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基于用户响应的峰谷分时电价决策优化模型的应用研究 摘要 电能作为一种商品，它同样遵循着市场规则。近年来，随着人民生活水平 的不断提高，对电能的需求日益增大，这对发电企业和供电企业提出了更高的 要求，不仅要保证电能的高可靠性，还要体现价格的公平公正。合理的峰谷分 时电价，能有效地做到削峰填谷，使负荷保持在一个比较平稳的运行状态，同 时，使电力企业与用户双方受益，它的实施效果与用户反应程度、定价策略密 切相关。分时电价自实施之日起，一直是电力管理领域研究的重点和热点，作 为电力需求侧管理的重要手段之一，目前已在世界各国得到了广泛的应用，并 取得了很好的效果。 分时电价的确定，包括两方面的内容，一是峰谷时段的划分，二是相应时 段的电价。本文针对如何根据我国电能使用的实际情况，提出一种合理、可行 的峰谷分时电价的制定方法和时段的划分准则进行研究。论文完成主要工作如 下： ( 1 ) 对分时电价进行了深入的分析与研究，在基于消费者心理学、电价理 论及模糊数学等相关学科知识的基础上，针对电力企业预期d s m 的管理目标， 给出峰谷分时电价设计的目标函数； ( 2 ) 结合现有技术要求下的约束条件，完成了基于用户响应的峰谷分时电 价的优化模型的设计； ( 3 ) 通过对模型单目标和多目标的优化求解，利用m a t l a b 进行数值仿真， 计算出不同d s m 目标下的最优分时电价定价方案，验证了建模的有效性和可 行性。 仿真结果表明，本文所提出的方法，与现行电价相比，可以较好的起到削 峰填谷的效果，达到了提高电力生产效率，降低电力供应成本，减少用户电费 支出的目标，对实际应用具有一定的意义。 关键字：需求侧管理；峰谷分时电价；用户响应；多目标优化 t h ea p p l i c a t i o ns t u d yo ft i m e - o f - u s ed e c i s i o np r i c e o p t i m i z i n gm o d e lb a s e do nc u s t o m e r sr e s p o n s e a b s t r a c t e l e c t r i ce n e r g yi so n ek i n do fc o m m o d i t y ，i ta b i d e sb ym a r k e tr u l e sa sw e l l i n r e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n df o re l e c t r i c i t yi s i n c r e a s i n gw i t ht h eg r o w i n go fp e o p l e s l i v i n g s t a n d a r d i th a sb r o u g h th i g h e r r e q u e s t t oe l e c t r i c p o w e rg e n e r a t i o n e n t e r p r i s ea n dt h es u p p l y i n ge l e c t r i c i t ye n t e r p r i s e ，f o ri tn e e d sn o to n l yt oe n s u r e e l e c t r i c i t yr e l i a b i l i t y , b u ta l s ot or e f l e c tt h ef a i ro fp r i c e a p p r o p r i a t et i m e - o f - u s e ( t o u ) p o w e rp r i c ec a ns h i f tp e a kl o a d ，m e a n w h i l e ，p o w e rl o a dc a nb ek e p ti na s t a b l er u n n i n gs t a t ea n da l s ob e n e f i tb o t hs i d e so fe l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s ea n d c o n s u m e r s i t si m p l e m e n tr e s u l th a sd i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t hc u s t o m e r sr e s p o n s e a n df i x e dp r i c i n gt a c t i c s s i n c et h ef i xo ft o uh a sb e e np u ti n t oe f f e c t ，i ti sa l w a y s t h ef o c u so fs t u d y i n ga n dh o ts p o t a so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a n so fd s m ，i th a s b e e nw i d e l yu s e di nm a n yc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l da n dh a sg o tg o o de f f e c t t h ef i xo ft o ui n c l u d e st w oa s p e c t s ，o n ei st h ed i v i s i o no fp e a ka n dv a l l e y t i m ea n dt h eo t h e ri st h ep r i c eo ft h ec o r r e s p o n d i n gp e r i o d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o no fc h i n a sp o w e r ，t h i st h e s i si sa b o u th o wt op u tf o r w a r dar e a s o n a b l ea n d p r a c t i c a b l et h e f o r m u l a t i o no ft o up r i c em e t h o d sa n dt h ec r i t e r i at h ed i v i s i o no f t i m ef o rr e s e a r c h t h em a i nt a s k so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w ( 1 ) b e i n gb a s e do nt h ec o n s u m e rp s y c h o l o g y , e l e c t r o v a l e n c et h e o r i e sa n d f u z z ym a t h e m a t i c sp r i n c i p l e sa n da i m i n ga tt h ea n t i c i p a t i v et a r g e to fe l e c t r i cp o w e r e n t e r p r i s e ，t h et h e s i sh a sc a r r i e do u ta ni n t e n s i v ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt o ua n d g a v et h ed e s i g no b je c t i v ef u n c t i o n ( 2 ) c o m b i n e dw i t he x i s t i n gt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t su n d e rt h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n ，t h et o uo p t i m i z a t i o nm o d e lh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ec u s t o m e r s r e s p o n s e ( 3 ) b ys o l v i n gt h es i n g l e o b j e c t i v ea n dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l s a n dm a k i n gu s eo fm a t l a bs i m u l a t i o n ，t h em o d e lc a l c u l a t e dt h eo p t i m a lg o a l u n d e rd i f f e r e n td s mt o up r i c i n gt a c t i c s t h er e s u l tv e r i f i e st h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h em o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lh a sb e t t e re f f o r to fs h i f t i n gp e a kl o a d ， c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n tp r i c et a c t i c s m e a n w h i l e ，i th a sa c h i e v e dt oi m p r o v i n g t h ee f f i c i e n c yo fe l e c t r i c i t yp r o d u c t i o n ，r e d u c i n gt h ec o s to fe l e c t r i c i t ys u p p l ya n d c u s t o m e r s e l e c t r i c i t yp a y o u t i th a sc e r t a i n r e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e t oa c t u a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ；p e a ka n dv a l l e yt i m e o f - u s ee l e c t r i c i t y p r i c e ；c u s t o m e rr e s p o n s e ；m u l t i o b j e c t so p t i m i z a t i o n 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 - 1 0 图2 - 11 图2 - 1 2 图2 - 1 3 图2 - 1 4 图2 - 1 5 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图4 - 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 插图清单 偏小型半矩形分布 1 l 偏小型半r 分布 1 1 偏小型半正态分布 1 1 偏小型半梯形分布 1 1 偏小型半凹( 凸) 分布 1 l 偏小型半柯西分布 1 1 偏小型半岭型分布 1 2 偏大型半矩形分布 1 2 偏大型半r 分布 1 2 偏大型半正态分布 1 3 偏大型半梯形分布 1 3 偏大型半凹( 凸) 分布1 3 偏大型半柯西分布 1 3 偏大型半岭形分布 1 3 价格一需求量曲线 1 6 典型日负荷曲线图 1 9 偏小型半梯形分布 2 0 偏大型半梯形分布2 0 时段划分示意图 2 2 峰荷到谷荷负荷转移率 2 3 峰荷到平荷负荷转移率 2 4 平荷到谷荷负荷转移率 2 4 电价综合反应曲线 2 5 数学模型优化流程图 2 8 典型日负荷曲线图 2 9 文献 2 9 的优化结果 3 1 单目标1 的优化结果 3 2 单目标2 的优化结果 3 3 单目标3 的优化结果 3 4 多目标的优化结果 3 8 表 表 表 表 表格清单 典型日负荷数据 2 9 文献 2 9 的典型日负荷数据 3 0 文献 2 9 与本文的优化结果对比 3 1 单目标优化结果比较 3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金鳇王些太堂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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 告磷 签字日期：为f d 年4 月k 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金罡王些态堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目墨王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 酱毒 签字日期：加i o 年午月远日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：用闱彳 签字日期口矽年4 月矿日 电话： 邮编： 致谢 本研究及学位论文是在我的导师周国祥教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的。周老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风以及不断 创新进取的学术态度，深深地感染和激励着我。 从课题的选择到论文的最终完成，周老师都始终给予我细心的指导和不懈 的支持。两年多来，周教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生 活上给我以无微不至的关怀，在此谨向周老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 在此，我还要感谢在一起愉快的度过研究生生活的同学们，正是由于你们 的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成，从 你们身上我学到了很多。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利 完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚 挚的谢意! 最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 作者：郜磷 2 0 10 年2 月1 4 日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 电力工业是生产、输配和销售电能的行业，是国民经济重要的基础产业。 电力系统主要由发电厂、输配电系统和用户组成。发电厂发出的电先由升压变 电站的变压器升高电压后，经输电线路送往用电地区；到达用电地区后，由降 压变电站的变压器降低电压，再经配电线路分送到各用户，其中伴随着电能的 损耗。近些年，随着竞争的加剧和国有企业改革的深化，供电企业面临着电价 下调的压力越来越大。2 0 0 2 年，电厂按“厂网分开”的原则，将发电环节和其 他环节分离开来，形成了发电环节的竞争结构与输配售环节垄断经营并存的行 业结构，随之，电价的制定变得越来越困难，越来越复杂。按照政策的指示， 要对电力市场进行深入化的改革，其中，电价的合理改革是电力市场化的深化 方向。早在很多年前，就有人提出实时电价的概念，究竟实时电价与分时电价 有什么区别，为什么我国至今没有实现实时电价，以及对如何确定分时电价等 等这些问题，论文将在后续章节给出解答。 随着经济的发展，人民的生活水平急剧提升，对能源的需求量和消耗量日 益加大，电力作为优质能源，具有使用安全方便，对环境无污染等优点，逐渐 成为人们日常生活中不可或缺的一项。但近些年，在经济发展的新形势下，能 源危机也逐渐凸显出来，尤其是在冬夏季用电高峰时期，经常出现拉闸限电的 情况，给生产、生活带来诸多不便，严重时还会影响到电网的安全运行，造成 一些不必要的损失。如果仅仅依靠扩大投资规模、增加装机容量来满足短暂的 高峰用电，将会增加电力企业的建设任务，而且这些新增机组的利用率必定非 常小，从而导致发电资源的极大浪费，也会加重用户和企业的负担，其代价是 巨大的；而在夜晚，则会产生电力能源过剩而被浪费或形成窝电等问题【l 】。 为缓解以上这种电力紧张的局面，引导电力用户合理用电，节约用电，目 前国内外普遍实行需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，d s m ) 这一有效的手 段，通过价格信号引导用户合理地调节和改善用电结构和用电方式，形成较平 稳的电力负荷运行状态1 2 】，峰谷分时电价作为一种有效的d s m 措施，是电力企 业为实施d s m 而向用户提供的一种经济上的刺激手段【3 】。 实行峰谷分时电价，是电能商品在时间差价上的反映，它同样遵循着市场 经济原则。电网为满足广大用户的用电需求，必须保证相应的电力供应和容量 设备。不同的时间，电能的需求不同，其生产成本也不同，使用不同时段的电 能应承担不同的电价，这既体现了商品的价值规律，又体现了用户公平负担的 原则。实行峰谷分时电价有三个优点【4 】： 第一，它通过错峰实现削峰，用户在转移高峰负荷的过程中保持总用电量 基本不变，这意味着居民不必降低其生活水平，企业也不必停工减产； 第二，积极参与削峰填谷的用户能从低谷低电价中获得电费下降的实惠； 第三，促使电力企业改变以往主要依靠行政手段乃至拉闸限电调节电力供 需的做法，依靠经济激励而非强制性手段，更尊重用户意愿，符合市场化经营理 念，有利于提升电力企业形象。 所以，做好需求侧管理，制定合理的峰谷分时电价，对提高电力生产效率， 降低电力供应成本、降低电价，实现电力的可持续发展具有重要的战略意义， 对当前开展节能降耗，建设节约型社会具有深远的意义。 1 2 国外分时电价制概述 在国外，分时电价经过几十年的探索和实践，已经积累了相当丰富的经验， 现已成为支持可持续能源发展战略的重要手段之一。从2 0 世纪7 0 年代起， 世界上许多国家开始相继实行峰谷电价，只是各时段的划分因各国地理、气候 及电力系统负荷状况等因素不同而已。有的国家把一天分为峰、谷、平3 个时 段；有的国家只分为高峰和非高峰2 个时段；有的国家分为尖峰、高峰、低谷、 平段等多个时段。如法国在每年7 、8 两个月份中设立了若干个避峰日，其电 价比最低电价高出1 0 倍以上，英国1 2 月和1 月的晚高峰电价比夜间电价也 高出1 0 倍以上，由于实行峰谷电价等措施，英国工业用电负荷率在1 9 6 1 至 1 9 7 5 年期间由4 5 提高到7 0 ，提高了2 5 ，法国平均日负荷率从1 9 6 5 年的 8 0 8 2 提高到1 9 9 0 年的9 0 ，提高了1 0 左右。 通过这些资料和数字可以看出，峰谷分时电价在削峰填谷方面确实起到了 不错的效果。 1 3 各国实行分时电价状况 研究先进成熟的经验，特别是发达国家成功的经验，对我国分时电价的制 定起到积极的参考和借鉴的作用。下面分别列出几个电价策略比较成熟的国家， 对比得出我国分时电价的现状以及有关改善建议【7 1 。 1 3 1 加拿大 加拿大采取对工商业用户进行d s m 的信息支持和经济鼓励，转移相应数量 的电荷将给予一定经济补助引。而对居民和商业用户，采取政府制定建房节能 标准，推行照明节电工程，电力公司对使用节能灯的用户给予补助。 1 3 1 法国 1 9 5 7 年，法国率先推出峰谷分时电价，将用户按照不同的行业，将具有 相同用电负荷特性的用户归为一组，执行特定的电价，同时，还为用户提供简 单电价、分时电价、避峰日电价等多种电价方案供用户选择。而在时段的划分 2 上，按照用电季节和用电时间分为几个时段，将冬季分为严冬和冬季两个时令， 时段则为高峰、正常和低谷，组合成5 个时段；夏季分为正常、低谷和盛夏3 个 时段，严冬高峰电价最高【引。 1 3 2 美国 美国作为发达国家的代表，其d s m 发展道路也是经历了从初期到成熟的过 程，它确立了“给消费者与生产者适当的经济刺激”的方法来推动d s m 的发展， 激励措施主要集中在以下三个方面：一、实施d s m 计划成本回收；二、实施d s m 计划的收入损失补偿；三、实施d s m 计划的效果奖励n3 。尽力提出电力管制部门、 电力公司和电力用户三方都能接受的方案。美国的电价制度采用季节差价和峰 谷差价，以正确反映供电成本及控制高峰负荷阳，。现如今，分时电价在美国执 行的相对普遍，电价分二段式电价和三段式电价，且有多种方案供用户选择。 1 3 3 日本 从1 9 9 5 年开始，日本已经进行了三次大的电力改革，改革十多年来，日本 电价平均下降2 7 。目前日本电价分为两类，一是受管制电价，另一类是自由 化用户的电价，用户可自主选择供电商。除此之外，还有分段电价制、季节电 价制和分时电价制，其中，分时电价主要针对高压动力和特高压动力用户执行， 可由用户自己选择1 6 】。 1 3 4 意大利 意大利于1 9 8 0 年提出了峰谷分时电价，当时这一策略被运用于大工业用 户，以鼓励合理用电【8 j 。经过一段时间的试运营，该电价在负荷分配上起到了 显著的作用。分时电价的计算取决于发电和输配电的固定费用以及供电期内需 求增加而产生的变动价格，分为冬季负荷高峰、冬季白昼、夏季白昼、冬季低 谷和夏季低谷等5 个供电期。 1 3 5 其他国家 当今世界，已有不少国家开始实施分时电价，其中，英国是峰谷差价最大 的国家之一，其电量电价夜间是白天的1 3 ，夜间1 时至次日早8 时的7h 为 夜间用电时间；意大利、瑞典等国也均采用分时、分季计价的方式【8 1 。 1 4 国内分时电价状况及几点建议 我国从上世纪8 0 年代起开始实施峰谷分时电价制度，近几年来逐渐全面 普及和推广。各省根据自身的实际情况，结合发改委的相关措施，对不同的用 户执行不同的电价，收到了一定的效果。但是，目前我国在需求侧管理方面还 存在着相当多的不足之处。 分时电价作为需求侧管理的重要手段，在我国尚处于刚刚起步的阶段，还 3 需摸索改进。虽然这一政策在一定程度上起到了削峰填谷的作用，但近些年， 一些城市在夏季高峰期出现的用电缺口却在逐渐加大，而在冬季，出现恶劣天 气情况下，应对措施又显得有心而力不足。针对我国的具体的情况，电力行业 有关专家给出了适合我国实施d s m 的几点建议【9 】。 ( 1 ) 明确峰谷电价差的合理定位 在我国，电价的制定是由当地政府、发电企业和供电企业共同协商完成的。 在政府相关政策指引下，应尽量保证广大消费者、发电企业和供电企业的三方 利益，差价太小起不到削峰填谷的目的，差价太大将会出现本末倒置的现象， 这也是分时电价的尴尬之处，究竟如何制定，还需要进一步探讨。以安徽省为 例，大工业用户在用电高峰时段的电价是0 8 9 5 8 元千瓦时，低估时段的电价 是o 3 7 4 7 元千瓦时，峰谷比仅为2 4 。而我国江苏、上海等地的峰谷差达到4 5 倍，外国发达地区也达到8 1 0 1 6 】。 ( 2 ) 加强宣传，充分调动居民的积极性 随着我国经济的发展，人民生活水平逐年提高，家用电器种类日益增多， 用电量猛增。在冬夏季用电高峰期，居民生活用电占很大比重，应考虑这一部 分人的削峰能力。由于对政策的不了解，很多人对此仍处于观望状态。首先就 是电表的重新安装问题，由于老式的电能表不具备分时段的计量功能，为满足 实施的要求，必须更换为专用分时电能表，需支付一定的改造费，还要向用户 宣传讲解分时电价的好处等等，政府和供电企业应让利于这一部分人，实行一 部分资金补贴，鼓励居民使用分时电价。 ( 3 ) 加快建立激励机制 1 0 】 谷时段一般出现在晚上零点以后，一些企业需要重新安排生产班次，安排 员工晚上低估时段作业，这样做会增加工资成本和后勤保障等方面的投入。如 果这一部分成本支出高于执行峰谷分时电价的电费节余，将可能导致这些企业 放弃使用峰谷分时电价，供电企业应对企业实行奖励政策，鼓励在用电高峰期， 使用谷时段的富余电量。 ( 4 ) 加强标准和评估体系的建设【9 】 目前，欧美各国已对相当一部分的用电设备明确了能耗标识，如空调、冰 箱、彩电等产品，提高终端电能的利用效率。明确需求侧管理的目标和实施细 则，将指标分解和落实到不同的对象身上。完善包括建筑在内的强制性能效标 准，建立能效数据统计机制。 ( 5 ) 加快政府和用电企业对可能出现新情况的应对能力 随着这一政策的推广，负荷曲线将出现新的特性，这些特性可能不再适合 以前的时段划分和电价，政府和供电企业应做出及时响应和调整。 4 1 5 研究内容 分时电价的研究一直是一个热点课题，也有许多的理论成果，目前主要分 为三类【39 j ：一是提出发电侧和售电侧的联动峰谷分时电价模型，分摊供电公司 与发电公司的效益和风险，如文献3 4 3 8 ；二是通过研究用户的反应曲线或需 求价格弹性矩阵来分析用户对价格的响应，如文献3 9 4 3 ；三是基于博弈控制 理论来分析供电公司自主调整峰谷分时电价方式，以达到负控的目的，如文献 4 4 4 6 。以上的方法各具优点，可根据不同的需要选择不同的角度对分时电价进 行研究。本文采用的是基于用户响应的分时电价模型。 如何根据我国的特点和实际情况，给出一种合理、可行的峰谷分时电价的 制定方法和时段的划分准则是电力管理部门颇为关注的问题，也是电力能源需 求侧管理领域研究的热点问题。本文针对上述问题展开研究，将采用消费者心 理学原理、电价理论及模糊数学等相关知识和原理，提出以目标为导向，以人 为中心，以成果为标准，针对电力企业渴望达到的预期目标值，给出数学模型， 并对其进行优化，最终求得最优解。本文主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 基于经济学原理和统计学原理，确定影响用电负荷曲线波动的各主要 因素，并根据各因素的影响程度，提出可能的削峰填谷的分时电价措施。 ( 2 ) 针对不同用户特有的峰谷特性，运用数学建模方法，制定合适的电价 比，并通过实际的算例模拟出实施分时电价前后的负荷曲线对比图，证明方法 的合理性和有效性。 ( 3 ) 由于电力商品的特殊性，论文尽可能提出多种情况下可实现的目标以 及解决方案。 通过对以上三个方面的研究，最终得出本文的解决方法，通过对方法的求 解，证明其有效性，力求为实际操作提供理论依据。 1 6 论文的组织结构 论文共分为五个部分，内容组织如下： 第一章绪论，阐述了本课题的研究背景和意义，并详细叙述了需求侧管理 峰谷分时电价在国外国内的实施状况，指出了本文的主要研究内容； 第二章预备知识，介绍了需求侧管理、模糊数学和用户反应的基本理论， 对本文所涉及到的相关学科知识做了简短的叙述； 第三章详细介绍了基于d s m 的峰谷时段的划分方法和峰谷分时电价的数 学模型，以及模型的求解过程； 第四章仿真计算与算例分析，结合上一章的数学模型，给出具体的例子， 通过对文献7 9 的算例、三个单目标和一个多目标的求解，验证模型的可行性； 第五章结束语，总结本文的研究成果、创新点和所做的主要工作，并给出 本课题下一步研究工作的方向。 5 第二章峰谷分时电价相关理论 电是商品，具有价值和使用价值，但又不同于其他商品。它的生产、供应、 使用几乎是瞬间同时完成的，且不能储存。正是由于这些特殊性，电价的确定 是一项综合知识的运用，需要综合考虑诸多因素，包括需求侧管理、模糊数学、 消费者心理学、经济学等多领域科学的知识，还要参考国家政策、经济形势、 电力改革、本地方具体实情等等。为论述清楚起见，本章就本文所涉及到得知 识在此做简短的叙述。 2 1 需求侧管理 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 ) ，是目前世界上流行 并在我国大力推广的一种先进的资源规划方法和管理技术，通过有效的激励措 施，达到资源的可持续发展等目的【l 们。随着社会经济的发展，用电高峰期供需 紧张的矛盾日益严重，在这种情况下，电力需求侧管理也显得日益重要，现在 已被越来越多的运用到电力发展、电力改革和用电管理中来。 2 1 1 实施需求侧管理的目的和措施 电力企业实施需求侧管理的目的如下【1 4 】： ( 1 ) 为社会和客户创造效益 实施电力需求侧管理一方面能够有效的降低电力企业的生产成本，包括建 设成本、运行成本、维修成本等等，另一方面能够降低用户的单位用电成本， 由于采取了有效的激励措施，引导用户改变其原有的用电结构，在总需求不变 的情况下，节约了用电成本。 ( 2 ) 提高了供电可靠性和企业的服务质量 在新政策下，用户更加合理的消费，避开用电高峰改用低谷时的便宜促销 电，减少了发电企业在高峰期的发电成本和供电压力，又保证了冬夏季居民的 生活用电，提高了设备的利用率和供电企业的服务质量，真是一举多得。 ( 3 ) 提高了资源的利用率，减少了环境污染，实现了资源的可持续发展， 有助于建设节约型社会 目前我国仍是以消耗不可再生资源为主要的生产方式来发电，由于电力商 品不易储存这一特殊性，在用电低谷时极易造成资源的浪费，而在用电高峰时 又产生了电量不足的尴尬局面，采取需求侧管理后，能够很好的解决这一问题。 可以看出，实施电力需求侧管理，可以实现多方面的共赢。 实施电力需求侧管理最直观的结果，就是负荷曲线变得更加平滑，峰谷差 明显减小，几十年来，总结各国电力部门进行的一些措施，主要包括： 6 ( a ) 通过有效的电价策略； ( b ) 通过广泛的宣传： ( c ) 加快建立激励措施； ( d ) 完善企业赔偿制度。 2 1 2 实时电价与分时电价 与分时电价概念相对应的是实时电价。 实时电价是电价结构的一种重要形式，电力市场通过实时价格杠杆取代管 理者的行政手段来维护发用电平衡，能够很好的实现各方面利益的最大化。实 时电价根据边际成本理论确定，反映了社会效益的最优原则。它与现行的基于 补偿历史个别成本确定的电价相比，能有效地引导资源的合理使用。实时电价 根据实时时间的长短不同，有多种表现形式，通常有以下3 种： ( a ) 9 6 ( 4 8 或2 4 ) h 段的实时电价：电价每时段变化一次，用户和发电厂 商对电价的变化反应敏捷，这是实时电价的最高等级； ( b ) 峰平谷分时电价：将一天中的2 4 个小时按照用电量的不同，分成峰时 段、平时段和谷时段三个时段，每时段执行不同的电价，这是实时电价的中间 等级； ( c ) 每天有几个价格段：每段间隔和价格在一个月、几个月、一年左右调 整一次，这是实时电价的最低等级。 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与成本相匹配。它更强调电价的调节功能。分时电价则强 调在长期条件下电价与成本相匹配，以引导长期的供需平衡，它更强调电价的 维持和扩大电力的再生产【26 1 。 由于实施电价对技术的要求较高，时段和价格变化过于频繁，对一些需要 进行连续性生产的企业，如钢铁企业这样的用电大户来说，不利于调节用电结 构，这也就失去了削峰填谷及引导资源合理利用的意义。从这个方面来说，实 时电价在我国尚不具备实施的条件。当今世界，包括中国在内的电力企业，需 要有一个合理可行的定价方案，它既要吸取实时电价理论和方法的科学性的一 面，又要考虑现阶段电力系统现实性的一面【2 6 1 。与实时电价相比，分时电价操 作起来更加方便。但是，随着未来科学技术的发展，实时电价的实行势在必行。 目前考虑的重点仍是分时电价。 分时电价即为一种有效的d s m 措施，是供电公司为实施d s m 而向用户提 供的一种经济上的刺激手段。在国外分时电价已经得到很好的应用，并取得了 良好的效果，现在我国已得到推广。所谓峰谷分时电价( p e a ka n dv a l l e y t i m e - o f - u s ee l e c t r i c i t yp r i c e ，t o u ) 就是供电公司根据电网的负荷特性确定峰谷 平等多个时段，根据不同时段确定不同的销售电价【1 4 】，通过提高用电高峰期的 7 电价、降低用电低谷期的电价来从经济上激励用户改变用电方式，从而缓解高 峰期的用电紧张状况，挖掘低谷期的用电需求，因此采取峰谷分时电价可以达 到削峰填谷的目的【l5 | 。 影响用户某一时刻的用电量有很多因素，一般说来，与此时的电价、天气 情况、生产状况、班制、经济政策等因素关系密切【8 】。但是从实际可操作性和 目标管理的角度出发，电价是较好的控制对象，因此，在分时电价的用户反应 模型中将电价作为主要因素加以考虑，而将其他一些宏观因素或暂时无法衡量 的因素进行简化【9 】。分时电价的确定主要包含两方面的内容，一是时段的划分， 二是各时段的电价。具体如何操作，应考虑以下几个问题： ( a ) 时段的划分应能正确体现符合曲线的实际情况，否则分时电价就失去 其相应的意义； ( b ) 时段的划分不宜划得过细，应有利于用户调节用电结构； ( c ) 谷时段电价不宜定的太低，谷时段的售电所得必须不小于发电成本， 即谷时段电价大于或等于电力系统在该时间段的边际成本； ( d ) 峰谷电价差不宜过大，否则会出现峰谷倒置的现象，这与实行峰谷分 时电价的本意是相违背的； ( e ) 实行峰谷分时电价必须保证供电企业的利益，如果用户都只考虑用低 价电，势必减少供电企业的收益，供电企业除了向用户提高可靠的用电外，还 肩负着电网建设的任务，所以这点也是需要加以考虑的。 一般说来，用电大户都会积极响应这一政策，转移电荷的积极性也很高， 是实现削峰填谷的主力军，因为电费支出是一笔很大的开支，如果实行峰谷分 时电价，既能达到削峰填谷的目的，同时又能使供电企业和用户获利，这才是 这一政策最好的体现。但真正做到这一点，还有很长的一段路要走。现阶段各 个省份都有自己的执行标准，已安徽省为例。 业) ： ( 1 ) 实施范围 由供电企业直接抄表到户的一户一表居民用电按自愿申请实施； 受电变压器总容量在3 15 千伏安及以上的大工业用户( 不含中小化肥企 用电容量在5 0 千瓦及以上的电热锅炉及冰( 水) 蓄冷空调； 用电容量在1 0 0 千伏安及上一般工商业用户。 ( 2 ) 时段划分 居民采用两段制： 平段：8 ：0 0 2 2 ：0 0 谷段：2 2 0 0 次日8 ：0 0 其它用电客户采用三时段： 共1 4 小时： 共10 小时。 8 高峰：9 ：0 0 11 ：0 0 ，18 ：0 0 2 2 ：o o ，共6 小时； 平段：8 ：0 0 9 ：0 0 ，1 l ：0 0 18 ：0 0 ，共8 小时； 低谷：2 2 ：0 0 次日8 ：0 0 ，共1 0 小时。 ( 3 ) 峰谷分时电价浮动幅度 居民客户生活用电采用两段制电价，即平段用电价格在原销售电价的基础 上每千瓦时上浮0 0 3 元；低谷电价在原销售电价的基础上每千瓦时下浮0 2 5 元。 归并非普工业、商业和非居民照明用电为一般工商业用电，原非普工业、 商业和非居民照明用户执行一般工商业电价，执行分时电价。 一般工商业和大工业客户，高峰电价在平段电价的基础上上浮5 3 ，低谷 电价在平段电价的基础上下浮4 1 。每年7 、8 、9 月的高峰电价在平段电价 基础上上浮6 3 。 按照国家规定，电价中的政府性基金、附加不参加峰谷浮动调整。 目前，从各地电网呈报的实施分时电价的实际效果来看，取得了显著的社 会效益，但实践中也存在一些问题【l6 。 ( a ) 分时电价效果具有滞后性。分时电价实施前期，由于用户反应的滞后， 电网初期是盈利的，然而，当用户做出完全反应后，许多电网均出现利润下降 或亏损的现象。因此，分时电价存在不小的风险问题。 ( b ) 用户过度反应问题。由于峰谷比拉开不当，用户呈现过度反应，个别 情况甚至产生了峰谷倒置，造成电网调峰的失败和重大的经济损失。 ( c ) 分时电价的购电政策缺乏弹性。购电价格是统一核算的，而售电价格 是分时的。 所以，我们在制定峰谷电价政策时，要注意动态的策划与设计分时电价的 方案。确定不同地区在相对稳定时期内的峰谷分时与峰谷电价比等。 2 2 模糊数学。 模糊数学又称f u z z y 数学，单词f u z z y 的中文意思为“模糊的，不清楚 的。它以模糊集合论为基础，将数学和模糊概念放在一起，目的是吸收人脑对 复杂事物进行模糊识别和判断的优点，再使用数学的概念来研究和处理具有“模 糊性现象 的事物，对模糊性的描述是现代数学的研究重点。在日常生活中， 经常会遇到一些“模糊 事物，他们之间没有明确的界限，要使用一些模糊的 词句来形容、描述。比如，要说明一个人是不是胖子，单从体重来判断是不准 确的，除了要知道这个人的体重、身高、年龄这些精确信息外，还需要参考体 重指数和体内脂肪指数等模糊信息。再比如，1 8 0 m 以上的男人都算高个子， 那么1 7 9 m 的男人就不算高个子了，但是1 8 0 m 与1 7 9 m 仅l c m 之差，肉眼是 很难辨别的，所以，“高个子男人的外延不应有清晰的边界。从而，z a d e h 提 9 出了f u z z y 集和隶属函数的概念【17 1 。 2 2 1f u z z y 集与隶属函数 设u 是论域，所谓u 上的“f u z z y 集 a ，是指对任意x u ，x 常以某个 程度( 【o ，1 】) 属于a ，而非x a 或x 诺a t l7 1 。例如，若确定1 8 0 m 以上的男人 都是“高个 ( 即以1 = 10 0 的程度属于“高个) ，而1 7 9 m 的男人则可以略 低于1 ( 例如0 9 9 即9 9 ) 的程度属于“高个 。 从集合的观点，我们可以更清楚地看到模糊数学与经典数学的不同之处。 在经典数学中，集合是指那些有确定性质的个体汇集面成的集，而不具有这种 性质的个体则不属于这个集合，为了表示这种非此即彼性，我们在数学上引入 隶属函数的概念。 设u 是论域，：u 专 0 ，1 】，称是u 上的隶属函数。 常用的确定隶属函数的方法有【1 8 】： ( a ) 根据个人主观认识和经验，给出隶属度的具体数值。 ( b ) 根据问题的性质，选用某些典型函数作为隶属函数，我们将在下一节 介绍一些常用的隶属函数。 ( c ) 以调查统计结果得出的经验曲线作为隶属函数。 可以看出，第一、二种方法都带有较强的主观性，第三种方法是统计众多 人为经验的评分，实际是一种大多数人的主观认识的平衡，其局限性很大。一 般而言，通过对实际工程数据所确定的原始信息进行分析与统计，从而得到的 隶属函数客观一些，也容易接受。 对模糊性的描述是解决模糊数学的重点，而隶属函数则是描述模糊性的关 键。目前确定隶属函数的方法仍处在不断的探索之中，国内外学者在依靠实践 的基础上，经过反复的实验论证，虽然取得了一些理论知识，但事实上，如何 做到准确的确定隶属函数的问题并没有从根本上得到解决，究其原因，还是缺 乏统一的判别标准，带有较大的盲目性。下面将给出一些带有参数的，值域为 【0 ，1 】的函数，可根据各类实际问题选用。 常用的隶属函数： ( 1 ) 适用于x 较小时的隶属函数，又称偏小型或戒上型，论域x 都是正值， 图像在第一象限。 偏小型半矩形分布，曲线如图2 1 所示，其中： 甜( x ) ：丁三? x j 口) 【u ( 口 o ，且甜( x ) = ：。，。，：三三 。2 2 ， 1 0 偏小型半正态分布，曲线如图2 - 3 所示，其中： 肿，0 暑， 。3 图2 1 偏小型半矩形分布图2 - 2 偏小型半r 分布图2 3 偏小型半正态分布 偏小型半梯形分布，曲线如图2 4 所示，其中： “( 石) = 1 ( 0 x 口) 而b - x ( 口 x 6 ) 0 ( 6 x ) 偏小型半凹( 凸) 分布， 甜( x ) = 1 锻 0 ( 2 - 4 ) 曲线如图2 5 所示，其中： ( 。x 君1 ( 2 5 ) 畴叫 偏小型半柯西分布，曲线如图2 - 6 所示，其中： ”哪地肌加 葛 q - 6 ) 聒 图2 - 4 偏小型半梯形分布 图2 5 偏小型半凹( 凸) 分布 图2 - 6 偏小型半柯西分布 偏小型半岭型分布，曲线如图2 7 所示，其中： “( x ) = 1 ( 0 x 口) 挣n 志等， q 。7 0 ( b x ) 2 、适用于x 较大的隶属函数，也称偏大型或戒大型，论域x 都是正值， 图像在第一象限。 偏大型半矩形分布，曲线如图2 8 所示，其中： ，、10 ( o x a ) u 【x ) 2 11 ( a x ) ( 2 8 ) 偏大型半r 分布，曲线如图2 - 9 所示，其中： f 0 u ( x ) 2 t 1 ( 0 x a ) ( a 0 ( 2 9 ) tt 图2 7 偏小型半岭型分布 图2 8 偏大型半矩形分布图2 - 9 偏大型半r 分布 偏大型半正态分布，曲线如图2 1 0 所示，其中： ，、l 0 ( 0 x 口) 纵功