激励CCHP参与需求侧管理双向峰谷定价模型

范 龙，李献梅，陈跃辉，陈彦秀，周任军



激励CCHP参与需求侧管理双向峰谷定价模型

范 龙1，李献梅2，陈跃辉1，陈彦秀1，周任军1

(1.智能电网运行与控制湖南省重点实验室(长沙理工大学)，湖南 长沙 410114；2.国网湖南省电力公司益阳供电公司, 湖南 益阳 413100)

削峰填谷是需求侧管理的主要目标，而峰谷电价是激励用户参与削峰填谷的有效措施。由于冷热电联供系统的运行特点，针对其制定双向峰谷定价将更为有效，激励其获取良好经济性，改变其供能方案和购售电交易计划，从而改变其接入电网母线的日负荷曲线。通过基于最小二乘法的误差相对值刻画日负荷与其均值的偏离程度，定义该误差值的变化率作为负荷曲线满意度；统一电价和峰谷电价条件下，比较联供系统经济性差异，定义冷热电联供系统满意度。为了综合考虑联供系统的调节效果，建立联供系统与负荷曲线的联合满意度为目标的峰谷定价模型。仿真结果表明，双向计量峰谷电价的合理定价，可促使联供系统调整调度方案，并获取改善的母线负荷曲线。均衡权重的联合满意度模型所定峰谷电价比不同权重的更能使联供系统积极响应，削峰填谷效果更优。

冷热电联供；峰谷电价；削峰填谷；负荷曲线满意度；冷热电联供系统满意度

0 引言

冷热电联供系统(Combined cooling heating and power，CCHP)是供冷、供热和供电一体化的多联供系统，能实现能源的梯级利用，经济、环保、削峰填谷且能实现能源高效利用[1-2]。CCHP接入电网运行时既向主网购电，又可以向主网售电[3]，其购售电量与其原接入电网母线负荷叠加，将直接影响其接入电网母线的负荷曲线性状。

联供系统为获取最优经济效益将响应电价改变其供能方案[4]，尤其是购售电交易计划。峰谷电价更是能激励用户积极参与削峰填谷[5]，因此，通过制定电网与联供系统间的双向峰谷电价，可激励联供系统获取最优经济性、同时改善接入电网母线的负荷曲线性状(即削峰填谷)。电网为达到改善负荷曲线的目标采取各种措施中[6-7]，峰谷电价是直接的经济激励措施，目前，峰谷定价问题主要针对只消耗电能的一般电力用户[8-9]，对于CCHP这类具有灵活调节供能方案的用户的定价问题鲜见报道，由于联供系统灵活调节的用能特性，针对其制定双向峰谷电价新型且有效，且随着联供系统逐渐推广，研究含冷热电联供系统的峰谷定价是十分必要的。

合理定价才能使电网母线负荷曲线与联供系统均达到满意的效果，峰谷定价模型中需综合考虑电网负荷曲线与联供系统双方满意的条件。从削峰填谷角度，改善母线负荷曲线能缓解需求侧电力供需矛盾、提高设备利用率、降低能耗等[10-11]，且同时为电网带来潜在的经济效益[12-13]，弥补峰谷电价下电网公司可能的购售电经济损失。根据负荷曲线的改善效果定义电网负荷曲线满意度指标。对于联供系统，经济性是其关注的重点[14-15]，峰谷定价时，联供系统较统一电价相比所得经济效益更是激励其调节用能的主要动力，其满意度则根据峰谷电价前后的经济性比较来定义。电网和CCHP利益不在一个数量级，而电网与CCHP满意度均为无量纲数值，方便加权计算。

为调动联供系统参与削峰填谷的积极性，需建立兼顾电网负荷曲线和联供系统的联合满意度定价模型，从而制定双向峰谷电价，得到联供系统响应后的供能方案和削峰填谷后的负荷曲线。

1 负荷曲线满意度指标

1.1 负荷误差相对值

日负荷曲线对电力系统的运行非常重要，电力调度部门以此为依据安排发电计划和运行方式等。

数学上，方差用来刻画变量偏离其均值的程度，由此，用其量化评估接入母线负荷曲线的性状，体现负荷曲线的平坦程度，但该方差不能很好地描述改善后日负荷曲线与原负荷曲线均值的差值。因此，定义基于最小二乘法的负荷绝对差值来描述负荷曲线与原均值的偏离程度，进而表达削峰填谷效果更加合理。

图1 接入母线原负荷曲线与均值直线示意图

原接入母线负荷绝对误差值和接入CCHP系统后产生的新接入母线负荷绝对误差值表达式分别为

(2)

1.2 负荷曲线满意度

冷热电联供系统接入电网后，对原接入电网母线负荷进行了调整，使其尽量接近原负荷曲线均值，其效果的程度需要用相应的数据值来定量表达。

以未接入联供系统调整接入电网母线负荷时，原负荷与均值的误差值为基准，定义电网母线负荷曲线满意度为

通过该量化指标来评价联供系统对接入电网母线处负荷削峰填谷效果的强弱。为无量纲数值，用百分数表示，其值越大表明负荷曲线改善效果越好，电网越满意。

2 CCHP经济性满意度指标

2.1 CCHP经济性

(1) 峰谷电价下的经济性描述

a、燃料成本

具体表达式分别为

(6)

b、碳排放成本

c、购售电成本

购售电成本受电价和购售电功率的相互影响。购售电成本包括买电带来的成本和卖电带来的收益为

(2) 统一电价下的经济性描述

当采用统一电价时，联供系统燃料成本与碳排放成本的表达式不变，其购售电成本表达式为

则固定电价下联供系统总成本为

2.2 CCHP满意度

以联供系统在统一电价下的经济性为基准，建立其对所确定峰谷电价满意度的量化指标，即实施峰谷电价后CCHP的总成本与采用统一电价时其总成本的百分比值。

3 考虑负荷曲线与CCHP联合满意度的峰谷定价模型

3.1 联合满意度函数

为了考虑CCHP对电价的积极响应，在模型中应兼顾电网和CCHP的满意度，得到如式(13)峰谷定价优化模型。

3.2 约束条件

CCHP接入电网运行时，采用“以热定电”运行策略有更好的效益[3]，即优先满足系统的热负荷，电出力在可行域内优化。为简便起见，可选用热电比直接描述热电出力限制，热电比即[14]，则可行域约束可表示为。若热负荷超过了最大热出力，超过的热负荷由辅助锅炉供应。

除满足可行域约束还需满足电、热平衡约束、机组出力约束，电价和购售电功率的限制。

电能平衡约束为

热能平衡约束为

(15)

各机组出力约束为

(17)

(18)

电价上下限约束为

(20)

购售电功率约束为

4 算例分析

4.1 算例及参数

以某地区接入电网的联供系统基本参数进行分析。算例数据包括CCHP电、热负荷曲线及风机预测出力。接入母线负荷曲线为某段时期内提取特征量后具有一般性的日负荷曲线，未来面向实时市场时可直接用每日负荷预测曲线，制定每日实时电价。峰、平、谷时段的划分分别为，峰时段：10:00~ 15:00、20:00~24:00；平时段：07:00~10:00、18:00~20:00；谷时段：00:00~07:00、15:00~18:00。

图2 CCHP与接入母线日负荷曲线

冷热电联供系统由风机和4台燃气轮机满足电、热负荷，其中热量单位均用千瓦来计量。基本参数如表1。辅助锅炉基本参数及出力限制如表2。

表1 燃气轮机基本参数

表2 辅助锅炉基本参数及出力限制

功率交换的限制为-200 kW、200 kW；电价上、下限限制分别为1.5元、0.2元；燃气轮机1、2出力限制分别为100 kW、5 kW，燃气轮机3、4出力限制分别为60 kW、5 kW；热电比限制为。

为分析CCHP系统对优化所得峰谷电价的响应情况，分别选取A、B、C三种典型情况分析，其中：A为负荷曲线满意度权重，CCHP满意度权重；B为负荷曲线满意度权重，CCHP满意度权重；C为负荷曲线满意度权重，CCHP满意度权重。

4.2 算例仿真结果

对A、B、C三种情况，采用序列二次规划优化算法，按文中所提出的负荷曲线与CCHP联合满意度的峰谷定价的优化模型，计算CCHP购、售电峰谷电价，结果列于表3；电网满意度与CCHP满意度比较，结果列于表4。

表3 CCHP购、售电峰谷价格

表4 电网满意度与CCHP满意度比较

各权重下联供系统响应双向峰谷电价后接入母线负荷曲线及购售电功率响应结果如图3。其中，均衡权重的联合满意度模型(即C，、)优化所得联供系统调度各机组出力如图4所示，CCHP系统的电能平衡和热能平衡分别如图5、图6所示。

4.3 结果分析

(1) 联供机组出力及购售电功率分析

由图3可见，新的负荷曲线较原负荷曲线更加平缓。峰时段，联供系统均有能力“削峰”。结合表4数据，负荷曲线满意度指标能够反映图3中各类曲线的平坦程度，验证了负荷曲线满意度指标的准确性，进而验证了含负荷曲线与CCHP联合满意度的峰谷定价模型的有效性。

由图5电能平衡、图6热能平衡可知，在时段9:00~14:00，联供系统热负荷达到高峰，此时需辅助锅炉补充，燃气轮机全部最大出力，多余的电能反馈给电网；在谷时段，联供系统购电可“填谷”，在时段00:00~07:00，联供系统的热、电负荷均不高，购电需求不高，因此“填谷”效果不明显，在时段15:00~18:00则较明显。显然，CCHP系统响应电价后获得自身良好经济性的同时对接入母线原负荷曲线起到了一定的“削峰填谷”的作用。

图3 接入母线负荷曲线及购售电功率响应结果

图4 联合满意优化后各机组出力

图5 CCHP系统电能平衡

图6 CCHP系统热能平衡

(2) 电网满意度与CCHP满意度对比分析

各不同权重下优化电价均能定出相应目标最优下的电价，采用双向峰谷电价情况下母线负荷的误差相对值都较采用单一电价情况下母线负荷的误差相对值低，采用双向峰谷电价负荷曲线及CCHP经济性都有所优化，但CCHP对所定电价的实际响应情况各不相同。

权重偏向负荷曲线满意度时(即A)，优化所得的负荷曲线满意度值为27.30%，CCHP满意度为3.79%；权重偏向CCHP满意度时(即B)，优化所得的负荷曲线满意度值为10.03%，CCHP满意度为11.17%；取均衡权重的联合满意度模型时(即C)，优化所得的负荷曲线满意度值为24.92%，CCHP满意度为5.19%。可见，均衡权重的联合满意度模型所定峰谷电价比不同权重的更能使联供系统积极响应，削峰填谷效果更优。

5 结论

(1) 定义负荷曲线满意度客观评价CCHP对接入母线负荷曲线的改善效果，利用基于最小二乘法的绝对误差值刻画接入母线日负荷与其均值的偏离程度，并以未接入联供系统时的该误差值为基准，定义误差值的变化率作为负荷曲线满意度。

(2) 定义基于经济性指标的CCHP满意度，建立了追求负荷曲线与CCHP联合满意度的峰谷电价优化模型，确定双向计量的峰谷电价。该模型所定峰谷电价能激励联供系统积极响应调整其供能方案，获得最优经济环保效益，同时改善了接入母线的负荷曲线。

(3) 不同权重的满意度目标，将获得不同的双向峰谷电价，并产生不同的CCHP响应。其中，均衡的联合满意度得出的电价更能实现电网与CCHP的双赢。所提出的满意度定义方法可在进一步的定价研究扩展增加环境等满意度指标，并且所定义的负荷曲线满意度不仅针对接入母线，更可针对全电力系统负荷曲线的满意度。

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(编辑 周金梅)

Pricing model of bidirectional peak-valley for motivating CCHP to participate in DSM

FAN Long1, LI Xianmei2, CHEN Yuehui1, CHEN Yanxiu1, ZHOU Renjun1

(1. Smart Grids Operation and Control Key Laboratory of Hunan Province (Changsha University of Science and Technology), Changsha 410114, China; 2. Yiyang Power Supply Company, State Grid Hunan Electric Power Company, Yiyang 413100, China)

Load shifting is the main objective of demand-side management, and TOU is an effective measure to motivate users to participate in load shifting. Due to the operating characteristics of combined cooling heating and power (CCHP) system, the bidirectional peak-valley pricing for it will be more effective, motivating it to get a good economy, and changing its scheme of energy supply and trade of purchase and sale electric energy, thereby the daily load curve connected to bus changes. An error based on the least squares method is used to depict the relative value of the deviation from mean value of daily load, and the rate of change of the error is defined as the load curve satisfaction; economic differences of CCHP are compared under the condition of uniform price and peak-valley price, and then CCHP satisfaction is defined. In order to comprehensively consider the effect of adjustment for CCHP system, pricing model of peak-valley is established with the aim of joint satisfaction of load curve and CCHP system. Simulation results show that the bidirectional peak-valley prices decision-made reasonable can promote the CCHP system to adjust dispatch schedule, and obtain improvement of load curve of substation bus. Comparing joint satisfaction model of TOU with different weights, the responses are more active and peak load shaving effects are more available. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51277016 and No. 11171095).

CCHP; peak-valley price; peak load shaving; load curve satisfaction; CCHP satisfaction

10.7667/PSPC151566

国家自然科学基金资助(51277016，11171095); 湖南省高校创新平台开放基金(12K074)

2015-09-05；

2015-12-10

范 龙(1990-)，男，通信作者，硕士研究生，主要从事电力系统运行与规划，冷热电联供系统优化研究；E-mail: longf_2008@163.com 李献梅(1990-)，女，硕士，主要从事电力系统运行与规划，冷热电联供系统优化研究；E-mail: xianmei0101@ 163.com 周任军(1964-)，女，博士，教授，研究方向为电力系统优化、电网规划与运行、新能源接入系统、风险及条件风险、分布式电源规划、低碳电力。E-mail: zrj0731@163.com