深度丨考慮負(fù)荷發(fā)展和用戶(hù)行為的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化研究
譚顯東1,陳玉辰2,李揚(yáng)2,井江波3,姜寧3,王子健2,沈運(yùn)帷2
(1. 國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司,北京102209;2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院,江蘇 南京210096;3. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,陜西 西安710075)
摘要:分時(shí)電價(jià)作為需求側(cè)管理的一種重要經(jīng)濟(jì)手段,其在國(guó)內(nèi)的全面實(shí)施勢(shì)在必行,但電力需求的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶(hù)的激勵(lì)效果缺乏時(shí)效性。針對(duì)此問(wèn)題,提出一種考慮負(fù)荷發(fā)展的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化方法,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)和灰色預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)出未來(lái)2年的典型日負(fù)荷曲線(xiàn),將未來(lái)負(fù)荷曲線(xiàn)代入分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型的結(jié)果作為電價(jià)約束,再對(duì)當(dāng)年的典型日負(fù)荷曲線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,得到合理的分時(shí)電價(jià)。算例將僅考慮當(dāng)年典型日負(fù)荷曲線(xiàn)的優(yōu)化結(jié)果與考慮負(fù)荷發(fā)展的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證該優(yōu)化方法延長(zhǎng)分時(shí)電價(jià)時(shí)效的有效性。
0 引言
分時(shí)電價(jià)(time of use,TOU)是電力行業(yè)實(shí)施需求側(cè)管理,鼓勵(lì)用戶(hù)改善用電方式,達(dá)到提高電力系統(tǒng)的負(fù)荷率和穩(wěn)定運(yùn)行目標(biāo)的典型經(jīng)濟(jì)手段。隨著電力體制改革加速,電力市場(chǎng)逐步推行,但中國(guó)仍處于電力市場(chǎng)化改革的過(guò)渡期,實(shí)時(shí)電價(jià)實(shí)施條件尚未成熟,分時(shí)電價(jià)方案的全面實(shí)施勢(shì)在必行。分時(shí)電價(jià)把一天24h按負(fù)荷曲線(xiàn)劃分成峰、平、谷3種時(shí)段,通過(guò)不同的時(shí)段電價(jià)引導(dǎo)用戶(hù)多用低價(jià)谷電,少用高價(jià)峰電,以達(dá)到削峰填谷的目的 [1] 。由于各行業(yè)負(fù)荷曲線(xiàn)特性不同,各行業(yè)消費(fèi)者對(duì)分時(shí)電價(jià)政策響應(yīng)程度也有較大差異。合理的分時(shí)電價(jià)可以充分利用消費(fèi)者心理,拉大峰谷電價(jià)差 [2] ,達(dá)到拉平負(fù)荷曲線(xiàn)的DSM目標(biāo)。當(dāng)前中國(guó)電力需求持續(xù)增長(zhǎng),負(fù)荷組成情況變化頻繁,導(dǎo)致制定好的分時(shí)電價(jià)在一段時(shí)間之后對(duì)用戶(hù)的激勵(lì)效果變?nèi)酢R虼耍酱鉀Q上述問(wèn)題。文獻(xiàn)[3-4]提出了用戶(hù)響應(yīng)的概念,來(lái)描述電價(jià)對(duì)負(fù)荷的影響,并提出了基于需求側(cè)管理的峰谷電價(jià)的數(shù)學(xué)模型,仿真出峰谷差價(jià),為峰谷電價(jià)確定提供了一定的理論根據(jù)。文獻(xiàn)[5]采用模糊聚類(lèi)方法對(duì)峰谷時(shí)段進(jìn)行重新劃分,利用用戶(hù)電力需求價(jià)格彈性矩陣,考慮尖峰電價(jià)的影響,激勵(lì)用戶(hù)改變用電行為。上述文獻(xiàn)結(jié)合用戶(hù)響應(yīng)對(duì)分時(shí)電價(jià)作用機(jī)理進(jìn)行分析,但均沒(méi)有通過(guò)優(yōu)化
模型制定電價(jià),文獻(xiàn)[6-7]結(jié)合消費(fèi)心理學(xué)原理,設(shè)定了實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)的目標(biāo)函數(shù),文獻(xiàn)[8]采用非單純形法對(duì)電價(jià)進(jìn)行了優(yōu)化,但均沒(méi)有考慮隨著負(fù)荷發(fā)展分時(shí)電價(jià)的激勵(lì)效果減弱問(wèn)題。本文針對(duì)分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶(hù)的激勵(lì)效果時(shí)效性不足的問(wèn)題,提出一種考慮負(fù)荷發(fā)展的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化方法,并通過(guò)算例將僅考慮當(dāng)年典型日負(fù)荷曲線(xiàn)的優(yōu)化結(jié)果與考慮負(fù)荷發(fā)展的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證該優(yōu)化方法的有效性。
1 典型日分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分
時(shí)段劃分是分時(shí)電價(jià)制定的前提和發(fā)揮作用的重要保證[9-10]。不同用戶(hù)由于其負(fù)荷特性存在較大差異,導(dǎo)致時(shí)段的劃分結(jié)果不同。本文采用基于模糊數(shù)學(xué)的方法[11],以圖 1 為例對(duì)分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分方法進(jìn)行闡述。
(1)確定典型日負(fù)荷曲線(xiàn)的最低負(fù)荷點(diǎn) a 與最高負(fù)荷點(diǎn) b,其中 a 點(diǎn)處于谷時(shí)段的可能性為100%,處于峰時(shí)段的可能性為 0,b 點(diǎn)處于峰時(shí)段的可能性為 100%,處于谷時(shí)段的可能性為 0;
(2)根據(jù)偏小型隸屬度函數(shù)和偏大型隸屬函數(shù)分別計(jì)算其余各點(diǎn)處于谷時(shí)段和峰時(shí)段的可能性,若某點(diǎn)峰時(shí)段可能性遠(yuǎn)大于其谷時(shí)段可能性,則該點(diǎn)歸屬于峰時(shí)段,若某點(diǎn)谷時(shí)段可能性遠(yuǎn)大于其峰時(shí)段可能性,則該點(diǎn)歸屬于谷時(shí)段,其余點(diǎn)歸屬于平時(shí)段;
(3)結(jié)合每段單獨(dú)時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)≥2 h,且峰時(shí)段、平時(shí)段、谷時(shí)段的總時(shí)長(zhǎng)均≥6 h 的約束,即可獲得典型日負(fù)荷曲線(xiàn)的時(shí)段劃分結(jié)果。
2 基于用戶(hù)行為的分時(shí)電價(jià)作用機(jī)理
2.1 用戶(hù)行為劃分根據(jù)用戶(hù)的電力消費(fèi)行為受電價(jià)的影響程度,可以將用戶(hù)分為頑固型、積極型、從眾型3 種,以下從大工業(yè)用戶(hù)、一般工商業(yè)用戶(hù)和居民用戶(hù) 3 類(lèi)進(jìn)行闡述。
(1)頑固型。該類(lèi)用戶(hù)對(duì)電價(jià)的響應(yīng)程度較低。代表用戶(hù)包括:①大工業(yè)用戶(hù)中的石油加工業(yè)、鋼鐵制造業(yè)等,此類(lèi)用戶(hù)的設(shè)備連續(xù)生產(chǎn),負(fù)荷曲線(xiàn)波動(dòng)較小,負(fù)荷率較高;②一般工商業(yè)用戶(hù)中的住宿餐飲服務(wù)業(yè)等典型服務(wù)業(yè),其可調(diào)節(jié)負(fù)荷(如空調(diào)照明負(fù)荷等)與客戶(hù)舒適度相關(guān);③居民用戶(hù)中的部分家庭人均收入較高者,此類(lèi)用戶(hù)對(duì)用電舒適度的敏感度普遍高于對(duì)用電成本的敏感度。
(2)積極型。該類(lèi)用戶(hù)對(duì)電價(jià)敏感,響應(yīng)程度高。代表用戶(hù)包括:① 大工業(yè)用戶(hù)中的水泥等非金屬礦物制造業(yè)、通用及專(zhuān)用設(shè)備制造業(yè)等,此類(lèi)用戶(hù)生產(chǎn)班制較為靈活且用電成本占生產(chǎn)成本比例較大;②一般工商業(yè)用戶(hù)中的部分小規(guī)模的加工業(yè)企業(yè),此類(lèi)用戶(hù)生產(chǎn)效益低,具有較高的移峰潛力;③居民用戶(hù)中的部分用戶(hù),此類(lèi)用戶(hù)節(jié)電意識(shí)強(qiáng),對(duì)用電成本比較敏感。
(3)從眾型。該類(lèi)用戶(hù)對(duì)電價(jià)的響應(yīng)程度介于頑固型和積極型之間。代表用戶(hù)包括:① 大工業(yè)用戶(hù)中的食品紡織物加工業(yè)、電子設(shè)備制造業(yè)等,此類(lèi)用戶(hù)負(fù)荷峰谷分明,具有移峰潛力,但用電成本占生產(chǎn)成本比例不夠高;②一般工商業(yè)用戶(hù)中的運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、批發(fā)零售業(yè)等,此類(lèi)用戶(hù)具有一定的節(jié)電意識(shí),但負(fù)荷可調(diào)節(jié)能力較差。
2.2 分時(shí)電價(jià)作用機(jī)理
根據(jù)消費(fèi)者心理學(xué)原理,用戶(hù)消費(fèi)行為受價(jià)格變化的影響。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,通常將該影響過(guò)程抽象為分段線(xiàn)性函數(shù),如圖 2 所示。用戶(hù)對(duì)價(jià)格的響應(yīng)有一個(gè)差別閾值,當(dāng)價(jià)格變化小于差別閾值,用戶(hù)對(duì)于價(jià)格變化幾乎沒(méi)有反應(yīng),即原點(diǎn)O 到 A 的區(qū)域;當(dāng)價(jià)格變化大于差別閾值時(shí),用戶(hù)的反應(yīng)與電價(jià)信號(hào)的變化程度有關(guān),即線(xiàn)性區(qū)AB;用戶(hù)對(duì)價(jià)格的響應(yīng)也會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和值,即B 點(diǎn)到正無(wú)窮。綜上,用戶(hù)對(duì)電價(jià)的響應(yīng)度曲線(xiàn)由該類(lèi)用戶(hù)的差別閾值、線(xiàn)性區(qū)斜率和飽和值3 個(gè)參數(shù)確定[12-15]。
3 計(jì)及負(fù)荷發(fā)展的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型
分時(shí)電價(jià)根據(jù)不同的電能價(jià)值將用電時(shí)間劃分為不同時(shí)段并制定各時(shí)段的電價(jià),在其制定之后的一段時(shí)間內(nèi)不做改變。然而隨著時(shí)間的推移,電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使得負(fù)荷曲線(xiàn)形狀及用戶(hù)組成均有所改變,分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶(hù)的刺激逐漸偏離最初期望值。因此,在根據(jù)用戶(hù)響應(yīng)情況對(duì)某地區(qū)特定行業(yè)進(jìn)行分時(shí)電價(jià)優(yōu)化的過(guò)程中,還需要對(duì)該地區(qū)此行業(yè)的未來(lái)負(fù)荷曲線(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè),將負(fù)荷發(fā)展情況計(jì)入優(yōu)化模型。本文在傳統(tǒng)的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上,引入未來(lái)兩年負(fù)荷發(fā)展影響因素,利用分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型針對(duì)預(yù)測(cè)所得的第 2 年、第 3 年典型日負(fù)荷曲線(xiàn)分別計(jì)算最優(yōu)電價(jià),將所得優(yōu)化結(jié)果作為電價(jià)約束條件加入到優(yōu)化模型中,再將當(dāng)年的典型日負(fù)荷曲線(xiàn)帶入改進(jìn)后的優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算,所得即為最終的分時(shí)電價(jià)。考慮負(fù)荷發(fā)展的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化流程如圖 3 所示。
3.1 典型日負(fù)荷曲線(xiàn)預(yù)測(cè)方法
在考慮電網(wǎng)發(fā)展時(shí),需要獲得在分時(shí)電價(jià)實(shí)施年限內(nèi)的未來(lái)典型日負(fù)荷曲線(xiàn),即需要根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出未來(lái)幾年的典型日負(fù)荷曲線(xiàn)。對(duì)于未來(lái)幾年典型日負(fù)荷曲線(xiàn)的預(yù)測(cè)具有其特殊性,從時(shí)間維度上看屬于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)的范疇;但從形式上來(lái)看,其本質(zhì)是用以往的具有一定規(guī)律的負(fù)荷點(diǎn),預(yù)測(cè)未來(lái)的負(fù)荷點(diǎn),屬于短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的范疇 [17] 。本文對(duì)典型日負(fù)荷曲線(xiàn)采取分解后分別預(yù)測(cè)再合成的方法,將負(fù)荷曲線(xiàn)分解成為表征其發(fā)展規(guī)律的發(fā)展分量和表征其波動(dòng)規(guī)律的波動(dòng)分量,發(fā)展分量取往年的典型日最大負(fù)荷,波動(dòng)分量取該年典型日各點(diǎn)負(fù)荷與最大負(fù)荷的比值。預(yù)測(cè)流程如圖 4 所示。
(1)發(fā)展分量預(yù)測(cè)。對(duì)于發(fā)展分量,本文利用基于灰色 GM(1,1)的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。灰色理論認(rèn)為系統(tǒng)的行為現(xiàn)象是朦朧有序的。灰數(shù)的生成,就是從雜亂中尋找出規(guī)律。同時(shí),灰色理論建立的是生成數(shù)據(jù)模型,不是原始數(shù)據(jù)模型,因此,灰色預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)是通過(guò)生成數(shù)據(jù)的 GM(1,1)模型所得到的預(yù)測(cè)值的逆處理結(jié)果。
(2)波動(dòng)分量預(yù)測(cè)。假設(shè)在一定的時(shí)間內(nèi),各行業(yè)用電負(fù)荷的波動(dòng)基本穩(wěn)定,如此可以利用短期負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)得到未來(lái)負(fù)荷的波動(dòng)分量。BP 網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò),它通過(guò)反向傳播來(lái)不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值,使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。該模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層。本文以歷史數(shù)據(jù)為輸入層,輸出層即期望得到的波動(dòng)分量[18-19]。
3.2 目標(biāo)函數(shù)
TOU 優(yōu)化目標(biāo)是盡可能削峰填谷,減小系統(tǒng)備用容量,充分利用谷時(shí)段電量,從而達(dá)到提高系統(tǒng)負(fù)荷率、運(yùn)行效率和穩(wěn)定性的目的。
3.3 約束條件
3.3.1 電力公司的銷(xiāo)售收入不變
3.3.4 峰谷電價(jià)比約束
實(shí)行 TOU 的目的是使負(fù)荷曲線(xiàn)盡量趨于平緩,但若峰谷價(jià)差過(guò)大,用戶(hù)的響應(yīng)行為將過(guò)于激烈,甚至可能造成峰谷倒置現(xiàn)象,對(duì)電力系統(tǒng)造成新的壓力,因此有必要給峰谷電價(jià)設(shè)置合理的比例,在本文算例中取
1.2
3.3.5 用戶(hù)購(gòu)電費(fèi)用約束
從用戶(hù)角度考慮,分時(shí)電價(jià)應(yīng)能降低用戶(hù)電費(fèi)支出。即實(shí)行 TOU 后,用戶(hù)電費(fèi)的支出不應(yīng)該大于TOU 實(shí)施前用戶(hù)的支出。由于用戶(hù)所支出的購(gòu)電費(fèi)用即為電力公司的售電收入,故此約束條件可表述為
MTOU≤MNON(18)
3.3.6 用戶(hù)用電量約束
電價(jià)的改變以保證用戶(hù)的正常用電需求為前提,即實(shí)施 TOU 后用戶(hù)將高電價(jià)時(shí)段可調(diào)節(jié)的用電量完全轉(zhuǎn)移到低電價(jià)時(shí)段,用戶(hù)的用電量基本保持不變。該約束條件與電力公司售電量保持不變表達(dá)式相同,如式(14)所示。
4 算例分析
假設(shè)在實(shí)施分時(shí)電價(jià)前,對(duì)該地區(qū)用戶(hù)均實(shí)行平均電價(jià),大工業(yè)為 0.633 元/(kW˙h);一般工商業(yè)為 0.829 元/(kW˙h);居民為 0.518 元/(kW˙h)。假設(shè)系統(tǒng)在谷時(shí)段的運(yùn)行邊際成本 P MaCOST 為 0.27 元/(kW˙h),小發(fā)電機(jī)組在峰時(shí)段的發(fā)電成本價(jià) P GeCOST為 1.48 元/(kW˙h)。該地區(qū)各用戶(hù)類(lèi)型的典型日負(fù)荷曲線(xiàn)如圖 5所示,分時(shí)電價(jià)作用機(jī)理模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表 1 所示。本算例根據(jù)大工業(yè)、工商業(yè)和居民 3 類(lèi)負(fù)荷曲線(xiàn),采用模糊數(shù)學(xué)的方法作出分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分,其中以偏大型半梯形分布和偏小型半梯形分布作為隸屬度函數(shù)分別確定各點(diǎn)處于峰時(shí)段和谷時(shí)段的可能性,劃分結(jié)果如圖 6 所示。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)采用 4.1 的預(yù)測(cè)方法得到的第2 年和第 3 年數(shù)據(jù),并利用 CPLEX 商業(yè)優(yōu)化軟件求解分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型,將僅考慮當(dāng)年典型日負(fù)荷曲線(xiàn)優(yōu)化制定的分時(shí)電價(jià)(稱(chēng)為“電價(jià)一”)與考慮負(fù)荷發(fā)展而優(yōu)化制定的分時(shí)電價(jià)(稱(chēng)為“電價(jià)二”)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表 2 所示。針對(duì)第 2 年和第 3 年的負(fù)荷情況,用戶(hù)對(duì)表 2 中所列出的不同電價(jià)有不同的響應(yīng)結(jié)果。第2 年負(fù)荷曲線(xiàn)在不同電價(jià)下響應(yīng)的高峰、低谷時(shí)段負(fù)荷曲線(xiàn)為圖 7 和圖 8。第 3 年負(fù)荷曲線(xiàn)在不同電價(jià)下響應(yīng)的高峰、低谷時(shí)段負(fù)荷曲線(xiàn)為圖 9和圖 10。本文使用了最大/最小負(fù)荷、峰谷差率及負(fù)荷波動(dòng)率指標(biāo)來(lái)衡量 3 年負(fù)荷在 2 種電價(jià)下的響應(yīng)情況,具體數(shù)值如表 3 所示。
根據(jù)實(shí)施 2 種電價(jià)后的負(fù)荷特性,可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)施電價(jià)一的情況下,削峰填谷的作用雖然較為明顯,但隨著時(shí)間的推移,削峰作用由第 1 年的 2.523% 減小到第 3 年的 2.262%,平緩負(fù)荷波動(dòng)作用的發(fā)展也不盡如人意。然而在實(shí)施電價(jià)二的情況下,第 2 年和第 3 年的最大負(fù)荷較實(shí)施電價(jià)一時(shí)的情況均有所降低,到第 3 年的削峰率比實(shí)施電價(jià)一增加 0.11%,最小負(fù)荷上升,填谷率差距增加至 0.343%,負(fù)荷波動(dòng)率進(jìn)一步減小,峰谷差率也都有所提高。由此可以得出考慮負(fù)荷發(fā)展的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型得到的分時(shí)電價(jià)對(duì)未來(lái)的負(fù)荷適應(yīng)性較好,在分時(shí)電價(jià)實(shí)行后的第 2 年與第3 年仍可以對(duì)用戶(hù)起到持續(xù)性的激勵(lì)作用。
5 結(jié)論
本文針對(duì)分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶(hù)的激勵(lì)效果時(shí)效性不足的問(wèn)題,提出了一種考慮負(fù)荷發(fā)展的分時(shí)電價(jià)優(yōu)化方法。通過(guò)算例將僅考慮當(dāng)年典型日負(fù)荷曲線(xiàn)制定的分時(shí)電價(jià)(電價(jià)一)與考慮負(fù)荷優(yōu)化制定的分時(shí)電價(jià)(電價(jià)二)進(jìn)行對(duì)比,得出結(jié)果為:(1)在實(shí)施電價(jià)二的情況下,最大負(fù)荷較實(shí)施電價(jià)一的情況有所降低,最小負(fù)荷上升,負(fù)荷波動(dòng)率減小,峰谷差率都有所提高。(2)考慮負(fù)荷發(fā)展優(yōu)化得到的分時(shí)電價(jià)對(duì)未來(lái)的負(fù)荷具有更強(qiáng)的適應(yīng)性,能在未來(lái)時(shí)間內(nèi)刺激用戶(hù)做出期望的響應(yīng)。
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