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濟發展中起至關重要的作用。大量的調查研究表明，電力消費能夠直接作用于國民經濟與科學技術的發展。主體的電力系統運行包含發電、升壓與降壓以及配送等部分。整體運作環節如下：經過火力或水力的不同發電機組進行發電，在變電站的作用下首次升高電壓，途徑電網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查中，證明企業的銷售營業額與電網的需求側響有正相關聯系。后續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濟管控，刺激和引導用戶完成用電時間的調整，最終形成高峰期和低谷區用電的平衡工作，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劃一段時間內的用電模式，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，用戶能在小范圍內產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域，不會對分時用電產生任何影響，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，保證電力企業在大環境下有強大的競爭能力，根據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用電和農業用電2 大類型：其中商業用電占電力市場的主體，其用電時間和用電模式較為固定，直接為電力企業產生銷售營業額。而農業用電屬于國家特殊性補貼用電，在用電時會產生補貼電價，對電力企業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分，對高級用戶的用電需求探尋原因，可以增加電力企業的銷售利潤。二是根據銷售渠道可以將用戶分成城市用戶、農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。三是根據用電產業劃分為工業用戶、商業用戶以及居民住宅用戶等，其中工業用電對電網的負荷會產生較大影響[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，可以將用電性質較為相近的用戶規劃在一個類別，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律影響，電能作為電力企業的營銷手段，其計費價格受用戶的需求影響。電能不能儲存，一旦從電力企業發出后，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。為合理規劃每個時段的用電需求采用模糊數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倒置現象，其峰值與谷值的比值必須合理。在3 個必備條件規范下，就可以將電量負荷曲線的取值點進行描述[3]。根據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構建博弈模型

一般情況下用電量的轉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或者低于飽和區時，用電負荷不會發生轉移。對上述劃分好的用電峰谷時段的用電價格加以調整，利用報價函數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。假設一天內的峰谷時段劃分為z個集合，每個集合內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，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]的區間范圍，如果取值數據過小其產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的最終結果，在調度因子作用下，當時段內峰值差為負數時，判斷該函數處于峰時段，即可執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，重新計算函數報價[4,5]。根據需求側響應理論完成正確劃分，最終完成求解價格函數的博弈模型構建。

2 實驗論證分析

2.1 數據準備

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，分別對電網的最大負荷、最小負荷以及峰谷負荷差值進行優化，完成均衡負荷的優化目標。本次實驗在某省電力公司的電力數據中，選取具有代表性的大型工廠的日負荷數據，以24 h 的用電詳細情況作為實驗數據樣本，具體數據如表1 所示。

表1 某省大型工廠的日負荷數據 （單位：kW）

由表1 數據可知，該工廠一天之內的最大負荷為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據優化，從而完成該工廠的電網系統最優目標。

2.2 優化結果分析

根據樣本數據進行負荷曲線比較，驗證本文模型能夠完成3 個目標值優化。目標一是最小化電網負荷的系統峰值，目標二是最大化電網負荷的谷值，目標三是最小化電網負荷的系統峰谷差值。依次對3 個目標進行優化，具體負荷曲線如圖1 所示。

圖1 3 個目標優化曲線

根據圖1 優化結果可知，與原始數據曲線相比，優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實現削峰填谷的目標，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對用戶的用電峰谷時段進行均衡調配，提高能源的利用率。但分時用電計費的制定并非一勞永逸，需要在不斷調整的過程中根據電力公司自身的電力成本，完成負荷曲線的調整控制。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整。后續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。