峰谷電價下居民用電聚合響應特性分析

林啟開， 王 珂， 余 昆， 王 健

(1. 中國電力科學研究院南京分院，江蘇 南京 210003；2. 河海大學，江蘇 南京 211100)

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峰谷電價下居民用電聚合響應特性分析

林啟開1， 王 珂1， 余 昆2， 王 健2

(1. 中國電力科學研究院南京分院，江蘇 南京 210003；2. 河海大學，江蘇 南京 211100)

通過問卷調研和相關文獻分析居民用電負荷特性，介紹居民用戶電價響應經濟學機理。根據南京市典型居民小區(qū)歷史數據研究電價變化點負荷增長率，分析峰谷電價下居民小區(qū)用電聚合響應特性，對比多區(qū)域居民負荷增長率并引進峰谷電量比分析，總結居民峰谷電價用電特性及影響因素，分析原因并提出建議。

峰谷電價；居民負荷特性；經濟學機理；相關性；負荷增長率；峰谷比

0 引言

電力高峰負荷持續(xù)增長及間歇式能源的迅猛發(fā)展向電力系統(tǒng)調節(jié)能力提出新的重大挑戰(zhàn)，作為發(fā)電調度的補充，通過電價機制引導柔性負荷[1]參與調度運行有利于豐富電網調度的調節(jié)手段，提高電網額外調節(jié)能力，改善電網負荷形態(tài)，提高可再生能源消納能力，居民用電負荷具有柔性負荷的許多特征，作為短時間尺度上的調度資源受到極大重視。峰谷分時電價[2]作為一種有效的需求側管理手段,通過價格信號引導用戶合理用電，對移峰填谷優(yōu)化電力資源配置等方面起到了積極作用。一般都從工業(yè)用電開始實施峰谷電價，不過人民生活水平不斷提高，空調、電熱水器等家用電器越來越普及，降溫負荷所占比重愈來愈大，接近總用電負荷30%的降溫負荷是季節(jié)性缺電的主要原因。一般居民用戶的節(jié)電意識較強，雖然可轉移或可削減的負荷量不大，但用戶數量較大，峰谷電價下具有可觀的響應潛力，一旦改變了其用電習慣，則對長期的電網負荷大有好處。分析峰谷電價下居民用電聚合響應特性，可作為完善居民峰谷電價的參考。

本文以南京市為例，分析了居民用電負荷特性、峰谷電價下用戶用電心理和居民用電聚合響應特性。具體分析負荷增長率變化及與溫度、日類型[3]的相關性，對比多區(qū)域負荷增長率和峰谷比，分析居民經濟條件對峰谷電價的影響，最后調研典型小區(qū)居民對峰谷電價政策的了解參與程度。

1 居民負荷用電特性

1.1 負荷構成

居民用電的設備[4,5]主要包括：(1) 高耗電家用電器，如空調、電熱水器、電采暖器、電爐、微波爐、電磁爐等；(2) 低耗電常規(guī)家用電器，如照明燈具、冰箱、電視、洗衣機、消毒柜等。其中，照明燈具等低耗電常規(guī)家用電器使用比較普遍，屬于生活的必需品，可稱為基本負荷；高耗電家用電器中的空調、電采暖器、電熱水器越來越普及，屬于提高生活質量的產品，使用具有季節(jié)性，受氣溫影響較大，可稱為季節(jié)性負荷[3]。

1.2 用電時段

調研結果顯示，電熱水器一般只在要用熱水時才打開，電動汽車一般都是在06：00左右進行充電活動，并且在晚間會有明顯集中充電的行為，洗衣機在21：00后大量出現，空調及取暖器在居民下班后18:00—22:00使用。彩電及照明燈、電腦等是典型的晚間高峰負荷，在目前智能控制設備沒有普及的情況下，居民可轉移的用電負荷主要是電熱水器、洗衣機、電熱水壺等，部分電價敏感的空調也可作為可轉移或可削減負荷。

1.3 負荷曲線

圖1是從南京供電公司得到的某典型居民小區(qū)的典型日負荷曲線變化。2種不同顏色的曲線分別表示華府1號和華府2號2個調研小區(qū)，一天中的用電高峰大概出現在20:30—21:30，在11:30—13:30也會出現一個用電量的小高峰。曲線中負荷使用量最低值出現在凌晨04:00—05:00左右，并且在15:00左右也出現一個相對的低谷，整個一天的圖形是兩峰兩谷，基本呈現午高峰和晚高峰，最大負荷集中出現在19:00—22:00，各地略有不同，整個一天的負荷曲線可描述為兩峰兩谷。

圖1 調研小區(qū)的某一天總的負荷曲線Fig.1 Total load curve of the survey community for a given day

居民生活負荷的大小及負荷曲線的形狀與居民小區(qū)的大小、人口的密度及分布、小區(qū)內居民的收入水平有關，氣候條件、日類型也是影響居民負荷水平及負荷曲線的重要因素。不同季節(jié)高峰負荷出現的時間也各不相同。南京市2014年春夏季的典型負荷曲線如圖2所示，居民的用電主要出現在晚高峰時段，夏季有2個很明顯的高峰，其中一個高峰在10:30—14:00，另一個高峰在19:00—22:00，峰值比第一個高峰要高，主要是居民晚上照明和家用電器的用電，夏季天氣炎熱，中午和晚上大多數居民都開空調。

圖2 南京市春夏兩季居民典型日負荷特性曲線Fig.2 Typical daily load characteristic curve in spring and summer in Nanjing

2 峰谷電價下居民用電響應經濟學機理

電力市場中，終端用戶的價格響應就是指用戶在不同價格水平下改變自己的用電方式的行為。研究電力市場中終端用戶的響應對于電力公司更好地制定電價非常重要，因為只有摸清用戶在什么時段以什么價格下將消費多少電能后，電力公司制定的電價才具有正確的引導性[6-9]。

2.1 消費者對消費品價格的反應

用戶消費心理曲線如圖3所示。當消費品價格相對偏高時消費者會減少消費的數量，當價格相對偏低時消費者會增加消費的數量。另外，當消費品價格變動較小時，消費數量的變化也較小；而當消費品價格變動較大時，消費數量的變化也較大。居民對電能的消費有同樣的規(guī)律。

圖3 用戶消費心理曲線Fig.3 User’s consumption psychology curve

2.2 居民對電價的靈敏度分析

居民用戶對電價的反應可以用負荷轉移率[10]λ來描述，其示意圖如圖4所示。

圖4 負荷轉移率隨電價的變化Fig.4 Load transfer rate with price change

(1)

式(1)中：g,d分別為高電價和低電價，Δgd=g-d；agd為銷售電價對居民用戶刺激的最小可覺差，當銷售電價小于時，居民用戶基本上無反應；bgd為銷售電價對居民用戶刺激的最大飽和值，大于此值時，居民用戶將不再有更多的可轉移負荷，響應能力趨近飽和；Kgd為線性區(qū)斜率。agd，bgd的值由于用戶不同會有變化，受居民小區(qū)經濟條件及生活習慣的影響。

居民用戶將高峰期用電轉移至低谷期是要付出代價的,如差價不大,節(jié)省的電費不足以補償其耗費,用戶就沒有利用低谷電的積極性，或者當提高過后的電價與原電價差別不大時，居民不改變用電方式也能承受電價變化前后的電費，此時居民往往會圖方便或舒適而不愿改變用電方式，對應圖4中的死區(qū)。當電價提高到居民用戶無法承受的時候，居民則會將一些家用電器避峰運行或直接改用節(jié)能電器來降低用電量，對應圖中線性區(qū)。而部分用電又是必須的，無論如何改變電價，用戶也不可能改變此部分的用電量，對應于圖中飽和區(qū)。

對居民用戶實行峰谷電價，不同經濟水平居民的最小可覺差值和最大飽和值不同。因為支付能力較低、用電量較小的用戶側重節(jié)約電費, 會減少高峰用電，從而達到削峰的效果；支付能力高、用電量大的用戶更注重舒適度，一般不會減少高峰和低谷用電需求；而處于中間層的用戶可能綜合考慮電費與舒適度而適當減少高峰負荷，并通過購買大容量用電器(如電熱水器)或延長晚上空調開機時間增加低谷用電量。所以居民經濟條件也可能成為峰谷電價響應的重要影響因素。

3 南京居民用電聚合響應特性

居民用電聚合響應特性指多用戶、多類負荷響應的整體特性，而不區(qū)分用戶和負荷類型。采樣的數據為2012年南京市某居民小區(qū)的10kV線路負荷，其時間間隔為5min，反映的是小區(qū)多用戶多負荷總體特性。南京居民08:00—21:00執(zhí)行峰電價[0.55元/(kW·h)]，21:00至次日08:00執(zhí)行谷電價[0.35元/(kW·h)]。

圖5 08:00負荷趨勢Fig.5 08:00 Load trend

圖6 21:00負荷趨勢Fig.6 21:00 Load trend

3.1 電價變化點負荷趨勢

圖5和圖6中，橫坐標為時間，縱坐標為居民負荷?？紤]數據比例略去冬季曲線。圖5中節(jié)假日和工作日08：00負荷變化趨勢各異，無明顯規(guī)律。圖6在21:00電價變化后出現明顯增長趨勢，21:00節(jié)假日和工作日大部分居民在家中休息，負荷變化呈現上升趨勢不受日類型影響。居民晚上電器使用較多，用電負荷相對比白天大，用電可轉移負荷較多，在電價變化之后，響應變化較白天明顯。

3.2 負荷增長率分析

本文主要以電價變化點負荷增長率為對象進行分析，首先對2個電價變化點定義。

l表示對應時刻負荷值,lmin1取08:00—08:30最小值，lmax1取07:30—08:30最大值。lmax2取21:00—21:30最大值，lmin2取20:30—21:00最小值。通過SPSS分析電價變化點負荷增長率與日類型、溫度相關性得表1和表2。這里日類型主要區(qū)別節(jié)假日與工作日，進行相關性分析時工作日標注1、節(jié)假日標注2。下標0.01或者0.05水平指的是顯著性水平，也稱作P值。顯著性小于0.05則為顯著相關,小于0.01則為極顯著相關。這里判斷相關關系強弱主要由Pearson相關系數來判斷，其值越大相關性越強。

表1 08:00負荷增長率相關性Table 1 Correlation of load growth rate at 08:00

由表1數據，08：00負荷增長率與日類型的Pearson相關系數除10 min增長率都超過0.5，工作日08：00大部分居民需外出上班，日類型對負荷增率影響較大，10 min與日類型相關性較弱，可能是響應時間不足造成。08：00負荷增長率與溫度相關性較弱。由表2數據，21:00大部分居民在家休息，日類型對負荷增長率基本無影響，與上文分析一致。而受溫度影響明顯，原因是晚間居民生活受溫度影響較大，空調、風扇、取暖器等電器設備投入使用。

表2 21:00負荷增長率相關性Table 2 Correlation of load growth rate at 21:00

對數據區(qū)分日類型求全年增長率期望得表3和表4。08：00工作日與雙休日的增長率期望偏差較大，說明日類型對08：00增長率影響較大；21：00工作日與雙休日增長率期望差異不大，再次驗證日類型對21：00負荷增長率基本無影響。

表3 08:00區(qū)分日類型負荷增長率Table 3 Load growth rate at 08:00 under different day types

表4 21:00區(qū)分日類型負荷增長率Table 4 Load growth rate at 21:00 under different day types

3.3 多區(qū)域響應對比分析

不同地區(qū)由于地理位置和經濟生活水平不同，可能對峰谷分時電價的響應作出不同動作。南京7個區(qū)域2013年的峰谷電量對比分析總結如表5所示。

表5中，紅色為所在列最大值，藍色為最小值。橫向比較峰谷比期望，每個區(qū)域夏冬峰谷比都偏低于春秋，說明居民峰谷電價受季節(jié)影響明顯。分析原因是夏冬兩季季節(jié)性負荷如空調、取暖器在谷電價期間使用較多，增加了谷負荷從而峰谷比較小。三牌樓和百家湖峰谷比相差最大，如圖7所示。

表5 南京七區(qū)對比分析Table 5 The comparative analysis about seven regions of Nanjing

圖7 三牌樓百家湖全年峰谷比Fig.7 The annual peak-to-valley ratio of Sanpailou and Baijiahu

三牌樓峰谷電量比明顯高于百家湖，峰谷電價對降低三牌樓地區(qū)峰谷差作用并不明顯，分析原因則是由于居民經濟條件影響，且居民對峰谷電價了解響應程度不同。一般規(guī)律是經濟條件好的用戶更注重舒適度，電價變化在其經濟承受能力范圍內，居民不愿改變原有用電方式，峰谷比較大；相對支付能力較低的用戶側重節(jié)約電費, 會減少高峰用電，峰谷比較小。居民的收入屬于個人隱私問題，調查問卷也不方便，居民經濟條件獲取困難，若以區(qū)域房價為指標劃分7個區(qū)域經濟條件，7個區(qū)域峰谷比不完全符合上述經濟規(guī)律，需進一步調研分析。又調研典型小區(qū)居民對峰谷電價的了解程度，如圖8所示。

圖8 關于峰谷電價的調研分析Fig.8 The investigation and analysis on peak and valley price

在峰谷電價了解程度調研選項上65.7%的用戶知曉，34.3%的用戶不太了解居民電價有峰谷時段的不同，在知曉峰谷電價機制的用戶里，46%的居民考慮了峰谷電價的影響，說明用戶本身具有很高的節(jié)約使用電能的認識，剩下54%的用戶在使用家用設備時沒有過多關注峰谷電價政策，主要是根據自身使用習慣來決定設備的啟停，所以說這類用戶還具有很大調節(jié)空間，只要有恰當的需求響應策略[11-16]還是能夠吸引這類用戶參與到需求響應項目中的。峰谷分時電價政策在小區(qū)的實施效果還遠遠沒有達到理想的效果，如果采取積極的宣傳教育和合理的激勵措施，居民用戶仍然有很大的響應潛力。

4 結語

(1) 居民響應峰谷電價季節(jié)規(guī)律明顯，跟溫度直接相關，可考慮施行峰谷電價與季節(jié)性尖峰電價結合的電價機制。部分發(fā)達國家居民階梯電價與季節(jié)性峰谷分時電價結合的電價政策值得借鑒參考。

(2) 居民21：00峰谷電價響應效果比08：00明顯。08：00負荷增長率受日類型影響，21：00負荷增長率受溫度影響，且跟電器使用特性和居民生活規(guī)律相關。

(3) 居民對峰谷電價政策缺乏了解參與，尚存在很大響應潛力，應加大峰谷電價政策宣傳教育，可考慮三段式電價或者拉大峰谷電價比，激勵不同條件居民響應峰谷電價。

當然，本文是以南京市居民為例進行分析，普適性還需進一步研究分析。

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林啟開

林啟開(1991 —)，男，河南商丘人，碩士研究生，從事需求響應研究工作；

王 珂(1980 —)，女，河南商丘人，研究員高級工程師，研究方向為智能電網互動運行控制、交直流電力系統(tǒng)的分析與控制;

余 昆(1978 —)，男，江蘇南京人，副教授，研究方向為地區(qū)電力經濟運行、地區(qū)電網

安全分析與控制;

王 健(1992 —)，男，湖北襄陽人，碩士，從事需求響應研究。

(編輯 徐林菊)

Analysis on the Polymeric Response Characteristics ofResidents Under the Peak and Valley Electricity Price

LIN Qikai1，WANG Ke1，YU Kun2，WANG Jian2

(1. China Electric Power Research Institute (Nanjing)，Nanjing 210003，China; 2. Hohai University, Nanjing 211100,China)

This paper analyses the residential load characteristics by questionnaire survey and the relevant literatures，and introduces the economic mechanism of consumers’ response on electricity price. Then this paper studies the load growth rate at the point of price changed according to the historical data of a typical residential neighborhood in Nanjing, and analyses the polymerization characteristics of residential electricity. This paper analyses the load growth rate of many areas and introduces the peak-to-valley ratio. Last, this paper concludes the residential load characteristics and influencial factors, and analyses the reasons and puts forward some suggestions.

peak and valley electricity Price; residential load characteristics; economic mechanism; relevance; load growth rate; peak-to-valley ratio

2016-12-30；

2017-02-28

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20160145)；國家電網公司科技項目(“源-網-荷”動態(tài)交互仿真模擬技術研究及系統(tǒng)開發(fā))

TM714

A

2096-3203(2017)03-0088-06