（电力系统及其自动化专业论文）dsm分时电价的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文d s m 分时电价的研究，是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：剑整日期：型旦生扛盟卯 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期： 姓 i 泖纬j 跏_ 。一 导师签名 日期 氖j 础 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章引言 从2 0 0 2 年我国经济开始新的一轮加速发展，尤其是新的产业结构的调整，重 工业和制造业高速发展，在全国范围尤其是华东地区出现大范围大面积大容量的缺 电现象。因此，目前国内电力市场的核心问题是引入电力建设投资和缓解供电不足 的矛盾。需求侧管( d e m a n d s i d em a n a g e m e n t ，简称d s m ，又译为需方用电管理) 作为一种能够充分利用现有容量缓解电力紧张的有效措施，得到广泛的重视。国家 发展改革委、国家电监会2 0 0 4 年7 月发布加强电力需求侧管理工作的指导意见， 指出“电力需求侧管理是国家能源战略的重要组成部分，是缓解电力供应紧张状况， 提高电力使用效率的重要举措，是科学发展观的具体体现，对促进能源、经济、环 境协调发展具有重要意义”。 分时电价( t i m e o f - u s ep r i c i n g ，简称t o u ) 作为一种重要的d s m 措施，是电 力公司向用户实施的一种有效的经济刺激手段，就是通过价格信号，引导用户调整 用电结构和方式。通过积极推行分时电价。赋予电价必要的弹性，拉大峰谷季节电 价差，可以削峰填谷提高电网负荷率。 分时电价对需求侧管理的主要结果是削峰填谷。既缓解了负荷压力，又减少了 蜂答负荷差。电网负荷峰谷差距变大的危害是很大的，这主要体现在如下两个方面： 首先，影响电能的产量、质量、安全以及经济运行，对电力企业及用户都有重 大影响。高峰或低谷时，若电网调峰乏力，造成高峰时低频率以及低谷时高频率， 使电能质量降低。影响用户的可靠性。负荷峰谷差大使远距离输电电网的潮流日峰 谷变大，造成无功电压状况恶化，间接影响电压质量；同时高频率、低频率对电力 企业及用户的正常安全生产都有很不利的影响。 其次，造成电网调峰发生困难，最大负荷商增长，峰谷差拉大。由于国产发电 机组调蜂能力差。即使发输配电能力充足，也可能出现新豹拉闸限电，使电力企业 经济效益下降。 此外。现代工业发展对电能质量和供电可靠性f 2 6 提出了更高的要求。因此， 降低峰负荷、提高谷负荷，使电网负荷趋于个平稳的水平有着非常重大的意义。 分时电价不仅达到需求侧管理的目的，还是电价改革的有效途径。电价理论是 电力市场运营机制的核心理论，目前的研究重点和发展方向是实时电价( s p o l p r i c i n g ) 。在我国电力市场逐步开放发电侧，输电侧，并将在未来几年逐步开放需求 侧的过程中，分对电价可作为向实时电价过渡的一种有效机制。 华北电力大学硕士学位论文 因此，本课题的研究对于缓解电力供需矛盾，解决电网峰谷加大的问题，加强 电网安全经济运行有重要的现实意义。并电力市场改革向需求侧的逐步深入提供参 考。 1 2 国内外d s m 和分时电价的研究现状 1 2 1 需求侧管理( d s m ) 1 7 1 2 综合资源规划( i n t e g r a t e dr e s o u r c e sp l a n ，简称i r p ) 是7 0 年代末期首先在美国 和西欧工业国家兴起的一种用于电力工业的新的计划规划方法。它与传统的规划、 计划方法的本质区别是选择范围以及相应的成本效益准则( 指标) 的涵盖范围和内容 不同。传统的电力规划是根据预测的电力负荷需求。选择各种类型的装机方案，以 满足未来负荷需求，属于供应侧规划范围。综合资源规划( i r p ) 是根据未来用电需 求，对各种供应侧装机方案、需求侧管理( 节电，提高用电效率) 方，按照供应侧和 需求侧( 包括环境影响) ，总体范围内成本最低的准则，对所有方案进行优选。 i r p 在发达国家和些发展中国家近2 0 年的实践已证明：这是一个实现电力资 源优化配置、促进电力工业可持续发展的有效方法和手段。它以经济效益为准则， 将开源和节流统筹兼顾。强调走内涵型、集约型的电力工业平衡发展的道路。通过 这个方法，能够在统一的准则下制定和实施具有最低成本的发展计划，而在目前传 统的管理体制和传统的规划计划模式下很难做到这一点。 综合资源规划( i r p ) 的关键是需求侧管理。 需求侧管理是电力公司采取有效激励、诱导措施以及适宜的运作方式，与用户 共同协作提高终端用电效率，为改变用电时间和数量而对需求侧做出的管理行为。 是电力公司通过法律的、经济( 市场) 的和技术的手段来提高用户的用电效率。从而 改变负荷曲线以适应不同的计划和生产运行目标。2 0 0 0 年，美国通过施行d s m ， 实际减少峰荷2 2 9 0 万k w i i “。 + 1 2 1 1 实旎需求侧管理的目的 实施需求侧管理可以实现以下目的： ( 1 ) 降低电力生产成本。包括建设成本，例如推迟装机、减少调峰机组等等；也 包括运行成本，例如通过需求侧管理措施削峰填谷、降低运行成本等等。 f 2 ) 降低用户电费支出。通过d s m 措施使用户合理用电，降低单位用电成本。 ( 3 ) 增加全社会用电比例。通过d s m 措施降低用户的单位用电成本，并提高相 应的用电服务，可以扩大用电市场。 ( 4 ) 节约资源和减少环境污染。通过实现上述三个目标，就能够实现第四个目标。 2 华北电力大学硕士学位论文 例如，通过d s m 措施推迟装机及通过d s m 措施来扩大全社会用电比例，都会明显 减少污染排放。 由此可知，成功实施综合资源规划( i r p ) 和电力需求侧管理( d s m ) ，可以达到政 府( 代表全社会利益) 、电力公司和用户都获益的“三赢”的目标。 1 2 1 2 需求侧管理技术措施 需求侧管理技术措施是指某项技术、设备或系统装置，它能够使用户终端负荷 是电力公司希望的负荷形状，并同时使用户控制每月电力支出。该类措施主要包括： 建筑物绝热保温措施，提高用电设备效率，热存储技术，负荷控制技术。 1 ) 建筑物绝热保温措施 这些措施是指能够减少建筑物室内热流出或室外热流入，或者能控制太阳能进 入房屋的技术措施。该措施可使用户控制建筑物内电力制冷、采暖、照明及热水器 ( 一定程度上) 电耗。采用这些措施可使用户相当高水平地控制电力成本( 支出) 。对 于电力公司，主要是节电效益，因为这些措施改善了建筑物热能整体分布特性，使 整个负荷曲线永久地降低，而且整体负荷下移将永久地降低峰荷。只要电力公司由 此产生的运行和投资成本的减少足以补偿售电收入的减少，那么建筑绝热保温措施 对电力公司和用户都是有利的。 2 ) 高用电设备效率 该类措施可使用户既满足电力需求，又控制了电力支出。这些措施也可使电力 公司获得节电效益，因为高效设备耗电少；其中一些措施还有削峰效益，因为高效 设备降低负荷需求；还有一些措臆可提高负荷因子或增加用电终端，因为采用高效 用电设备通常比其他燃料设备更有效益。该类措施主要包括：电力采暖措施，高效 空调器，高效电力热水器及其他高效设备。 3 ) 热存储技术 可实施热存储技术的用电终端包括电采暖设备、制冷设备、热水器。通过采用 储热技术，可大大减少这类终端的峰负荷要求。储热是通过储热库来完成的，储热 库在非峰期用电，使之转换为热能，由于储能也要使用电能，因此公司基本不损失 售电量( 储能附加损失使耗电量增加) 。当设备尺寸设计合适，可将一部分或全部 熟或冷负荷由峰期转向非峰期，在美国，储热设备由用户自己购买( 通常费用要高 一些) ，但公司给予分时电价和其他刺激，以保证用户台理投资回报率。 4 ) 负荷控制技术 负荷控制技术措施可分电力公司直接控制、当地控制和分配式控制 a 电力公司直接控制 电力公司对用户负荷直接控制是削峰和移动负荷的传统方法。在控制期内，通 3 华北电力大学硕士学位论文 过遥控方式断开用电设备，或对设备循环- 丌停能够减少或推迟负荷。由于是按电力 公司的意愿来控制，因此可改善负荷形状。 b 当地负荷控制 采用当地负荷控制也同样能达到与直接控制相似的负荷形状目标，但当地负荷 控制依赖于用户整定的决定控制内容和时间的控制参数。用户基于对电力公司的间 接鼓励( 通常形式是特定电价或其他刺激) 的反应来决定控制参数。 c 配额控制 配额控制技术是公司将各种逻辑功能函数放入控制设备通信系统中，即公司设 定当地控制参数。仪器是根据当地负荷状况( 有时也根据温度和时间参数) 是否符合 电力公司的设定值来控制决策的。 1 2 1 3 需求侧管理的研究现状以及存在的问题 需求侧管理在我国得到广泛的研究，并在实施中获得很好的反馈。 a ) 研究需求侧管理中的各方关系。 d s m 的项目实施中，各方的协作必不可少，用户参与者、发起者( 电力公司) 和监督者( 行政部门) 之间关系也尤为重要。电力部门应采取的经济激励措麓，兼 顾三方的成本效益，使得三方效益最优i l ”。电力公司作为电力需求侧管理活动推动 实施的主体1 1 6 】，应建立dsm 公益计划基金，建立合理的电价结构体系，建立直属 国务院的权威管理机构【】，及早制定d s m 开发战略和实施策略，在电力服务市场中 赢得主动。用户根据4 种基本购电方式【1 9 l ，采取适当灵活的用电策略在一定程度上 可以降低用户用电成本。 b ) 研究需求侧管理的机制和策略。 适应电力市场的需要，全面掌握需求侧管理给系统所带来的效益评估模型和方 法【20 1 ，综合分析并总结了实施需方用电管理的各种电价策略。研究从“三电”管理 和电力需求侧管理产生的历史背景、管理内容和工作形式等方面，以及两者的相同 点和不同点【2 2 1 。研究转移高峰负荷的技术手段和策略的可行性【2 4 】。在对大工业终端 的研究中表明，该类用户在增加相应的设备投入和采取适当的管理与技术措施后可 具备强大的电网调荷功能【s 7 】。 建立各种模型，如一种有效的负荷模型，利用峰负荷、谷负荷、总消耗电量来 描述反转负荷持续曲线( i n v e r t e dl o a dd u r a t i o nc u r v e ，简称i l d c ) 1 2 朝，d s m 实施 的效果可以很明显方便的通过反转负荷持续曲线表示出来。建立蓄能工业用户对实 时电价的响应的数学模型1 26 1 ，提出了相应的算法，并仿真出用户响应需求侧管理可 以节约的电费以及可以采取的措施。 c ) d s m 的施行和反馈 4 华北电力人学硕士学位论文 中国部分地区开展需求侧管理在削蜂填谷、节约电能、能源替代方面采取措施 和应用实效，需求侧管理在开发低谷电力市场、改善环境、减少污染方面具有显著 效果，同时对供、用电双方均有显著的经济效益【引】。北京市对重点行业的重点用户 进行了节电潜力分析。建立了相应的模型及软件，针对北京市负荷特性，从管理及 技术改造两方面研究提高负荷率的措旄及实施方案【1 4 】。华东公司在国电公司领导 下，依靠政府部门的大力支持，华东公司以及三省一市电力公司克服了重重困难， 紧密协作、精心组织、合理调度、加强设备管理和维护，确保了夏季高峰电网安全 稳定运行，为三省一市国民经济发展提供了有力的保证f 1 7 。针对东北电网调峰所面 临的困难，研究适用于东北电网的d s m 的技术手段【2 3 1 。 通过上面对现阶段需求侧管理文献的分析可以看出，国外对需求侧管理的研究 主要集中在如何描述需求管理中各种类型的用户以及实施需求侧管理所产生的效 果的理论分析上，对需求侧管理的实施有重要的指导意义，我国对需求侧管理研究 的主要集中在实时效果的数据分析上。目前国内一些地区已经试行需求侧管理，并 取得良好的效果。但是关于峰谷时段的划分和峰谷电价的确定都是凭经验人为制 定，d s m 的施行也是主要依靠了政府行政手段，没有充分体现市场的调节作用。 1 2 2 电力市场的电价研究 1 2 2 1 电价理论研究现状 电价理论是电力市场的核心理论。国外对电力市场的理论研究源于8 0 年代初 对实时电价( s p o tp r i c e ) 的研究。实时电价是一个理想化的在空间展开的瞬时动态电 价，它要求几乎瞬时在电网的各处使电价和成本相匹配。实时电价的概念最早是由 美国麻省理工学院( m i t ) 以f c s c h w e p p e 为首的六位学者在1 9 8 0 年提出来的， 当时被冠以一个很特别的名称：h o m e s t a t i cu t i l i t yc o n t r o l 怛卜珀i 1 9 8 1 年，m m u n a s i n g h e 叙述了应用边际成本原理定价的理论框架【3 1 1 ，他建议首先用严格的长 期边际成本确定总体的电价水平，然后利用一个大大简化的蜂负荷模型在峰谷两时 段间分担。1 9 8 3 1 9 8 7 年，t o y a m a 成功的应用数学规划方法度量电力的边际成本 3 2 3 3 1 ，采用自然峰、峰、腰和基时段的假设，得出线性规划的对偶解，并通过最优 基矩阵的逆来计算。1 9 9 3 年m l b a u g h m a n 避一步将它扩展为区别可靠性要求的 实时电力定价。近年来，在实时电价理论基础上的实时电价体系不断完善，主要有 收取无功电费以及可靠性指标和电价关系等方面3 4 07 1 。此外，以供需平衡为依据的 电价竞价机制在国外一些工业发达国家已经得到了应用，这方面的理论研究也日益 深入f 3 8 4 3 】 在我国，随着电力工业市场化改革的进一步深入，有关电价理论方面的研究十 分活跃【4 4 。2 1 。文献【4 4 对无功电价进行了研究。文献f 4 5 】对中国的电力市场进行了 5 华北电力人学硕十学位论文 分析，提出了适合中国国情的当量电价法。文献 4 6 分析研究了促进我国区域电力 市场形成的价格方案及调控机制。文献 4 7 6 x 研究了发电侧电力市场竞价体系的建 立与电力供应商的报价策略。文献 6 2 7 0 对辅助服务电力市场和辅助服务电价的确 定进行了研究。文献 7 1 7 2 从电价形成机制和电价形成体系方面对电价的理论发展 进行了分析和综述，认为我国现在实行实时电价和竞价机制的条件还不具备，实行 分时电价是电力工业市场化的第步。分时电价可以认为是考虑了实时电价执行困 难后的一种简化形式。分时电价对许多软、硬件设备落后，缺乏管理经验的电力市 场是首选方案，待日后条件成熟后再逐步过渡到实时电价。 作为核心理论的电价研究目前主要在发电侧和输电环节，而作为终端的用户， 更关心需求侧的定价制度。把发电侧和输电侧的电价简单运用到需求侧是不合理 的。 市场条件下，电价制定的方式可以分为以成本为导向，以需求为导向和以竞争 为导向三种。实时电价理论是一种以成本为导向的边际成本定价法；分时电价则以 需求为导向，认为商品生产的目的是为了满足消费者的需要，那么商品的价格就不 仅取决于生产者的成本，还取决于商品的功能和质量以及消费者对商品的价值的 理解和认识的程度【7 ”。 文献 7 4 1 提出实时电价理论，推导了实时电价的数学表达式，讨论了应用实时 电价的问题，并详细论述损耗、无功、电能、供电质量和备用实时电价的影响。并 提出三种用于实际系统的实用电价制度：五分钟实时电价( f i v e m i n u t es p o tp r i c e ) ， 二十四小时更新电价( t w e n t y f o u rh o u r su p d a t es p o tp r i c e ) 和分时电价( t i m e o f - u s e p r i c e ) 。实时电价是目前研究比较成熟并在外国电力市场中普遍采用的理论，是我 国电力市场电价体制今后的发展方向，但是在需求侧，我国还不具备立刻使用实时 电价的条件，主要是因为： ( 1 ) 实时电价对系统硬件要求较高，要求实时采集系统状态，传输大量信息， 同时应配备有相应的自动化控制设备。 f 2 ) 实时电价要求有配套的系统分析，计算软件，并且要求运行人员具备相应 的经验知识。我国电力市场还在起步阶段，需要一段时间进行这方面的准备，积累 经验。 ( 3 ) 当电能供需双方还缺乏市场运行经验，不具备根据电价灵活调整用电行为 的手段时，即使实行实时电价，也不能取得应有的效果。 ( 4 ) 在供电总量不足的情况下，无法实现实时电价。 由于电力用户数目庞大，就目前技术和供电水平，不具备实行实时电价的条件， 而分时电价可成为需求侧市场的过渡措施。同时，实时电价理论为分时电价提供重 要参考和理论依据。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 2 分时电价的研究现状以及存在的问题 分时电价是需求侧管理的一项重要手段，近年来也得到了一定的研究。 a ) 研究边际成本理论 运用边际成本原理进行了电能价值当量分析和分时电价的预测【_ ”l 。根据边际成 本定价原理，针对简化的配电网条件，建立了分时电价优化模型。利用k u h n - t u c k e r 条件，进一步得到了供电公司分时售电电价的表达式，并从工程角度探讨了分时电 价中各分量的计算方法【76 1 。基于般用户反应模型建立了用户对分时电价的反应模 型，对平时段电价的确定问题进行了探索性研究，提出了用市场清除价m c p 计算 的平均购电电价来确定平时段电价的方法【8 引。建立每小时边际电价持续曲线( h o u r l y m a r g i n a lr a t ed u r a t i o nc u r v e ，简称h m r d c ) ，以决定是否对实时电价进行响应， 通过优化负荷调度( o p t i m a l l o a ds c h e d u l i n gs t r a t e g y ) 的方法来最小化工业用户的费 用【8 2 】。 b ) 研究分时电价与用户的关系 提出了用户反应的概念来描述电价对负荷的影响 7 8 】。从“电力消费需求一电力 价格”相互作用反馈的角度来考虑，利用自我弹性( s e l f - e l a s t i c i t y ) 和交互弹性 ( c r o s s - e l a s t i c i t y ) 因子来描述价格和需求的相互反馈影响【为“”。建立基于h m r d c 的模型来计算各点分别处于峰时段和谷时段的可能性入手，提出了一种含有用户对 分时电价反应度分析的分时电价模型【g 2 1 。 c ) 各种分时电价方案。 以平时段电价为基础，现行的分时电价以此为基准来确定峰负荷时段和谷负荷 时段的电价1 7 1 1 7 扪。基于负荷曲线分布分析，利用模糊半梯度隶属度函数方法，从负 荷曲线年平均电价为平时段电价，在此平时段电价下计算峰、谷电价的确定方法， 达到最佳的削峰填谷作用1 8 3 】。建立上网电价与销售电价联动的经济学优化模型，探 讨了销售侧峰谷分时电价测算方法1 8 6 】。提出了一个改进的分时电价数学模型，该模型 中把平值段电价作为一个新增的优化参量考虑，从而提出了一种分时电价中平值段 电价的确定方法1 9 2 】。 目前我国一些地方正在实施分时电价。取得良好的反馈。 对江苏省部分地区实行分时电价后大工业用户的响应进行了分析，得出了影响 用户响应分时电价的主要因素是班制、电费支出比例和电价结构，认为实行分时电 价具有一定的负荷调节效果【7 。南京市实施峰谷分时电价以来，对部分重点大用户 的响应分析表明，合理的峰谷电价结构能收到较好的负荷调整效果，同时反映出影 响用户对峰谷电价响应的因素是多样性1 8 引。 但是总体来说，峰谷电价的确定主要依靠经验来确定，缺乏理论依据。 文献f 8 4 就指出，一旦用户质询制定的依据，电力部门将难于应答。 华北电力大学硕士学位论文 综上所述，从文献中发现，分时电价的几个问题。如何实现对削峰填谷效益和 经济效益量化计算，确定合适的峰、谷、平电价，确定灵活的时段分割方法，如何 将分时电价与用户对电价反应很好的结合，并编写软件，能够快速计算和直观表达， 都是有待深入研究的问题。 1 3 本文的工作 本论文主要有以下几项工作： ( 1 ) 结合对不同类型用户对电价反应的调查结果和河北某地区用电配比，运用统 计学回归分析原理，拟合全社会，地区用户电价综合反应蓝线。 ( 2 ) 确立d s m 目标( 包括单目标和综合目标，技术性目标和经济性目标) ，建立 基于用户反应曲线的分时电价模型。 ( 3 ) 运用v i s u a lb a s i c 语言编写d s m 分时电价程序，计算不同d s m 目标下的最 优分时电价方案；演示其削峰填谷和改变负荷曲线的结果。验证该模型的正确性和 可行性。 本论文的研究既着眼于理论研究，又与实际相结合，既有系统的数学模型，又 编程为软件便于计算和演示。可作为政府价格管理部门和电力公司制定分时电价的 参考。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章用户对电价的反应 2 1 需求和价格的关系 2 1 1 影响需求的因素 需求是指有支付能力的需求量，是受很多因素影响的一个函数，可以用下列公 式表示9 。1 q 。，婶- t i ，p ，p 2 e ，w ，x 、t 2 - 、 式中，q 为需求量；尸为商品价格；丁为消费者的偏好i ，为消费者的收入；一为代 换产品的价格：岛为互补产品的价格；e 为该产品未来供应状况；为该产品资源 储备；z 为其它影响因素； 2 。1 ，2 需求量与价格的关系模型及曲线 在影晌需求量的上述诸多因素中，价格是最主要的。假定其它因素不变，需求 量与价格之间是反比例关系。如果以纵坐标尸代表价格，横坐标q 代表需求量，则 可以画出一条下降的需求曲线d d ，如图2 - l 所示。这是因为较低的商品价格， 可以带来新的购买者，也会使原有的购买者购买更多数量的商品 9 0 1 。 2 2 回归分析原理 j p q 19 图2 - 1 需求，与价格q 的关系 为了求得需求p 与价格q 的数量关系，并拟合其关系曲线，本文采用数理统计学 中的回归分析法。回归分析法通过对变量的观测数据进行统计分析，确定变量之间 9 华北电力人学硕士学位论文 的相关关系，主要包括线性回归和非线性回归。本文主要采用一元线性回归模型和 多项式回归模型。 2 2 1 一元线性回归模型【9 1 1 在一元线性回归中，自变量是可控或可以精确观察的变量( 电价) ，用x 表示， 因变量是依赖与x 的随机变量( 电力负荷) ，用y 表示。假设 y = a + 如+ 占，占n ( 0 ，盯2 )( 2 - 2 ) 式( 2 - 2 ) 称为一元线性回归模型，s 是随机误差，服从正态分布( 0 ，盯2 ) ，d 、 b 和盯z 都是不依赖x 的未知参数。 对于固定的x ，y ( 疗+ b x ，) ，即随机变量y 的数学期望为 ev = 口+ b x 显然e y 是z 的函数，称它为y 关于z 的回归。 如果依据样本能估计出未知参数口和6 ，估计值分别为会和；。则称 v = 口+ 6 x 为y 关于z 的线性回归方程，6 为回归系数。回归方程的图形称为回归直线。 2 2 2 未知参数茸、b 和口。的估计 导 一般用最小二乘法估计口和b 。作离差平方和 q ( a ，6 ) = n ( y ，一日一b x ，) 2 f = i ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 选取参数口、6 ，使得q ( a ，6 ) 达到最小。根据高等数学中的求极限值法求偏 挈= 一2 圭( 口一魄) ：o d 葫扯1 詈一2 ；e 。( y ，- a - b x , ) 铲o 1 0 ( 2 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 将其变形为 用：和；代替口和6 得 得到唯一的一组解 ? l a + ( x ，) 6 = e y ， ( ) 口+ ( 量z ? ) 6 ：兰t y i , l a + ( ) b = h f z i；l h 月 ( ) 日+ ( # ) 6 = 儿 n s x ，y , 一( ) ( 卫)( 一工) 一y ) “ ”兰# 一( 圭t ) ：兰( t 一- ) ： j l，；lf = l ；：三兰m 一生圭：歹一； 式中；：三曼葺，了：土兰y ，。 n f = l竹f c i 当a ，b 的估计值口和6 求出后，得出y 对z 的线性回归方程y = a + b x 。 将口= y 一6 z 代入式( 2 - 4 ) ，回归方程式变形成 j ，= y + b ( x - x ) 此式表示回归直线通过散点图的几何中心。 再讨论对一的估计。 对于线性回归模型( 2 - 4 ) ，引入定理2 1 ( 1 ) 7 1 驴z 2 ( 一2 ) 。 这里d f ：圭( 只一五) ：量( y ，一三一；一) z ，称为残差平方和 1 2 it 一 1 1 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 盟与：，g 相互独立。 1 2 证明省略。 由定理2 - 1 得e ( 去q ) = , - - 2 。故，的无偏估计为 c ， ：盟 一般称 ；= 拓2 刮墨 为回归方程的标准差或回归方程的误差。 2 2 3 一元线性回归模型的假设检验 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 在前面的讨论中，假定了变量x 与变量y 具有式( 2 - 2 ) 形式的线性关系，即假 定y 关于x 的回归具有形式( 口+ 缸) 。但必须用假设检验的方法进行判断，即检验 求得的回归方程是否具有实用价值。 2 2 3 1 线性假设进行显著性检验( f 一检验) 若假设式( 2 2 ) 符合实际，则b 不应为零，否则y 就不依赖于x 。作检验假设： h o ：b = 0 ，h l ：b 0 用卜检验法进行检验，为此，有以下定理。 定理2 - 2 设一元线性回归模型( 2 4 ) 中6 = b o ，则 ，2 警和 f 其中害：仃：服从自由度为，i 一2 的f 分布，即t ，( 一2 ) 。 定理证明省略。 1 2 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 有了随机变量的分布，便不难得到假设( 2 1 3 ) 的方法。 给定显著性水平口( o d o ：0 2 )( 2 1 6 ) 则拒绝凰：b = o ，认为线性回归显著，线性回归方程具有实用价值：若 t i ( ，。：如一2 ) 则拒绝疗1 ：6 o ，认为线性回归不显著。 2 2 4 一元非线性回归分析 ( 2 - 1 7 ) 2 2 4 1 可线性化的一元线性回归问题 对于非线性的类型，根据散点图，通常可以选配双曲线、幂函数曲线、指数曲 线、倒指数曲线、对数曲线、s 曲线等六种曲线之。本文采用y = “5 拟合，对模 型取对数，令封= l n y ，y = 1 nz ，疗= i n c ，则有= a + b v ，将非线性闯题转化为线 性问题。 图2 - 2 幂函数曲线示意图 2 2 4 2 多项式的回归问题 设两个变量x 与y 的回归模型为 1 3 一篡 量 爨一 塔 华北电力大学硕士学位论文 f y = 氏+ 岛z + 6 2 x 2 + 【e n ( o ，口2 ) ( 2 - 1 8 ) 式中，p 为己知数，b o ，岛，b 。和口2 是不依赖与x 的未知参数。它是一元非线性回 归问题中的一种特殊情况。同元线性回归模型的方法，则多项式回归方程为 ， y = b o + b l x + 6 ：x 2 + + 6 口x 用最小二乘法来估计b o ，b 。6 2 ，b ，作离差平方和 ( 2 1 9 ) q ( b o ，b 。，b ：，b p ) = 圭o b o 一6 l x 一6 2 r 2 一一6 p x p ) 2 ( 2 - 2 0 ) 式中，为样本个数。 分别对6 0 ，6 1 ，6 ：，b 。求偏导，得 圭o b o b l x 一6 ：x 2 一6 ，x ，) # = o ( 后= 0 ，1 ，p )( 2 2 1 ) 可以得到正规方程组 行s 。+ 耋五+ 宝x 琏+ + 圭f ：儿 i = 1，= t捧l f _ i 耋1 t 磊+ 砉# 反+ 蓦x ? 友+ _ + 墨x ? “瓦= 砉， ( ：，) r 。i = 】 ，= lj = 1 j = 11 2 - z l i 耋z 瞳+ 重z 十塞r ? ”t + + 圭x ? ，t ：壹f 儿 j 2 l 5 lr = 也i ，= l a 解得估计值b o ，6 b ：，b ，a 2 3 用户对电价反应曲线 2 。3 。1 用户对电价的反应的意义 在传统的电力系统中，只有负荷的概念没有真正意义上的用户的概念。电力部 1 4 华北电力大学硕+ 学位论文 门将负荷看作固定的、被动的、没有协作的受控的终端。而在电力市场中，负荷作 为用户参与到市场中来，是电力市场中的一个平等的参加者。发挥用户的能动性， 积极开展电力公司间的协作，将给电力市场中的各方成员带来利益。 生产、生活用电的时间相对集中，产生用电的高峰期、低谷期。由于电力生产 和电力系统的特性，各用电时段的电力成本不同，应该实行分时电价。根据经济规 律，用户对不同电价会做出响应，把用电高峰期的负荷转移一部分到平时或用电谷 时。这种响应不仅有利于用户本身生产、生活成本的降低，而且对电力系统有很大 的好处。 用户对电价的反应曲线的意义体现在技术上有利于电力系统的稳定，在经济上 有益于的供用电双方的利益，在宏观上有利于电力市场机制的运营。 ( 一) 在电力系统中实现削峰填谷 当电力系统负荷较高时，影响系统的安全性。此时降低峰荷的意义很大，首先， 降低峰荷有利于系统输电线路上负荷过大的情况。其次，削峰可以减少在峰荷时调 用昂贵机组，减少备用容量，特别是旋转备用。可降低运行费。 填谷是指提高低谷负荷。一般采用日峰谷价和季节性峰谷价，刺激低谷时的用 电量，充分利用空闲机组，降低峰谷负荷差。 ( 二) 在经济利益上实现供用电双方的“双赢” 通过转移负荷，用电方减少了能源支出。电网公司减少用于扩建电网和加强电 网可靠性的支出费用。 ( 三) 对电力市场参考和促进作用： ( 1 ) 用户对电价的响应曲线是制定售电电价的重要依据。 ( 2 ) 有利于电力市场中负荷预测，因为考虑电价对用电量的影响与否，预测的峰 负荷值将有很大变化，所以电价用电量响应曲线关系到负荷预测的准确性。 ( 3 ) 对整个电力市场来说，用户对电价反应的数据关系到电力市场能否安全、稳 定运营。在经济控制理论中，用户对电价的响应是电力市场的一个反馈环节，它可 视为一个阶惯性环节，其传递函数为其中k 反映了用电量对电价的弹性系数，t 反映了用户对电价响应的时滞( 未锝到具体数据) 。( 注：用电量对电价的弹性系数是 指用电量变化的百分比与电价变化的百分比之间的比值。) 一般情况下，用户对电价的响应有利于电价平稳和电力市场运营稳定性。从短 期角度看，需求侧的时滞大于供给侧的时滞，加上需求弹性小于供给弹性，用户对 电价的响应对电力市场运营稳定性的影响稍大些。从长期的角度看，由于发电厂及 输变电设备的建设周期长，发电侧的时滞大于需求侧，它们对电力市场的运营稳定 性的影响会稍大些。 2 3 2 数据的调查和采集 华北电力大学硕士学位论文 不同的电力用户对电价的敏感度不同。目前电力公司将用户基本分为大用户、 非工业和普通工业( 简称非、普工业) 、商业、农业、非居民照明、居民用电等类 型1 9 ”。每种类型用户对应种对电价反应曲线。 根据回归分析的原理，每组曲线需要获取7 组不同电价对应的用电数据。 如果调查一个地区的所有用电用户的全部信息，需要花费大量的人力、物力。因此 采用抽样调查方式，可以起到事半功倍的效果。本文采用了问卷调查，访问，分析已有 数据相结合的调查方法。设计调查表询问不同的峰谷电价差下，用户高峰负荷的转移量， 然后通过计算可得多组电价一用电量的对应数据。 a ) 对地区重要用户发出问卷，亲自走访一些单位个别调查，收回部分有效数据。 b ) 走访地区供电局，获取部分己实施峰谷电价用户在电价变化前后的用电反应，以 及不同用户类型用电总数据和历史日负荷曲线。 c ) 考虑到“相同类型用户有相似的用电反应【1 1 】”，部分采用文献 9 2 的数据。 在此调查基础之上，选用一元线性回归模型拟合不同用户购电反应曲线。再 综合以上曲线，根据元非线性回归模型中的多项式回归原理，可得到全社会地区 分时电价综合反应曲线。 2 3 3 非普工业算例 对河北某地区非、普工业进行调查，设3 个峰谷电价差，得到相应的转移到谷 时段和平时段的3 组负荷百分比，进而得到7 个相应的用电量和电价的资料。再运 用回归分析法对资料进行处理，得到用户用电量对电价的反应曲线。 当峰谷电价差为4 倍、5 6 倍和7 8 倍时，部分用户将有负荷转移，资料如 表l 所示。 表2 - 1 部分非、普工业用户峰谷电价变化时用电量转移情况 蜂谷电价差4 倍5 6 倍7 8 倍 | 用电量谷值g ，平值只谷值g 2平值p 2谷值g ；平值乜 用户 万k w - h a 6 5 002 03 03 05 0 bloo1 02 01 52 5 c 1 5 0o2 01 52 51 5 d1 24 02 5 4 03 04 03 0 e15 005 0o7 00 f2 55 03 06 03 06 03 0 g 1 87 007 0o7 00 h1 5 01 52 02 01 52 51 0 ， 另外，在非、普工业用户中还有总用电量为4 2 万k w h 的用户只选择转移负荷 1 6 华北电力大学硕士学位论文 但没有具体地写转移的百分比，还有总用电量为8 2 万k w h 的用户不转移负荷。 当峰谷差为4 倍时转移到谷值g i 的平均转移量 一 e g h q g 1 = 丝一 qo ；j ( 2 - 2 2 ) 式中， 为调查用户数，q ，为第f 用户的用电量，g l ，为第i 用户对谷值1 的转移 量。可得 百：6 5 x o + l x o + 1 5 x o + 1 2 x 4 0 + l x s o + 2 5 x 5 0 + l s x 7 0 + 1 5 0 x 1 5 ：2 4 6 1 1 65 + 1 + 1 5 + 1 2 + l + 2 5 + 1 8 + 1 5 0 同理可得： 只= 1 8 8 4 g ，= 3 0 0 8 只= 1 6 7 3 g ，= 3 3 9 9 只= 1 3 8 7 对于填写用电转移，但没有具体填写转移数量的用户，采用以上均值资料为转 移数量，可得平均转移量：g i = 1 8 6 5 ，只= 1 4 2 8 ，g 2 = 2 2 8 1 ，只= 1 26 9 ， g 3 = 2 5 7 7 ，只2 1 0 5 1 根据以上资料，以现行电价为标么值1 0 ，算出峰谷电价为4 倍、5 6 倍和7 8 倍时的相对电价，可得到用户对电价的相应7 个坐标点，如表2 - 2 所示。 表2 - 2 非、普工业用电量与电价的对应资料 i电价0 2 3 5 30 3 0 7 7o 3 71 0 1 6 31 6 9 2 317 6 4 7 用电量 12 5 7 71 2 2 8 ll1 8 6 51 00 6 7 0 70 6 4 5 106 3 7 2 对以上资料采用直线拟合的方法，得出直线拟合方程如式： f 2 - 2 3 ) 式中，x 为某时段电价与现行平值电价比值大小；y 为某时段用电量与现行平 值电价时段用电量比值大小。方程曲线如图2 - 3 所示。 经过检验，当给定显著性水平a = o 0 5 时，回归显著，方程有现实意义。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 电竹抽u 图2 - 3 非、普工业用电反应曲线 2 3 4 其它类型用户反应曲线 同理，可得到其它类型用户反应曲线。 大用户对电价反应： i y = o 6 6 0 6 ( 1 一x ) 3 ”+ 1( r 1 ) 【y = 一o 9 6 4 3 ( x 一1 ) 3 ”+ 1( z 1 ) 农业用户对电价反应： 图2 4 大工业用户用电反应曲线 1 8 f 2 2 4 ) 华北电力大学硕十学位论文 y = 1 4 y = 1 4 - 0 4 , 1 - 4 ( x - 1 ) 2 y ：0 3 + 0 7 扛丽 y = 0 , 3 ( o x 0 5 ) ( o 5 x s l ) ( 1 x s l 5 ) ( 1 5 x 1 ) 式中，x 为某时段电价与现行平时电价的比值大小，y 为某时段用电量与现行平值 电价时段用电两的比值大小。 经过回归检验，在给定的显著性水平a = o o l ，回归显著，参数方程有实际意 义，方程曲线如图2 - 7 所示。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 7 全社会i 地区用电综合反应曲线 本章介绍了回归模型中一元线性回归模型和多项式回归模型，在对不同类型用 户广泛调查的基础上，拟合不同类型用户对电价反应曲线，根据其在用电量占有率 综合拟合成全社会地区用电综合反应曲线。该综合反应函数将在第三章和第四章 中得到深入的运用。 2 1 华北电力火学硕士学位论文 第三章基于d s m 的分时电价模型 3 1 模型的基本假设 为了使本文研究得以顺利进行，本节将对上面所提出的问题和模型，特别是其 中的参量做出一些必要的基本假设。总的假设前提为： a ) 实行分时电价前后每天的总用电量保持不变。 b ) 转移到某一时段的电量按时间轴平均分配。 c ) 只考虑了价格对用户需求的影响，其他因素的影响需进一步研究；同样只考 虑了用户需求对价格的影响，其他因素( 如燃料价格) 对价格的影响暂时忽略。 根据国外实行需求侧管理的经验，在实行需求侧管理后，一般情况下用电量略 有增加或基本保持不变，因而假设a ) 是合理的。 与【7 】一样，假设b ) ，尤其是假设c ) 是为了使本文的讨论得以顺利进行所作的 简化技术性假设，对问题的最终解决有着非常严重的影响。显然，如何消除假设c ) 是一个十分重要的问题，有待进一步的研究。 3 2 模型的限定 分对电价的核心分为两部分，即是对峰、谷、平各时段的划分和峰、谷、平各 时段电价的确定。为了清楚描述分时电价数学模型，下面分别设定时段划分、各时 段电价的参量和限定条件。 3 2 1 时段划分的限定 我们将一天2 4 小时划分为3 类时段：r s 、昂，显然满足 弓+ 昂+ 疋= 2 4 ( 3 一i ) 其中，弓为峰时段，耳为平时段，为谷时段。 为了在具体电价实施中便于操作，便于用户接受信息，将时段划分限定为以小 时为单位，每时段大于2 小时。给式( 3 1 ) 增加限定条件，得 乃+ l + 疋= 2 4 ( 巧n ，乃n ，0 n ，r e 2 ，乙2 ，t 2 ) ( 3 _ 2 ) 华北电力人学硕士学位论文 在本文中，我们根据历史负荷中典型日负荷曲线来进行时段划分。典型日负荷 数据和曲线如表3 1 和图3 1 所示。 表3 - 1 典型日负荷曲线数据 时间t负荷万k w时间t负荷万k w时间t负荷万k w 0 ：0 0 一】：0 08 3 5 28 ：0 0 9 ：0 0l l7 2 616 ：0 0 1 7 ：0 01 1 9 1 4 l ：0 0 2 ：0 08 7 0 39 ：0 0 1 0 ：0 01 1 9 9 6l7 ：0 0 18 ：0 01 2 0 1 2 2 ：0 0 3 ：0 08 4 9 91 0 ：0 0 1 1 ：0 01 2 2 9 818 ：0 0 1 9 ：0 01 2 7 15 3 ：0 0 4 ：0 08 02 51 l ：0 0 1 2 ：0 01 0 9 5 0 19 ：0 0 2 0 ：0 01 2 6 6 6 4 ：0 0 5 ：0 08 8 8 3l2 ：0 0 1 3 ：0 01 1 1 5 42 0 ：0 0 2l ：0 01 1 9 1 4 5 ：0 0 6 ：0 09 l ，5 213 ：0 0 1 4 ：0 01 1 3 1 921 ：0 0 2 2 ：0 0i i i 3 0 6 ：0 0 7 ：0 09 7 4 l1 4 ：0 0 1 5 ：0 01 1 2 1 22 2 ：0 0 2 3 ：0 09 5 0 4 7 ：0 0 8 ：0 01 0 5 1 71 5 ：0 0 一1 6 ：0 01 1 2 1 22 3 ：0 0 2 4 ：0 09 0 4 6 典型b 负荷曲强 ”_ 一r 一崖j 葫氟葑! ，卜o 0 o 【三! 婴罂剿； $ 二二i 誊二二二i _ 一睾_ _ 二二二二 辩：= 差：麓譬暑霉j 霎1 ： ：；乏：蔓一二= l ：譬 三；j ；一李三i ； ；三兰三 观察典型日负荷曲线特点。发现其为典型的双峰负荷，而夜间至凌晨时段为持 续负荷低谷。因此对时段划分作出初步规定：一个谷时段，两个分时段，其它