（电力系统及其自动化专业论文）dsm中用户反应度建模及成本效益分析的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 d s m 中用户反应度建模及成本效 益分析的研究，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：菱翻趑 日 期： 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：导师签名： 、 ，铲 右伟移 日期：巡! 121 w日期：皇! ! ：! 兰： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1电力需求侧管理( d s m ) 研究的目的和意义 电力需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，d s m ) ，是指通过提高终端用电 效率和优化用电方式，在完成同样用电功能的同时减少电量消耗和电力需求，达到 节约能源和保护环境，实现低成本电力服务所进行的用电管理活动。d s m 的目的是 供电侧采取一定的措施来影响需求侧用电的时间和数量，以更为有效、更加低廉的 费用来满足用户用电的需要。一个可以付诸行动的d s m 计划，必须是群体各方共 同贡献均能受益的计划。 近年来，随着我国经济的持续快速发展，用电负荷大幅度增长，电力供需矛盾 非常突出。d s m 在缓解电力短缺中的作用已经显现。预计到电力供应不足，2 0 0 3 年4 月以来，国务院办公厅、国家发改委、国家电监会及国家电网公司相继出台了 一系列文件，并召开会议部署工作，提出要采用d s m 的办法，科学合理地引导电 力消费，降低高峰电力需求，以缓解电力供应紧张的局面。各地政府部门与供电企 业共同协作，在努力增加供电能力的同时，积极开展d s m 工作。如通过组织供电 企业与电力用户充分协商等办法，提前制定错峰、避峰措施；通过调整企业生产作 息时间、周轮休时间、设备检修时间等，转移部分高峰负荷。同时，部分省广开渠 道，积极筹措资金，对可中断负荷的用户给予补偿，以经济手段引导用户主动参与 d s m ，调节电力供求关系，提高资源利用率和能源效率。此外，政府充分发挥引导、 规范、舆论作用，为广大用户提供电力供需形势信息，争取全社会的理解和支持。 实践证明：d s m 在缓解电力短缺中发挥了很大的作用。 能源利用效率低也是目前我国普遍存在的问题 2 】。从终端用电来看，我国电力 利用效率很低，终端用电主要设备中的泵类、风机、空气压缩机、工业电炉、轧机 和矿用提升机、制铝和制碱电解槽、滚筒磨机、电焊机、照明和家用电器等，大多 能效较低，与国际先进水平相比还有较大的差距。如果采用d s m 节电降耗提高能 效，则预计每年有约5 ( 9 0 0 亿2 0 0 0 亿k w h ) 的节能潜力。 我国能源资源匮乏，环境保护压力很大，现代化建设不能以牺牲资源和环境为 代价。如果采用d s m 减少电力需求，通过节电及降低高峰负荷，可进一步减少装 机，节约投资，并有效地减少二氧化碳、二氧化硫等有害物质的排放量，具有明显 的经济效益与社会效益。显然，d s m 也是我国可持续发展的重要战略选择。 d s m 是促进电力工业与国民经济、社会协调发展的系统工程，涉及到政府、电 力企业及广大电力用户的许多方面【3 1 。2 0 0 4 年5 月，国家发展改革委和国家电力监 管委员会联合发出加强电力需求侧管理工作的指导意见，是指导我国全面开展 1 华北电力大学硕士学位论文 d s m 工作的纲领性文件，也是将d s m 纳入到法律框架中的基础性文件。这一文件 的出台，将指导各地区尽快制定d s m 的实施细则，规范d s m 的活动，推进和全面 开展d s m 工作。该文件在充分肯定d s m 对缓解当前电力短缺的作用的同时，也强 调d s m 是国家能源战略的重要组成部分，确立了d s m 在我国可持续发展中的战略 地位。 同打破垄断、引入竞争体制一样，需d s m 同样是电力改革的重点。我国的电 力管理正在由过去的供应侧管理走向供应侧和需求侧双向管理，由过去单纯的供应 侧规划走向综合资源规划( i n t e g r a t e dr e s o u r c ep l a n n i n g ，i r p ) 。实行合理有效的 d s m ，能够提高电力工业的效率和效益。随着电力体制改革的深入，迫切要求将原 先在计划体制下的用电管理方式逐步过渡到更先进、更具市场特点的d s m 方式。 d s m 研究和应用在我国尚处于起步阶段，虽然已取得了一定的成果，但还有很多问 题有待进一步深入研究和解决，本文将结合d s m 在实用中的若干关键技术问题， 进行较为深入的研究，从而为推进d s m 在我国电力工业的进一步应用起到积极作 用。 1 2d s m 研究现状 d s m 是i r p 的一项主要内容，重在提高终端用电效率和改善用电方式，提供节 电资源，减少对供电的依赖。d s m 是作为一个新的概念纳入i r p 中的，其实质内容 为：d s m 是作为供应侧的电力公司采取有效的激励和诱导措施以及适宜的运作方 式，与用户同心协力提高终端用电效率和改变用电方式，为减少电量消耗和电力需 求所进行的管理活动。 d s m 是基于用户利益基础上的能源服务，需要在提高用电效率的同时取得直接 的经济收益，并在电力公司与用户之间建立一种伙伴关系。它的目标主要是；通过 负荷管理技术改变用户的用电方式，降低电网的最大负荷，取得节约电力、减少电 力系统装机容量的效益：通过用户采用先进技术和高效设备，提高终端用电效率减 少电能消耗，取得节约电能的效益。 1 2 1 技术手段 技术手段是指针对具体的管理对象以及生产工艺和生活习惯的用电特点，采用 规划期内技术成熟、当前就能应用先进节电技术和管理技术，及其相适应的设备来 提高终端用电效率或改变用电方式。主要的技术手段【3 】包括改变用户的用电方式和 提高终端用电效率两种。 前者主要是指负荷整形管理技术，包括削峰、填谷和移峰填谷三种。根据电力 系统的负荷特性，以某种方式将用户的电力需求从电网的高峰负荷期削减、转移或 增加电网负荷低谷期的用电，以达到改变电力需求在时序上的分布，减少日或季节 2 华北电力大学硕士学位论文 性的电网峰荷，提高系统运行的可靠性和经济性，还能减少新增装机容量和节省电 力建设投资，降低预期的供电成本。主要可以在终端用户中采用蓄冷蓄热技术、能 源替代运行技术和改变作业程序、调整轮休制度来实现。 后者主要包括：选用高效用电设备、实行节电运行、采用能源替代、实现余能 余热回收和应用高效节电材料、作业合理调度、改变消费行为等几个方面。例如南 非和瑞典在d s m 技术应用中提高住宅的热效率的方法。同时，进行合理科学的 d s m ，还必须借助于自动化监控技术。例如实现d s m 的自动化监控技术，对负荷 控制和自动读表系统的有关技术问题进行的研究，以及适于d s m 的公用事业网的 体系结构。目前，常用的提高终端用电效率的实用技术包括变频调速技术、冰( 水) 蓄冷技术、电力蓄热技术等。 1 2 2 成本效益分析 成本效益分析是以货币作为统一度量尺度，对工程项目技术方案的投资效果进 行计算，通过对比分析来评价其可取程度的一种方法，其目的是为经营管理在投资 方向和优先关系方面提供决策依据，使有限的资金得到有效的利用，以期达到合理 配置资源的目的，取得最佳的技术经济效果。 在d s m 的成本效益分析中通常采用净现值n p v 或益本比d c r 来计算，并提 出了可避免电量成本、可避免峰荷容量成本、单位节电成本、节电峰荷容量成本的 概念【4 j 。主要考察的对象包括电力公司的成本效益、参与用户的成本效益、项目实 施中介的成本效益、非参与用户的成本效益和社会的成本效益。i r p 和d s m 不是为 某一群体或某一部门制定的，它重视的是以用户为基础的社会整体价值，以达到资 源优化配置的目的，为社会创造一个可持续发展的能源环境。所以社会效益在方案 的评价中居主导地位，也是判别方案优先次序的主要标准。 成本效益分析在北京和上海的d s m 技术实施中都有采用。 1 2 3 电价体制 建立合理的电价体制的主要目的是使电价反映成本，设计分时电价是为了更好 地反映供电成本，并能提供一种鼓励移峰填谷的手段，同时在峰荷时段还可节约能 源 5 - 7 j 。同时电价制度还要能激发电力公司实施d s m 的积极性，又能激励用户主动 参与需求方管理活动。 分时电价随消费时段和系统的负荷曲线而变化，而负荷曲线又受到成本、峰荷 时段、班制等因素影响，例如关于发电的动态成本计算问题的研究。因此，电价随 季节、时段、气候或这些因素的组合而不同，并对应于电力系统不同的运行状态。 制定电价主要有预先确定价格和价格时段以及预先制定电价，而应用时段根据负荷 情况来定这两种方式，例如关于无功电价计算方法的研究。 3 华北电力大学硕士学位论文 目前，我国已逐步开始实旌峰谷分时电价，但峰谷电价的比例还不够，这是一 个需要研究的问题。如京津唐电网的峰谷电价的差价较低，从目录电价看，大工业 峰谷电价的峰谷比为2 5 ：1 ，商业电价的峰谷比为4 5 ：1 ，而在d s m 推行较好的 美国加州峰谷电价比达到了1 0 ：1 。而转移生产负荷将会使企业其他费用增加，我 国目前的峰谷电价差小，还不能刺激更多的用户参与d s m 项目。 此外，为了进一步调动广大用户的参与程度，还需对可中断负荷和可中断电价 进行研究。 1 ，2 。4 数学模型 i r p 是2 0 世纪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。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) 方案，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 在发达国家和一些发展中国家近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。 i r p 的关键是d s m ，d s m 是i r p 的主要组成部分。而现有的i r p 定义认为i r p 是一个寻找供应侧和需求侧两者互相满足的最优度量的过程。在研究的过程中，不 断引入了各种优化方法和建立了各种优化模型1 6 儿引，并且在这个领域中不断有新的 方法和模型出现。例如一种定量考虑设备损耗成本的i r p 模型，以及考虑用户、废 气排放和当地经济约束下的i r p 模型。 1 3国内外d s m 应用概况 1 3 1 美国主要电力公司 d s m 概念起源于美国p _ 。在2 0 世纪中后期，d s m 作为一种重要工具，再度 引起美国政府和社会各界的普遍重视。大约3 0 多家北美的电力公司已经积极实施 d s m 规划，并有为数众多的d s m 在美国成功实施的实例。威斯康星电力公司和中 央主电力公司( c m p ) 大约从1 9 8 6 年就开始制定规划。c m p 由d s m 带来了电能 节约，到1 9 9 1 年需电量减少了4 5 m w ；威斯康星电力公司自1 9 8 7 年开始到1 9 9 1 4 华北电力大学硕士学位论文 年为止，累计减少需电量3 0 0 m w ；太平洋煤气和电力公司至1 9 9 1 年，共减少11 9 m w 的需求；爱迪生和长岛照明公司1 9 9 0 年由于实施d s m 共减少需电量3 6 8 m w 。表 1 1 为实施d s m 技术的美国主要电力公司的负荷情况。 表1 - 1实施d s m 的美国主要电力公司的负荷情况 1 3 2 意大利国家电力公司 1 9 6 0 年意大利1 2 4 3 个参与电力生产、传输和分配的公司合并成为国家电力公 司( e n e l ) ，国家拥有1 0 0 的股份 9 - 1 0 】。到1 9 9 4 年1 2 月3 1 日止，e n e l 的主要 数据为：用户数2 8 2 4 5 9 8 7 个，售电量为2 0 5 2 t w h ，营业额为3 3 3 6 5 0 亿里拉，发 电量为1 4 4 5 3 8 t w h ( 矿物燃料) 、3 4 4 2 2 t w h ( 水电) 和3 4 17 t w h ( 风电) ，高峰 负荷需求为3 8 2 5 5 m w ，雇员为1 0 1 8 4 9 名。 自2 0 世纪7 0 年代末，意大利制定了促进用户合理利用资源尤其是能源以达到 环保的政策。为此，e n e l 开展了一些d s m 项目。到2 0 世纪8 0 年代，电力部门的 发展进一步推进了d s m 的实施，节电成为一种切实的主要资源，避免所有浪费和 控制需求是d s m 的第一步。下一步，以电力服务的边际成本为基础，e n e l 通过特 殊合同对用户用电实施商业刺激。为提高初级能源利用效率并优化负荷曲线，建立 合理的价格体系，发展高效用能设备，e n e l 在信息服务、咨询、能源审计和融资 等方面加强工作。在e n e l 的纵向机构组成使直接评价d s m 对整个电力部门的影 响成为可能，通过选择合理的d s m 措施为用户提供优质的服务，e n e l 还通过在电 力生产的各阶段进行高利润投资和使用高效能设备实现其财力的合理利用。 1 3 3 北京地区开展d s m 的情况 北京作为我国首都和国际化的大都市，人均拥有和人均消费的电量水平比较 高，北京地区的负荷也持续快速增长：年月平均负荷由1 9 9 0 年的18 6 2 m w 增长到 1 9 9 6 年的2 6 2 9 m w ，年平均增长7 1 ；最大负荷由1 9 9 0 年的2 4 9 9 m w 增长到1 9 9 6 年的4 4 7 3 m w ，年增长8 1 ：最小负荷由1 9 9 0 年的1 7 4 9 m w 增长到1 9 9 6 年的 5 华北电力大学硕士学位论文 2 4 3 3 m w ；年增长6 8 。由此可见，北京地区高峰负荷增长最快，而低谷增长缓慢， 峰谷差急剧拉大，由1 9 9 0 年的7 5 0 m w 增长到1 9 9 6 年的1 8 4 6 m w ，负荷率也由1 9 9 0 年的8 6 8 1 下降到1 9 9 6 年的8 2 1 3 ，年平均下降1 4 个百分点，对电力系统安全 稳定及经济运行造成很大的困难。 为了解决调峰困难等问题，北京地区开始了d s m 技术应用的推广工作，并选 取了首都钢铁公司厂区作为试点。试点的结果表明首都钢铁公司电网高峰负荷率由 同期的9 2 提高到9 8 ，躲( 移) 峰5 0 m w ，经济效益和社会效益显著。 从北京地区实施的情况来看，d s m 技术在缓解华北电网高峰时段电力紧张状况 方面有显著的效果【1 1 】。d s m 技术的实施还有提高用户用能效率、开拓电力市场、 提高电网的经济运行和使用户获得经济收益等优点，同时d s m 的实施可减少污染 气体的排放量，具有环保意义。 1 3 4 上海地区开展d s m 的情况 在1 9 8 6 年到1 9 9 4 年间，上海市的装机容量和电力生产分别以年均1 2 2 6 和 6 9 的增长率高速增长，但是电力需求的增长仍快于电力供应的增长。在1 9 9 5 年， 需求的峰荷超过供应的峰荷9 4 0 m w 1 2 】。实际上，上海的电力消费容量与发电的装 机容量比是3 6 6 ：l ( 正常应为2 ：1 ) ，所以经常出现拉闸限电的现象。 对于上海市来说，电力工业的发展在近几年间主要面临以下困难，即：电力供 应短缺；峰谷负荷差增大；单位容量新建电力设施的投资成本增加；电力工业对城 市的污染较大；未来电厂建设项目设计的难度加大。 为解决以上问题，d s m 提供一种全新的概念，使电力部门对鼓励终端用户使用 节能设备和高效的负荷管理的投资远远低于新建电力设施的投资，同时能减轻用电 需求的紧缺、改善负荷曲线、提高用电服务的质量，从而使新建电厂的项目可以推 迟甚至取消。 预计上海市实施d s m 对避免高峰负荷和电量节约的效果如表1 2 所示。 表1 2 上海市d s m 技术实施效果 同时，实施d s m 还将能在2 0 0 0 年和2 0 1 0 年减少c 0 2 的排放量8 8 0 k t 和1 5 0 3 k t ， 减少s 0 2 的排放量5 9 k t 和1 0 k t 。 i r p 和d s m 技术正在实践中不断完善和发展，而对于中国来说它们还处于起步 阶段，在国内d s m 技术的开展仍然有很多的困难，但是我们必须要看到开展d s m 6 华北电力大学硕士学位论文 技术是电力企业发展的必然，也是社会发展的需要。 1 4d s m 面临的问题 现阶段，我国在实施d s m 的过程中尚存在一些政策和机制上的不足，对d s m 的推广应用会产生阻碍作用。d s m 应用中面临的主要问题可归结有以下几点 1 3 - 1 7 1 ： ( 1 ) 现行的电力企业考核制度制约了电力企业实施d s m 项目。现行的考核制度 主要考虑企业的售电量、利税。售电量是电力企业经营业绩的重要表现指标。而大 部分d s m 项目都是以削减用电量为目的的，有可能会影响售电量。在目前的电费 计算机制下，供电公司缺乏有效的激励机制从事d s m 方面的投资和项目，以促进 用户节约用电和提高能源效率；而广大电力用户缺少参与d s m 项目特别是对电力 系统运行最有意义的“可中断供电”项目的积极性。目前推出的峰谷电价机制，在 一定程度上促使用户将部分负荷“移峰填谷”，但由于缺乏“可中断电价”机制， 用户很难接受将其置于电力运行部门直接控制的d s m 系统之内。 ( 2 ) 现行的电价体制使电力企业的d s m 项目开支无法收回。现行的电价体制还 没有完全放开，电价的制定还要受到政府的约束，无法完全体现出电力项目的成本， 当然就更无法体现d s m 项目的投资，所以这部分投资资金无法在售电收入中收回。 ( 3 ) 缺乏有效的d s m 成本效益分析和评估机制。由于无法准确定量评估d s m 产生的效益，难以为广大d s m 参与人员接受，贯彻d s m 的积极性也受到影响。另 外，由于不能准确评价d s m 项目，d s m 实施过程中各个环节的经验和教训难以正 确认识，也限制了d s m 发展的速度。 ( 4 ) 对新建电厂项目的审批没考虑配套的d s m 项目。有钱就上电厂项目是国内 电厂投资的一种现状。 ( 5 ) 在技术、经济和市场因素中的不确定性也会使d s m 项目实施时要承担很大 的风险。d s m 项目中获取详细而准确的数据、资料及特性化等这些信息本身就具有 很大的难度；而d s m 项目对用户的参与要求是很高的，用户参与的因素是能在经 济吸引力等因素缺乏理解和理解上的变化而产生差异的：市场的不确定性则源于潜 在用户响应d s m 范围。 ( 6 ) 许多节电产品质量不可靠。由于节电产品市场管理不严，造成节电产品市 场混乱，产品质量参差不齐，所以用户需对要采用的节能实施信心不足，也妨碍了 d s m 项目的开展。 ( 7 ) 人员素质还不能达到要求。因为d s m 诸项目，几乎涉及到当代各种高新技 术，高新技术需要高素质的人才去使用、维护和管理，同时还需要高度的责任心和 技术水平。对于d s m 技术项目开展的个重要方面就是与领导的重视程度很大。 通过上面对现阶段d s m 文献的分析可以看出，国外对d s m 的研究主要集中在 7 华北电力大学硕士学位论文 如何描述需求管理中各种类型的用户以及实施d s m 所产生的效果的理论分析上， 对d s m 的实施有重要的指导意义，我国对d s m 研的究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d s m ，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 5本文的主要工作 本文将重点对d s m 中用户反应度建模及成本效益分析进行研究，主要包括： ( 1 ) 研究用电需求曲线的建模方法，建立用户反应度模型，研究不同类别负荷 对电价变化的不同响应，并对用户对电价反映度模型的应用进行了分析。对电力用 户的终端用电特性及其对系统负荷曲线影响的了解程度，直接决定d s m 项目的效 果。实际情况表明，长期以来供电部门忽视对用户电表后的用户用电特性的了解， 缺少终端设备用电数据，是制约d s m 工作开展的主要因素之一。这正是本文重点 强调用电需求曲线建模的原因。 ( 2 ) 在论述d s m 成本效益分析基本理论的基础上，以常用的照明节电及空调蓄 冷两类d s m 能效管理项目进行了详细的成本效益分析，并重点进行了投资回收期 对电价、设备寿命、设备补贴、设备投资成本等的灵敏度分析，考虑了d s m 实施 过程中各种不确定性因素的影响，为d s m 方案的实施提供了很好的指导。 ( 3 ) 结合我国互联电网飞速发展的现状，本文提出了各级电网分层协同的需求 侧管理方案，该方案的与我国电网分级调度模式相适应，首先实现区域电网层次的 协同d s m ，挖掘大区电网互联的效益，特别是以月为单位，充分发挥互联电网间的 季节性错峰效益；其次，在区域电网内部各省级电网层次上实现省网间协同d s m ， 以天为单位，充分挖掘省级电网之间的日错峰效益。对所提出的电网分层协同d s m 方案进行了初步的成本效益分析，论证了该方案的可行性和潜在的效益。 通过本文研究，建立了适用于d s m 电价体制的用户用电量对电价的反应曲线， 提出了适应我国目前电网分级调度的d s m 方案，并进行了成本效益分析，便于充 分挖掘参与各方参加d s m 的积极性，进一步提高d s m 的实际应用效果。 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用电需求对电价的反应度 2 1 1 用电需求与电价的关系 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 q = f ( p ，t ，i ，p 1 ，p 2 ，e ，w ， ( 2 - 1 ) 式中，q 为需求量；p 为商品价格；t 为消费者的偏好；i 为消费者的收入；p i 为代 换产品的价格；尸2 为互补产品的价格；e 为该产品未来供应状况；w 为该产品资源 储备；x 为其它影响因素； 在影响需求量的上述诸多因素中，价格是最p 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p 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 p l 线d - - d ，如图2 1 所示。这是因为较低的商品价 华北电力大学硕士学位论文 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 对电力市场参考和促进作用： 用户对电价的响应曲线是制定售电电价的重要依据。 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。 对整个电力市场来说 1 8 】，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 可视为一个一阶惯性环节，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( 未得到具体数据) 。( 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 2用户对电价的反应度建模 2 2 1 回归分析建模原理 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 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【i9 1 。 2 2 1 1 一元线性回归模型 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 + b x + 占， 占n ( o ，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n ( 0 ，仃2 ) ，a 、 b 和仃2 都是不依赖x 的未知参数。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 对于固定的x ，y ( 口+ b x ，) ，即随机变量y 的数学期望为 e y 2a + b x ( 2 3 ) 显然ey 是x 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a 和b ，估计值分别为a 和占。则称 夕= a + k ( 2 4 ) 为y 关于x 的线性回归方程，占为回归系数。回归方程的图形称为回归直线。 2 2 1 2 未知参数a 、6 和6 2 的估计 一般用最小二乘法估计a 和b 。作离差平方和 导 q ( a ，6 ) = 壹( y ，一口一b x ，) 2 f = i ( 2 - 5 ) 选取参数a 、b ，使得q ( a ，6 ) 达到最小。根据高等数学中的求极限值法求偏 将其变形为 挈= 一2 壹( 乃一以一抚) ：o o af _ i 罢= 一2 虮一口一魄) t ：o d df = l n a + ( 一) 6 = 少 f = lf = i nnn ( + ( 一2 ) 6 = x i y i f = lf = lf = l 用五和占代替d 和6 得 得到唯一的一组解 n f i + ( z x , ) b = z y ， f = i f - i ( 窆x i ) 五+ ( nx ? ) 艿：窆t m 扛i扛lf = 1 e x ，y ，- ( z x 从少，) z ( x ，- x ) ( y ，一歹) b = 生! 生!童!= 曼! 月nh n z 工? - ( y x f ) 2z ( x ，- x ) 2 a = 去喜y ，一鲁喜x ，2 y 一占； l l ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，；：三圭t ，歹：! 壹j ，。 nf ：i，zf = l 当口，b 的估计值a 和占求出后，得出y 对x 的线性回归方程夕= 五+ 反。 将a = y - - 反代入式( 2 4 ) ，回归方程式变形成 y “= y + b ( 。x x ) ( 2 1 o ) =+ 一x )【2 一u ) 此式表示回归直线通过散点图的几何中心q ，少。 再讨论对，的估计。 对于线性回归模型( 2 - 4 ) ，引入定理2 1 ： 定理2 - 1 ( 1 ) 吉驴以，z 叼。 这里，q = ( y 厂夕f ) 2 = ( y ，- a - l ；x ，称为残差平方和； ( 2 ) 旦与a ，占相互独立。 证明省略。 由定理2 1 得e ( 去q ) = n - 2 。故0 - 2 的无偏估计为 挣笔( 2 - 1 1 )，z z 一般称 扣肛鲁 ( 2 - 1 2 ) 为回归方程的标准差或回归方程的误差。 2 2 1 3 一元线性回归模型的假设检验 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( a + b x ) 。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。 线性假设进行显著性检验( f 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 i ：b 0 ( 2 - 1 3 ) 用，一检验法进行检验，为此，有以下定理。 华北电力大学硕士学位论文 定理2 - 2 设一元线性回归模型( 2 - 4 ) 中6 = b o ，则 卜警耔_ _ ) 2 陋 其中，彦= 彦2 服从自由度为，z 一2 的t 分布，即t t ( ，z 一2 ) 。 定理证明省略。 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( 0 水1 ) ，一次抽样后算出 的数值，若 r 压i t i f “：g 一2 ) 则拒绝o ：6 = 0 ，认为线性回归显著，线性回归方程具有实用价值；若 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ti t a 2 0 2 ) ( 2 1 7 ) 则拒绝h l ：6 0 ，认为线性回归不显著。 2 2 1 4 一元非线性回归分析 ( 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 曲线等六种曲线之一。本文采用y = c x 6 拟合，对模 型取对数，令“= i ny ，1 ，= i nz ，口= i nc ，则有2 = 口+ b y ，将非线性问题转化为线 性问题。 ) ， 口 0 y a 0 图2 - 2 幂函数曲线示意图 ( 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 华北电力大学硕士学位论文 y = ，b ，o ，+ b , ，x ，+ 吃z 2 + + b p z p + 占( 2 - 1 8 ) l ( o ，盯2 ) 式中，p 为已知数，b o , b l ，一，6 p 和，是不依赖于工的未知参数。它是一元非线性回 归问题中的一种特殊情况。同一元线性回归模型的方法，则多项式回归方程为 y = b o + b ix + b 2z 2 + + 6 p x p ( 2 1 9 ) 用最小二乘法来估计b o , b ，6 ：，b 卢，作离差平方和 q ( b o 州bb ：，b p ) = 量( y b o b l x - b 2 x 2 - b p x p ) 2 ( 2 - 2 0 ) 式中，以为样本个数。 分别对b 0b 。，6 ：，b p 求偏导，得 妻( y b o b l x b 2 x 2 一一b p x p ) x ? = o ( 尼= o ，1 ，p )( 2 - 2 1 ) f 可以得到正规方程组 ，z b o + 窆x ，反+ 窆x ；占：+ 主x 7 b p ：y ， i = 1 i = lf - ii = l _ 玩+ 善x 撼+ 丢x ? 6 z + + hxi=l j ；p “占p 2 善工戊( 2 2 2 ) f - lf = l f _ if = i一一一， 窆x ，反+ 主z 反+ 窆x ，+ z 占：+ + 主x ；! p 艿p ：窆x ，y ， j = ji = l，= 1扛l j = l 解得估计值b o ，b 。，b ：，b p 。 2 2 2 调查数据的采集整理和分析原理 统计整理【2 0 1 是对调查得来的大量原始资料进行审核、分组、整理、汇总，最后 综合出各种总量指标的数值，列入统计表内。 统计分析 2 0 1 是运用各种准确的统计指标，采用科学的统计方法，对社会经济现 象的数量和数量关系进行深入细致的分析研究，以揭示事物的本质特征和规律性， 并在此基础上对未来进行预测。 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、居民用电等六 大类。每种类型用户对应一种对电价反应曲线。 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。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 河北省某地区供电局对大用户采用峰、谷、平电价，已有一组用电量与电价的 对应数据。在此基础上，假设三个峰谷电价差，从用户调查中可得到对应的转移到 平、谷时段的三组负荷百分比。再以平时价值为参考点，求出低谷、峰荷时段的电 价；根据转移的负荷百分比，以平时用电量为参考点，求出对应时段的用电量。这 样，我们就得到了七个对应的用电量与电价的数据。然后应用回归分析法对数据进 行处理，最后得到用电量对电价的响应曲线。 本文在调查的基础上，参考部分文献的数据【2 i 】，经过数据统计整理和统计分析， 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，根据一元 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 2 3 用户对电价的反应度建模方法及实例 2 2 3 1 大工业算例 ( 1 ) 不含铁合金和化肥工业的大工业 对河北某地区不含铁合金和化肥工业的大工业进行调查，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2 1 所示。 表2 - 1 部分不含铁合金和化肥工业的大工业用户峰谷电价变化时用电量转移情况 峰谷电价差4 倍5 - 6 倍7 8 倍 用电量谷值g 1平值p l谷值g 2 平值p 2 谷值g 3 平值p 3 用户 万k w - h a3 0 b1 4 5 0 2 o 0 0 4 0 2 o 0 0 0 3 o 0 3 o 3 o 6 o 6 o 2 0 0 2 o 0 2 o 3 o 3 5 o 3 0 8 0 8 o 2 0 0 2 0 0 2 0 3 另外，在不含铁合金和化肥工业的大工业用户中还有总用电量为2 6 0 万k w h 的用 户只选择转移负荷但没有具体地写转移的百分比，还有总用电量为1 8 0 4 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 1 的平均转移量 一 e g l f q i g i = 盟- ( 2 - 2 3 ) q ， f = l 15 们 如 啪 c d e 华北电力大学硕士学位论文 式中，以为调查用户数，q f 为第f 用户的用电量，g l f 为第f 用户对谷值1 的转移量。可 得： 瓦：3 0 2 0 + 1 4 5 0 + 4 0 0 + 5 0 4 0 + 1 5 0 2 0 ：1 9 6 8 3 7 。 3 0 + 1 4 5 + 4 0 + 5 0 + 1 5 0 同理可得： 置2 5 2 7 2 4 g 22 3 4 2 1 7 9 最22 0 3 5 1 5 g 3 2 4 1 0 7 2 1 只2 2 0 3 5 1 5 对于填写用电转移，但没有具体填写转移数量的用户，采用以上均值资料作为 转移数量，可得平均转移量：g i = 1 4 7 8 5 l ，只= 3 9 6 0 3 ，g 2 - - - 2 5 7 0 2 4 ， 最 2 1 5 2 8 6 8 ，g 32 3 0 8 5 0 8 ，b2 1 5 2 8 6 8 根据以上资料，以现行平直电价时的用电量为参考点( 电价为1 0 ，用电量为 1 0 ) ，在各种峰谷差价下，用线性平直用电量减去转移到平直和低谷的用电量的百 分比之和，就可以得到高峰电价时的用电量；同样用线性平直用电量加上转移到低 谷的用电量的百分比，就可以得到低谷电价时的用电量。根据上述算法，算出峰谷 电价为4 倍、5 - 6 倍和7 8 倍时的相对电价，可得到用户对电价响应的7 个坐标点，如 表2 2 所示。 表2 - 2 不含铁合金和化肥工业的大工业用户用电量与电价的对应资料 对以上资料采用三阶曲线拟合的方法，得出三阶曲线拟合方程式如下： y = 1 1 4 0 4 x 3 + 3 2 7 7 8 x 2 - 2 9 9 6 9 x + 1 8 7 0 1 ( 2 2 4 ) 式中，z 为某时段电价与现行平值电价比值大小；j ，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 = 0 0 5 时，回归显著，方程有现实意义。 ( 2 ) 化肥和铁合金 在化肥和铁合金工业中，用户在峰谷电价差为4 倍、5 - 6 倍、7 8 倍时，负荷转 移的数据如表2 3 所示。 表2 3 化肥和铁合金工业在峰谷电价差变化时用电量的变化数据 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 不含铁合金和化肥工业的大工业用户用电反应曲线 显然化肥工业对电价基本没有什么响应，无论什么情况下用电量均保持不变， 也就是说曲线不随电价的变化而改变，是一条直线。方程表示如下： y 2 i 0 而对于铁合金则是另外一种情况， 点如表2 4 所示。 ( 2 2 5 ) 经过数据参考调查，铁合金工业的七个数据 表2 - 4 铁合金工业用电量与电价的对应数据点 对以上资料采用二阶曲线拟合的方法，得出二阶曲线拟合方程式如下： y 一0 1 7 4 8 x 2 - 0 5 0 7 4 x + 1 6 6 9 5( 2 2 6 ) 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。 方程曲线如图2 - 4 所示。 ( 3 ) 整个大工业 将以上三个大工业分组所得的方程乘以它们各自的加权系数，于是就得到大工 业总的方程，其中加权系数是根据某年以上三种工业全年用电量的比值得到的，各 种工业某年用电量如表2 5 所示。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4铁合金工业用户用电反应曲线 表2 5河北省某年某市大工业全年用电量情况 为了方便起见，先将用上述方法所得的方程取出一定的数值，而后再根据这些 值进行拟合，从而可得整个大工业总的用电量对电价的响应曲线方程： y = 一1 0 6 2 8 x 3 + 3 0 4 8 饥2 - 2 8110 x + 1 8 3 4 5 ( 2 - 2 7 ) 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。 方程曲线如图2 5 所示。 ( 4 ) 结果分析 从整个大工业最后得到的图形可以看出： ( 1 ) 在峰谷电价差较小时，大工业用户基本不会对电价的波动作出反应，也就 是说电价的变化基本不会影响到用电量的变化。 ( 2 ) 随着峰谷电价差的增大，大工业用户就会从自身的角度去考虑改变一些峰 值的负荷到谷值或平值，这种现象随着电价差的增大越来越显著。 1r 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5 整个大工业用户用电反应曲线 2 2 3 2 非普工业算例 同理，可得到非普工业用户反应曲线。 采取和大工业同样的数据处理方法，如表2 6 所示。 由于根据以上几个数据点代入计算程序所得的幂函数拟合曲线很像直线，从而 对于非普工业就采用直线拟合的方法，得出直线拟合方程式： y 一0 4 1 1 7 x + 1 3 5 8 2 ( 2 - 2 8 ) 经过检验，当给定显著性水平萨o 0 5 时，回归显著，方程有现实意义。 方程曲线如图2 - 6 示。 非普工业种类繁多，部分用户不易改变用电方式，因而总体上对电价的响应不 像大工业那么显著。 2 2 3 3 其它类型用户算例 ( 1 ) 非居民照明 如表2 7 所示。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6 非普工业用户用电反应曲线 表2 7非居民照明用电量与电价的对应数据点 方法同上，得出直线拟合方程式： y 一0 5 1 5 2 x + 1 4 1 5 2 ( 2 2 9 ) 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。 方程曲线如图2 7 。 ( 2 ) 商业用电 商业用电因受经营方式的限制，目前用户对电价基本没有什么响应， 曲线不随电价的变化而变化，是一条直线。方程是： y = 1 0 ( 3 ) 农业用电 如表2 8 所示。方法同上，得出直线拟合方程式： 表2 8 农业用电量与电价的对应数据点 2 0 也就是说 ( 2 3 0 ) 豳 脚 旺 电价 图2 7非居民照明用户用电反应曲线 y = - 0 7 5 3 l x + 1 6 3 31 ( 2 31 ) 经过检验，当给定显著性水平萨0 0 5 时，回归显著，方程有现实意义。 方程曲线如图2 - 8 所示。 瞧j 哥 旺 电价 图2 - 8农业用户用电反应曲线 2 l 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 居民用电 现阶段，我国的居民用户的电力消费水平整体不高，一些家电都是为了满足家 庭生活所必需的，一些大功率的家电还没有进入居民家庭，所以实行分时计费或者 其他相应的电价制度并不能使居民改变电力消费的时间，也不能鼓励多数的用户去 移峰填谷；相反会使一部分，甚至是相当一部分居民减少用电，不利于电力的消费， 所以居民用电不宜采用过大的峰谷电价差。从国外的情况来看，居民侧的开放也是 在其他行业开放的基础之上才开放的。