（电气工程专业论文）分时电价的确定与实践分析.pdf

l 匀_ 大学硕i 学位沦文 a b s t r a c t a m o n gt h e o r i e so fp o w e rm a r k e t ，t h ep o w e rp r i c ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h ep o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t ，i fr e a s o n a b l ep r i c et oc o n s u m e r si s e s t a b l i s h e d ，t h ec o n s u m e r sc a nb em o t i v a t e dt ot a k ep a r ti ne l e c t r i c a l n d u s t r yi n n o v a t i o na n da d j u s tt h e i rm o d eo fp o w e ru s i n g t h u st h ep o w e r l o a dc a nb ek e p ti nas t a b l ec o n d i t i o n ，t h ee f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e mc a nb ei m p r o v e d a so n eo ft h ep o w e rp r i c e st oc o n s u m e r s ， t o u ( t i m e o f - u s e ) p o w e rp r i c ei sa p p l i e dw i l d l yi nm a n yc o u n t r i e s ， f u r t h e r m o r e ，i ti so n eo ft h ei m p o r t a n tm e t h o d so fd s m ( d e m a n ds i d e m a n a g e m e n t ) b y t h e w a yo fp r i c ea d j u s t i n g ，l o a ds h i f t i n gc a nb e f u l f 订1 e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fl o a dc u r v e s ，w ep r o p o s eam e t h o do ft i m e p e r i o dd i v i d i n gv i af u z z ys e m i g r a d i e n ts u b o r d i n a t ed e g r e ef u n c t i o n ， c a l c u l a t et h ep o w e rp r i c ei nd i f f e r e n tp e r i o df r o mm u l t i - o b j e c t i v e s o p t i m iz i n gm o d e la n da n a l y z et h et o up o w e rp r i c es t a t u si nn a n t o n g m a i n w o r ki n c h l d e st h en e x tt h r e ep a r t s ： i 、d i v i d eti m ep e r i o dv i af u z z ys e m i g r a d i e n ts u b o r d i n a t ed e g r e e f u n c t i o n ，d e t e r m i n et h ep e a ka n dv a l l e yt i m ep e r i o db a s e do r t h e p o s s i b i l i t yo fp o i n t sb e l o n g i n gt op e a ko rv a l l e y a c e o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tt i m ep e r i o dm o d e l s ，w ee s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gp o w e rp r i c e m o d e lt od oo p t i m i z i n g c a l c u l a t i o n ，a n dc o m p a r er e s u l t si no r d e rt o c h o o s et h eb e s to n e 2 、b ye x a m p l ei m i t a t i o n ，w er e s e a r c ht h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n d a r r t l y z et h ed a t ai nd e t a i l i tw o u l dn o tb et h eb e s ti nt h ew h o l eb ya n y v 【 i 海人。娑f l ! l “# 位沦文 w a yw h e no p t i m i z i n go n e o b j e c t i v e m o d e s ow ee s t a b is ht h e m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z i n gm o d e l t h ei m i t a t i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a t t h ism o d e lh a sb e t t e re f f e c tt h a no t h e r s 3 、t h ep a p e ra n a l y z e st h et o up o w e rp r i c es t a t u si nn a n t o n g ，d o e s s o m ef o r e c a s ti nd e t a i1 ，a n dp o i n t so u tt h eq u e s t i o n sa b o u tn o w a d a y st o u p o w e rp r i c ei nt h i sz o n e ，a tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v i n g a d v i e eiso f f e r e d k e y w o r d s ：d e m a n d s i d em a n a g e m e n t ，l o a dc u r v e ，1 0 a ds h i f t i n g t i m e o f + u s e p o w e rp r i c e v i 海人学硕f j 学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 瓤工0 3 j 丫， 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 翮虢查盟吼型，夕 卜海人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 分时电价简介 分时电价是电力行业实施需求侧管理，为鼓励用户改变用电方式，避峰用 电，以达到削峰填谷、提高电力系统的负荷率和运行稳定而采取的经济手段。 作为一种有效的需求侧管理手段，分时电价在国外得到了广泛的应用，在国内， 也有不少地方已经开始实行分时电价。具体地讲，分时电价就是把一天2 4 小时 按照负荷曲线的高峰低谷划分成峰、平、谷三种时段( 或峰、谷两种时段) ，并 与之对应着峰、平、谷三种电价( 或峰、谷两种电价) 。峰时段有着较高的峰电 价，谷时段有着较低的谷电价，从而促进用户尽量避免高峰高价用电，多用低 价谷电，以达到削峰填谷、改善负荷曲线的目的。 分时电价的确定主要内容包括两个方面：一是峰谷时段的划分，二是相应的 峰谷电价的确定。峰谷时段的划分必须和负荷曲线的实际情况相一致，否则分 时电价就失去其应用的意义，甚至有可能误导用户的用电方式。峰谷电价的制 定必须符合客观的生产规律，同时也要考虑由于实施分时电价而可能引起的一 些问题，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 实施分时电价，应保证电力系统在谷时段的电价大于或等于电力系统在 该时段的边际运行成本，即谷时段售电所得必须不小于发电成本。 ( 2 ) 实施分时电价必须保证大电网供售电量不会出现负增长。 耗能大户一般都是积极响应分时电价的实施，转移负荷的积极性也很高， 因为，电费支出是一笔很大的开支。这些企业除了重新组织生产外，有条件的 都在高峰时段用小发电机组顶峰发电。小发电机组在高峰时刻顶峰发电，对大 电网而言尽管可以降低高峰时段用电负荷，提高负荷率，但是大电网的供售电 海大学坝【学位论文 量也减少了。 如果实行分时电价后，每个企业都积极创造条件，在高峰时段用小发电机 组顶峰发电，那么大电网的低谷负荷不会增加而高峰负荷却会相对大幅度下降， 电网的供售电量将会出现负增长。由于小机组的能源利用率低于大机组，如果 实行分时电价出现了这种情况，是不符合国家的能源政策的，是不能允许的， 也是与实行分时电价的本意相悖的。 因此，为限制小发电机组顶峰发电，分时电价的高峰电价不宜高于小发电 机组发电的成本价。只有这样，企业才没有必要使用小发电机组发电，否则， 就会产生用小发电机组发电的动力。 此外在峰谷时段划分时，还必须考虑现有的技术条件和实际情况，主要是 每个时段的间隔不宜过小。假如每个时段的时间间隔为半小时，则电表的生产 成本会增加，同时用户对半小时的时间间隔也不会太敏感，从而使分时电价失 去其应有的意义，甚至有可能会对分时电价的实施带来一些意想不到的障碍。 1 2 分时电价目前研究的现状以及存在 的问题 作为核心理论的电价理论的研究目前只是集中在发电和输电侧部分，包括 如何实行竞价上网、采用何种管理方式、输电损耗的分摊、线路阻塞的管理等 等，显然这是实行正常有序的发电侧和输电侧电力市场极为重要的基础。而作 为终端的普通电力消费者，最为关心的是对其实行的销售电价。从整个电力系 统来考虑，用户是作为需求侧一方出现的，而把发电侧和输电侧的电价简单地 应用到需求侧是行不通的，毕竟一定范围内发电侧电厂以及输电线路的数目是 有限的，而电力消费者的数目则是庞大的。从理论上讲，电价显然是随时间不 断波动的，因此电价比其它商品价格更具有实时性，然而就现行技术手段而言， 海人学坝l 学位论文 并不具备对用户实行实时电价的条件，所以必须采取其它替代措施。 目前国内外普遍对用户实行需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，简称 d s m ) ，其有效手段之一就是通过价格信号，引导电力消费者采取合理的用电结 构和方式，形成对供电方( 包括发电方) 和用户方都有益的电力消费方式。 文献【1 】研究了可蓄能工业用户对实时电价的响应，建立了此类用户的数 学模型，提出了相应的算法，并仿真出用户响应需求侧管理的实施可以节约的 电费以及可以采取的措施，不过此模型过于笼统，从中无法看出其是如何对用 户进行具体描述的，因此，该模型并没有被大量引用。 文献【2 】提出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，因此需求侧管理实施的效果可以很明显方便地通过反 转负荷持续曲线表示出来，从而进行多项内容分析，这一模型的提出，对于需 求侧管理实施效果的分析有着重要的理论意义，但是该模型过于复杂，在一般 的文献中很少采用。 文献【3 ，4 ，5 】则从“电力消费需求一电力价格”相互作用反馈的角度( 实 际上就是电力消费者对价格的反应) 来考虑，需求侧管理实施的效果利用自我弹 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，两个弹性因子以及反馈作用的提出，说明了价格对负荷控制 的影响，具有重要的理论意义。 文献【6 】通过优化负荷调度( o p t i m a ll 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，利用每小时边际电价持续曲线来决定是否对实时电 价进行响应，并建立了相应的模型来计算由于实施需求侧管理而节省的费用。 在我国，需求侧管理也得到了广泛研究。文献【7 】总结了中国部分地区开 展需求侧管理在削峰填谷、节约电能、能源替代方面采取的措施和应用实效， 说明了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。 r 海人学坝l 学位论文 文献【8 】分析了全面开放的竞争环境下用户的用电特点、成本结构和用电 成本，总结了工、农、居民用电成本的统一表达式，并在用户用电成本的基础 上研究了用户的用电管理和用户的用电策略，并通过研究表明，对用户加强用 电管理并采取适当的用电策略在一定程度上可以降低用户用电成本。 文献【9 ，1 0 】认为我国目前在用户侧实行实时电价的条件还不具备，实行 分时电价是第一步，并且有着一定的条件和基础，而且是必不可少的。 文献【1 1 】对需求侧管理主要措施之一的分时电价进行了讨论，并针对江 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。 文献【1 2 】提出了用户反应的概念来描述电价对负荷的影响，并提出了基 于需求侧管理的峰谷电价的数学模型，仿真出峰谷差价，从而为峰谷电价确定 提供了一定的理论根据。 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侧管理中各种类型的用户以及实施需求侧管理所 产生效果的理论分析上，对需求侧管理的实施有着重要的指导意义。我国对需 求侧管理的研究主要集中在需求侧管理实旌结果的数据分析上，而具体的理论 研究则很少。 目前我国一些地方正在实施分时电价，但是在文献【1 2 提出峰谷电价的 确定方法前，关于分时电价的峰谷时段划分以及峰谷差价的确定都是人为制定 的，文章【1 3 】指出，一旦用户质询制定的依据，电力部门将难以应答。即使 是文献【1 2 】，也只是讨论了峰谷电价的确定，而我们都知道，分时电价是以分 时为基础的，即只有在合适峰时段、谷时段的基础上才有相应的峰时段电价和 谷时段电价，因此只有合适的峰谷时段划分才能有相应的合适的峰谷电价，= 刁 能起到较好的效果。 l 海人学烦”l 学位论文 第二章峰谷时段划分及分时电价数学模型 本章将通过对负荷曲线的分析，结合模糊数学的知识，提出峰谷时段划分 的理论根据和方法：利用需求侧管理以及分时电价的目标和各种条件，得出本文 分时电价的数学模型，并在模型中考虑了消费者的消费心理，即用户反应对负 荷的影响。 2 1 峰谷时段的确定 电能是一种商品，有着一般商品的共性，从微观经济学角度分析，其市场 价格同样受“看不见的手”的制约。同时，电能又是一种特殊的商品，其不可 贮存性引起的电能供需的瞬时平衡以及电力工业生产的特点，导致高峰时刻的 电能生产成本高于一般时刻的生产成本，而低谷时刻的生产成本又受着诸多因 素的限制，即高峰时刻的电能生产成本偏高，而低谷时刻的生产成本又低不下 来。因此，应当适当减少高峰时刻的用电量，以降低高峰时刻的生产成本；增 加低谷时刻的用电量，以充分利用低谷时刻的生产成本，即通常所蜕的“削峰 填谷”，也就是需求侧管理实施的目标之一：节约电能以及对电能的充分利用。 2 1 1 峰谷时段确定的必要性 影响用户每时刻用电量的因素有很多，一般来说，与此时刻的电价、天气 情况、生产状况、生产班制、经济政策、生活习惯等因素的关系比较密切。例 如：夜间大家基本上都睡觉，此时的用电量就很低，形成用电的低谷时段，此时， 电量充分剩余，即电能没有被充分利用，而电能的不可贮存性表明此时多余的 电能实际上是被浪费了；白天上班时间，机器都开动，形成一个工业用电的高 峰期；晚上大家都下班了，此时刻家用电器的使用，又形成一个居民生活用电 的高峰期，由于电能的不可贮存和瞬时平衡，决定了此时刻必须提供比一般时 海人学坝l 学位论文 刻多的电能，从而导致生产成本的增加。高温天气如每年的夏季大家都开空调 降温，低温天气如每年的冬季都会使用取暖设备，也会导致同样的问题。 影响用户每时刻用电量的因素虽然很多，但是我们可控制和可操作的因素 并不多。天气情况根本无法控制，要改变大家的生活习惯也是不切实际的，对 生产班制、生产状况的调整所需的费用可能远远高于调整后节约的电能费用， 经济政策的实行要考虑社会的各个方面。然而，电价却是可操作的并且是可行 的控制对象。 普通消费者在正常消费时，会根据正常的价格消费产品；当消费品涨价时， 消费者就会减少此消费品的消费；而消费品降价时，消费者就会增加此消费品 的消费。用户对电能的消费也是一样，在正常的电价水平下正常地用电；当电 价偏高时，用户就会最大限度地减少对电能的消费，从而寻找可以替代的、更 廉价的生活生产方式；当电价偏低时，用户就会最大限度增加对电能的消费。 因此可以考虑通过价格信号，促使用户自觉调整其每时刻的用电负荷。在 谷负荷时段，让电价低于正常的电价，使用户自觉增加电能消费：在峰负荷时 段，让电价高于正常的电价，促使用户自觉减少电能消费。分时电价就是此方 法实施手段之一，峰时段、谷时段、平时段有着不同的电价，从而促使用户自 觉调整各个时段的用电负荷。 分时电价的主要内容就是适当的峰谷时段划分方法和峰谷电价，只有合适 的峰谷时段划分和相应的各个时段的电价，才能起到较好的削峰填谷的效果。 可以看出，峰谷电价是建立在峰谷时段划分的基础上的。因此，只有合适的峰 谷时段划分，才能有合适的峰谷电价，才能有合适的、完整的分时电价。 文献【1 4 1 指出，峰谷时段划分得恰当、电价确定得合理，才能保证分时 电价的顺利实行，达到预期的目的；反之，则会产生一些新的问题。有些地区 分时电价的制定有着明显不科学的地方：首先是峰谷时段的确定，是根据日负荷 曲线的特点和人员的经验进行大概估计得到的，没有科学的理论根据。例如江 海大学硕1 学位论义 苏省1 9 9 9 年1 0 月至2 0 0 3 年8 月期间采取的峰谷时段划分方法为：峰时 段：7 ：0 0 一i i ：0 0 ，1 7 ：0 0 2 1 ：0 0 ；谷时段：2 3 ：0 0 一次日7 ：0 0 ；其余时间为平时段， 峰、谷、平时段各为8 小时。可以看到，该方法将早晨7 点划分为峰时段的起 点，显然早晨7 点负荷是刚刚从低谷向上攀升，远远没有达到峰负荷的指标。 其次是峰谷时段电价的确定，现在有的地区峰谷电价比为3 ：1 ，有的地区为5 ：1 ， 缺乏相应的理论依据。所以科学地确定分时电价各个方面的内容是实施分时电 价的前提之一，才能赢得用户的信任，得到用户的积极响应。 既然适当的峰谷时段划分是分时电价的前提，并且其划分得正确与否有着 重要影响，那该如何确定昵? 显然，首要因素应该体现在所考虑对象的日负荷 曲线的变化之中。 2 1 2 典型日负荷曲线 峰谷时段划分没有确切的数学含义，一般的数学方法无法适用，我们针对 嗣负荷曲线的特点考虑采用模糊数学的方法来解决此问题，下面针对此问题进 行简单的说明。 通过对大量日负荷曲线数据的分析，可以看出，白天的用电量远远高于夜 间的用电量；白天的上午、下午各出现一次用电高峰，上午时间稍短，下午时 间稍长；相应的用电低谷一般出现在夜间，并且持续时间较长。因此目负荷曲 线表现为典型的双峰性。 图1 为一典型的日负荷曲线，图中a 点b 点分别为负荷曲线上最低谷点和 最高峰点，c 点为双峰的另一峰。作为负荷曲线的最低点a 点，显然应该处于 谷时段，其周围的点与最小负荷的差距不大，也应该处于谷时段，但是，不是 1 0 0 地属于谷时段，也就是说，这些点有较大的可能性处于谷时段。 海人学硕 学位论文 负柑( k w ) 7 0 6 0 i l 。0 4 0 i l 3 0 图l典型日负荷曲线 同理，b 点是负荷曲线的最高点，显然应该处于峰时段，其周围的点也是 有较大的可能属于峰时段。这显然不是传统精确数学二元集合论包含和不包含 的关系，而是模糊数学中有关可能性的问题，即某点有多大的可能性属于某个 时段。因此，考虑引入模糊数学的概念来解决此问题。 2 1 3 模糊数学的应用 需求侧管理实施的主要原因之一就是因为用电负荷曲线有着明显的高峰低 谷现象，那么如何采用模糊数学的方法对负荷曲线的最高峰点、最低谷点和峰 谷时段划分之间的关系进行描述呢? 首先针对负荷曲线的最高峰点、最低谷点和 峰谷时段之间的关系进行讨论，给出下面两条原则： ( 1 ) 负荷曲线上最高峰点肯定处于峰时段，而不可能处于谷时段。 ( 2 ) 负荷曲线上最低谷点肯定处于谷时段，而不可能处于峰时段。 显然上面两条原则是符合实际情况的；也就是说，是作为客观事实存在的。 下面采用有关模糊数学可能性的概念来描述这两条原则： ( 1 ) 负荷曲线上最高峰点处于峰时段的可能性为1 0 0 ，处于谷时段的可能 海夫学颂i 学位论文 性为0 。 ( 2 ) 负荷曲线上最低谷点处于谷时段的可能性为1 0 0 ，处于峰时段的可能 性为0 。 有了这两条原则，就可以对负荷曲线上其余各点来进行分析了，即通过负 荷曲线上其余点处于峰时段和谷时段的可能性来进行描述。例如某点处于峰时 段的可能性为9 0 ，则此点处于谷时段的可能性不可能高，此点很有可能就是 峰时段的点，如果某点处于谷时段的可能性为9 0 ，则此点处于峰时段的可能 性同样不可能高，此点很有可能就是谷时段的点；如果某点处于峰时段的可能 性为5 0 左右，则此点处于谷时段的可能性也有可能是5 0 左右，此点很有可能 是处于平时段。 那如何确定负荷曲线上其余各点处于峰时段和谷时段的可能性昵? 由于是 解决可能性的问题，则可以借助于模糊数学中的隶属函数的方法来确定。 由于只关心负荷曲线上某一点处于峰时段或者谷时段可能性的大小，如果 某点处于峰时段的可能性比较大，那么有可能被归入峰时段；如果某点处于谷 时段的可能性比较大，那么有可能被归入谷时段，而与其具体的数值没有太大 的关系，毕竟其数值也是相对于最高点或者是最低点来考虑的，因此考虑采用 简单的中间部分为线性的隶属函数。本文选取偏大型半梯形隶属函数来确定各 点处于峰时段的可能性，偏小型半梯形隶属函数来确定负荷曲线上各点处于谷 时段的可能性，即如图2 所示。 一海人学硕士学位论文 oa 图2 ( a )偏大型半梯形隶属函数 、a ( x 卜。鲁 o 。一古一r 一 - 图2 ( b )偏小型半梯形隶属函数 图中a 点和b 点分别为负荷曲线上的最低谷点和最高峰点。显然，最低谷 点a 点处于谷时段的可能性为1 0 0 ，处于峰时段的可能性为o ：最高峰点b 点 处于峰时段的可能性为1 0 0 9 6 ，处于谷时段的可能性为0 ，和前面的两条原则相 吻合。根据图1 可以找出负荷曲线上其余各点处于峰时段和谷时段的可能性， 这样负荷曲线上各点都有了处于峰时段和谷时段的可能性，那就可以根据一定 的原则对日负荷曲线的时间轴即一天2 4 小时进行初步的峰谷时段划分了。 2 1 4 峰谷时段的确定方法 首先考虑图1 所示的典型日负荷曲线，图中a 点和b 点分别为负荷曲线上 的最低谷点和最高峰点，c 点为双峰的另一峰。经过模糊数学的处理，可以看 出，在a 、b 、c 三个特征点附近的点具有和它们相似的可能性的性质：a 点周围 的点处于谷时段的可能性很大，而处于峰时段的可能性很小；b 点、c 点周围的 点处于峰时段的可能性很大，而处于谷时段的可能性很小。因此按照下面的原 则对每天2 4 小时进行初步的峰谷时段划分： ( 1 ) a 点肯定处于谷时段，其周围处于谷时段的可能性比较大的点也初步划 海人学帧l 学位论义 分到谷时段； ( 2 ) b 点、c 点肯定处于峰时段，其周围处于峰时段的可能性比较大的点也 初步划分到峰时段； ( 3 ) 其余的点初步划分到平时段。 这样，可以将一天2 4 小时初步划分为一个谷时段，两个峰时段，最多三个 平时段，总共最多6 个时段。但是还存在一个问题，就是每个时段的时i b m j 隔 问题，即每个时段多长时间比较合适。从理论上来讲，应该是时间越小越好， 最好的情况就是实时了，但是在目前的技术水平下，是无法实现的。因此，时 问问隔应该在满足一定技术指标要求的前提下，保证实际应用的方便，所以， 时段不宜分得过小。 按照上面峰谷时段划分的原则将一天2 4 小时进行峰谷时段的划分，假设共 有n 种分法，到底哪种划分方法是最优的呢? 如前所述，峰谷时段的划分没有什 么确切的数学意义，因此很难通过建立数学模型或者最优规划的方法直接得到 最优的每日峰谷时段划分方法。 然而前面己经提到，峰谷时段的划分是为了使用户自觉调整其用电方式， 达到削峰填谷、影响负荷曲线形状的目的。我们可以通过确定合适的峰谷电价， 来得到完整的分时电价，从这方面入手，即通过别的目标的最优求解，来得到 此目标的最优解决。 假设每种峰谷时段划分方法记f i ，则总的峰谷时段划分集合为 f = f i ，i = i n ) ，在每种峰谷时段划分模型f i 下，建立相应的分时电价数学 模型来进行优化，并将结果在f 下进行比较，从中选取最优的模型f i ，显然， 按照这种方法能够取得在确定意义下相对最优的削峰填谷效果，其优化结果应 该具有最优的负荷曲线形状。这样确定的f i 就是本文所求的峰谷时段划分方 法，而在此意义上划分的峰谷时段下的峰谷电价即为相应的峰谷电价，并与峰 谷时段划分的结果组成完整科学的分时电价。 海人学硕l 学位论文 2 2 分时电价数学模型 上面给出了峰谷时段划分方法的理论根据，据此可以对每日2 4 小时进行初 步的时段划分。下面给出数学模型，以确定最优的峰谷时段划分和相应的峰谷 电价。 后面的数学模型均服从以下基本假设： ( 1 ) 实行分时电价前后日用电量基本保持不变。根据国内外实行需求侧管理 的经验，在实行需求侧管理后，一般用电量略有增加或基本保持不变，因此这 一假设是可行的： ( 2 ) 转移到某一时段的负荷按时间轴平均分配，这样可以保证曲线的形状局 部保持不变。 ( 3 ) 只考虑电价对用户需求的影响，其它因素的影响暂时忽略。 这样假设可大大简化数学建模的困难，尽管在实际中有些粗糙，但还是基 本合理的。有了假设( 1 ) ，在实行分时电价后，如果计算了峰时段、平时段的用 电量，那就不需要用同样的方法计算谷时段的用电量，只需通过实行分时电价 前总的用电量减去峰时段、平时段的用电量即可得到谷时段的用电量；有了假 设( 2 ) 、( 3 ) ，可以方便地处理实行分时电价后负荷的转移情况，而不需要烦琐 的数据处理。这三条假设是较为合理的，导致的计算误差在定性研究的范围内 是允许的。 2 2 1 参量设定 满足 我们将一天2 4 小时划分为3 类时段：峰时段0 、平时段、谷时段t 巧+ l + 毛2 2 4 小时。 设峰、平、谷时段的电价分别为0 、0 、气，满足 1 2 海人学硕士学位论文 足2 0 一 p 2p ，+ 其中：为谷时段电价对平时段电价的拉开度，善为峰时段电价对平时段 电价的拉开度与谷时段电价对平时段电价拉开度的比值。 某负荷代表日的负荷曲线为l = l ( t ) ( o t 2 4 ) ，则： q = l l ( t ) d t j i ( r ) d t + j j ( f ) d r + e 三( f ) d r 2 q j + q p + 婊 其中：q 为全天用电量，q i 为峰时段的用电量，q 。为平时段的用电量 q g 为谷时段的用电量。 实行分时电价前供电公司的销售收入为： m b = p b q 其中：圪为实行分时电价前的平均销售电价。 实行分时电价后供电公司的销售收入为： m ，：( p p ) q f + p p qp + t p p - a ) q g 实行分时电价前用户的电费支出为m b 。 实行分时电价后用户的电费支出为饥。 2 2 2 数学模型的建立 ( 1 ) 数学模型的语言描述 分时电价作为需求侧管理的手段之一，必须满足需求侧管理的总体要求， 同时又要达到其实施的目标以及一些生产活动的必须条件，这些要求本文的模 型都必须满足，即下面一些约束条件： 卜海人学硕二i 学位论文 ( a ) 降低电力生产成本。如果从供电方售电收入和节约成本的角度来考虑， 应该是实行分时电价后供电公司通过削峰节约的电力建设投资应不小于其电费 损失。 ( b ) 降低用户电费支出。即实行分时电价后，用户电费的支出不应该大于实 行分时电价前用户的支出。 ( c ) 符合边际成本理论的原则，即电力系统在谷时段的电价应大于或等于在 该时段的运行边际成本。 ( d ) 为了保证系统的售电量和大机组的运行效率，必须减少企业使用小发电 机组在峰时段顶峰发电的动力，即峰时段的电价不应该高于小发电机组发电的 成本价。 以上是实行分时电价应该满足的一些原则，那么，实行分时电价应该达到 什么样的预期效果呢? 由于需求侧管理实施的最直观的表现就是对日负荷曲线 的削峰填谷，使系统的日负荷曲线变得平滑，从而有利于系统的运行。为此应 通过实施分时电价对日负荷曲线进行优化，下面是几个主要经济技术指标： ( a ) 曰负荷曲线的最大负荷尽可能减小，即最小化日负荷曲线的峰负荷，也 就是典型的削峰。 ( b ) 日负荷曲线的最小负荷尽可能增大，即最大化日负荷曲线的谷负荷，也 就是所谓的填谷。 ( c ) 日负荷曲线的最大负荷和最小负荷的差尽可能小，即最小化日负荷曲线 的峰谷差。 ( 2 ) 数学模型表达式 和上面的描述相对应，下面的模型也是由约束条件和目标函数两部分组成。 约束条件： ( a ) 供电方获利：实行分时电价后供电公司通过削峰节约的电力建设投资应 不小于其电费损失，即： 海人学坝1 。学位论文 m s m b m ， 式中螈为实行分时电价后供电公司通过削峰节约的电力建设投资。 ( b ) 用户侧受益：实行分时电价后，用户电费的支出不应该大于实行分时电 价前用户的支出，即： m 。m 6 ( c ) 成本约束：谷电价丘应不小于系统在谷时段的边际成本只，即： 巴 ( d ) 高峰时段电价约束：高蜂时段的电价不应该高于小发电机组发电的成本 价只，即： p ，只 目标函数： ( a ) 最小化目负荷曲线的峰负荷，即： m i n lr r l a x = m a x ( l ( t ，善，) ) 其中：l ( t ，善，) 为实行分时电价后，在给定的掌和条件下用户反 应后的负荷。 ( b ) 最大化同负荷曲线的谷负荷，即： m a x l m i 。= m i n ( l ( t ，f ，a ) ) ( c ) 最小化日负荷曲线的峰谷差，即： m i n m a x ( l ( t ，亭，) ) 一m i n ( l ( t ，善，) ) 2 2 3 用户对分时电价的反应 作为电力用户，其消费的是电能，可感觉的就是电价。在正常的电价水平 下用户会正常用电；当电价偏高时，用户会最大限度地减少对电能的消费，从 而寻找可以替代的、更廉价的生活生产方式；当电价偏低时，用户就会最大限 度增加对电能的消费。所以，存在着刺激用户作出反应的最小电价和最大电价。 海人学硕l 学位论文 影响用户响应的主要因素有： ( 1 ) 、生产班制因素 三班制用户如纺织、化工、冶金等行业，由于是连续生产，在不降低设备 综合利用率和保证产品质量的前提下，用户会尽可能把高峰负荷转移到低谷去， 少用高峰电，多用低谷电。水泥行业容易采取调整措施以响应电价的变化，如 将磨粉机从高峰时段调整到低谷时段运行，使其从分时电价中受益。 一班制和二班制生产的用户，其用电高峰与电网高峰基本一致。有些用户 由于主要产品在夜间生产无法保证质量，必须在白天生产，或者其它因素不便 于调整生产计划，这部分用户转移负荷的难度较大，执行峰谷分时电价其利益 受损。 ( 2 ) 、电费支出比例因素 在用户生产成本中，电费支出所占比重越高，响应度就越大。用户进行负 荷转移会减少电费支出，所以它们有移峰填谷的积极性，会尽可能多地转移高 峰负荷。 不同行业的用户其电费支出在生产成本中的所占比重差别很大，一些机械 厂的电费要占成本的1 0 左右，水泥厂的电费占比约为3 0 ，而一些电子厂的电 费占比只有1 。高耗能设备多、电费支出占比高的用户会积极采取措施移峰填 谷，而电费支出占比低、对产品质量有较高要求的用户则基本上不会考虑转移 负荷。 ( 3 ) 、电价结构因素 根据定价策略，可以针对不同行业的用户实施不同的峰谷分时电价结构， 以最大程度地调动用户的积极性，采取相应措施调整生产方式，达到移峰填谷 的目的。例如，对于纺织、机械、医药行业，可以拉大峰谷电价差，促使其采 取措施充分限制高峰负荷，挖掘低谷电力市场。 电价计算的前提是有确定的负荷曲线，并且不考虑定价后负荷曲线的变化。 大学7 i j i t 。学位论文 实际上，由上述可知，由于用户对电价的反应，并采取相应的消费方式，从而 电价对负荷是有控制作用的，负荷将随电价的变化而变化。因此，本文采用用 户反应的概念来考虑电价的变化对用户用电的影响，然后形成用户用电的变化 对负荷曲线的影响。日负荷曲线h = h ( t ) ( o t 2 4 ) 是峰时段电价p ，、平时 段电价只和谷时段电价只的函数。 ( 1 ) 峰时段反应 峰时反应度丑“实行分时电价后，某用户i 从峰时段向平时段和谷时段转 移的用电量与实行分时电价前该用户峰时段用电量的比值，即： 。q 一q b 。百 吼：实行分时电价前i 用户峰时段的用电量 q ：实行分时电价后i 用户峰时段的用电量 如一般为峰时段电价0 、平时段电价0 的函数，由于平时段电价0 预先 确定，所以a 。为峰时段电价尸，的函数。 ( 2 ) 平时段反应 平时反应度五。，：实行分时电价后，某用户i 从平时段向谷时段转移的用电 量和峰时段向平时段转移的用电量之差与实行分时电价前该用户平时段用电量 的比值，即： ，q ，一9 。 1 2 百 q 。，：实行分时电价前i 用户平时段的用电量 海人学坝l 学位论文 q ：，：实行分时电价后i 用户平时段的用电量 以，一般为谷时段电价气、平时段电价弓的函数，由于平时段电价弓预先 确定，所以九，为谷时段电价0 的函数。 ( 3 ) 谷时段反应 根据假设，实行分时电价前后用户每天的总用电量保持不变，所以某用户 i 实行分时电价后在谷时段的用电量q j 为： q ￥2 q ￥+ qn “q a 一q ” q 。：实行分时电价后i 用户从峰时段转移到平时段的用电量 在实际计算时，把所有用户分成几种不同的类型，同一类型的用户具有相 同的用户反应度一和九。 海大学硕士学位论文 第三章分时电价优化计算 3 1 原始数据 我们将通过算例仿真，对目标函数的问题进行探讨，并通过详细数据的分 析，说明在采用单目标模型优化时，总是无法保证总体上达到最优，并由此得 出最终的多目标模型，其仿真结果也说明了该模型相对于其它模型具有较好的 优化效果。 3 1 1 负荷 本文利用某供电公司提供的典型日负荷数据进行仿真计算，典型日负荷数 据如表1 所示： 时点 l23456 负荷( 万k w ) 1 0 2 21 0 6 51 0 4 0 9 8 21 0 8 7 1 1 3 2 时点 7 891 0 1 11 2 负荷( 万k w ) 1 1 9 21 2 8 71 4 3 51 4 6 81 5 0 51 3 4 0 时点 1 31 41 51 61 71 8 负荷( 力k w ) 1 3 6 51 3 8 51 3 7 21 3 7 21 4 8 51 4 7 0 时点 1 92 02 12 22 32 4 负荷( 万k w ) 1 5 5 61 5 5 01 4 5 81 3 6 ，21 1 6 31 1 0 。7 表l 某供电公司典型日负荷数据 由上表可以看出，实行分时电价前 海人学硕i ：学位论文 最大负荷l m a x = 1 5 5 6 万k w ， 最小负荷l 。i 。：9 8 2 万k w ， 峰谷负荷差三。一l r i 。= 5 7 4 万k w ， 峰谷差率( l m a x l 椭) l m a x = 3 6 9 3 1 2 时段划分 该供电公司目前所采用的分时电价的时段划分主要是根据日负荷曲线的 特点和用电管理经验进行大概估计得到的，具体划分如下： 峰时段：7 ：0 0 1 1 ：0 0 ( 峰1 ) 、1 7 ：0 0 2 1 ：0 0 ( 峰2 ) ， 平时段：1 1 ：o o 一1 7 ：0 0 ( 平1 ) 、2 1 ：0 0 2 3 ：0 0 ( 平2 ) ， 谷时段：2 3 ：0 0 7 ：0 0 。 3 1 3 电价 实行分时电价前平均电价只= o ，4 2 5 ( 5 k w h ) ， 系统在谷时段的边际成本只= 0 1 2 ( 元k w h ) 。 小发电机组发电的成本价只：小发电机组发电的成本价由两部份组成，一 是发电所需燃料的成本，二是小发电机组的固定成本。文献【1 4 1 以现在使用 较多、性能较好的美国康明斯奥南柴油发电机为例进行了计算，其值 p 、= 0 6 5 ( 元k w h ) 。 3 1 4 让利系数 让利系数是用来计算实行分时电价后供电方节约的电力投资和供电成本 m s 的，供电方把实行分时电价而节约的电力投资和供电成本通过降低电价的 形式来使用户受益。让利系数的计算公式为： p = ( m 。一m s ) 峨。 海人学坝l 学位论文 m o ：实行分时电价前供电方的电力投资和供电成本。 由于m 。己知，所以确定让利系数只需确定m s 即可，而m 。的计算可按以 下步骤来进行：先分析前几年负荷的增长情况，然后对未来的负荷增长进行预 测，再分析前几年各类用电量的增长情况及大量的社会调查，预估峰负荷的转 移量，根据现在的电力工程成本来计算出峰负荷的转移所节约的投资成本和供 电成本m 。文献【1 2 】对此进行了详细计算，其值为：= 0 9 3 8 。 3 1 5 用户反应度 一般把用电类型分为八大类： ( 1 ) 农、林、牧、渔、水利业； ( 2 ) 工业： ( 3 ) 地质普查和勘探： ( 4 ) 建筑业； ( 5 ) 交通运输、邮电业； ( 6 ) 商业、公共饮食业、物资供销和仓储业； ( 7 ) 其他事业( 教育、文化、机关等) ； ( 8 ) 城乡居民生活用电。 根据供电公司提供的资料，( 2 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 、( 8 ) 四类用电量占总用电量的 百分之九十以上，因此，我们主要对这四类用户进行调查、分析，获得用户的 反应度。 3 2 单目标模型优化 根据第二章提出的时段划分原则 分。在具体划分的时候，有一个问题 可以对一天2 4 小时进行时段的初步划 即峰时段、平时段、谷时段每种时段应 海大学硕 = 学位论文 该为多少小时，原先的时段划分方法是每个时段为8 小时。但是文献【1 4 】指 出，应该尽量缩短高峰时段的时间，让小发电机组无利可图，提高大机组的运 行效率。因此，每个时段不应该局限为8 小时平均分配，而是应该尊重实际模 型优化得到的结果。但是这样就有上千种时段划分方法，计算量太大。为方便 起见，在进行单目标优化时还是采用峰、平、谷时段各为8 小时，这样共有3 0 0 多种划分方法。等到使用最终模型即多目标模型进行优化的时候，就不再采用 峰、谷、平时段各为8 小时，而是根据全部的时段划分方法进行优化，确保结 果是真正的优化值。 3 2 1 目标函数1 的优化 目标函数1 是最小化日负荷曲线的峰负荷，其数学模型表达式 如下： m i n l 。= n l g x ( l ( t ，f ，a ) ) 约束条件： m s m 6 m 。 m 。m 6 名e 只只 优化结果如下： ( 1 ) 负荷 最大负荷l 。= 1 4 0 6 万k w ， 最小负荷k 。= 1 0 8 9 万k w ， 峰谷负荷差l 。一l m i = 3 1 7 万k w ， 峰谷差率( l 。一k 。) 三。= 2 2 。5 。 与原始负荷数据相比较可以看出，最大负荷由1 5 5 6 万k w 下降 l 海大学坝l ：学位论文 到1 4 0 6 万k w ，最小负荷由9 8 2 万k w 上升到1 0 8 9 万k w ，峰谷负 荷差由5 7 4 万k w 下降到3 1 7 万k w ，峰谷差率由3 6 8 9 7 0 下降到 2 2 5 。由此可见，单目标模型1 可以达到优化目的。 ( 2 ) 时段划分 峰时段：9 ：o o 一1 3 ：o o ( 峰1 ) 、1 7 ：0 0 2 1 ：0 0 ( 峰2 ) ， 平时段：7 ：0 0 9 ：0 0 ( 平1 ) 、1 3 ：0 0 一1 7 ：0 0 ( 平2 ) 、2 1 ：0 0 2 3 ：0 0 ( 平3 ) ， 谷时段：2 3 ：0 0 7 ：0 0 。 ( 3 ) 电价 峰时段电价只= 0 6 2 3 ( 元k w h ) ， 谷时段电价0 = 0 1 2 5 ( 元k w h ) ， 峰谷电价比只名2 4 9 8 。 3 2 2 目标函数2 的优化 目标函数2 是最大化日负荷曲线的谷负荷，其数学模型表达式如下