廖烽然，程秀娟，劉曉娜，康學(xué)通

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，山東煙臺(tái)264000）

峰谷分時(shí)電價(jià)建模策略綜述

廖烽然，程秀娟，劉曉娜，康學(xué)通

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，山東煙臺(tái)264000）

峰谷分時(shí)電價(jià)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(shí)段并制定電價(jià)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(jì)峰谷分時(shí)電價(jià)方案是確保其順利實(shí)施的關(guān)鍵。針對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)決策模型進(jìn)行綜述，對(duì)其在國(guó)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(shí)電價(jià)模型，總結(jié)分時(shí)電價(jià)的不同建模方法，最后展望峰谷分時(shí)電價(jià)的未來發(fā)展方向。

峰谷分時(shí)電價(jià)；需求側(cè)管理；削峰填谷；電力市場(chǎng)

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(zhǎng)。而用戶用電時(shí)段較為集中，造成電網(wǎng)峰谷差較大，從而電網(wǎng)在低谷時(shí)期大量機(jī)組閑置，高峰時(shí)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(shí)電價(jià)的經(jīng)濟(jì)手段。

峰谷分時(shí)電價(jià)通過引導(dǎo)用戶改變用電時(shí)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(jià)，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(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)的關(guān)鍵在于合理劃分峰谷時(shí)段和確定各時(shí)段電價(jià)。否則，如果峰谷分時(shí)電價(jià)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(shí)段劃分模型

合理劃分峰谷時(shí)段是保證分時(shí)電價(jià)順利建模和實(shí)施的前提?，F(xiàn)有文獻(xiàn)一般通過評(píng)估用戶需求響應(yīng)，將1個(gè)周期劃分為峰、平、谷時(shí)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(jì)算負(fù)荷曲線上各點(diǎn)分別處于峰、谷時(shí)段的可能性，進(jìn)而劃分時(shí)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(shí)段區(qū)間。但分時(shí)電價(jià)時(shí)段區(qū)間不是一成不變的，而應(yīng)該根據(jù)分時(shí)電價(jià)實(shí)施后用戶響應(yīng)效果及時(shí)調(diào)整時(shí)段區(qū)間，達(dá)到分時(shí)電價(jià)效果最優(yōu)。文獻(xiàn)［5］考慮了分時(shí)電價(jià)實(shí)施后的用戶響應(yīng)，通過評(píng)估電力用戶在各時(shí)刻點(diǎn)的響應(yīng)程度，提出時(shí)刻點(diǎn)的響應(yīng)度屬性指標(biāo)，進(jìn)而合理調(diào)整時(shí)段劃分。

2 峰谷分時(shí)電價(jià)模型

2.1 基于用戶響應(yīng)的峰谷分時(shí)電價(jià)模型

峰谷分時(shí)電價(jià)能夠成功實(shí)行的關(guān)鍵在于正確、及時(shí)地反映成本和供求關(guān)系，因此研究分時(shí)電價(jià)模型的重點(diǎn)之一是用電需求對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)規(guī)律。國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)對(duì)基于用戶響應(yīng)的分時(shí)電價(jià)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(jià)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(duì)分時(shí)電價(jià)反應(yīng)度分析的分時(shí)電價(jià)模型。通過優(yōu)化DSM的目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)的分時(shí)電價(jià)定價(jià)策略。文獻(xiàn)［6］針對(duì)我國(guó)不具備實(shí)行實(shí)時(shí)電價(jià)和競(jìng)價(jià)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(shí)電價(jià)模型，該模型通過用戶對(duì)分時(shí)電價(jià)的反應(yīng)來考慮電價(jià)對(duì)負(fù)荷的控制作用。但僅對(duì)峰谷時(shí)段的電價(jià)進(jìn)行研究建模，而沒有考慮平時(shí)段的電價(jià)確定方法。

文獻(xiàn)［7］提出利用市場(chǎng)清除價(jià)（market clearing price，MCP）計(jì)算平均購(gòu)電電價(jià)，進(jìn)而確定平時(shí)段電價(jià)。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(shí)的分時(shí)電價(jià)模型。

基于用戶響應(yīng)的分時(shí)電價(jià)模型多從用戶消費(fèi)心理考慮用戶對(duì)分時(shí)電價(jià)的反應(yīng)和影響，沒有考慮到用戶需求彈性對(duì)電價(jià)均衡的作用。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論可知，用戶對(duì)電價(jià)的響應(yīng)會(huì)受到用戶的需求價(jià)格彈性影響，因此為準(zhǔn)確反映用戶對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)，文獻(xiàn)［9］提出電價(jià)彈性矩陣概念來描述電力需求價(jià)格彈性。文獻(xiàn)［10-11］提出利用電力需求價(jià)格彈性矩陣建立峰谷分時(shí)電價(jià)模型。電力需求價(jià)格彈性矩陣可反映出用戶用電量相對(duì)變動(dòng)和電價(jià)相對(duì)變動(dòng)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(duì)分時(shí)電價(jià)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(cè)準(zhǔn)確的用戶響應(yīng)情況，需要根據(jù)分時(shí)電價(jià)實(shí)施后的用戶響應(yīng)效果不斷優(yōu)化分時(shí)電價(jià)模型，是一個(gè)長(zhǎng)期不斷的調(diào)整過程。鑒于此，文獻(xiàn)［12］在分時(shí)電價(jià)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(jià)需求彈性系數(shù)，并考慮了實(shí)施分時(shí)電價(jià)后供電側(cè)和用戶側(cè)的風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估，建立了峰谷分時(shí)電價(jià)的二級(jí)優(yōu)化模型，利用風(fēng)險(xiǎn)閾值選出最優(yōu)分時(shí)電價(jià)方案。

基于用戶響應(yīng)的分時(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)實(shí)施后各時(shí)段的負(fù)荷量，其中，t=1，2，…，T；T為劃分時(shí)段數(shù)量；xf、xp、xg分別表示峰、平、谷時(shí)段的電價(jià)。

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

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

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

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

分時(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)實(shí)施前的電價(jià)；Ppret為t時(shí)段的平均負(fù)荷。

分時(shí)電價(jià)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(shí)段的平均負(fù)荷；xf、xp、xg分別為峰、平、谷時(shí)段的電價(jià)。

實(shí)施分時(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)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(shí)段電網(wǎng)邊際成本。

基于用戶響應(yīng)的分時(shí)電價(jià)建?？捎行Х从撤謺r(shí)電價(jià)的合理性和正確性，但用戶的響應(yīng)行為還會(huì)受到其他很多因素的影響［14］，如心理、決策機(jī)制、市場(chǎng)規(guī)則、響應(yīng)的時(shí)滯性等，而且用戶類型日益多樣化，不同類型的用戶對(duì)分時(shí)電價(jià)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(dòng)的分時(shí)電價(jià)模型

基于需求響應(yīng)的分時(shí)電價(jià)模型可通過電價(jià)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(shí)電價(jià)模型中考慮發(fā)電側(cè)、供電側(cè)和需求側(cè)的分時(shí)電價(jià)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，通過各環(huán)節(jié)價(jià)格信號(hào)傳遞來引導(dǎo)負(fù)荷分布、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和分配各部分利益。

為研究發(fā)電側(cè)和售電側(cè)分時(shí)電價(jià)聯(lián)動(dòng)問題，需首先研究發(fā)電側(cè)分時(shí)電價(jià)方案設(shè)計(jì)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(dòng)成本，采用兩部制電價(jià)制定發(fā)電側(cè)峰谷分時(shí)電價(jià)；文獻(xiàn)［17］綜合考慮發(fā)電側(cè)和售電側(cè)平衡分配分時(shí)電價(jià)利益的問題，提出分時(shí)電價(jià)聯(lián)動(dòng)模型；文獻(xiàn)［18］根據(jù)市場(chǎng)出清電價(jià)，建立了發(fā)電側(cè)和供電側(cè)聯(lián)動(dòng)的分時(shí)電價(jià)模型。

考慮到發(fā)電側(cè)和售電側(cè)實(shí)施分時(shí)電價(jià)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(shí)段劃分和峰谷電價(jià)調(diào)整幅度研究發(fā)電側(cè)分時(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)聯(lián)動(dòng)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(rùn)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(rùn)約束條件中設(shè)置了環(huán)境價(jià)值參數(shù)，來評(píng)價(jià)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(shí)電價(jià)聯(lián)動(dòng)模型大多為靜態(tài)模型，但發(fā)電側(cè)和供電側(cè)的分時(shí)電價(jià)受成本、用戶需求、負(fù)荷等的影響，是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程。文獻(xiàn)［20～21］利用博弈信號(hào)傳遞理論，建立發(fā)電側(cè)和需求側(cè)分時(shí)電價(jià)動(dòng)態(tài)博弈聯(lián)動(dòng)模型，通過動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)均衡實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)效益在各參與方的分配。

2.2.1 發(fā)電側(cè)分時(shí)電價(jià)模型

對(duì)于發(fā)電側(cè)來說，分時(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)以自身利益為指標(biāo)，計(jì)算各時(shí)段報(bào)價(jià)，再通過各電廠競(jìng)價(jià)最終確定發(fā)電側(cè)電價(jià)。目標(biāo)函數(shù)為

式中：xGEi分別為峰、平、谷時(shí)段的發(fā)電側(cè)分時(shí)電價(jià)；Pi為i時(shí)段的成交電量；BGE為分時(shí)電價(jià)實(shí)施后發(fā)電側(cè)電源緩建的效益；CGEi為i時(shí)段單位電量發(fā)電成本。發(fā)電側(cè)的約束條件包括：競(jìng)價(jià)報(bào)價(jià)約束

若發(fā)電商報(bào)價(jià)大于有效報(bào)價(jià)，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(shí)電價(jià)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(shí)段的需求側(cè)分時(shí)電價(jià)；BTD為分時(shí)電價(jià)實(shí)施后電網(wǎng)緩建的效益；CTDi為i時(shí)段單位輸配電成本。

供電側(cè)約束條件為：

政府對(duì)電價(jià)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(jià)；Ib為線路b的負(fù)荷；為線路b最大載荷量。

需求側(cè)電價(jià)和用電量的關(guān)系約束。考慮到各時(shí)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(jià)變化影響，各時(shí)段總電量只會(huì)在一定范圍內(nèi)變化。

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

2.2.3 用戶反應(yīng)模型

用戶根據(jù)供電側(cè)制定的分時(shí)電價(jià)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(jià)格反應(yīng)作為約束條件，用第n次需求側(cè)分時(shí)電價(jià)與第n次聯(lián)動(dòng)博弈優(yōu)化前后用電量的關(guān)系來表示。

2.2.4 電價(jià)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)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(jì)算得到最優(yōu)發(fā)電側(cè)分時(shí)電價(jià)和最優(yōu)供電側(cè)分時(shí)電價(jià)。

用戶根據(jù)需求側(cè)分時(shí)電價(jià)模型確定分時(shí)電價(jià)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(shí)電價(jià)，進(jìn)入新一輪電價(jià)聯(lián)動(dòng)博弈，并在分時(shí)電價(jià)制定時(shí)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(shí)電價(jià)和用戶的需求響應(yīng)相互影響，直至動(dòng)態(tài)平衡。

3 結(jié)語

峰谷分時(shí)電價(jià)時(shí)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(shí)電價(jià)的實(shí)施效果與分時(shí)電價(jià)設(shè)計(jì)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(duì)分時(shí)電價(jià)研究成果進(jìn)行了綜述。分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分是進(jìn)行分時(shí)電價(jià)定價(jià)的基礎(chǔ)，合理地劃分時(shí)段有助于分時(shí)電價(jià)的成功實(shí)施，但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分研究較少。用戶響應(yīng)是制定分時(shí)電價(jià)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(duì)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(shí)電價(jià)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(jì)量、電費(fèi)電價(jià)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(dòng)化及計(jì)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(jià)管理方面的工作。