基于調峰電價機制的商業用電優化研究

劉 貞，郭珍珠，賀良萍

(1.重慶理工大學 管理學院，重慶 400054； 2.美國加州伯克利勞倫斯實驗室，美國 加州 94720)

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基于調峰電價機制的商業用電優化研究

劉 貞1,2，郭珍珠1，賀良萍1

(1.重慶理工大學 管理學院，重慶 400054； 2.美國加州伯克利勞倫斯實驗室，美國 加州 94720)

隨著中國經濟的不斷發展，用電需求不斷增長，為了降低用電高峰時段電網的用電負荷以及供電壓力，峰谷分時電價受到越來越多的關注。參照美國加州較為完善的峰谷分時電價體系，結合國內實際用電情況對實施峰谷電價進行研究，在此基礎上設計一種新的峰谷電價機制，進一步對商業用電方式進行優化，建立一種新的電力交易機制。最后，以某一超市為例，參考現有的電價體系對其目前的用電情況及成本費用進行相關分析，參照美國加州E-7峰谷分時電價體系對其用電情況進行測算，提出一種新的峰谷電價機制，進一步對超市用電進行優化設計。

峰谷分時電價；加州E-7峰谷電價機制；峰谷價差；商業企業用電

一、文獻綜述

在經濟新常態下，電力需求增長出現了新特點，即電力需求增速將大幅下降。隨著我國逐漸進入后工業化階段，工業增長大幅放緩，經濟增長方式的轉變將帶動電力需求結構調整。從表1可以看出，2012—2016年第一產業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，較為穩定；第二產業是電力消耗的主體，其用電量占全社會用電總量的80%左右，隨著對高耗能產業的整改限制以及工業產業結構的調整升級，第二產業用電量的增長幅度總體上呈現逐漸下降趨勢，甚至出現負增長，但由于我國制造業規模較大，未來第二產業用電比重仍將居高不下；而第三產業的用電量呈現出逐漸增長態勢，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

在我國大多數省份還在實行傳統的電價銷售模式時，國外很多國家已經正式推廣并完善峰谷分時電價機制。峰谷分時電價機制能夠有效地鼓勵用戶合理轉移用電負荷，削峰填谷，降低高峰時段用電負荷率，減輕高峰時段的供電壓力，從而提高系統設備容量的利用效率，保障電網的安全穩定運行。峰谷分時電價機制是指根據電網的負荷變化情況，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，國內許多學者也對此進行了一系列的相關研究，主要表現在兩個方面：

一方面，主要是對峰谷分時電價的可實施性以及如何分時定價等進行研究。李龍通過對峰谷分時電價進行分析，給出了負荷時間彈性大小的計算方法，建立了基于負荷時間彈性的分行業峰谷分時電價調整模型，并利用算例進行仿真分析，證實了峰谷分時電價對移峰填谷和提高電網負荷率的可實施性和有效性[1]。譚忠富等圍繞需求側電價向發電側煤耗的傳遞效應，建立了分時電價與節能發電調度的聯合優化模型，并借助GAMS軟件求解結果表明，分時電價的優化將有助于用電負荷分布的優化，降低系統負荷峰谷比并改進發電側的節能調度效果[2]。饒偉云等在介紹峰谷電價政策的基礎上，通過建立數學模型分析了不同電力消耗模式下企業用電成本的變化特點，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上，針對高耗能用戶對峰谷分時電價的反應進行建模仿真，并結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，在綜合考慮消費者心理、電價理論以及統計學原理的基礎上，針對電力企業的預期目標給出了峰谷分時電價的目標函數，并通過模型優化求解，得出最優的分時電價定價方案[5]。連振洲等通過對電力負荷曲線分布特征進行分析，運用模糊隸屬度函數法劃分峰谷時段，并結合已實施時段劃分方案的特點進行修正調整，得到4個季度的峰谷時段劃分方案，進而采用加權二范數函數法得出了全年綜合峰谷時段的劃分方案，結合算例分析證明了該方案更符合負荷曲線分布特征，且能有效地激勵用戶的需求響應[6]。

另一方面，主要是峰谷分時電價對大工業企業生產等方面的影響研究。于娜等對峰谷分時電價機制下大型工業用戶的用電響應問題展開研究，根據工業企業的用電特性建立其在峰谷分時電價激勵機制下的用電決策模型，從而求解出最優的用電響應策略，并通過案例分析證實了該策略的有效性[7]。黃昆彪以工業企業用電習慣為切入點，通過數學建模對一班制、兩班制、三班制等企業生產方式在峰谷分時電價下的用電成本進行分析比較，提出了調整班時班制的方案，以此來達到削峰填谷、降低能耗的目的[8]。趙輝等在建立分時電價下企業用電負荷優化調度模型的基礎上，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的用電負荷進行優化調度，在此基礎上得出了企業用電負荷調度的最優方法[9]。王其營等根據山東省有關調整峰谷分時電價政策的文件精神，對當地大工業用電價格的組成部分進行了介紹和分析，并結合電費結構的優化以及峰谷分時電價時段的劃分來調整輪胎企業的生產時間，規避尖峰用電時段，從而降低企業的用電成本[10]。李楊等利用電價理論及有關經濟學原理闡述了峰谷分時電價的結構、定價策略以及大用戶相應的經濟計量模型，并對南京市實施峰谷分時電價以后部分大工業用戶的響應情況進行分析，得出影響用戶響應的因素主要是生產班制、電費支出比例和電價結構，同時證實合理的電價結構能收到較好的負荷調整結果[11]。

綜上所述，目前國內研究的重點主要在于峰谷分時電價的可實施性、峰谷時段的劃分及定價方式、峰谷電價對大工業企業生產的影響等方面，而對于峰谷電價在商業用電領域的影響研究較少。本文基于峰谷分時電價對商業用電成本的影響進行研究，分析商業企業對于峰谷分時電價的響應行為和用電策略，并據此提出在峰谷分時電價機制下商業企業的用電優化建議。

二、新電力市場交易模式及商業用電優化策略

(一)新型配電側電力市場交易模式

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

具體運行模式如下：每個商業企業依據自身需求制定自己的用電計劃，并提交到配電側電力市場交易中心；配電側電力市場交易中心依據商業企業的用電計劃和供電企業的供電計劃，為商業企業分配一定的用電配額；在實際運行過程中，商業企業再根據自己的實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；配電側電力市場交易中心依據實際用電數量和調峰電價進行結算。

(二)新型電力市場中商業用電優化策略

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

(1)

(2)

(3)

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

(4)

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

(5)

(6)

三、不同電力市場模式中商業用電成本測算

(一)當前電力市場運營模式與E7運營模式

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的商業用電電價為0.845 8元/(kW· h)，1～10 kV的商業用電價格為0.825 8元/(kW·h),35～110 kV的商業用電價格為0.805 8元/(kW·h)，110 kV的商業電價為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人民幣進行換算。

(二)現有電價模式下商業企業用電情況

該超市內具體的電器耗電量如表4所示，其中立風柜、冰柜和凍庫是24小時不間斷工作，其他電器根據超市的營業時間選擇性地進行工作，一般根據超市人流量的高低峰來確定電器運行的數量。根據XX市氣候特點，一般夏季炎熱且持續時間比較長，中央空調夏季使用較多；冬天氣候較溫和，中央空調使用較少。所以，我們設定空調一般在6月、7月、8月、9月4個月份運行。

表4 超市常用電器耗電量

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

一般超市的營業時間是7∶30—22∶00，在營業時間內不同時段的電器運行數量不同，以致于每個時段的耗電量也有所差別，當然每個時段的用電量與超市的人流量存在正相關關系。根據實地調查發現，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，營業時間內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)只開啟一半數量，晚上時段(17∶30—22∶00)才會全部開啟；立風柜、冰柜和凍庫24小時工作運行；中央空調只在夏季4個月份里的超市營業時間運行；收銀機、音響和其他電器設備也只在超市營業時間運行。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)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峰谷電價下的商業企業用電情況

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關系，所以超市每個時段的用電量可以參照表4來進行計算。

同時，因為6月、7月、8月和9月4個月份要計算空調的用電費用，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。

根據表4中的相關數據和式(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峰谷電價機制下該超市年用電成本為233 931.79元。

綜上可知，按照現有用電策略，在美國加州峰谷電價機制下的該超市用電成本遠高于XX市傳統電價機制下的用電成本，因此，峰谷電價機制會激勵商業用戶對用電策略進行優化。

表5 超市具體的日用電量 kW·h

(四)新型電價機制下該超市的用電優化策略評價

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

如表6所示，假設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個時段內將LED燈管關閉15%，中央空調關閉20%，則該超市在使用空調的月份每天可節約電量92.47 kW·h，在不使用空調的月份每天可節約電量10.87 kW·h，夏季(5—10月份)的總節電量為11 955.28 kW·h，冬季(11月—次年4月)的總節電量為1 967.47 kW·h，年節約電量為13 922.75 kW·h。結合峰谷價差后的峰谷分時電價機制計算，該超市每年可節約用電成本17 425.37元。

表6 新型電力市場模式下企業用電優化策略

四、結論及建議

本文首先對峰谷分時電價機制進行研究，然后參照加州E-7峰谷電價體系分析實施峰谷電價機制對商業企業用電的影響，并以某一超市為例進行用電優化。我們可以從中得出：在調整后的峰谷電價機制下對商業企業進行用電優化，一方面可以為用電企業節約用電成本，另一方面又可以在很大程度上調動用電企業的調峰積極性。因此，這種調峰機制有利于緩解發電企業在供電高峰時段的供電壓力，激勵企業參與電力調峰，更易于在電力市場上進行推廣和運行。

結合當前我國經濟進入新常態的背景，電力消費亦進入增速換擋的新常態[12]。2015年3月，《中共中央、國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發[2015]9號)揭開了新一輪電力體制改革的序幕。商業企業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，根據電力市場化進程，鼓勵有條件的商業企業直接參加或委托售電公司參加電力交易，進一步降低用電成本。據測算，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年電力市場交易規模又進一步擴大，用電成本進一步降低。此外，新一輪電價改革中關于售電側的改革，為電力用戶提供了更多的購電選擇機會，同時也為售電公司代理一般工商業企業參加電力市場交易提供了制度基礎。

第二，在電價改革中，一般工商業用電價格的全面下調有利于商業企業降低用電成本。國家發改委2015年12月底發布通知，將全國燃煤發電上網電價平均每千瓦時下調約3分錢，同幅度下調一般工商業銷售電價。近年來，通過實行工商同價政策，商業電價已有較大幅度的下降，此次對一般工商業電價的再一次下調，將更有利于降低商業企業的用電負擔，對促進第三產業的發展有著積極意義。

第三，各商業企業可以加強企業內部用電管理，購買和使用節能節電產品，規范用電行為，養成良好的用電習慣，提高電力使用效率，避免不必要的電力浪費。這樣不僅可以節約企業用電成本，還有利于環境保護。

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[2] 譚忠富，宋藝航，李效臻，等.基于峰谷分時電價機制的節能發電調度優化模型[J].運籌與管理，2014，23(1):101-107.

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(責任編輯 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 基金項目：國家自然科學基金項目“能源安全和生態環境約束下區域農業生物質能經濟總量模型與補償機制研究”(71573026)

劉貞(1973—)，男，河南上蔡人，博士，教授，碩士生導師，研究方向：可再生能源與電力技術經濟。

劉貞，郭珍珠，賀良萍.基于調峰電價機制的商業用電優化研究[J].重慶理工大學學報(社會科學)，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