雙回路差價(jià)機(jī)制研究

沈金榮，孫賢賢，倪瑩

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022）

雙回路差價(jià)機(jī)制研究

沈金榮，孫賢賢，倪瑩

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022）

為了更有效地刺激用戶主動(dòng)改變用電方式，達(dá)到削峰填谷的目的，提出雙回路的概念，即在末端用戶表計(jì)處設(shè)置雙回路（一路輸入兩路輸出，一路傳統(tǒng)回路輸出，一路直控回路輸出，兩回路分別計(jì)量并實(shí)行不同電價(jià)）。同時(shí)，構(gòu)建雙回路差價(jià)優(yōu)化模型，以谷時(shí)用電負(fù)荷最大及峰谷負(fù)荷差最小為目標(biāo)，運(yùn)用MATLAB求解多目標(biāo)模型，算例仿真結(jié)果表明，實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制在用戶用電成本不增加的同時(shí)，保證供電企業(yè)利潤不下降，達(dá)到供電側(cè)和居民用戶側(cè)雙贏的效果。

雙回路；差價(jià)機(jī)制；多目標(biāo)優(yōu)化；削峰填谷

隨著世界能源形勢的日益緊張，電力需求側(cè)管理成為近年來社會廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。需求側(cè)管理DSM（demand sidemanagement，DSM）是20世紀(jì)80年代初由美國人提出的一種在用戶有效參與下充分利用電力資源的系統(tǒng)工程，是指電力公司采取有效的激勵(lì)措施，引導(dǎo)消費(fèi)者改變用能方式和時(shí)間，使資源得到優(yōu)化配置的活動(dòng)[2]。峰谷分時(shí)電價(jià)作為需求側(cè)管理的一種經(jīng)濟(jì)手段，可以鼓勵(lì)用戶調(diào)整用電負(fù)荷，削峰填谷，有一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[3-7]，但我國實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)采用的主要是行政手段，而不是經(jīng)濟(jì)及手段，導(dǎo)致電力公司的收入減少，部分城市甚至出現(xiàn)峰谷倒置的現(xiàn)象，再加之其延遲性，使得峰谷分時(shí)電價(jià)效果明顯滯后[8-9]。因此，如何制定更加合理的電價(jià)政策，是一個(gè)亟待解決的問題。

文獻(xiàn)[10]從動(dòng)力學(xué)角度對分時(shí)電價(jià)進(jìn)行仿真，文獻(xiàn)[11]用模糊求解法對分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，驗(yàn)證了模型的可行性并提出合理的電價(jià)方案，但都停留在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，未做改進(jìn)。文獻(xiàn)[12]則是從發(fā)電側(cè)和售電側(cè)的角度提出峰谷分時(shí)聯(lián)動(dòng)模型，分?jǐn)偣╇姽竞桶l(fā)電公司的效益和風(fēng)險(xiǎn)，但研究還不成熟。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[13]分別在峰谷分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上提出了可中斷負(fù)荷策略和梯度電價(jià)策略，但實(shí)施后供電企業(yè)的利潤下降。文獻(xiàn)[14]從用戶需求側(cè)來分析用戶對電價(jià)的響應(yīng)關(guān)系，對分時(shí)電價(jià)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到用戶和售電側(cè)雙贏的目的。

在末端居民用戶表計(jì)處引入雙回路的概念，一路輸入兩路輸出，一路傳統(tǒng)回路輸出，一路直控回路輸出，分別計(jì)量，不同回路實(shí)行不同電價(jià)，更好地通過經(jīng)濟(jì)手段提高削峰效果。指導(dǎo)居民用戶對負(fù)荷進(jìn)行分類，重要負(fù)荷接入傳統(tǒng)用電回路，電價(jià)稍高；一般負(fù)荷接入直控回路，可受供電企業(yè)遠(yuǎn)程控制，供電可靠性較低，但電價(jià)稍低。在此基礎(chǔ)上建立雙回路差價(jià)模型并進(jìn)行數(shù)值仿真，并驗(yàn)證了本文提出的雙回路電價(jià)方案的可行性。

1 雙回路差價(jià)機(jī)制

雙回路差價(jià)機(jī)制改變了末端用戶的供電線路，在末端居民用戶表計(jì)處實(shí)行一路輸入兩路輸出，一路為直接控制回路輸出、另一路為傳統(tǒng)回路輸出，兩回路分別計(jì)量并實(shí)行不同電價(jià)。用戶對負(fù)荷進(jìn)行分類，重要負(fù)荷接入傳統(tǒng)回路，一般負(fù)荷接入直控回路，必要時(shí)也可將一般負(fù)荷切回傳統(tǒng)回路。直控回路可由供電企業(yè)根據(jù)電力調(diào)度需要，在峰時(shí)單方面切斷供電，對非必要負(fù)荷停止供電，而將電量轉(zhuǎn)移至非居民用電。文中采用的差價(jià)機(jī)制是在假設(shè)實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前后電網(wǎng)總負(fù)荷不變的情況下進(jìn)行的。

1.1 雙回路電價(jià)設(shè)置

傳統(tǒng)回路和直控回路的電價(jià)設(shè)置和優(yōu)惠幅度如表1所示，為了更好地激勵(lì)居民用戶改變用電行為，兩回路將會分別計(jì)量并實(shí)行不同電價(jià)，其中傳統(tǒng)回路應(yīng)設(shè)置的電價(jià)略高于平時(shí)電價(jià)，而直控回路應(yīng)設(shè)置的電價(jià)略低于平時(shí)電價(jià)。

表1 雙回路電價(jià)設(shè)置Tab.1 Price setting of the double circuit

其中P0為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前居民用戶的購電單價(jià)；x1和x2分別為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后傳統(tǒng)回路和直控回路的電價(jià)與未實(shí)施前電價(jià)P0的比值。

1.2 用戶響應(yīng)

應(yīng)對不同的定價(jià)方案，居民用戶會有不同的響應(yīng)。設(shè)居民用戶傳統(tǒng)回路的峰谷用電量與雙回路的優(yōu)惠幅度成反比，居民用戶直控回路的峰谷用電量與雙回路的優(yōu)惠幅度成正比，則居民用戶對價(jià)格的響應(yīng)曲線可表示為

式中：y為t時(shí)段居民用戶實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后用電量與未實(shí)施前用電量的比值。

同樣地，優(yōu)惠幅度越大，居民用戶越積極的將用電量分?jǐn)偟街笨鼗芈分?。所以在這里引入直控回路用電量占總用電量的比例參數(shù)μ，其與優(yōu)惠幅度成正比：

式中：μ1和μ2分別為直控回路占峰、谷用電量的比例；k1和k2分別為比例系數(shù)；Qf2和Qg2分別為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后直控回路的峰谷用電量；Q′f和Q′g分別為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后的峰谷用電量。

2 雙回路差價(jià)機(jī)制優(yōu)化模型的建立

2.1 目標(biāo)函數(shù)

雙回路差價(jià)機(jī)制的最終目的是通過雙回路電價(jià)引導(dǎo)居民用戶合理用電，在居民用電舒適度基本不變的情況下盡可能減少峰負(fù)荷，適當(dāng)提高谷負(fù)荷，盡可能地減少居民用戶的購電費(fèi)用，并且保證供電方不損失利益，以達(dá)到社會效益最優(yōu)。

其優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為：

1）使日負(fù)荷曲線的峰負(fù)荷最小，即：

2）使日負(fù)荷曲線的谷負(fù)荷最大，即：

3）日負(fù)荷曲線的峰谷差，即：

式中：Qt1為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前居民峰時(shí)各時(shí)段的用電量；Qt2為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前居民谷時(shí)各時(shí)段的用電量；Δt為各時(shí)段的時(shí)長。選用目標(biāo)函數(shù)1）和目標(biāo)函數(shù)2）進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化，由于優(yōu)化方向不一致，而導(dǎo)致優(yōu)化難度增加；故選取目標(biāo)函數(shù)式（6）和式（8）。

2.2 約束條件

1）供電公司收益。需求側(cè)管理是一項(xiàng)社會性措施，要盡量使用戶和供電企業(yè)達(dá)到雙贏的效果，所以要保證供電公司在實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后的收益不小于實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前的利潤。供電公司未實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制時(shí)，在居民用電側(cè)的收益為

式中：Pm為上網(wǎng)電價(jià)；P0為未實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制時(shí)的電價(jià)；Q為用戶的用電量。

供電公司實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后，供電公司在居民用電側(cè)的收益為

約束條件為

式中：x3為非居民用電的峰時(shí)電價(jià)與未實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制時(shí)電價(jià)P0的比值；Qf1和Qg1分別為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后傳統(tǒng)回路的峰、谷用電量。假設(shè)非居民用電的峰谷上網(wǎng)電價(jià)與居民用電峰谷上網(wǎng)電價(jià)相同。

2）用戶收益。雙回路差價(jià)機(jī)制需要保證居民用戶利益不受損，即實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前后的單位購電成本不增加。那么約束條件為

3）前后用電量不變。假設(shè)實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前后電網(wǎng)總負(fù)荷不變，其約束條件為

式中：Qf和Qg分別為實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前居民用戶的峰、谷時(shí)用電量。

4）考慮到發(fā)電成本和用戶的承受能力，監(jiān)管部門必須對雙回路電價(jià)進(jìn)行約束為

式中：P1min、P1max，P2min、P2max分別為監(jiān)管部門規(guī)定的傳統(tǒng)回路電價(jià)、直控回路電價(jià)的最小值和最大值。它們與購電的邊際成本、當(dāng)?shù)赜脩舻南M(fèi)水平及滿意度有關(guān)。

5）其余約束條件。為了防止峰谷倒置，所以其約束條件為

3 模型求解

3.1 優(yōu)化模型

經(jīng)過第2節(jié)分析，模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件可用式（16）表示：

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化

所需求解的模型是一個(gè)多目標(biāo)模型，由于多目標(biāo)模型目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方向并非完全一致，很難采用一般的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行直接求解。對于多目標(biāo)模型，在實(shí)際的求解過程中很難找到最優(yōu)解，只能在權(quán)衡各優(yōu)化目標(biāo)的基礎(chǔ)上給出相對精確的滿意解。

文中的最優(yōu)解不僅受到約束條件的限制，還受到目標(biāo)函數(shù)的影響，這就使得模型的最優(yōu)解存在一定的模糊性，難以求出一個(gè)最優(yōu)解，所以，本文將結(jié)合模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)知識，運(yùn)用基于隸屬度的多目標(biāo)模糊優(yōu)化方法對其進(jìn)行優(yōu)化[15-20]，在滿足各個(gè)約束條件的基礎(chǔ)上給出相對精確的滿意解。其步驟為：

1）分別求解2個(gè)單目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。首先，求解以最大負(fù)荷的最小值為優(yōu)化目標(biāo)的模型，采用MATLAB求解有約束非線性問題，可得到α和目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值Lmin，以及此時(shí)相對應(yīng)的峰谷差為d′；其次，求解以峰谷差的最小值為優(yōu)化目標(biāo)的模型，可得到α′和目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值為dmin，以及與之相對應(yīng)的最大負(fù)荷為L′。

2）定義目標(biāo)函數(shù)的隸屬函數(shù)，將目標(biāo)模糊化。由于最大負(fù)荷和峰谷差都是越小越好，因此，可采用半梯形分布中偏小型，其函數(shù)表達(dá)式為

由此可得，最大負(fù)荷的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Lmin和Lmax分別為以最大負(fù)荷的最小值為優(yōu)化目標(biāo)在式（16）約束條件下最大負(fù)荷的最小值和最大值。

同理，峰谷差的隸屬函數(shù)也為半梯形函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：dmin和dmax分別為以峰谷差的最小值為優(yōu)化目標(biāo)在式（16）約束下峰谷差的最小值和最大值。

3）根據(jù)最大滿意度原則求α*。在確保α*滿足約束條件的情況下，滿足z0（α*）=max[z（L），z（d）]，這樣可以使多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題。則供電公司實(shí)行雙回路差價(jià)的模型可描述為

這樣，多目標(biāo)非線性規(guī)劃問題簡化為單目標(biāo)非線性規(guī)劃問題，主要變量有α、z，可以利用MATLAB對其求解，從而得到相對精確的滿意解。

4 實(shí)際算例分析

4.1 原始數(shù)據(jù)

文中以某地區(qū)日負(fù)荷用電為例，其負(fù)荷曲線如圖1所示[5]，日負(fù)荷數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1日負(fù)荷曲線Fig.1 Daily load curve of power grid

4.2 仿真優(yōu)化

江蘇省的峰谷時(shí)段劃分為，峰時(shí)8:00—21:00；谷時(shí)21:00—次日8:00；電價(jià)統(tǒng)一為0.55元/kW·h；上網(wǎng)電價(jià)Pm=0.4元/kW·h；非居民用電價(jià)格為1.1元/ kW·h，此時(shí)x3=2；根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，可以假設(shè)k1= 0.25，k2=1.2，規(guī)定傳統(tǒng)回路和直控回路電價(jià)的波動(dòng)范圍為1≤x1≤1.5，0.5≤x2≤1。

表2 日負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.2 Daily load data of power grid

其優(yōu)化過程如下：

1）可以根據(jù)該地區(qū)在電價(jià)改變后居民用戶的用電情況得出居民用戶對電價(jià)的響應(yīng)情況，由于數(shù)據(jù)不全，無法給出具體擬合過程，現(xiàn)假設(shè)用戶對電價(jià)的響應(yīng)曲線為：

式中：t為各個(gè)時(shí)間段（t=1，2，3，…，24）。現(xiàn)假設(shè)響應(yīng)函數(shù)為：

由于在實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后，居民用戶的響應(yīng)會有些滯后，所以峰時(shí)用電仍然增加，同時(shí)，為保持總電量不變，居民谷時(shí)用電量也會減小；但隨著優(yōu)惠幅度的增加，居民峰時(shí)用電量將會減少，而谷時(shí)用電量會增加。假設(shè)峰時(shí)用戶響應(yīng)幅度大于谷時(shí)響應(yīng)幅度，取b=2，0.88≤y≤1.08（t=9，10，…，21）；b= 4，0.98≤y≤1.09（t≠9，10，…，21）。再根據(jù)x1和x2的取值范圍即可得出峰谷時(shí)的響應(yīng)曲線，即式（21）。

雖然該曲線并不能準(zhǔn)確反應(yīng)該地區(qū)用戶對電價(jià)的響應(yīng)情況，但本文主要驗(yàn)證雙回路差價(jià)機(jī)制的可行性，由響應(yīng)曲線引起的偏差并不影響驗(yàn)證的結(jié)果，所以，該假設(shè)是合理的。

2）對其進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化。首先，求解以最大負(fù)荷的最小值為優(yōu)化目標(biāo)的模型，根據(jù)式（16）的約束條件，可以得出此時(shí)最優(yōu)的α=0.430 49，Lmin=13.183 4 MW，峰谷差為d′=5.264 7MW。同理，可求得此時(shí)的最大負(fù)荷為Lmax=14.9MW，α=0；其次，求解以峰谷差的最小值為優(yōu)化目標(biāo)的模型，可得出此時(shí)最優(yōu)的α=0.430 45，dmin=5.264 3 MW，與之相對應(yīng)的最大負(fù)荷為L′= 13.183 8 MW。同理，可求出對應(yīng)的最大峰谷差為dmax=7.1MW，α=0。由式（18）和式（19）得出：

3）模糊優(yōu)化。根據(jù)模型（20），可得最優(yōu)值：α= 0.430 47，此時(shí)的最大負(fù)荷為13.183 6 MW，最小負(fù)荷為7.919 0 MW，峰谷差為5.264 6 MW，z=0.999 8?？梢?，采用模糊優(yōu)化所得的最大負(fù)荷和峰谷差分別介于單目標(biāo)優(yōu)化最小值和最大值之間，可為供電公司提供更加合理的電價(jià)策略。

不同的定價(jià)策略會對結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，現(xiàn)給出幾組定價(jià)方案與最優(yōu)定價(jià)方案的對比，如表3所示。

表3 不同定價(jià)方案對比Tab.3 Comparison of different price settings

4.3 仿真結(jié)果

根據(jù)4.2節(jié)仿真優(yōu)化的結(jié)果，可得到實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制后的典型日負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制前后負(fù)荷變化曲線Fig.2 Load curves of power grid before and after the implementation of the electrovalence disparity mechanism of double circuit

仿真結(jié)果顯示，當(dāng)α=0.430 47時(shí)，仿真結(jié)果最優(yōu)。峰負(fù)荷的最大值為13.183 6 MW，峰谷差的最大值為5.264 6 MW；未實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制時(shí)的最大峰負(fù)荷為14.9MW，峰谷差為7.1MW；最大峰負(fù)荷減小了1.716 4 MW，峰谷差減小了1.835 4MW。

在保證α=0.430 47不變的情況下，供電企業(yè)可以合理地制定電價(jià)。當(dāng)x1=1.078 4，x2=0.614 2時(shí)，居民用戶購電單價(jià)由之前的0.55元/kW·h變?yōu)?.541 5元/kW·h，供電企業(yè)利潤由40 625.2元增加到49 213.8元；當(dāng)x1=1.081 5，x2=0.616 0時(shí)，居民用戶購電單價(jià)由之前的0.55元/kW·h變?yōu)?.543 0元/kW·h，供電企業(yè)利潤由40 625.2元增加到49 608.9元。由此可見，此模型在保證居民用戶側(cè)和供電側(cè)利益不受損的情況下達(dá)到了削峰填谷的效果。

由于在峰時(shí)供電企業(yè)將居民用戶直控回路的負(fù)荷切斷，將電力轉(zhuǎn)移至非居民用電，從而在保證居民基本生活用電的同時(shí)降低了居民的用電成本，減小了居民用電的峰負(fù)荷，而非居民用電電價(jià)高于居民用電電價(jià)，所以供電企業(yè)的利潤相比之前不降反增；在谷時(shí)居民用電負(fù)荷增加，但由于采用了雙回路差價(jià)機(jī)制，負(fù)荷多增加在直控回路，所以谷時(shí)居民用電成本的增加仍小于峰時(shí)用電成本的減少，總體來說居民用電成本仍然降低，對于供電企業(yè)來說，用電負(fù)荷的增加必然會增加企業(yè)的利潤，所以在谷時(shí)供電企業(yè)利潤仍然增加。由此可見，雙回路差價(jià)機(jī)制可以在保證居民用戶側(cè)和供電側(cè)利益不受損的情況下達(dá)到了削峰填谷的效果，實(shí)現(xiàn)多方共贏。

5 結(jié)語

主要討論了雙回路差價(jià)機(jī)制對用電負(fù)荷的影響，它可以增強(qiáng)削峰填谷的效果，并且保證居民用戶側(cè)和供電側(cè)雙方利益不受損，合理地分配社會資源，引導(dǎo)居民用戶主動(dòng)改變消費(fèi)行為和用電方式。

本文所提的計(jì)價(jià)模型綜合考慮了居民用戶側(cè)和供電側(cè)的利益關(guān)系，以居民用戶用電單價(jià)和供電公司利潤為指標(biāo)來衡量模型的優(yōu)劣，較以往模型能夠更好地兼顧雙方的利益，可以更清晰地了解雙方利益的變化，并通過指標(biāo)的變化更合理的制定電價(jià)。

每個(gè)地區(qū)的居民用戶對電價(jià)政策的響應(yīng)關(guān)系不盡相同，電價(jià)方案可以根據(jù)每個(gè)地區(qū)的具體情況進(jìn)行進(jìn)一步研究，使雙回路差價(jià)更加合理、實(shí)用。雙回路差價(jià)機(jī)制也可以與峰谷分時(shí)電價(jià)或階梯電價(jià)同時(shí)實(shí)施，但在具體實(shí)施時(shí)，需要相關(guān)線路調(diào)整來配合，對用電表處的輸出回路和居民用戶家用線路做出相應(yīng)調(diào)整，定價(jià)方案也要根據(jù)實(shí)際情況而定。

實(shí)施雙回路差價(jià)機(jī)制不僅是需求側(cè)管理的有利措施，也是社會節(jié)能和能源優(yōu)化的重要手段，政府應(yīng)通過補(bǔ)貼等方式激勵(lì)供電公司，以加快該措施的實(shí)施。

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（編輯 董小兵）

Study on the Electrovalence Disparity M echanism of Double Circuit

SHEN Jinrong，SUN Xianxian，NIYing
（College ofMechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，Jiangsu，China）

In order to stimulate users to change the way of using electricity more actively and effectively and achieve the goal of peak load shifting better，a conception of double circuit is proposed in this paper to set the double circuit at the terminal user meter.A single input works with two outputs which are divided into a traditional circuit and a direct control circuit. Both of circuitsmeter independently with a different price.At the same time，the optimized model of the electrovalence disparity of double circuit is constructed.Aiming at maximizing power load of valley time and minimizing the difference of power load between peak and valley time，themulti-objectsmodel is solved by MATLAB.Finally，the correctness of themodel and the feasibility of the electrovalence disparity mechanism of double circuit are proved by the simulation example.The simulation results show that the proposed mechanism can ensure that the cost of electricity consumption is not increased and the profit of power supply enterprise is not reduced，and the winwin result can be achieved both for the power supply side and the user side.

double circuit；electrovalence disparity mechanism；multi-objects optimization；peak load shifting

2016-06-09。

沈金榮（1970—），男，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)楣夥㈦娋W(wǎng)技術(shù)、新能源與節(jié)能技術(shù)；

孫賢賢（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c節(jié)能技術(shù)。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2015B28114）；常州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（CM20123009）。

Project Supported by the Central University Basic Scientific Research Program（2015B28114）；the Science and Technology Program of Changzhou City（CM20123009）.

1674-3814（2017）02-0057-07

TM73

A