基于智能电网供需均衡的实时电价机制研究

颜乐平，李 琰，徐天奇，周常飞

（1.云南民族大学电气信息工程学院，云南 昆明 650500；2.海南电网有限责任公司三亚供电局，海南 三亚 572000）

0 引言

电能是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源，电与人们的生活息息相关。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，生活用电和工业用电日益增多，电网的稳定性与可靠性、管理运营模式等都受到了巨大的挑战，迫切需要人们去寻找新的解决方法，以提高电网运行的经济效率。2009 年国家电网公司提出“建设坚强智能电网”，成为解决问题的关键。智能电网的价格模式主要有：固定电价、阶梯电价、分时电价、实时电价等。英国是最先提出实时电价机制的国家。随着中国电力市场化改革和智能电网建设不断推进，发电侧和供电侧都进行了改革，电力公司市场营销意识改变，电价将从政府管制的固定电价向适应市场需求的实时电价制度转变。实时电价作为一种供需响应电价，是随时间变化的，通过价格反映电力市场供需均衡情况，对调节用户用电行为和电网负荷曲线、实现削峰填谷具有重要意义，是电力市场运营最理想化的电价机制。

部分学者对智能电网实时电价开展了相关研究。文献［1］用支持向量分位数回归方法，引入松弛变量构成Lagrange 函数，提高了短期电力负荷预测精度，能更好反映一天任意时刻电力负荷的预测结果，解决了短期电力负荷概率密度预测问题。文献［2］提出了实时电价机制下交直流混合微网的收益问题优化策略，通过制定交直流混合微网目前调度方案，优化了电气特性建立运行模型，增加交直流混合微网收益，并且减少了用户平均电费的支出。文献［3］给出了分时电价机制下，电源微网的优化调度问题，提出了一种经济实惠的微网最优化集中调度的方案。文献［4］同时提出了将需求响应分为电网需求响应和用户需求响应的模式，分析用户对电能需求响应的经济性，以达到最理想化的状态；另一方面还考虑了电网的需求响应对电力系统的稳定性和可靠性带来的冲击，提高电网的稳定运行状态。文献［5-6］研究了实时电价机制的负荷预测互动用电系统，阐述了互动用电系统的总体架构，分析了系统各部分的功能需求及特点，激励用户主动参与电网运行，提出了一种可以使用户与电网之间互相交流用电信息的互动信息平台系统。文献［7-8］考虑了供应商和用户信息交换过程中，满足用户满意度情况下，以提高供应商的收入，达到节约用电，提高用户用电效用值为目的，提出了一种基于供应商收入最大化的实时电价模型。文献［9-10］通过构建发电侧和供电侧分时电价动态博弈联动均衡，考虑了供需双方的利益最大化，达到削峰填谷的目的，实现电能在市场内各环节的合理化分配。总体来说，以上的研究成果为本次研究工作做了较好的基础铺垫。但也存在一些不足之处，只考虑了发电侧和用户的利益，没有兼顾电网负荷的波动、峰谷差率以及运行的稳定性。在新的一轮供给改革，将彻底改变传统的电力市场供需结构，形成自己的优势，电力公司根据电力供需响应情况，发布实时电价，实现电力负荷需求的理想化，提高电能的使用率，从而节能减排保护环境；而消费者可以根据电力公司发布的实时电价，选择在最恰当的时间合理分配电能的需求，从而达到合理用电、削峰填谷的目的。

对比市场上几种常见的电机机制，主要讨论电力市场中实时电价问题，并对实时电价提出一种新的算法。通过智能电表实现数据的交互与共享，使用户的隐私安全得到保障，同时提高电力市场电价的透明度。鼓励用户自主选择用电的时段，积极参与电力市场的调控。通过价格弹性杠杆，调节电力市场的供需平衡关系，优化用户的日负荷曲线，降低电网公司供电的峰谷差，提高用户用电的效用，并使售电公司利益最大化，让实时电价的红利惠及每个电力用户。最后，对所提供的算例模型和方法进行检验。

1 智能电网电力市场主体

1.1 发电商

中发［2015］9 号文件《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》中“三开放，一独立，三加强”的改革重点和总体思路［11-12］阐述了电力体制改革的重要性和紧迫性，说明中国的电力市场进入了新的发展阶段。五大发电公司分布在不同地区，且每个地区的生产原料、气候、环境各不相同，其所需要的成本也不一样，为了便于对电力市场中发电商机制的研究，将五大发电公司视为一种情形来讨论。根据电力部门制定的电力生产资料成本开支，电力产品成本开支范围主要包括燃料费、材料费、水费、纳税费、机器折旧费、工资和福利、其他费用等。发电商的成本函数为

式中：a1、a2、a3、a4为各发电商的成本系数；Qk为发电量；k 表示发电商的编号。

发电商根据对生产原料成本、机器的损耗以及市场中标情形，对电价的风险报价分为两个阶段：低风险，即将合同内的电量报价较低，用来规避不中标的风险情形；高风险，即将合同外的电量报价较高，以获取更多的生产利润，提高生产积极性。根据电力市场电量的供需关系，t 时刻对风险报价为

发电商通过集中竞价、挂牌等方式出售电能，并与电力零售商签订购买合同，实行合同制购电。电能要通过电网公司输送、分配，电网公司连接发电商和电力零售商，维持着发电商和电力零售商的信息交流与共享，其主旨是为用户提供便捷的服务，并根据电网公司自身的发展建设，发电商支付一定的过网费用给电网公司。发电商在t 时刻内成交函数为［13］

式中：Lm（t）为发电商t 时刻内的效益；b、bQk、bQλ分别为过网系数、合同电量内的过网费用、实际电量的过网费用；Qk、Qλ、γ 分别为合同内的电量、实际电量、电量系数。

1.2 电力零售商

在逐渐开放的电力零售市场中，用户将面对易变的实时电价，利用价格弹性杠杆调节电力供需平衡，达到资源的优化分配。在用户端安装智能电表，零售商通过智能互动客服端平台，并结合用户的日负荷曲线，发布电力的每个时间段的信息，做到电价的公开透明化［14］。用户通过智能电表接收到电价的信息，及时了解电价的信息，参与到实时电价互动中，选择合理的时间段用电，增加了用户的自主选择意愿。根据每个时间段的不同电力需求，通过供求平衡及维护成本等计算出第二天各个时间段的实时电价水平，零售商在每天17∶00∶00 发布第二天的实时电价水平。因为电能是一种易逝且不易大量储存的产品，零售商根据用户对电能的需求情况，从发电商处按合同制进行购买，支付函数为

1.3 电力用户

为保证正常生活，用户每天需要消纳一定的电力，用户可以通过智能电表及时获得自己的用电数据信息，以及查询实时电价信息，向电力零售商反映自己的用电心得，并提出在用电过程中存在的问题。电力零售商通过数据交换平台，将数据反馈给发电商和电网公司，及时了解用户的效益，有针对性制定相关措施，并在消纳电力产品的过程中，对电力用户采取一些激励措施，提高用户的用电意识，增加用户的用电效益［15-16］。用户在每个时间段购买电能的意愿是不同的，一般通过效用函数来反映。用N（）来计算用户的用电效用，θ、δ 分别为用户购买电能的意愿、用户的心理账户；表示用电负荷。由于每个人的心理账户、公平理论、自我控制、跨期选择与储蓄行为、生活方式、个人的焦虑和满足度等不同，使得人们对电力的消费理论不同，消费的时间段选择也不相同。用户对电能的消纳，是一个心理满足的过程，在开始的阶段，获得的效用会快速的增长，但随着时间的推移，上升的速度会减慢，直到效用达到最大，符合用户的心理意愿［17］。因此，这里采用三次效用函数对其用电的效用进行量化，为

在此时间内用电所支付的经济成本为

式中：Pη（t）为实时电价；ξ 为电力价格弹性系数。

2 多目标经济优化模型

2.1 电力市场核心

电力交换依靠价格，只有电价合适才能促成交易［18］。因此，电价是电力市场的支点。实时电价能够动态地反映电力资源被消纳，发电商能够精确得知每天各时间段负荷及供电成本的变化，通过价格来调节电力需求，达到电力供需平衡［19］。同时，加大用户对电价透明度的了解，增加用户自主选择的意愿，积极参与电力市场的调控。电力零售商连接发电商和电力用户。在电力交易市场中，电力零售商发布每天的实时电价信息，在较短时间内反馈各种用电设备所消纳的电能质量和数量。用户通过智能电表接收，智能电表详细显示实时互动信息，用户可以随时随地了解用电情况。通过实时电价交易维护电力市场的稳定，保证供需侧的均衡。零售商的支付函数是随时间变化的，所以零售商的利润最大化为

2.2 用户效益

智能电网是为用户服务的，能够合理分析实时电价下用户的用电响应行为，制定更高效的实时电价机制，动态跟踪整个电力市场的价格模型，降低用户在高峰期的用电需求，达到资源的优化配置，对实现削峰填谷具有重要意义。用户作为电力消费者，通过智能电表接收实时电价信息，了解每个时段的电价情况，通过电价的弹性杠杆，按照自己的心理账户，自主选择用电的时段，来提高用户的用电效益［20］。将所有的参数代入到用户效用函数中，可以得到t时刻内用户的效益值。所以，在时刻t 的用电效益为

所以，

因此，所得的模型是一个分段函数，在一天的时间内，可以找到用户效益最大的时段和零售商的最大利润。综合考虑零售商的利润和用户的效益，采用线性加权的方法来处理多目标优化函数，对目标函数进行优化，如式（12）所示。其中a、c 分别为零售商和用户的权重系数，a+c=1。

3 算例分析

根据所提出的模型，采用粒子群算法对模型求解，用MATLAB 进行数值仿真试验，以验证模型的可行性和有效性。在试验过程中，通过观察其数值的变化，收敛效率，来验证模型的可行性。以三亚供电局某小区用电的相关数据作为仿真验证的基础数据，需要考虑零售商利润、用户用电的效益以及电网的日负荷曲线。竞价上网采购价格=0.44 元／kWh，用户的用电意愿θ 为［1，5］内的均匀随机分布，合同外=0.48 元／kWh，电力价格弹性系数为ξ［0，1］内的均匀随机分布，δ 为常数。

图1 为一个时间段内零售商收益的迭代变化情况。可以看出，粒子群算法的收敛速度比较快，在第15 次迭代处进入了收敛状态，因此，粒子群算法对模型求解具有有效性与可行性。将整个时间段设定为24 h，即观察0～24 h，用户在实时电价下，一天内用电的情形和电网负荷曲线，以及零售商收益变化，如图2 所示。

图1 一个时间段内零售商收益的迭代变化

图2 24 h 零售商收益的变化

图2 中显示，实行实时电价后，在0～24 h，由于电力价格弹性的不同，零售商多层次优化电力资源配置，利用电价调节市场供需平衡，缓解电力供需紧张。和原始电价时相比，零售商的收益比之前提高许多，同时也给用户提供一些红利，能够做到采购和销售的相对合理化，避免了电能的浪费。

电网负荷变化如图3 所示，通过对电力负荷指标的分析，确定电力系统的需求特性，观察0～24 h，单位负荷的变化，能够发现实时电价的模型，电网日负荷曲线的变化，比原始电价相对平稳，最大负荷减少，最小负荷增加，负荷波动小，降低了负荷峰谷差，起到了削峰填谷的作用，增加了电能的利用率，同时也提高电力系统的稳定性和安全性。

图3 24 h 电网负荷的变化

用户用电效用的变化如图4 所示。改进后的模型，针对用户侧，实时电价作为供需响应策略，开放了电力市场电价透明化，用户通过智能电表，用户及时了解电价的情况和剩余电量，可及时购买电量，避免了停电风险。通过电价弹性杠杆，错开了用电的高峰期，调节电力市场的供需平衡［21］。通过增加用户自主选择的意愿，鼓励用户积极参与电力市场调控，提高了用户用电效益，让实时电价的红利惠及每个电力用户。

图4 24 h 用户用电效用的变化

4 结语

在电力市场中，用户通过智能电表和智能手机接收实时电价信息，开放了电价的透明度，用户能够自主选择用电的时段，鼓励用户节约用电和合理用电，积极参与电力市场的调控。建立零售商和用户用电效益最大化的实时电价模型，构建多目标优化函数，兼顾了电网负荷的波动、峰谷差率。实时电价作为供需响应策略一种，能够动态反映电力资源被消纳的过程，可充分发挥电力市场的作用，动态调整每个地区的电力，优化资源配置，降低负荷的峰谷差，可以有效地实现削峰填谷，提高电力系统的稳定性和安全性。同时也提高了用户的用电效益，增加了零售商的利润，让实时电价的红利惠及每个电力用户，促进社会的可持续发展。