考慮雙邊效益的可中斷電價建模和應(yīng)用研究

趙 菁，劉 敏，王宏亮，林 成，歐陽可鳳，康 鵬,王玉萍，張 勇

(1．貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽 550025；2．貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，貴州貴陽 550001)

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考慮雙邊效益的可中斷電價建模和應(yīng)用研究

趙 菁1，劉 敏1，王宏亮1，林 成2，歐陽可鳳2，康 鵬2,王玉萍2，張 勇2

(1．貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽 550025；2．貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，貴州貴陽 550001)

0 引 言

可中斷負(fù)荷管理作為需求側(cè)管理的一種重要方法，是通過可中斷電價的刺激來引導(dǎo)用戶的用電需求，優(yōu)化負(fù)荷曲線，從而緩解電力系統(tǒng)在用電高峰時期，特別是尖峰時期的缺電問題。采用對中斷負(fù)荷進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)姆绞?，也是符合電力市場利用?jīng)濟(jì)規(guī)律來緩解電力供需矛盾的有效途徑，所以設(shè)計合理的可中斷電價是實施可中斷負(fù)荷管理的核心內(nèi)容。文獻(xiàn)[1]就電力市場初期在負(fù)荷高峰期實施可中斷負(fù)荷管理時，提出了考慮中斷持續(xù)時間、用戶地理位置與網(wǎng)損關(guān)系等因素的優(yōu)化調(diào)度模型。為了提高電能的使用效率，文獻(xiàn)[2]根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的供需理論，將可中斷電價與分時電價相結(jié)合，提出了可中斷電價與分時電價的聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計方案。文獻(xiàn)[3]從降低發(fā)電成本的角度，設(shè)計了促進(jìn)發(fā)電節(jié)能的可中斷電價模型。文獻(xiàn)[4-5]就電力市場中可中斷負(fù)荷的合同模型、電價實施機(jī)制等進(jìn)行了研究。

上述文獻(xiàn)從不同方面對可中斷負(fù)荷管理和可中斷電價的制定進(jìn)行了理論研究，本文在上述文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了同時考慮方案參與方實施成本效益的可中斷電價模型，其中量化了實施雙方對電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的接受程度，從而確定出優(yōu)化的可中斷電價模型。通過應(yīng)用此模型對實例進(jìn)行測算和分析，結(jié)果證明了模型的有效性和可行性。

1 考慮雙邊效益的可中斷電價的數(shù)學(xué)模型

1.1 可中斷電價的補(bǔ)償方式

設(shè)計合理的可中斷電價是實施可中斷負(fù)荷管理的關(guān)鍵?？芍袛嚯妰r的制定主要有折扣電價和補(bǔ)償電價兩種形式。折扣電價是對參與可中斷負(fù)荷管理的用戶在負(fù)荷中斷執(zhí)行期間內(nèi)的基本電費(fèi)給與相應(yīng)的折扣。補(bǔ)償電價則是根據(jù)用戶的中斷電量給與用戶P(元/kWh)的相應(yīng)補(bǔ)償數(shù)額。

目前，國內(nèi)應(yīng)用較為普遍的是補(bǔ)償電價的形式，這是因為相較于折扣電價的形式，補(bǔ)償電價的方式直接與負(fù)荷的中斷次數(shù)和時間相掛鉤，能更直觀體現(xiàn)電力系統(tǒng)和用戶的成本與效益，而且結(jié)算方式簡單，實施方便，易于被各方接受，所以本文在進(jìn)行可中斷電價模型的制定時考慮采用的是補(bǔ)償電價的方式。

1.2 可中斷電價的制定原則

可中斷電價在制定時應(yīng)該要考慮方案參與雙方的效益，具體制定原則如下：

1.2.1 電價的補(bǔ)償金額應(yīng)該不小于電力用戶的停電成本

可中斷電價補(bǔ)償金額的制定是要以電力用戶停電的成本為基礎(chǔ)的。實施可中斷負(fù)荷管理后，用戶得到的電價補(bǔ)償應(yīng)該要大于實施可中斷負(fù)荷管理后用戶的停電成本，當(dāng)用戶得到的補(bǔ)償?shù)扔谕ｋ姵杀緯r，即為用戶可接受的可中斷電價補(bǔ)償?shù)淖畹蜆?biāo)準(zhǔn)。

參照文獻(xiàn)[6]中對電網(wǎng)輔助服務(wù)價格的制定原則，可中斷電價既可以統(tǒng)一制定，也可以分類別分別制定。通常在放開售電側(cè)購買輔助服務(wù)以前，可以統(tǒng)一制定；在放開售電側(cè)購買輔助服務(wù)以后，從公平角度考慮，應(yīng)單獨分類制定，以滿足電力用戶選擇需要。其中，統(tǒng)一制定是指電網(wǎng)對所有參與可中斷負(fù)荷管理的用戶支付的可中斷電價實行的是統(tǒng)一定價；而分類制定是指電網(wǎng)對各類參與可中斷負(fù)荷管理的用戶分類制定可中斷電價，后者更具有合理性，但是操作要復(fù)雜些。

① 統(tǒng)一定價方式

與其他電力用戶相比，大工業(yè)用戶不僅受電容量大，而且通過進(jìn)行工作時間和生產(chǎn)工藝流程等的改變，具有較大的中斷潛力，并且季節(jié)、氣候等自然因素對這些工業(yè)用戶的生產(chǎn)用電影響不大，全年都可實施可中斷管理。所以大工業(yè)用戶作為可中斷電價的實施對象更具有實施的經(jīng)濟(jì)效益，是目前實施可中斷負(fù)荷管理的重點對象，因此在進(jìn)行用戶停電成本計算時可以考慮將工業(yè)用戶因為中斷電力供應(yīng)而減少的產(chǎn)品產(chǎn)出帶來的利潤損失作為工業(yè)用戶的停電成本。工業(yè)用戶的停電成本不僅與用戶中斷的負(fù)荷量有關(guān)，與用戶的類型、用戶生產(chǎn)的產(chǎn)品售價和利潤也都有關(guān)。假設(shè)共有n個工業(yè)用戶參與可中斷負(fù)荷管理方案，則n個工業(yè)用戶的總體停電成本函數(shù)的具體計算如下：

(1)

式中：Ci(xi)為用戶i的停電成本函數(shù)；xi為用戶i的中斷電量；Ti為用戶i的單位產(chǎn)品能耗值；βi為用戶i的產(chǎn)品的單位產(chǎn)品售價；αi為用戶i的產(chǎn)品的單位產(chǎn)品利潤率。其中，實施可中斷負(fù)荷管理總的中斷電量為各工業(yè)用戶的中斷電量之和，即有

(2)

設(shè)電力用戶每中斷1kWh的電能得到P元的補(bǔ)償，則用戶中斷電量得到的補(bǔ)償與停電成本的差值就為電力用戶的總體收益y(x,P)。

(3)

當(dāng)中斷電量x一定時，收益函數(shù)就只與補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)P有關(guān)，當(dāng)y(x,P)=0，用戶得到的電價補(bǔ)償Px剛好能彌補(bǔ)用戶的總體停電成本C(x)，此時可以計算出用戶可接受的最小可中斷電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)P1。只有當(dāng)P>P1時，用戶才能獲得收益；反之，當(dāng)P

② 分類定價方式

與統(tǒng)一定價方式不同，分類定價中電價補(bǔ)償金額將隨電力用戶的類別不同而不同，第i類用戶的收益yi(xi,P)應(yīng)為

(4)

同理，當(dāng)中斷電量xi一定時，同樣也可以計算出第i類用戶可接受的最小可中斷電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)P1。

在可中斷負(fù)荷管理實施初期，為了實施的簡便性和可操作性，可以先考慮采用統(tǒng)一定價方式，當(dāng)積累一定的實施經(jīng)驗和數(shù)據(jù)后，參與方案實施的各方精確測算出自己的真實數(shù)據(jù)后，可以調(diào)整至分類定價方式。

1.2.2 電價的補(bǔ)償金額應(yīng)該不大于電力系統(tǒng)可免成本

實施可中斷負(fù)荷管理后，電力系統(tǒng)建設(shè)投資成本和相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)成本都會有減少，另一方面，由于實施了可中斷負(fù)荷管理，電力系統(tǒng)的售電收入也會相應(yīng)減少，所以總體來看，對用戶的電價補(bǔ)償金額應(yīng)該要小于整個電力系統(tǒng)的可免成本，這個可免成本即為實施可中斷負(fù)荷管理后電力系統(tǒng)的可免投資成本與可免運(yùn)行維護(hù)成本之和扣除掉電力系統(tǒng)在中斷時段內(nèi)的售電損失。

其中，電力系統(tǒng)的可免投資成本包含了電網(wǎng)的可免投資成本S1(M)和電源的可免投資成本S2(M)。具體計算如下：

(5)

式中：M為實施可中斷負(fù)荷管理的中斷負(fù)荷目標(biāo)量；k為根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計原則規(guī)定的容載比取值；t1為變壓器及其配套的單位建設(shè)造價；t2為電源的單位建設(shè)造價；r為折現(xiàn)率；(A/P,r,20)和(A/P,r,30)分別為變壓器和發(fā)電機(jī)組的折現(xiàn)系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]，變壓器的壽命一般考慮為20a，火電機(jī)組壽命按30a考慮。

實施可中斷負(fù)荷管理后，電力系統(tǒng)不僅能減少建設(shè)投資，也能相應(yīng)減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，同理，減少的運(yùn)維費(fèi)用既包含了電網(wǎng)方面的運(yùn)維費(fèi)用Q1(M)，也包含了電源的運(yùn)維費(fèi)用Q2(M)。運(yùn)維費(fèi)用是電力系統(tǒng)準(zhǔn)許收入核定的關(guān)鍵和難點，目前政府價格主管部門尚未對運(yùn)維費(fèi)用的核定做出明確具體的規(guī)定[6]，參照文獻(xiàn)[9-10]，電網(wǎng)和電源的運(yùn)維費(fèi)用按照新增固定資產(chǎn)原值的一定比例考慮。

(6)

式中：n1、n2為電網(wǎng)和電源由于實施可中斷電價每年可減少的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)占可減少的電網(wǎng)和電源建設(shè)投資原值比例。

由于實施了可中斷負(fù)荷管理，高峰負(fù)荷會得到削減，這就使得電力系統(tǒng)的售電量會減少，從而造成電力系統(tǒng)的收益受損，減少的售電收益為

(7)

式中：r1為電網(wǎng)對用戶的單位銷售電價；r0為電源對電網(wǎng)的上網(wǎng)電價；r2是電源側(cè)的單位發(fā)電成本電價。

設(shè)電力用戶每中斷1kWh的電能得到P元的補(bǔ)償，則電力系統(tǒng)的可免成本與對用戶中斷電量的補(bǔ)償之差就為電力系統(tǒng)的收益y(M,x,P)。

(8)

在進(jìn)行可中斷負(fù)荷管理時，電網(wǎng)公司與參與方案的用戶將事先簽訂中斷負(fù)荷量M和負(fù)荷中斷的時間、次數(shù)等，即在實施可中斷負(fù)荷的一個周期中，中斷負(fù)荷量M與中斷電量x一定，則電力系統(tǒng)的收益函數(shù)就只與補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)P有關(guān)，如果y(M,x,P)=0，用戶得到的電價補(bǔ)償Px剛好等于電力系統(tǒng)的可免成本S(M)+Q(M)-R(x)，此時可以計算出電力系統(tǒng)可接受的最大電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)P2。當(dāng)P>P2時，y(M,x,P)<0，實施可中斷負(fù)荷管理就有損電力系統(tǒng)整體利益；反之，當(dāng)P0，電力系統(tǒng)就能獲得收益，當(dāng)P減至0時，即不對用戶進(jìn)行停電補(bǔ)償時，電力系統(tǒng)將獲得最大的收益，電力系統(tǒng)的收益就為電力系統(tǒng)的可免成本，即有：y(M,x,P)=S(M)+Q(M)-R(x)。

1.3 可中斷電價的數(shù)學(xué)模型

可中斷電價的補(bǔ)償金額應(yīng)該要盡量平衡參與用戶和電力系統(tǒng)的利益，根據(jù)上述定價原則，繪出實施可中斷負(fù)荷管理后電力系統(tǒng)與用戶的收益曲線，兩曲線的相交點就可以作為實施可中斷電價的最終補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)采用統(tǒng)一定價方式時，用戶的收益曲線是參與可中斷負(fù)荷管理的所有電力用戶的整體收益，即按照式(3)繪制；當(dāng)采用分類定價方式時，不同用戶的收益曲線要分類別按式(4)繪制，不同類型的電力用戶將得到不同的可中斷補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 可中斷電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)模型

兩曲線共有3種相交可能：

①在情況1下，P1

②在情況2下，P1=P2，電力系統(tǒng)的收益曲線與用戶的收益曲線相交點正好與P1、P2重合，此時可中斷電價的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)處于參與實施各方接受的臨界狀態(tài)。

③在情況3下，P1>P2，電力系統(tǒng)的收益曲線與電力用戶的收益曲線相交點將大于P2，小于P1，可中斷電價的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)將不被實施各方接受，此時不宜實施可中斷負(fù)荷管理。

不同地區(qū)電力用戶的用電特性、電源、電網(wǎng)的建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)成本都有所不同，根據(jù)各地區(qū)的實際情況，在遵循上述原則進(jìn)行具體計算時，體現(xiàn)在模型上就是各方收益曲線的截距和斜率不同，由曲線相交點確定出的可中斷電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)也就相應(yīng)不同，但是只有相交點在情況1的條件下，才能保證可中斷負(fù)荷方案實施的可行性。

2 仿真算例

為驗證本文所述的可中斷電價的有效性，采用貴州省安順地區(qū)電網(wǎng)為例，分析實施可中斷電價后參與各方的效益。

冬季是貴州省年負(fù)荷曲線高峰時期，電力供需形勢相對緊張，所以考慮對貴州安順電網(wǎng)在年用電的高峰時期12～1月實施可中斷負(fù)荷方案并進(jìn)行方案實施的預(yù)測分析。可中斷負(fù)荷方案的實施時間應(yīng)該是日負(fù)荷曲線的尖峰時段，安順電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)的是雙峰一谷的形狀，早高峰和晚高峰的峰值相當(dāng)，都需要進(jìn)行避峰管理，所以采用在早、晚高峰各自中斷2h，每天中斷4h的中斷方式。中斷時段按照早、晚高峰最大負(fù)荷值出現(xiàn)前、后一個小時來確定，即為早上的10:00～12:00、晚上的18:00～20:00。

根據(jù)經(jīng)驗，實施可中斷負(fù)荷管理在系統(tǒng)高峰時期能降低最高負(fù)荷的3%～5%[11]，所以擬定在安順電網(wǎng)實施的可中斷負(fù)荷量為某預(yù)測年最大負(fù)荷的3%。通過對安順電網(wǎng)的用電結(jié)構(gòu)分析可知，安順地區(qū)的工業(yè)用電占到了全社會用電的70%以上，其中的大工業(yè)用電又在工業(yè)用電比重中占有很大的比重，所以選取安順電網(wǎng)內(nèi)鋁業(yè)、冶金、建材、化工四大工業(yè)類型中供電負(fù)荷大于10MW的用戶作為實施可中斷負(fù)荷管理對象。根據(jù)上述可中斷電價的模型，需要分別計算出用戶和電力系統(tǒng)的收益函數(shù)，為簡化起見，算例中對參與的用戶采用統(tǒng)一定價的方式。根據(jù)文獻(xiàn)[12-16]，可得用戶的收益函數(shù)計算參數(shù)如表1所示。

地區(qū)電網(wǎng)主要考慮110kV變電容量的建設(shè)，110kV變電容量及其配套設(shè)施的單位造價計算約為37.18萬元/MVA；110kV變電容量的容載比取1.8～2.1；貴州省單位電源的建設(shè)造價按火電機(jī)組的造價考慮，取500萬元/MW；折現(xiàn)率按10%計。

表1 用戶收益函數(shù)計算參數(shù)

相較于節(jié)省的電源建設(shè)投資成本，電源節(jié)省的運(yùn)維費(fèi)用和發(fā)電成本很小，為了簡化計算，電力系統(tǒng)的可免運(yùn)行成本暫時只考慮電網(wǎng)的可免運(yùn)行成本，電網(wǎng)由于實施可中斷電價每年可減少的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)按照可減少的變電投資原值的4%考慮；在計算電力系統(tǒng)損失的售電收益時，暫時先不考慮減少售電量的電源發(fā)電成本，只計算損失掉的用戶售電收入。貴州省現(xiàn)行的大工業(yè)用電不同電壓等級電價的平均水平為0.54元/kWh，貴州電網(wǎng)目前的燃煤機(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價為0.372 8元/kWh。根據(jù)式(1)～(8)可中斷電價的具體計算結(jié)果如表2所示。

表2 可中斷電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果

從表2可見，P1

按照確定的可中斷電價對用戶每中斷1kWh電量補(bǔ)償1.198 4元的標(biāo)準(zhǔn)，分別對參與實施方案的各方進(jìn)行效益評估測算，其中，對實施可中斷負(fù)荷管理后電力系統(tǒng)的收益分電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分別進(jìn)行測算，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 用戶收益計算結(jié)果

表4 電力系統(tǒng)收益計算結(jié)果

由表3、表4可以看出，實施可中斷電價后，如果按照確定的電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對中斷用戶進(jìn)行中斷電量的補(bǔ)償，所有參與方都將獲得盈利，符合實施可中斷負(fù)荷管理的原則，很好地起到激勵用戶積極參與、努力調(diào)節(jié)自身用電負(fù)荷曲線的作用。

3 結(jié)束語

本文將可中斷負(fù)荷管理方案參與雙方的實施效益同時考慮進(jìn)可中斷電價的制定模型中，通過分析可以得到如下結(jié)論。

① 考慮方案參與雙方實施效益的可中斷電價模型對參與各方都能帶來收益。對于電力系統(tǒng)來說，不僅能減少或延緩電源和電網(wǎng)建設(shè)的投資成本和運(yùn)維成本，還能提高整個電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全穩(wěn)定性。對于參與可中斷電價實施的電力用戶來說，用戶能夠從電價補(bǔ)償中獲得收益，這個收益將大于由于實施中斷負(fù)荷帶來的停電成本。同時，在實施可中斷電價方案之后，用戶為了爭取收益的最大化，會不斷優(yōu)化自己的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程，盡量改善自身的用電方式，從而也能達(dá)到優(yōu)化負(fù)荷曲線的目的。

② 雖然對于電力系統(tǒng)整體來說，實施可中斷電價的效益巨大，但是其中獲得的收益卻不平衡，電源側(cè)的效益明顯，而電網(wǎng)公司所得的經(jīng)濟(jì)效益相對很小，但是可中斷電價的實施主體是電網(wǎng)公司，如果不能采取措施對其進(jìn)行激勵，就無法使電網(wǎng)公司積極參與，從而會有可能阻礙可中斷電價的實施和推廣，也就無法獲得整個電力系統(tǒng)的最佳經(jīng)濟(jì)效益，所以有必要對方案實施后的效益分配機(jī)制做下一步深入研究。

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(責(zé)任編輯：林海文)

Study on the Modeling of Interruptible Price by Considering Benefit of Participants and Its ApplicationZHAO Jing1,LIU Min1,WANG Hongliang1,LIN Cheng2,OUYANG Kefeng2,KANG Peng2,

WANG Yuping2,ZHANG Yong2

(1. Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2. Power Dispatching Control Center, Guizhou Power Grid Corporation, Guiyang 550001, China)

設(shè)計合理可行的可中斷電價是實施可中斷負(fù)荷管理的關(guān)鍵核心內(nèi)容，在對實施可中斷負(fù)荷管理各參與方的實施成本和效益分別進(jìn)行計算分析的基礎(chǔ)上，首先分析出方案實施后各參與方對可中斷電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的接受程度以及量化出各方可接受的臨界值標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建出考慮了實施可中斷負(fù)荷管理后各參與方實施成本及效益的可中斷電價優(yōu)化模型，最后以貴州省安順地區(qū)電網(wǎng)為算例進(jìn)行模擬測算和分析，測算結(jié)果驗證了該可中斷電價模型的可行性及有效性。

電力市場；需求側(cè)管理；可中斷電價；停電成本

To design a reasonable and effective interruptible price is the key content of the interruptible load management. Based on the analysis of the cost-benefit of each participant, the acceptance level of compensation standard of interruptible price is analyzed after the application of this scheme, and the critical value standard receipted by each participant is quantified. Furthermore, the optimal model of the interruptible price is proposed by considering cost-benefit of each participants when interruptible load management is applied. In the end, the Anshun power grid of Guizhou province is used to demonstrate the feasibility and effectiveness of interruptible price model.

power market；demand side management；interruptible price；power outage cost

1007-2322(2016)06-0087-05

A

TM732

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目(K-GZ2013-003)

2015-11-11

趙 菁(1979—)，女，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)控制及負(fù)荷管理，E-mail：zhaojing347@sina.com；

劉 敏(1972—)，女，教授，研究方向為電力市場及風(fēng)險管理，E-mail：minliu666@163.com。