伍也凡， 陳 錦，張 謎， 劉浩田，鄧 凱，李達(dá)偉

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖南 長沙410004；2.能源互聯(lián)網(wǎng)供需運營湖南省重點實驗室，湖南 長沙410004；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司，湖南 長沙410015)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平轉(zhuǎn)為中高速增長，電力供需由總體偏緊轉(zhuǎn)向總體寬松，局部地區(qū)供需矛盾由緊張轉(zhuǎn)向富余，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級推動了電力市場體制改革。新的形勢下，電力需求響應(yīng)面臨的外部形勢和內(nèi)涵發(fā)生了較大的變化。同時，隨著能源消費革命以及新的電力體制的改革形勢，需求響應(yīng)面臨新的發(fā)展機遇和工作要求[1-3]。

電力供需關(guān)系隨著國民經(jīng)濟的增速變化而變化，實踐證明，需求響應(yīng)可有效緩解電力供需的矛盾。需求響應(yīng)是通過合理的激勵引導(dǎo)用戶將電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰時段的電力消費需求過渡轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)負(fù)荷的低谷時段，從而實現(xiàn)降低供電成本，保證電網(wǎng)的運行更加穩(wěn)定高效。因此，緩解電力供應(yīng)緊張問題，不光是依靠多建造電廠，更應(yīng)該做的是加強用電需求的管理，從而實現(xiàn)有序、科學(xué)、合理用電[4-5]。

本文對湖南省大工業(yè)典型負(fù)荷進(jìn)行探究，優(yōu)化峰谷時段劃分并給出最優(yōu)實時電價，實現(xiàn)社會需求響應(yīng)。

1 峰谷分時電價及工業(yè)背景

需求響應(yīng)是指當(dāng)電力市場價格發(fā)生較大波動或系統(tǒng)存在風(fēng)險時，電力用戶參考電價變化或相關(guān)激勵措施，改變其用電行為，減少(增加)用電，從而促進(jìn)電力供需平衡、保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的行為[6]。其特點是靈活性強、分布廣、經(jīng)濟性高，對不同用戶都會產(chǎn)生積極的影響。

1.1 峰谷分時電價

價格激勵是運用較為普遍的激勵措施，主要依靠峰谷時價格調(diào)整激勵用戶自主參與電網(wǎng)的負(fù)荷優(yōu)化，通過削峰填谷的方法提高運行效率。針對不同的應(yīng)用場合，現(xiàn)在已經(jīng)形成了峰谷電價、季節(jié)電價、分時電價等各種各樣的電價方案。分時電價的優(yōu)點:分時電價的變化對應(yīng)著系統(tǒng)的負(fù)荷需求狀況，用戶通過分析電價信號中體現(xiàn)的電力需求狀況自主選擇用電時間；分時電價可以考慮社會效益最優(yōu)，增加高效率機組利用，減少低效率機組發(fā)電，而現(xiàn)行電價不能有效引導(dǎo)合理使用資源[7-9]。

1)峰谷分時電價也存在著以下問題:峰谷電價依據(jù)經(jīng)驗決策，缺乏理論支撐。因此，如何量化削峰填谷的經(jīng)濟、社會效益，從而確定峰、谷、平等不同時段的電價，探索便捷有效的時段分割方法是有待深入研究的問題。

2)峰谷價差幅度不夠。由于經(jīng)濟效益不明顯，用戶對分時用電的積極性有所提高，但并不充分，用戶自主調(diào)節(jié)的用電模式仍有較大的利用空間和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2 工業(yè)特征

中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，帶動企業(yè)的進(jìn)步，工業(yè)能源消耗總量也隨之高速增長。據(jù)統(tǒng)計，2017年，工業(yè)累計用電量占全社會用電量的比重接近七成，其中鋼鐵、有色、化工、建材等四大高耗能行業(yè)合計用電約占工業(yè)部門電力消費量的四成。

因此，在我國大工業(yè)行業(yè)推行需求響應(yīng)將有廣闊的市場，產(chǎn)生巨大的效益。工業(yè)用戶的負(fù)荷消減量一直占據(jù)著需求響應(yīng)市場的主要份額。據(jù)統(tǒng)計，64%～73%的負(fù)荷削減量來自工商業(yè)參加的需求響應(yīng)項目，尤其是工業(yè)需求響應(yīng)項目。隨著需求響應(yīng)政策的日益完善及相關(guān)技術(shù)的不斷突破，我國在需求領(lǐng)域取得了重大的研究成果以及實驗經(jīng)驗，為需求響應(yīng)工作的全面推廣奠定了基礎(chǔ)。

2 湖南省典型工業(yè)負(fù)荷特征

工業(yè)是所有產(chǎn)業(yè)中消費能源最多的產(chǎn)業(yè)，參與需求響應(yīng)項目能夠幫助工業(yè)電力用戶充分挖掘節(jié)電潛力，減少電費支出，推動精益化管理，所以可將工業(yè)用戶作為率先參與需求響應(yīng)項目的研究對象。

湖南省工業(yè)領(lǐng)域包含多種類型的用戶，不同類型工業(yè)用戶因為生產(chǎn)設(shè)備或工藝流程的差異，其用電行為和供電需求有較大差別，因此具有差異化的需求響應(yīng)潛力，掌握工業(yè)用戶不同的用電特點與負(fù)荷特性是研究其需求響應(yīng)的基礎(chǔ)。鋼鐵、建材以及有色金屬三個行業(yè)的用電量大，在高耗能行業(yè)總用電量中占較大的比重，且其負(fù)荷曲線具有一定的典型性和代表性，能夠在某種程度上代表同類行業(yè)的用電特點，所以本文重點選取這三個行業(yè)開展較為深入的研究。

2.1 鋼鐵行業(yè)及其負(fù)荷特征

鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，也是大工業(yè)用電領(lǐng)域的主行業(yè)之一。然而鋼鐵行業(yè)現(xiàn)在面臨的外部環(huán)境已經(jīng)今非昔比，大部分進(jìn)入了微利或者虧損的時代，現(xiàn)階段“節(jié)能與環(huán)?！敝苯雨P(guān)系到鋼鐵企業(yè)的生存，因此需求響應(yīng)策略的實施迫在眉睫。鋼鐵企業(yè)的用電特點明顯:首先是鋼鐵行業(yè)的耗電量巨大，一般鋼鐵企業(yè)的耗電量占所在地區(qū)電網(wǎng)供電量相當(dāng)大的比重；其次是波動大，鋼鐵企業(yè)由于生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程的需要，存在部分較大的沖擊負(fù)荷，易引起電網(wǎng)運行波動；其三是負(fù)荷變化與生產(chǎn)狀況直接相關(guān)，其負(fù)荷曲線和設(shè)備的運行情況相關(guān)，負(fù)荷變化主要由生產(chǎn)過程決定，沒有明顯的日負(fù)荷周期性波動的特征。

以湖南省某鋼鐵公司為例，該鋼鐵公司(2012年數(shù)據(jù))年用電量23.84億kWh，占地區(qū)電網(wǎng)供電量78.55億kWh的30%。鋼鐵企業(yè)負(fù)荷波動大，受其影響地區(qū)負(fù)荷波動也較大。某日鋼鐵公司對地區(qū)負(fù)荷預(yù)測的影響如圖1所示，地區(qū)負(fù)荷曲線走勢明顯受鋼鐵公司負(fù)荷曲線所影響。

圖1 鋼鐵公司負(fù)荷對地區(qū)負(fù)荷的影響

該鋼鐵公司生產(chǎn)方式為四班三倒連續(xù)生產(chǎn)，如圖2所示，鋼鐵行業(yè)的負(fù)荷曲線也是按照工人倒班作息時間進(jìn)行變化并且曲線完全呈現(xiàn)沖擊性波動。如果鋼鐵企業(yè)可以對個別生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作時間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，適量地削減高峰時段的用電負(fù)荷或者向夜間低谷時段轉(zhuǎn)移，就可以通過實施峰谷電價的形式大大地降低用電成本。

圖2 鋼鐵公司日負(fù)荷曲線

2.2 建材行業(yè)及其負(fù)荷特征

湖南省的建材行業(yè)包括水泥、玻璃、陶瓷等，其中水泥行業(yè)作為湖南省建材行業(yè)主要用電大戶，以水泥作為建材行業(yè)的典型來闡明其用電特點以及負(fù)荷特征。水泥行業(yè)的特點是連續(xù)生產(chǎn)運行，設(shè)備長期保持運轉(zhuǎn)，負(fù)荷率較高、波動較小，由于二級負(fù)荷占比較大，所以需要保障較高的供電可靠性，生產(chǎn)用電安排計劃性較強。

通過對水泥行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程的分析可知，水泥企業(yè)有占比57%的可中斷負(fù)荷，且水泥企業(yè)的電費支出占到其總成本的30%左右，因此有較高的自主調(diào)節(jié)空間，若配套合理的峰谷電價差等激勵機制，水泥行業(yè)是實施需求響應(yīng)的適宜用戶。

2.3 有色金屬行業(yè)及其負(fù)荷特征

有色金屬行業(yè)作為高耗能行業(yè)，其自身的用電特點突出:首先是行業(yè)的電量消耗大；其次是其供電電壓等級高。有色金屬行業(yè)主要靠消耗電能進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)成本中有很大比例的電費成本，因此對電價變化有較高的敏感性。在有色金屬行業(yè)的各企業(yè)中，電解鋁的能源消耗量在行業(yè)能源消耗總量中所占的比例高達(dá)80%，銅、鋅、鉛逐一次之。以電解鋁為例，國內(nèi)生產(chǎn)1 t電解鋁平均要耗電1.45萬kWh，電價的波動變化都可能導(dǎo)致生產(chǎn)成本的大幅波動。因此從成本管理方面，有色金屬行業(yè)適合實踐需求響應(yīng)。

但是，有色金屬行業(yè)實行24 h連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備對供電可靠性的要求較高，負(fù)荷穩(wěn)定且負(fù)荷率高。湖南省有色金屬行業(yè)的典型負(fù)荷曲線如圖3所示，由于絕大部分生產(chǎn)設(shè)備保持連續(xù)運行，因此曲線較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大幅度的波動，其日負(fù)荷曲線幾乎為一條直線。由此可以反映需求響應(yīng)的空間很小，不利于進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)研究。

圖3 有色金屬行業(yè)負(fù)荷曲線

3 需求響應(yīng)模型優(yōu)化及建模

電能作為一種可交易的商品，電價作為商品的價格，適用與價格相關(guān)的經(jīng)濟理論。電能又是一種特殊的商品，發(fā)、輸、變、配、用的環(huán)節(jié)需要同時進(jìn)行，且不能大規(guī)模儲存。隨著電力市場不斷地深化改革和發(fā)展，有必要將需求側(cè)納入電價模型中。結(jié)合用戶的需求特性，供電部門按照電網(wǎng)側(cè)的需求制定相應(yīng)的電價，間接引導(dǎo)用戶合理用電?；诮?jīng)濟學(xué)原理，依靠宏觀的需求理論的概念、電力需求價格彈性矩陣模糊數(shù)學(xué)等，建立求解模型，依靠求解模型以及相關(guān)數(shù)據(jù)給出優(yōu)化結(jié)果[10-13]。

3.1 需求響應(yīng)模型

價格彈性見公式(1)，電力價格的改變對電力需求量的改變程度就是需求價格彈性。

電價彈性矩陣E，如式(2)，表示不同時刻價格的變化情況。

對于大工業(yè)用戶，電力需求價格彈性的大小由不同的行業(yè)性質(zhì)決定。另外還需全面考慮其他影響因素，諸如電費占總成本的比重、產(chǎn)品利潤率、電能供應(yīng)在生產(chǎn)中的重要程度等。

實施分時電價政策之后的電量可以通過式(3)計算得出，反映了工業(yè)用戶負(fù)荷參與需求響應(yīng)的響應(yīng)程度。可以看到，與初始電價Qi、電價彈性矩陣E以及用電價格變化率有關(guān)。為了方便計算，下文n=24，即每天按照1 h進(jìn)行采點取樣。

分時電價能否有效實施的關(guān)鍵是準(zhǔn)確合理地劃分峰谷時段。傳統(tǒng)的時段劃分方案缺乏理論支撐，根據(jù)用戶典型日負(fù)荷曲線的特點，結(jié)合運行經(jīng)驗，經(jīng)過人為估算獲取，從實際應(yīng)用中暴露了該劃分方法有較為明顯的缺點。采用模糊數(shù)學(xué)原理對用戶負(fù)荷曲線的峰谷時段進(jìn)行劃分是一種簡單、明了的方法。依靠模糊數(shù)學(xué)理論，對于峰谷時段，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計方法得出的數(shù)據(jù)曲線，引入隸屬函數(shù)?？偟膩碚f，加入了統(tǒng)計調(diào)查的結(jié)果，降低了主觀性造成的誤差率，相比起來更為客觀可靠。

分時電價機制的主要目的是實現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷削峰填谷，降低負(fù)荷峰谷差，因此引入目標(biāo)函數(shù)，以最小化日負(fù)荷曲線的峰谷差為實現(xiàn)對象，即削峰填谷，見式(4):

式中，pL，m為第m個凹谷電價，m為凹谷個數(shù)；pH，k為第k個尖峰電價，k為尖峰個數(shù)；pl為原峰谷電價的低谷電價，ph為原峰谷電價的高峰電價。

3.2 算例分析

近年湖南省為支撐國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和持續(xù)提升居民生活水平，大規(guī)模開展電力建設(shè)，總裝機容量穩(wěn)步提高，電力網(wǎng)架持續(xù)完善。湖南省現(xiàn)行的峰谷分時電價主要實踐于大工業(yè)用戶、一般工商業(yè)及其他用戶中，沒有涵蓋居民生活用電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電等，然而居民生活電量占全社會用電量的比例平均保持在35%以上(以長沙地區(qū)為例)，意味著用電總負(fù)荷不平衡度很大。下面對現(xiàn)有大工業(yè)電價進(jìn)行優(yōu)化，以滿足全社會用電需求響應(yīng)。

3.2.1 電力市場需求響應(yīng)及工業(yè)用戶用電現(xiàn)狀

如圖4—5所示，湖南省歷年各月全社會的用電量比較均衡，因此從全社會需求響應(yīng)來看，不推薦湖南省大工業(yè)按月進(jìn)行調(diào)節(jié)。同樣，2017、2018年全年的大工業(yè)用電總體變化幅度小。2018年2—3月除外，全年各月用電量在46億kWh左右波動；2017年，除去2—3月，全年各月的用電量維持在40億kWh左右。從上面的數(shù)據(jù)中，可以得到這樣的信息:湖南省大工業(yè)用戶，可直接采用按日分時電價更為簡單和便捷。如果按照不同月份或者季節(jié)進(jìn)行分時電價，雖然可以略微優(yōu)化一下電價，但是實際效果不明顯，而且成本處理復(fù)雜；以湖南省大工業(yè)現(xiàn)行用電方式及用電政策來說，不贊同將湖南省的大工業(yè)電價按照季節(jié)來區(qū)分。

圖4 湖南省歷年用電量

圖5 2017—2018年湖南省大工業(yè)用電合計

3.2.2 時段劃分

湖南省全社會某兩日的典型日負(fù)荷曲線如圖6所示，湖南省日負(fù)荷分布不均勻，主要呈現(xiàn)三部分:低谷主要集中在00∶00—07∶00時段；高峰為09∶00—12∶00時段以及17∶00—19∶00時段；平谷為13∶00—16∶00時段。在現(xiàn)行政策下，如何通過積極的措施，改變大工業(yè)負(fù)荷，實現(xiàn)全社會需求響應(yīng)，達(dá)到穩(wěn)定負(fù)荷的目的，實行需求響應(yīng)是個挑戰(zhàn)。

圖6 湖南省典型日負(fù)荷曲線

利用構(gòu)建的優(yōu)化模型，參考湖南某地區(qū)負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)的峰谷時段劃分方法，通過選擇不同日期的負(fù)荷數(shù)據(jù)分別進(jìn)行仿真分析，驗證模型的合理性與可行性。圖7、圖8分別是該地區(qū)基于單日時段劃分利用Origin分析軟件的仿真結(jié)果。

圖7 某a日峰谷時段劃分仿真分析

圖8 某b日峰谷時段劃分仿真分析

如圖7—8所示，圖中彎曲變化的實線代表實際的負(fù)荷曲線，箭頭線代表根據(jù)真實負(fù)荷劃分的峰、平、谷時段。利用模糊算法以及聚類分析研究峰谷時段的劃分，將大量數(shù)據(jù)通過編號方式構(gòu)造樣本點數(shù)量為24個的集合S。在集合S上采用構(gòu)建的K-均值數(shù)據(jù)挖掘模型進(jìn)行各聚類的迭代運算，得到集合S中的24個樣本點，可劃分為S峰、S平、S谷3個聚類。各聚類中的樣本點所代表的時點編號組成相對應(yīng)的時段，具體模型如圖9所示。

圖9 大數(shù)據(jù)峰谷時段劃分

通過實例分析選取的峰谷時段劃分方案為:

1)峰時段:09∶00—12∶00；17∶00—22∶00。

2)平時段:08∶00—09∶00；12∶00—17∶00；22∶00—23∶00。

3)谷時段:23∶00—8∶00。

通過分析，時段被細(xì)分為兩個峰時、三個平時、一個低谷，仿真結(jié)果真實合理。

3.2.3 實時峰谷電價。

選取湖南省某工業(yè)園區(qū)日負(fù)荷曲線，見表1。根據(jù)國內(nèi)典型省市需求響應(yīng)現(xiàn)狀及國外學(xué)者的研究經(jīng)驗，在誤差允許范圍內(nèi)，得到電價彈性矩陣E各系數(shù)，見表2。

表1 湖南省某工業(yè)園區(qū)2019年7月 典型日負(fù)荷數(shù)據(jù) MW

表2 電價彈性系數(shù)表

將一天按照24個區(qū)間進(jìn)行劃分，取n=24。電價采樣于湖南省目前大工業(yè)用電電價政策制度，同時，將江蘇、安徽等需求響應(yīng)較完善省份階梯電價統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果作為參考對象。在對時段劃分方案進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化時，選取峰谷差最小化為目標(biāo)點，目標(biāo)的權(quán)值均選為0.5。遺傳算法參數(shù)設(shè)置即種群總規(guī)模為300；迭代計算次數(shù)為100；交叉概率為0.8；變異率為0.05。優(yōu)化前后負(fù)荷變化通過MATLAB仿真軟件分析得出，如圖10所示。

說明:①峰時段電價0.956 9元/kWh；②谷時段電價0.399 5元/kWh；③平時段0.645 5元/kWh；④峰、平、谷電價比:1.482 41∶1∶0.618 9。

圖10 優(yōu)化前后負(fù)荷變化曲線

對比分析可知，最大峰負(fù)荷明顯下降，最小谷負(fù)荷顯著提升，峰谷差得到了削減，需求響應(yīng)實現(xiàn)了削峰填谷的目標(biāo)，電網(wǎng)的運行方式得到了進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)論

結(jié)合湖南大工業(yè)用電分布，分析鋼鐵、建材、有色金屬幾大行業(yè)用電負(fù)荷特點，研究其進(jìn)行需求響應(yīng)的可能性。為了深度探索峰谷分時電價的發(fā)展空間和應(yīng)用潛力，針對峰谷分時電價的時段劃分沒有理論支撐的問題，通過建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)仿真對優(yōu)化策略進(jìn)行研究。

1)結(jié)合實際負(fù)荷情況對峰谷電價的時段進(jìn)行更為細(xì)致的劃分，可以多峰時、多平時、多低谷，積極改善負(fù)荷時段分布，平滑負(fù)荷曲線。

2)適當(dāng)加大峰谷電價差，用最為直接的經(jīng)濟效益激勵用戶改變用電習(xí)慣和行為，用經(jīng)濟手段控制負(fù)荷。

3)分區(qū)域?qū)Ω吆碾娏康拇笮凸I(yè)企業(yè)充分調(diào)研，溝通用電需求，進(jìn)一步挖掘大型工業(yè)企業(yè)需求側(cè)響應(yīng)的可利用空間和發(fā)展?jié)摿Γㄟ^簽訂用電協(xié)議等方式確保區(qū)域負(fù)荷優(yōu)化。