多目标的用户侧分时电价定价方法研究论文(PDF 56页）.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 多目标的用户侧分时电价定价方法研究 姓名 潘益华 申请学位级别 硕士 专业 电力系统及其自动化 指导教师 程浩忠 20050201 上海交通大学硕士学位论文 第 III 页 摘 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同时人们逐渐意识到不能仅考虑供应方的成本和利 益还要追求需求侧的资源节约和成本节约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 本文对分时电价的定价方法进行了研究 建立了基于用户价格弹性的削 峰填谷和用户购电费用多目标优化的分时电价数学模型由于用户的反应 很大程度上影响分时电价实施的效果而且通过研究发现不同类型用户 的负荷特性和行业特性导致它们对分时电价的响应区别很大因此本文对 单个行业进行建模和仿真该模型首先通过对单个行业不同时期实行不同 分时电价水平下的典型日历史负荷数据的分析分别得出各时段对峰电价 和谷电价的价格弹性然后推导出实行多目标分时电价制度时用户的响应 以及行业典型日负荷曲线最后通过优化目标函数使其满足削峰填谷的主 要目的以及用户侧的利益从而最终制定的价格既能充分考虑到用户对电 价的响应 又能满足削峰填谷的要求因此所制定的分时电价具有合理性 同时也具有实用性 本文最后对几类实际行业进行算例仿真说明该方法的可行性 关键词分时电价需求侧管理价格弹性负荷特性多目标优化 上海交通大学硕士学位论文 第 IV页 ABSTRACT With the worldwide development of power market it s important to determine reasonable selling price M eanwhile many people realized that we must think of the benefits of not only the supply side but also the demand side As one of DSM methods time of useTOUrate 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 How to determine TOU rate is introduced in this paper It builds up a model based on consumers responses allowing for shifting loads and consumers expenses And because different kinds of consumers respond to TOU rate with very different degrees the model in this paper is based on mean daily load curve of different kinds of consumers allowing for consumers responses At first a trade s price elasticity of every clock is calculated by analyzing different periods daily load curves Then consumers daily load curves and expenses are got if notional TOU price is brought into effect At last best TOU price is got by optimizing objects Because the model allows for consumers responses and shifting loads the gained TOU price is both legitimate and practical At last numerical simulation is made and the practicability is proved 上海交通大学硕士学位论文 第 V页 KEY WORDS Time of use rate demand side management price elasticity load characteristicmultiple objectives optimization 上海交通大学硕士学位论文 1 1 绪论 1 1 需求侧管理概述 1 1 1 需求侧管理的产生 7 0年代的能源危机对电力工业产生了深远的影响一方面使得电力公司发电 成本大幅上涨另一方面政府要求通过节电提高用电效率来控制需求尽量 推迟装机时间而用户也抱怨电费支出的增加要求电力公司降低发电成本随 着人类的进步和发展还带来了能源的逐渐枯竭环境的日益恶化人口的快速增 长等一系列全球化的问题这些问题困扰着人类文明的进一步发展人们也逐渐 意识到传统的方法已不能适应新的形势必须用新的观点和方法迎接能源环境 人口等各种挑战不能仅考虑供应方的利益还要追求需求侧的资源节约和成本 节约并把节约的能源也作为供应方一种可替代的资源优化资源配置使资源 利用成本最小于是一种新型的管理模式需求侧管理D e m a n d S i d e M a n a g e m e n t D S M 便应运而生 D S M是综合资源规划I n t e g r a t e d R e s o u r c e P l a n n i n g I R P 的一项主要内 容它作为一个新概念引入电力行业实际上就是电力公司采取有效的激励诱 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改变用电方式 为减少电量消耗和电力需求而对需求方所进行的管理活动 由于利用 D S M 削减尖峰负荷减少不经济的新增发电容量投资可以提高电力 工业的运行效率减轻用户负担规避新增燃煤电厂还有利于环保因此 D S M已 在世界各地蓬勃发展 1 1 2 需求侧管理的目标和任务 从本质上说D S M 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 上海交通大学硕士学位论文 2 促进社会经济可持续发展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 1 1 3 需求侧管理的措施 传统的 D S M 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 上海交通大学硕士学位论文 3 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 1 1 4 需求侧管理应用现状 欧美对 D S M 的研究与实施起步较早并取得了可观的社会经济效益 1 美国 美国自 7 0 年代就开始了对 D S M 的研究和实施并且得到了政府的大力支持 电力公司激励参与推广 D S M以降低运行费用少建或缓建新电源以获得更大的 经济效益电力用户积极参与 D S M 的计划实施以降低电费支出早在 1 9 9 0 年 美国电力公司节电 1 7 0 3 T W h 占全国总发电量的 1 而实施 D S M 的投资才 1 2 0 6 亿美元仅占电力部门当年总投资的 0 7 2 欧洲 在欧洲D S M得到了普遍推广法国电力公司 1 9 9 9年仅负荷控制技术一项 通过对制冷供热负荷的组控群控和蓄冷蓄热技术改造将全网平均负荷率提 高了 5个百分点加拿大在 8 0年代强力推广 D S M 同时在工业企业采用可中断负 荷方式削减高峰负荷近 1 7 G W 我国的 D S M起步较晚目前应用的还不太成熟不过已经有许多地区意识到 了 D S M 的重要性因此近几年D S M 在我国得到了大力的推广 1 我国台湾省 台湾省电力公司实施 D S M的主要措施是配合电力价格调整逐年拉大峰 谷电价差鼓励用户充分利用低价电能放宽可停电电价适用范围以此降低 尖峰负荷鼓励企业自备热电厂实施季节电价实现电力需求侧的计算 机管理通过这些措施提高了负荷率减小了峰谷差有效地利用现有的电源 设备缓和了新建电厂的压力 值得注意的是与发达国家相比较我国用电设施相对落后效率也较低 同时我国缺电已经持续多年而且大多数地区由于电价水平较低因此工农业和 居民生活用能急剧向电力倾斜增加了电力短缺的压力因此加强 D S M在我国显 得尤为重要 上海交通大学硕士学位论文 4 1 2 电价理论发展概况 电价理论是电力市场的核心理论随着电力市场的不断发展电价制定的各 种理论和方法逐渐涌现首先是 80 年代初由美国麻省理工学院 Schweppe 为首的 六位学者提出的实时电价理论依据是边际成本原理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各处各主要供电节点使 电价与成本相匹配包括系统事故情况 从那以来国外就有许多文献开始探讨其理论和实际方面的问题包括与其他 电价结构的区别 1 9 9 3 年 M L B a u g h m a n 进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1 9 9 5年 R J o h n K a y e等人探讨了 从安全角度进行定价的方法文中指出可以把用户发电商电力公司等看成一 个整体以与安全性有关的成本和效益为目标确定电价从而得到全社会最优的 结果 13 目前世界上有少部分国家和地区已经实施了实时电价 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 也十分活跃 虽然实时电价能更精确反映实际的边际成本并且理论上来说能从中得到 更大的利益然而只有那些具有熟练计算机化的负荷管理系统的大用户能准确响 应因此目前半小时更新的电价更实际要使用户对时变电价做出足够的响应 用户必须有从高电价时段到低电价时段的转移负荷容量这牵涉到用户自己的操 作系统的其他限制一些用户有劳动力设备进程和其他成本的限制优化问 题需要考虑生产中的所有因素 15 然而在我国目前由于受计算机通信费用和 电表形式计量等的限制实行实时电价的条件还不具备所以采用基于短期边际 成本之上的分时电价更具有实际意义 上海交通大学硕士学位论文 5 1 3 分时电价研究现状及现有算法概述 1 3 1 国内外分时电价应用情况 国外许多电力公司从上世纪 80 年代起就普遍开始采用分时电价来进行负荷管 理了现在普遍已经发展出适合本国的具有不同特色的电价政策下面分别以意 大利和加拿大为例进一步阐述 意大利于 1980 年引入分时电价目前分时电价的应用几乎包括了所有高压用 户及 400kW 以上的中压用户意大利国家电力公司ENEL根据系统情况进行 了分季分时在 1 3 月和 1012 月执行冬季电价49 月执行夏季电价这两 种电价中又分别按照电压等级工作日与否等分别将时间划分成峰荷时段高负 荷时段中负荷时段以及低谷时段从而分别计算电量电费 加拿大魁北克水电公司的电价更具动态性基本上分成 3 种类型 A类比较常规的电价价格及应用时段预先确定如居民 D H电价包括两 种价格高电价为每年的 1 2 月到次年 3 月的上午 6 0 0 1 1 0 0 和下午 3 0 0 1 0 0 0 其余时间为低电价 B类这类电价价格预先确定但应用时段实时确定如居民 D T电价用于 工商业和事业部门的 B T 电价 C 类这类电价及其应用时段都根据系统情况实时确定是最精确的电价目 前魁北克水电公司正在实施两个实时电价的试验项目 由于我国引入需求侧管理时间比较晚我国许多地区分时电价政策正在试行 中因此我国的分时电价政策比较简单下面以江苏省为例说明 江苏省自 1999 年 10 月 1 日起凡在江苏电网供电区域内机械冶金化工 医药 建材 纺织六大行业 受电容量在 315kVA 及以上的工业用户及电热锅炉 含 蓄冰制冷 用电的电能电价实行峰谷电价峰谷电价比定为 31即峰谷电价分别 在平价的基础上上下浮动 50 根据江苏省用电负荷曲线的特点划分为峰时 平时谷时 3 个时段每一个时段为 8h即峰时 7 0011 007 0021 00平 时 11 0017 0021 0023 00谷时 23 00次日 7 00 上海交通大学硕士学位论文 6 其他各省市也分别推行了各自的价格及应用时段确定的峰谷分时电价 1 3 2 现有分时电价定价方法及存在问题 文献 37 提出了用一般的边际成本定价法制定分时电价边际成本定义为在 一定时期内最后增加一个单位产量所需支付的成本采用边际成本法制定电价 主要进行三种边际成本计算即边际发电容量成本边际电量成本及边际输变电 容量成本 1边际电量成本 边际电量成本就是系统为了满足用户负荷增长而增加的电厂的运行成本通 常系统往往由技术水平最低运行成本最高的火电机组来承担调峰因此高峰时 采用运行成本高的火电机组的燃料成本作为高峰时的边际电量成本非高峰时采 用大火电机组的燃料成本作为电量成本 2边际发电容量成本 边际发电容量成本是在一定条件下为满足电能消费者新增单位千瓦的负荷需 求而引起的发电投资是根据边际电厂投资年平均化而得还要考虑电厂的运行 维护费用以及电站建设期中每年不同的投资流此外还要扣除燃煤节约费用和 机组的厂用电及可用率 3边际输变电容量成本 由于输变电设备不是每年均匀投入因此采用平均增量成本作为输变电容量 成本即首先求出各级电压输变电设备的年金然后根据各级电压的增量潮流 以输送容量为权重用加权平均法求得各级电压输变电容量成本 4边际成本电价设计 求出以上三个量以后将它们按照时段和用户的用电特性合理分摊到各电压 等级的各类用户中由于高峰时段电力系统负荷增长必然会引起发电容量成本的 增加低谷时段恰恰相反电力系统负荷增长不会引起发电容量成本的增加而 平时段电力负荷增加会引起部分发电容量成本的增加在输变电容量成本中 高一级电压的输变电容量成本全部分摊在高峰时段其他时段不分摊本级电压 的输变电容量成本则各个时段都承担从而可以求出不同时段的电价水平 上海交通大学硕士学位论文 7 文献 41 提出了一种随机性电能价值当量分析的定价方法这种方法是以目标 年发电总成本包括电量成本和容量成本最小为分析基础给出典型日的或者全 年 8760h 的期望电能价值当量和期望分时电价作为制定电价协议设计电价水 平和结构估计效益和还贷能力等的依据其算法为 1 计算随机性系统容量边际成本 P c P c是单位容量成本定义为在优化条件下系统峰负荷增加一个单位时系 统总成本 T C 的增量 计算时 要在各类电源特征限制和系统需求被满足的条件下 使目标年的总投资和运行费用之和达到最小 2计算随机性系统电量边际成本 Pe 和缺电损失成本 其中缺电损失成本反映了不能提供电量的期望值由于电量不足是一类小概 率事件引起的且多发生在峰负荷情况因此应当首先在高峰负荷时段内分担 3根据随机性模型的分担准则计算各成本分量从而得出电价计算公式 首先分别由容量边际成本和电量边际成本计算容量总效益 TUc 和电量总效益 TUe 随后将容量和电量总成本以及总效益依次在负荷轴和时间轴上分担后再进一 步得出价值当量的容量与电量成本和效益分量相加以后就可得出非峰时段的电 价公式该电价加上容量边际成本分量的次成分和电量效益分量的次成分可得出 峰时段的电价公式最后按照相应电量加权平均和归并可得出面向用户的分时电 价 制定分时电价的另一种重要方法是诱导方法它用主从对策方法研究分时电 价问题根据消费者行为特征设计一个诱导策略由此诱导消费者行为使电力系 统达到预期目的 文献 30 提出可采用基于需求曲线的主从对策定价法用该法设计分时电价的 基本思想是把制定价格视为供电方的权力用户只能对所制定的价格被动地做出 反应从而将定价与电力消费过程看成是一个主从对策供电方为主 用户为从该做法依据是目前的技术条件下用户很难有自由选择供电者的 可能该方法设计分时电价的过程为供电方作为对策中的主方先根据需求曲 线划分出峰谷时段求出使自己目标函数实际最优的峰谷时段供电量依次设计 出诱导策略引导对策的从方用户使其用电量正好满足最优化目标函数该目 上海交通大学硕士学位论文 8 标函数可为整个社会的经济效益考虑到这一对策过程的信息结构设待求的诱 导策略为各时段的电价最终可得出有效的分时电价 除此以外还有其他一些方法如用协商公理化方法确定分时电价 8 根据可 靠度进行分时电价定价的方法 6 等而目前我国一些地方正在实施的分时电价对 峰谷电价主要依靠经验来确定一般采用高峰时段和低谷时段分别按基础上浮和 下浮同样幅度缺乏理论依据 以上各种方法实际上都是用静止的观点进行分析它们的共同特点一是电力 消费者在制定分时电价中完全处于从属被动地位没有考虑消费者的利益二是 没有充分考虑到用户对分时电价的响应从而所制定出的分时电价无法达到最优 的削峰填谷的效果 1 4 本文的主要工作 鉴于一部分地区已在不同时期实施了不同的分时电价因此针对目前分时电 价研究中电价确定存在的问题本文在此提出一种基于电力需求价格弹性的多目 标优化分时电价模型将电力需求价格弹性应用于分时电价定价模型以便于制 定分时电价时能够定量地考虑用户对电价的反应而采用削峰填谷效果和用户购 电费用作为优化目标使得该模型所制定的分时电价一方面可以达到最优的需求 侧管理目的同时另一方面可以使用户从中获利从而达到最优分时电价的效果 最后对实际算例进行仿真 上海交通大学硕士学位论文 9 2 分时电价理论基础 2 1 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时电价通 过在系统负荷高峰时段实施高电价低谷时段实施低电价引导用户把峰时用电 需求转移到平或谷时段去它将每个交易日分成不同的时段根据每个时段的用 电状况确定该时段的电价强调长期条件下与成本相匹配以期引导长期的供需 平衡 与其他 DSM 削峰措施相比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依靠经济激励而非强制手段更尊重用户意愿 符合市场化经营理念利于提升电力企业形象因此分时电价是使社会用户 电业三赢的 DSM 措施 鉴于我国各大电网近年呈现的特点一是电力增长速度高于电量增长速度凸 现严重的电力短缺局面如上海电网在 1995 2003 年间平均每年的电量增长率为 7 17 而最高负荷年增长率平均达 12 40 二是电网尖峰负荷高且增长快于电 量增长但持续时间不长如江苏电网 2002 年达到全省最大负荷的 95的时间只 有 11 个小时三是气温变化对负荷影响很大如江苏电网夏季高温时全省空调负 荷达到统调装机容量的 20因此如果单纯依靠扩大投资规模增加装机容量 来满足短暂的高峰用电其代价是巨大的而且这些新增机组全年的利用小时必 定非常少从而导致发电资源的极大浪费也会加重电力企业和用户的负担在 这种情况下通过分时电价转移高峰用电需求可减少或推迟发电投资提高电力生 上海交通大学硕士学位论文 10 产效率降低电力供应成本降低电价也利于能源的可持续利用 2 2 电力需求价格弹性 图 2 1 典型的需求曲线 F i g 2 1 t y p i c a l d e m a n d c u r v e 对于大部分商品来说当价格升高时需求随之下降如图 2 1所示定义 该需求曲线上对应于价格为 P0的那一点的价格弹性为 0 0 p p q q 2 1 在一些情况下某种商品的价格变化会引起其他商品的需求变化如咖啡的 价格上升会导致其需求下降然而却可能导致茶叶的需求上升在这种时候我们分 别用自弹性和交互弹性来描述这两种影响 如设两种互相影响的产品分别为a 和b 则价格弹性可表示成 0 0 00 00 ba b b ba a a aa a a aa a a p p q q p p q q 2 2 对于电力商品典型的需求函数如图 2 2所示相应的价格弹性的典型形状 如图 2 3所示其特点是在价格的一个较大的范围内价格弹性很低图中价格范 上海交通大学硕士学位论文 11 围取 0 2 元 k W h 而目前一般的电力零售价格不超出 1 元 k W h 此外应当注 意到纵坐标的取值范围如果图 2 3纵轴范围为 1 1 则曲线下降的弧度将 更小几乎看不出来一般对电力销售价格会设置价格上限因此可以认为 每一用户在需求特性一定时其价格弹性是一个常数 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 0306090 120 150 180 价格分 需求k W 0 1 0 05 0 0 05 0 1 0306090120 150 180 价格分 价格弹性 图 2 2 电力商品需求曲线 图 2 3 电力商品价格弹性曲线 F i g 2 2 d e m a n d c u r v e o f p o w e r F i g 2 3 p r i c e e l a s t i c i t y c u r v e o f p o w e r 2 3 分时电价下的价格弹性定义 分时电价将一天 24 小时划分为三类时段 f T p T g T 满足 24 gpf TTT 2 3 其中 f T 峰时段 p T 平时段 g T 谷时段 华东某电网实施的三段式分时电价中三类时段划分如下 f T08 00 11 0018 00 21 00共 6 小时 p T06 00 08 0011 00 18 0021 00 22 00共 10 小时 g T22 00 6 00共 8 小时 由于用户在不同时段的需求水平是相互关联的例如不难理解对于特定 的用户来说峰时段电价上升可能导致峰时段电力需求下降同时可能导致平时 段及谷时段电力需求上升而谷时段电价下降则可能导致谷时段电力需求上升 同时导致平时段及峰时段电力需求下降因此显然峰荷是否会转移到谷时段不仅 跟峰时段电价水平有关还跟谷时段电价和平时段电价有关可以分别把这些关 系看成是电力需求对各时段电价的自弹性和交互弹性 上海交通大学硕士学位论文 12 实际计算时由于目前实施的峰谷电价是分电压等级的同时对于不同行业 用户的需求价格弹性也大不相同因此可分别抽取不同行业不同电压等级的典型 用户进行计算同时为了防止偶然因素的影响根据工作日平均日负荷曲线进行 计算 假定某一典型用户在实施不同分时电价时期的平均日负荷曲线分别为 1 tL和 2 tL可求出平均日用电量设为 1 E 和 2 E为了剔除电力需求不同时期自然增长率 的影响以 1 tL为参考曲线则假设a电价变化前后日用电量不变b如果 电价不变化则企业用户的负荷率不变时可求出用户在维持前一种电价水平时 的平均日负荷曲线为 1 2 13 E E tLtL 2 4 由于目前实施的不同峰谷电价水平中平时段电价都维持不变因此以 2 tL为 基准对每个时段可求出以下两类价格弹性 2 tL p p tL t f f f 2 5 2 tL p p tL t g g g 2 6 其中 32 tLtLtL 为典型用户因电价变化而发生的电力需求变化 求出典型用户的价格弹性后 可分别按用电量加权平均从而求出某行业某电压 等级的需求弹性甚至整个电网的需求弹性从而可以求出假定实行目标分时电价 时的负荷曲线 设为 0 tL过程如下 设目标分时电价的峰 平 谷电价分别为 f p0 p p0和 g p0则峰平谷时段的电力需求变化量分别为 g gg f g f ff f f f p pp tLt p pp tLttL 0 2 0 20 2 7 g gg p g f ff p f p p pp tLt p pp tLttL 0 2 0 20 2 8 上海交通大学硕士学位论文 13 g gg g g f ff g f g p pp tLt p pp tLttL 0 2 0 20 2 9 则实行目标分时电价后的负荷曲线将为 020 tLtLtL fff 2 10 020 tLtLtL ppp 2 11 020 tLtLtL ggg 2 12 2 4 各行业用户对分时电价的不同响应 华东某电网于 1993 年开始对大工业用户试行峰谷分时电价后来逐步推广到 宾馆业商业用户和居民用户峰谷分时电价制度的演变过程如下 1 峰谷分时电价首先对需量在 100kW 以上的大用户实行以后逐步扩大到 100kW 以下的工业用户和宾馆商场等非工经营性用户目前100kW 以上用户 实行的是两部制三段式分时电价100kW 以下用户实行的是单一制两段式分时电 价100kW 以下的非工非经营性用户仍实行单一制不分时电价其中对于三段 式电价峰时段是 8 00 11 00 及 18 00 21 00平时段是 6 00 8 0011 00 18 00 及 21 00 22 00 谷时段是 22 00 次日 6 00 对于两段式电价 峰时段是 6 00 22 00 谷时段是 22 00 次日 6 00 2 对 100kW 以上的工商业大用户自 1999 年 11 月 20 日以来在平时段电 价水平不变的情况下 峰谷价比发生了 3 1 至 3 5 1 至季节性 4 1 多次调整 100kW 以下的工商业用户自 2002 年 7 月开始实行两段式分时电价以来峰谷价比一直保 持在 2 3 1 的水平但 2003 年 7 9 月峰谷电价有 0 05 元 kWh 的季节性变化峰 谷价比升为 2 8 1 3 从 2 0 0 0 年起华东某电网开始向居民用户推广分时电表实行单一制两 段式分时电价但不同用户享受分时电价的具体时间取决于他们安装分时电表的 具体时间目前享受分时电价的居民用户峰时电价为 0 6 1 元 k W h 谷时电价为 0 3 0 元 k W h 峰谷价比约为 2 1 上海交通大学硕士学位论文 14 为了说明行业的负荷特性对用户反应的影响选择六大新兴支柱产业电 子信息汽车电站设备及大型成套设备钢铁石油化工和精细化工和现代生 物医药制造业以及传统工业中用电量较大的电器制造业有色金属制造业和建 材中的水泥制造业作为研究对象对非工经营性用户则考察超市宾馆和商用 楼其中商用楼还区分纯商场纯办公楼综合性商务楼三类对每一行业找 出典型企业 对比这些企业在 2001 年 2002 年和 2003 年夏季峰谷价比 3 1 至 3 5 1 至 4 1 的变化下典型的日负荷曲线计算它们在峰谷价比拉大前后的日负荷率日 峰谷差和最大负荷利用小时数等用电特性指标以及电费支出并通过进一步分析 发现由于同一行业有类似的生产工艺使用的用电设备大致相同进而表现出类 似的负荷特性同时同类用户电力成本占总生产成本的比例类似因而同行业用 户价格弹性数值相近表明它们对价格的反应类似然而不同行业的用户之间反 应差别一般较大 例如以钢铁工业的钢厂为例一炉钢的冶炼往往长达 1 0多个小时在此过 程中装料机制氧机各种泵和风机等用电设备都要持续运行企业日负荷曲 线十分平稳如图 2 4由于生产的连续性和均衡性这些行业用电负荷较平稳 正常情况下日用电负荷率在 9 0 左右 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 时间h 负荷标幺值 图 2 4 某钢厂的典型日负荷曲线 Fig 2 4 typical daily load curve of a steel factory 由此可知钢铁业属于强连续性生产行业这类行业生产工艺具有流程长各 生产系统密切相关中间产品不可存储的特点相应的在用电特性上此类行 业的多数用电设备采取连续性工作制同样的有色石油化工等行业也属此类 显然由于负荷难以转移用户没有对拉大峰谷价比进行响应总体呈现对峰谷 电价很不敏感的现象峰谷电价难以发挥预期的作用必须寻求其他途径实现削 上海交通大学硕士学位论文 15 峰目的 纺织业中的化纤纺织染整业虽然不属此类但该行业的生产工艺要求用 电设备长时间连续运行属于同类多台机同时工作制这类企业一般为昼夜24h 连续生产日负荷曲线较平稳如图 2 5日最大峰谷差约为 20 而日负荷率 一般在 80 以上因此拉大峰谷价比也同样起不到很好的效果 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 时间 h 负荷标幺值 图 2 5 纺织厂的典型日负荷曲线 Fig 2 5 typical daily load curve of a spin factory 建材中的水泥制造业造纸业等属于半连续性生产行业这类行业只有部分 工序是连续工作制其余工序为间断性生产或是允许短时间停电水泥制造要经 过两磨一烧三道工序其中原料熟料粉磨用的球磨机用电量最大占整 道工序的 75 左右但原料熟料可以储存水泥厂在用电高峰时段可以暂停球 磨机的使用将两磨工序转移到夜间谷时段造纸业除了造纸工序外大部 分也不是 24h 连续运行其中打浆设备容量大约占装机容量的 65 左右而 打浆是断续进行的 由于此类行业大部分负荷可转移因此这类行业对峰谷电价也有明显响应 图 2 6 给出了我国华东某省市的一家水泥厂在实施峰谷电价后的夏季典型日负荷 曲线可见该厂明显转移了白天高峰时段的用电量其日负荷曲线已呈U 字形 但值得注意的是此类行业如果在实施峰谷电价后用电高峰已经转移到夜间谷 时段那么继续拉大峰谷价比将无法起到很好的效果 上海交通大学硕士学位论文 16 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 时间 h 负荷标幺值 图 2 6 实施峰谷电价后水泥厂的典型日负荷曲线 F i g 2 6 typical daily load curve of a cement factory under TOU rate 而对于汽车制造业来说由于这类行业的生产工序不要求用电设备长时间持 续运行在生产期间设备开停操作频繁设备的利用率较低由于此类行业普 遍峰谷差较大日负荷率较低如图 2 7且用电设备绝大部分为感应电动机 负荷可转移因此这类用户对峰谷电价都有积极的响应 与汽车制造业类似的还有机械工业电站设备电器制造等行业它们同属 于间歇性生产行业因此对它们进行分时电价的目标优化将会有较好效果 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 时间 h 负荷标幺值 图 2 7某汽车制造企业的典型日负荷曲线 F i g 2 7 typical daily load curve of a carmaker corporation 还有一类非工经营性行业如宾馆超市商场办公楼等具有用电时间 固定峰谷差较大负荷率较低的特点如图 2 8以宾馆为例其中不同行 业的用电高峰发生时段不尽相同宾馆的用电高峰通常发生在 10 00 22 00超市 发生在 8 00 22 00商场发生在 9 00 22 00办公楼发生在 9 00 17 00 由于这些用户具有高峰时间固定负荷难以转移的特点因此对这些用户一 味拉大峰谷价比也难以直接产生错峰效益但这些用户具有一个共同的特点即 在工作 营业时段持续使用空调经过统计发现这类用户夏季空凋负荷约占总负 荷的 50 因此如若推广冰蓄冷空调效益将十分可观本文不再详述 上海交通大学硕士学位论文 17 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 时间 h 负荷标幺值 图 2 8某宾馆典型日负荷曲线 F i g 2 8 typical daily load curve of a hotel 总的来说影响用户对分时电价响应的因素众多包括峰谷价比拉大程度 班制用户行业特性生产成本占总成本比例等但通过以上分析可知最主要 的因素是峰谷价比和用户行业特性因此分时电价要达到最好的避峰效果必 须对不同行业分别进行具体分析本文后面的分析均针对单一行业而言算例也 将选取单个的行业进行仿真得出适合该行业的峰谷电价其余行业可依此类推 上海交通大学硕士学位论文 18 3 基于用户反应的分时电价定价模型 3 1 基本假设 本文的分时电价定价模型基于以下假设 a 实行分时电价前后日用电量基本保持不变 b 分时电价的峰平谷时段已事先根据负荷曲线确定 c 转移到某一时段的用电量按时间轴平均分配 d 只考虑价格对需求的影响其他因素暂不考虑 3 2 各时段电价的数学定义 峰平谷时段的目标电价分别为 f p0 p p0 g p0满足 pf pp 00 3 1 pg pp 00 3 2 其中 谷时段电价对平时段电价的拉开度 峰时段电价对平时段电价拉开度与谷时段电价对平时段电价拉开 度的比值 求出对应于目标电价的各时段需求变化量以及目标平均日负荷曲线 0 tL从 而可求出对应目标电价峰负荷谷负荷峰谷差同时通过对 2 tL和 0 tL两条曲 线的比较可求出目标电价的削峰量 3 3 用户反应的数学定义 由于本文模型是基于已经实施一种峰谷价比的行业夏季平均日负荷曲线按 照上文用 2 tL表示其中 t 01223因此本文用目标峰谷电价时的峰 上海交通大学硕士学位论文 19 平谷时段的电力需求变化量和用电量来定量考察用户反应如前所述电力需 求变化量如下 g gg f g f ff f f f p pp tLt p pp tLttL 0 2 0 20 3 3 g gg p g f ff p f p p pp tLt p pp tLttL 0 2 0 20 3 4 g gg g g f ff g f g p pp tLt p pp tLttL 0 2 0 20 3 5 因此实行目标分时电价后相应的峰平谷时段的电力负荷将分别为 020 tLtLtL fff 3 6 020 tLtLtL ppp 3 7 020 tLtLtL ggg 3 8 因此实行目标分时电价后相应的峰平谷时段的日用电量将分别为 f Tt ff tLE 00 3 9 p Tt pp tLE 00 3 10 g Tt gg tLE 00 3 11 3 4 分时电价定价模型 3 4 1 模型约束条件 为了保证分时电价的顺利推行则应使供电方和用户均能从中受益即供电方 可以降低电力生产成本用户可以降低电费支出由于对应 2 tL的峰平谷时段的 用电量分别为 上海交通大学硕士学位论文 20 f Tt ff tLE 22 3 12 p Tt pp tLE 22 3 13 g Tt gg tLE 22 3 14 收入同时也是用户支出 2 M 为 ggppff EpEpEpM 2222 3 15 上文计算出实行目标分时电价后的峰平谷时段的用电量分别为 f E0 p E0和 g E0则收入为 ggppff EpEpEpM 0000000 3 16 设实行分时电价后由于削峰填谷而再次节省的电力投资为 t M为削峰量的 函数从而也可以表示成各时段目标电价的函数则供电方获利的约束条件为 t MMM 20 3 17 根据华东某电力公司数据发输配电投资约为 7 元 千瓦因此上式中节 省的电力投资 t M 可表示为 max7 0 tLM f Tt t f 3 18 其中 max 0 tLf Tt f 为实行目标分时电价后夏季增加的日最大削峰量 同样用户侧获利即电费支出不增加的约束条件为 02 MM 3 19 综合前两式可得数学模型的一个约束条件为 202 MMMM t 3 20 同时谷电价应该不小于系统在谷时段的边际成本即 上海交通大学硕士学位论文 21 e g pp 0 3 21 其中 e p系统在谷时段的边际成本 除此以外考虑到该模型是对单个行业进行优化而华东某电网中许多行业 峰负荷无法转移导致峰负荷大大超过谷负荷因此单个行业谷时段负荷转化为 新的该行业的峰负荷将被其他行业的谷负荷所平衡然而目前平时段某些负荷与 峰负荷较为接近为了防止其转化为新的峰时段负荷的现象发生因此模型还必 须符合以下条件 max max 00 tLtL p Tt f Tt pf 3 22 综上所述模型的约束条件为 max max 00 0 202 tLtL pp MMMM p Tt f Tt e g t pp 3 23 3 4 2 模型优化目标 实施 DSM 的主要目标是尽可能减小峰负荷 减小系统备用容量 提高谷负荷 充分利用谷时段的电量从而提高电力系统的负荷率电力系统的运行效率和稳 定性因此对于实施目标电价考虑到用户反应后的平均日负荷曲线为 0 tL则目 标函数为 目标函数 1实行目标分时电价后使峰负荷最小 maxmin 0 241 tL t 3 24 目标函数 2实行目标分时电价后使谷负荷最大 minmax 0 241 tL t 3 25 目标函数 3实行目标分时电价后使峰谷差最小 min maxmin 0 241 0 241 tLtL tt 3 26 目标函数 4实行目标分时电价后用户购电费用最小 上海交通大学硕士学位论文 22 min 000000 ggppff pEpEpE 3 27 当然实际上解算模型时可根据实际需要取目标函数中的某一个或某一些构 成单目标优化模型或多目标优化模型例如在严重缺电力但电量过剩的情况下可 主要考虑目标函数 1同时兼顾其他目标函数 3 5 模型解法 由于本文模型平时段电价不变为平均电价因此本文模型实际上只有两个变 量即峰时段电价和谷时段电价由已经设定的模型约束条件谷时段电价范围 为谷时段的最低边际成本至平时段电价而峰时段最小值为平时段电价同时峰 时段电价可以人为设定一个上限值又目前实行的电价最小单位为 0 001 元符合 以上条件的所有可能的峰电价和谷电价的组合数是有限的因此计算时可采用穷 举搜索法 所谓穷举搜索法是指穷举所有可能情形逐一进行检验 并从中找出符合要求的 候选解作为问题的解其最直观的方法是利用循环的算法 联系本文可以利用两重循环穷举所有可能的峰电价和谷电价的组合首先验 证是否符合其他的约束条件如符合则求出优化目标函数值最后给出目标函 数值最优的组合即为所要求的模型的解 根据上述思想模型的解法步骤如下 1 根据不同时期某行业各用户平均日负荷历史数据求出各用户各时段需求的 价格弹性 2 求出总行业各时段需求的价格弹性 3 给出各时段电价之间的关系约束式 4 设定谷时段电价的最小值同时由于谷时段电价应不大于平时段电价可以 从最小值开始以 0 001 为步长开始直至等于平时段电价为止进行搜索 5 对最小谷时段电价取不同的峰时段电价求出对应的负荷曲线随后验证 是否符合模型约束条件若符合约束条件则求出模型优化目标值将峰 平 谷电价及优化目标值存入初始最优解中 否则谷时段电价逐步加上步长 上海交通大学硕士学位论文 23 重新计算直至取得符合约束条件的谷时段电价为止将该计算结果存入初始 最优解中该结果中的谷时段电价作为初始谷时段电价 6 初始谷时段电价加上一个步长重新计算若不符合模型约束条件则维持 原初始解若符合模型约束条件则计算优化目标值后与初始最优解的优化 目标进行比较若结果不如原初始值则维持原初始解否则用新的解替代 原初始最优解此时的谷电价作为初始谷电价 7 对第 5步进行循环计算直至谷电价等于平时段电价为止从而完成整个搜 索过程此时最优解中的结果即为最终的最优结果 8 输出结果 程序流程图如下 上海交通大学硕士学位论文 24 图 3 1程序流程图 F i g 3 1 f l o w c h a r t o f t h e p r o g r a m 开始 输入行业负荷数据 计算价格弹性 设定电价水平 输出结果 结束 是 否 否 是 对各假设电价判断 是否符合约束条件 判断是否是最优解 上海交通大学硕士学位论文 25 4 算例分析 4 1 原始数据及前期计算 为了说明不同行业对分时电价的不同响应本文算例分别选取汽车制造业和 机电业用户作为优化目标本文为了简化起见选取整个行业的负荷曲线作为原 始数据进行计算而不像上文所述先计算典型用户价格弹性后加权平均得出行业 价格弹性且忽略不同电压等级用户之间的差别 同时为了剔除偶然性的影响以下数据分别取华东某电网汽车制造和机电 2 0 0 1和 2 0 0 3 年 7 8月份的平均日负荷曲线作为典型日负荷曲线同时为了剔除 节假日影响平均值中不包括节假日数据 表 4 1 汽车制造业 2 0 0 1 年夏季典型日负荷数据 时间 负荷k W 时间 负荷k W 时间 负荷k W 时间 负荷 k W 0 0 0 4 4 4 6 0 7 5 6 0 0 3 7 8 8 1 3 8 1 2 0 0 8 0 9 8 5 7 7 1 8 0 0 7 0 1 0 8 0 4 1 0 0 3 7 8 4 4 8 5 7 0 0 4 8 5 6 9 9 0 1 3 0 0 8 5 2 8 0 4 7 1 9 0 0 7 1 6 6 2 7 6 2 0 0 3 6 0 2 0 9 1 8 0 0 7 6 9 5