计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型.pdf

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计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型1 计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型2 计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型3 计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型4 计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型5 计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型6 计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型7 计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型8
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第44卷第14期2016年7月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.44NO.14Ju1.16.2016D0I:10.7667/PSPC1514l1计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型黄海涛,吴洁晶,顾丹珍,蔚芳(上海电力学院电气工程学院,上海200090)摘要:针对大中工商业用户负荷率电价与峰谷电价的配合问题,结合我国电力体制和电价制度环境,基于消费者需求和供电成本异质性,构造了负荷率分档用户的用电消费细分市场,建立了各档用户的边际供电成本模型及需求价格弹性模型。应用边际成本定价理论,构建了计及负荷率分档的峰谷分时电价模型。该模型采用分层协调优化的方法:第一层深入分析每一负荷率档位用户的边际电量成本和边际容量成本,应用密度聚类技术及两部制定价理论,建立了每一负荷率档位及其两部制平均电价水平的制定方法。第二层以各档平均电度电价水平为约束,以削峰填谷为目标,基于电量电价弹性矩阵构建了负荷率峰谷分时电价协调优化模型。该模型综合协调了效率、公平和削峰填谷多重目标,算例验证了其合理性和有效性。关键词:销售电价;负荷率电价;峰谷电价;电力需求弹性—Pricingmodeloftimeof-useelectricitytariffconsideringcustomersclassifiedbyloadfactorHUANGHaitao,WUJiejing,GUDanzhen,YUFang(CollegeofElectricPowerEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)Abstract:Thereiscoordinationproblembetweenloadfactorpriceandpeak-valleytime-of-useprice(TOU)ofLargeandmediumindustrialandcommercialusers.Therefore,combiningwiththeelectricitypowersystemandenvironmentinChina,thispaperbasesontheusersdemandandsupplycostothemesstobuildthepowerconsumptionmarketsegmentanddemand-priceelasticmodelofloadfactorclassification.Time-of-useelectricitypricingmodelconsideringcustomersclassifiedbyloadfactorissettledapplyingthemarginalcostpricingtheory.Themodeladoptsthemethodofhierarchical—coordinationoptimization.Thefirstlayerappliesthedensityclusteringandtwopartpricetheorytoanalyzethemarginalelectricityandcapacicostofeachloadfactorblock,andformulatethemethodforloadfactorclassificationandpricingaveragepriceforeachone.Thesecondlayertakestheaveragepricelevelofeachblockasconstraintandcuttingpeakloadtofillvalleyasthegoal,thensetscoordinationoptimizationmodelofTOUtariffwithloadfactorblockbasedontheelectricpriceelasticitymatrix.Thismodelcoordinatesmultipletargetssuchasefficiency,fairnessandpeakloadshifting.Itsrationalityandvalidityarevalidatedbyonecase.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.71203137andNo.71403163).Keywords:electricityretailprice;loadfactorprice;peak--vallytime--of-useprice;electricitydemandelasticity0引言近年来我国持续推进销售电价改革,发改委明确提出了构建以负荷特性为主的销售电价分类结构改革目标,根据指导精神大、中工商业及其他用户将按电压等级和负荷率进行分档定价,以下简称为“”负荷率电价。目前我国工商业用户大都实行峰谷和两部制电价。尽管我国新电改方案提出放开售电基金项目:国家自然科学基金项目(71203137,71403163)侧,但鉴于严重的交叉补贴等问题,全面放开仍有待时日。因此,负荷率电价的理论研究仍具有重要的现实意义,且应当考虑其与峰谷和两部制电价的配合。负荷率电价以长期边际成本定价为理论基础,因其高效、公平、公正等优点,上世纪中后期在发达国家广泛应用,文献『1.21综合整理了该时期负荷率定价的理论成果;九十年代赵连生等人将该理论引入我ml引,但未实用化。由于以上理论是在垂直一体化电力体制下发展成熟的,然各国电力体制已黄海涛,等计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型经发生了深刻的变革,故负荷率定价理论需要新的发展。目前发达国家大多偏重于售电侧竞争和选择性电价,我国关于峰谷电价的研究文献很多[4-17],而负荷率电价及其与峰谷电价配合的理论成果鲜少,且集中于负荷率定价的必要性、理论依据及实践经验[18-21]。因此,本文针对大中工商业用户负荷率电价与峰谷电价的配合问题,结合我国电力体制和电价制度环境,基于消费者需求和供电成本异厨眭,构造了负荷率分档用户的用电消费细分市场,建立了各档用户的边际供电成本模型及需求价格弹性模型;应用边际成本定价理论,构建了计及负荷率分档的峰谷分时电价模型。该模型采用分层协调优化的方法:第一层深入分析每一负荷率档位用户的边际电量成本和边际容量成本,应用密度聚类技术及两部制定价理论,建立了每一负荷率档位及其两部制平均电价水平的制定方法;第二层以各档平均电价水平为约束,以削峰填谷为目标,基于电量电价弹性矩阵构建了负荷率峰谷分时电价协调优化模型。该模型综合协调了效率、公平和削峰填谷多重目标,算例验证了其合理性和有效性。1负荷率峰谷分时电价结构设计负荷率电价是按负荷率分档的梯级电价制度的简称。它是指按照负荷率或者最大负荷利用小时数或者单位容量用电量指标进行档位划分,并对各档位用户按不同价格收取用电费用。它普遍采取两部制电价形式,高负荷率用户的基本电价较高、电度电价较低,且平均电价水平较低,反之亦然,如图1所示。负荷率、最大负荷利用小时数、单位容量一200四1800O9590858O757065.60.55.50l’。ll一_●基本电价‘电度电价00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0负荷率(a)负荷率分档的两部制电价\\、\—’-\—’’--~、—~00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0负荷率(b)平均电价水平30.6言0.50.41Ri§‘兰图1负荷率电价示意Fig.1Loadfactorpricediagrammaticsketch用电量三项分档标准本质上并无差异,故下文统一“”称为负荷率指标。负荷率峰谷分时电价是指按负荷率指标进行分档,各档用户按不同两部制价格收取用电费用,并对电度电价部分实行峰谷电价,美国HBPW等少数售电公司也对基本电价部分实行了峰谷电价。它广泛应用于发达国家非低压的大、中用户的销售电价结构设计中。考虑到目前我国两部制电价执行范围不广、基本电价比重低的现实情况,本文限于大中工商业用户的讨论,其负荷率峰谷分时电价结构设计中只对电度电价部分实行峰谷电价,见表1。表1大中工商业用户负荷率峰谷分时电价的结构设计Table1IndustrialandcommercialusersoflargeandmediumscaleloadfactorTOUpricestructuredesign2基本原理负荷率峰谷电价是一种结构较为复杂的非线性价格形式,它的制定目标应当是优化资源配置效率、坚持公平负担、有效调节电力需求。一般而言峰谷电价具有反映发电成本时变特性和削峰填谷的双重作用。然而,我国大多数省份执行非分时标杆上网电价,发电成本无较显著的时变特征,其可以忽略,故售电侧峰谷电价应当以削峰填谷为主。因此,目前我国大多省市负荷率峰谷电价既应体现负荷率电价的效率与公平,又应体现峰谷电价的削峰填谷效应【2引。前者基于边际成本定价原理,决定各档的两部制电价水平,包括基本电价和平均电度电价;后者对电度电价部分实行峰谷电价,通过经济激励实现削峰填谷的优化目标,这仍可视为典型的峰谷电价约束优化模型,并增加各档平均电度电价的等式约束。综上所述,负荷率峰谷电价可以采取分层计算的方法,基本原理如图2所示:1)数据准备,包括供电成本数据搜集以及终端电力用户用电负荷数据采集;2)根据负荷率分档水平计算模型,确定负荷率分档数目及水平;3根据负荷率分档的两部制电价水平计算模型,确定每一档的基本电价和平均电度电价水平;4)根据负荷率分档结果,经计量统计分析获取每一档基于峰谷电价的电量电价弹性矩阵;5)基于电量电价弹性矩阵,根据负荷率峰谷电电力系统保护与控制价联合优化模型,计算确定每一档的峰谷各时段的电度电价水平。第一层准备数据(供电成本与用户负荷特性数据)......................IT徽曩数目及水平Hl价与平均电度电价+计算耄鉴分时椠螽器罢lJI最终确定负荷率峰谷分时两部制电价水平图2负荷率峰谷电价的基本原理Fig.2FundamentalofloadfactorTOUprice3负荷率电价模型3.1负荷率分档水平计算模型根据各国经验,每一电压等级用户按负荷率宜划分为2~5档,其分档水平应综合考虑公平性和操作性制定,基本原则是每一档位内用户实际供电成本相近且用户比重不宜过少。我国各省市用户负荷特性差异较大,应根据自身实际制定,制定方法如图3所示。1)选取全体或部分终端电力用户作为样本,采集样本用户的用电负荷曲线数据,通过数据辨识剔除不良数据;2)统计分析样本用户的负荷率及其分布情况;3)按0.05间隔将负荷率初步划分为2O个档位,测算每一档的电价水平,并以各档电价水平作为对象形成一个数据集合;4)对该数据集合样本数据采集与处理统计用户负荷率分布以0.05为间隔进行初分档按理论电价,采用密度聚类技术进行分档合并电价水平与用户比熏检查最终确定负荷率分档数目及水平分档调整图3负荷率分档数目及水平的制定方法Fig.3Loadfactorclassificationmethod进行密度聚类,合并理论电价相近的档位,并根据分档合并结果更新数据集合;5)检查各档电价水平及用户比重,修正分档合并结果及数据集合;6)重复步骤4) ̄tl5),直到最终确定负荷率分档数目及水平。3.2各档用户边际供电成本分析电力系统的边际成本指为满足负荷微增而增加的系统成本。对于大中用户包括电量成本和容量成本两部分,用户服务费可忽略不计。3.2.1各档用户的边际电量成本第i档用户的边际电量成本是电力系统为满足该档用户微增电量而增加的变动成本。在垂直一体化的电力体制下,它取决于用户的用电时间,即峰、平、谷各时段边际电厂的运行成本,如纯火电系统对应于峰荷、腰荷和基荷机组的平均燃料成本。我国大多省市以火电为主,执行非分时单一电度制的标杆上网电价制度。那么,为了满足第i档用户增加的1个单位用电量,电网公司需增加支付1个单位电量的购电费用及输送损失,各时段近似相等,其值等于电网公司平均购电价格与网损成本之和。因此,第i档用户各时段边际电量成本近似相等,为Cme+×(1)式中:Cm。为第f档用户的边际电量成本;_R,为电网公司平均购电价格;S为该档用户受电电压等级的网损率。3.2.2各档用户的边际容量成本第i档用户的边际容量成本是系统为满足该档用户单位微增负荷而增加的系统固定成本,一般包括发电容量成本、输变电容量成本两部分。由于我国执行单一电度制为主的上网电价政策,那么电网公司为用户提供电能服务的购电成本属于变动成本,固定成本只由输变电成本构成,故边际容量成本只包括输变电容量成本。根据峰荷责任法l,只有高峰期用电用户应当承担输变电容量成本责任,非高峰期边际输变电容量成本为零。下文将用户高“峰期边际输变电容量成本,简称为用户边际输变”电容量成本。第i档用户边际输变电容量成本可以根据其定义计算确定。设第i档用户的系统同时率为,它是指一定时期内在系统最大负荷时刻该类用户的综合用电负荷与该用户群所有用户的最大负荷之和的比值。那么,当第i档用户群的所有用户最大负荷之和增加1个单位时,系统最大负荷将增加个单位,则为满足其供电服务需要增加个单位的输变电容量及投资成本。据此,可以计算该档用户的边际输变电容量成本。其中,单位输变电容量成本可以按黄海涛,等计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型测算期的平均投资成本以及电压等级逐级传递模型计算。综上,第档用户的受电电压等级为v,则其边际输变电容量成本的计算公式为:X=∑dIt+c(2)=n式中:表示电压等级1,的系统边际输变电容量成本;.表示测算期本级电压v的平均输变电投资成本;表示高电压等级传递至电压等级v的平均输变电投资成本;k为相邻电压等级,至i级的下送电量比重。其中,和可以根据各级电压送变电投资年金计算获取,公式为∑J()d'1(1,):T一(3)∑』(V)_(CR(4)台式中:1,代表不同电压等级;,为测算期总投资回路数;.,代表不同回路编号;Pf为第.,条回路的输送容量;,(V)为第.,条回路的送变电年金;为设计年限;厶(为各电压等级第n年的送变电投资;(为各电压等级第n年增加的输送容量;输配电设备的投资回报系数为;运行维护费率为。3.3负荷率分档的两部制电价水平计算模型为了优化资源配置效率、公平负担,根据各档用户的边际供电成本,确定每一档用户的基本电价和平均电度电价。理论上,边际容量成本应当全部通过基本电价回收,并按用户在系统最大负荷时刻的用电负荷大小计量结算。考虑到计量条件和操作性,实际中基本电价往往按最大负荷计费,则当用户与系统之间显著错峰用电时,基本电价会超过用户真实的边际容量成本。为此将部分容量成本通过基本电价回收,剩余部分通过电度电价回收,以改善上述问题。基本电价和电度电价回收边际容量成本的比重,可根据它与用电量的相关性来确定,如图4。根据式(2),第i档用户边际容量成本为・;其中,(一ai)・c与用户单位最大负荷对应的用电量×1相关,故通过电度电价回收;ai・与用电量×1无关,则通过基本电价回收。图4基本电价与电度电价回收边际容量成本的比重Fig.4Ratioofmarginalcapacitycostrecoveredthroughbasicpriceandelectricityprice综上所述,采用边际成本定价,经财务平衡调整,根据式(1)~式(4)并进行单位折算,则第i档用户的两部制电价为死l+jPbf=k×ai×sr式中:.和.分别为第i档用户的基本电价、平均电度电价;k为财务平衡调整系数。4负荷率峰谷电价协调优化模型4.1计及负荷率分档的峰谷时段电量电价弹性矩阵电量电价需求弹性矩阵反映了各时段用电需求对峰谷价格相对变动的响应程度,它是研究峰谷分时电价的重要工具。目前多数省份对工商业用户执行三费率峰谷电价。实施负荷率峰谷分时电价后,将对各负荷率档位的工商业用户收取不同的峰谷电价。因此,应针对各电压等级工商业用户按负荷率分档进行市场细分,并对每一档细分市场构建三费率峰谷分时价格的电量电价弹性矩阵。第i档的电量电价弹性矩阵记为最,则该档用户峰、谷、平各时段的价格与用电量之间满足d/d/…d。e。=Ep『Ipe。dpe/e,。E=『堇兰圣,三ps量,p三o]c7式中:以p、。和fIoe表示第i档峰、平和谷时电力系统保护与控制段的电度电价;。、和。表示第i档峰、平、谷时段的用电量需求。Ef矩阵中,ef,pp、e抽。和e抽。表示第i档峰、平、谷时段的价格需求响应自弹性系数,为负常数;其他为价格需求响应交叉弹性系数,为正常数;所有弹性系数可由电量电价历史数据统计获得。4.2目标函数负荷率峰谷分时电价应综合考虑定价的效率、公平和削峰填谷多重目标。如第2节所述,在我国可采用分层计算模型实现:第一层采用负荷率电价模型,根据边际供电成本,确定各档用户的基本电价和平均电度电价;第二层,以各档平均电度电价水平约束,以削峰填谷为目标,建立峰谷电价约束优化模型,计算各档用户的峰、平、谷时段的电度电价水平。因此,第二层各档峰谷分时电度电价水平制定的目标应当是拉平日负荷曲线,即最小化峰谷差,表示为Min(一一i)(8)式中,控制变量为每一档的峰、平、谷时段的电度电价p、和p。。4.3约束条件为实现定价的效率与公平,每一档电度电价的平均水平应当由基于边际成本的负荷率电价模型确定,即满足等式约束方程:±!垡!i!:f91++。~电价与用电量需求之间应满足等式约束:。。。i。馘。T『00]Ei100I+l…00JQo,o…i=1,2,,(10)此外,实行峰谷电价后不应当出现峰谷时段颠置。设和为峰、平、谷时段的时长,则峰谷电量不等式约束表示为sts‘一(11)l。/ts…。/toi=1,2,,每一档峰谷分时电度电价之间要求峰电价应高于该档的平电价,平电价相应高于谷电价。电度电价不等式约束表示为。,…2,一f121I。…i=1,2,,5算例分析5.1数据描述以东部某省35kV的用户用电负荷特性及供电成本数据为基础,应用Matlab优化工具包进行算例分析,测算该电压等级工商业用户的负荷率峰谷电价,并与负荷率电价、峰谷电价制度进行比较。以该省35kV工商业用户为研究对象,通过负控系统抽取有效样本815户,采集系统最大负荷日的用户日负荷数据。设该省平均购电成本为0.452元/l(,35kV网损率为2.95%,35kV边际输配电成本为127元/kW/月,供电成本回收目标为1326亿元;按表3负荷率分档计算结果,各档用户用电的需求价格弹性矩阵见表2。5.2结果分析5.2.1负荷率峰谷电价计算结果对样本用户进行用电负荷特性分析,在供电成本分析的基础上,采用负荷率电价模型,确定负荷率分档数目及水平,并计算各档用户的基本电价与平均电度电价水平;以平均电度电价水平为约束,应用计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型,计算各档用户峰谷分时电度电价水平,结果见表3。5.2.2与其他电价制度的比较分析以本文提出的负荷率电价模型、峰谷差最小为目标,分别计算执行负荷率电价或峰谷电价单一电价制度时的用户用电价格表,并与负荷率峰谷电价进行比对,结果如表4所示。‘表2负荷率分档用户的电量电价需求弹-性矩阵Table2Electricitypricedemandelasticitymatrixofloadfactorblockusers黄海涛,等计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型..127..表3负荷率峰谷电价的计算结果Table3CalculationofloadfactorTOUprice表4三种电价制度的用电价格表Table4Pricetableofthreepricesystems负荷率负荷率峰谷电价负荷率电价峰谷电价分档基本——塑——基本电度基本星塑__电价峰平谷电价电价电价峰平谷第l档471.022O.6230.427第2档810.8470.5220.390第3档98O.606O.4200.348如表4所示,三种电价制度本质上是从负荷率和用电时间两个维度,考虑用户供电成本与用电需求特性的差异,采用不同的市场细分和定价策略。总体而言,市场越细分,对用户间供电成本与用电需求的异质性考虑得越加充分,其电价制定效果越好:1)如表5负荷率电价按负荷率将用户划分三个细分市场,考虑了不同负荷特性的用户供电成本差异,根据各档用户边际供电成本制定其价格,能够更好地在不同负荷率用户间优化电力资源配置;更好地反映了不同负荷特性用户的真实供电成本,更具公平性;但它未考虑表2用户不同用电时段间的用户需求差异及其转移特性,不能实现削峰填谷的定价目标。2)峰谷电价则按用电时间进行市场细分,考虑不同时段用户用电需求对价格响应程度的差异,实现削峰填谷的目标;但它未按负荷率进行市场细分,实行统一峰谷电价不能反映表2各档用户需求特性的禀异,也不能反映不同负荷特性用户的供电成本差异、有欠公平;同时它以削峰填谷为目标,电价偏离边际成本较多,引起了经济效率损失多。3)负荷率峰谷电价则结合了以上两种定价思想,按负荷率和用电时间两个维度进行市场细分,既反映了表5不同负荷率用户的供电成本差异,又反映了峰谷时段用户用电需求的差异,综合了两种电价制度的优越性,既公平、高效又兼具削峰填谷作用;此外,它考虑了表2不同负荷率细分市场用户需求的异质性,执行不同的峰谷电价水平,故较峰谷电价峰谷差进一步降低约30%,提高了削峰填谷效用。表5三种电价制度的不同负荷率用户电价水平比较Table5Comparisonofthreepricesystemsofdifferentloadfactorusers综上所述,负荷率峰谷电价能够兼顾负荷率电价和峰谷电价的优点,既体现了负荷率定价的公平与效率,又实现了较峰谷电价更好的削峰填谷效益,较好地协调了定价的公平、效率和削峰填谷多重目标。三种电价制度的效果比对如表6。表6三种电价制度的效果比对Table6Comparisonbetweenthreeelectricalpricesystems说明:由于缺乏用户需求函数信息,难以用社会经济福利表示三种电价制度的定价效率;而价格偏离边际成本就会引起经济福利损失,偏离程度越大损失越大、定价效率越低,故表中以偏离边际成本的相对程度来表征相对经济效率,并取峰谷电价为参考值1,其值越大则效率越低。6结论(1)本文针对大、中工商业用户负荷率电价和峰谷电价制度的配合问题,结合我国电力体制和电价制度环境,计及不同负荷率用户供电成本和用电需求的异质性,构造了负荷率分档细分市场的电量电价弹性矩阵,建立了计及负荷率分档的峰谷分时电价定价模型。该模型较好地协调了效率、公平和削峰填谷的多重定价目标,算例验证了其合理性和有效性。(2)算例分析表明由于负荷率峰谷电价对不同负荷率档位的用户进行市场细分,故能够更好地揭示用户价格需求特性的差异,充分激励各类用户发挥自身的移峰填谷潜力,较单一的峰谷电价制度具有更好的削峰填谷效益。(3)我国用户电力消费数据累积不足、用户用电需求弹性研究缺乏,是阻碍我国电力需求响应、智能用电发展的重要原因之一。因此,我国亟需用户O6档09∞09"0O0钉.128.电力系统保护与控制用电需求及其弹性的深入研究。参考文献[1]MUNAS1NGHEM,WARFORDJJ.Electricitypricingtheoryandcasestudies[M].NewYor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乘风破浪
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