峰谷分時電價下用戶需求響應行為模型的研究

馬永武， 趙國生， 黃明山， 李如意

(1.河南許繼儀表有限公司 河南 許昌 461000； 2.鄭州大學 電氣工程學院 河南 鄭州 450001)

峰谷分時電價下用戶需求響應行為模型的研究

馬永武1， 趙國生2， 黃明山1， 李如意1

(1.河南許繼儀表有限公司 河南 許昌 461000； 2.鄭州大學 電氣工程學院 河南 鄭州 450001)

建立了峰谷分時電價下用戶需求響應活動的負荷優(yōu)化響應模型，給出了模型目標函數(shù)中用戶的可中斷負荷收益與基于負荷轉移率的可轉移負荷收益表達式，同時給出了峰谷分時電價下用戶需求響應活動優(yōu)化方程的求解方法.分析實例的計算結果表明,用戶需求響應活動在消減尖峰負荷、填充谷負荷以及減少用戶電費支出方面作用明顯.

負荷響應模型； 需求響應； 分時電價

0 引言

用戶的需求側響應是電力需求側管理中的一項重要內(nèi)容，它是指電力用戶根據(jù)供電部門制定的電價信息和激勵信息來調(diào)整自己的用電計劃，調(diào)整其用電負荷曲線，以達到在滿足用戶滿意度條件下的用戶電費支出最小化目標所采取的用電手段及用電方式.電力用戶通常利用用戶響應手段尋優(yōu)的方法來實現(xiàn)最小化電費支出的目標，用戶的響應手段通過采用電力儲能技術、電力負荷管理技術、先進的節(jié)電技術以及合理安排用電時間等方式來實現(xiàn).電力用戶的需求側響應通過將一部分高峰負荷轉移到低谷時段使用可以實現(xiàn)電網(wǎng)負荷的消峰填谷，以實現(xiàn)均衡用電、均衡發(fā)電，減少了為滿足邊際容量需求的發(fā)電設備投資及輸電設備投資，不僅提高了終端的用電效率和優(yōu)化了用電方式[1-4]，還大大減少了電力資源的浪費，并提高了電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和可靠性，從而使電力產(chǎn)生最大的社會效益和經(jīng)濟效益.

目前在峰谷分時電價政策對用戶需求響應影響的優(yōu)化模型研究上，沒有給出目標函數(shù)中用戶收益的具體表達式，也未給出用戶優(yōu)化模型的具體求解方法，因此無法分析用戶的收益以及消峰填谷效果.針對該問題，作者提出了峰谷分時電價下用戶需求響應活動的負荷優(yōu)化響應模型，分析實例的計算結果表明，用戶需求響應活動可以消減尖峰負荷、填充谷負荷，并能在一定程度上減少用戶的電費支出.

1 峰谷分時電價下用戶需求響應活動的負荷優(yōu)化響應模型

考慮用戶的能量儲存容量情況，用戶的負荷優(yōu)化響應模型的目標函數(shù)為

(1)

式中：ΔCopt為優(yōu)化減少的電費支出；k為電價變化期序列;N為電價變化期總數(shù)；pk為k時段的電價；W(pk)為k時段減少的電能支出(即用戶收益);p為分時電價實施前的單一電價;W為分時電價實施前的用戶用電量.

居民、公共機構、商業(yè)用戶的約束條件為感覺舒適度約束，其可以用溫度和光照度兩個約束條件[6-7]來表示為

式中：Tset為用戶的制冷空調(diào)或取暖設備的設定溫度;Tmax-cold，Tmin-hot分別為空調(diào)制冷和制熱時滿足客戶舒適度要求的室內(nèi)溫度最大值與最小值；Ebus為室內(nèi)的光照度;Emin為保證用戶滿意的光照度的最小值.

2 用戶的需求響應活動收益分析

2.1 峰谷分時電價下用戶需求響應活動的用戶收益計算

在需求響應活動中，通常采用電價激勵的措施來調(diào)節(jié)用戶的響應行為，電力用戶對價格的響應行為有中斷用電負荷、減少用電負荷、轉移用電負荷3種用電方式，其中減少用電負荷可以看成為部分中斷負荷，將其歸入可中斷負荷中進行分析.假設采用的峰谷分時電價政策將電價分為3個時間段：峰電價時段電價為pf元/(kW·h)(峰電價時段電源供應特別緊張的一部分時段作為尖電價時段，其電價為pj元/(kW·h))，平電價時段電價為pp元/(kW·h)，谷電價時段電價為pg元/(kW·h).商業(yè)用戶與高耗能企業(yè)用戶各個時段的電價與居民用戶、公共機構各個時段的電價是不同的，其用電電價按現(xiàn)行電價進行同比例增長.

1)可中斷負荷收益分析

用戶參與需求響應活動的可中斷負荷收益為

(2)

式中：S(pk)為用戶在電價為pk時段單位用電量所創(chuàng)造的利潤；C(pk)為用戶在電價為pk時段由于中斷單位負荷后導致的停電損失，包括人工成本、設備成本、材料消耗等損失；Bc(pk)為用戶在電價為pk時段由于中斷單位負荷后所獲得的中斷負荷補償費用;Ucs為系統(tǒng)單位購電成本.

可中斷負荷的補償費用為

Bc(pk)=μ[Pm-PITM(pk)](0≤μ≤1)，

式中：Pm為市場清算價(系統(tǒng)邊際電價)；PITM(pk)為可中斷負荷的閥值電價，其表達式為

PITM(pk)=Wtt(pk)-C(pk).

用戶停電損失的表達式為

式中：K1，K2是常數(shù)；θ表示用戶的可中斷意愿，其由企業(yè)的生產(chǎn)工序及用戶的感覺舒適度等因素決定，θ為0～1之間的連續(xù)數(shù)值，θ值越接近0，表示用戶越愿意接受中斷負荷，反之，用戶意愿就越低.

系統(tǒng)單位購電成本Ucs的表達式為

式中：Q為系統(tǒng)的上網(wǎng)電量；L(i)為用戶中斷的負荷電量；λ為判別變量(有負荷中斷時為1，否則為0).

2)可轉移負荷收益分析

用戶參與需求響應活動的可轉移負荷收益為

(3)

用戶在各個時段的用電負荷可以表示為

(4)

式中：Tp，Tf，Tg分別為平時段、峰時段、谷時段；t為其中的任一時段；λpg，λfg，λfp分別為平谷、峰谷、平峰時段的負荷轉移率.

用戶由峰到平時段的負荷轉移率λfp與這兩個時段的電價差Δfp的關系為

(5)

用戶由峰到谷時段的負荷轉移率λfg和用戶由平到谷時段的負荷轉移率λpg分別為：

2.2 峰谷分時電價下用戶需求響應活動優(yōu)化方程的求解

在峰谷分時電價政策引導下，用戶需求響應活動每個電價時段的節(jié)電收益是用戶在其約束條件制約下根據(jù)電價信息作出反應，即Wint(pk)，Wshift(pk)是每個時段電價信息的函數(shù)，這樣用戶負荷優(yōu)化響應的目標函數(shù)的電價信息表達式為

(6)

根據(jù)用戶的負荷優(yōu)化響應模型及其約束條件建立的拉格朗日方程[6]為

(7)

式中:λ≤0；λ1≤0；τ1≤0；τ2≤0；τ3≤0.

按照Karush-Kuhn-Tucker最優(yōu)化條件，(7)式的最優(yōu)點p*必須滿足如下條件：

對該約束優(yōu)化問題的求解，可以采用內(nèi)點法[2]來進行，其迭代格式為:λk+1=λk+β*Δλk,λ1,k+1=λ1,k+β1*Δλ1k,τ2,k+1=τ2,k+β2*Δτ2k,τ3,k+1=τ3,k+β3*Δτ3k,τ1,k+1=τ1,k+γ*Δτ1k,式中:β,β1,β2,β3,γ是步長因子，取決于所選用的搜索方法，在進行搜索時具有方向性，γ變量搜索方向與其他變量相反.

3 計算實例

為了解在需求響應活動中，采用電價激勵措施的用戶需求響應活動負荷的消峰填谷效果及用戶的節(jié)電收益情況，對負荷優(yōu)化響應模型進行了求解計算，計算時將每年的7、8兩個月份定義為實施尖電價月份，尖電價時間段為每日的18:00—20：00；其他月份實施峰、平、谷電價政策.公共機構、大工業(yè)用戶各個時間段的用電電價分別為：尖電價1.20元/(kW·h)，峰電價0.90元/(kW·h)，平電價0.60元/(kW·h)，谷電價0.30元/(kW·h)；將用電負荷特性劃分為峰時、平時、谷時3個時段，每一時段為8 h，峰時段為7：00—11：00、17：00—21：00；平時段為11：00—17：00、21：00—23.00；谷時段為23：00—次日7：00.商業(yè)用戶各個時段的用電價格在公共機構及大工業(yè)用戶各個時間段用電價格的基礎上乘以系數(shù)1.5.在該電價機制下用戶需求響應活動的響應結果見表1.可以看出，實施需求響應不但能削減電網(wǎng)尖峰時段的用電負荷及填充谷時段的用電負荷，而且也在一定程度上減少了用戶的電費開支.

[1] 李志剛，吳文傳，張伯明，等. 一種基于高斯罰函數(shù)的大規(guī)模無功優(yōu)化離散變量處理方法[J].中國電機工程學報，2013,33(4)：68-76.

[2] 潘敬東, 謝開, 華科. 計及用戶響應的實時電價模型及其內(nèi)點法實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2005,29(23):8-14.

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(責任編輯：孔 薇)

The Research of Customer Demand Response Model under Time-of-use Pricing

MA Yongwu1, ZHAO Guosheng2， HUANG Minshan1， LI Ruyi1

(1.HenanXuJiInstrumentCo.,LTD,Xuchang461000,China; 2.SchoolofElectricalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

The demand response optimization model under time-of-use pricing was presented. Its objective function expression included interruptible load benefits and shifting load benefits based on load transfer rate. The solving algorithms of the optimization equation was given. The results of example analysis showed that the demand response actions had remarkable effect in eliminating peak load and filling valley load as well as increasing customer benefits under time-of-use pricing.

load response model； demand response； time-of-use pricing

2015-09-10

國家自然科學基金資助項目，編號51307152.

馬永武(1967—)，男，河南許昌人，高級工程師，主要從事電能計量與需求響應研究；通訊作者：趙國生(1965—)，男，河南南陽人，副教授，博士，主要從事用戶需求側管理研究，E-mail: zgs410@zzu.edu.cn.

馬永武，趙國生，黃明山，等.峰谷分時電價下用戶需求響應行為模型的研究[J].鄭州大學學報：理學版，2015，47(4)：119-122.

TM73

A

1671-6841(2015)04-0119-04

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.04.023