《面向智能电网的需求响应及其电价研究》—智能电网下需求响应及相关电价研究（二）

5.2 分时电价

5.2.1 分时电价研究综述

分时电价(Time of Use Pricing，TOU)作为基于价格的需求响应的一种类型，是电力需求侧管理的一项重要手段，是电力公司向用户实施的一种通过价格信号引导用户调整用电结构和方式的有效经济刺激手段。分时电价是指根据电网负荷的变化情况，将一天24小时划分为若干时段，每个时段分别制定不同的电价水平，它提供了一个在现行条件下比较合理的电价制度。一般将电力需求高的时段没定为高电价，而在其他时段采用优惠的电价。峰谷分时电价可以引导用户采取相应的措施，作出恰当的用电安排，从而实现削峰填谷的目的，缓解高峰时的用电紧张局面，挖掘低谷电力需求，提高电能的利用效率。

对峰谷分时电价的研究从20世纪60年代就已经开始了，70年代峰谷分时电价制度就开始在发达国家普遍采用，具体的时段划分与峰谷电价比因各国生活方式的不同和自然环境条件等的差异而有所不同。我国对峰谷电价的研究与应用起步较晚，从20世纪80年代中期开始应用，在90年代中期迎来了峰谷电价研究的一个高峰。

国内对峰谷分时电价的研究主要集中在三个方面：基于用户侧的分时电价研究，重点是峰谷时段划分以及确定合理的峰谷电价比;基于发电侧的分时电价研究，通常将按边际定价理论引入上网电价的设计中;峰谷分时电价的实施方案。

5.2.2基于用户侧的分时电价

1.峰谷时段的划分

合理的峰谷时段划分是实施分时电价的基础，时段划分必须正确反映实际负荷曲线的峰谷特性。由于计量条件的限制，时段划分都是事先确定的，不能根据电力系统的运行情况进行动态的调整，有关峰谷时段划分的研究理论积累较少。就目前情况来看，研究思路主要集中在以下两种途径：一是基于电力用户负荷曲线分布分析。基于负荷曲线分布分析，利用模糊半梯度隶属度函数方法，从负荷曲线上各点分别处于峰时段和谷时段的可能性入手，提出了一种含有用户对分时电价反应度分析的分时电价模型，通过对该模型需求侧管理的目标函数进行优化，得到了最优化的峰谷时段划分及其相应的分时电价定价方法。其中采用偏小型半梯形隶属函数来确定负荷曲线上各点处于谷时段的可能性，采用偏大型隶属函数来确定各点处于峰时段的可能性。二是基于供电成本变化分析。将成本函数曲线与负荷曲线拟合，得到一条反映电网公司成本随时间变换关系的曲线，基于此曲线用模糊半梯度隶属度函数方法进行时段划分。该曲线即考虑了负荷曲线的约束，又考虑了电网的效益问题，更加符合实际需要。结合机组的运行状况建立发电成本——负荷函数，根据该函数在负荷点的突变特征合理地划分峰谷时段，并得到相应的峰谷电能成本比，然后根据电价总水平不变原则制定各时段的电价。

采用模糊半梯形隶属度函数方法，考虑负荷曲线的分布特征进行时段划分，存在一些点，根据隶属度值难以界定时段属性的问题，但可用于第一次实行峰谷分时电价的地区。基于供电成本的时段划分，往往弱化了分时电价作为价格手段调整用电的需求侧管理作用。

由于用户对电价的反应是变化的，第一次制定好的峰谷分时电价方案实施后，用户会随之调整用电方式，改变负荷曲线，则电力公司应根据变动再次调整方案。智能电网的建设为电力用户需求响应提供了双向交互平台，用户互动响应能力也大大提高，智能电表的发展为峰谷时段划分的常态调整机制提供了技术支撑。以智能电网为依托，从电力用户需求响应角度出发解决已实施分时电价地区如何合理调整时段划分的问题，其基本框架是先形成基础时段划分方案，再考虑电力用户已有的需求响应，从而进行时段划分调整。

3.峰谷电价的确定

价格机制是市场机制的核心，好的分时电价政策能够促进电力市场的公平竞争和高效运行。实行分时电价的目的是通过价格杠杆，调动电力用户主动参与电网调峰，引导用户根据自己的生产特点和要求选择用电方式，使其更加科学、合理地用电，同时使电网的高峰负荷降低、负荷曲线趋于平稳。因此，电价的制定是需求侧管理措施能否成功实施的关键。在目前我国电力体制改革下，“厂网分开”成型，但“竞价上网”还不能普遍实施，应对上网电价也实施相应的峰谷分时电价。目前国内对上网侧峰谷分时电价研究相对比较少，更多的研究集中在供电侧峰谷分时电价。

5.2.3基于供电侧峰谷分时电价

利用电价理论及有关经济学原理阐述了峰谷分时电价结构、定价策略以及大用户响应的经济计量模型。②针对负荷将随电价的变化而变化从而使电力系统的运行偏离电价制定时的优化目标，提出了用户反应的概念来考虑电价对负荷的控制作用，基于DSM的总目标建立了分时电价的数学模型。提出了改进的分时电价数学模型，该模型把平值段电价作为一个新增的优化参量考虑，从而提出了一种分时电价中平值段电价的确定方法。基于负荷曲线分布分析.在初步划分峰谷时段的基础上利用用户对电力商品的需求价格弹性矩阵，建立峰谷分时电价数学模型。运用统计学原理对用户调查，拟合不同类型用电对电价反应的曲线，得到全社会对电价的综合反应曲线，建立基于用户对电价反应曲线的分时电价模型。提出的在电价综合反应曲线基础上，针对电力企业预期目标(用户满意度、曲线平滑等)，给出了分时电价的优化模型。通过用户响应方式分析、用户满意度评价两个步骤来深入研究用户的市场行为特征，由此建立一个新的通过价格手段实施需求侧管理的决策模型。考虑电力公司是否具有市场力情况，以电力公司收益最大为目标函数，同时要求实施分时电价后电力公司的总收入不能超过一定的百分比，分别建立了基于用户需求响应的分时电价优化模型。结果表明，如果用户对分时电价具有较强的响应度，则在峰谷电价差较小时也可以实现用户与电力企业共同获利的目的。在考虑用户响应不确定性的条件下，先构造多类用户峰谷分时电价的一级优化模型;然后采用区间法，建立了供电公司和用户实行峰谷分时电价的风险损失评估二级优化模型;根据设定的风险阈值给出了最优峰谷分时电价方案的筛选方法。首先运用模糊三角数预测用户未来时刻的实际需求，然后结合分类用户不同程度的需求价格响应，构建了一套基于模糊需求和用户分类响应程度下的最优分类峰谷分时电价设计模型。从电力系统角度出发，建立了以削峰填谷最优为目标函数的分时电价模型，但此模型增加了用户的购电费用，如何在削峰填谷和减少用户购电费用之间达到最佳均衡、使社会效益最大，需要进一步研究。在综合考虑用户分类不同和电价结构不同的基础上，给出了电量电价弹性矩阵的简化方法，并通过算例表明，该模型能够反映当前市场中的需求规律，结果可应周于负荷预测或电价制定。用电量电价弹性矩阵描述用户需求对电价的反应，并综合考虑用户电费支出满意度和用电方式满意度，建立了峰谷分时电价决策模型。基于一般用户电价反应模型建立了用户对分时电价的反应模型，提出了用MCP计算的平均购电电价来确定平时段电价的方法，从而将发电侧电力市场与用户侧分时电价相联系，建立适应电力市场的分时电价。应用多智能体方法来深入研究用户的电价响应机理，可以在计算机上动态地仿真用户对不同峰谷电价政策的响应情况。基于多智能体技术，结合电量电价弹性矩阵，考虑了不同用户的用电和响应特点以及用户智能体内部的相互影响，最终得到了既能够保证供电企业获利又不至于用户平均用电成本大幅增加的分时电价策略。

由此可以看出，大多数的研究中都包含用户响应模型的建立。基本思路是先构建用户需求对电价的反应模型，然后在考虑约束条件的情况下以DSM管理的基本目标(如最优化负荷曲线)为目标函数，制定分时电价的模型。在消费市场中，用户会对价格激励作出响应。如果峰谷拉开度设置过大，则用户响应过大，有可能造成峰谷倒置，调峰失败的同时影响电网的经济效益;峰谷比设置太小，则对用户刺激小，用户响应不足，达不到削峰填谷的目的。因此，有必要研究用户对电价的响应机制，以便确定在什么样的峰谷电价水平下，才能引导用户自愿改变用电方式、用电量，进而达到优化负荷曲线的目的。

5.2.4用户需求对电价的响应模型

国内提出的关于用户需求对电价响应的模型主要有三种：(1)基于电量电价弹性矩阵;(2)基于消费者心理学模型;(3)基于统计学原理。

1.电量电价弹性矩阵

许多中分时电价模型的建立是基于电量电价弹性矩阵进行的。用户对电价的响应分为单时段响应和多时段响应。单时段响应是指用户决定此时段的用电量只与本时段的电价有关，而与其他时段的电价无关，通常发生在用户该时段的可变电量中非必需用电的情况下。多时段响应是指用户决定此时段的用电量不但与本时段电价有关，而且还受其他时段电价的影响，这种用电方式通常与用户的生产类型及生产班制等有关定义用户的自弹性系数表征用户的单时段响应，

式中，△Q，表示用户实行分时电价前后i时段用电变化量;△P，表示实行分时电价前后i时段的电价变化值。

根据经济学原理可知E<0。若i时段△P=0，表示i时段用户的门弹性系数为0。

定义用户的交叉弹性系数表征用户的多时段响应：

式中，e。表示j时段的电价变化对i时段电量的影响。

根据经济学原理￡>0。若△P=0表示i时段用户的交叉弹性系数为0。根据经济学相关原理￡≤0，E≥0。

通过上述定义，可得如下电量电价弹性矩阵：

此式即是基于电量电价弹性矩阵的用户需求响应模型。

2.基于消费者心理学知识建立的用户反应模型

用户需求响应模型基于消费者心理学。根据消费者心理学知识可知，用户对激励的反应有一个最小可觉差(差别阈限)，在这个差别阈限内，用户基本上无反应或反应很小。同样，用户对激励的反应也有一个饱和值，当超过这个饱和值时，用户对激励基本上也无反应。只有当激励介于两者之间时，用户才会对激励作出反应。因此，电力用户对峰谷电价差的反应可以用一个分段线性函数来描述。确定该函数通常需要知道最小可觉差值、线性段斜率以及饱和值3个参数。图5-1给出了峰荷到谷荷的负荷转移率随峰谷时段电价差的关系，横坐标表示各时段之间的电价差，纵坐栎表示各时段之间的负荷转移率。

从图5-1可以得出，对用户i，峰荷至谷荷的负荷转移率为：

3.基于统计学原理

运用统计学原理得到了用户需求随电价的反应。

在影响用户电力需求的诸多要素中，电价是最主要的因素。为此，可以利用调查统计的方法对用户设计问卷调查，并基于统计学原理对调查数据进行回归分析，从而得到用户用电量对电价的响应曲线。

在求得用户需求对电价的响应之后，便可结合具体的需求侧管理目标，制定不同目标函数下的分时电价模型。由于实行分时电价的目的是引导用户采取适当的措施避峰用电，提高谷时段的用电量，因此现行的分时电价模型更多地以使负荷曲线最优为目标，即目标函数为最小化最大负荷、最大化符负荷、最小化峰谷差等。随着人们生活水平的提高，技术的发展，电网的建设应该更多地考虑人的主观需求，以人为本。因此，分时电价的制定也要相应考虑用户满意度。以用户满意度作为目标函数的一部分，可以使用户更加愿意接受分时电价的实施，更加积极地参与电力市场的互动.最大限度地提高用户削峰填谷的潜力。

5.2.5发电侧分时电价研究

1.发电侧分时电价

在用户侧实施分时电价，可以平滑负荷曲线，减少峰期装机容量，缓解机组建设投资，从而带来发电成本的降低;可以提高低谷时期的用电量，从而减少了机组频繁启停，节约了运行费用。可见，实行分时电价的直接受益者是发电厂。然而，电力公司却是实施分时电价的主体，实施分时电价的大部分成本，包括分时电价政策推广宣传费、安装智能表计的费用、推广需求侧管理所需的人力投资费用、技术研发费用等都是由电力公司来承担的。因此，有必要从优化负荷曲线的角度，在保证电力公司利益的前提下，构建发电侧和用户侧的分时电价联合优化模型。分时电价制度下，供电公司的售电费用是不确定的，其销售收入有一定的风险性，但购电支出电价是固定的。为此，许多着眼于发电侧上网分时电价的研究，设计发电侧与用户侧分时电价的联动模型，来保证各方利益不受损。

以长期边际成本定价理论为基础，针对某省的实际情况，建立了分时电价浮动比例的计算模型，避免了人为确定浮动比例的不足;同时，设计了上网侧分时电价的调整机制，以动态调整方案取代现行的静态方案，发电公司和电力公司受分时电价政策的影响及时通过浮动比例联动方案和销售电价联动方案进行疏导，从而有利于分时电价政策的长久执行。‘当以发电总能耗最低为目标函数，以保持发电侧上网电价总水平不变为原则，同时考虑了机组的环境价值参数为优化条件，建立了发电侧峰谷分时电价模型，通过模型求解，能同时得到峰谷电价及相应的峰谷电量。运用会计成本法确定发电侧容量成本，并根据发电容量确定峰谷分时容量电价;根据发电厂煤耗等变动成本确定发电侧峰谷分时电量电价，从而得到发电侧峰谷分时电价;以电力公司购电成本最小化为目标函数，同时以机组利益不受损和电量平衡原则为约束条件，构建各时段发电厂的电量分配优化模型。基于需求响应，以优化负荷曲线、实施分时电价前后售电侧与用户侧利益调整最小为目标函数，建立了售电侧分时电价模型;同时建立根据售电侧收益调整发电侧上网电价的模型，实现了双边联动。分析给出了从成本侧推算上网峰谷分时电价的理论方法，并就目前所实施的峰谷分时电价带来的供电企业与发电企业之间的利益不均衡问题进行了分析讨论，研究并确定上网侧和销售侧峰谷分时电价的数量模型，提出联动方案的建议。给出了应用长期边际成本原理确定两部制上网电价的方法。两部制上网电价体现了同网同质同价原则，体现了合理补偿成本、合理确定收益的原则，符合当前电力体制改革方向。对系统进行随机生产模拟计算，得到系统边际发电成本和各个小时的失负荷概率，在此基础上，提出了j种计及可靠性(用电力不足概率或电量不足期望值表示)的发电侧分时电价制定方法。由此可见，大多数的研究都是基于长期边际成本理论，运用会计成本法，从成本侧推算上网峰谷分时电价。

2.发电侧分时电价计算模型

(1)边际容量成本的计算模型。

(2)边际电量成本的计算模型。边际电量成本是系统为满足负荷增加而增加的电厂运行成本，包括发电机组燃料费用和水费用、检修费用等，其中对火电机组来说大部分费用为电厂燃科成本。一种计算方法为：

(3)基本电价的计算。实际情况中，系统中的每个机组运行情况是不一样的，有的机组承担基荷，既提供容量又提供电量;而有的机组只是承担调峰负荷或作为备用，因此此类机组在定价时容量成本占有较大比例。确定容量成本分摊的一个原则是根据机组的负荷率。负荷率较高的机组其分摊的容量成本较低，因为它可以通过电量成本来回收投资并确保一定的利润;负荷率低的机组由于不经常发电，因此为保证成本回收，其通常有较高的容量分摊。

(4)电度电价的计算。电度电价包含两部分：一部分为边际电量成本，一部分为容量成本在电度电价中的分摊量。由于电能发、输、用电的一致性，上网侧峰谷时段划分参照销售侧负荷时段划分，保持与其一致。

5.2.6双边联动方案的研究

分时电价作为需求侧管理的一种手段、一种经济措施，在贯彻实行中要确保各方面的利益不受损，才能得到各方的积极响应，达到需求侧管理目标。然而现实情况是，供电公司为确保用户能积极参与供电公司实行的分时电价政策，往往不能损害用户的利益。分时电价政策一旦制定，受我国电力市场目前技术条件的限制，调整周期一般都比较长。在这期间用户的需求响应可能会有较大变动，而供电公司不能及时调整分时电价政策，因此供电公司面临售电收入不确定性的风险;同时，我国发电市场还没有实现完全竞争机制，上网电价一般都是固定的，一段时期内供电公司的购电支出也是确定的，由此带来了供电公司的利益风险问题。分时电价方式的弊端也给发电厂带来了一些问题，主要表现在：(1)发电厂商报价及系统确定运行方式比较困难;(2)没有体现电能同质同价的公平原则，导致市场效率降低。此外，供电公司有时还借分时电价变相压低土网电价，影响了发电公司的利益。

一个合理的分时电价政策应能保证用户侧、供电侧、发电侧三方受益或至少任何一方不受损，还要保证能达到削峰填谷等需求侧管理目标。一种可行的方案是分时电价联动机制，将用户侧分时电价与发电侧分时电价联动起来。当用户侧执行分时电价政策时，会调整用电方式，高峰时期电价比较高，鼓励用户少用电或调整用电到电价低的平段或谷段，这时供电公司的收入可能会相比实施分时电价前有所变动。同时，由于高峰时期负荷降低，则发电厂商可以不启用或少启用能耗较大的调峰电源，并可以延缓建设大容量电站，通常把这一部分费用的节省称作可免容量。这时，发电厂商可以报价相对低一点，在保证自身利润的前提下，对供电公司进行适当的补贴。在负荷低谷期，用户受电价降低的激励会增加用电量，使机组运行在出力较多的状态，减少了机组启停次数、减少了启停机费用，也有利于机组的稳定运行。总的来说，所设计的联动方案应考虑各方利益，使电厂能主动按不同时段的负荷情况、电价高低和机组特性安排生产，使供电公司在有利可图的情况下积极推广分时电价，使用户也能积极参与分时电价政策，配合调整用电方式，从而优化负荷曲线。

基于需求响应，以优化负荷曲线、实施分时电价前后售电侧与用户侧利益调整最小为目标函数，建立了售电侧分时电价模型，同时建立根据售电侧收益调整发电侧上网电价的模型，实现了双边联动。ju以优化负荷曲线为目标，建立』，基于双边价格联动的峰谷分时电价模型，能够很好地满足需求侧管理的总目标。设置调整参数将售电侧在不同时段的利润按一定比例反馈到发电侧，从而得到发电侧上网分时电价，并讨论了发电侧峰谷电量分配问题，实现了电价联动。气基于电力用户对售电侧峰谷分时电价的响应和电力生产能耗低、污染小的原则，在满足各类电力用户、供电公司和各发电机组多方利益约束的前提下，以实施峰谷分时电价后平均发电能耗成本最低位目标函数，建立发电侧与售电侧峰谷分时电价联合设计的优化模型。

发电侧根据长期边际成本理论，以“保持上网电价总水平不变”为原则，在保证合理利润、合理投资回收的条件下，制定上网分时电价。供电公司为达到需求侧管理的目标，基于用户需求响应，给出合理的用户侧峰谷分时电价，其基本原则应是用户平均购电电价不上涨。而供电公司为使利益不受损，则应在分时电价模型中设置约束条件，使得供电公司在实施分时电价后的售购电价差不大于实施分时电价前的售购电价差。