廖烽然，程秀娟，劉曉娜，康學(xué)通

（國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東煙臺264000）

峰谷分時電價建模策略綜述

廖烽然，程秀娟，劉曉娜，康學(xué)通

（國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東煙臺264000）

峰谷分時電價是需求側(cè)管理的有效措施之一，是電力經(jīng)濟(jì)最有效的調(diào)節(jié)杠桿。合理的劃分時段并制定電價可有效引導(dǎo)用戶改變用電習(xí)慣，改善電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置。如何公平合理地設(shè)計峰谷分時電價方案是確保其順利實(shí)施的關(guān)鍵。針對峰谷分時電價決策模型進(jìn)行綜述，對其在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概括和分析。具體給出幾種常見的分時電價模型，總結(jié)分時電價的不同建模方法，最后展望峰谷分時電價的未來發(fā)展方向。

峰谷分時電價；需求側(cè)管理；削峰填谷；電力市場

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，用電負(fù)荷也在快速增長。而用戶用電時段較為集中，造成電網(wǎng)峰谷差較大，從而電網(wǎng)在低谷時期大量機(jī)組閑置，高峰時期拉閘限電，不僅造成資源浪費(fèi)，還降低了整體經(jīng)濟(jì)效益。為緩解用電高峰期的緊張局面，提出了利用峰谷分時電價的經(jīng)濟(jì)手段。

峰谷分時電價通過引導(dǎo)用戶改變用電時間和習(xí)慣來調(diào)整用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提高用電負(fù)荷率和供電質(zhì)量［1］。實(shí)行峰谷電價，可降低用戶的用電成本，還可減少供電公司在電源和削峰填谷方面的投資，減少機(jī)組空置率。因此采用峰谷分時電價來實(shí)施電力需求側(cè)管理具有重要意義［2］。實(shí)施峰谷分時電價的關(guān)鍵在于合理劃分峰谷時段和確定各時段電價。否則，如果峰谷分時電價制定不合理，則無法達(dá)到預(yù)期效果，甚至出現(xiàn)峰谷倒置的現(xiàn)象。

1 時段劃分模型

合理劃分峰谷時段是保證分時電價順利建模和實(shí)施的前提。現(xiàn)有文獻(xiàn)一般通過評估用戶需求響應(yīng)，將1個周期劃分為峰、平、谷時段，所用方法一般分為兩類：基于負(fù)荷曲線分布分析和基于供電成本變化分析。

文獻(xiàn)［3］通過分析負(fù)荷曲線分布，利用模糊半梯度隸屬度函數(shù)計算負(fù)荷曲線上各點(diǎn)分別處于峰、谷時段的可能性，進(jìn)而劃分時段區(qū)間。文獻(xiàn)［4］基于機(jī)組運(yùn)行情況，建立發(fā)電成本—負(fù)荷函數(shù)，再根據(jù)負(fù)荷點(diǎn)處該函數(shù)的突變特征劃分時段區(qū)間。但分時電價時段區(qū)間不是一成不變的，而應(yīng)該根據(jù)分時電價實(shí)施后用戶響應(yīng)效果及時調(diào)整時段區(qū)間，達(dá)到分時電價效果最優(yōu)。文獻(xiàn)［5］考慮了分時電價實(shí)施后的用戶響應(yīng)，通過評估電力用戶在各時刻點(diǎn)的響應(yīng)程度，提出時刻點(diǎn)的響應(yīng)度屬性指標(biāo)，進(jìn)而合理調(diào)整時段劃分。

2 峰谷分時電價模型

2.1 基于用戶響應(yīng)的峰谷分時電價模型

峰谷分時電價能夠成功實(shí)行的關(guān)鍵在于正確、及時地反映成本和供求關(guān)系，因此研究分時電價模型的重點(diǎn)之一是用電需求對分時電價的響應(yīng)規(guī)律。國內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)對基于用戶響應(yīng)的分時電價建模進(jìn)行了研究［3-13］，用戶響應(yīng)分析方法主要有兩種：一是通過歷史數(shù)據(jù)擬合得到的響應(yīng)度曲線；二是通過電力需求價格彈性。

文獻(xiàn)［3］通過分析負(fù)荷曲線分布，得到負(fù)荷曲線上各點(diǎn)處于峰、谷的概率大小，進(jìn)而提出基于用戶對分時電價反應(yīng)度分析的分時電價模型。通過優(yōu)化DSM的目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)的分時電價定價策略。文獻(xiàn)［6］針對我國不具備實(shí)行實(shí)時電價和競價機(jī)制條件的實(shí)際情況，提出基于DSM的總目標(biāo)建立分時電價模型，該模型通過用戶對分時電價的反應(yīng)來考慮電價對負(fù)荷的控制作用。但僅對峰谷時段的電價進(jìn)行研究建模，而沒有考慮平時段的電價確定方法。

文獻(xiàn)［7］提出利用市場清除價（market clearing price，MCP）計算平均購電電價，進(jìn)而確定平時段電價。文獻(xiàn)［8］從電力系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性方面考慮，盡可能減小峰谷負(fù)荷差，提出削峰填谷效果最優(yōu)時的分時電價模型。

基于用戶響應(yīng)的分時電價模型多從用戶消費(fèi)心理考慮用戶對分時電價的反應(yīng)和影響，沒有考慮到用戶需求彈性對電價均衡的作用。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論可知，用戶對電價的響應(yīng)會受到用戶的需求價格彈性影響，因此為準(zhǔn)確反映用戶對分時電價的響應(yīng)，文獻(xiàn)［9］提出電價彈性矩陣概念來描述電力需求價格彈性。文獻(xiàn)［10-11］提出利用電力需求價格彈性矩陣建立峰谷分時電價模型。電力需求價格彈性矩陣可反映出用戶用電量相對變動和電價相對變動間的關(guān)系，能夠更好地量化用戶響應(yīng)。

上述文獻(xiàn)均以確定的典型日負(fù)荷曲線來表示用戶對分時電價的響應(yīng)，但實(shí)際上用戶響應(yīng)具有不確定性，發(fā)電側(cè)和供電側(cè)均難以預(yù)測準(zhǔn)確的用戶響應(yīng)情況，需要根據(jù)分時電價實(shí)施后的用戶響應(yīng)效果不斷優(yōu)化分時電價模型，是一個長期不斷的調(diào)整過程。鑒于此，文獻(xiàn)［12］在分時電價模型中考慮了用戶響應(yīng)的不確定性，利用區(qū)間數(shù)表示電價需求彈性系數(shù)，并考慮了實(shí)施分時電價后供電側(cè)和用戶側(cè)的風(fēng)險損失評估，建立了峰谷分時電價的二級優(yōu)化模型，利用風(fēng)險閾值選出最優(yōu)分時電價方案。

基于用戶響應(yīng)的分時電價模型一般以峰負(fù)荷最小，谷負(fù)荷最大，峰谷差最小為目標(biāo)函數(shù)［13］，如式（1）～式（3）所示。

峰負(fù)荷最小

谷負(fù)荷最大

峰谷差最小

式中：Pt表示分時電價實(shí)施后各時段的負(fù)荷量，其中，t=1，2，…，T；T為劃分時段數(shù)量；xf、xp、xg分別表示峰、平、谷時段的電價。

當(dāng)利用用戶反應(yīng)曲線表示用戶對分時電價的響應(yīng)時，各時段負(fù)荷量可表示為

式中：Et為峰谷分時電價實(shí)施前各時段用電量；F（t，xf，xp，xg）為t時段峰谷電價實(shí)施后用戶的用電量與實(shí)施前的比值；Δt表示各時段時長。

當(dāng)利用電力需求價格彈性矩陣來表示用戶響應(yīng)時，可根據(jù)不同的峰谷電價比例和已知的基準(zhǔn)日歷史數(shù)據(jù)［10］計算得到目標(biāo)日的平均負(fù)荷Pt。

DSM要求分時電價實(shí)施后供電公司和用戶都能受益，因此以實(shí)施分時電價后供電公司受益、用戶受益及邊際成本為約束條件。

分時電價實(shí)施前用戶電費(fèi)支出（即供電公司收益）為

式中：xpre為分時電價實(shí)施前的電價；Ppret為t時段的平均負(fù)荷。

分時電價實(shí)施后，用戶的電費(fèi)支出為

式中：Pft、Ppt、Pgt分別為峰、平、谷時段的平均負(fù)荷；xf、xp、xg分別為峰、平、谷時段的電價。

實(shí)施分時電價后，供電公司除了用戶電費(fèi)收入外，還可得到政府補(bǔ)貼，設(shè)供電公司得到的政府補(bǔ)貼和節(jié)約的生產(chǎn)成本與實(shí)施分時電價的投資成本差額為Qb，則供電公司受益約束為

用戶受益約束為

邊際成本約束為

式中：xgm為谷時段電網(wǎng)邊際成本。

基于用戶響應(yīng)的分時電價建模可有效反映分時電價的合理性和正確性，但用戶的響應(yīng)行為還會受到其他很多因素的影響［14］，如心理、決策機(jī)制、市場規(guī)則、響應(yīng)的時滯性等，而且用戶類型日益多樣化，不同類型的用戶對分時電價響應(yīng)不同，因此用戶響應(yīng)的分析方法仍需進(jìn)一步完善。

2.2 基于發(fā)電側(cè)和售電側(cè)聯(lián)動的分時電價模型

基于需求響應(yīng)的分時電價模型可通過電價引導(dǎo)用戶改變用電習(xí)慣，提高電力系統(tǒng)效率。但有可能造成發(fā)電側(cè)和供電側(cè)的利益受損，進(jìn)而影響實(shí)施的積極性［15］。因此，在分時電價模型中考慮發(fā)電側(cè)、供電側(cè)和需求側(cè)的分時電價聯(lián)動機(jī)制，通過各環(huán)節(jié)價格信號傳遞來引導(dǎo)負(fù)荷分布、規(guī)避風(fēng)險和分配各部分利益。

為研究發(fā)電側(cè)和售電側(cè)分時電價聯(lián)動問題，需首先研究發(fā)電側(cè)分時電價方案設(shè)計問題。文獻(xiàn)［16］考慮了發(fā)電廠容量成本和發(fā)電廠煤耗等變動成本，采用兩部制電價制定發(fā)電側(cè)峰谷分時電價；文獻(xiàn)［17］綜合考慮發(fā)電側(cè)和售電側(cè)平衡分配分時電價利益的問題，提出分時電價聯(lián)動模型；文獻(xiàn)［18］根據(jù)市場出清電價，建立了發(fā)電側(cè)和供電側(cè)聯(lián)動的分時電價模型。

考慮到發(fā)電側(cè)和售電側(cè)實(shí)施分時電價環(huán)境不同，發(fā)電側(cè)的實(shí)施主體是受電網(wǎng)調(diào)度約束的發(fā)電企業(yè)，僅從時段劃分和峰谷電價調(diào)整幅度研究發(fā)電側(cè)分時電價方案不能有效解決問題。文獻(xiàn)［19］以發(fā)電側(cè)、供電側(cè)、用戶利益均不能受損為約束條件，以分時電價實(shí)施后平均發(fā)電能耗成本最低為目標(biāo)函數(shù)，建立發(fā)電側(cè)與售電側(cè)分時電價聯(lián)動模型。為保證發(fā)電側(cè)利益不受損，應(yīng)確保各發(fā)電機(jī)組利潤不下降，因此要讓低能耗、低污染、高能效的機(jī)組多發(fā)電。在發(fā)電機(jī)組的利潤約束條件中設(shè)置了環(huán)境價值參數(shù)，來評價不同類型發(fā)電機(jī)組在發(fā)電過程中排放污染物造成的經(jīng)濟(jì)損失。該模型可在滿足各方利益的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，降低發(fā)電能耗，提高環(huán)境效益。

上述文獻(xiàn)的分時電價聯(lián)動模型大多為靜態(tài)模型，但發(fā)電側(cè)和供電側(cè)的分時電價受成本、用戶需求、負(fù)荷等的影響，是一個動態(tài)調(diào)整的過程。文獻(xiàn)［20～21］利用博弈信號傳遞理論，建立發(fā)電側(cè)和需求側(cè)分時電價動態(tài)博弈聯(lián)動模型，通過動態(tài)聯(lián)動均衡實(shí)現(xiàn)分時電價效益在各參與方的分配。

2.2.1 發(fā)電側(cè)分時電價模型

對于發(fā)電側(cè)來說，分時電價能夠調(diào)節(jié)電能的供需矛盾，緩解電廠和調(diào)峰機(jī)組的投資壓力，還能夠合理反映發(fā)電側(cè)發(fā)電成本。發(fā)電側(cè)分時電價以自身利益為指標(biāo)，計算各時段報價，再通過各電廠競價最終確定發(fā)電側(cè)電價。目標(biāo)函數(shù)為

式中：xGEi分別為峰、平、谷時段的發(fā)電側(cè)分時電價；Pi為i時段的成交電量；BGE為分時電價實(shí)施后發(fā)電側(cè)電源緩建的效益；CGEi為i時段單位電量發(fā)電成本。發(fā)電側(cè)的約束條件包括：競價報價約束

若發(fā)電商報價大于有效報價，則不能成交。

發(fā)電約束

式中：Lmax為最大發(fā)電負(fù)荷；Gmax為發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力。

2.2.2 需求側(cè)分時電價模型

供電側(cè)以自身利益最大為目標(biāo)函數(shù)為

式中：xDi分別為峰、平、谷時段的需求側(cè)分時電價；BTD為分時電價實(shí)施后電網(wǎng)緩建的效益；CTDi為i時段單位輸配電成本。

供電側(cè)約束條件為：

政府對電價的限制

輸配電線路載荷能力的限制

式中：xlim為政府允許最高電價；Ib為線路b的負(fù)荷；為線路b最大載荷量。

需求側(cè)電價和用電量的關(guān)系約束?？紤]到各時段必須用電量、用戶消費(fèi)心理限值和電力設(shè)備工作能力限制，受電價變化影響，各時段總電量只會在一定范圍內(nèi)變化。

式中：C1、C2為用電量Pi與電價xDi的歷史數(shù)據(jù)之間的擬合參數(shù)；分別為最高電價和最低電價。

2.2.3 用戶反應(yīng)模型

用戶根據(jù)供電側(cè)制定的分時電價選擇用電方式，以自身用電成本最低。目標(biāo)函數(shù)為

利用用戶自身用電價格反應(yīng)作為約束條件，用第n次需求側(cè)分時電價與第n次聯(lián)動博弈優(yōu)化前后用電量的關(guān)系來表示。

2.2.4 電價動態(tài)聯(lián)動博弈步驟

發(fā)電側(cè)和供電側(cè)分別根據(jù)優(yōu)化模型計算得到最優(yōu)發(fā)電側(cè)分時電價和最優(yōu)供電側(cè)分時電價。

用戶根據(jù)需求側(cè)分時電價模型確定分時電價下的需求響應(yīng)。

用戶需求響應(yīng)改變后，發(fā)電側(cè)根據(jù)改變后的負(fù)荷曲線重新制定發(fā)電側(cè)分時電價，進(jìn)入新一輪電價聯(lián)動博弈，并在分時電價制定時考慮電源、電網(wǎng)的緩建效益。

發(fā)電側(cè)、供電側(cè)和用戶分別通過各自分時電價和用戶的需求響應(yīng)相互影響，直至動態(tài)平衡。

3 結(jié)語

峰谷分時電價時是需求側(cè)管理的重要措施，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益已被廣泛認(rèn)可。分時電價的實(shí)施效果與分時電價設(shè)計方案密切相關(guān)。從用戶響應(yīng)、發(fā)電側(cè)和供電側(cè)效益角度對分時電價研究成果進(jìn)行了綜述。分時電價時段劃分是進(jìn)行分時電價定價的基礎(chǔ)，合理地劃分時段有助于分時電價的成功實(shí)施，但現(xiàn)有文獻(xiàn)對分時電價時段劃分研究較少。用戶響應(yīng)是制定分時電價的依據(jù)，但隨著用戶類型和數(shù)量日益龐大，有必要分別對典型高耗能用戶建立詳細(xì)準(zhǔn)確的用戶響應(yīng)模型，以得到更優(yōu)化的分時電價模型。

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A Review of the Time-of-use Price Decision-making Model

Peak-valley time-of-use（TOU）power price is one of effective measures to manage demand side，and the most effective adjustment lever of electric power economic.Dividing the time periods and setting the price reasonably can effectively guide the consumers to change their customs of electricity，improve power quality and ensure the optimal configuration of power system resources.How to fairly design the time-of-use power price is a key issue to ensure it to be implemented smoothly.A review is made of the TOU decision-making model，with its current development at home and abroad summed up and analyzed.Some common TOU models are given，and different modeling methods are summarized.Finally，the future development of TOU is discussed.

peak-valley time-of-use power price；demand side management；load shifting；electricity market

F407.61

：A

：1007－9904（2014）06－0017－04

2014－07－10

廖烽然（1987），男，主要從事電能計量、電費(fèi)電價管理方面的工作；

程秀娟（1986），女，碩士研究生，主要從事調(diào)度自動化及計算機(jī)信息處理方面的工作；

劉曉娜（1974），女，主要從事電費(fèi)電價管理方面的工作。