在用戶分類基礎(chǔ)上考慮電網(wǎng)穩(wěn)定性的智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)定價(jià)模型研究

鄒鑫 高巖

摘 要：隨著全球節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，智能電網(wǎng)通過(guò)價(jià)格機(jī)制對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，削減電網(wǎng)系統(tǒng)的峰谷差，減少了電網(wǎng)用戶交叉補(bǔ)貼。在以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)的智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)定價(jià)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶用電特性對(duì)用戶進(jìn)行分類，同時(shí)引入維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響因子以及科斯定理，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)電網(wǎng)定價(jià)模型并通過(guò)對(duì)偶優(yōu)化對(duì)模型求解。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，考慮電網(wǎng)穩(wěn)定性的福利模型不僅能夠進(jìn)一步起到削峰填谷的作用，而且還能夠提高整個(gè)社會(huì)福利。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)定價(jià);電網(wǎng)穩(wěn)定性;社會(huì)福利

中圖分類號(hào)：F224.31 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1673-291X（2021）19-0093-06

引言

根據(jù)國(guó)家能源局對(duì)全國(guó)電力行業(yè)的統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月，全社會(huì)用電量累計(jì)達(dá)27 197億千瓦時(shí);其中，第一產(chǎn)業(yè)用電量297億千瓦時(shí)，第二產(chǎn)業(yè)用電量18 098億千瓦時(shí)，第三產(chǎn)業(yè)用電量4 296億千瓦時(shí)，城鄉(xiāng)居民用電量4 506億千瓦時(shí)。我國(guó)電力市場(chǎng)龐大，同時(shí)傳統(tǒng)電網(wǎng)通過(guò)大規(guī)模、集中式的發(fā)電機(jī)組向終端用戶提供電力，由于缺乏電力供給端和用戶之間實(shí)時(shí)信息交互，傳統(tǒng)的電網(wǎng)模式已不能使日益增長(zhǎng)的電力需求與電力的實(shí)時(shí)供應(yīng)相匹配[1～2]。從需求側(cè)出發(fā)的實(shí)時(shí)電網(wǎng)定價(jià)能夠讓這一龐大的系統(tǒng)進(jìn)行合理的調(diào)度，從而達(dá)到節(jié)約資源，合理配置電力資源的目的。

智能電網(wǎng)是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)，先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)[3～4]。實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。在智能電網(wǎng)中，有很多種定價(jià)方法，目前較流行的定價(jià)方法有以下幾種：固定電價(jià)、階梯定價(jià)、分時(shí)電價(jià)、關(guān)鍵峰荷電價(jià)、自適應(yīng)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)[5～8]。近年來(lái)，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)高速發(fā)展，以及通信即將全面進(jìn)入5G時(shí)代，數(shù)據(jù)的收集、儲(chǔ)存、傳輸、處理方面都有了很大提升，使得智能電網(wǎng)供求信息交互能夠得到及時(shí)處理[9～12]。因此，智能電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)反映實(shí)時(shí)供電成本的實(shí)時(shí)定價(jià)策略的要求也越來(lái)越強(qiáng)烈。實(shí)時(shí)電價(jià)能夠通過(guò)價(jià)格機(jī)制有效調(diào)節(jié)電力的供給與需求，減少電力資源的浪費(fèi)，同時(shí)供電方能通過(guò)調(diào)節(jié)電價(jià)的方式來(lái)激勵(lì)用戶在電力高峰期減少不必要的電力消費(fèi)，同時(shí)在電力低谷期進(jìn)行必要的能源儲(chǔ)存，起到削峰填谷的作用。

實(shí)時(shí)定價(jià)是智能電網(wǎng)需求側(cè)管理中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也成為近年來(lái)學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。Samadi等最先在研究智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)定價(jià)模型中引入微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)社會(huì)福利最大化的思想，為后來(lái)很多學(xué)者研究智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)定價(jià)提供了藍(lán)本[13]。Milad等通過(guò)對(duì)用戶電器進(jìn)行詳細(xì)分類，提出一種事件驅(qū)動(dòng)博弈策略來(lái)對(duì)需求響應(yīng)下的智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)定價(jià)[14]。Oluwasanmi等將能量?jī)?chǔ)存設(shè)備考慮進(jìn)電力系統(tǒng)，同時(shí)模擬用戶電力消費(fèi)的不確定性，解決了電力市場(chǎng)供求平衡問(wèn)題[15]。劉國(guó)明等采用斯塔克伯格均衡來(lái)求解電力供給不足的條件的實(shí)時(shí)電網(wǎng)價(jià)格[16]。汪宏杰等采用了光滑化方法對(duì)不同用戶非光滑的效用函數(shù)進(jìn)行光滑處理[17]。陶莉等通過(guò)建立博弈模型對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)不確定性進(jìn)行了研究[18～19]。潘婷婷等將光能和化石燃料兩種類型能源互補(bǔ)供電的方式引入到社會(huì)福利最大化實(shí)時(shí)定價(jià)模型中[20]。

本文在以前學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建了一個(gè)社會(huì)福利最大化實(shí)時(shí)定價(jià)模型，針對(duì)智能電網(wǎng)系統(tǒng)中電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，將維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響因子考慮進(jìn)入社會(huì)福利最大化模型中;針對(duì)用戶用電效用的不同，將用戶分為工業(yè)用戶以及普通居民用戶。同時(shí)，考慮到存在通用電器與可使用替換能源的智能電器能給居民用戶帶來(lái)相同的效用，我們將能源替代考慮進(jìn)入實(shí)時(shí)定價(jià)模型中;由于工業(yè)用戶用電后的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)會(huì)對(duì)他人和社會(huì)造成的非市場(chǎng)化的影響，我們將經(jīng)濟(jì)學(xué)中的科斯定理考慮進(jìn)入整個(gè)社會(huì)福利最大化模型中，由此，產(chǎn)生了工業(yè)用戶用電以及居民用戶用電價(jià)格的差異性。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了社會(huì)福利最大化兼顧電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)定價(jià)模型有效性和合理性。

一、福利經(jīng)濟(jì)學(xué)模型

本文考慮一個(gè)小型電網(wǎng)系統(tǒng)，由一個(gè)電力供應(yīng)商和多個(gè)終端用戶構(gòu)成。終端用戶分為普通居民用戶以及工業(yè)用戶，每個(gè)終端用戶均安裝智能電表及能源調(diào)度控制器，其作用不僅可以使用戶和供電商進(jìn)行實(shí)時(shí)用電量及實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行交互，而且能控制各個(gè)電器根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)。從福利經(jīng)濟(jì)學(xué)角度思考，研究的目標(biāo)是使整個(gè)社會(huì)福利最大化，同時(shí)要考慮電力供應(yīng)商供電的穩(wěn)定性以及工業(yè)用戶用電對(duì)環(huán)境造成的影響。

實(shí)時(shí)電價(jià)能反映電力的短期生產(chǎn)成本以及電量信息。將1天作為一個(gè)用戶用電周期（T），同時(shí)將這個(gè)用電周期分為t個(gè)時(shí)段，即T={1，2，3……t}。終端用戶（C）主要分為兩類：普通居民用戶（Cr）和工業(yè)用戶（Ci）。現(xiàn)在考慮有n個(gè)普通居民用戶和m個(gè)工業(yè)用戶，即Cr={1，2，3……n}，Ci={1，2，3……m}，C={Cr，Ci}。

（一）終端用戶側(cè)——效用最大化

1.效用函數(shù)U（x）。效用是消費(fèi)者度量消費(fèi)商品對(duì)自己的需求、欲望的滿足程度。

二是工業(yè)用戶n∈Ci所用電量相對(duì)較大，能源儲(chǔ)存設(shè)備和可替代能源電器相對(duì)于龐大的工業(yè)用電可以忽略不計(jì)。為了便于研究，假設(shè)工業(yè)用戶只含有彈性電器設(shè)備和無(wú)彈性電器設(shè)備。同時(shí)，工業(yè)用戶用電過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響，根據(jù)福利經(jīng)濟(jì)學(xué)中科斯定理，可以對(duì)工業(yè)用戶征收一定的庇古稅，從而抵消工業(yè)用戶用電過(guò)程中對(duì)外部環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)的外部效應(yīng)。

工業(yè)用戶用電過(guò)程對(duì)環(huán)境造成負(fù)的外部效應(yīng)可以平均到每一單位的用電量上。因此，要對(duì)每一單位的工業(yè)用電量征收一定的從量稅，才能抵消用電過(guò)程中的負(fù)的外部效應(yīng)。每個(gè)行業(yè)根據(jù)用電過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成影響不同，可以征收不同稅率的從量稅，在本文研究中，我們假設(shè)每一單位的從量稅為θ。