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基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 I 摘摘 要要 随着电力工业市场化改革进行 确定公平合理的销售电价成为国内外学者普遍 关注的问题 作为电力需求侧管理的一种重要措施 峰谷分时电价得到了较为广泛 的应用 在考虑需求响应的基础上 研究分时电价能够在削峰填谷 提高电力系统 的负荷率和运行稳定性的方面达到更好的效果 峰谷分时电价作为现阶段一种有效 的需求侧管理手段在世界各国得到了广泛的应用 它通过价格信号引导消费者采取 合理的用电结构和方式 达到削峰填谷的目的 同时它也是其他一些需求侧管理手 段实施的前提条件和影响因素 本文介绍了需求侧管理和需求响应的一些基本概念 需求侧管理与需求响应之 间的关系 分时电价的分类及影响因素等 然后从配电公司的自身利益出发提出了 一个考虑购电成本 需求响应以及其它因素的分时电价定价模型 并针对购电商是 否具有市场力两种情况分别进行了分析 论述了该模型本质上属于非线性规划问题 并探讨了其求解过程 最后将该模型应用于某简单算例进行仿真计算 结果表明如果用户对分时电价 具有较强的响应度 则在峰谷电价差较小时也可以实现用户与电力企业共同获利的 目的 关键词关键词 需求侧管理 需求响应 分时电价 价格弹性 电力市场 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 II Abstract With the worldwide development of power market it s important to determine reasonable selling price As an important measure of demand side management TOU has been more widely used On the basis of demand response doing research about TOU can achieve better results on shifting load from high to low improving the power system load rate and operating stable As one of DSM methods time of use TOU rate is applied in many countries It motivates consumers adjusting their mode of power using and accomplishes the goal of load shifting Moreover it influences the effects of some other DSM methods This article describes some of the basic concepts of DSM and demand response relationship between Demand Side Management and Demand Response the classification and the impact factors about TOU Based on self interest of distribution company an optimal pricing model for time of use TOU electricity price is proposed in which the purchasing cost demand response and other factors are considered The proposed model that in essence is a nonlinear programming problem which is analyzed for two conditions respectively namely the power purchasers possess or do not possess market power and the solution process of the proposed model is researched Applying the proposed model to a simple numerical case the simulation results show that if the customers more intensively response to TOU electricity price the customers and electric power enterprises can jointly reap profits even though electricity price variance between peak load and valley load is smaller Key Words Demand Side Management Demand response Time Of Use pricing Price elasticity Electricity market 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 III 目录目录 绪论绪论 1 1 1 1 本文研究背景 1 1 2 国内外分时电价实行现状 2 1 2 1 国外分时电价制度概述 2 1 2 2 国外实行分时电价的状况 2 1 2 3 国内实行分时电价的状况 3 1 2 4 我国实行分时电价存在的问题 7 1 2 5 结合国外成功经验对我国实行分时电价的建议 7 1 3 本文研究内容 8 1 4 本文组织机构 9 需求侧管理 需求侧响应与峰谷分时电价相关理论研究需求侧管理 需求侧响应与峰谷分时电价相关理论研究 1010 2 1 需求侧管理的研究 10 2 1 1 需求侧管理的意义 10 2 1 2 需求侧管理的目标和任务 10 2 1 3 需求侧管理的措施 10 2 2 需求响应的研究 11 2 2 1 需求响应的分类 11 2 2 2 开展需求响应及其评估的意义 11 2 2 3 需求侧管理与需求响应的关系 12 2 2 4 引入需求响应的意义 13 2 2 5 用户对电价的响应 14 2 3 分时电价的研究 14 2 3 1 分时电价的分类 14 2 3 2 实施分时电价的意义 15 2 3 3 分时电价的影响因素 16 2 3 4 峰谷分时电价制定所应遵循的基本原则 16 基于用户需求响应下的分时电价优化模型基于用户需求响应下的分时电价优化模型 1919 3 1 分时电价优化模型一的基础理论 19 3 2 电力需求价格弹性 19 空一行 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 IV 3 3 价格弹性模型 19 3 3 1 基本假设 21 3 3 2 各时段电价的数学定义 21 3 4 分时电价定价模型 22 3 4 1 模型约束条件 22 3 4 2 模型优化目标 23 3 5 分时电价优化模型二的基础理论 23 3 6 分时电价优化模型二的描述 24 3 7 分时电价优化模型二的求解 26 仿真计算与算例分析仿真计算与算例分析 2828 4 1 前期计算 28 4 2 最优分时电价计算与分析 29 4 2 1 电力公司不具有市场力且用户响应度发生变化 29 4 2 2 电力公司不具有市场力且购电成本发生变化 31 4 2 3 电力公司具有市场力且用户响应度发生变化 32 结束语结束语 3 34 4 5 1 本文结论 34 5 2 展望 34 致谢致谢 3737 参考文献参考文献 3838 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 1 1 绪论 1 1 本文研究的背景 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 3 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 2002 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 5 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 为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 Demand Side Management DSM 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 峰谷分时电价 作为一种有效的 DSM 措施 是电力企业为实施 DSM 而向用户提供的一种经济上的刺 激手段 2 需求响应重在运用基于市场的价格去影响需求的时间和水平 简单来说 需 求响应就是将电力市场需求侧带回到价格设定过程中的一系列策略 而需求侧管理 重在采用市场价格手段之外的更为广泛的一些措施 需求响应在电价引导下 用户 主动采取节约电力与电量的措施 改变用电方式 改善负荷曲线形状 从而减少电 力系统建设和运行的费用乃至全社会的成本 总体来说 需求响应是在需求侧管理 基础上发展起来的 它是一种实施机制 使得用户能够通过改变自己的用电方式主 动参与到市场竞争 将电力市场需求侧带回到价格设定的一系列策略 由于分时电 价是整个价格体系的一种电价类型 所以在需求响应的基础上 去研究分时电价 能很好地解决了电力供应紧张 供应不平衡的问题 提高了供电系统的稳定性 减 少了发电侧电力投资 增加了经济效益和社会效益 优化社会资源 分时电价体系的实施必将对经济发展 社会安定及电力部门和用户产生深远 的影响 目前我国采用的分时电价主要是峰谷分时电价 峰谷分时电价政策也根据 实际情况不断调整变化 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 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 2 的原则 实行峰谷分时电价有三个优点 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 本文的深入主要工作就是以上面论述为背景 在用户响应的基础上 对分时 电价进行了的研究并优化设计模型 以实现用户与电力企业共同获利 1 2 国内外分时电价的实行状况 1 2 1 国外分时电价制度概述 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 20 世纪 70 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 10 倍 以上 英国 12 月和 1 月的晚高峰电价比夜间电价也高出 10 倍以上 由于实行峰谷 电价等措施 英国工业用电负荷率在 1961 至 1975 年期间由 45 提高到 70 提 高了 25 法国平均日负荷率从 1965 年的 80 82 提高到 1990 年的 90 提 高了 10 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 2 2 国外实行分时电价的状况 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 1 加拿大 加拿大采取对工商业用户进行 DSM 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 而对居民和商业用户 采取政府制定建房节能标准 推 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 3 行照明节电工程 电力公司对使用节能灯的用户给予补助 2 法国 1957 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 3 美国 美国作为发达国家的代表 其 DSM 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 DSM 的发展 激励措 施主要集中在以下三个方面 一 实施 DSM 计划成本回收 二 实施 DSM 计划 的收入损失补偿 三 实施 DSM 计划的效果奖励 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 4 日本 从 1995 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 27 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 5 意大利 意大利于 1980 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 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 6 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 7 h 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 1 2 3 国内实行分时电价的状况 自从 1985 年 5 月国务院批转国家经委等部门 关于鼓励集资办电和实行多种 电价的暂行规定的通知 后 全国部分地区开始实施峰谷分时电价 近几年来逐渐 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 4 全面普及和推广 实施范围主要是大工业用户和使用蓄热电锅炉及蓄冷空调的用户 居民分时电 价目前在上海 浙江等少数经济发达地区部分实行 华北是我国最早实施峰谷电价 的地区之一 从 1985 年 1 月 1 日开始执行 1985 年 5 月后 其它地区也陆续铺开 1987 年 11 月 原水利电力部为规范各电网峰 谷电价的执行与国家经委国家物价 局联合发出了 关于多种电价实施办法的通知 在各电网推广应用峰谷电价 并 对峰谷电价的规范实施提出了指导意见 峰谷时段 的划分 原则上高峰时段不得 超过低谷时段二小时 分时电价以电网平均电价为基准 基价 按实际情况上下浮 动 高峰电价可为低谷电价的二至四倍 在具体操作中 直供用户低谷电价可比基 价低 30 至 60 高峰电价可比基价高 30 至 60 对趸售用户峰谷电价的上下 浮动幅度较小 大致在 20 左右 全国部分省市的峰谷电价执行范围和峰谷比价 如表 2 1 至表 2 5 所示 表 2 1 江苏省峰谷分时电价实施情况 实施范围实施范围价比价比时段划分时段划分 0 1MW 以上所有工业用 户 5 1 峰段 8 00 12 00 17 00 21 00 平段 12 00 17 00 21 00 24 00 居民用电 1 83 1 峰段 8 00 21 00 谷段 21 00 次日 8 00 蓄能用电谷时用电按谷时价格执行 其他时段按平电价格执行 谷段 0 00 8 00 表 2 2 浙江省峰谷分时电价实施情况 实施范围实施范围价比价比划分时段划分时段 大工业尖峰低谷比 2 7 1 高峰低谷比 2 2 1 尖峰 19 00 21 00 高峰 8 00 11 00 13 00 19 00 21 00 22 00 一般工商业尖峰低谷比 2 5 1 高峰低谷比 1 96 1 低谷 11 00 13 00 22 00 次日 8 00 居民用电 1 88 1 峰段 8 00 22 00 谷段 22 00 次日 8 00 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 5 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 6 表 2 3 北京市峰谷分时电价实施情况 实施范围实施范围价比价比时段划分时段划分 大工业夏季 2 47 1 非夏季 2 1 1 峰段 8 00 11 00 18 00 23 00 一般工商业夏季 3 75 1 非夏季 3 2 1 平段 7 00 8 00 11 00 18 00 农业用电2 6 1谷段 23 00 7 00 注 1 除普通居民用电的所有工商业和农业用电 部分用户更换了新四费率峰谷表 执行包 括尖峰时段的四段峰谷电价 表 2 4 江西省峰谷分时电价实施情况 价比价比时段划分时段划分 尖峰低谷比 用于夏季 3 6 1 尖峰 19 00 21 00 高峰 17 00 19 00 21 00 23 00 平段 5 00 17 00 谷段 23 00 次日 5 00 高峰低谷比 用于冬季 3 1 尖峰 18 00 21 00 高峰 17 00 18 00 21 00 23 00 平段 5 00 18 00 谷段 23 00 次日 5 00 注 1 除城乡居民照明用电 农业灌溉用电 行政机关 学校 部队 医院 公交电车 城 市公共照明用电 自来水生产用电 煤气生产用电福利工厂用电 商业用电以外的其余各类用 电 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 7 表 2 5 上海市峰谷分时电价实施情况 实施范围实施范围比价比价时段划分时段划分 工商业及其他 用电 非夏季 3 38 1 夏季 4 3 1 峰段 8 00 11 00 18 00 21 00 平段 6 00 8 00 11 00 18 00 21 00 22 00 谷段 22 00 次日 6 00 峰段 8 00 11 00 13 00 15 00 18 00 21 00 平段 6 00 8 00 11 00 13 00 15 00 18 00 21 00 22 00 谷段 22 00 次日 6 00 居民用电2 1峰段 6 00 22 00 农业生产3 1谷段 22 00 次日 22 00 注 1 已将大用户 普通工业和非工经营以及商业合并为工商业及其他用电 同意执行季节 性峰谷分时电价 对 10 千伏电压等级以下的农业生产用电也试行峰谷电价 对居民生活用电 执行单一两段制分时电价 1993 年至 2000 年 上海市在工业大用户中实行峰谷分时电价 削峰填谷效果 明显 用电状况由 过去的结构失衡 高峰时段缺电现象严重转变为供需结构较为 合理与供需基本平衡 2001 年上海市电力公司扩大到对居民用户实行峰谷分时电 价 居民的每日低谷用电量平均达到全日用电量的 40 以上 由于低谷电价较低 居民得到更多的实惠 据有关统计数字显示 居民人均每月可节省 12 7 的电费 提高了居民对电力消费的兴趣 在上海市居民中安装峰谷分时电表后 用电量增长 了 15 以上 同时 推动了其他能源用户改用电能的进程 上海市居民用户家中基本上都装有蓄热式电热水器 其功率 900 1800kW 一 般都选择在低谷时段使用 高峰负荷向低谷转移效果明显 从已投入试点运行的 10 万户看 若按每户转移 1kW 计算 则可转移 10 万 kW 以上高峰负荷 按常规机 组造价 4000 元 kW 计算 即可减少 4 亿元人民币的投入 还不含输配电设备投入和 电能损耗的费用 这就降低了电价中的容量成本 提高了经济效益 湖北省在推 行峰谷分时电价时测算 该省境内已有 200 万户有蓄热式电热水器 共计 300 万 kW 若鼓励居民避开高峰时段用电 可削峰填谷 20 万 kW 可减少 20 亿元人民币 的投入 这将大大降低电力容量成本 提高电力行业的整体经济效益 2001 年上海市将分时电价推广到居民用户中以来 电力运行状况良好 当年 发电量完成了 323 38 亿 kWh 比上一年增长 5 14 售电量完成 321 8 亿 KWH 比上一年增长 5 02 最高发电出力为 633 5 万 kW 同比增长 12 68 日最高发 电量为 12303 万 kWh 同比增长 10 04 线损率比上一年下降 0 31 个百分点 供 电煤耗率与上一年持平 供电可靠率达到 99 76 比上一年提高 0 09 个百分点 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 8 1 2 4 我国实行分时电价存在的问题 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 主要有以下几个方面 1 峰谷时段的划分比较单一 有些地区峰谷时段的划分简单 峰平谷都是 8 个小时 不能够真实反映当地系统负荷曲线的实际特点 实际上 不仅全国各地 区的负荷峰谷时段存在差异 即使是同一个地区 负荷曲线的峰谷特性也会发生变 化 如果时段划分不合理必将直接影响峰谷电价的实施效果 2 峰谷价差大小的确定面临很多问题 由于我国各地区的经济发展程度和 用电结构差异很大 用户对电价的响应能力差异也较大 从目前看来 我国一般峰 谷价差在两倍到三倍之间 在一些地区价差信号引导用户削峰填谷的效果不明显 而在另一些地区 则呈现反应过度现象 峰谷时段产生了较大的漂移 甚至产生了 峰谷倒置 凋峰失败的同时电网经济利益严重受损 3 峰谷电价效果具有明显的滞后性 峰谷电价实施先期 由于用户反应不 可避免的滞后 电网是盈利的 不妨称其为先期剩余利润 然而 当用户做出完全 响应后 许多省网均出现了利润下降或亏损现象 因此 在长期核算方面峰谷电价 实际上存在不小的风险 4 峰谷电价执行范围较小 目前 我国主要针对工业用户实施峰谷电价 随着经济的发展 第三产业和居民生活用电比例将会日益提高 尤其是夏季空调负 荷成为高峰负荷的主要增长点 将来这些用户都应当逐步纳入峰谷电价的实施范围 5 发电侧峰谷电价和销售侧峰谷电价没有联动 厂网分开后 大部分地区 的购电价格仍然是统一核算的 发电侧峰平谷都是一个价 但售电价格是分时的 有的地区虽然也在发电侧实施了峰谷电价 但是与销售侧峰谷电价的制定脱节 带 来发电侧和销售侧两端的利益不平衡 不利于峰谷电价的深入开展 1 2 5 结合国外成功经验对我国实行分时电价的建议 针对我国的具体的情况 为了更好起到削峰填谷 缓解峰期用电紧张局面 提 高用电负荷率 保证电网安全经济运行 提高电能的社会效益的作用 以下是适合 我国实行分时电价的几点建议 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 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 9 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 8958 元 千瓦时 低估时段的电价 是 0 3747 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 10 倍 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 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 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 1 3 本文研究内容 电力市场成功运行的关键在于合理地制定电价 1 2 根据经济学的边际成本理 论可知不同环境 包括时间和空间两种因素 下的电能具有不同的价值 3 4 而电 力商品的价格不仅应体现电力商品的价值 同时还要对发电商以及用户的行为具有 指导作用 文献 7 8 讨论了需求侧管理的发展历史及实施经验等 但并未涉及到制约 需求侧管理推广的根本原因 文献 9 明确指出利用价格手段调控负荷是实现电 力工业良性发展的必由之路 文献 10 对电力市场中的统一定价结算和差别定价 结算两种方式进行了经济学分析 并指出在电力市场建设初期采用前者进行结算是 必要的 文献 11 13 根据机组的可用率及系统的负荷情况采用概率 小波分析 及神经网络等方法进行了现货市场的电价预测 文献 14 15 基于电价的预测结 果讨论了供电公司在日前市场 实时市场以及合约市场的最优购电决策 文献 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 10 16 研究了现货市场价格波动时供电企业的电能购买优化模型 基于上述文献的研究成果可见由于经济体制和科学技术发展的原因 我国售电 侧一直实行统一分类电价 因此存在着较多价格歧视问题 5 有效的价格歧视可以 实现社会福利的改进 而不合理的价格差别则会妨碍社会效率的提高 本文对需求侧管理 需求响应和分时电价进行了理论研究 基于用户需求响应 以满足社会效益最大化为目的优化设计分时电价模型 此模型根据购电公司是否具 有买方市场力而将其分为两类 然后利用合理的假设提出了一个简单的售电价格模 型 该模型的解析结果表明如果某类用户对分时电价具有较高的响应度 则最优分 时电价的实施将使得电力公司和用户都受益 且双方受益的结果必定会带来经济学 上的帕累托效率的改进 17 1 4 本文组织结构 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 需求响应和分时电价的基本理论 对本 文所涉及到的相关学科知识做了简短的叙述 第三章对要优化的分时电价模型进行了详细地介绍 以及对模型的求解过程 第四章结合上一章的数学模型 给出具体的例子仿真计算与算例分析 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 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 11 需求侧管理 需求侧响应与峰谷分时电价相关理论研究 2 1 需求侧管理的研究 需求侧管理 Demand Side Management 简称 DSM 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 8 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 需求侧管理的意义 电力需求侧管理是完善我国能源开发与使用状况的现实需要 通过政府 电力 公司和用户等各个方面的密切配合 共同努力 实施电力需求侧管理 优化用电方 式和提高用电效率 可以减少或推迟电网发电装机容量 减少电网建设资金的投入 减少发电燃料消耗 改善环境质量 以实现能源 经济和环境的协调发展 2 1 2 需求侧管理的目标和任务 从本质上说 DSM的目标在于按照电能合理 高效的使用原则 在最小费用下 满足社会对电力的需求 从而实现社会经济结构的合理化 控制环境污染 有效促 进社会 经济可持续发展 7 具体地说 有以下几个目标和任务 1 从电力企业方面来说 主要是通过降低峰荷 提高谷荷 平滑电力负荷曲 线 改善电力系统运行条件来降低电力生产成本 包括建设成本 如减少或推迟装 机减少调峰机组从而节约的成本等 和运行成本 在保证用户生产 生活的前提下 电力公司实施需求侧管理措施的费用要远低于新建发电厂的费用 2 从用户侧来说 通过需求侧管理措施激励和诱导用户 改变不合理的电力 消费方式和行为 使用户合理用电 降低单位用电成本 从而降低电费支出 只有 如此 用户才会积极响应需求侧管理的实施 3 从整个社会来说 通过实施需求侧管理可以达到节约资源 减少环境污染 的目的 同时也节约了因为处理污染废弃物而支出的巨额费用 2 1 3 需求侧管理的措施 传统的DSM的主要措施一般可归为两大类 负荷管理和节电技术措施 在当今 电力工业市场化改革的环境下 它还包括扩大用电市场等内容 对于负荷管理 一是通过技术手段如电力负荷监控技术进行直接控制 这类直 接负荷控制的对象一般是蓄能负荷 如空调 电供热系统 依靠各类负荷管理系统 的 组控 统控 轮控 功能 在保证达到用户蓄能设备基本使用的条件下 实 现平抑电网高峰负荷的目的 二是借助经济手段 即分时电价 季节性电价和可中 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 12 断电价等 促使用户规范自身电力负荷使用的时间和该负荷的大小 三是采用行政 手段 如调整电力客户的生产班次 错开上下班时间 调整周休息日以及将用电设 备检修安排在用电高峰季节或高峰时段 从而达到错峰 避峰的目的 技术手段包括提高效率和削峰填谷措施 如各种高效节能灯具 电冰箱 空调 变压器 电动机 热水器 蓄冷蓄热技术 自动控制技术 变频调速技术 余热和 余压发电技术 太阳能和风能利用技术以及能源替代技术等 经济手段主要有电价 鼓励 折让鼓励 借贷鼓励 免费安装鼓励 节电设备租赁鼓励 节电招标鼓励 节电特别奖励等 行政手段即政府和有关职能部门通过法规 标准和制度来控制和 规范电力消费和节能市场行为 诱导鼓励即对用户进行消费引导 如普及节电知识 信息传播 研讨交流 审计咨询 与产品制造商合作等 2 2 需求响应的研究 需求响应 DR 是需求侧管理在竞争性电力市场中的发展 它是一种实施机制 使得用户能够通过改变自己的用电方式主动参与到市场竞争 将电力市场需求侧带 回到价格设定的一系列策略 25 在电力市场竞争中引入需求响应可以抑制市场力 优化资源配置 实现市场的良性稳定运行 分时电价是整个价格体系的一种电价类 型 在考虑需求响应的前提下 去研究分时电价 能很好的解决了电力供应紧张 供应不平衡的问题 优化社会资源等 所以在需求响应的基础上研究分时电价具有 相当的重要性 本章首先对需求响应 分时电价的基本理论进行了叙述 然后阐明 了他们之间的联系 2 2 1 需求响应的分类 需求响应按用户的响应方式可分为 2 种类型 基于电价的 DR 和基于激励的 DR 基于电价的 DR 是指电力用户响应市场电价的变化并相应地改变用电方式 包 括分时电价 实时电价和尖峰电价等 基于激励的 DR 是指通过制定确定性的或者时变的政策 来激励用户在系统可 靠性受到影响或者电价较高时及时削减负荷 包括直接负荷 可中断负荷 需求侧 竞价 紧急需求响应和容量 辅助服务计等 2 2 2 开展需求响应及其评估的意义 从世界各国开展的各类需求响应项目的实施效果来看 需求响应是缓解系统短 期容量短缺和推迟电网升级投资的有效方法 尤其在竞争性电力市场中 它能够降 低系统高峰期电价 减少电价波动风险 优化资源配置和保证市场稳定运行 对电 力工业和经济发展以及环保等方面都有着重要的战略作用 借鉴国外开展需求响应的经验教训 在中国电力市场中 引入需求响应机制并 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 13 形成有利于其发展的长效激励机制 是贯彻落实科学发展观 实现节约用电 合理 用电 优化用电的战略性措施 也是实现节能 环保 经济协调发展的重要手段 可以为创建节约型社会发挥更大作用 电力用户的需求响应在时间和空间上呈现多维 时变性 因此 为保障需求响 应机制的长效性 需要及时跟踪 评估电力用户的响应情况 以便适时 合理调整 相关措施 需求响应措施众多 论文结合我国需求侧管理已广泛推行的峰谷分时电 价 开展需求响应评估研究 作为我国需求响应项目的核心措施 用户侧峰谷分时电价早在上世纪 80 年代 试行 并于 2003 年广泛推行于全国各省级电网 为削峰填谷 缓解峰期用电紧张 局面 提高用电负荷率 保证电网安全经济运行 提高电能的社会效益起到了一定 的作用 但伴随峰谷分时电价的实施 也积累了越来越多的矛盾 集中体现在合理 划分峰谷时段及确定各时段比价关系两个关键问题上 这些矛盾归根到底是由于现 行用户侧峰谷分时电价定价机制缺乏对用户需求响应进行动态 有效的跟踪调整 传统管理体制和技术条件下 电力用户对峰谷电价的需求响应存在自然的时滞性 导致对峰谷电价的响应评估缺乏足够的支撑 没有得到足够的关注 因此 伴随智 能电网的发展 亟需对现行的峰谷分时电价进行有效评估 为更好地制定峰谷分时 电价 增强峰谷分时电价调节用户和电网双向互动的经济杠杆作用 以全面 动态 地整合用户侧资源 并促进智能电网的发展 2 2 3 需求侧管理与需求响应的关系 中国于 1992 年引入需求侧管理概念之后 相继在深圳 北京等地推广并取得 了一定的成绩 9 需求侧管理的理念在中国已经深入人心 而需求响应是近几年经 济合作发展组织 OECD 会员国研究和实践的一个新型课题 需求响应重在运用基 于市场的价格去影响需求的时间和水平 简单来说 需求响应就是将电力市场需求 侧带回到价格设定过程中的一系列策略 而需求侧管理重在采用市场价格手段之外 的更为广泛的一些措施 需求响应在电价引导下 用户主动采取节约电力与电量的 措施 改变用电方式 改善负荷曲线形状 从而减少电力系统建设和运行的费用乃 至全社会的成本 总体来说 需求响应是在需求侧管理基础上发展起来的 它是一 种实施机制 使得用户能够通过改变自己的用电方式主动参与到市场竞争 将电力 市场需求侧带回到价格设定的一系列策略 需求响应和需求侧管理有一定的相关和 重叠 但两者更多的是其侧重点的不同 6 事实上 增加需求响应必然能够为需求 侧管理很多措施的实施如房屋热绝缘 节能照明及节能项目的推广提供更好的经济 激励而需求侧管理项目又可以更充分地发挥 放大需求响应项目的效应 一般来说 需求响应要具备一个前提 那就是电力市场在某种程度上的开放 即具有电力实时 市场价格和发现市场价格的机制 引入需求响应的主要目的之一就是使这一价格发 现过程更有效 而需求侧管理则不需要这样的前提 总之 需求侧管理只是作为电 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 14 力公司的一个负荷管理工具或政府提升能源效率的手段 而需求响应则是全面参与 电力市场的新资源 其关系可以用图 2 1 表示 图 2 1 综合资源规划 需求侧管理和需求响应的关系示意图 综合资源规划 需求侧管理 需求响应 2 2 4 引入需求响应的意义 需求响应的立足点是放松零售价格管制 促进电力价格品种的创新 归还需求 响应的机会 促进需求响应的能力提高需求弹性 以便在系统约束时能有效平衡发 电侧的市场力 将电力价格送回边际成本 理论界已经证明 需求响应对提高电力 市场的稳定性和运行效率有着重要意义 单边开放的电力市场是无法依靠自身的调 节机制实现稳定运行的 当市场上总供给大于总需求时 寡头厂商会通过价格竞争 来淘汰边际成本过高的厂商 在这一过程中 电力市场是稳定而有效率的而当电力 市场的总供给与总需求趋于均衡时 寡头厂商将具有足够强大的市场力来操纵价格 造成市场价格上扬 这时候的市场是不稳定和缺乏效率的 由于受时间 资金 技 术等因素的制约 新厂商的进人会有阻碍和滞后 即使价格波动最终会通过市场的 自发调节而收敛到一个稳定值 但市场价格的长时间大幅度波动却是人们无法接受 的 因此必须要有其他措施来保证单边市场的安全稳定运行 需求响应就是保证单 边市场稳定性的一个有效措施 单边发电市场中 寡头发电厂商操纵市场价格的能 力 即其市场力 可以用该厂商的市场均衡份额与消费者的价格弹性之比来表示 所以 维持单边市场的稳定 也就是抑制发电商的市场力的途径有条一是减少其市 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 15 场份额 但这难免会损害发电规模经济性 二是提高需求侧价格弹性 也就是增加 需求响应的能力 很明显 将供应侧的集中度减少一半和将需求侧的价格弹性增加 一倍 对价格即市场稳定性的影响是一样的 但后者更容易做到 2 2 5 用户对电价的响应 需求侧响应的可行性主要基于用户对电价波动作为理性的反应 需求侧响应的 最重要的内容就是电力价格品种的无限创新 并让消费者自主做出选择 接受对其 成本最有效的电力价格品种 因此 研究需求侧响应首先要研究消费者对电价的反 应情况 其重要性主要体现在以下几个方面 用户对电价的响应曲线是供电公司的 基础 它将影响负荷预测的准确性 特别是峰荷值 它是开展需求侧响应的依据 特别是对制定售电电价有较大的影响 考虑了用户对电价的响应而制定的售电电价 会更加合理 实用 进而对供电公司的优化运营决策产生影响 其次 用户对电价 的响应将影响整个电力市场运营稳定性 从经济控制理论的角度来看 电力市场是 一个高阶的控制系统 用户对电价的响应相当于负反馈的一阶惯性环节 正常情况 下它对电价的波动有抑制作用 有利于电力市场的稳定运营 但在不协调的特殊情 况下 它有可能转变为正反馈 导致电力市场运营失去稳定湖 电力需求和电价是一个十分复杂的问题 由于负荷变化起因的不确定性和复杂 性 除了涉及到自然气候 电力传输等诸多因素外 还与需求侧管理 用户心理反 应社会政治 经济环境等因素有关 30 2 3 分时电价的研究 价格机制是市场机制的核心 公平合理的电价能够提供正确的经济信号 实现 社会资源的优化配置 12 在电力市场的建设初期 零售电价往往是单一的固定电价 而这忽视了系统不同时段边际供电成本的差别 造成了非高峰时段的用户对高峰时 段用户的补贴 基于规制经济学中的高峰负荷定价理论 TOU 是一种可以有效反 映电力系统不同时段供电成本差别的电价机制 峰谷电价 季节电价和丰枯电价等 是其常见的几种形式 根据电网的负荷特性 将一年划分为峰谷平等时段 季节 通过将低谷时段 季节 电价适当调低 高峰时段 季节 电价适当调高的价格信 号来引导用户采取合理的用电结构和方式 将高峰时段 季节 的部分负荷转移到 低谷时段 季节 实现削峰填谷和平衡季节负荷的目标 31 2 3 1 分时电价的分类 分时电价是按照电网的负荷特性 将一天划分为峰时段 平时段 谷时段等不 同时段 各时段的用电量按照不同的电价收取电费 一般情况下峰 谷时段电价在 平时段电价基础上分别上调和下浮一定比例 不同时段执行不同的电价 反应了电 能的供给成本 有利于引导用户合理用电 移峰填谷 改善负荷曲线 达到电力需 基于用户需求响应下的分时电价研究与优化设计模型 16 求侧管理的目标 常见的分时电价主要有以下两种 峰谷分时电价和尖峰电价 峰谷分时电价是将一天划分为峰时段 平时段 谷时段三个时段 在峰时段和 谷时段实行不同的电价 在我国早期实行的分时电价中 一般峰谷电价比采用的是 峰谷电价比为 3 1 即峰 谷时段电价在平时段电价基础上分别上调和下浮 50 从 20 世纪 80 年代 我国开始实施峰谷分时电价制度 此后逐渐得到普及和推 广 全国大多数省级电网从 20 世纪 90 年代中期开始实施峰谷电价 一般都从工业 用电开始实施峰谷电价 峰谷电价有效地调节了用电峰谷差 取得了十分显著的社 会效益 缓解了电力紧张局面 降低了用户的用电成本 分时电价要达到促使用户自主选择用电时段 削峰填谷的目标 最重要的就是 要设定合适的峰谷电价比 以价格手段促使用户选择符合削峰填谷要求的用电时间 从我国的情况看 3 1 峰谷电价比还不足以激励用户避峰用电 达到理想的削峰填 谷作用 近几年来 部分省份根据本省电网特性 经济发展的不同 报国家发改委 批准后调整了峰谷分时电价比 这些调整对于缓解紧张的电力短缺 实现供电公司 和用户的双赢大有好处 尖峰电价是在峰谷电价的基础上发展起来的 从目前各地电网实施峰谷电价的 实际效果来看 峰谷电价在有效地调节用电峰谷差方面取得了十分显著的社会效益 但是我们看到各地电网的峰谷差继续在拉大 最大负荷依然在持续的攀升 这部分 由于各地电网虽然实行了峰谷电价 但其现行的峰谷电价比不尽合理 合理的价格 比应该同时满足调峰的目的和经济效益的约束 2 3 2 实施分时电价的意义 分时电价是一种基于经济激励机制的 DSM 措施 1 随着社会经济的发展和人 民生活水平的提高 电能的需求量正在不断增长 用电结构也随之发生变化 电网 负荷峰谷差日趋增大 调峰容量不足的矛盾更加突出 单一的 不分峰谷差别的平 均电价 只能反映发电 供电的平均成本 容易导致用电浪费 而分