王天峰，劉丙棟，張一晨，謝天，黃紅偉

（1.新疆電力交易中心有限公司，烏魯木齊 830017；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100084）

0 引言

2015 年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)〔2015〕9 號），拉開了我國本輪電力體制改革的序幕。售電市場開放是本輪改革的重要內(nèi)容。隨著改革的不斷深化，越來越多的電力用戶參與到市場交易中，交易形式也由傳統(tǒng)的雙邊協(xié)商轉(zhuǎn)向售電套餐等更為成熟、規(guī)范的交易形式［1-2］。

文獻［3-5］介紹了美國、日本、英國等國外成熟電力市場中售電市場建設(shè)和售電套餐設(shè)計等有關(guān)情況：隨著中小電力用戶不斷涌入市場，針對性強、標準化高的售電套餐是廣大售電公司普遍采用的市場營銷策略。美國、日本等成熟電力市場的售電套餐種類繁多，峰谷型售電套餐是較為常見的類型。文獻［6-8］介紹了在峰谷型售電套餐設(shè)計中可利用用戶調(diào)峰響應(yīng)參與需求側(cè)響應(yīng)，并提出了一種考慮用戶需求側(cè)響應(yīng)參與度的套餐設(shè)計方法。文獻［9］研究了用戶選擇售電套餐的考量因素，提出了多因素評價售電套餐選擇的方法。相比于國外成熟電力市場，我國電力市場則處于起步階段。文獻［10-11］介紹了我國當前售電市場建設(shè)的情況，重點對比、分析了不同類型售電公司在市場競爭中的優(yōu)勢。文獻［12］研究了獨立售電公司的最優(yōu)購售電策略，提出了考慮非合作博弈的購/售電策略最優(yōu)規(guī)劃方法。文獻［13-14］系統(tǒng)比較了不同類型用戶的電能使用特征，構(gòu)建了售電公司需求響應(yīng)電價模型，在峰谷型售電套餐基礎(chǔ)上，通過增加獎勵機制提升電力用戶參與需求側(cè)響應(yīng)的積極性。

我國當前售電市場領(lǐng)域的研究還有待進一步深入，特別在售電套餐分析與設(shè)計領(lǐng)域。目前主要通過參考國外售電套餐設(shè)計的成熟經(jīng)驗來規(guī)劃、設(shè)計我國電力市場下的售電套餐。然而，對于廣大電力用戶來說，如何有效選擇適合自身需求的售電套餐成為亟待解決的問題。特別是我國近年來新能源快速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)峰壓力日益增大，峰谷型售電套餐成為目前研究熱點。電力用戶準確評估自身調(diào)峰能力、合理選擇峰谷型售電套餐，不僅能夠降低自身購電費用，還有助于緩解大電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

本文將研究如何評估考慮調(diào)峰響應(yīng)的峰谷型售電套餐的效用，以作為電力用戶選擇售電套餐的參考。首先介紹峰谷型售電套餐的基本概念和主要特征；隨后從電力用戶按照套餐協(xié)議的要求改變用電習慣、調(diào)整自身峰谷電量需求出發(fā)，構(gòu)建了用戶調(diào)峰響應(yīng)影響模型，以評估不同改變程度對用戶自身用電便捷性的影響?？紤]該影響因素，提出了峰谷型售電套餐效用評估方法，統(tǒng)籌考慮購電成本變化和使用便捷性，全面評估套餐效用。最后，基于某大型商場實際數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，驗證本文所提出方法的有效性。

1 峰谷型售電套餐概念與特征

1.1 基本概念

峰谷型售電套餐是國際電力市場應(yīng)用較為廣泛的售電套餐類型［15］。其主要特征在于電力用戶與售電公司簽訂有明確預(yù)期用電量和峰谷電量比例2個指標的售電套餐協(xié)議。最終電力用戶的電價不僅與預(yù)期用電量有關(guān)，還與峰谷電量比例有關(guān)。具體來說，預(yù)期用電量越高，能夠享受越低的電價；而峰谷電量比例越低，表明該用戶配合電網(wǎng)調(diào)峰方面做出的貢獻越大，套餐電價相對更低［16-17］。

根據(jù)以上特征介紹，電力用戶簽訂峰谷型售電套餐的電價可表示為

式中：pPV，1，pPV，2，…，pPV，N+1分別為預(yù)期用電量處于不同區(qū)間對應(yīng)的基礎(chǔ)電價；E1，E2，…，EN為預(yù)期用電量各區(qū)間的電量分界數(shù)值；N為預(yù)期用電量分段數(shù)。

圖1 基礎(chǔ)電價與預(yù)期用電量關(guān)系Fig.1 Relationship between the basic price of electricity and expected electricity consumption

圖2 套餐電價修正系數(shù)與峰谷電量比例關(guān)系示意Fig.2 Relationship between the package price correction factor and peak-valley electricity ratio

1.2 特征分析

對于任一電力用戶，其預(yù)期用電量與生產(chǎn)經(jīng)營需求有關(guān)，一般隨電價變化的彈性較小。為降低用電成本，電力用戶可通過調(diào)整用電習慣降低峰谷電量比例。在預(yù)期用電量一定的情況下，基礎(chǔ)電價可視為定值。套餐電價隨峰谷電量比例的變化趨勢與電價調(diào)整系數(shù)隨峰谷電量比例的變化趨勢相同，由于預(yù)期用電量基本確定，因此該變化特性實際上也反映了電力用戶用電費用隨峰谷電量比例變化的關(guān)系。

根據(jù)以上特性分析可知，為降低用電成本開支，電力用戶在選擇峰谷型售電套餐時傾向于申報盡可能低的峰谷電量比例。

2 用戶調(diào)峰響應(yīng)影響建模

盡管申報低峰谷電量比例能夠獲得較低的電價，然而電力用戶調(diào)整用電習慣、改變其峰谷電量比例的能力是有限的，甚至如電解鋁、磨料廠等連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)基本不具備調(diào)整用電習慣的能力。另外，用電習慣的改變對用戶的正常用電會產(chǎn)生一定影響，調(diào)整幅度過大甚至需要配合生產(chǎn)、生活習慣的較大改變，該因素造成的影響也不容忽視。

綜合以上2 方面因素，電力用戶在選擇峰谷電量比例參數(shù)時，必須充分考慮其調(diào)峰響應(yīng)對自身造成的不利影響。文獻［18］研究了不同類型電力用戶的需求側(cè)響應(yīng)能力。整體來看，各類型電力用戶調(diào)峰響應(yīng)的能力是有限的。如圖3 所示，在其允許的調(diào)峰響應(yīng)范圍內(nèi)，可根據(jù)調(diào)峰響應(yīng)對自身用電造成的不利影響，將其響應(yīng)范圍劃分為3個階段。

圖3 調(diào)峰響應(yīng)成本變化示意Fig.3 Impact brought by peak regulation response

第1 階段，相對于正常水平峰谷電量比例調(diào)整幅度較小時，調(diào)峰響應(yīng)對電力用戶的影響不大，隨峰谷電量比例的降低，成本整體呈緩慢增加的線性趨勢。一般來說，該階段不需要電力用戶對其生產(chǎn)流程進行較大調(diào)整，主要是從合理調(diào)整生活用電習慣等出發(fā)，適度調(diào)整其制冷、供熱、照明等用電設(shè)備的功耗強度和使用時間。

第2 階段，僅通過合理用電并調(diào)整生活用電習慣已難以實現(xiàn)，必須對生產(chǎn)習慣等進行一定程度的改變。由于生產(chǎn)習慣調(diào)整將產(chǎn)生額外開銷，比如建材行業(yè)為合理調(diào)整生產(chǎn)時間進行避峰生產(chǎn)，由此產(chǎn)生加班工資等非用電開銷。

第3 階段，是在前2 個階段基礎(chǔ)上已充分挖掘用電習慣所能產(chǎn)生的調(diào)峰響應(yīng)潛力的基礎(chǔ)上，通過革新生產(chǎn)工藝流程或引入儲能等靈活調(diào)節(jié)資源進一步提升調(diào)峰響應(yīng)能力的階段。該階段將對傳統(tǒng)的生產(chǎn)生活模式產(chǎn)生較大影響，且需要增加新的設(shè)備投資，往往有較高的調(diào)峰響應(yīng)成本。

需要說明的是，不同類型電力用戶的用電特性、生產(chǎn)工藝要求和技術(shù)改造方案均不同，因此其不同階段的調(diào)峰響應(yīng)成本系數(shù)取值不同，可參考文獻［17］方法對其建模估算。

3 套餐效用評估方法

3.1 指標定義

傳統(tǒng)售電套餐效益評價中，對市場用戶從交易中所獲得的電費收益考慮較多，而對自身用電習慣調(diào)整等造成的成本考慮較少［19］。從以上分析可以看出，電力用戶在選擇峰谷型售電套餐中的峰谷電量比例時，不僅需要考慮峰谷電量比例參數(shù)降低所帶來的電價下降，還需要考慮自身為滿足峰谷電量比例進行用電習慣調(diào)整等所產(chǎn)生的成本。為了綜合考慮以上2 方面因素，本文將提出套餐效用評價指標，以統(tǒng)籌分析電價變化和用電習慣調(diào)整帶來的影響。

套餐效用指標，本質(zhì)上為電力用戶簽訂峰谷型售電套餐中選定峰谷電量比例所產(chǎn)生的電價變化和調(diào)峰響應(yīng)成本的加權(quán)值，即

3.2 評估流程

考慮到電費變化、調(diào)峰響應(yīng)成本均不能完整的反映售電套餐所帶來的整體效益，本文提出以套餐效用為量化指標，綜合考慮以上兩方面影響。

按照以上評估思路，本文提出的評估流程如圖4所示，整個評估流程可分為4個步驟。

圖4 評估流程Fig.4 Evaluation process

步驟1：評估準備。該步驟的主要目的是統(tǒng)計分析電力用戶的歷史用電情況，掌握其用電調(diào)整可行性、用戶調(diào)峰響應(yīng)成本特性曲線和預(yù)期用電量等關(guān)鍵參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，確定電力用戶的峰谷電量比例。該步驟實施過程中，可根據(jù)電力用戶歷史同期用電曲線，并結(jié)合近期生產(chǎn)生活計劃，統(tǒng)計、測算得到預(yù)期用電量和正常生產(chǎn)條件下的峰谷電量比例。根據(jù)電量結(jié)構(gòu)和不同類型電力用戶調(diào)峰響應(yīng)特性差異，確定不同調(diào)峰響應(yīng)程度下的用戶調(diào)峰響應(yīng)成本的變化，可參考文獻［17］中關(guān)于不同類型電力用戶需求側(cè)響應(yīng)潛力統(tǒng)計、分析得到該成本的變化關(guān)系。電力用戶根據(jù)以上信息，可采用人工經(jīng)驗測算或統(tǒng)計分析等方式確定售電套餐中的峰谷電量比例參數(shù)。

步驟2：電費變化評估。該步驟的主要目的是在給定的峰谷電量比例基礎(chǔ)上，評估測算選用該售電套餐用戶獲得的電費收益。該步驟實施過程中，首先根據(jù)峰谷電量比例和預(yù)期用電量，參照式（1）計算得到套餐電價；然后參照式（7）中關(guān)于電費變化部分的計算，得到簽訂該售電套餐后所帶來的電費降幅，即為該套餐下的電費收益。

步驟3：調(diào)峰響應(yīng)成本評估。該步驟的主要目的是在給定的峰谷電量比例基礎(chǔ)上，計算電力用戶調(diào)峰響應(yīng)成本。測算中根據(jù)式（6）、對照圖3所示的調(diào)峰響應(yīng)成本曲線，可直接計算得到。

步驟4：套餐效用評估。該步驟的主要目的是統(tǒng)籌考慮該峰谷電量比例下，電費變化和調(diào)峰響應(yīng)成本變化2 方面因素。依據(jù)套餐效用指標，對該峰谷型售電套餐的可用性進行評估。根據(jù)步驟2、步驟3 中計算得到的電費變化和調(diào)峰響應(yīng)成本，代入式（7）計算得到套餐效用。必須注意的是，套餐效用能夠反映電力用戶按照該峰谷電量比例能夠獲得的預(yù)期收益，但是受到電力用戶自身收益預(yù)期和心理預(yù)期影響，套餐效用必須符合電力用戶的實際需求，電力用戶才可能考慮簽訂，即套餐效用必須大于電力用戶對套餐效用的整體預(yù)估值（UExu），才具備可行性。該判定關(guān)系可表示為

若套餐效用未超過該預(yù)期時，還需要對峰谷電量比例等參數(shù)進一步調(diào)整。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文將以某大型商場（u1）和磨料加工場（u2）的數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，驗證所提出方法的有效性。

如圖5 所示，商場和磨料加工場日用電量基本相同，但是用電曲線特征存在較大差別。商場營業(yè)時間為10：00—22：00，預(yù)期日用電量為47 MW·h。從典型日負荷曲線可以看出，該商場用電高峰期主要集中于18：00—20：00，最高負荷為8 230 kW，而最低負荷僅118 kW。磨料加工場日用電量約48 MW·h，盡管其用電量與商場基本相同，但與商場相比，磨料加工場用電曲線的峰谷差明顯偏小，夜間低負荷時段的用電負荷基本維持在300 kW 左右，09：00—20：00 為其生產(chǎn)時段，用電負荷維持3 400 kW左右。

圖5 典型日負荷曲線Fig.5 Load curves on a typical day

造成以上用電特性差異的根本原因在于2類用戶的用電需求存在顯著差異。電力不僅用于商場照明及景觀，還用于制冷、采暖、通風等，其用電負荷與季節(jié)、氣溫、節(jié)假日等因素相關(guān)性較高。商場的用電負荷與客流相匹配，時間可調(diào)節(jié)性相對有限。而磨料加工場的電力主要用于生產(chǎn)，約300 kW的基礎(chǔ)負荷用于維持設(shè)備基本工況，工作時段加大生產(chǎn)強度，用電量將隨之增加。

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1 評估準備

評估準備階段對電力用戶的調(diào)峰響應(yīng)能力及成本進行分析，并決策峰谷電量比例。根據(jù)電網(wǎng)運行需要，售電公司所設(shè)計的峰谷型售電套餐中規(guī)定高峰時段為10：00—12：00及15：00—20：00，低谷時段為00：00—05：00。參照文獻［16］中關(guān)于用戶需求響應(yīng)能力的介紹，在不考慮戶用增設(shè)光伏等技術(shù)設(shè)備前，僅依靠適度調(diào)整用電習慣，商場、磨料加工場峰的谷電量比調(diào)節(jié)能力有限。其中商場用戶用電習慣必須與客流相匹配，導(dǎo)致其僅能在客流高峰時段通過合理節(jié)能降耗、調(diào)整空調(diào)溫度等措施適當降低能耗，僅具備第1階段的響應(yīng)能力；而磨料加工場用戶在采用合理降耗手段外，可以通過轉(zhuǎn)移生產(chǎn)流程、夜間生產(chǎn)等措施對用電曲線大幅度調(diào)整，因此具有前2個階段的調(diào)節(jié)響應(yīng)能力。結(jié)合文獻［16-17］的研究，這2 類用戶的調(diào)節(jié)響應(yīng)成本函數(shù)可設(shè)定為

按照圖5 中商場、磨料加工場的典型日用電曲線，可計算得到不響應(yīng)峰谷型售電套餐時其初始峰谷電量比分別為46.6，15.8。受峰谷型售電套餐峰谷電量比降低時電價下降的優(yōu)惠激勵，用戶具有調(diào)整其用電習慣削峰填谷的意愿。對于大型商場用戶，其調(diào)整能力有限，為獲得電價優(yōu)惠，初始條件下規(guī)定其預(yù)期申報峰谷電量比為其調(diào)節(jié)范圍最小值40.0；類似地，規(guī)定磨料加工場用戶也采取調(diào)整生產(chǎn)時間等方式降低其峰谷電量比，由于峰谷電量比低于10.0后電價修正系數(shù)將維持不變，故規(guī)定其申報的峰谷電量比取值為10.0。

4.2.2 調(diào)峰響應(yīng)成本評估

調(diào)峰響應(yīng)成本評估階段將分別對電力用戶峰谷電量比調(diào)整所帶來的電費收益和調(diào)峰成本進行測算評估。按照峰谷型售電套餐中基礎(chǔ)電價規(guī)定，商場和磨料加工場用電規(guī)模相當，其用電量對應(yīng)基礎(chǔ)電價均為0.65 元/（kW·h），較未參與市場交易時，簽訂套餐后電價降低0.15 元/（kW·h）。

售電套餐中電價修正系數(shù)與峰谷電量比例之間的關(guān)系可表示為

如式（11）所示，若電力用戶能將峰谷電量比例降至10.0以下，套餐電價將降至基礎(chǔ)電價水平的80%。

在預(yù)期電費收益方面，當2 個用戶均以最大能力調(diào)整峰谷電量比時，大型商場峰谷電量比可達到40.0，對應(yīng)電價修正系數(shù)為1.025，則考慮峰谷電量比修正后交易價格為0.67 元/（kW·h），較交易前用戶月電費收益可達0.63 萬元；而磨料加工場峰谷電量比可降至10.0，對應(yīng)電價修正系數(shù)為0.8，修正后交易價格為0.52 元/（kW·h），較交易前用戶日月電費收益可達1.344萬元。

調(diào)峰響應(yīng)成本方面，當按照以上峰谷電量比申報水平，商場由于優(yōu)化用電方式所產(chǎn)生的調(diào)峰響應(yīng)成本達100.300 萬元；而磨料加工場也將由于調(diào)整生產(chǎn)安排產(chǎn)生調(diào)峰響應(yīng)成本370.000萬元。

4.2.3 套餐效用評估

套餐效用評估階段將綜合電費收益和調(diào)峰響應(yīng)成本對決策可行性進行分析。不影響本文主要研究內(nèi)容，將電費減少權(quán)重系數(shù)α1和調(diào)峰響應(yīng)成本權(quán)重系數(shù)α2均設(shè)為1。按照式（7）所示的評估模型，商場和磨料加工場盡管獲得了電費降低收益，但是將產(chǎn)生高昂的調(diào)峰響應(yīng)成本，綜合效用為負，不利于改善自身收益，見表1。從表1 可以看出，相比于傳統(tǒng)評估方法，本文的評估方法考慮了電力用戶自身調(diào)峰響應(yīng)成本能夠更加完整的呈現(xiàn)電力用戶降低自身峰谷電量比例所帶來的電費降低和調(diào)峰響應(yīng)成本增加，對用戶科學決策提供有力支撐。

表1 綜合效用對比Tab. 1 Comparison of comprehensive utility

可根據(jù)用戶調(diào)峰響應(yīng)成本函數(shù)和電價修正系數(shù)函數(shù)，構(gòu)建u1，u2的調(diào)峰套餐效益評價函數(shù)，

當Uu1，Uu2取值為正時，表明該峰谷電量比有助于提升整體運行效益；而若取值為負，則表明該峰谷電量比將導(dǎo)致調(diào)峰成本增大，影響運行效益的情況。對以上2類用戶，最優(yōu)峰谷電量比分別為46.6，12.0。上述結(jié)果表明，商場僅能在第1 階段調(diào)整用電特性，且調(diào)整成本較高，建議維持當前峰谷電量比對其購買售電套餐最有利。而磨料加工場的最優(yōu)峰谷比恰為其第1 階段峰谷調(diào)整極限值，意味著第2 階段用電調(diào)整將產(chǎn)生較高調(diào)峰成本，在第1 階段范圍內(nèi)最大限度優(yōu)化調(diào)整有利于進一步降低整體費用。

以上結(jié)果表明，不同類型用戶調(diào)峰成本不同，造成其購買峰谷型售電套餐時策略不同，若不細致考慮峰谷電量調(diào)整可能造成的調(diào)峰成本增加，將導(dǎo)致用電效益下降的問題。

5 結(jié)論

本文介紹了峰谷型售電套餐的概念與特征，分析了電力用戶在簽訂售電套餐時為追求電價降低存在壓低峰谷電量比例的申報傾向。研究了峰谷電量比例變化中電力用戶調(diào)峰響應(yīng)可能對其正常用電造成的影響，構(gòu)建了電力用戶調(diào)峰響應(yīng)成本模型?？紤]峰谷電量比例變化所產(chǎn)生的電價變化和調(diào)峰響應(yīng)成本，提出綜合效用評價指標，并據(jù)此設(shè)計了效用評價方法。該方法有助于全面評估電力用戶申報峰谷型售電套餐的實際效益，避免電力用戶僅關(guān)注電價變化，而忽略對自身用電便捷性的影響。