考慮負(fù)荷時(shí)間彈性的分行業(yè)峰谷電價(jià)研究

李龍

(國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙410007)

電力是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要支撐和現(xiàn)代生活正常運(yùn)轉(zhuǎn)的命脈，近年來國內(nèi)電力供需矛盾時(shí)常發(fā)生，需求時(shí)間不均衡現(xiàn)象嚴(yán)重，造成單位發(fā)電成本上升、電網(wǎng)調(diào)峰困難、供電可靠性降低及高峰時(shí)段限電拉閘等一系列問題。在此背景下，峰谷分時(shí)電價(jià)〔1〕作為市場經(jīng)濟(jì)體制下的一種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)控手段受到全社會(huì)的重視，對于促進(jìn)電力工業(yè)與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，發(fā)揮著重要作用。

峰谷分時(shí)電價(jià)是需求側(cè)管理最有效的措施〔2－4〕，其基本思想是通過價(jià)格信號引導(dǎo)用戶削峰填谷，提高電網(wǎng)負(fù)荷率和達(dá)到安全運(yùn)行水平，減少或推遲安裝新設(shè)備的目的。峰谷電價(jià)是否合理，是實(shí)現(xiàn)有效削峰填谷的關(guān)鍵。峰谷電價(jià)差太小，用戶響應(yīng)不足，達(dá)不到應(yīng)有的削峰填谷效果;峰谷電價(jià)差太大，用戶過響應(yīng)，對供電方造成較大的利益損失，甚至?xí)斐煞骞鹊怪玫默F(xiàn)象。同時(shí)，不同行業(yè)在用電時(shí)間上的選擇余地不同，即負(fù)荷時(shí)間彈性大小不一樣，其對峰谷電價(jià)的響應(yīng)也不同。為了更科學(xué)地制定峰谷分時(shí)電價(jià)，提高電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，需要深入研究不同行業(yè)的負(fù)荷特性。

目前，已有大量文獻(xiàn)對峰谷電價(jià)定價(jià)方案進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)〔5－6〕從發(fā)電側(cè)與售電側(cè)聯(lián)動(dòng)的角度研究了峰谷分時(shí)電價(jià)的設(shè)計(jì)問題。文獻(xiàn)〔7－9〕通過分析用戶需求與價(jià)格的關(guān)系，建立了基于需求彈性的峰谷分時(shí)電價(jià)模型。在考慮需求彈性的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)〔10〕以提高用戶的用電滿意度作為目標(biāo)，把為客戶服務(wù)的理念引入電力企業(yè)工作中。文獻(xiàn)〔11〕采用基于代理的模型模擬改制的電力市場，發(fā)掘消費(fèi)者的需求價(jià)格彈性對電力市場的性能的影響。這些文獻(xiàn)從不同的角度對峰谷電價(jià)進(jìn)行了研究，但定價(jià)方都沒能直觀把握不同行業(yè)用電在時(shí)間上選擇的余地。

在此基礎(chǔ)上，文中給出了負(fù)荷時(shí)間彈性大小的計(jì)算方法，建立了基于負(fù)荷時(shí)間彈性的分行業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)調(diào)整模型。利用該模型對現(xiàn)有峰谷電價(jià)進(jìn)行調(diào)整，在保證電力公司與用戶利益的情況下，能有效地提高系統(tǒng)的負(fù)荷率。

1 負(fù)荷時(shí)間彈性的量化

負(fù)荷時(shí)間彈性，指的是負(fù)荷在時(shí)間上的選擇余地。負(fù)荷時(shí)間彈性影響因素眾多，行業(yè)差別明顯，即使是同一個(gè)用戶，在不同的時(shí)期其負(fù)荷時(shí)間彈性也是不同的。針對不同的應(yīng)用，其考慮的影響因素不同。文中研究負(fù)荷時(shí)間彈性在分行業(yè)峰谷電價(jià)中的應(yīng)用，是為了更加有效的移峰填谷，改善系統(tǒng)的負(fù)荷曲線，提高系統(tǒng)的負(fù)荷率。考慮的影響因素包括日負(fù)荷曲線的相似程度和波動(dòng)情況、單位電量生產(chǎn)的產(chǎn)品價(jià)值、用戶高峰負(fù)荷與系統(tǒng)高峰負(fù)荷的重疊程度。以下分別對各影響因素進(jìn)行量化。

1.1 日負(fù)荷曲線相似度

用戶每天的日負(fù)荷曲線越相似，說明用戶的負(fù)荷在時(shí)間上的分配相對固定，用電有比較穩(wěn)定的規(guī)律，用電負(fù)荷在時(shí)間上的選擇余地較小，一定程度上表明時(shí)間彈性小。用戶日負(fù)荷曲線的相似度用σir表示。

1)取該類電力用戶定價(jià)前30 天的日負(fù)荷曲線，取日平均負(fù)荷平均值作為該天負(fù)荷的基值，將每一時(shí)段(24 小時(shí))的負(fù)荷標(biāo)幺化，得到第u日t時(shí)段的負(fù)荷Piut:

其中:

i 代表第幾類客戶，i=1，2，3，4，5…;

u 代表一月中的30 天，u=1，2，…，30;

t 代表一天的24 小時(shí)，T=1，2…，24;

Liut為i 行業(yè)第u 天t 時(shí)的電力負(fù)荷;

Liut為i 行業(yè)第u 天的日平均負(fù)荷;

2)將30 天每天對應(yīng)時(shí)段的負(fù)荷值進(jìn)行均方差計(jì)算，得到一天24 時(shí)段的負(fù)荷均方差值σit:

3)將σit進(jìn)行均方差計(jì)算，得到σir:

1.2 日負(fù)荷曲線波動(dòng)

在現(xiàn)有峰谷電價(jià)下，用戶的日負(fù)荷曲線波動(dòng)越小，用戶的負(fù)荷率高，說明用戶已較為充分利用其負(fù)荷能力，用戶負(fù)荷選擇的余地小，一定程度上表明時(shí)間彈性小。

1)計(jì)算每天的時(shí)負(fù)荷均方差δiu，即日負(fù)荷曲線(以小時(shí)為單位)的波動(dòng)情況

行業(yè)的用電量不是保持絕對不變的，所以行業(yè)用電量在很小范圍內(nèi)的波動(dòng)不能認(rèn)為該行業(yè)具有負(fù)荷時(shí)間彈性，為此，設(shè)定一個(gè)門檻值，

當(dāng)σir≤σir時(shí)，σi=0;當(dāng)σir＞σir時(shí)，σi=σir;

當(dāng)δir≤δir時(shí)，δi=0;當(dāng)δir＞δir時(shí)，δi=δir。

1.3 單位電量生產(chǎn)的產(chǎn)品價(jià)值

對于不同行業(yè)，單位電量的產(chǎn)品價(jià)值是不同的，用αi表示。對于電費(fèi)成本較高的行業(yè)，利用低電價(jià)可以較大程度上降低其生產(chǎn)成本，其移峰填谷的積極性較高，一定程度表明其負(fù)荷時(shí)間彈性大。

1.4 用戶負(fù)荷與系統(tǒng)高峰重量度

用戶的負(fù)荷時(shí)間彈性，可以反映為在一定時(shí)間段內(nèi)，用戶原計(jì)劃在該時(shí)間段內(nèi)使用的電量，可轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段的比例。文中從實(shí)際需求出發(fā)，考慮的是從系統(tǒng)負(fù)荷高峰轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)負(fù)荷低谷的比例的潛力，用βi表示。用戶負(fù)荷高峰與系統(tǒng)負(fù)荷高峰重疊越大的用戶，其可以移動(dòng)的負(fù)荷比例的潛力越大，一定程度表明其負(fù)荷時(shí)間彈性越大。

1)對于負(fù)荷波動(dòng)較大的用戶

其中:ki'為一月內(nèi)企業(yè)負(fù)荷最高的30K 小時(shí)與系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)段的重合次數(shù);K 為在進(jìn)行峰谷時(shí)段劃分時(shí)，每天系統(tǒng)負(fù)荷高峰小時(shí)數(shù)。

2)對于負(fù)荷波動(dòng)較小的用戶，βi取1。綜上所述，負(fù)荷時(shí)間彈性可以表示為:

2 基于負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷電價(jià)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)的主要目標(biāo)是削峰填谷，提高系統(tǒng)的負(fù)荷率。所以把目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為系統(tǒng)的日負(fù)荷率。

2.2 約束條件

1)為了簡化模型，假設(shè)實(shí)施基于負(fù)荷時(shí)間彈性峰谷電價(jià)前后平時(shí)段的電價(jià)不變，即:

績效不僅直接關(guān)系著個(gè)人的業(yè)績，也深刻影響著一個(gè)單位的發(fā)展。績效考核的目的是激發(fā)工作人員的主動(dòng)性，提高其績效水平并通過考核使員工的個(gè)人目標(biāo)和單位的整體目標(biāo)趨于一致。目前我國多數(shù)高校并未構(gòu)建一套完善的財(cái)務(wù)績效評價(jià)指標(biāo)體系，通常把財(cái)務(wù)分析指標(biāo)作為基準(zhǔn)內(nèi)容。從實(shí)際情況來看，因?yàn)樵擁?xiàng)指標(biāo)主要憑借價(jià)值性指標(biāo)對財(cái)務(wù)的具體結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，因此無法全面、客觀反映高校的實(shí)際財(cái)務(wù)情況，難以全面反映經(jīng)濟(jì)考評中的非經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要性。在充分考慮高校具體情況的基礎(chǔ)上，有必要構(gòu)建一套相對完善的高校財(cái)務(wù)人員評價(jià)體系。

2)在現(xiàn)有峰谷電價(jià)和負(fù)荷特性情況下，fiw越大的用戶，其從系統(tǒng)負(fù)荷高峰移動(dòng)到系統(tǒng)負(fù)荷低谷的潛力越大，為了充分利用其移峰填谷的潛力，其峰谷電價(jià)比應(yīng)越大。令系統(tǒng)的電價(jià)為負(fù)荷時(shí)間彈性的線性函數(shù)，則:

其中，A ＞0，B ＜0。PiTP'，PiTF'，PiTV'分別為i 行業(yè)實(shí)施基于負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷電價(jià)前峰、平、谷時(shí)的電價(jià);PiP，PiF，PiV分別為i 行業(yè)實(shí)施基于負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷電價(jià)后峰、平、谷時(shí)段的電價(jià)。

3)為了保證用戶和供電方的利益，供電公司在實(shí)施基于負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷電價(jià)后平均銷售電價(jià)不能上漲，其總收益不能低于實(shí)施前的λ 倍。

其中:QiTP'，QiTF'，QiTV'分別為i 行業(yè)實(shí)施基于負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷電價(jià)前峰、平、谷時(shí)段的用電量;QiP，QiF，QiV分別為i 行業(yè)實(shí)施基于負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷電價(jià)后峰、平、谷時(shí)的用電量。

4)為了避免峰谷倒置，其峰谷電價(jià)比不能過大。

同時(shí)，為了控制某一行業(yè)的平均電價(jià)變化幅度，峰時(shí)段與谷時(shí)段電價(jià)變化的幅度不能相差太大。

其中:ΔPiP，ΔPiV分別為某一行業(yè)高峰和低谷時(shí)的電價(jià)調(diào)整幅度，C1，C2分別實(shí)施基于負(fù)荷時(shí)間彈性前后的峰谷電價(jià)比。

5)電力價(jià)格的變化會(huì)引起需求的變化，對于不同行業(yè)，其價(jià)格的變化引起的需求反應(yīng)不同。所以，應(yīng)該建立分行業(yè)的峰谷分時(shí)電價(jià)彈性矩陣，來區(qū)別不同行業(yè)的需求價(jià)格彈性〔9〕。

其中，Ei為i 行業(yè)峰谷分時(shí)電量電價(jià)彈性矩陣。

3 算例仿真

某省目前實(shí)施的是四種電價(jià)，假設(shè)尖峰電價(jià)時(shí)段與高峰電價(jià)時(shí)段對負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷電價(jià)有相同的響應(yīng)，且在計(jì)算負(fù)荷轉(zhuǎn)移量時(shí)，把尖峰時(shí)段歸結(jié)為高峰時(shí)段。時(shí)段劃分為高峰8:00—11:00 與15:00—2:00，平 段7:00—8:00，11:00—15:00 與22:00—23:00，低谷23:00—7:00。在算例仿真時(shí)，取5 個(gè)不同的行業(yè)，設(shè)=0．01，=0． 05，λ=0． 98，C1=3，C2=3。

圖1 為系統(tǒng)負(fù)荷曲線，從調(diào)整前的負(fù)荷曲線可以看出，在進(jìn)行峰谷時(shí)段劃分時(shí)，把11:00—13:00歸為平段不符合用電負(fù)荷的實(shí)際情況。系統(tǒng)仿真曲線表明，調(diào)整后有效地降低了高峰負(fù)荷，增加了低谷負(fù)荷。圖2 為水泥行業(yè)負(fù)荷曲線，通過調(diào)整前后的負(fù)荷曲線對比表明基于負(fù)荷時(shí)間彈性的峰谷分時(shí)電價(jià)充分挖掘了該行業(yè)移峰填谷的潛力。

圖1 系統(tǒng)負(fù)荷曲線

圖2 水泥行業(yè)負(fù)荷曲線

調(diào)整前后各行業(yè)電價(jià)和負(fù)荷見表1，2。

表1 各行業(yè)電價(jià)

表2 各行業(yè)負(fù)荷

表1，2 表明，不同行業(yè)的負(fù)荷時(shí)間彈性差別較大。對于負(fù)荷時(shí)間彈性大的行業(yè)，應(yīng)該設(shè)置較大的峰谷電價(jià)比，充分地轉(zhuǎn)移高峰時(shí)期的負(fù)荷，提高系統(tǒng)負(fù)荷率。算例結(jié)果顯示，對不同負(fù)荷時(shí)間彈性的行業(yè)設(shè)置不同的峰谷電價(jià)后，各行業(yè)的高峰總負(fù)荷為15.297 2 MW，比調(diào)整前降低了3.90%。各行業(yè)的低谷總負(fù)荷為14.502 1 MW，比調(diào)整前提高了4.45%。系統(tǒng)的負(fù)荷率由調(diào)整前的0.833 2 提高到了調(diào)整后的0.846 2，有效地提高了系統(tǒng)的負(fù)荷率。

4 結(jié)論

1)影響負(fù)荷從系統(tǒng)負(fù)荷高峰移動(dòng)到系統(tǒng)負(fù)荷低谷潛力的因素是日負(fù)荷曲線的相似程度和波動(dòng)情況、單位電量生產(chǎn)的產(chǎn)品價(jià)值、用戶高峰負(fù)荷與系統(tǒng)高峰負(fù)荷的重疊程度。對于某些用戶，其負(fù)荷在一個(gè)電價(jià)周期內(nèi)波動(dòng)很少或者其負(fù)荷高峰不在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段，則認(rèn)為其負(fù)荷移峰填谷的潛力小，其峰谷電價(jià)維持原方案。

2)用戶負(fù)荷從系統(tǒng)負(fù)荷高峰移動(dòng)到系統(tǒng)負(fù)荷低谷的潛力反映了其負(fù)荷對系統(tǒng)負(fù)荷高峰產(chǎn)生的影響。所以，峰谷時(shí)段劃分對基于負(fù)荷時(shí)間彈性的分行業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)調(diào)整方案的實(shí)施效果產(chǎn)生重要影響。合理的劃分峰谷時(shí)段，才能可靠地反應(yīng)各行業(yè)負(fù)荷對系統(tǒng)負(fù)荷高峰的影響，才能更有效地削峰填谷，達(dá)到負(fù)荷率最高的目的。

3)基于時(shí)間彈性的分行業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)調(diào)整能滿足需求側(cè)管理的目標(biāo)，即在不損害發(fā)電側(cè)、供電側(cè)與用戶利益的前提下，提高社會(huì)的總體效益。

〔1〕中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局． GB/T 2900.84—2009 電工術(shù)語． 電價(jià)〔S〕． 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

〔2〕 Boshell F，Veloza O P． Review of developed demand side management programs including different concepts and their results〔C〕//Transmission and Distribution Conference and Exposition ．Bogota，Columbia:IEEE/PES，2008:1-7．

〔3〕Kirschen D S． Demand-side view of electricity markets〔J〕． IEEE Transactions on Power Systems，2003，18(2):520-527．

〔4〕Huang D，Billinton R． Effects ofload sector demand side management applications in generating capacity adequacy assessment〔J〕． IEEE Transactions on Power Systems，2012，27(1):335-343．

〔5〕譚忠富，陳廣娟，趙建保，等． 考慮以節(jié)能調(diào)度為導(dǎo)向的發(fā)電側(cè)與售電側(cè)峰谷分時(shí)電價(jià)聯(lián)合優(yōu)化模型〔J〕． 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(1):55-62．

〔6〕胡福年，湯玉東，鄒云． 考慮雙邊價(jià)格聯(lián)動(dòng)的峰谷分時(shí)電價(jià)機(jī)理研究〔J〕． 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(25):61-66．

〔7〕Celebi E，F(xiàn)uller J D． A model for efficient consumer pricing schemes in electricity markets〔J〕． IEEE Transactions on Power Systems，2007，22(1):60-67．

〔8〕Yu R，Yang W，Rahardja S． Astatistical demand-price model with Its application in optimal real-time price〔J〕． IEEE Transactions on Smart Grid，2012，4(3):1 734-1 742．

〔9〕束洪春，董俊，吳水軍，等． 銷售側(cè)分行業(yè)實(shí)行豐枯峰谷分時(shí)電價(jià)初探〔J〕． 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(14):36-40．

〔10〕丁偉，袁家海，胡兆光． 基于用戶價(jià)格響應(yīng)和滿意度的峰谷分時(shí)電價(jià)決策模型〔J〕． 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(20):10-14．

〔11〕Thimmapuram P R，Kim J． Consumers'price elasticity of demand modeling with economic effects on electricity markets using an agent-based model〔J〕． IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4(1):390-397．