黃志恒，鄧雪微

（廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州510006）

0 引言

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的目標和方向，于21世紀初提出并至今一直引領電網(wǎng)的發(fā)展。智能電網(wǎng)的定義和描述隨不同地區(qū)電力系統(tǒng)發(fā)展的差別而不同。美國提出了定義智能電網(wǎng)的6個主要特點[1]；歐洲提出了智能電網(wǎng)的前景[2]；中國也提出了“堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃[3]。智能電網(wǎng)盡管在不同國家的定義不同，但在機制和技術上有部分共同的定義如下：

1）需求響應：需求響應是滿足能源需求的寶貴資源。通過降低能源需求的高峰，降低建造發(fā)電機組的需求[4]。

2）智能電表：一種具有自動測量服務的先進電表，可以在用戶和電力公司之間雙向高頻通信[5]。

3）分布式能源：分布式能源是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，一般包括分布式發(fā)電[6-7]和分布式儲能[8-9]。

4）電動汽車：智能電網(wǎng)需要滿足的一種帶有“移動”屬性的特殊智能用電終端，同時又可以為智能電網(wǎng)提供V2G服務[10]。

按照用戶不同的響應方式將電力市場下的需求響應分為兩類：基于時間的需求響應和基于激勵的需求響應?；跁r間的需求響應也稱為基于價格的需求響應，是指用戶根據(jù)收到的價格信號相應地調整電力需求，包含分時電價響應、實時電價響應、尖峰電價響應等?；诩畹男枨箜憫侵赣脩粼谙到y(tǒng)需要時主動減少電力需求以獲得補償，包含直接負荷控制、可中斷負荷、需求側競價和緊急電力需求響應等。美國電力市場環(huán)境開放，是目前世界上實施需求響應項目最多，種類最齊全的國家，有3種典型的商業(yè)運作模式：政府直接管理模式、電網(wǎng)公司管理模式和獨立第三方管理模式。歐洲共有8大區(qū)域性電力市場，各自有不同的市場規(guī)則及技術標準，沒有一個整體性的需求響應實施計劃，且各國開展的需求響應項目主要依據(jù)各自制定的方案和規(guī)則。中國需求響應的發(fā)展還主要是需求側管理，市場化不強，用戶參與度很低，多側重于行政手段，“有序用電”是中國的主要原則，特別在迎峰度夏期間。

分時電價根據(jù)電網(wǎng)的負荷變化情況，將每天劃分為谷段、平段、峰段等多個時段，對各時段分別制定不同的電價水平，以鼓勵用戶合理安排用電時間，實現(xiàn)削峰填谷，提高電力資源的利用效率，是世界范圍內最受歡迎的需求響應措施。但在傳統(tǒng)的分時電價模式下，區(qū)域內所有用戶（或多個行業(yè)）的分時電價是相同的，這使大部分用戶都將負荷集中轉移到同一時間段，減弱了“削峰填谷”的效果。

為了提高傳統(tǒng)分時電價“削峰填谷”的效果，本文提出一種互補式電價機制（compensated pricing scheme，CPS），改善地區(qū)負荷特性。本文介紹了CPS的機制原理和框架，給出了系統(tǒng)和用戶的效益分析方法，最后用IEEE 33-bus系統(tǒng)驗證了CPS的有效性。

1 CPS的機制原理

為了提高傳統(tǒng)分時電價“削峰填谷”的作用，電力系統(tǒng)可以為大用戶引入一種新的電價機制CPS。在CPS下，根據(jù)用戶的意愿，將系統(tǒng)用戶分成兩大組，分別是不參與CPS的主負荷和參與CPS的輔助負荷。主負荷用電行為保持不變，而輔助負荷由兩個用戶組成，其接受由系統(tǒng)所定制的互補電價，相應地改變自身用電行為，也一定程度上改善了系統(tǒng)負荷特性，系統(tǒng)購電成本降低。而所定制的互補電價，具有特點：既能使得輔助負荷的電費降低，又能使系統(tǒng)得到收益。CPS的實現(xiàn)過程需要考慮以下步驟：

1）實施的適用性分析。CPS旨在解決負荷過度集中轉移的問題。適合實施CPS的區(qū)域需要其日負荷曲線呈現(xiàn)出負荷過度集中轉移的特點。否則，實施傳統(tǒng)分時電價將更加合適。

2）輔助負荷選取。系統(tǒng)需要選取出能促進改善負荷特性的用戶作為輔助負荷，并且與用戶協(xié)商參與CPS的條件。

3）電價線形的制定。當選取出輔助負荷作為CPS的參與對象后，系統(tǒng)需要根據(jù)輔助負荷的負荷特性，制定好電價線形。

4）用戶最優(yōu)行為的獲取。當給定電價線形后，用戶以最小化電費為目標優(yōu)化其用電行為，這種優(yōu)化后的行為稱為最優(yōu)行為。系統(tǒng)可與用戶進行協(xié)商，最優(yōu)行為可由用戶自行獲取，或用戶將設備數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)，由系統(tǒng)找出在給定電價線形下用戶的最優(yōu)行為。

5）利益攸關方成本效益分析?；谟脩臬@取的最優(yōu)行為，系統(tǒng)為自身和用戶進行成本效益分析。

CPS原理如圖1所示。

圖1 CPS改善系統(tǒng)負荷特性的過程

由于工業(yè)用戶具有數(shù)量少、負荷量大的特點，其負荷轉移有助于改善系統(tǒng)的負荷特性，且具有很高的需求響應參與意愿，所以本文選擇工業(yè)用戶作為輔助負荷。

2 給定電價下用戶的新行為

2.1 互補式電價的制定

電價曲線可以分解為電價線形和電價水平兩部分，如圖2所示。可以看出，時段B和D為電價最高的時段，時段C和E內電價水平中等，時段A的電價水平最低。在給定一條分時電價后，以電費最小為目標的用電計劃會根據(jù)電價線形來制定。一旦電價線形確定了，用戶總會優(yōu)先將可轉移的負荷轉移到電價較低水平的時段內，而電價水平只會影響用戶電費和用戶參加CPS的意愿。所以系統(tǒng)可以先制定出電價線形，再通過調整電價水平，找出能讓系統(tǒng)和用戶“雙贏”的電價水平。

圖2 電價曲線分解為電價線形和電價水平

1）在系統(tǒng)負荷高峰時段內均設定最高電價水平，使得參與CPS的用戶將可轉移負荷從系統(tǒng)用電高峰時段轉移至其他時段。

2）在用戶1電價水平較高（低）的時段，用戶2該時段應設為較低（高）電價水平，如圖1中虛線框內部分所示，使得負荷的轉移更加均勻，負荷轉移后的總系統(tǒng)負荷特性曲線更加平緩。

3）所制定的互補式電價應既能使用戶減少電費，也能使系統(tǒng)的購電成本降低，實現(xiàn)“共贏”。

2.2 用戶最優(yōu)負荷的獲取

每個用戶包含多個用電設備，其中設備參數(shù)包含設備功率和每小時的啟動概率。用戶預負荷獲取的目標是最小化電費，包括基本電費和電度電費。用戶行為優(yōu)化目標函數(shù)可表示為：

式中：Btou為電度電費；Bmp為基本電費。

電度電費可由公式（2）與（3）計算：

式中：Pt為第t小時的電價；N為設備數(shù)量；D_powi為設備i的功率；Sti為設備i在t時段的工作狀態(tài)，0為關閉狀態(tài)，1為運行狀態(tài)；T為電價曲線和負荷曲線的時間長度。

轉染效率如圖4所示，可見轉染效率達95%以上，以此條件繼續(xù)后續(xù)實驗。轉染后LncRNAGHET1的表達水平如圖5所示，C組 LncRNAGHET1的相對表達量為1.03±0.147(相對于NC組，P＞0.05);過表達組為990.99±131.36(對于NC組，P＜0.01)，表明篩選的細胞株為穩(wěn)定過表達LncRNA-GHET1的胃癌細胞株MGC803。

基本電費可由公式（4）計算：

式中：On_proti為設備i在第t小時的啟動概率；ret為第t小時的總設備功率；Pmp為基本電價價格。優(yōu)化過程需要滿足以下3個約束：

1）每臺設備的日用電量不變。

2）某些工業(yè)用戶生產(chǎn)線上的設備需要同時運行或者關閉，所以同一生產(chǎn)線上設備的啟動概率應保持一致。

3）不可轉移負荷不參與優(yōu)化過程。某些設備需要整天處于工作狀態(tài)或者在特定的時間段內運行，不參與優(yōu)化過程。

3 利益相關方成本分析模型

3.1 用戶購電成本分析

分時電價可表示為公式（5）。用戶在給定電價后，可以由公式（6）得出新行為。工業(yè)用戶的電費由電量電費和基本電費兩部分組成。其中電量電費和基本電費可由公式（7）表示。

式中：Pcon為電價向量；A1為電價曲線價格最低時段的電價水平；se為分時電價中第e個電價水平級數(shù)時段的最后一個小時；下標e為分時電價的電價水平級數(shù)，每個級數(shù)都會有獨立的電價水平；T、Pi、αe-1分別為電價的總時段數(shù)、第i時段的電價、同一分時電價下最高電價水平級數(shù)的電價與最低電價水平級數(shù)的電價的比例；Lpot為新行為的集合；Bpot為新行為下的電費；Btou_pot為新行為下的電量電費；Bmp_pot為新行為下的基本電費；Pmp為新行為下的基本電價；Li為i時段內的負荷。

傳統(tǒng)分時電價下的電費方法與公式（7）類似，唯一不同是所有參數(shù)均為傳統(tǒng)分時電價下的參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)購電成本分析

系統(tǒng)的購電成本主要取決于系統(tǒng)的負荷曲線形狀，即基荷、腰荷、峰荷各部分大小及比例。這意味著用戶用電行為的變化會導致整個系統(tǒng)負荷大小或比例的改變，系統(tǒng)購電成本也隨之改變。購電成本變化可由公式（8）計算：

式中：Cpur_change為購電成本變化量；Cbase_change、Cmid-change和Cpeak_change分別為基荷、腰荷和峰荷購電成本變化量；Pbase、Pmid和Ppeak分別為基荷、腰荷和峰荷購電價格；qbase_fin、qmid_fin和qpeak_fin分別為最終購買的基荷、腰荷和峰荷電量；qbase_tra、qmid_tra和qpeak_tra分別為原始預計購買的基荷、腰荷和峰荷電量。

4 仿真結果

為了驗證本文所提出電價機制的有效性，在MATLAB/DIGSILENT中搭建了IEEE 33-bus系統(tǒng)，系統(tǒng)包含居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶，如圖3所示。所有類型用戶的負荷數(shù)據(jù)均從中國江蘇省某工業(yè)城市實際測量、調查得到的。文獻[11]中的系統(tǒng)參數(shù)和負荷數(shù)據(jù)作為本算例的數(shù)據(jù)。

圖3 修正IEEE 33節(jié)點配網(wǎng)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)分時電價下，系統(tǒng)負荷情況如圖4所示?？梢钥闯觯摵稍趥鹘y(tǒng)分時電價的影響下，從高電價時段9∶00-13∶00、18∶00-22∶00的轉移到了低電價時段。但負荷集中轉移到13∶00-18∶00時段，產(chǎn)生了新的用電高峰，可見CPS適合在這城市實施。

值得注意的是，本文提及的價格高（低）時段是相對的，針對具體的對象而言，并不是對系統(tǒng)日負荷低谷時段或高峰時段的細分。對系統(tǒng)而言，時段9∶00-13∶00和18∶00-22∶00是價格高的時段，時段13∶00-18∶00和22∶00-24∶00是價格中等的時段，時段1∶00-9∶00是價格低的時段。

本文選取兩家相同的水泥廠用戶配對成組，其日負荷曲線如圖5所示。與圖2比較可以看出，水泥廠在傳統(tǒng)分時電價的影響下，與系統(tǒng)總負荷都在13∶00-18∶00出現(xiàn)用電高峰，因此水泥廠適合作為輔助用戶參與CPS。所制定的兩條具有互補性的電價曲線如圖6所示。為了保證公平性，兩條CPS電價和分時電價具有相同長度的谷段、平段和峰段。另外，兩個電價在谷段和平段互補，這使得兩家水泥廠的負荷轉移更加均勻。

圖4 傳統(tǒng)分時電價下的日負荷曲線

圖5 水泥廠日負荷曲線

圖6 CPS下的互補電價曲線

圖7 給出了仿真實驗中兩家水泥廠的原始負荷和最優(yōu)負荷的曲線圖，從圖7（a）中可以看出，在日用電量不變的情況下，水泥廠1在用電高峰時段13∶00-18∶00的大部分負荷，以及在時段1∶00-6∶00的部分負荷，轉移至時段9∶00-11∶00和19∶00-24∶00。同樣地，水泥廠2在用電高峰時段13∶00-18∶00的大部分負荷，以及在時段6∶00-9∶00的部分負荷，轉移至時段9∶00-11∶00和19∶00-22∶00。而從圖4（b）可以看出，時段11∶00-18∶00是整個系統(tǒng)的用電高峰期。由此可見，通過參與CPS后，兩家水泥廠將在系統(tǒng)用電高峰時段的大部分負荷，比較平均地轉移到了系統(tǒng)用電非高峰時段，如圖7（b）所示。

圖7 兩家水泥廠的行為改變對比

對實施CPS前后的系統(tǒng)進行最優(yōu)潮流仿真，仿真結果如圖8所示。時段11∶00-18∶00的部分負荷，轉移至時段9∶00-11∶00和18∶00-22∶00?？梢钥闯觯麄€系統(tǒng)的負荷變化情況，與參與CPS的兩家水泥廠的負荷轉移具有相同的趨勢。因此，實施CPS對整個系統(tǒng)具有“削峰填谷”的作用，使得系統(tǒng)的日負荷曲線變得更加平緩。

為進行成本分析，設定基荷購電成本為0.45元／kW·h，腰荷購電成本為0.53元／kW·h，峰荷購電成本為0.68元／kW·h。根據(jù)公式（8），此時系統(tǒng)節(jié)省的成本為3.0×104元／d；根據(jù)公式（5）-（7），每家水泥廠節(jié)省的電費為6.7×103元／d。由此可見，通過實施CPS，系統(tǒng)降低了購電成本，同時用戶也減少了電費，實現(xiàn)了“共贏”。

圖8 該地區(qū)日總負荷曲線對比

5 結束語

本文對傳統(tǒng)分時電價的弊端進行了分析，提出了互補式電價機制，分析了機制實施的適用性及用戶選取的特點，建立了成本效益分析模型，搭建了IEEE 33-bus系統(tǒng)進行仿真驗證，結果表明所提出的機制可以有效降低系統(tǒng)負荷高峰，改善系統(tǒng)負荷特性，同時為系統(tǒng)和用戶節(jié)省成本和電費，具有一定的可行性。這是智能電網(wǎng)未來的一個可讓用戶參與的服務。

本文更多地關注于所提出的互補電價機制的可行性，因此只考慮了兩個工業(yè)用戶進行配對參與的情況。不同用戶或者多個用戶之間，可能存在配對優(yōu)化問題。因此，對于更多用戶參與的情況，有待進一步研究適合多用戶參與的互補電價機制。另外，電價水平影響用戶參與CPS的意愿，若電價水平過高，會導致參與CPS的用戶電費過高，用戶將可能不愿意參與CPS；若電價水平過低，則系統(tǒng)收益降低，甚至會出現(xiàn)虧損，CPS也因此無法實施。所以，為使得實施CPS后用戶和系統(tǒng)的收益最大化，電價水平存在一個優(yōu)化過程。另外，電價線形的制定也存在優(yōu)化過程，這也將是后續(xù)研究需要考慮的問題。