基于智能電網(wǎng)供需均衡的實時電價機制研究

顏樂平，李 琰，徐天奇，周常飛

（1.云南民族大學電氣信息工程學院，云南 昆明 650500；2.海南電網(wǎng)有限責任公司三亞供電局，海南 三亞 572000）

0 引言

電能是當今世界使用最為廣泛、地位最為重要的能源，電與人們的生活息息相關。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，生活用電和工業(yè)用電日益增多，電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性、管理運營模式等都受到了巨大的挑戰(zhàn)，迫切需要人們?nèi)ふ倚碌慕鉀Q方法，以提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效率。2009 年國家電網(wǎng)公司提出“建設堅強智能電網(wǎng)”，成為解決問題的關鍵。智能電網(wǎng)的價格模式主要有：固定電價、階梯電價、分時電價、實時電價等。英國是最先提出實時電價機制的國家。隨著中國電力市場化改革和智能電網(wǎng)建設不斷推進，發(fā)電側和供電側都進行了改革，電力公司市場營銷意識改變，電價將從政府管制的固定電價向適應市場需求的實時電價制度轉變。實時電價作為一種供需響應電價，是隨時間變化的，通過價格反映電力市場供需均衡情況，對調(diào)節(jié)用戶用電行為和電網(wǎng)負荷曲線、實現(xiàn)削峰填谷具有重要意義，是電力市場運營最理想化的電價機制。

部分學者對智能電網(wǎng)實時電價開展了相關研究。文獻［1］用支持向量分位數(shù)回歸方法，引入松弛變量構成Lagrange 函數(shù)，提高了短期電力負荷預測精度，能更好反映一天任意時刻電力負荷的預測結果，解決了短期電力負荷概率密度預測問題。文獻［2］提出了實時電價機制下交直流混合微網(wǎng)的收益問題優(yōu)化策略，通過制定交直流混合微網(wǎng)目前調(diào)度方案，優(yōu)化了電氣特性建立運行模型，增加交直流混合微網(wǎng)收益，并且減少了用戶平均電費的支出。文獻［3］給出了分時電價機制下，電源微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題，提出了一種經(jīng)濟實惠的微網(wǎng)最優(yōu)化集中調(diào)度的方案。文獻［4］同時提出了將需求響應分為電網(wǎng)需求響應和用戶需求響應的模式，分析用戶對電能需求響應的經(jīng)濟性，以達到最理想化的狀態(tài)；另一方面還考慮了電網(wǎng)的需求響應對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來的沖擊，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)。文獻［5-6］研究了實時電價機制的負荷預測互動用電系統(tǒng)，闡述了互動用電系統(tǒng)的總體架構，分析了系統(tǒng)各部分的功能需求及特點，激勵用戶主動參與電網(wǎng)運行，提出了一種可以使用戶與電網(wǎng)之間互相交流用電信息的互動信息平臺系統(tǒng)。文獻［7-8］考慮了供應商和用戶信息交換過程中，滿足用戶滿意度情況下，以提高供應商的收入，達到節(jié)約用電，提高用戶用電效用值為目的，提出了一種基于供應商收入最大化的實時電價模型。文獻［9-10］通過構建發(fā)電側和供電側分時電價動態(tài)博弈聯(lián)動均衡，考慮了供需雙方的利益最大化，達到削峰填谷的目的，實現(xiàn)電能在市場內(nèi)各環(huán)節(jié)的合理化分配?？傮w來說，以上的研究成果為本次研究工作做了較好的基礎鋪墊。但也存在一些不足之處，只考慮了發(fā)電側和用戶的利益，沒有兼顧電網(wǎng)負荷的波動、峰谷差率以及運行的穩(wěn)定性。在新的一輪供給改革，將徹底改變傳統(tǒng)的電力市場供需結構，形成自己的優(yōu)勢，電力公司根據(jù)電力供需響應情況，發(fā)布實時電價，實現(xiàn)電力負荷需求的理想化，提高電能的使用率，從而節(jié)能減排保護環(huán)境；而消費者可以根據(jù)電力公司發(fā)布的實時電價，選擇在最恰當?shù)臅r間合理分配電能的需求，從而達到合理用電、削峰填谷的目的。

對比市場上幾種常見的電機機制，主要討論電力市場中實時電價問題，并對實時電價提出一種新的算法。通過智能電表實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與共享，使用戶的隱私安全得到保障，同時提高電力市場電價的透明度。鼓勵用戶自主選擇用電的時段，積極參與電力市場的調(diào)控。通過價格彈性杠桿，調(diào)節(jié)電力市場的供需平衡關系，優(yōu)化用戶的日負荷曲線，降低電網(wǎng)公司供電的峰谷差，提高用戶用電的效用，并使售電公司利益最大化，讓實時電價的紅利惠及每個電力用戶。最后，對所提供的算例模型和方法進行檢驗。

1 智能電網(wǎng)電力市場主體

1.1 發(fā)電商

中發(fā)［2015］9 號文件《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》中“三開放，一獨立，三加強”的改革重點和總體思路［11-12］闡述了電力體制改革的重要性和緊迫性，說明中國的電力市場進入了新的發(fā)展階段。五大發(fā)電公司分布在不同地區(qū)，且每個地區(qū)的生產(chǎn)原料、氣候、環(huán)境各不相同，其所需要的成本也不一樣，為了便于對電力市場中發(fā)電商機制的研究，將五大發(fā)電公司視為一種情形來討論。根據(jù)電力部門制定的電力生產(chǎn)資料成本開支，電力產(chǎn)品成本開支范圍主要包括燃料費、材料費、水費、納稅費、機器折舊費、工資和福利、其他費用等。發(fā)電商的成本函數(shù)為

式中：a1、a2、a3、a4為各發(fā)電商的成本系數(shù)；Qk為發(fā)電量；k 表示發(fā)電商的編號。

發(fā)電商根據(jù)對生產(chǎn)原料成本、機器的損耗以及市場中標情形，對電價的風險報價分為兩個階段：低風險，即將合同內(nèi)的電量報價較低，用來規(guī)避不中標的風險情形；高風險，即將合同外的電量報價較高，以獲取更多的生產(chǎn)利潤，提高生產(chǎn)積極性。根據(jù)電力市場電量的供需關系，t 時刻對風險報價為

發(fā)電商通過集中競價、掛牌等方式出售電能，并與電力零售商簽訂購買合同，實行合同制購電。電能要通過電網(wǎng)公司輸送、分配，電網(wǎng)公司連接發(fā)電商和電力零售商，維持著發(fā)電商和電力零售商的信息交流與共享，其主旨是為用戶提供便捷的服務，并根據(jù)電網(wǎng)公司自身的發(fā)展建設，發(fā)電商支付一定的過網(wǎng)費用給電網(wǎng)公司。發(fā)電商在t 時刻內(nèi)成交函數(shù)為［13］

式中：Lm（t）為發(fā)電商t 時刻內(nèi)的效益；b、bQk、bQλ分別為過網(wǎng)系數(shù)、合同電量內(nèi)的過網(wǎng)費用、實際電量的過網(wǎng)費用；Qk、Qλ、γ 分別為合同內(nèi)的電量、實際電量、電量系數(shù)。

1.2 電力零售商

在逐漸開放的電力零售市場中，用戶將面對易變的實時電價，利用價格彈性杠桿調(diào)節(jié)電力供需平衡，達到資源的優(yōu)化分配。在用戶端安裝智能電表，零售商通過智能互動客服端平臺，并結合用戶的日負荷曲線，發(fā)布電力的每個時間段的信息，做到電價的公開透明化［14］。用戶通過智能電表接收到電價的信息，及時了解電價的信息，參與到實時電價互動中，選擇合理的時間段用電，增加了用戶的自主選擇意愿。根據(jù)每個時間段的不同電力需求，通過供求平衡及維護成本等計算出第二天各個時間段的實時電價水平，零售商在每天17∶00∶00 發(fā)布第二天的實時電價水平。因為電能是一種易逝且不易大量儲存的產(chǎn)品，零售商根據(jù)用戶對電能的需求情況，從發(fā)電商處按合同制進行購買，支付函數(shù)為

1.3 電力用戶

為保證正常生活，用戶每天需要消納一定的電力，用戶可以通過智能電表及時獲得自己的用電數(shù)據(jù)信息，以及查詢實時電價信息，向電力零售商反映自己的用電心得，并提出在用電過程中存在的問題。電力零售商通過數(shù)據(jù)交換平臺，將數(shù)據(jù)反饋給發(fā)電商和電網(wǎng)公司，及時了解用戶的效益，有針對性制定相關措施，并在消納電力產(chǎn)品的過程中，對電力用戶采取一些激勵措施，提高用戶的用電意識，增加用戶的用電效益［15-16］。用戶在每個時間段購買電能的意愿是不同的，一般通過效用函數(shù)來反映。用N（）來計算用戶的用電效用，θ、δ 分別為用戶購買電能的意愿、用戶的心理賬戶；表示用電負荷。由于每個人的心理賬戶、公平理論、自我控制、跨期選擇與儲蓄行為、生活方式、個人的焦慮和滿足度等不同，使得人們對電力的消費理論不同，消費的時間段選擇也不相同。用戶對電能的消納，是一個心理滿足的過程，在開始的階段，獲得的效用會快速的增長，但隨著時間的推移，上升的速度會減慢，直到效用達到最大，符合用戶的心理意愿［17］。因此，這里采用三次效用函數(shù)對其用電的效用進行量化，為

在此時間內(nèi)用電所支付的經(jīng)濟成本為

式中：Pη（t）為實時電價；ξ 為電力價格彈性系數(shù)。

2 多目標經(jīng)濟優(yōu)化模型

2.1 電力市場核心

電力交換依靠價格，只有電價合適才能促成交易［18］。因此，電價是電力市場的支點。實時電價能夠動態(tài)地反映電力資源被消納，發(fā)電商能夠精確得知每天各時間段負荷及供電成本的變化，通過價格來調(diào)節(jié)電力需求，達到電力供需平衡［19］。同時，加大用戶對電價透明度的了解，增加用戶自主選擇的意愿，積極參與電力市場的調(diào)控。電力零售商連接發(fā)電商和電力用戶。在電力交易市場中，電力零售商發(fā)布每天的實時電價信息，在較短時間內(nèi)反饋各種用電設備所消納的電能質(zhì)量和數(shù)量。用戶通過智能電表接收，智能電表詳細顯示實時互動信息，用戶可以隨時隨地了解用電情況。通過實時電價交易維護電力市場的穩(wěn)定，保證供需側的均衡。零售商的支付函數(shù)是隨時間變化的，所以零售商的利潤最大化為

2.2 用戶效益

智能電網(wǎng)是為用戶服務的，能夠合理分析實時電價下用戶的用電響應行為，制定更高效的實時電價機制，動態(tài)跟蹤整個電力市場的價格模型，降低用戶在高峰期的用電需求，達到資源的優(yōu)化配置，對實現(xiàn)削峰填谷具有重要意義。用戶作為電力消費者，通過智能電表接收實時電價信息，了解每個時段的電價情況，通過電價的彈性杠桿，按照自己的心理賬戶，自主選擇用電的時段，來提高用戶的用電效益［20］。將所有的參數(shù)代入到用戶效用函數(shù)中，可以得到t時刻內(nèi)用戶的效益值。所以，在時刻t 的用電效益為

所以，

因此，所得的模型是一個分段函數(shù)，在一天的時間內(nèi)，可以找到用戶效益最大的時段和零售商的最大利潤。綜合考慮零售商的利潤和用戶的效益，采用線性加權的方法來處理多目標優(yōu)化函數(shù)，對目標函數(shù)進行優(yōu)化，如式（12）所示。其中a、c 分別為零售商和用戶的權重系數(shù)，a+c=1。

3 算例分析

根據(jù)所提出的模型，采用粒子群算法對模型求解，用MATLAB 進行數(shù)值仿真試驗，以驗證模型的可行性和有效性。在試驗過程中，通過觀察其數(shù)值的變化，收斂效率，來驗證模型的可行性。以三亞供電局某小區(qū)用電的相關數(shù)據(jù)作為仿真驗證的基礎數(shù)據(jù)，需要考慮零售商利潤、用戶用電的效益以及電網(wǎng)的日負荷曲線。競價上網(wǎng)采購價格=0.44 元／kWh，用戶的用電意愿θ 為［1，5］內(nèi)的均勻隨機分布，合同外=0.48 元／kWh，電力價格彈性系數(shù)為ξ［0，1］內(nèi)的均勻隨機分布，δ 為常數(shù)。

圖1 為一個時間段內(nèi)零售商收益的迭代變化情況。可以看出，粒子群算法的收斂速度比較快，在第15 次迭代處進入了收斂狀態(tài)，因此，粒子群算法對模型求解具有有效性與可行性。將整個時間段設定為24 h，即觀察0～24 h，用戶在實時電價下，一天內(nèi)用電的情形和電網(wǎng)負荷曲線，以及零售商收益變化，如圖2 所示。

圖1 一個時間段內(nèi)零售商收益的迭代變化

圖2 24 h 零售商收益的變化

圖2 中顯示，實行實時電價后，在0～24 h，由于電力價格彈性的不同，零售商多層次優(yōu)化電力資源配置，利用電價調(diào)節(jié)市場供需平衡，緩解電力供需緊張。和原始電價時相比，零售商的收益比之前提高許多，同時也給用戶提供一些紅利，能夠做到采購和銷售的相對合理化，避免了電能的浪費。

電網(wǎng)負荷變化如圖3 所示，通過對電力負荷指標的分析，確定電力系統(tǒng)的需求特性，觀察0～24 h，單位負荷的變化，能夠發(fā)現(xiàn)實時電價的模型，電網(wǎng)日負荷曲線的變化，比原始電價相對平穩(wěn)，最大負荷減少，最小負荷增加，負荷波動小，降低了負荷峰谷差，起到了削峰填谷的作用，增加了電能的利用率，同時也提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖3 24 h 電網(wǎng)負荷的變化

用戶用電效用的變化如圖4 所示。改進后的模型，針對用戶側，實時電價作為供需響應策略，開放了電力市場電價透明化，用戶通過智能電表，用戶及時了解電價的情況和剩余電量，可及時購買電量，避免了停電風險。通過電價彈性杠桿，錯開了用電的高峰期，調(diào)節(jié)電力市場的供需平衡［21］。通過增加用戶自主選擇的意愿，鼓勵用戶積極參與電力市場調(diào)控，提高了用戶用電效益，讓實時電價的紅利惠及每個電力用戶。

圖4 24 h 用戶用電效用的變化

4 結語

在電力市場中，用戶通過智能電表和智能手機接收實時電價信息，開放了電價的透明度，用戶能夠自主選擇用電的時段，鼓勵用戶節(jié)約用電和合理用電，積極參與電力市場的調(diào)控。建立零售商和用戶用電效益最大化的實時電價模型，構建多目標優(yōu)化函數(shù)，兼顧了電網(wǎng)負荷的波動、峰谷差率。實時電價作為供需響應策略一種，能夠動態(tài)反映電力資源被消納的過程，可充分發(fā)揮電力市場的作用，動態(tài)調(diào)整每個地區(qū)的電力，優(yōu)化資源配置，降低負荷的峰谷差，可以有效地實現(xiàn)削峰填谷，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。同時也提高了用戶的用電效益，增加了零售商的利潤，讓實時電價的紅利惠及每個電力用戶，促進社會的可持續(xù)發(fā)展。