削峰填谷最優(yōu)時(shí)基于DSM分時(shí)電價(jià)的確定與分析

作為用戶側(cè)電價(jià)的一種，分時(shí)電價(jià)目前在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，而且分時(shí)電價(jià)是需求側(cè)管理(DSM，Demand Service Management)的一種重要手段。分時(shí)電價(jià)可以刺激和鼓勵(lì)用戶主動(dòng)改變消費(fèi)行為和用電方式，達(dá)到削峰填谷的目的，從而提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。建立削峰填谷最優(yōu)時(shí)基于DSM分時(shí)電價(jià)的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值仿真驗(yàn)證了該分時(shí)電價(jià)的削峰填谷作用，與文獻(xiàn)[5-6]仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，得出了本文確定的分時(shí)電價(jià)的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)本文分時(shí)電價(jià)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用進(jìn)行了構(gòu)想。
??? 關(guān)鍵詞：分時(shí)電價(jià)；需求側(cè)管理；削峰填谷；數(shù)值仿真

Determination and Analysis of TOU (Time-Of-Use) Power Price Based on DSM (Demand Service Management) When Load Shifting Optimized

?Wu Qiu-wei1,Wang Lei2, Cheng Hao-zhong1

( 1. Department of Electrical Engineering Shanghai Jiaotong University 200030 2. Nanjing Power Supply Nanjing 210094)

??? Abstract: As one of power prices to consumers, TOU power price is widely used in the world and is one important method in DSM. TOU power price can motivate power consumers to adjust their mode of power using and can keep power load in a stable condition. Thus efficiency and stability of power systems can be improved. In this paper a new mathematical model of TOU power price is developed when effect of load shifting is optimized based on DSM. Numerical simulation is made using MATLAB. It is verified that using TOU power price in this paper can accomplish the goal of load shifting. Merits and defects of TOU power price determined in this paper are obtained by comparing with simulation results in paper 5 to paper 6. Realistic application of TOU power price mathematical model is forecasted.
??? Keywords: TOU power price DSM? load shifting numerical simulation

0? 引言
??? 電價(jià)理論是電力市場(chǎng)的核心理論[1]。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，確定合理的用戶側(cè)電價(jià)，可以使用戶積極參與電力工業(yè)改革，調(diào)整用電方式和用電結(jié)構(gòu)，使負(fù)荷保持在一個(gè)比較平穩(wěn)的狀態(tài)，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。作為用戶側(cè)電價(jià)的一種，分時(shí)電價(jià)目前在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，而且分時(shí)電價(jià)是需求側(cè)管理的一種重要手段。在我國(guó)，DSM和分時(shí)電價(jià)也得到了廣泛的研究。文獻(xiàn)[2]和[3]認(rèn)為我國(guó)目前實(shí)行實(shí)時(shí)電價(jià)的條件不具備，但實(shí)行分時(shí)電價(jià)是必不可少的。文獻(xiàn)[4]主要針對(duì)江蘇省實(shí)行分時(shí)電價(jià)后大工業(yè)用戶的響應(yīng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為實(shí)行分時(shí)電價(jià)具有一定的負(fù)荷調(diào)節(jié)效果。文獻(xiàn)[5]提出了用戶反應(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DSM的分時(shí)電價(jià)的數(shù)學(xué)模型，但它們均未涉及平時(shí)段電價(jià)的確定問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]對(duì)平時(shí)段電價(jià)的確定進(jìn)行了探索性研究，提出了用MCP計(jì)算的平均購(gòu)電電價(jià)來(lái)確定平時(shí)段電價(jià)，將文獻(xiàn)[5]的工作拓廣到與電力市場(chǎng)報(bào)價(jià)端相關(guān)聯(lián)的模型研究，從一個(gè)可行的途徑將分時(shí)電價(jià)市場(chǎng)化，得到適應(yīng)電力市場(chǎng)條件的分時(shí)電價(jià)體系。但是，由于MCP對(duì)平時(shí)段電價(jià)的限制，文獻(xiàn)[6]確定的分時(shí)電價(jià)不能得到使削峰填谷最優(yōu)的平時(shí)段電價(jià)。從電力系統(tǒng)角度來(lái)考慮，要盡可能地減小峰負(fù)荷和提高谷負(fù)荷，這樣才能最大可能地提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。因此，本文對(duì)削峰填谷效果最優(yōu)時(shí)分時(shí)電價(jià)的確定進(jìn)行了研究，提出了削峰填谷效果最優(yōu)時(shí)分時(shí)電價(jià)數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB進(jìn)行了數(shù)值仿真，驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型確定的分時(shí)電價(jià)的削峰填谷作用，并與文獻(xiàn)[5－6]仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，得出本文確定的分時(shí)電價(jià)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 基于DSM與用戶購(gòu)電費(fèi)用的分時(shí)電價(jià)數(shù)學(xué)模型
??? 本文仍采用文獻(xiàn)[6]中用戶反應(yīng)定義和數(shù)學(xué)模型描述電價(jià)對(duì)負(fù)荷的控制作用。
1.1 基本假設(shè)與參量的設(shè)定
1.1.1 基本假設(shè)
??? (a) 實(shí)行分時(shí)電價(jià)前后每天的總用電量保持不變。
??? (b) 調(diào)整到某一時(shí)段的電量按時(shí)間軸平均分配。
??? (c) 文中只考慮了價(jià)格對(duì)用戶需求的影響，其他因素的影響需進(jìn)一步研究；同樣文中只考慮了用戶需求對(duì)價(jià)格的影響，其他因素(如燃料價(jià)格)對(duì)價(jià)格的影響暫時(shí)忽略。
??? 根據(jù)國(guó)外實(shí)行需求側(cè)管理的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)行需求側(cè)管理后，一般用電量略有增加或基本保 持不變，因而假定實(shí)行分時(shí)電價(jià)前后用電量保持不變是合理的。與[4-6]一樣，假設(shè)(b)、尤其是假設(shè)(c)是為了使本文的討論得以順利進(jìn)行所作的簡(jiǎn)化性假設(shè)，特別的消除假設(shè)(c)是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，有待進(jìn)一步的研究。
1.1.2 參量的設(shè)定
??? 1) 時(shí)段的劃分
??? 我們將一天24小時(shí)劃分為3類時(shí)段：Tf、Tp、Tg,滿足：
???????? Tf+Tp+Tg=24?????????????? (1)?????????????
??? 其中：Tf峰時(shí)段；Tp平時(shí)段；Tg谷時(shí)段
??? 在本文中，我們假定時(shí)段劃分確定，根據(jù)負(fù)荷曲線中負(fù)荷的分布來(lái)進(jìn)行時(shí)段劃分。時(shí)段劃分的具體數(shù)值為：
??? 峰負(fù)荷時(shí)段：8:00～12:00(峰1)，18:00～22:00(峰2)；平負(fù)荷時(shí)段：12:00～18:00(平1)，22:00～24:00(平2)；谷負(fù)荷時(shí)段：0:00～4:00(谷1)，4:00～8:00(谷2)。
??? 2) 電價(jià)的確定
??? 峰、平、谷時(shí)段的電價(jià)分別為：Pf、Pp、Pg。滿足：
???
其中：Δ 為谷時(shí)段電價(jià)對(duì)平時(shí)段電價(jià)的拉開(kāi)度；ξ為峰時(shí)段電價(jià)對(duì)平時(shí)段電價(jià)拉開(kāi)度與谷時(shí)段電價(jià)對(duì)平時(shí)段電價(jià)拉開(kāi)度的 比值。
??? 3) 用電量
??? 某負(fù)荷代表日的負(fù)荷曲線為L(zhǎng)=L(t)(0≤t≤24),則：
?
??? 其中：Q全天用電量；Qf 峰時(shí)段的用電量；Qp為 平時(shí)段的用電量；Qg為 谷時(shí)段的用電量
1.2 分時(shí)電價(jià)數(shù)學(xué)模型
??? 本文根據(jù)DSM的總體目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)學(xué)中的會(huì)計(jì)學(xué)原理，從供需兩側(cè)出發(fā)建立了分時(shí)電價(jià)模型。
??? 1) 供方獲利
??? 實(shí)行分時(shí)電價(jià)前供電方的銷售收入為：
??

其中：QfTOU、QpTOU、QgTOU為實(shí)行分時(shí)電價(jià)后峰、平、谷時(shí)段的用電量
??? 實(shí)行分時(shí)電價(jià)后供電方通過(guò)削峰可以節(jié)約的電力建設(shè)投資為M′。
??? 供電方獲利的約束條件是：

??? 2) 用戶端受益

即

??? 3) 優(yōu)化目標(biāo)
??? 盡可能減小峰負(fù)荷，提高谷負(fù)荷，從而提高電力系統(tǒng)的負(fù)荷率、電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，并且盡可能減少用戶購(gòu)電費(fèi)用，從而達(dá)到社會(huì)效益最優(yōu)的目的。因此，目標(biāo)函數(shù)為：
????? 目標(biāo)函數(shù)1：

其中:L(t,ξ,Δ)為實(shí)行分時(shí)電價(jià)后, 在給定的ξ和Δ條件下用戶反應(yīng)后的負(fù)荷。
??? 目標(biāo)函數(shù)1用來(lái)實(shí)現(xiàn)峰負(fù)荷最小，目標(biāo)函數(shù)2用來(lái)實(shí)現(xiàn)谷負(fù)荷差最大，目標(biāo)函數(shù)3用來(lái)實(shí)現(xiàn)峰谷負(fù)荷差最小。
??? 從目標(biāo)函數(shù)來(lái)看，為了實(shí)現(xiàn)削峰填谷最優(yōu)的目標(biāo)，進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化是不夠的，因此選用雙目標(biāo)優(yōu)化。觀察目標(biāo)函數(shù)1、2和3，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果選用目標(biāo)函數(shù)2和另外一個(gè)函數(shù)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化的話，由于優(yōu)化的方向不一致，因此進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化存在困難；如果選取目標(biāo)函數(shù)1和3進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化的話，因?yàn)閮?yōu)化方向一致，比較容易解決這個(gè)問(wèn)題。而且，目標(biāo)函數(shù)1和2的優(yōu)化可以保證削峰填谷最優(yōu)，因?yàn)楫?dāng)峰負(fù)荷和峰谷負(fù)荷差都最小時(shí)，也即是峰負(fù)荷最小和谷負(fù)荷最大。
??? 多目標(biāo)優(yōu)化的方法很多，最簡(jiǎn)單和實(shí)用的是加權(quán)系數(shù)法[7]。在加權(quán)系數(shù)法中，最主要的就是確定權(quán)值。由于本文模型是首次提出，缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)和方法，因此，在本文多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程中，利用權(quán)值嘗試法來(lái)確定目標(biāo)函數(shù)的權(quán)值。

2 仿真與結(jié)果比較
??? 本文利用浙江某地區(qū)典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值仿真。
2.1 目標(biāo)函數(shù)權(quán)值的確定
??? 如前文所述，確定目標(biāo)函數(shù)的權(quán)值時(shí)采用權(quán)值嘗試法，通過(guò)比較在目標(biāo)函數(shù)取不同權(quán)值時(shí)的峰負(fù)荷與谷負(fù)荷仿真結(jié)果來(lái)確定目標(biāo)函數(shù)的權(quán)值,如表1所示。

??? 通過(guò)比較仿真結(jié)果可以看出，目標(biāo)函數(shù)3占的比例比較大時(shí)，峰谷負(fù)荷差最小，而且峰負(fù)荷與實(shí)行分時(shí)電價(jià)前比減少了821.4MW，可以在削峰和填谷之間達(dá)到最佳均衡。因此，本文對(duì)目標(biāo)函數(shù)1、3的權(quán)值取為0.2、0.8。
2.2 仿真算法
??? (a) 取一平時(shí)段電價(jià)初值，根據(jù)數(shù)學(xué)模型算出滿足約束條件的平時(shí)段電價(jià)的上界 和下界；
??? (b) 從中選出使峰負(fù)荷最小和峰谷負(fù)荷差最小在權(quán)值為0.2、0.8時(shí)達(dá)到最佳均衡 時(shí)的平時(shí)段電價(jià)；
??? (c) 算出此平時(shí)段電價(jià)下的最優(yōu)拉開(kāi)度和反應(yīng)后負(fù)荷
2.3 實(shí)行分時(shí)電價(jià)前數(shù)據(jù)；
??? (a) 典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)如表2所示。

??? (b) 實(shí)行分時(shí)電價(jià)前最大負(fù)荷、最小負(fù)荷和用戶購(gòu)電費(fèi)用：Lmax＝7780MW；Lmin＝4910MW；m0＝6.6243×107元
2.4 仿真結(jié)果
??? 削峰填谷最優(yōu)時(shí)分時(shí)電價(jià)和用戶反應(yīng)后負(fù)荷數(shù)據(jù)如下：
??? ξ=0.360 0，Δ=0.450 0元/kW；Pf=0.677 0元/kW,Pp=0.515 0元/kW，Pg=0.065 0元/kW；k=10.415 4(k為峰時(shí)段電價(jià)與谷時(shí)段電價(jià)的比值)；Lmax=6 945.6MW；Lmin=5 900.6MW；MTOU=6.573 0×107元。
??? 仿真結(jié)果與原始負(fù)荷數(shù)據(jù)比較如圖1所示。

??? 圖1表明，削峰填谷最優(yōu)分時(shí)電價(jià)實(shí)行后，能夠起到很好的削峰和填谷的作用。從數(shù)值上看，削峰填谷最優(yōu)分時(shí)電價(jià)實(shí)行后，峰負(fù)荷為6945.6MW，比實(shí)行分時(shí)電價(jià)前減少了834.4MW，谷負(fù)荷為5900.6MW，比實(shí)行分時(shí)電價(jià)前增加了990.6MW。
2.5 與文獻(xiàn)[5,6]仿真結(jié)果比較
??? 本文仿真結(jié)果和文獻(xiàn)[5-6]仿真結(jié)果如表3和圖2所示。

??? 從圖2可以看出，本文確定的分時(shí)電價(jià)實(shí)行后能起到更好的削峰填谷作用。從數(shù)值上看，本文確定的分時(shí)電價(jià)實(shí)行后，峰負(fù)荷為6859.6MW，比文獻(xiàn)[5]仿真結(jié)果小了24.5MW，比文獻(xiàn)[6]仿真結(jié)果小了38.4MW；谷負(fù)荷為5918.2MW，比文獻(xiàn)[5]仿真結(jié)果大了93.5MW，比文獻(xiàn)[6]大了120.5MW。
??? 但是，如果從用戶購(gòu)電費(fèi)用角度看，本文確定的分時(shí)電價(jià)實(shí)行后，用戶購(gòu)電用為6.6015×107元，比文獻(xiàn)[5]確定的分時(shí)電價(jià)實(shí)行后用戶購(gòu)電費(fèi)用大6.129×106元，比文獻(xiàn)[6]確定的分時(shí)電價(jià)實(shí)行后用戶購(gòu)電費(fèi)用大6.424×106元。
??? 由此可見(jiàn)，雖然本文確定的分時(shí)電價(jià)可以更好地起到削峰填谷作用，但是使用戶購(gòu)電費(fèi)用增加很多。
2.6 本文分時(shí)電價(jià)數(shù)學(xué)模型在實(shí)際中的應(yīng)用構(gòu)想
??? 在實(shí)際應(yīng)用中，各地區(qū)可以根據(jù)用戶調(diào)查確定各類用戶反應(yīng)函數(shù)的值，根據(jù)本地區(qū)削峰填谷的需要確定分時(shí)電價(jià)的具體的值。

3 結(jié)論
??? 本文建立了削峰填谷最優(yōu)時(shí)分時(shí)電價(jià)數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB進(jìn)行了數(shù)值仿真，驗(yàn)證了本文數(shù)學(xué)模型確定的分時(shí)電價(jià)可以起到很好的削峰填谷作用。與文獻(xiàn)[5－6]仿真結(jié)果比較表明，本文確定的分時(shí)電價(jià)可以起到更好的削峰填谷作用，但是相應(yīng)的，用戶購(gòu)電費(fèi)用也增加很多。因此，如何在削峰填谷和減少用戶購(gòu)電費(fèi)用之間達(dá)到最佳均衡、使社會(huì)效益最大需要進(jìn)一步的研究。為了使本文研究順利進(jìn)行，本文設(shè)定了三個(gè)基本假設(shè)，如何消除假設(shè)b)，尤其使假設(shè)c)有待進(jìn)一步的研究。另外，時(shí)段劃分也是分時(shí)電價(jià)中一個(gè)很重要的研究?jī)?nèi)容，如何將時(shí)段劃分和電價(jià)確定一起考慮也有待進(jìn)一步研究。本文對(duì)分時(shí)電價(jià)在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行了構(gòu)想，但是如何結(jié)合實(shí)際情況確定分時(shí)電價(jià)有待進(jìn)一步研究，而且這是一個(gè)有著很重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的研究。