的项目管理费用，通常高于。

3.3     电网的成本及效益

插入标题

电网的成本如式（14）所示，除了相关设备的投资成本(如电表改造费用等)和项目管理费用(如宣传推广、技术开发费用等)以及支付给用户的中断补偿、少售电的成本以外，本文还考虑了对用户的前期补贴。

    （14）

式中：N为聚合商的数量；、分别为电网对聚合商l的相关设备投资成本和年项目管理费用；为电网对聚合商l的补偿价格；为售电电价，、分别为聚合商l在第m年的中断电量和支付给用户的前期补贴。

电网的效益如式（15）所示，包括可避免电量成本和可避免容量成本。

   （15）

式中：为聚合商l管理下第i个用户的中断容量；为输配电损失系数[23]，增加该系数为考虑售电电量与实际购电电量之间的输配电线路电量损失；为可避免容量成本，即推迟输配电线路建设的单位容量成本；为上网电价。

各方成本效益的构成及其相互之间的影响和资金流动关系如图1所示。用户的前期补贴会影响用户的年总中断时间，中断总时间会影响中断补偿，即用户的收益、聚合商的成本收益、电网的收益，也会影响电网的可避免电量成本，即电网收益。参与系统供需平衡调节也会影响各方成本效益。负荷聚合商为保证自身益本比，需要合理设计设备补贴比例、前期补贴发放方案和补偿方案。

4     算例分析

以某地区有10个中小型用户为例，以益本比为分析指标，进行负荷聚合商参与下可中断负荷项目各方的成本效益分析，所用的原始数据如下：

1）电网的售电电价0.882元/kWh，上网电价0.4元/kWh。电网降低备用可避免容量成本为3 000元/kVA，输配电损失系数为0.08。

2）单个用户控制设备投入为50万元，AMI系统投入为50万元，年系统运行管理费为5万元，向聚合商缴纳的年管理费用为6万元。聚合商对每户

的年管理成本为5万元。电网对单个聚合商相关设备的投资成本为300万元，年管理成本为100万元。

3）用户基础年参与中断时间为100 h，用户意愿对参与时间的影响因子前3年为15 h/a，之后为0。前期补贴对年参与时间的影响因子为8 h/万元。

另外，各中小型用户每户的中断容量见表1。

表1  用户每户中断容量

Tab. 1  Interruptible capacity of each user

按照约束条件，聚合商与电网签订合同的中断容量为3 MW，年中断次数为17次。

聚合商A所聚合的是Ⅰ类用户资源，聚合商B所聚合的是Ⅱ类用户资源，聚合商C所聚合的是Ⅲ类用户资源。电网对各聚合商，各聚合商对用户的补偿方案如表2所示。

表2  补偿方案

Tab. 2  Compensation schemes

4.1     各方成本效益变化特点

所有用户均为Ⅰ类用户，由聚合商A聚合，不考虑参与供需平衡调整，即参数，，。按照聚合商A的补偿方案，聚合商补贴用户设备成本比例为10%，无前期补贴，5年的各方成本效益变化如图2所示。

图2  无额外补贴各方成本效益变化基本特点

Fig. 2  Characteristics of cost-benefit ratio of different perspective without extra subsidy

由图2可见，用户前2年益本比很小。聚合商的益本比逐年升高，第2年就会大于1，说明聚合商有可实施性。电网益本比在逐年升高，第1年益本比即大于1，5年后可达到1.76。原因在于电网投资一次性的固定成本后，每年的收益大于支付给负荷聚合商的中断补偿和少售电的成本。因此，电网在项目前期设立资金鼓励用户参与可中断负荷项目是可行的。

4.2     补贴方案对益本比的影响

不考虑参与供需平衡调整，即参数，，。

4.2.1       设备成本补贴

所有用户均为Ⅰ类用户，由聚合商A聚合，不进行前期补贴，负荷聚合商对用户的设备补贴比例变化时对用户和聚合商益本比的影响如图3所示，图中10%用户、10%聚合商分别指获得10%补贴的用户和给予10%补贴的聚合商，其余类推。

随着设备补贴比例的增大，用户益本比变大的幅度较小，聚合商益本比变小的幅度较大。鉴于补贴主要为加快用户成本回收，可见聚合商对用户进行设备成本补贴措施效果一般，补贴幅度不宜过大。

图3  设备成本补贴比例变化对用户和聚合商益本比的影响

Fig. 3  Effects of different subsidy proportion of equipment investment on cost-benefit ratio of user and LA

4.2.2       项目前期补贴

设计了三种项目前期补贴方案，如表3所示。

表3  项目前期补贴发放方案    万元/MW

Tab. 3  Subsidy scheme in the early stage of program

考虑用户设备补贴比例为10%，所有用户均为Ⅰ类用户，由聚合商A聚合，分别按照方案a、b、c对用户进行前期补贴，得到用户和电网益本比如图4所示。

图4  项目前期补贴对电网和用户益本比的影响

 Fig. 4  Effects of extra subsidy on cost-benefit 
ratio of user and power system

聚合商仅传递前期补贴，故没有考虑其益本比变化。对比图2，按方案a进行前期补贴，用户4年后即可收支平衡，电网5年后的益本比可由1.8减小为1.6。随着前期补贴的逐步减小，用户益本比始终保持平滑增大趋势。方案a、b、c下电网投入的总资金分别为125万、126万、127万，三种方案投入资金基本相同。方案a下用户前期益本比增大幅度较大，其次方案b，方案c最小。电网益本比前期下降幅度三个方案区别不大，8年后电网与用户益本比各方案基本相同。鉴于前期补贴主要为提高用户前期益本比，故按照方案a，前期补贴幅度大，后期幅度小，相对投入资金少，效果好。

4.3     补偿方案对聚合商益本比的影响

不考虑参与供需状态平衡调整，即参数，，。补贴设备比例为10%，按方案a进行项目前期补贴，所有用户分别均为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类用户，按照表2所示的聚合商A、B、C的补偿方案进行结算。

各聚合商管理下平均每户年中断时间如图5所示，各聚合商益本比如图6所示。由图5可见，不论补偿方案如何，用户随着时间的推移，积极性变高，平均中断时间先变大，之后随着额外补贴的减少，参与中断时间变小。由图6可见，各聚合商益本比变大速度不同，原因在于：首年各聚合商管理下用户平均年中断时间相同，但中断补偿不同，用户回收成本不同，用户下一年的前期补贴、参与中断时间不同，中断补偿还是不同。

图5  不同补偿方案下聚合商管理的每户平均年总中断时间

Fig. 5  Hours of each user participating in IL with different compensation scheme

图6  不同补偿方案下聚合商益本比的变化

Fig. 6  Changes of cost-benefit ratio of LA with 
different compensation schemes

4.4     参与系统供需平衡调整对聚合商和用户影响

聚合商补贴用户设备成本比例为10%，所有用户均为Ⅰ类用户，由聚合商A聚合，按表3方案a进行前期补贴。用户年最大可调整时间范围为30 h/a，供需平衡调整程度的变化，对用户和聚合商回收成本年数变化的影响如图7所示。

由图可见，一般情况下聚合商比用户回收成本年数短。在供大于求状态下，用户和聚合商回收成本年数均变长，且供大于求程度越严重，用户益本比增长越慢，将影响用户参与项目积极性。供不应求时用户和聚合商回收成本年数均缩短，电网益本比有所减小，但电网益本比始终保持大于1。

图7  供需平衡调整程度对聚合商和用户成本回收年数影响

Fig. 7  Effects of supply-demand balance degree on 
the recovery year of cost of LA and users

5     结论

本文研究了负荷聚合商参与可中断负荷项目的运营机制，在各方的成本效益中顾及聚合商的中间费用及前期补贴，对各方成本效益建立了计算模型，给出了各方益本比的计算方法，以算例分析了各方成本效益变化的基本特点，以益本比为指标分析了补贴和补偿方案对各方的影响。结论为：

1）电网可以通过负荷聚合商对用户进行前期补贴协调各方利益。负荷聚合商为整合中小型需求响应资源提供系统备用，使得各方均能受益。

2）在项目前期用户益本比较差的情况下对用户的补贴幅度可以大一些，随着用户成本逐渐回收，后期的补贴幅度宜较小，但对设备的补贴幅度始终不宜过大。

3）各方的益本比息息相关，聚合商的补偿方案是影响各方益本比的主要因素，用户的益本比与中断容量、补偿方案、聚合商和电网对其补贴等有关。