王曉文，鐘曉宇

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

電力需求側(cè)管理中可中斷負荷的成本效益分析初探

王曉文，鐘曉宇

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

隨著電力市場的發(fā)展和電力體制改革的不斷深入，電力需求時間不平衡現(xiàn)象增加了電網(wǎng)運行的壓力和供需之間的矛盾，為了解決這一矛盾，電力需求側(cè)管理(DSM)越來越被大多數(shù)人所認同，并成為綜合資源規(guī)劃的重要組成部分?？芍袛嘭摵晒芾碜鳛樾枨髠?cè)管理的重要組成部分，其成本效益分析是能夠順利實施可中斷負荷措施的理論依據(jù)。通過分析五方收益成本模型，建立了五方成本收益關系圖，并以電網(wǎng)公司為例，根據(jù)可免成本理論，從可免成本和費用損失兩方面對電網(wǎng)公司進行了成本效益經(jīng)濟分析。

需求側(cè)管理(DSM)；可中斷負荷；成本效益

需求側(cè)管理(Demand Side Management)，通常簡稱DSM，最初源于世界能源消費第一位的美國。1973年第一次世界能源危機的爆發(fā)令美國意識到只從供求側(cè)出發(fā)很難滿足能源的需求，還應利用好需求側(cè)資源。在此背景下，1978年美國全國節(jié)能法案中正式提出了需求側(cè)管理，1981年美國學者C.W.Gellings首次提出了電力需求側(cè)管理概念。

DSM發(fā)展歷程主要有三個時期。第一時期是70年代期間的探尋和創(chuàng)建DSM機制時期。核心成果是1978年由美國聯(lián)邦政府出臺的“公眾電網(wǎng)公司管制法(PURPA)”和“全國節(jié)能法(NECPA)”，說明了節(jié)電更經(jīng)濟，為電網(wǎng)公司向拓展業(yè)務渠道和履行社會責任方面提供了依據(jù)。第二時期是80年代初期到90年代中期，是DSM快速發(fā)展階段。核心成果是由美國提出的綜合資源規(guī)劃(Integrated Resource Program，簡稱IRP)。第三階段就是90年代中期至今，電力需求側(cè)管理更側(cè)重用戶方，由于在電力市場中引進競爭以及改革初始階段存在不確定性，美國等少數(shù)國家形成了DSM投資下降趨勢[1]。

20世紀80年代后半段我國電力短缺現(xiàn)象嚴重，如今電力需求時間不平衡情況頻發(fā)，產(chǎn)生了高峰時段拉閘限電等一系列問題。我國自引入DSM以來,政府、電力部門及電力用戶均做出了大量的工作[2]，但仍有不足之處。以經(jīng)濟措施為例，大部分經(jīng)濟激勵措施多數(shù)是針對電力用戶的，對電網(wǎng)公司的經(jīng)濟效益研究還不夠深入，需要大力開展相關研究，以推進DSM發(fā)展。

1 需求側(cè)管理意義、內(nèi)容及方法

1.1 電力需求側(cè)管理的定義

電力需求側(cè)管理(DSM)，又稱電力需求方管理或負荷管理，意在能夠讓電力用戶參與到用電管理活動中，并充分開發(fā)電能潛在資源的一種管理方法和技術，在20世紀80年代初由美國提出。其實質(zhì)是：作為供應側(cè)的電力公司在政府政策法規(guī)的支持下和用戶的利益基礎上，采用有效的激勵和誘導措施，以及適宜的運作方式，在電網(wǎng)公司、項目執(zhí)行者和電力用戶間建立伙伴關系，協(xié)力提升用戶用電效率和改善用電方式，在保證用戶正常用電的前提下減少電量消耗和電力需求，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和低成本電力服務目的用電管理活動[3-6]。

從上述定義中不難看出，電力需求側(cè)管理具有如下特點(性質(zhì))：

1)電力需求側(cè)管理是在滿足正常用電的同時減少電量消耗和電力需求，以最終達到合理利用能源、節(jié)能環(huán)保、實現(xiàn)各方受益的目的。

2)參與到需求側(cè)管理中的各方：在制定和實施電力需求側(cè)管理所涉及的相關政策過程中起主導作用的是政府方；電力需求側(cè)管理計劃的主要承擔者和主要執(zhí)行者是電力公司方；電力需求側(cè)管理中的主要協(xié)調(diào)方是能源公司及電力中介機構，起著至關重要的支持作用；終端節(jié)能節(jié)電的主體和提高能效的主要實施者是電力用戶方，也是電力需求側(cè)管理整體推動的主要貢獻者，更是建立節(jié)約型社會的直接參與者。

1.2 實施電力需求側(cè)管理的任務和意義

電力需求側(cè)管理是綜合資源規(guī)劃(Integrated Resource Program,IRP)的一項主要內(nèi)容，DSM是作為一個新概念納入IRP的。由于電力需求側(cè)管理的首要任務是節(jié)約電力和節(jié)約電量，因此主要考慮兩部分內(nèi)容：首先，使電網(wǎng)負荷峰值得以降低，用最少的裝機容量達到系統(tǒng)電力平衡；其次，要盡可能減少系統(tǒng)發(fā)電量和發(fā)電燃料的使用。電力系統(tǒng)只有具備相適應的發(fā)供電能力和發(fā)供電量，才能滿足各類用戶的用電需求。

實施電力需求側(cè)管理對社會、政府、發(fā)電商、供電商和用戶都具有顯著效益，是綜合利用資源的有效管理辦法。

1)對社會的意義。一方面，電力需求的下降減少了污染物的排放和一次能源的使用，從而緩解環(huán)境壓力；另一方面，減少社會資源和自然資源的消耗，使社會的可持續(xù)發(fā)展得以實現(xiàn)。

2)對政府的意義。增加對高效設備的需求，合理配置電力資源，降低單位GDP的能耗。

3)對供電商的意義。減少電網(wǎng)處于負荷高峰時段的調(diào)峰壓力，保證電網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟性和可靠性。

4)對發(fā)電商的意義。通過提升發(fā)電設備利用率來降低發(fā)電成本和煤耗，使電廠少建或緩建。

5)對電力用戶的意義。通過改變企業(yè)生產(chǎn)方式來降低經(jīng)營成本，從而減少電量消耗和電力需求。

特別是在火電建設減緩的背景下，通過電力需求側(cè)管理降低電網(wǎng)最大負荷、提高負荷率，對有效加速電力資源的優(yōu)化配置和實現(xiàn)社會、政府、發(fā)電商、供電商、電力用戶“多贏”的目標[7]更具現(xiàn)實意義。

1.3 電力需求側(cè)管理的主要措施

DSM管理的技術措施對電力公司來說包括節(jié)約電量技術和節(jié)約電力技術。節(jié)約電量技術，是指通過采用高效節(jié)能用電設備，并對用戶用電行為加以指導，以實現(xiàn)節(jié)約用電的技術。其分為以下幾個方面：照明方面、電動機方面、制冷空調(diào)和變配電方面；節(jié)約電力技術，指用戶的用電方式通過負荷管理來改變，以實現(xiàn)節(jié)約電力的技術。其共有以下幾種技術：削峰技術；填谷技術；移峰填谷；能源替代運行。圖1是電力需求側(cè)管理中的6種負荷改變目標：削峰、填谷、負荷轉(zhuǎn)移、策略性節(jié)點、策略性發(fā)電、柔性負荷。

電力需求側(cè)管理的經(jīng)濟措施指通過經(jīng)濟政策激勵電力用戶主動改變自己的用電方式。以電價制度為例，包括電價水平、電價結構等?？芍袛嘭摵蓮碾娋W(wǎng)公司的運行調(diào)度角度來說是技術措施，從用戶的角度來說是經(jīng)濟措施。

圖1 負荷管理目標

2 實施可中斷負荷措施的成本效益分析

2.1 可中斷負荷管理和實踐情況

可中斷負荷管理因其能夠利用電力用戶用電的可調(diào)整性來減少負荷高峰時段的供電壓力和發(fā)電容量的投資，成為了電力需求側(cè)管理的重要組成部分。2002年，江蘇開展了可中斷負荷的試點工作。2003年，河北省通過可中斷負荷管理解決了200萬kW電力缺口當中的30萬kW缺口。2007年，北京地區(qū)高峰容量缺口20萬kW，政府在保證居民正常用電的同時，對用電高峰期間的工業(yè)用戶采取1.00元/kWh中斷補償標準的可中斷管理。從我國負荷管理的實踐情況上能夠發(fā)現(xiàn)，我國可中斷電價正由缺乏市場靈活性的固定賠償向考慮用戶主觀性的市場化轉(zhuǎn)變，由于可中斷電價滿足這種轉(zhuǎn)變要求且具有很好的靈活性，所以將峰谷分時電價與工業(yè)可中斷電價相結合可以發(fā)揮更好的作用。

2.2 可中斷負荷規(guī)劃過程及需要考慮的問題

電力公司和用戶簽署的可中斷合同是實施可中斷負荷規(guī)劃的前提。負荷規(guī)劃主要過程有：供電區(qū)域負荷分析；選擇可中斷負荷目標；設計、實施和評價可中斷電價。

可中斷負荷是否能夠成為峰荷管理的有效途徑取決于以下幾個方面：

1)用戶從電力公司提供的短期電價和實時電價中所得到的補償；

2)從可中斷負荷項目中獲得的總利益；

3)為滿足電力用戶的正常用電需求，因未實施可中斷負荷所要新建電廠的巨額費用和電廠的運行維護費用，并確定從長遠來看因新建電廠的減少而帶來的長期利益；

4)負荷特性、負荷成本特性、負荷持續(xù)時間；

5)發(fā)電和網(wǎng)絡特性，包括電廠的發(fā)電成本C(P)=a·p·p+b·p+c及線路在各負荷時的網(wǎng)損。其中，a、b為成本常系數(shù)，a·p·p+b·p為可變成本，包括燃料費用、購電費用等隨出力變化而變化的費用；c為固定成本，包括員工工資、福利等不隨出力變化而變化的費用；p為電網(wǎng)出力。

2.3 可中斷負荷措施各方參與者成本效益分析

2.3.1 電網(wǎng)公司成本效益分析

電網(wǎng)公司在采取可中斷負荷時應能夠獲得一定效益，此效益不能低于其成本支出。電網(wǎng)公司的益本數(shù)學模型分別為

(1)

(2)

式中，Bu、Cu為電網(wǎng)公司的總效益和總成本；ΔQi為第i年可中斷負荷措施的實際中斷量；CAi為第i年可中斷負荷措施的避免成本；ΔPi為第i年實施可中斷負荷措施時的峰谷電價差；FMi為第i年可中斷負荷措施的管理成本，通常令其為設備費用的1個比例值；Ii為第i年提供給參與方的優(yōu)惠電費；Ki為第i年的現(xiàn)值系數(shù)；N為可中斷負荷實施的年數(shù)。

2.3.2 用戶成本效益分析

用戶效益由2部分組成：分別為每年用電消費的減少和所得的電費折扣。用戶成本由3部分組成：分別為所使用設備的初投資成本、運行和維修所增加費用、提供給工人的加班補貼費等，其數(shù)學模型為：

(3)

(4)

式中，BP、CP分別為用戶的總效益和總成本；FPi為用戶在第i年的直接費用。

2.3.3 非參與者的界定

因為非參與者自身不存在成本支出，所以對非參與者的益本分析通常是驗證性評價，但仍然需考慮實施可中斷負荷對非參與者的影響。在實施可中斷負荷措施過程中，電網(wǎng)公司要擔負向用戶提供的優(yōu)惠和相關項目的管理費用，直接費用應包括電網(wǎng)公司因?qū)嵤┝丝芍袛嘭摵纱胧┒鴮е率垭娛杖肷系膿p失。與這種“損失”相比，電網(wǎng)公司的效益等同于用戶因用電消費下降而帶來的電力供應成本[8]的節(jié)約。顯而易見，對于某一供電區(qū)域，可中斷負荷和可中斷電量均確定后，只要當Bu-Cu≥0時，電網(wǎng)公司就能在不依靠電力用戶(含非參與者)的前提下，在自身內(nèi)部將可中斷負荷的直接費用抵消掉，除規(guī)定的用戶外，其他用戶為非參與者。否則，需要將一部分非參與者發(fā)展為參與者，才能保證此可中斷負荷通過了“無受損測試”，實現(xiàn)為用戶提供最低成本能源服務的目的。其數(shù)學模型為：

(5)

(6)

2.3.4 發(fā)電公司成本效益分析

目前，我國實行廠網(wǎng)分開的電力體制，所以要分別計算發(fā)電公司和電網(wǎng)公司的成本效益。與電網(wǎng)公司不同，發(fā)電公司在實施可中斷負荷時設備投入成本可忽略不計。在假設發(fā)電公司發(fā)電成本不變的前提下，其成本為參與可中斷負荷措施前后上網(wǎng)電費的減少。發(fā)電公司的效益也是可避免成本，則有：

(7)

(8)

式中，ΔPfi為發(fā)電公司在第i年的上網(wǎng)峰谷電價差；ΔCAfi為發(fā)電公司在第i年的可避免成本。

2.3.5 社會成本效益分析

社會方的成本效益分析可由全部資源的成本效益分析來代替，又因社會內(nèi)部轉(zhuǎn)移費用(如電力用戶電力消費的節(jié)約和獲得的電價優(yōu)惠)能夠在自身內(nèi)部抵消，不加考慮，所以社會方的成本效益數(shù)學模型為：

(9)

(10)

式中，BS、CS分別為全部資源的總收益和總成本。

實施可中斷負荷管理各方的成本效益關系圖如圖2所示。

圖2 實施IL各方成本效益關系

圖2中各方箭頭流出方向為成本，流入方向為效益，圖中各字母代表內(nèi)容如下：

1)購置初始設備差額投資成本及缺點成本；

2)對用戶實施IL并進行電價優(yōu)惠及補貼費用；

3)實施IL的項目管理費用和減少的售電收入；

4)因?qū)嵤㊣L而導致上網(wǎng)后較少的電費收入；

5)因?qū)嵤㊣L而導致的免運行成本和免投資成 本；

6)導致供電公司減少的購電量和購電成本；

7)延緩電廠建設投資和可避免發(fā)電成本(包 括減少使用的一次能源)；

8)通過可中斷量來反映對環(huán)境改善的效益；

9)實施可中斷負荷的全部費用(不包括社會內(nèi)部轉(zhuǎn)移費用)

通過以上數(shù)學模型和各方成本效益關系可以得知，只有當所有參與方的益本比(benefit-cost ratio，BCR)均不小于1時，才說明各方中無任何一方因參與可中斷負荷管理而虧損，即此可中斷負荷管理是可行的，而影響益本比的2個關鍵因素就是電價優(yōu)惠率和用戶參與率，且此時的優(yōu)惠率和參與率為臨界優(yōu)惠率和參與率，即為最優(yōu)情況。其中發(fā)電公司方的益本比雖然是不變的，但要用其成本效益來衡量社會的成本效益。根據(jù)優(yōu)惠率、參與率與各方益本比的數(shù)學關系，可進行仿真找出任意算例的臨界優(yōu)惠率和參與率。我國的電力體制改革正處于過渡階段，故可以通過在中斷時段的電價上乘以優(yōu)惠率和中斷電量來反映給予用戶的電價優(yōu)惠。電力用戶可中斷負荷措施的參與率與其獲得的補貼、措施的實施程度、市場信譽的好壞等非經(jīng)濟因素有關。同時，用戶的整體成本可由相應數(shù)值乘以用戶參與率來反映。

2.4 基于可免成本理論的電網(wǎng)公司實施可中斷負荷的成本效益分析

電網(wǎng)公司和發(fā)電公司成本包括系統(tǒng)裝機成本、發(fā)電運行成本、輸配電設備的投資、運行成本和因總售電收入損失的費用。因此，需要分析發(fā)電機組和輸配電系統(tǒng)在可中斷負荷措施中的可免運行成本和可免設備投資成本。

2.4.1 可免運行成本分析

可免運行成本是指電力系統(tǒng)運行在是否實施可中斷負荷的2種情況下的成本差。具體地說，通過使機組在更優(yōu)化的方式下運行來產(chǎn)生費用的節(jié)約，即可免運行成本。發(fā)電公司的可免運行成本要分別從長期計劃和短期計劃兩方面考慮。前者需考慮可免運行成本，后者除考慮可免運行成本外，還需考慮可免投資成本。對于電力公司而言，可免運行成本主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)的運行調(diào)度上，等于有無可中斷負荷時的運行成本差額再減去實施可中斷負荷措施后的總售電收入損失。實施可中斷負荷具有優(yōu)化系統(tǒng)負荷曲線、減小調(diào)峰壓力、降低系統(tǒng)運行成本和提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點?？擅膺\行成本數(shù)學模型流程如圖3所示。

圖3 可免運行成本

2.4.2 可免投資成本分析

在是否實施可中斷負荷措施的2種情況時的投資現(xiàn)值差額稱為可免投資成本，在實施可中斷負荷過程中，對電網(wǎng)公司而言，通過實施電價刺激措施來降低負荷峰值，提高負荷率，從而在不影響系統(tǒng)可靠性的前提下減少了輸配電設備的投資。對于發(fā)電公司而言，可有效減少或推遲峰荷裝機容量，即減少了發(fā)電設備的投資。雙方在設備投資方面均產(chǎn)生成本節(jié)約，即雙方的可免投資成本。優(yōu)惠電價是根據(jù)可免運行成本和可免投資成本進行設計的。圖4為可免投資成本的估算流程圖。

圖4 可免投資成本估算

根據(jù)可免運行成本和可免投資成本來設計給予用戶的電價折扣[9]。

2.4.3 電網(wǎng)公司的費用和損失分析

電網(wǎng)公司在實施可中斷負荷措施時，需要一定的相關技術支持，如自動化技術等。通過這些技術支持使電網(wǎng)公司通過和電力用戶之間建立的控制通訊系統(tǒng)來實現(xiàn)提前通知用戶負荷中斷等事宜。電網(wǎng)公司還需要一部分運行管理費用，來保證可中斷負荷措施的有效實施，如通過工作人員與相關方制定合同等費用。

另一方面，在實施可中斷負荷措施后，電網(wǎng)公司的售電量可能會因電力用戶的用電方式的變化而變化，加之電網(wǎng)公司給予用戶的電價折扣，會給電網(wǎng)公司帶來售電收入損失，而售電收入損失隨著電價折扣率的增大而增大，當電價折扣大到某一值時，電網(wǎng)公司實施可中斷負荷措施的成本(投資+管理費+售電收入損失)將等于其收益。

由此可見，電價折扣率存在一個最優(yōu)值，這個最優(yōu)值可以由上述的電網(wǎng)公司成本效益分析中的益本比來確定。

3 結 語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力工業(yè)也發(fā)生了顯著地變化，無論是產(chǎn)業(yè)結構、發(fā)電容量還是用戶側(cè)的電力需求，這些變化都是全方位的。其中，負荷需求的增長壓力越來越突出，一次能源存儲量不容樂觀，環(huán)境污染現(xiàn)像愈加嚴重。在這種大環(huán)境下，國家對火電廠的投產(chǎn)建設出臺了限制政策，可中斷負荷的相關研究需要引起國內(nèi)外有關專家的高度重視。

通過實施可中斷負荷措施，使電力用戶不再被動地接受電力供應，而是參與到電力調(diào)節(jié)中去，是電力用戶在需求側(cè)為電力系統(tǒng)提供“負瓦數(shù)”?？芍袛嘭摵傻膶嵤┠軌蚱胶飧鞣嚼?，合理分配社會資源，改善負荷曲線，緩解調(diào)峰壓力，提高負荷率，彌補高峰負荷容量缺口，能夠使用戶、發(fā)電商、供電商、政府和社會達到共贏的目的。

在可中斷負荷的成本效益研究當中，仍存在以下幾方面的問題和不足：對于分析可中斷負荷中非參與者成本效益所涉及的數(shù)學模型與分析電網(wǎng)公司成本效益時的數(shù)學模型不是完全相同的，這樣在對非參與者益本比進行仿真時可能會帶來影響，所以可以嘗試利用非參與者的效益成本差值進行分析；對于電網(wǎng)公司方，可能因其他技術支持的不足，造成用戶和電網(wǎng)公司之間的用電信息不匹配現(xiàn)象；對于用戶方，用戶本身參與可中斷負荷措施的積極性不足，也是造成電網(wǎng)公司和用戶間用電信息不匹配現(xiàn)象的原因之一；在實施可中斷負荷措施時，因電力市場改革還不夠深入，會帶來多方面的阻礙，如政策阻礙等。在未來的時間里，應針對以上存在的問題和不足，通過對模型的仿真和對相關措施的實踐，在政府相關政策的保證下，使可中斷負荷措施更深入發(fā)展。

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(責任編輯 佟金鍇 校對 張 凱)

Cost-benefit Analysis of Interruptible Load in Demand Side Management

WANG Xiao-wen,ZHONG Xiao-yu

(School of Electrical Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

With the development of the electricity market and the deepening of electric power system reform,electricity demand imbalance increases the power grid operation pressure and contradictions between supply and demand.In order to resolve this contradiction,power demand side management (DSM) is increasingly being recognized by most people,and becoming an important part of integrated resource planning.As an important part of the demand side management,the cost-benefit analysis is the theoretical basis for the smooth implementation of the load management.By analyzing the five benefits costs model,the five cost-benefit relationship had been established,and the cost-benefit analysis for the power grid corporation had been carried out from two aspects of the cost and expense loss according to the cost-free theory.

Demand side management (DSM); Interruptible load; Cost-benefit

2016-10-31

王曉文(1966-)，女，遼寧錦州人，教授，碩士生導師，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.01.009

TM732

A

1673-1603(2017)01-0043-07