張勁松　周建中

摘要:分析南水北調東線調水量及工程特點,根據(jù)現(xiàn)有的分時電價政策,考慮市場管理模式,運用最優(yōu)化原則,探討了分時電價機制下的東線水量優(yōu)化調度問題,并提出了應用多模式分時電價機制優(yōu)化水量調度的對策和建議。

關鍵詞:南水北調;水量調度;分時電價

中圖分類號:TV737;F426.61文獻標識碼:A 文章編號:1672-1683(2009)05-0023-05

Water Optimal Regulation for Eastern Route of South-to-North Water Diversion Based on TOU Power Price

ZHANG Jin-song1,2,ZHOU Jian-zhong1

(1.School of Hydropower & Information Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;

2.The Office of South-to-North Water Diversion Project Construction Leading Group of Jiangsu Province,Nanjing 210029,China)

Abstract: The water transfer quantity and characteristics of Eastern Route of the South-to-North Water Diversion Project (ERSNWD) are analyzed in this paper. Based on the current TOU power price policy,water optimal regulation of ERSNWD are investigated by taking the pattern of market management into account and using the optimization principle. The strategies and suggestion of optimal water regulation based on multi-pattern TOU power price mechanism are also proposed.

Key words: South-to-North Water Diversion;water regulation;TOU power price policy

南水北調東線工程空間跨度大,水平高度差明顯,調水任務重,需要采用大功率電力泵站進行抽水。東線工程建成后,泵站調水的電費支出將占總運行成本的50%以上,最小化電費支出對實現(xiàn)工程高效經(jīng)濟運行有著十分重大的意義。因此,研究峰谷分時電價下水量優(yōu)化調度模型,合理安排調水計劃,是實現(xiàn)電費支出最優(yōu)化的關鍵環(huán)節(jié),是亟需解決的科學問題之一。

1 分時電價機制下水量優(yōu)化調度研究的效用分析

1.1 調水成本中電費占較大比例

南水北調東線工程從長江下游調水,向黃淮海平原東部和山東半島補充水源,與南水北調中線、西線工程一起,共同解決我國北方地區(qū)水資源緊缺問題。工程分三期實施。根據(jù)《南水北調東線第一期工程可行性研究總報告》,第一期工程完成后,多年平均供水量187.55億m³,扣除損失水量后,多年平均凈供水量162.81億m³。其中江蘇133.70億m³、安徽15.58億m³、山東13.53億m³。多年平均抽江水量87.66億m³,最多年份達157.39億m³;入南四湖下級湖水量為21.80～37.82億m³,多年平均29.70億m³;入南四湖上級湖水量為14.46～21.33億m³,多年平均17.52億m³;調過黃河的水量為4.42億m³;到山東半島水量為8.83億m³[1]。

南水北調東線第一期工程輸水線路以黃河為脊背,分別向南、北傾斜,穿黃河處水位高于長江水位約40 m,因此根據(jù)地形條件,東線工程的輸水方式為:東平湖以南需建泵站逐級提水北送,從東平湖向魯北、向膠東可采用自流輸水。東平湖以南共設13個調水梯級,總揚程65 m,南四湖以南為雙線輸水,共設泵站樞紐22處,34座泵站,其中利用江蘇省江水北調工程現(xiàn)有6處13座泵站,新建21座泵站。第一期工程總裝機容量為36.62萬kW,其中利用現(xiàn)有工程裝機13.1萬kW,新增裝機23.52萬kW。泵站多年平均運行5 000 h左右。

南水北調東線一期工程供水總成本費用包括水資源費、固定資產(chǎn)折舊費、工程維護費、管理人員工資福利費、工程管理費、貸款年利息支出、抽水電費和其它費用等組成,按照《南水北調東線第一期工程可行性研究總報告》測算結果,抽水電費占總成本費用比例較高,在電價0.50元/kW?h時,電費所占比例為30%～50%,例如,出駱馬湖供水成本為0.25元/m³,其中電費成本為0.08元,占32%,出下級湖供水成本為0.30元/m³,其中電費成本為0.14元,占47%,出東平湖供水成本為0.51元/m³,其中電費成本為0.19元,占37%。如按照江蘇省現(xiàn)行電網(wǎng)銷售電價0.733元/kW?h計算,供水成本中電費所占比例將進一步提高至40%～60%。

1.2 峰谷分時電價相差數(shù)倍

分時電價是電價結構的一種重要形式,電力市場通過分時價格杠桿來維護發(fā)用電平衡,實現(xiàn)各方的最大利益。分時電價根據(jù)實時的長短不同,有多種表現(xiàn)形式。通常有如下3種:①24 h(或48 h)的實時電價,每小時(或半小時)電價變化一次,用戶和發(fā)電廠商對電價的變化反應敏捷,這是實時電價的最高層次。②每天分成高峰、低谷、平段,各段的電價各不相同,這是實時電價的中間層次。③每天有幾個價格段,每段價格可以在一個月或半年、一年調整一次,這是實時電價的最低層次。分時電價與常規(guī)電價相比較優(yōu)點如下:①分時電價反映系統(tǒng)的需求狀況。電價降低,需求增大,用戶可從電價信號中分析電力需求狀況,從而選擇自己的用電時間。②分時電價根據(jù)邊際成本確定,反映社會效益最優(yōu)原則。在有高效率的機組提供電力時,分時電價會迫使低效率的機組從系統(tǒng)中解列,而常規(guī)電價都是基于補償歷史個別成本而不是社會平均成本,不能有效地引導資源合理使用。

按照統(tǒng)一政策、分步實施、逐步推行的原則,江蘇省電力部門從1999年起實施了符合各時期電網(wǎng)負荷特點的峰谷分時電價政策。2006年7月1日,江蘇省電網(wǎng)對供電區(qū)域內(nèi)企業(yè)用戶實行新的峰谷分時電價政策,峰谷電價比定為4∶1[2]。隨著電力市場化改革的推進,峰谷電價政策將在我國全面推廣,為大用戶全面享受峰谷電價政策,進而降低用電成本、增加運營收益創(chuàng)造了難得的機遇。

1.3 調水時考慮分時電價可以實現(xiàn)雙贏

在價格理論上講“分時電價”屬于價格歧視的范圍,更確切地說是二級差別定價。所謂價格歧視行為是指銷售者對同樣的商品或服務,因人、因時、因地、因量的不同而將取不同的價格,以期獲得比統(tǒng)一價格更大的利潤。而二級差別定價,則是企業(yè)根據(jù)顧客購買量或使用的時間分段定價。“分時電價”就屬于電力部門根據(jù)用戶在不同時間段的用電量來收取不同的電費。電力部門采取價格歧視是有其客觀依據(jù)的,由于電能是不可儲存的產(chǎn)品,一旦這種產(chǎn)品產(chǎn)出后即被消費掉,滿足消費者高峰需求,電力部門必須有足夠能力的生產(chǎn)設備,為提供高峰服務必然增加了成本,這通常占企業(yè)總投資的很大部分。因此在高峰時期采取較高價格,目的在于將高峰生產(chǎn)的成本轉移到那些在高峰時期需要服務的消費者身上。此外,實行較高的高峰價格和較低的低谷價格,可減少高峰時期的需求量,并且將某些需求從高峰期轉移到低谷期。對電力消費者而言,推出“分時電價”后,可有效地節(jié)省大量電費,如一些工廠可將生產(chǎn)經(jīng)營時間安排在低谷用電時期,對于一些普通用電戶來說,可通過購買能自動控制時間、智能化程度較高的家電來利用低谷用電得到優(yōu)惠。雖然價格歧視一般僅會使壟斷部門得到好處,然而,“分時電價”卻不同于一般的價格歧視,因其可使供電方與用電方實現(xiàn)雙贏[3]。

南水北調東線工程由于地理條件的限制,需設置較多的大型電力泵站、耗費大量的電能才能實現(xiàn)供水目標,按照常規(guī)電價,將花費大量的電費。南水北調東線一期工程建成后,全線總裝機容量將達到36.6萬kW,如果能有一定的容量參與調峰運行,以峰谷電價與常規(guī)電價相比較,按南水北調規(guī)劃年運行時間200～250 d,每天按8 h參與調峰計算,不僅每年能減少數(shù)千萬元電費支出,降低水價,同時也能緩解電力供應峰谷差的矛盾,對提高發(fā)電機組的效率,保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性起到很重要的作用。因此,研究分時電價機制下的東線工程水量調度十分必要。

2 豐枯電價下的中長期水量優(yōu)化調度

豐枯電價是分時電價的一種,是指在豐水期將電價適當降低,在枯水期將電價適當提高,形成具有一定季節(jié)電量差價的電價結構。

目前實行豐枯季節(jié)電價的主要有重慶、四川、湖北、湖南和廣西省。如四川省每年6-9月為豐水期,1-4月和12月為枯水期,5月、11月為平水期,豐水期電價在基準電價上下浮10%,枯水期電價在基準電價上上浮20%。隨著水力發(fā)電比重逐漸增加,實行豐枯電價勢在必行。此外,南水北調東線工程建成后,基本上常年運行。根據(jù)豐枯電價的特征,盡可能地發(fā)揮南水北調工程作為電力大用戶的優(yōu)勢爭取有利的價格優(yōu)惠政策,可以明顯地降低南水北調東線工程中的調水成本,提高調水效益。

根據(jù)電價的季節(jié)性和水量需求的不均勻性,中長期水量調度分為年調度和月調度。其中,年調度以各個調水片預測年需水量為基礎,以月或旬為調度時段,綜合考慮各種調度目標和約束,研究年內(nèi)各月(或旬)水量的優(yōu)化配置方式。年調度根據(jù)豐枯電價的特性,以抽水電費最少為目標,得出初步調度方案,為月調度提供支持。月調度以年調水任務分解到每月的調水量為基礎,參考月預測需水量,并考慮月間的結轉水量,得出合理的月調水任務,然后根據(jù)一定規(guī)則將月調水任務細分到每天。中長期調度方案結構示意圖如圖1所示。

2.1 年調度方案

年調度的基本任務是制定年調水任務分配到每個月的方案。根據(jù)年需水量的不同情況,可采用以下兩種方案之一。①如果歷史同期年需水量變化不大,可以根據(jù)年同期典型調度曲線來分解年調水量。②基于各調水片蓄水量預測,保證完成年調水任務,綜合考慮泵站出力、水源可供水量、最低需水量和調水片供水保證率約束,以抽水電費最少或調水效益最大為目標建立調度模型,求解分配到各月的調水量。

2.2 月調度方案

當每個月的調水任務確定以后,月調度任務需要分解到調度月的每天完成?？筛鶕?jù)每月需水量情況不同,采用以下3種方案之一。①如果調度任務與歷史同期的需求水量相比變化不大,可以根據(jù)同期典型月調度曲線來分解月調水量。②把月調度水量平均分解到當月的每一天,然后根據(jù)實際調度中出現(xiàn)的情況調整調度曲線,結果用于形成調度經(jīng)驗庫,用于指導以后各月的調度。如果和供電公司簽訂的協(xié)議中有考慮平衡電力系統(tǒng)負荷的義務,則需要根據(jù)月度負荷的特性,在負荷水平較高時少用電,在負荷低谷時多用電,減小系統(tǒng)負荷峰谷差。③對調度月的日需水量進行預測,得出每月的日需水曲線,然后進行歸一化處理得出每日的需水比例,根據(jù)這個比例將月調度任務分解到每一天。

中長期水量調度是日水量調度的前提,在年預測需水量和月預測需水量的基礎上形成反映受水地區(qū)需水情況的需水曲線,并綜合考慮湖泊、河道和泵站的約束條件,按照抽水電費最少和調水效益最大的目標制定相應的水量優(yōu)化調度方案。當實際調度與調水方案不符合時,可采用月間結轉和月內(nèi)結轉的柔性調節(jié)方案,提高調度的靈活性,以保證年調度任務的順利完成。

2.3 算例研究

以江蘇省某區(qū)域的年調度方案為例,該地區(qū)年度調水任務為80億m³。假設根據(jù)豐枯電價政策,豐水期為6月-10月,豐水期電價在常規(guī)電價的基礎上下調10%;枯水期為1月-4月和12月,枯水期電價在常規(guī)電價的基礎上上浮15%;平水期為5月和11月,平水期電價為常規(guī)電價。以江蘇省現(xiàn)行10 kV的大工業(yè)電價作為平水期的電價,抽入和抽出泵站月最大供水能力分別為5億m³和4億m³。泵站機組年度檢修安排在枯水期,泵站在枯水期的供水能力為最大供水能力的70%。調水片泵站的平均揚程為6 m,抽水效率為74%。分別制定了常規(guī)電價政策下(不考慮豐枯電價政策)和豐枯電價政策下的年調水方案,詳見表1。豐枯電價下的年調水方案對應的抽水電費為0.989億元,常規(guī)電價下的調水方案對應的抽水電費為0.993億元。對比兩種方案,豐枯電價下的調水方案比常規(guī)電價下調水方案節(jié)省抽水電費4%,明顯減少了調水成本,提高了工程效益。

3 峰谷電價下的短期水量優(yōu)化調度

短期水量優(yōu)化調度是在中、長期水量優(yōu)化調度方案的基礎上,以日為調度周期,綜合考慮泵站、河道湖泊和生態(tài)環(huán)境等方面的約束,以抽水電費最少、棄水量最小和缺水量最小為目標,研究峰谷電價下的短期水量最優(yōu)調度方案,使之能夠實現(xiàn)調水量在日內(nèi)的逐時段最優(yōu)分配,對節(jié)省運行費用,降低調水工程的運營成本具有重大科學和現(xiàn)實意義[4]。

3.1 建立短期調度模型

3.1.1 目標函數(shù)

遵循中長期水量調度的各項調水原則,短期水量優(yōu)化調度是一個多水源、多用戶、多調節(jié)水庫的大系統(tǒng),如何協(xié)調各地區(qū)與各用水部門之間的矛盾,使工程發(fā)揮最大效益,是一個多目標決策問題[5-6]。結合峰谷電價的差異,選取抽水電費最少為主要目標,棄水量最小、缺水量最小為次要目標,建立三個目標函數(shù)。

3.1.2 水量平衡方程

由于調水過程要充分考慮湖泊的調蓄作用,可以將沿途五片湖泊作為調蓄水庫,考慮各片所屬湖泊在相鄰兩個時段的末庫容和初庫容之間的關系以及上下級湖泊間的水力關系,即:末庫容等于初庫容與入庫流量、上一級湖泊下泄到下一級湖泊的流量、河道和湖泊的天然徑流量和缺水量的總和減去出庫流量、棄水量、河道與區(qū)間的需水量和水量損失,可以得到各片湖泊在相鄰兩個時段的總水量平衡方程[6]。

3.1.3 約束條件

約束條件包括:機組功率約束、機組流量約束、蓄水庫容約束、棄水量約束、可供水量約束、需水量約束、各片各時段供水保證率約束、河道輸水流量約束、生態(tài)庫容約束、北調控制庫容約束和非負約束。

3.2 算法實現(xiàn)

峰谷電價下的短期水量優(yōu)化調度仿真算法的實現(xiàn)主要基于分時分片的思想,考慮各項約束條件,求得各片各時段的調入調出水量以及棄水量、缺水量,直到棄水和缺水控制在一個很小的范圍內(nèi),算法實現(xiàn)流程圖如圖2所示。

3.3 日調水方案

為了測試和檢驗在短期水量優(yōu)化調度中實行峰谷電價的優(yōu)越性,根據(jù)2006年7月1日開始實施的大工業(yè)峰谷電價,運用動態(tài)規(guī)劃法分別制定常規(guī)電價下和峰谷電價下最優(yōu)的短期日調水計劃,使工程所需抽水電費最少。為了滿足計算的需要,假設一個典型日五片區(qū)域的總調水量分別為1.2億m³和1.5億m³時,以抽水電費最少為目標函數(shù),各時段各片的調水量為決策變量,考慮機組過流,機組功率,機組揚程等一系列約束條件,按照兩重動態(tài)規(guī)劃法將總調水量分配到沿途的五片區(qū)域。

為了突出峰谷電價在短期水量優(yōu)化調度中的優(yōu)越性,算例重點分析了實行常規(guī)電價和峰谷電價時的差異。表2和表3分別給出了典型日五片區(qū)域的總調水量分別為1.2億m³和1.5億m³時,10 kV電壓等級的大工業(yè)常規(guī)電價和峰谷電價下的日調水計劃和抽水電費。其中,峰時段8:00~12:00,17:00~21:00,電價為0.937元,平時段12:00~17:00,21:00~24:00電價為0.562元,谷時段0:00~8:00,電價為0.247元。

從表中可以看出,當日調水量為1.2億m³和1.5億m³時,使用峰谷電價每天節(jié)省的電費分別為43.784萬元和42.6萬元,分別占常規(guī)電價下電費的34.64%和26.96%。隨著調水任務的增加,抽水所耗費的電量中平時段和峰時段的電量所占的比重將逐漸增加,工程效率將隨之有所降低。按照南水北調規(guī)劃的年運行時間200～250 d,與實行常規(guī)電價下的調度方案相比,峰谷電價下的調度方案每年節(jié)省下來的抽水電費將相當可觀,這樣既緩解了電力供應的峰谷差矛盾,又可以減少浪費,節(jié)約運行成本。

4 應用分時電價優(yōu)化水量調度的對策和建議

電價對南水北調東線調水成本影響較大,分時電價又是電價結構的重要形式。因此,在南水北調水量調度中,必須認真研究分時電價機制。

4.1 建立多模式分時電價下水量優(yōu)化調度模型

南水北調東線調度運行涉及多種因素,是一個復雜的系統(tǒng),需要建立優(yōu)化調度模型。模型庫子系統(tǒng)包括模型庫及模型庫管理系統(tǒng)。其中模型庫用來存儲輔助決策所需要的各種模型,這些模型按功能可分為:①預測模型。結合各地區(qū)城市和工農(nóng)業(yè)用水情況,根據(jù)需水量、來水量和各種相關資料,采用各種預測模型對各地區(qū)的生活需水、工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、生態(tài)與環(huán)境需水等方面分別進行預測,計算出未來各地區(qū)各時段的需水量,提供給實時調度模型。②優(yōu)化調度模型。 優(yōu)化調度模型是輔助決策系統(tǒng)的核心部分,包括豐枯電價下的中長期水量優(yōu)化調度模型、峰谷電價下的短期水量優(yōu)化調度模型以及枯水年份的聯(lián)合調度模型等。③評價決策模型。為協(xié)調好調水、防洪與航運的關系,本系統(tǒng)包括各類支持評價與決策的分析計算模型,即評價決策模型。具體包括:綜合指數(shù)評價模型、層次分析模型、風險決策模型、模糊綜合評判模型等。

模型庫管理系統(tǒng)是針對模型管理特殊要求而設計的專用軟件系統(tǒng),具備如下功能:對庫內(nèi)各模型進行統(tǒng)一管理,按功能需要進行模型維護、修改、組裝、聯(lián)接、生成等。實現(xiàn)模型庫與方案庫、數(shù)據(jù)庫、人機接口的聯(lián)結,負責新增模型的管理等。

4.2 以政府為主體,建立需求側管理資金,形成對供電公司、供水公司(用戶)相互聯(lián)系的電價補償機制

電價的確定是一個涉及政府、供電公司和用戶多方面利益的問題,江蘇省實行峰谷分時電價已有10年,但還需進一步完善,從公用事業(yè)部門產(chǎn)品定價的一般原理出發(fā),為了實現(xiàn)社會資源在電力用戶和供電公司之間的最優(yōu)配置,建議建立多模式分時電價補償機制。

任何一種分時電價的建立,供電公司都有一個由贏利到虧損的過程,這是分時電價引導用電的必然結果。這是由于分時電價的收益被計入了供電公司的正常收入,從而對供電公司產(chǎn)生了一種不利的導向:如果用戶不削峰填谷,供電公司反而能得到更高的收益。因此,供電公司一旦出現(xiàn)虧損之后,就會對分時電價政策產(chǎn)生抵觸情緒,從而影響了分時電價的執(zhí)行效果。

如果規(guī)定新的分時電價帶來的贏利(增收)部分不再計入供電公司的正常收入。用這筆資金建立供電公司開展需求側管理的“蓄水池”,即建立一種供電公司的補償機制。一旦供電公司執(zhí)行分時電價出現(xiàn)虧損的時候,就用這筆資金對供電公司進行補貼。這種方式表面上看,與現(xiàn)行供電公司先賺后虧的運行模式?jīng)]有什么區(qū)別,但它消除了供電公司執(zhí)行分時電價時的不利導向,更有利于分時電價的執(zhí)行效果。然而,一旦用戶的消費理念成熟之后,可能任何一種分時電價的設計都不可能造成供電公司贏利。因此,在這種情況下,政府就需要開辟另外一條補償資金的籌集渠道——隨電量征收需求側管理資金(國外稱能效基金),用以對供電公司的虧損補貼。

4.3 按照不同的負荷種類、季節(jié)性用電差別,制訂科學合理的峰谷分時、季節(jié)性價格體系

擴大峰谷電價執(zhí)行范圍,對不同用電類別執(zhí)行不同的分時電價。根據(jù)用電結構和負荷特點,調整行業(yè)分類,細分電力市場,逐步擴大峰谷分時電價執(zhí)行范圍。峰谷電價比例應在考慮電力企業(yè)的合理成本和利潤的前提下按價值規(guī)律確定,根據(jù)不同用電類別,執(zhí)行不同的峰谷電價標準,其比值可在2～5倍之間選擇。對于高峰電力短缺,峰谷差較大且可轉移負荷潛力較大的電網(wǎng),應考慮推行尖峰電價,如在現(xiàn)行峰谷電價的基礎上,高峰時段選取2～3 h作為尖峰時段,其電價為高峰電價的2倍。

根據(jù)用電負荷的季節(jié)性特征,出臺季節(jié)性浮動電價。季節(jié)性電價對抑制高峰用電負荷,緩解季節(jié)性的供需矛盾有很大作用。目前江蘇省的季節(jié)性供電緊張主要體現(xiàn)在冬夏兩季,因此可參照鐵道部在春節(jié)期間對火車票價上下浮動的做法,根據(jù)工業(yè)物價影響指數(shù)和電力短缺情況給常規(guī)電價一定的上下浮動空間,同時舉行電價聽證會并及時向社會公示。

基于電網(wǎng)峰谷特性的南水北調東線工程的水量優(yōu)化調度在市場經(jīng)濟條件下,根據(jù)電網(wǎng)峰谷特性和分時電價特點對水量調度進行優(yōu)化配置,從傳統(tǒng)的行政指令性調度向市場調度轉變。由于我國的電力市場與水市場仍在形成過程中,涉及的一些市場條件尚未成熟,因此本文的探究尚處于探索階段。在日漸成熟的市場經(jīng)濟條件下,如何實現(xiàn)南水北調東線工程水量優(yōu)化調度與管理,對南水北調工程的水資源分配,乃至對中國水資源的高效、合理和可持續(xù)利用,意義和難度都同等重大,是一項長期而艱巨的任務。

參考文獻:

[1] 水利部淮河水利委員會,水利部海河水利委員會.南水北調東線工程總體規(guī)劃報告[R].2001.

[2] 吳 瑋,周建中,楊俊杰,等.分時電價下三峽梯級電站在日前電力市場中的優(yōu)化運營[J].電網(wǎng)技術,2005,29(13).10-14.

[3] 胡福年,湯玉東,鄒 云.峰谷分時電價策略在江蘇電網(wǎng)的應用研究[J].華東電力,2006,34(9).16-18.

[4] 胡彥明.利用電網(wǎng)的峰谷電價實現(xiàn)泵站經(jīng)濟運行[J].水電廠自動化,2004,(2):97-100.

[5] 劉建林,馬 斌,解建倉,等.跨流域多水源多目標多工程聯(lián)合調水仿真模型-南水北調東線工程[J].水土保持學報,2003,17(1):9-13.

[6] 楊俊杰,周建中,方仍存,等.MOPSO算法及其在水庫優(yōu)化調度中的應用[J].計算機工程,2007,33(18).249-250.