峰谷分時電價時段劃分方法研究

王昱潔 孫英楷 韓少卿

【摘? 要】峰谷分時電價作為一種有效的需求側(cè)管理手段，通過價格信號，促使用戶主動采取合理的用電方式和用電結(jié)構(gòu)，將高峰用電負荷轉(zhuǎn)移到低谷時段，達到“削峰填谷”的目的。其實施效果不僅依賴于合適的定價機制，還要借助于科學(xué)的峰谷時段劃分。論文通過對現(xiàn)有的峰谷電價時段劃分方法進行歸納綜述，總結(jié)其基本原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用情況等。同時對其方法比較分析表明，在用戶響應(yīng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)易獲取的情況下，基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分方法，能夠更好地反映出用戶用電的時間差異，也能有效地通過價格機制引導(dǎo)用戶合理安排用電。該方法彌補了其他方法的不足，能夠根據(jù)用戶需求響應(yīng)實際，適時調(diào)整時段劃分區(qū)間，以向用戶傳遞合理的激勵信號。

【Abstract】As an effective demand side management method， peak-valley time-of-use tariff makes consumers to take the initiative to adopt reasonable power consumption patterns and power consumption structures through the price signals， and transfers peak power consumption to low-valley periods， to achieve the goal of "peak cutting and valley filling" . The implementation effect not only depends on the appropriate pricing mechanism， but also depends on the scientific peak and valley time division. This paper summarizes the existing time division methods of peak-valley price， and summarizes their basic principles， advantages， disadvantages and applications. At the same time， the comparative analysis of the methods shows that the peak-valley time division method based on the user demand response can better reflect the time difference of the user's electricity consumption when the related data such as the user response degree are easily obtained， and can also effectively guide the users to arrange the electricity consumption reasonably through the price mechanism. This method makes up for the deficiency of other methods. It can divide the interval according to the actual demand response of users， and send reasonable incentive signals to users.

【關(guān)鍵詞】峰谷分時電價;需求側(cè)管理;時段劃分

【Keywords】peak-valley time-of-use tariff; demand side management; time division

【中圖分類號】F426;TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0084-04

1 引言

20世紀(jì)70年代，發(fā)達國家為解決短時間內(nèi)的電力不足問題，開始實行峰谷分時電價[1]。自20世紀(jì)80年代起，我國部分省市開始逐步實施峰谷分時電價制度，而后逐漸全面普及和推廣。目前峰谷分時電價在世界各國已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其作為重要的電力需求側(cè)管理手段，在各國的電力工業(yè)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。

峰谷分時電價通過價格激勵，可以引導(dǎo)用戶合理調(diào)整用電方式，減少高峰時期用電量，提高電網(wǎng)負荷率和用電效率，實現(xiàn)“削峰填谷”目的，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

峰谷分時電價時段劃分和各時段電價的確定是制定峰谷分時電價的基礎(chǔ)，科學(xué)合理地制定峰谷電價水平是峰谷分時電價政策實施的關(guān)鍵。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，用電負荷不斷增長，用電結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，峰谷分時電價需要建立動態(tài)的調(diào)整機制以適應(yīng)用電結(jié)構(gòu)的不斷變化。而峰谷分時電價時段劃分作為制定峰谷分時電價的關(guān)鍵一環(huán)，也需要對其進行不斷調(diào)整，使其充分發(fā)揮價格杠桿作用，提高電力資源有效配置。

現(xiàn)行峰谷分時電價時段劃分方法主要有：第一，基于隸屬度函數(shù)的峰谷電價時段劃分;第二，基于供電成本的峰谷電價時段劃分;第三，基于用戶需求響應(yīng)的峰谷電價時段劃分。除了這些常用的方法之外，還有基于因素分析法的峰谷電價時段劃分和基于用戶心理學(xué)的峰谷電價時段劃分等。

本文主要對峰谷電價時段劃分方法進行綜述，首先，闡述峰谷分時電價時段劃分的發(fā)展;其次，介紹峰谷電價時段劃分的三種方法，并對這三種方法進行綜述，探討這三種方法的適用范圍和優(yōu)缺點等;最后，得出相關(guān)結(jié)論。

2 峰谷分時電價時段劃分方法的發(fā)展

峰谷分時電價作為一種以價格為基礎(chǔ)的需求響應(yīng)方式，通過引導(dǎo)用戶合理用電，緩解電力供需矛盾。峰谷時段劃分作為峰谷分時電價制定的基礎(chǔ)，其劃分的科學(xué)性極為重要。

在峰谷分時電價實施之初，國內(nèi)外峰谷分時電價時段劃分主要根據(jù)地區(qū)負荷的基本特征，最早提出采用模糊數(shù)學(xué)思想利用隸屬度函數(shù)進行時段劃分，即基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法[2]，該方法劃分的核心是判斷某個時段屬于高峰或低谷的概率，在判斷過程中需要借助研究人員的經(jīng)驗與主管判斷，不少學(xué)者對此方法進行優(yōu)化改進使其更具科學(xué)性。鄭成等提出用年持續(xù)負荷曲線對峰谷電價進行時段劃分[3]。此外，林旻等提出了基于供電成本的峰谷時段劃分方法，將供電成本與地區(qū)負荷結(jié)合，構(gòu)造每個時段的電能成本和對應(yīng)時段負荷的函數(shù)，然后根據(jù)電能成本-負荷曲線上負荷點的單位負荷發(fā)電成本增量來劃分峰谷時段[4]。

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能電網(wǎng)的提出，用戶互動響應(yīng)能力不斷提高，峰谷時段區(qū)間劃分有必要建立動態(tài)調(diào)整機制，以適應(yīng)用電負荷的不斷變化，從而獲得良好的削峰填谷經(jīng)濟效益。因此提出基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分方法，該方法是在基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法基礎(chǔ)上提出的，彌補了基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法的不足。

峰谷分時電價價格杠桿作用的發(fā)揮，有賴于峰谷時段劃分與峰谷比價關(guān)系兩方面合理設(shè)計，相輔相成，共同作用，兩者具有密切關(guān)系。

在實行峰谷分時電價之初，峰谷分時電價時段劃分一般將一天劃分為兩個或三個時段，劃分為兩個時段的一般為高峰和平段兩時段，劃分為三個時段的一般為高峰、平段和低谷三時段。由于各國地理位置、氣候條件、居民生活水平及習(xí)慣等存在差異，負荷特性不盡相同，峰谷電價時段劃分也不同[5]。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，全社會的用電量也與日俱增，為緩解電力供需矛盾，有些地區(qū)在高峰、平段和低谷三個時段劃分的基礎(chǔ)上，增加了尖峰時段，即將一天劃分為尖峰、高峰、平段和低谷四個時段。我國山東省在2008年率先實行了尖峰電價，取得了較好的效果。由于我國南方部分省市如廣東省、云南省和四川省等水資源相對豐富、水電機組較多，實行峰谷電價與豐枯電價相結(jié)合的電價機制，即在峰谷電價的基礎(chǔ)上將一年分為豐水期和枯水期，在各個時期分別實行不同的電價。

3 峰谷分時電價時段劃分方法

3.1 基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分

模糊數(shù)學(xué)的基本思想是隸屬度函數(shù)確定的基礎(chǔ)，基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法運用模糊數(shù)學(xué)思想，通過分析典型日負荷曲線，以特征點附近的時刻點所處峰谷時段的可能性為劃分原則，即在高峰及高峰附近的時刻點，較大可能處于峰時段，而處于谷時段的可能性較小。同樣，在低谷及低谷附近的時刻點，較大可能處于谷時段，而處于峰時段的可能性較小。根據(jù)這一原則構(gòu)造模糊半梯度隸屬度函數(shù)，通過此函數(shù)來確定各時刻點所處的具體時段。對于峰段與平段和平段與谷段交界處的點，一般認為處于峰時段可能性為70%點所在位置為峰時段和平時段的分界線;處于谷時段可能性為70%的點所在位置為平時段和谷時段的分界線。該方法簡單明了，易于操作，但劃分過程比較粗糙，結(jié)果準(zhǔn)確性不高。當(dāng)存在峰、谷區(qū)間的分界時點時，我們難以界定其峰谷時段屬性，只能靠大概的估計來歸類，這使得時段劃分結(jié)果具有一定的偶然性。

針對上述方法存在的不足，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者提出了基于改進隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法，該方法引入了計及負荷變化率來輔助判斷峰谷屬性。這樣可以使峰谷時段邊界點的處理較為準(zhǔn)確，減少人為因素的干擾。其基本原理為在典型日負荷曲線上若連續(xù)時點峰谷屬性相同，則它們的負荷變化率較小。所以通過計算連續(xù)時點負荷率的數(shù)值大小來判斷峰谷屬性的一致性，將峰谷屬性不一致的時點再進行重新劃分。將該方法與基于隸屬度函數(shù)的峰谷電價時段劃分方法結(jié)合劃分峰谷時段，具有一定的科學(xué)性。但無論是基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法，還是基于改進隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法，采用的都是典型日負荷曲線進行時段劃分，典型日負荷曲線只能體現(xiàn)全天的負荷差異，不能體現(xiàn)全年的負荷差異。但實際中，受地域、季節(jié)和氣候等因素的影響，典型日負荷曲線的選取會不同，不同的典型日負荷曲線峰谷時段劃分結(jié)果也不同。這使得此方法不具有代表性，在準(zhǔn)確度上具有一定的局限性。

基于此，有學(xué)者提出以年持續(xù)負荷曲線為研究對象，結(jié)合密度聚類基本原理來劃分峰谷時段，提出了基于密度聚類的峰谷時段劃分方法。這樣彌補了用典型日負荷曲線進行峰谷時段劃分的不足。

3.2 基于供電成本的峰谷時段劃分

成本是構(gòu)成電價的基本要素之一，為滿足不同負荷特性用戶的用電需求，所需的供電成本是不同的。當(dāng)供電成本在不同用戶間進行分攤時，成本差異較大，而這一差異主要是由負荷特性決定的?；谶@一理論基礎(chǔ)，提出基于供電成本的峰谷時段劃分方法，該方法以系統(tǒng)供電成本為分析對象，其中供電成本又包括固定成本與變動成本，以用戶在各時段負荷的變化會導(dǎo)致成本的變化為突破點，構(gòu)造成本C和對應(yīng)時段的負荷P的函數(shù)C=f（P），根據(jù)供電成本在某些負荷點的突變特征劃分峰谷時段。

程瑜等學(xué)者在上述方法基礎(chǔ)上作了進一步改進，將用戶根據(jù)負荷特性的不同進行分類，分析不同負荷特性的用戶對供電成本的影響[6]。根據(jù)不同用戶的用電負荷特征來劃分峰谷時段，使峰谷時段的劃分更具有科學(xué)性，使成本在各類用戶公平負擔(dān)，使電價能夠正確反映市場需求結(jié)構(gòu)。同時，將用戶根據(jù)負荷特性的不同進行分類需要成本，考慮到這一因素，對不同類型用戶的分類應(yīng)簡繁適當(dāng)。對于用電量小、數(shù)目多的小用戶在分類上可以簡單。而對于用電量較大的用戶，則應(yīng)對其進行精確劃分，力求合理，充分考慮其差異性。

3.3 基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分

基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分和基于供電成本的峰谷時段劃分方法可在一定程度上解決峰谷時段劃分的問題，但隨著社會經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，用電負荷不斷增長，峰谷差加大，用電結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，電力用戶對峰谷分時電價響應(yīng)的動態(tài)特征也在不斷變化。所以有必要根據(jù)需求響應(yīng)情況，對己經(jīng)執(zhí)行的峰谷分時電價建立動態(tài)調(diào)整機制。

基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分方法是在基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。即在基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法基礎(chǔ)上，考慮電力用戶需求響應(yīng)，進行電價響應(yīng)評估，通過評估結(jié)果調(diào)整峰谷時段劃分屬性。

在現(xiàn)有基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分方法研究中，丁偉等通過建立用戶電價響應(yīng)矩陣來反映用戶對峰谷分時電價的響應(yīng)，結(jié)合用戶滿意度，建立峰谷電價優(yōu)化決策模型，并驗證了此方法的有效性[7]。

在已實施分時電價地區(qū)考慮已有的用戶響應(yīng)，能夠有效提高時段劃分的科學(xué)性，也更好地兼顧了用戶在不同時段的電力需求。此方法首先采用基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法劃分峰谷時段，然后比對各時點電力用戶負荷曲線比重結(jié)構(gòu)特征的變化情況，評估各時點電力用戶峰谷電價的響應(yīng)程度，對響應(yīng)特征明顯的時點，保留其現(xiàn)有的峰谷時段屬性，對響應(yīng)特征不明顯的時點，對其重新劃分進行修正調(diào)整，這樣能有效發(fā)揮電價對電力用戶的積極引導(dǎo)作用，激勵更多的需求響應(yīng)資源。

4 峰谷分時電價時段劃分方法分析比較

基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法在一定程度上提高了時段劃分的精度，計算相對簡單，易于操作，其適用于沒有實行過峰谷分時電價地區(qū)的時段初步劃分。改進后的該方法使用年持續(xù)負荷曲線進行峰谷時段劃分，在一定程度上彌補了其不足，但在實際操作中，各省市不同用戶峰谷電價時段劃分結(jié)果會不同。因此，各省市應(yīng)先確定峰谷分時電價的執(zhí)行范圍，然后對不同的用戶分別制定不同的峰谷時段劃分方案。同時，隨著負荷的增長及用電結(jié)構(gòu)的變化，該方法不能建立動態(tài)調(diào)整機制，從而影響“削峰填谷”的效果。

基于供電成本的峰谷時段劃分方法能較好地反映系統(tǒng)負荷引起的成本變化，有利于在電力資源充足的條件下對電力資源進行合理配置。根據(jù)供電成本變化特征劃分時段區(qū)間，能夠反映分時供電成本的差異。但此方法不能反映電價對電力供需關(guān)系的影響，因此，在電力供應(yīng)不足或剩余情況下不能提供有效的價格信號。

基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分方法通過對需求響應(yīng)評估，根據(jù)該時點的峰谷特征重新劃分時段屬性，以向用戶傳遞合理的激勵信號。特別是伴隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，用戶互動響應(yīng)能力發(fā)展迅猛，需要建立常態(tài)調(diào)整機制，此方法顯得尤為重要。此外，智能表計發(fā)展建設(shè)為分時電價時段劃分常態(tài)調(diào)整提供了技術(shù)支撐。但運用此方法需要用戶響應(yīng)度數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)獲取相對困難。

5 結(jié)語

合理劃分峰谷時段是峰谷分時電價設(shè)計的基礎(chǔ)工作，時段的合理劃分與調(diào)整對實現(xiàn)峰谷分時電價的定價目標(biāo)至關(guān)重要。本文峰谷電價時段劃分的三種方法分別從三種不同的角度考慮，劃分了峰谷電價時段。由于基于隸屬度函數(shù)的峰谷時段劃分方法不適用于對已實施分時電價地區(qū)重新劃分時段，基于供電成本的峰谷電價時段劃分不能發(fā)揮價格杠桿作用，其各有一定的弊端。而基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分方法考慮了用戶響應(yīng)度，使其能夠合理調(diào)整峰谷時段劃分，有效降低了負荷低谷期電力設(shè)備的閑置率，提高系統(tǒng)負荷率，促進削峰填谷，具有良好的經(jīng)濟效益。

通過對以上三種方法的比較分析，在峰谷分時電價時段劃分方法上，本文推薦使用基于用戶需求響應(yīng)的峰谷時段劃分方法，該方法不僅在前兩種方法上做出進一步改進，而且能夠建立常態(tài)調(diào)整機制，應(yīng)對用戶互動響應(yīng)能力的發(fā)展變化。

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