顏樂平，李 琰，徐天奇，周常飛

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司三亞供電局，海南 三亞 572000）

0 引言

電能是當(dāng)今世界使用最為廣泛、地位最為重要的能源，電與人們的生活息息相關(guān)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，生活用電和工業(yè)用電日益增多，電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性、管理運(yùn)營模式等都受到了巨大的挑戰(zhàn)，迫切需要人們?nèi)ふ倚碌慕鉀Q方法，以提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效率。2009 年國家電網(wǎng)公司提出“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，成為解決問題的關(guān)鍵。智能電網(wǎng)的價(jià)格模式主要有：固定電價(jià)、階梯電價(jià)、分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)等。英國是最先提出實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制的國家。隨著中國電力市場(chǎng)化改革和智能電網(wǎng)建設(shè)不斷推進(jìn)，發(fā)電側(cè)和供電側(cè)都進(jìn)行了改革，電力公司市場(chǎng)營銷意識(shí)改變，電價(jià)將從政府管制的固定電價(jià)向適應(yīng)市場(chǎng)需求的實(shí)時(shí)電價(jià)制度轉(zhuǎn)變。實(shí)時(shí)電價(jià)作為一種供需響應(yīng)電價(jià)，是隨時(shí)間變化的，通過價(jià)格反映電力市場(chǎng)供需均衡情況，對(duì)調(diào)節(jié)用戶用電行為和電網(wǎng)負(fù)荷曲線、實(shí)現(xiàn)削峰填谷具有重要意義，是電力市場(chǎng)運(yùn)營最理想化的電價(jià)機(jī)制。

部分學(xué)者對(duì)智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［1］用支持向量分位數(shù)回歸方法，引入松弛變量構(gòu)成Lagrange 函數(shù)，提高了短期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)精度，能更好反映一天任意時(shí)刻電力負(fù)荷的預(yù)測(cè)結(jié)果，解決了短期電力負(fù)荷概率密度預(yù)測(cè)問題。文獻(xiàn)［2］提出了實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制下交直流混合微網(wǎng)的收益問題優(yōu)化策略，通過制定交直流混合微網(wǎng)目前調(diào)度方案，優(yōu)化了電氣特性建立運(yùn)行模型，增加交直流混合微網(wǎng)收益，并且減少了用戶平均電費(fèi)的支出。文獻(xiàn)［3］給出了分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，電源微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題，提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的微網(wǎng)最優(yōu)化集中調(diào)度的方案。文獻(xiàn)［4］同時(shí)提出了將需求響應(yīng)分為電網(wǎng)需求響應(yīng)和用戶需求響應(yīng)的模式，分析用戶對(duì)電能需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性，以達(dá)到最理想化的狀態(tài)；另一方面還考慮了電網(wǎng)的需求響應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來的沖擊，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)［5-6］研究了實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制的負(fù)荷預(yù)測(cè)互動(dòng)用電系統(tǒng)，闡述了互動(dòng)用電系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分析了系統(tǒng)各部分的功能需求及特點(diǎn)，激勵(lì)用戶主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行，提出了一種可以使用戶與電網(wǎng)之間互相交流用電信息的互動(dòng)信息平臺(tái)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［7-8］考慮了供應(yīng)商和用戶信息交換過程中，滿足用戶滿意度情況下，以提高供應(yīng)商的收入，達(dá)到節(jié)約用電，提高用戶用電效用值為目的，提出了一種基于供應(yīng)商收入最大化的實(shí)時(shí)電價(jià)模型。文獻(xiàn)［9-10］通過構(gòu)建發(fā)電側(cè)和供電側(cè)分時(shí)電價(jià)動(dòng)態(tài)博弈聯(lián)動(dòng)均衡，考慮了供需雙方的利益最大化，達(dá)到削峰填谷的目的，實(shí)現(xiàn)電能在市場(chǎng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的合理化分配?？傮w來說，以上的研究成果為本次研究工作做了較好的基礎(chǔ)鋪墊。但也存在一些不足之處，只考慮了發(fā)電側(cè)和用戶的利益，沒有兼顧電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)、峰谷差率以及運(yùn)行的穩(wěn)定性。在新的一輪供給改革，將徹底改變傳統(tǒng)的電力市場(chǎng)供需結(jié)構(gòu)，形成自己的優(yōu)勢(shì)，電力公司根據(jù)電力供需響應(yīng)情況，發(fā)布實(shí)時(shí)電價(jià)，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷需求的理想化，提高電能的使用率，從而節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境；而消費(fèi)者可以根據(jù)電力公司發(fā)布的實(shí)時(shí)電價(jià)，選擇在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間合理分配電能的需求，從而達(dá)到合理用電、削峰填谷的目的。

對(duì)比市場(chǎng)上幾種常見的電機(jī)機(jī)制，主要討論電力市場(chǎng)中實(shí)時(shí)電價(jià)問題，并對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)提出一種新的算法。通過智能電表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與共享，使用戶的隱私安全得到保障，同時(shí)提高電力市場(chǎng)電價(jià)的透明度。鼓勵(lì)用戶自主選擇用電的時(shí)段，積極參與電力市場(chǎng)的調(diào)控。通過價(jià)格彈性杠桿，調(diào)節(jié)電力市場(chǎng)的供需平衡關(guān)系，優(yōu)化用戶的日負(fù)荷曲線，降低電網(wǎng)公司供電的峰谷差，提高用戶用電的效用，并使售電公司利益最大化，讓實(shí)時(shí)電價(jià)的紅利惠及每個(gè)電力用戶。最后，對(duì)所提供的算例模型和方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 智能電網(wǎng)電力市場(chǎng)主體

1.1 發(fā)電商

中發(fā)［2015］9 號(hào)文件《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》中“三開放，一獨(dú)立，三加強(qiáng)”的改革重點(diǎn)和總體思路［11-12］闡述了電力體制改革的重要性和緊迫性，說明中國的電力市場(chǎng)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。五大發(fā)電公司分布在不同地區(qū)，且每個(gè)地區(qū)的生產(chǎn)原料、氣候、環(huán)境各不相同，其所需要的成本也不一樣，為了便于對(duì)電力市場(chǎng)中發(fā)電商機(jī)制的研究，將五大發(fā)電公司視為一種情形來討論。根據(jù)電力部門制定的電力生產(chǎn)資料成本開支，電力產(chǎn)品成本開支范圍主要包括燃料費(fèi)、材料費(fèi)、水費(fèi)、納稅費(fèi)、機(jī)器折舊費(fèi)、工資和福利、其他費(fèi)用等。發(fā)電商的成本函數(shù)為

式中：a1、a2、a3、a4為各發(fā)電商的成本系數(shù)；Qk為發(fā)電量；k 表示發(fā)電商的編號(hào)。

發(fā)電商根據(jù)對(duì)生產(chǎn)原料成本、機(jī)器的損耗以及市場(chǎng)中標(biāo)情形，對(duì)電價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)報(bào)價(jià)分為兩個(gè)階段：低風(fēng)險(xiǎn)，即將合同內(nèi)的電量報(bào)價(jià)較低，用來規(guī)避不中標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)情形；高風(fēng)險(xiǎn)，即將合同外的電量報(bào)價(jià)較高，以獲取更多的生產(chǎn)利潤(rùn)，提高生產(chǎn)積極性。根據(jù)電力市場(chǎng)電量的供需關(guān)系，t 時(shí)刻對(duì)風(fēng)險(xiǎn)報(bào)價(jià)為

發(fā)電商通過集中競(jìng)價(jià)、掛牌等方式出售電能，并與電力零售商簽訂購買合同，實(shí)行合同制購電。電能要通過電網(wǎng)公司輸送、分配，電網(wǎng)公司連接發(fā)電商和電力零售商，維持著發(fā)電商和電力零售商的信息交流與共享，其主旨是為用戶提供便捷的服務(wù)，并根據(jù)電網(wǎng)公司自身的發(fā)展建設(shè)，發(fā)電商支付一定的過網(wǎng)費(fèi)用給電網(wǎng)公司。發(fā)電商在t 時(shí)刻內(nèi)成交函數(shù)為［13］

式中：Lm（t）為發(fā)電商t 時(shí)刻內(nèi)的效益；b、bQk、bQλ分別為過網(wǎng)系數(shù)、合同電量?jī)?nèi)的過網(wǎng)費(fèi)用、實(shí)際電量的過網(wǎng)費(fèi)用；Qk、Qλ、γ 分別為合同內(nèi)的電量、實(shí)際電量、電量系數(shù)。

1.2 電力零售商

在逐漸開放的電力零售市場(chǎng)中，用戶將面對(duì)易變的實(shí)時(shí)電價(jià)，利用價(jià)格彈性杠桿調(diào)節(jié)電力供需平衡，達(dá)到資源的優(yōu)化分配。在用戶端安裝智能電表，零售商通過智能互動(dòng)客服端平臺(tái)，并結(jié)合用戶的日負(fù)荷曲線，發(fā)布電力的每個(gè)時(shí)間段的信息，做到電價(jià)的公開透明化［14］。用戶通過智能電表接收到電價(jià)的信息，及時(shí)了解電價(jià)的信息，參與到實(shí)時(shí)電價(jià)互動(dòng)中，選擇合理的時(shí)間段用電，增加了用戶的自主選擇意愿。根據(jù)每個(gè)時(shí)間段的不同電力需求，通過供求平衡及維護(hù)成本等計(jì)算出第二天各個(gè)時(shí)間段的實(shí)時(shí)電價(jià)水平，零售商在每天17∶00∶00 發(fā)布第二天的實(shí)時(shí)電價(jià)水平。因?yàn)殡娔苁且环N易逝且不易大量?jī)?chǔ)存的產(chǎn)品，零售商根據(jù)用戶對(duì)電能的需求情況，從發(fā)電商處按合同制進(jìn)行購買，支付函數(shù)為

1.3 電力用戶

為保證正常生活，用戶每天需要消納一定的電力，用戶可以通過智能電表及時(shí)獲得自己的用電數(shù)據(jù)信息，以及查詢實(shí)時(shí)電價(jià)信息，向電力零售商反映自己的用電心得，并提出在用電過程中存在的問題。電力零售商通過數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，將數(shù)據(jù)反饋給發(fā)電商和電網(wǎng)公司，及時(shí)了解用戶的效益，有針對(duì)性制定相關(guān)措施，并在消納電力產(chǎn)品的過程中，對(duì)電力用戶采取一些激勵(lì)措施，提高用戶的用電意識(shí)，增加用戶的用電效益［15-16］。用戶在每個(gè)時(shí)間段購買電能的意愿是不同的，一般通過效用函數(shù)來反映。用N（）來計(jì)算用戶的用電效用，θ、δ 分別為用戶購買電能的意愿、用戶的心理賬戶；表示用電負(fù)荷。由于每個(gè)人的心理賬戶、公平理論、自我控制、跨期選擇與儲(chǔ)蓄行為、生活方式、個(gè)人的焦慮和滿足度等不同，使得人們對(duì)電力的消費(fèi)理論不同，消費(fèi)的時(shí)間段選擇也不相同。用戶對(duì)電能的消納，是一個(gè)心理滿足的過程，在開始的階段，獲得的效用會(huì)快速的增長(zhǎng)，但隨著時(shí)間的推移，上升的速度會(huì)減慢，直到效用達(dá)到最大，符合用戶的心理意愿［17］。因此，這里采用三次效用函數(shù)對(duì)其用電的效用進(jìn)行量化，為

在此時(shí)間內(nèi)用電所支付的經(jīng)濟(jì)成本為

式中：Pη（t）為實(shí)時(shí)電價(jià)；ξ 為電力價(jià)格彈性系數(shù)。

2 多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型

2.1 電力市場(chǎng)核心

電力交換依靠?jī)r(jià)格，只有電價(jià)合適才能促成交易［18］。因此，電價(jià)是電力市場(chǎng)的支點(diǎn)。實(shí)時(shí)電價(jià)能夠動(dòng)態(tài)地反映電力資源被消納，發(fā)電商能夠精確得知每天各時(shí)間段負(fù)荷及供電成本的變化，通過價(jià)格來調(diào)節(jié)電力需求，達(dá)到電力供需平衡［19］。同時(shí)，加大用戶對(duì)電價(jià)透明度的了解，增加用戶自主選擇的意愿，積極參與電力市場(chǎng)的調(diào)控。電力零售商連接發(fā)電商和電力用戶。在電力交易市場(chǎng)中，電力零售商發(fā)布每天的實(shí)時(shí)電價(jià)信息，在較短時(shí)間內(nèi)反饋各種用電設(shè)備所消納的電能質(zhì)量和數(shù)量。用戶通過智能電表接收，智能電表詳細(xì)顯示實(shí)時(shí)互動(dòng)信息，用戶可以隨時(shí)隨地了解用電情況。通過實(shí)時(shí)電價(jià)交易維護(hù)電力市場(chǎng)的穩(wěn)定，保證供需側(cè)的均衡。零售商的支付函數(shù)是隨時(shí)間變化的，所以零售商的利潤(rùn)最大化為

2.2 用戶效益

智能電網(wǎng)是為用戶服務(wù)的，能夠合理分析實(shí)時(shí)電價(jià)下用戶的用電響應(yīng)行為，制定更高效的實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，動(dòng)態(tài)跟蹤整個(gè)電力市場(chǎng)的價(jià)格模型，降低用戶在高峰期的用電需求，達(dá)到資源的優(yōu)化配置，對(duì)實(shí)現(xiàn)削峰填谷具有重要意義。用戶作為電力消費(fèi)者，通過智能電表接收實(shí)時(shí)電價(jià)信息，了解每個(gè)時(shí)段的電價(jià)情況，通過電價(jià)的彈性杠桿，按照自己的心理賬戶，自主選擇用電的時(shí)段，來提高用戶的用電效益［20］。將所有的參數(shù)代入到用戶效用函數(shù)中，可以得到t時(shí)刻內(nèi)用戶的效益值。所以，在時(shí)刻t 的用電效益為

所以，

因此，所得的模型是一個(gè)分段函數(shù)，在一天的時(shí)間內(nèi)，可以找到用戶效益最大的時(shí)段和零售商的最大利潤(rùn)。綜合考慮零售商的利潤(rùn)和用戶的效益，采用線性加權(quán)的方法來處理多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如式（12）所示。其中a、c 分別為零售商和用戶的權(quán)重系數(shù)，a+c=1。

3 算例分析

根據(jù)所提出的模型，采用粒子群算法對(duì)模型求解，用MATLAB 進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證模型的可行性和有效性。在試驗(yàn)過程中，通過觀察其數(shù)值的變化，收斂效率，來驗(yàn)證模型的可行性。以三亞供電局某小區(qū)用電的相關(guān)數(shù)據(jù)作為仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要考慮零售商利潤(rùn)、用戶用電的效益以及電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線。競(jìng)價(jià)上網(wǎng)采購價(jià)格=0.44 元／kWh，用戶的用電意愿θ 為［1，5］內(nèi)的均勻隨機(jī)分布，合同外=0.48 元／kWh，電力價(jià)格彈性系數(shù)為ξ［0，1］內(nèi)的均勻隨機(jī)分布，δ 為常數(shù)。

圖1 為一個(gè)時(shí)間段內(nèi)零售商收益的迭代變化情況?？梢钥闯?，粒子群算法的收斂速度比較快，在第15 次迭代處進(jìn)入了收斂狀態(tài)，因此，粒子群算法對(duì)模型求解具有有效性與可行性。將整個(gè)時(shí)間段設(shè)定為24 h，即觀察0～24 h，用戶在實(shí)時(shí)電價(jià)下，一天內(nèi)用電的情形和電網(wǎng)負(fù)荷曲線，以及零售商收益變化，如圖2 所示。

圖1 一個(gè)時(shí)間段內(nèi)零售商收益的迭代變化

圖2 24 h 零售商收益的變化

圖2 中顯示，實(shí)行實(shí)時(shí)電價(jià)后，在0～24 h，由于電力價(jià)格彈性的不同，零售商多層次優(yōu)化電力資源配置，利用電價(jià)調(diào)節(jié)市場(chǎng)供需平衡，緩解電力供需緊張。和原始電價(jià)時(shí)相比，零售商的收益比之前提高許多，同時(shí)也給用戶提供一些紅利，能夠做到采購和銷售的相對(duì)合理化，避免了電能的浪費(fèi)。

電網(wǎng)負(fù)荷變化如圖3 所示，通過對(duì)電力負(fù)荷指標(biāo)的分析，確定電力系統(tǒng)的需求特性，觀察0～24 h，單位負(fù)荷的變化，能夠發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)電價(jià)的模型，電網(wǎng)日負(fù)荷曲線的變化，比原始電價(jià)相對(duì)平穩(wěn)，最大負(fù)荷減少，最小負(fù)荷增加，負(fù)荷波動(dòng)小，降低了負(fù)荷峰谷差，起到了削峰填谷的作用，增加了電能的利用率，同時(shí)也提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖3 24 h 電網(wǎng)負(fù)荷的變化

用戶用電效用的變化如圖4 所示。改進(jìn)后的模型，針對(duì)用戶側(cè)，實(shí)時(shí)電價(jià)作為供需響應(yīng)策略，開放了電力市場(chǎng)電價(jià)透明化，用戶通過智能電表，用戶及時(shí)了解電價(jià)的情況和剩余電量，可及時(shí)購買電量，避免了停電風(fēng)險(xiǎn)。通過電價(jià)彈性杠桿，錯(cuò)開了用電的高峰期，調(diào)節(jié)電力市場(chǎng)的供需平衡［21］。通過增加用戶自主選擇的意愿，鼓勵(lì)用戶積極參與電力市場(chǎng)調(diào)控，提高了用戶用電效益，讓實(shí)時(shí)電價(jià)的紅利惠及每個(gè)電力用戶。

圖4 24 h 用戶用電效用的變化

4 結(jié)語

在電力市場(chǎng)中，用戶通過智能電表和智能手機(jī)接收實(shí)時(shí)電價(jià)信息，開放了電價(jià)的透明度，用戶能夠自主選擇用電的時(shí)段，鼓勵(lì)用戶節(jié)約用電和合理用電，積極參與電力市場(chǎng)的調(diào)控。建立零售商和用戶用電效益最大化的實(shí)時(shí)電價(jià)模型，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，兼顧了電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)、峰谷差率。實(shí)時(shí)電價(jià)作為供需響應(yīng)策略一種，能夠動(dòng)態(tài)反映電力資源被消納的過程，可充分發(fā)揮電力市場(chǎng)的作用，動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)地區(qū)的電力，優(yōu)化資源配置，降低負(fù)荷的峰谷差，可以有效地實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)也提高了用戶的用電效益，增加了零售商的利潤(rùn)，讓實(shí)時(shí)電價(jià)的紅利惠及每個(gè)電力用戶，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。