基于需求側響應的分時用電計費博弈模型

向黎藜，鄢鴻婧，張人杰，段 凱，葉大勇

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司營銷服務中心，重慶 401120；2.北京中電普華信息技術有限公司，北京 100085）

0 引 言

近些年受環(huán)境污染問題與能源短缺問題的影響，電能作為新型的清潔能源在經(jīng)濟發(fā)展中起至關重要的作用。大量的調(diào)查研究表明，電力消費能夠直接作用于國民經(jīng)濟與科學技術的發(fā)展。主體的電力系統(tǒng)運行包含發(fā)電、升壓與降壓以及配送等部分。整體運作環(huán)節(jié)如下：經(jīng)過火力或水力的不同發(fā)電機組進行發(fā)電，在變電站的作用下首次升高電壓，途徑電網(wǎng)中輸電的不同線路將升高的電壓分解，輸送過程中鄰近變電站會改變電壓使之降低，在配電線路中將電能配送至每一個用戶。在20 世紀60 年代初期，國外已經(jīng)開始研究電力的需求側響應課題，在大型電力公司的實際案例調(diào)查中，證明企業(yè)的銷售營業(yè)額與電網(wǎng)的需求側響有正相關聯(lián)系。后續(xù)研究中了解用戶用電的分時計費標準能夠滿足其相應需求，使電力企業(yè)和用戶之間達到共贏模式，以此作為用戶用電負荷計費的控制基礎策略[1]。20 世紀90 年代，國內(nèi)開始對電力價格進行改革，遵循需求側響應的管理方法，通過對電力價格變化的經(jīng)濟管控，刺激和引導用戶完成用電時間的調(diào)整，最終形成高峰期和低谷區(qū)用電的平衡工作，完成負荷的均衡整合。本文基于需求側響應建立用戶分時用電計費的博弈模型，分析居民電力的需求響應行為，為制定有效的分時電價劃分標準提供解決方案。

1 基于需求側響應的分時用電計費博弈模型

1.1 基于需求側響應劃分用戶類型

對用戶類型的劃分能夠合理規(guī)劃一段時間內(nèi)的用電模式，其原因是用戶在分時計費中起著至關重要的影響。作為分時計費的主體，用戶能在小范圍內(nèi)產(chǎn)生一個較小的可覺差值，當用戶對用電負荷沒有反應時，此差值屬于不敏感區(qū)域，不會對分時用電產(chǎn)生任何影響，但超過差值時用戶會作出強烈反應，從而影響分時用電。因此，必須對用電用戶進行準確劃分，保證電力企業(yè)在大環(huán)境下有強大的競爭能力，根據(jù)八比二理論中表述的80%銷售量來源于20%的重要客戶，進行用電用戶的差異性劃分。大體上的用電類型可以分為商業(yè)用電和農(nóng)業(yè)用電2 大類型：其中商業(yè)用電占電力市場的主體，其用電時間和用電模式較為固定，直接為電力企業(yè)產(chǎn)生銷售營業(yè)額。而農(nóng)業(yè)用電屬于國家特殊性補貼用電，在用電時會產(chǎn)生補貼電價，對電力企業(yè)的銷售額影響作用較小。通過需求側響應原理進行用戶類型的劃分，其中包含3 種類型。一是按照用電量大小可以將用戶分為高級用戶、中級用戶和普通用戶，對每個用戶的用電需求加以區(qū)分，對高級用戶的用電需求探尋原因，可以增加電力企業(yè)的銷售利潤。二是根據(jù)銷售渠道可以將用戶分成城市用戶、農(nóng)村用戶以及躉售用戶，一般城市用戶的用電需求高于后面2 個類型。三是根據(jù)用電產(chǎn)業(yè)劃分為工業(yè)用戶、商業(yè)用戶以及居民住宅用戶等，其中工業(yè)用電對電網(wǎng)的負荷會產(chǎn)生較大影響[2]。不同類型的用戶對電價電動的作用不同，會使電價產(chǎn)生不一樣的反應變化，從而反作用于用戶的用電需求。因此，基于需求側響應原理劃分用戶類型，可以將用電性質(zhì)較為相近的用戶規(guī)劃在一個類別，作為劃分峰谷電價時段的基礎，從而合理確定用電的高峰時段。

1.2 確定用電峰谷時段

對用戶類型進行準確劃分后，需要合理確定用電的峰谷時段，由于商品受到市場和價值規(guī)律影響，電能作為電力企業(yè)的營銷手段，其計費價格受用戶的需求影響。電能不能儲存，一旦從電力企業(yè)發(fā)出后，沒有被用掉的電量就會被浪費，因此需要對用電的峰谷時段進行有效確定。為合理規(guī)劃每個時段的用電需求采用模糊數(shù)學理論定義其具備條件：一是峰谷時段必須滿足供電公司和用戶之間的共贏局面；二是該峰谷時段必須能夠準確反映供電的負荷曲線；三是峰谷時段不能出現(xiàn)倒置現(xiàn)象，其峰值與谷值的比值必須合理。在3 個必備條件規(guī)范下，就可以將電量負荷曲線的取值點進行描述[3]。根據(jù)客觀守恒定律和事實存在的評斷標準，當某點的峰值處在某一時段的概率超過95%，此時該位置發(fā)生谷值時段的概率基本為0，那么此刻的位置點就可以確定為峰值時段的最高點。當某點的谷值處在某一時段的概率超過95%，此時該位置發(fā)生峰值時段的概率基本為0，那么此刻的位置點就可以確定為谷值時段的最高點。當某點的峰值處在某一時段的概率等于50%，此時該位置發(fā)生谷值時段的概率也在50%，那么此刻的位置點就可以表示為峰值與谷值的平行時段。

1.3 求解分時用電報價函數(shù)構建博弈模型

一般情況下用電量的轉(zhuǎn)移和各個時段的電價差成正比關系，同一時段的電價差值在超過飽和區(qū)或者低于飽和區(qū)時，用電負荷不會發(fā)生轉(zhuǎn)移。對上述劃分好的用電峰谷時段的用電價格加以調(diào)整，利用報價函數(shù)求解的方法構建博弈模型，從而達到削峰填谷平衡負荷的目的。假設一天內(nèi)的峰谷時段劃分為z個集合，每個集合內(nèi)存在該時段的最高值za和最低值zb，為準確地對每個集合內(nèi)的電力負荷情況加以說明，在集合中增加電力的回購單位成本j，建立用電的約束條件

式中：xi為合理性參數(shù)，即保證電力公司在改變電價時，用戶的利益能夠不受損害；kd為每個時段的標準電力報價；xi的取值必須在約束條件中[0,1]的區(qū)間范圍，如果取值數(shù)據(jù)過小其產(chǎn)生的回購單位成本增加，會造成用戶的用電報價增加，如果取值過大則電力企業(yè)會增加回收電量的剩余成本。在約束條件建立后，通過電量負荷布置策略求解分時用電報價，該目標函數(shù)w表達式為

式中：α和β分別為峰谷時段最大值與最小值的調(diào)度因子；回購單位成本j的最大值為劃分時段的最大耗電閾值。在計算過程中αza與βza的比值結果會影響函數(shù)的最終結果，在調(diào)度因子作用下，當時段內(nèi)峰值差為負數(shù)時，判斷該函數(shù)處于峰時段，即可執(zhí)行標準用電計費模式，反之需要重新對用電時段的峰谷時段進行劃分，重新計算函數(shù)報價[4,5]。根據(jù)需求側響應理論完成正確劃分，最終完成求解價格函數(shù)的博弈模型構建。

2 實驗論證分析

2.1 數(shù)據(jù)準備

為驗證本文設計的博弈模型具有實際應用效果，結合具體案例進行測試，分別對電網(wǎng)的最大負荷、最小負荷以及峰谷負荷差值進行優(yōu)化，完成均衡負荷的優(yōu)化目標。本次實驗在某省電力公司的電力數(shù)據(jù)中，選取具有代表性的大型工廠的日負荷數(shù)據(jù)，以24 h 的用電詳細情況作為實驗數(shù)據(jù)樣本，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某省大型工廠的日負荷數(shù)據(jù) （單位：kW）

由表1 數(shù)據(jù)可知，該工廠一天之內(nèi)的最大負荷為9 400 kW，最小負荷為5 280 kW，計算2 者差值得出峰谷差負荷為4 120 kW。利用本文設計的模型對該樣本數(shù)據(jù)優(yōu)化，從而完成該工廠的電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)目標。

2.2 優(yōu)化結果分析

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)進行負荷曲線比較，驗證本文模型能夠完成3 個目標值優(yōu)化。目標一是最小化電網(wǎng)負荷的系統(tǒng)峰值，目標二是最大化電網(wǎng)負荷的谷值，目標三是最小化電網(wǎng)負荷的系統(tǒng)峰谷差值。依次對3 個目標進行優(yōu)化，具體負荷曲線如圖1 所示。

圖1 3 個目標優(yōu)化曲線

根據(jù)圖1 優(yōu)化結果可知，與原始數(shù)據(jù)曲線相比，優(yōu)化后的曲線最大負荷為9 150 kW，減少了350 kW；最小負荷為5 800 kW，提高了520 kW；峰谷差值為3 350 kW，減少了770 kW。由此可見本文模型能夠?qū)崿F(xiàn)削峰填谷的目標，使用電負荷更加均衡，具有一定的實際應用效果。

3 結 論

本文運用博弈模型完成分時用電計費的研究，根據(jù)不同類型的電力用戶用電情況，對每一類別的用電用戶的高峰段用電進行標定，最終完成計費博弈模型的構建。在實驗過程中證明本次構建的模型能夠?qū)τ脩舻挠秒姺骞葧r段進行均衡調(diào)配，提高能源的利用率。但分時用電計費的制定并非一勞永逸，需要在不斷調(diào)整的過程中根據(jù)電力公司自身的電力成本，完成負荷曲線的調(diào)整控制。因此，本文設計的模型僅為一個簡單的計費博弈模型，只能在電價自身的彈性特性中對電力需求進行調(diào)整。后續(xù)研究過程中需要對分時用電的效果進行有效評估，為完善高峰與低谷時段的電價提供更有效的解決策略。