Формирование меню тарифов для разных типов потребителей

ФОРМИРОВАНИЕ МЕНЮ ТАРИФОВ ДЛЯ РАЗНЫХ ТИПОВ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
НА РОЗНИЧНОМ РЫНКЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ РЕШЕНИЯ
ЗАДАЧИ НЕБЛАГОПРИЯТНОГО ОТБОРА
Айзенберг Н.И.*, Сташкевич Е. В.**
*Институт систем энергетики им. Л.А.Мелентьева СО РАН,
**Научно-исследовательский университет Иркутский государственный технический
университет
Подходы к формированию тарифов на электроэнергию в розничной торговле изменяются с
учетом рыночных взаимоотношений и развития возможностей электрооборудования,
позволяющего оптимальным образом распределять нагрузку самому потребителю. В данном
случае потребитель является активным игроком, воздействующим на систему, в частности снижая
потребление в пиковые часы, за счет увеличения потребления в другое время [1].
Электроснабжающая организация (ЭСО, ритейлор), которая является продавцом, заинтересована в
таком поведении потребителя. Для нее возможен дефицит мощности в часы пик, ликвидация
которого потребует высоких затрат. Задача ЭСО стимулировать потребителя с помощью тарифов
переходить на оптимальные схемы потребления с переносом пиковой нагрузки. Дополнительные
расходы связаны с тем, что перерасход электроэнергии в пиковые часы вынуждает ЭСО покупать
необходимые единицы электроэнергии не по оптовым ценам на спотовом рынке на сутки вперед, а
на балансирующем, где цена выше и менее предсказуема.
Обычно ЭСО обслуживает несколько типов потребителей, с различными функциями
полезности (выгоды от использованной электроэнергии). Их можно разделить на несколько групп,
в зависимости от обеспечения надежности электроснабжения (в законе принято разделение на три
категории энергоприемников, которым мы и будем следовать). Интересы всех типов потребителей
связаны с минимизацией затрат на покупку электроэнергии, обеспечением её качества и
надёжности электроснабжения (последнее может дать нелинейность при формировании функции
полезности. Допустим, что некоторый минимальный объем электроэнергии для потребителя имеет
высокую полезность, которая будет снижаться при увеличении объемов потребления).
Наша задача сформировать механизм, который мог бы, используя только рыночные рычаги
(меню тарифов), максимизировать прибыль электроснабжающей организации (в данном случае
она является монополистом) при условии разграничения типов потребителей и их
заинтересованности оптимизировать свой график, тем самым увеличивая их выигрыш от
активного участия в предложенной схеме.
Идеи воздействия на активного потребителя описана в ряде статей. Так в [2] описана игра,
ориентированная на оптимизацию нагрузки потребителем. Потребитель не обязан раскрывать
информацию о своей нагрузке компании и другим потребителям и при этом компания способна,
решая обсуждаемую задачу, предложить стимулирующие тарифы. Кроме того, в процессе
решения определяются источники экономии для потребителя. Отличие нашей задачи состоит в
том, что мы рассматриваем возможность разных тарифов для разных типов потребителей. Ряд
авторов исследуют ситуации, когда уже заранее определены цены и в этих условиях потребитель
активно меняет свою нагрузку, чтобы максимально сэкономить [3, 4]. Есть двухуровневые
постановки, когда рассматриваются вертикально интегрированные взаимодействия генерирующей
компании, ритейлора, сети и потребителя [5]. В этой постановке потребитель представлен
агрегировано, без разбиения на типы.
В русскоязычной литературе понятие активный потребитель связано с агентами, которые
сами обладают некоторой генерирующей мощностью и с ее помощью могут регулировать свой
график суточного потребления. Кроме того, возможны постановки, когда излишки электроэнергии
такие потребители поставляют в сеть [6]. В нашей задаче речь не идет о дополнительной
генерации, т.е потребитель может лишь осуществлять сдвиг нагрузки с пикового времени, за счёт
изменения технологического процесса у потребителя, в т.ч. за счет использования накопителей
продукции [7].
Cформулируем задачу в общем виде, предполагая, что имеется неполнота информации или в
данном случае свобода выбора для потребителя вида тарифа в зависимости от его интересов. На
практике информационная неопределенность будет меньше, чем в задаче, которую мы здесь
опишем. Это связано с тем, что ритейлор достаточно осведомлен о графиках нагрузки отдельных
потребителей и будет стремиться предложить такой тариф, который заведомо будет выгоден
одному типу и невыгоден другому. Мы хотим решить задачу, которая относится к проблеме
неблагоприятного отбора, самоотбора теории контрактов (adverse selection, screening) [8]. В
результате решения мы должны найти разделяющее по типам равновесие, доставляющее
максимум прибыли ритейлору на рынке электроэнергии с условием участия и выбора "своего"
тарифа потребителем.
Функция прибыли электроснабжающей организации состоит из выручки за вычетом
издержек на покупку и передачу электроэнергии. При этом ранее законодательно было
закреплено, что ЭСО придерживается установленных регулирующим государственным органом
тарифов. Они формировались по правилу "издержки+" и не давали свободы в формировании
ценовой политики самой компанией, при этом стимулировали увеличивать издержки.
Сегодняшний механизм, пока не введенный всюду, предполагает получение некоторой,
ограниченной государством прибыли - "норма отдачи на капитал". В этом механизме больше
свободы для назначения тарифов, в том числе двухставочных. Мы рассмотрим два вида моделей.
Первая предполагает максимизацию всей прибыли ЭСО без ограничения на прибыль. Вторая
регулирует цены таким образом, чтобы ритейлор не получал прибыли сверх определенного
значения.
В первой задаче нас интересует стимулирование потребителя к переносу нагрузки на
ночные часы с низким тарифом. Но на практике известно, что если тариф снижен не существенно,
то выгода от переноса нагрузки либо не большая, либо для потребителя сложно верифицируемая
[9]. Если тариф снижен на малую величину, то необходимы дополнительные расчеты
эффективности переноса нагрузки, и многие потребители это не делают. В свою очередь,
серьезная разница в тарифных ставках дает чисто психологический стимул к оптимизации
потребления, без дополнительных расчетов.
Модель. Имеется несколько типов потребителей. Тип определяется категорией (степенью
надежности) электроприемника: первой, второй, третьей. При этом допускается разбиение внутри
категории еще на несколько групп. Обозначим  i тип потребителя, i  1, n - их количество. Тариф
назначается в соответствии с нагрузкой в определенный час суток, Rt - величина тарифа в час t
для типа  i . Каждый потребитель получает некоторую полезность от получения электроэнергии в
определенном объеме. Обозначим эту полезность через функцию u qt  . Будем предполагать, что
i
i
i
всегда имеется базовый тариф, который может быть, например, линейным по времени суток RT .
Этот тариф определит некоторую альтернативную полезность, которую получит потребитель, не
участвуя в выборе оптимальной схемы потребления. Обозначим его некоторым значением
i

 24

u  u    qt   RT .
 t 1

i
i
i
i
Общая задача может быть сформулирована в следующем виде.
n
24

Rt  C q t   max


;


R q
i 1 t 1
 24





 u q t   Rt   u , i  [1, n].;
 t 1
24
 24  




 u q t   Rt    u q t  Rt , i, j  [1, n].
t 1
 t 1
i
i
i
i
t
t
i
i
i
i
i
i
i
  
i
j
j
(1)

Тариф Rt можно определить несколькими способами. Первый - тариф за единицу
электроэнергии, назначаемый с дифференциацией по часам. Второй - двухставочный тариф, когда
есть плата за вход, составляющая существенную часть тарифа, и оплата за единицу
электроэнергии, построенная линейным образом (без дифференциации по времени).
Первая часть решения задачи (1) предполагает разбор ситуации в симметричной форме,
когда ЭСО может навязывать тариф потребителю, а соответственно у него есть заранее
сформированные представления, о том какой тариф выберет тот или иной потребитель. В
частности, в нашем примере всю совокупность потребителей, формирующих график нагрузки
энергосистемы будут представлять потребители одного из районов Иркутска (студенческого
городка). Основными потребителями электроэнергии является нагрузка общежитий, учебных
корпусов, комбината студенческого питания, городской поликлиники и санатория-профилактория.
j
Рис.1 Обобщённый суточный график нагрузки ЭСО до переноса нагрузки (I), после
переноса нагрузки (I*) и потребители формирующие этот график: потребители третьей
категории надёжности до переноса нагрузки (II) и после переноса нагрузки (II*), а также
потребители второй категории надёжности (III).
При этом потребитель-поликлиника и санаторий-профилакторий это энергоприемники,
которые относятся к более надежной категории (обозначены на рис.1 римской цифрой III). Они
должны по представлениям ритейлора выбрать тариф двухставочный, с большой платой за
подключение (мощность) и недифференцированным малым платежом за единицу электроэнергии.
Другая группа (общежития, учебные корпуса, комбинат студенческого питания - на рис.1
обозначена через II), напротив, должна выбрать дифференцированный тариф за единицу
электроэнергии при нулевой ставке за мощность. Формирование таких тарифов, выгодных для
потребителя должно происходить на первом этапе решения задачи. На втором этапе определяется
тип, который может быть заинтересован выбрать не «свой контракт». Далее решается основная
задача. Находятся условия для разделяющего типы и смешанного равновесия.
Результаты исследования. Предложена методика формирования меню тарифов для
оптимизации графика электроснабжения разных типов потребителей ЭСО, которая является
монополистом или регулируемым монополистом. Разработан возможный вариант меню тарифов
для энергоснабжения отдельного района Иркутска. Определены и разграничены типы
потребителей, сформированы для них функции полезности, хорошо описывающие реальность и
позволяющие описать систему стимулов для оптимизации нагрузки (в данном случае – переносу
нагрузки с пикового времени суток для ненадежного типа потребителей), найдены тарифы
обеспечивающие разделяющее равновесие. Протестировано меню тарифов, предлагаемое
законодательно [10]. Показана возможная неэффективность существующей схемы, что
говорит о необходимости индивидуальной настройки тарифов в зависимости от
подключенных потребителей.
Литература.
1. Воропай Н.И., Стычински З.А., Козлова Е.В., Степанов В.С., Суслов К.В.
Оптимизация суточных графиков нагрузки активных потребителей // Известия РАН.
Энергетика. 2014 (в печати).
2. Fadlullah, Z. M., Quan, D. M., Kato, N., & Stojmenovic, I. . GTES: An Optimized GameTheoretic Demand-Side Management Scheme for Smart Grid. // IEEE Systems journal, V.
8, № 2, June 2014
3.
4.
5.
Chen, H., Li, Y., Louie, R. H., & Vucetic, B. Autonomous Demand Side Management
Based on Energy Consumption Scheduling and Instantaneous Load Billing: An Aggregative
Game Approach //Smart Grid, IEEE Transactions on. 2014. Т. 5. №. 4. С. 1744-1754.
Mohsenian-Rad, A. H., Wong, V. W., Jatskevich, J., Schober, R., & Leon-Garcia, A.
Autonomous demand-side management based on game-theoretic energy consumption
scheduling for the future smart grid //Smart Grid, IEEE Transactions on. 2010. Т. 1. №. 3.
С. 320-331.
Pettersen E., Philpott A. B., Wallace S. W. An electricity market game between
consumers, retailers and network operators //Decision support systems. 2005. Т. 40.
№. 3. С. 427-438.
Степанов В.С., Суслов К.В., Козлова Е.В. Возможности регулирования собственного
режима питания промышленного предприятия и технико-экономические предпосылки
их реализации // Промышленная энергетика. 2013. №6. С. 2-7.
7. Волкова И.О., Губко М.В., Сальникова Е.А. Активный потребитель: задача
оптимизации потребления электроэнергии и собственной генерации Проблемы
управления, 2013. № 6. С. 53-61.
8. Бремзен А., Гуриев С. Конспекты лекций по теории контрактов. РЭШ, Москва. 2005.
73 с.
9. Бурков В. Н., Губко М. В., Новиков Д. А. Организационные механизмы управления в
электроэнергетике. - ИПУ РАН. 2012. 30 с.
10. Постановление Правительства РФ от 4.05.2012г. №442 "О функционировании
розничных рынков электрической энергии, полном и (или) частичном ограничении
режима
потребления
электрической
энергии".
http://www.sbyt.irkutskenergo.ru/qa/2103.html
6.