向黎藜，鄢鴻婧，張人杰，段 凱，葉大勇

（1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心，重慶 401120；2.北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引 言

近些年受環(huán)境污染問題與能源短缺問題的影響，電能作為新型的清潔能源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起至關(guān)重要的作用。大量的調(diào)查研究表明，電力消費(fèi)能夠直接作用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。主體的電力系統(tǒng)運(yùn)行包含發(fā)電、升壓與降壓以及配送等部分。整體運(yùn)作環(huán)節(jié)如下：經(jīng)過火力或水力的不同發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，在變電站的作用下首次升高電壓，途徑電網(wǎng)中輸電的不同線路將升高的電壓分解，輸送過程中鄰近變電站會(huì)改變電壓使之降低，在配電線路中將電能配送至每一個(gè)用戶。在20 世紀(jì)60 年代初期，國(guó)外已經(jīng)開始研究電力的需求側(cè)響應(yīng)課題，在大型電力公司的實(shí)際案例調(diào)查中，證明企業(yè)的銷售營(yíng)業(yè)額與電網(wǎng)的需求側(cè)響有正相關(guān)聯(lián)系。后續(xù)研究中了解用戶用電的分時(shí)計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足其相應(yīng)需求，使電力企業(yè)和用戶之間達(dá)到共贏模式，以此作為用戶用電負(fù)荷計(jì)費(fèi)的控制基礎(chǔ)策略[1]。20 世紀(jì)90 年代，國(guó)內(nèi)開始對(duì)電力價(jià)格進(jìn)行改革，遵循需求側(cè)響應(yīng)的管理方法，通過對(duì)電力價(jià)格變化的經(jīng)濟(jì)管控，刺激和引導(dǎo)用戶完成用電時(shí)間的調(diào)整，最終形成高峰期和低谷區(qū)用電的平衡工作，完成負(fù)荷的均衡整合。本文基于需求側(cè)響應(yīng)建立用戶分時(shí)用電計(jì)費(fèi)的博弈模型，分析居民電力的需求響應(yīng)行為，為制定有效的分時(shí)電價(jià)劃分標(biāo)準(zhǔn)提供解決方案。

1 基于需求側(cè)響應(yīng)的分時(shí)用電計(jì)費(fèi)博弈模型

1.1 基于需求側(cè)響應(yīng)劃分用戶類型

對(duì)用戶類型的劃分能夠合理規(guī)劃一段時(shí)間內(nèi)的用電模式，其原因是用戶在分時(shí)計(jì)費(fèi)中起著至關(guān)重要的影響。作為分時(shí)計(jì)費(fèi)的主體，用戶能在小范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)較小的可覺差值，當(dāng)用戶對(duì)用電負(fù)荷沒有反應(yīng)時(shí)，此差值屬于不敏感區(qū)域，不會(huì)對(duì)分時(shí)用電產(chǎn)生任何影響，但超過差值時(shí)用戶會(huì)作出強(qiáng)烈反應(yīng)，從而影響分時(shí)用電。因此，必須對(duì)用電用戶進(jìn)行準(zhǔn)確劃分，保證電力企業(yè)在大環(huán)境下有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)能力，根據(jù)八比二理論中表述的80%銷售量來(lái)源于20%的重要客戶，進(jìn)行用電用戶的差異性劃分。大體上的用電類型可以分為商業(yè)用電和農(nóng)業(yè)用電2 大類型：其中商業(yè)用電占電力市場(chǎng)的主體，其用電時(shí)間和用電模式較為固定，直接為電力企業(yè)產(chǎn)生銷售營(yíng)業(yè)額。而農(nóng)業(yè)用電屬于國(guó)家特殊性補(bǔ)貼用電，在用電時(shí)會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)貼電價(jià)，對(duì)電力企業(yè)的銷售額影響作用較小。通過需求側(cè)響應(yīng)原理進(jìn)行用戶類型的劃分，其中包含3 種類型。一是按照用電量大小可以將用戶分為高級(jí)用戶、中級(jí)用戶和普通用戶，對(duì)每個(gè)用戶的用電需求加以區(qū)分，對(duì)高級(jí)用戶的用電需求探尋原因，可以增加電力企業(yè)的銷售利潤(rùn)。二是根據(jù)銷售渠道可以將用戶分成城市用戶、農(nóng)村用戶以及躉售用戶，一般城市用戶的用電需求高于后面2 個(gè)類型。三是根據(jù)用電產(chǎn)業(yè)劃分為工業(yè)用戶、商業(yè)用戶以及居民住宅用戶等，其中工業(yè)用電對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生較大影響[2]。不同類型的用戶對(duì)電價(jià)電動(dòng)的作用不同，會(huì)使電價(jià)產(chǎn)生不一樣的反應(yīng)變化，從而反作用于用戶的用電需求。因此，基于需求側(cè)響應(yīng)原理劃分用戶類型，可以將用電性質(zhì)較為相近的用戶規(guī)劃在一個(gè)類別，作為劃分峰谷電價(jià)時(shí)段的基礎(chǔ)，從而合理確定用電的高峰時(shí)段。

1.2 確定用電峰谷時(shí)段

對(duì)用戶類型進(jìn)行準(zhǔn)確劃分后，需要合理確定用電的峰谷時(shí)段，由于商品受到市場(chǎng)和價(jià)值規(guī)律影響，電能作為電力企業(yè)的營(yíng)銷手段，其計(jì)費(fèi)價(jià)格受用戶的需求影響。電能不能儲(chǔ)存，一旦從電力企業(yè)發(fā)出后，沒有被用掉的電量就會(huì)被浪費(fèi)，因此需要對(duì)用電的峰谷時(shí)段進(jìn)行有效確定。為合理規(guī)劃每個(gè)時(shí)段的用電需求采用模糊數(shù)學(xué)理論定義其具備條件：一是峰谷時(shí)段必須滿足供電公司和用戶之間的共贏局面；二是該峰谷時(shí)段必須能夠準(zhǔn)確反映供電的負(fù)荷曲線；三是峰谷時(shí)段不能出現(xiàn)倒置現(xiàn)象，其峰值與谷值的比值必須合理。在3 個(gè)必備條件規(guī)范下，就可以將電量負(fù)荷曲線的取值點(diǎn)進(jìn)行描述[3]。根據(jù)客觀守恒定律和事實(shí)存在的評(píng)斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)某點(diǎn)的峰值處在某一時(shí)段的概率超過95%，此時(shí)該位置發(fā)生谷值時(shí)段的概率基本為0，那么此刻的位置點(diǎn)就可以確定為峰值時(shí)段的最高點(diǎn)。當(dāng)某點(diǎn)的谷值處在某一時(shí)段的概率超過95%，此時(shí)該位置發(fā)生峰值時(shí)段的概率基本為0，那么此刻的位置點(diǎn)就可以確定為谷值時(shí)段的最高點(diǎn)。當(dāng)某點(diǎn)的峰值處在某一時(shí)段的概率等于50%，此時(shí)該位置發(fā)生谷值時(shí)段的概率也在50%，那么此刻的位置點(diǎn)就可以表示為峰值與谷值的平行時(shí)段。

1.3 求解分時(shí)用電報(bào)價(jià)函數(shù)構(gòu)建博弈模型

一般情況下用電量的轉(zhuǎn)移和各個(gè)時(shí)段的電價(jià)差成正比關(guān)系，同一時(shí)段的電價(jià)差值在超過飽和區(qū)或者低于飽和區(qū)時(shí)，用電負(fù)荷不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移。對(duì)上述劃分好的用電峰谷時(shí)段的用電價(jià)格加以調(diào)整，利用報(bào)價(jià)函數(shù)求解的方法構(gòu)建博弈模型，從而達(dá)到削峰填谷平衡負(fù)荷的目的。假設(shè)一天內(nèi)的峰谷時(shí)段劃分為z個(gè)集合，每個(gè)集合內(nèi)存在該時(shí)段的最高值z(mì)a和最低值z(mì)b，為準(zhǔn)確地對(duì)每個(gè)集合內(nèi)的電力負(fù)荷情況加以說(shuō)明，在集合中增加電力的回購(gòu)單位成本j，建立用電的約束條件

式中：xi為合理性參數(shù)，即保證電力公司在改變電價(jià)時(shí)，用戶的利益能夠不受損害；kd為每個(gè)時(shí)段的標(biāo)準(zhǔn)電力報(bào)價(jià)；xi的取值必須在約束條件中[0,1]的區(qū)間范圍，如果取值數(shù)據(jù)過小其產(chǎn)生的回購(gòu)單位成本增加，會(huì)造成用戶的用電報(bào)價(jià)增加，如果取值過大則電力企業(yè)會(huì)增加回收電量的剩余成本。在約束條件建立后，通過電量負(fù)荷布置策略求解分時(shí)用電報(bào)價(jià)，該目標(biāo)函數(shù)w表達(dá)式為

式中：α和β分別為峰谷時(shí)段最大值與最小值的調(diào)度因子；回購(gòu)單位成本j的最大值為劃分時(shí)段的最大耗電閾值。在計(jì)算過程中αza與βza的比值結(jié)果會(huì)影響函數(shù)的最終結(jié)果，在調(diào)度因子作用下，當(dāng)時(shí)段內(nèi)峰值差為負(fù)數(shù)時(shí)，判斷該函數(shù)處于峰時(shí)段，即可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)用電計(jì)費(fèi)模式，反之需要重新對(duì)用電時(shí)段的峰谷時(shí)段進(jìn)行劃分，重新計(jì)算函數(shù)報(bào)價(jià)[4,5]。根據(jù)需求側(cè)響應(yīng)理論完成正確劃分，最終完成求解價(jià)格函數(shù)的博弈模型構(gòu)建。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的博弈模型具有實(shí)際應(yīng)用效果，結(jié)合具體案例進(jìn)行測(cè)試，分別對(duì)電網(wǎng)的最大負(fù)荷、最小負(fù)荷以及峰谷負(fù)荷差值進(jìn)行優(yōu)化，完成均衡負(fù)荷的優(yōu)化目標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)在某省電力公司的電力數(shù)據(jù)中，選取具有代表性的大型工廠的日負(fù)荷數(shù)據(jù)，以24 h 的用電詳細(xì)情況作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某省大型工廠的日負(fù)荷數(shù)據(jù) （單位：kW）

由表1 數(shù)據(jù)可知，該工廠一天之內(nèi)的最大負(fù)荷為9 400 kW，最小負(fù)荷為5 280 kW，計(jì)算2 者差值得出峰谷差負(fù)荷為4 120 kW。利用本文設(shè)計(jì)的模型對(duì)該樣本數(shù)據(jù)優(yōu)化，從而完成該工廠的電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)目標(biāo)。

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷曲線比較，驗(yàn)證本文模型能夠完成3 個(gè)目標(biāo)值優(yōu)化。目標(biāo)一是最小化電網(wǎng)負(fù)荷的系統(tǒng)峰值，目標(biāo)二是最大化電網(wǎng)負(fù)荷的谷值，目標(biāo)三是最小化電網(wǎng)負(fù)荷的系統(tǒng)峰谷差值。依次對(duì)3 個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，具體負(fù)荷曲線如圖1 所示。

圖1 3 個(gè)目標(biāo)優(yōu)化曲線

根據(jù)圖1 優(yōu)化結(jié)果可知，與原始數(shù)據(jù)曲線相比，優(yōu)化后的曲線最大負(fù)荷為9 150 kW，減少了350 kW；最小負(fù)荷為5 800 kW，提高了520 kW；峰谷差值為3 350 kW，減少了770 kW。由此可見本文模型能夠?qū)崿F(xiàn)削峰填谷的目標(biāo)，使用電負(fù)荷更加均衡，具有一定的實(shí)際應(yīng)用效果。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用博弈模型完成分時(shí)用電計(jì)費(fèi)的研究，根據(jù)不同類型的電力用戶用電情況，對(duì)每一類別的用電用戶的高峰段用電進(jìn)行標(biāo)定，最終完成計(jì)費(fèi)博弈模型的構(gòu)建。在實(shí)驗(yàn)過程中證明本次構(gòu)建的模型能夠?qū)τ脩舻挠秒姺骞葧r(shí)段進(jìn)行均衡調(diào)配，提高能源的利用率。但分時(shí)用電計(jì)費(fèi)的制定并非一勞永逸，需要在不斷調(diào)整的過程中根據(jù)電力公司自身的電力成本，完成負(fù)荷曲線的調(diào)整控制。因此，本文設(shè)計(jì)的模型僅為一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)費(fèi)博弈模型，只能在電價(jià)自身的彈性特性中對(duì)電力需求進(jìn)行調(diào)整。后續(xù)研究過程中需要對(duì)分時(shí)用電的效果進(jìn)行有效評(píng)估，為完善高峰與低谷時(shí)段的電價(jià)提供更有效的解決策略。