基于調(diào)峰電價機(jī)制的商業(yè)用電優(yōu)化研究

劉 貞，郭珍珠，賀良萍

(1.重慶理工大學(xué) 管理學(xué)院，重慶 400054； 2.美國加州伯克利勞倫斯實(shí)驗(yàn)室，美國 加州 94720)

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基于調(diào)峰電價機(jī)制的商業(yè)用電優(yōu)化研究

劉 貞1,2，郭珍珠1，賀良萍1

(1.重慶理工大學(xué) 管理學(xué)院，重慶 400054； 2.美國加州伯克利勞倫斯實(shí)驗(yàn)室，美國 加州 94720)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電需求不斷增長，為了降低用電高峰時段電網(wǎng)的用電負(fù)荷以及供電壓力，峰谷分時電價受到越來越多的關(guān)注。參照美國加州較為完善的峰谷分時電價體系，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際用電情況對實(shí)施峰谷電價進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一種新的峰谷電價機(jī)制，進(jìn)一步對商業(yè)用電方式進(jìn)行優(yōu)化，建立一種新的電力交易機(jī)制。最后，以某一超市為例，參考現(xiàn)有的電價體系對其目前的用電情況及成本費(fèi)用進(jìn)行相關(guān)分析，參照美國加州E-7峰谷分時電價體系對其用電情況進(jìn)行測算，提出一種新的峰谷電價機(jī)制，進(jìn)一步對超市用電進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

峰谷分時電價；加州E-7峰谷電價機(jī)制；峰谷價差；商業(yè)企業(yè)用電

一、文獻(xiàn)綜述

在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，電力需求增長出現(xiàn)了新特點(diǎn)，即電力需求增速將大幅下降。隨著我國逐漸進(jìn)入后工業(yè)化階段，工業(yè)增長大幅放緩，經(jīng)濟(jì)增長方式的轉(zhuǎn)變將帶動電力需求結(jié)構(gòu)調(diào)整。從表1可以看出，2012—2016年第一產(chǎn)業(yè)的用電量只占全社會用電總量的2%左右，且用電量每年變化不大，較為穩(wěn)定；第二產(chǎn)業(yè)是電力消耗的主體，其用電量占全社會用電總量的80%左右，隨著對高耗能產(chǎn)業(yè)的整改限制以及工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級，第二產(chǎn)業(yè)用電量的增長幅度總體上呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，甚至出現(xiàn)負(fù)增長，但由于我國制造業(yè)規(guī)模較大，未來第二產(chǎn)業(yè)用電比重仍將居高不下；而第三產(chǎn)業(yè)的用電量呈現(xiàn)出逐漸增長態(tài)勢，未來還將逐漸成為拉動全社會用電增長的主力。

表1 2012—2016年的用電量及其增長趨勢 億千瓦時

在我國大多數(shù)省份還在實(shí)行傳統(tǒng)的電價銷售模式時，國外很多國家已經(jīng)正式推廣并完善峰谷分時電價機(jī)制。峰谷分時電價機(jī)制能夠有效地鼓勵用戶合理轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷，削峰填谷，降低高峰時段用電負(fù)荷率，減輕高峰時段的供電壓力，從而提高系統(tǒng)設(shè)備容量的利用效率，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。峰谷分時電價機(jī)制是指根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況，將每天24小時劃分為高峰、平段、低谷等多個時段，對各時段分別制定不同的電價水平，以鼓勵用電客戶合理安排用電時間，提高電力資源的利用效率。目前，國內(nèi)許多學(xué)者也對此進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究，主要表現(xiàn)在兩個方面：

一方面，主要是對峰谷分時電價的可實(shí)施性以及如何分時定價等進(jìn)行研究。李龍通過對峰谷分時電價進(jìn)行分析，給出了負(fù)荷時間彈性大小的計算方法，建立了基于負(fù)荷時間彈性的分行業(yè)峰谷分時電價調(diào)整模型，并利用算例進(jìn)行仿真分析，證實(shí)了峰谷分時電價對移峰填谷和提高電網(wǎng)負(fù)荷率的可實(shí)施性和有效性[1]。譚忠富等圍繞需求側(cè)電價向發(fā)電側(cè)煤耗的傳遞效應(yīng)，建立了分時電價與節(jié)能發(fā)電調(diào)度的聯(lián)合優(yōu)化模型，并借助GAMS軟件求解結(jié)果表明，分時電價的優(yōu)化將有助于用電負(fù)荷分布的優(yōu)化，降低系統(tǒng)負(fù)荷峰谷比并改進(jìn)發(fā)電側(cè)的節(jié)能調(diào)度效果[2]。饒偉云等在介紹峰谷電價政策的基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)學(xué)模型分析了不同電力消耗模式下企業(yè)用電成本的變化特點(diǎn)，以此來說明移峰填谷對降低用電成本的巨大潛力[3]。汪寧渤等在介紹峰谷平值段劃分方式的基礎(chǔ)上，針對高耗能用戶對峰谷分時電價的反應(yīng)進(jìn)行建模仿真，并結(jié)合不同時段劃分方法和電價制定方式給出了模型求解方法，并得出最優(yōu)時段的劃分和分時電價定價的方法[4]。郜璘等通過分析研究峰谷分時電價，在綜合考慮消費(fèi)者心理、電價理論以及統(tǒng)計學(xué)原理的基礎(chǔ)上，針對電力企業(yè)的預(yù)期目標(biāo)給出了峰谷分時電價的目標(biāo)函數(shù)，并通過模型優(yōu)化求解，得出最優(yōu)的分時電價定價方案[5]。連振洲等通過對電力負(fù)荷曲線分布特征進(jìn)行分析，運(yùn)用模糊隸屬度函數(shù)法劃分峰谷時段，并結(jié)合已實(shí)施時段劃分方案的特點(diǎn)進(jìn)行修正調(diào)整，得到4個季度的峰谷時段劃分方案，進(jìn)而采用加權(quán)二范數(shù)函數(shù)法得出了全年綜合峰谷時段的劃分方案，結(jié)合算例分析證明了該方案更符合負(fù)荷曲線分布特征，且能有效地激勵用戶的需求響應(yīng)[6]。

另一方面，主要是峰谷分時電價對大工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)等方面的影響研究。于娜等對峰谷分時電價機(jī)制下大型工業(yè)用戶的用電響應(yīng)問題展開研究，根據(jù)工業(yè)企業(yè)的用電特性建立其在峰谷分時電價激勵機(jī)制下的用電決策模型，從而求解出最優(yōu)的用電響應(yīng)策略，并通過案例分析證實(shí)了該策略的有效性[7]。黃昆彪以工業(yè)企業(yè)用電習(xí)慣為切入點(diǎn)，通過數(shù)學(xué)建模對一班制、兩班制、三班制等企業(yè)生產(chǎn)方式在峰谷分時電價下的用電成本進(jìn)行分析比較，提出了調(diào)整班時班制的方案，以此來達(dá)到削峰填谷、降低能耗的目的[8]。趙輝等在建立分時電價下企業(yè)用電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab平臺的模式搜索法、單純形法和遺傳算法分別對企業(yè)的用電負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，在此基礎(chǔ)上得出了企業(yè)用電負(fù)荷調(diào)度的最優(yōu)方法[9]。王其營等根據(jù)山東省有關(guān)調(diào)整峰谷分時電價政策的文件精神，對當(dāng)?shù)卮蠊I(yè)用電價格的組成部分進(jìn)行了介紹和分析，并結(jié)合電費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及峰谷分時電價時段的劃分來調(diào)整輪胎企業(yè)的生產(chǎn)時間，規(guī)避尖峰用電時段，從而降低企業(yè)的用電成本[10]。李楊等利用電價理論及有關(guān)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理闡述了峰谷分時電價的結(jié)構(gòu)、定價策略以及大用戶相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)計量模型，并對南京市實(shí)施峰谷分時電價以后部分大工業(yè)用戶的響應(yīng)情況進(jìn)行分析，得出影響用戶響應(yīng)的因素主要是生產(chǎn)班制、電費(fèi)支出比例和電價結(jié)構(gòu)，同時證實(shí)合理的電價結(jié)構(gòu)能收到較好的負(fù)荷調(diào)整結(jié)果[11]。

綜上所述，目前國內(nèi)研究的重點(diǎn)主要在于峰谷分時電價的可實(shí)施性、峰谷時段的劃分及定價方式、峰谷電價對大工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的影響等方面，而對于峰谷電價在商業(yè)用電領(lǐng)域的影響研究較少。本文基于峰谷分時電價對商業(yè)用電成本的影響進(jìn)行研究，分析商業(yè)企業(yè)對于峰谷分時電價的響應(yīng)行為和用電策略，并據(jù)此提出在峰谷分時電價機(jī)制下商業(yè)企業(yè)的用電優(yōu)化建議。

二、新電力市場交易模式及商業(yè)用電優(yōu)化策略

(一)新型配電側(cè)電力市場交易模式

在電力市場中，交易主體主要有發(fā)電側(cè)、配電側(cè)、電力需求側(cè)以及政府等，其中配電側(cè)主要包括工業(yè)用電、商業(yè)用電和居民用電3個方面，電力自發(fā)電側(cè)輸出后輸送到配電側(cè)，再由配電側(cè)電力交易中心輸配給各用電企業(yè)。

具體運(yùn)行模式如下：每個商業(yè)企業(yè)依據(jù)自身需求制定自己的用電計劃，并提交到配電側(cè)電力市場交易中心；配電側(cè)電力市場交易中心依據(jù)商業(yè)企業(yè)的用電計劃和供電企業(yè)的供電計劃，為商業(yè)企業(yè)分配一定的用電配額；在實(shí)際運(yùn)行過程中，商業(yè)企業(yè)再根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇電力交易量，也可以選擇在價格高時賣出配額，在價格低時買入配額；配電側(cè)電力市場交易中心依據(jù)實(shí)際用電數(shù)量和調(diào)峰電價進(jìn)行結(jié)算。

(二)新型電力市場中商業(yè)用電優(yōu)化策略

假定某超市有n個用電設(shè)備，第i個用電設(shè)備的用電策略為qi, j,即第i個用電設(shè)備第j個小時的用電量為qi,h, j。則該用電設(shè)備當(dāng)天的用電量為：

(1)

(2)

(3)

若不采用峰谷分時電價，而采用固定電價機(jī)制，假定固定電價為p，則該用電企業(yè)用電成本為：

(4)

假定對應(yīng)時段的分時電價為pj，其中，j=1,2,…,24，則該用電企業(yè)的年用電成本為：

(5)

(6)

三、不同電力市場模式中商業(yè)用電成本測算

(一)當(dāng)前電力市場運(yùn)營模式與E7運(yùn)營模式

本文以XX市一家面積為1 000～1 500 m2的超市為例，該超市供電一般為380 V，目前XX市的部分銷售電價表如表2所示，不滿1 kV的商業(yè)用電電價為0.845 8元/(kW· h)，1～10 kV的商業(yè)用電價格為0.825 8元/(kW·h),35～110 kV的商業(yè)用電價格為0.805 8元/(kW·h)，110 kV的商業(yè)電價為0.790 8元/(kW·h)。參照目前XX市銷售電價表，它的適用電價為0.845 8元/(kW·h)。

同時，美國加州E-7峰谷分時電價體系如表3所示。

表2 XX市部分銷售電價 元/(kW·h)

表3 E-7 不同時段的調(diào)峰電價 元/(kW·h)

注：電價按中國銀行匯率1美元=6.345 0人民幣進(jìn)行換算。

(二)現(xiàn)有電價模式下商業(yè)企業(yè)用電情況

該超市內(nèi)具體的電器耗電量如表4所示，其中立風(fēng)柜、冰柜和凍庫是24小時不間斷工作，其他電器根據(jù)超市的營業(yè)時間選擇性地進(jìn)行工作，一般根據(jù)超市人流量的高低峰來確定電器運(yùn)行的數(shù)量。根據(jù)XX市氣候特點(diǎn)，一般夏季炎熱且持續(xù)時間比較長，中央空調(diào)夏季使用較多；冬天氣候較溫和，中央空調(diào)使用較少。所以，我們設(shè)定空調(diào)一般在6月、7月、8月、9月4個月份運(yùn)行。

表4 超市常用電器耗電量

注：中央空調(diào)的輸出功率為5P;其他指后臺服務(wù)器、電子稱等耗電量少的小電器的加總。

一般超市的營業(yè)時間是7∶30—22∶00，在營業(yè)時間內(nèi)不同時段的電器運(yùn)行數(shù)量不同，以致于每個時段的耗電量也有所差別，當(dāng)然每個時段的用電量與超市的人流量存在正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超市中的人流量高峰時段有8∶30—12∶00、16∶30—18∶00以及20∶00—21∶00三個時間段，營業(yè)時間內(nèi)的其他四個時段人流量相對較少。假定LED燈管在白天時段(7∶30—17∶30)只開啟一半數(shù)量，晚上時段(17∶30—22∶00)才會全部開啟；立風(fēng)柜、冰柜和凍庫24小時工作運(yùn)行；中央空調(diào)只在夏季4個月份里的超市營業(yè)時間運(yùn)行；收銀機(jī)、音響和其他電器設(shè)備也只在超市營業(yè)時間運(yùn)行。超市每天具體的用電量如表5所示。 由式(1)得出：① 超市在夏季4個月內(nèi)平均每月用電成本為 28 091.56元；② 超市在其他月份(除去空調(diào))平均每月用電成本為10 431.25元。由此得出，超市年用電成本約為195 816.48元。

(三)加州E-7峰谷電價下的商業(yè)企業(yè)用電情況

如果按照E-7峰谷分時電價計算該超市用電成本，則需要計算每個時段的用電量。由于每個時段的用電量與超市的人流量存在正相關(guān)關(guān)系，所以超市每個時段的用電量可以參照表4來進(jìn)行計算。

同時，因?yàn)?月、7月、8月和9月4個月份要計算空調(diào)的用電費(fèi)用，這4個月份共計122天，其中周一到周五工作日時間為87天，夏季其他兩個月5月和10月共62天，其中周一到周五工作日時間為43天，所以夏季的用電成本要分為兩段計算。冬季從11月份到次年的4月份共181天，其中周一至周五工作日時間為129天。

根據(jù)表4中的相關(guān)數(shù)據(jù)和式(2)得出超市夏季的用電成本為176 801.10元，冬季的用電成本為57 130.69元。由此可得，加州E-7峰谷電價機(jī)制下該超市年用電成本為233 931.79元。

綜上可知，按照現(xiàn)有用電策略，在美國加州峰谷電價機(jī)制下的該超市用電成本遠(yuǎn)高于XX市傳統(tǒng)電價機(jī)制下的用電成本，因此，峰谷電價機(jī)制會激勵商業(yè)用戶對用電策略進(jìn)行優(yōu)化。

表5 超市具體的日用電量 kW·h

(四)新型電價機(jī)制下該超市的用電優(yōu)化策略評價

對于該超市來說，用電優(yōu)化最直接的方法就是調(diào)控電器的工作時間，在該超市的常用電器中立風(fēng)柜、冰柜、凍庫和冷鮮肉柜通常都是24小時工作的。因此，用電的優(yōu)化調(diào)控對其他電器的作用將更加有效，而在其他電器中LED燈管和中央空調(diào)耗電量最大。在白天室內(nèi)采光度較好的時候，可以根據(jù)人流量的高低峰適度減少LED燈管的開啟數(shù)量。經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在超市人流量少并保證超市照明度的情況下，LED燈管可關(guān)閉的最高限度為25%；同樣，在超市人流量少并保證超市室內(nèi)溫度的情況下，中央空調(diào)可關(guān)閉的最高限度為30%。這樣雖然可以減少用電成本，但也會使超市內(nèi)的購物環(huán)境發(fā)生變化，會對顧客購物體驗(yàn)和超市銷售收入造成一定的影響。因此，我們在進(jìn)行用電優(yōu)化的同時還要盡最大可能兼顧顧客的購物體驗(yàn)和超市的銷售收入。

如表6所示，假設(shè)該超市在人流量較少的7∶30—8∶30、12∶00—16∶30、18∶00—20∶00 以及21∶00—22∶00 這4個時段內(nèi)將LED燈管關(guān)閉15%，中央空調(diào)關(guān)閉20%，則該超市在使用空調(diào)的月份每天可節(jié)約電量92.47 kW·h，在不使用空調(diào)的月份每天可節(jié)約電量10.87 kW·h，夏季(5—10月份)的總節(jié)電量為11 955.28 kW·h，冬季(11月—次年4月)的總節(jié)電量為1 967.47 kW·h，年節(jié)約電量為13 922.75 kW·h。結(jié)合峰谷價差后的峰谷分時電價機(jī)制計算，該超市每年可節(jié)約用電成本17 425.37元。

表6 新型電力市場模式下企業(yè)用電優(yōu)化策略

四、結(jié)論及建議

本文首先對峰谷分時電價機(jī)制進(jìn)行研究，然后參照加州E-7峰谷電價體系分析實(shí)施峰谷電價機(jī)制對商業(yè)企業(yè)用電的影響，并以某一超市為例進(jìn)行用電優(yōu)化。我們可以從中得出：在調(diào)整后的峰谷電價機(jī)制下對商業(yè)企業(yè)進(jìn)行用電優(yōu)化，一方面可以為用電企業(yè)節(jié)約用電成本，另一方面又可以在很大程度上調(diào)動用電企業(yè)的調(diào)峰積極性。因此，這種調(diào)峰機(jī)制有利于緩解發(fā)電企業(yè)在供電高峰時段的供電壓力，激勵企業(yè)參與電力調(diào)峰，更易于在電力市場上進(jìn)行推廣和運(yùn)行。

結(jié)合當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)的背景，電力消費(fèi)亦進(jìn)入增速換擋的新常態(tài)[12]。2015年3月，《中共中央、國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)[2015]9號)揭開了新一輪電力體制改革的序幕。商業(yè)企業(yè)在新一輪電力體制改革中可以積極探索降低用電成本的路徑：

第一，根據(jù)電力市場化進(jìn)程，鼓勵有條件的商業(yè)企業(yè)直接參加或委托售電公司參加電力交易，進(jìn)一步降低用電成本。據(jù)測算，2015年全國電力直接交易4 300億千瓦時，按每千瓦時平均降低5分錢計算，則會降低用電成本215億元。2016年電力市場交易規(guī)模又進(jìn)一步擴(kuò)大，用電成本進(jìn)一步降低。此外，新一輪電價改革中關(guān)于售電側(cè)的改革，為電力用戶提供了更多的購電選擇機(jī)會，同時也為售電公司代理一般工商業(yè)企業(yè)參加電力市場交易提供了制度基礎(chǔ)。

第二，在電價改革中，一般工商業(yè)用電價格的全面下調(diào)有利于商業(yè)企業(yè)降低用電成本。國家發(fā)改委2015年12月底發(fā)布通知，將全國燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價平均每千瓦時下調(diào)約3分錢，同幅度下調(diào)一般工商業(yè)銷售電價。近年來，通過實(shí)行工商同價政策，商業(yè)電價已有較大幅度的下降，此次對一般工商業(yè)電價的再一次下調(diào)，將更有利于降低商業(yè)企業(yè)的用電負(fù)擔(dān)，對促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著積極意義。

第三，各商業(yè)企業(yè)可以加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部用電管理，購買和使用節(jié)能節(jié)電產(chǎn)品，規(guī)范用電行為，養(yǎng)成良好的用電習(xí)慣，提高電力使用效率，避免不必要的電力浪費(fèi)。這樣不僅可以節(jié)約企業(yè)用電成本，還有利于環(huán)境保護(hù)。

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(責(zé)任編輯 鄧成超)

Study on Optimization of Commercial Electricity Consumption Under the Peak Load Electricity Pricing Mechanism

LIU Zhen1,2, GUO Zhen-zhu1， HE Liang-ping1

(1.School of Management, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2.Lawrence Berkeley Laboratory in California, California 94720, America)

With the continuous development of China’s economy, the power demand is continuously increasing. In order to decrease the electric load of power grid at peak and the pressure of power supply, the electric price at the peak valley time receives more and more attention. In reference to the California’s relatively perfect system of electric price at the peak valley time, and combined with the actual electric consumption at home, this paper conducts a study on the electric price at the peak valley time, designs a new mechanism of it, and further optimizes the commercial electricity and establishes a new power trading mechanism. Finally, with an example of three types of power supply scheduling, the model was simulated and calculated in different Monte Carlo scenarios. The example shows thatthe planning model in this paper could optimize the power generation scheduling and crew coordination in the uncertain environment and market conditions, and have the ability to help companies develop reasonably beneficial expectations and effectively avoid risks.

time-of-use power price; peak-valley price mechanism of California E-7; the peak-valley price difference; commercial electricity consumption

2016-05-19 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“能源安全和生態(tài)環(huán)境約束下區(qū)域農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能經(jīng)濟(jì)總量模型與補(bǔ)償機(jī)制研究”(71573026)

劉貞(1973—)，男，河南上蔡人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：可再生能源與電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)。

劉貞，郭珍珠，賀良萍.基于調(diào)峰電價機(jī)制的商業(yè)用電優(yōu)化研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué))，2017(4):45-50.

format：LIU Zhen, GUO Zhen-zhu，HE Liang-ping.Study on Optimization of Commercial Electricity Consumption Under the Peak Load Electricity Pricing Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology(Social Science)，2017(4):45-50.

10.3969/j.issn.1674-8425(s).2017.04.007

F205

A

1674-8425(2017)04-0045-06