考虑调峰响应的峰谷型售电套餐效用评估方法

王天峰，刘丙栋，张一晨，谢天，黄红伟

（1.新疆电力交易中心有限公司，乌鲁木齐 830017；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100084）

0 引言

2015 年，中共中央、国务院印发《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（中发〔2015〕9 号），拉开了我国本轮电力体制改革的序幕。售电市场开放是本轮改革的重要内容。随着改革的不断深化，越来越多的电力用户参与到市场交易中，交易形式也由传统的双边协商转向售电套餐等更为成熟、规范的交易形式［1-2］。

文献［3-5］介绍了美国、日本、英国等国外成熟电力市场中售电市场建设和售电套餐设计等有关情况：随着中小电力用户不断涌入市场，针对性强、标准化高的售电套餐是广大售电公司普遍采用的市场营销策略。美国、日本等成熟电力市场的售电套餐种类繁多，峰谷型售电套餐是较为常见的类型。文献［6-8］介绍了在峰谷型售电套餐设计中可利用用户调峰响应参与需求侧响应，并提出了一种考虑用户需求侧响应参与度的套餐设计方法。文献［9］研究了用户选择售电套餐的考量因素，提出了多因素评价售电套餐选择的方法。相比于国外成熟电力市场，我国电力市场则处于起步阶段。文献［10-11］介绍了我国当前售电市场建设的情况，重点对比、分析了不同类型售电公司在市场竞争中的优势。文献［12］研究了独立售电公司的最优购售电策略，提出了考虑非合作博弈的购/售电策略最优规划方法。文献［13-14］系统比较了不同类型用户的电能使用特征，构建了售电公司需求响应电价模型，在峰谷型售电套餐基础上，通过增加奖励机制提升电力用户参与需求侧响应的积极性。

我国当前售电市场领域的研究还有待进一步深入，特别在售电套餐分析与设计领域。目前主要通过参考国外售电套餐设计的成熟经验来规划、设计我国电力市场下的售电套餐。然而，对于广大电力用户来说，如何有效选择适合自身需求的售电套餐成为亟待解决的问题。特别是我国近年来新能源快速发展，电网调峰压力日益增大，峰谷型售电套餐成为目前研究热点。电力用户准确评估自身调峰能力、合理选择峰谷型售电套餐，不仅能够降低自身购电费用，还有助于缓解大电网调峰压力。

本文将研究如何评估考虑调峰响应的峰谷型售电套餐的效用，以作为电力用户选择售电套餐的参考。首先介绍峰谷型售电套餐的基本概念和主要特征；随后从电力用户按照套餐协议的要求改变用电习惯、调整自身峰谷电量需求出发，构建了用户调峰响应影响模型，以评估不同改变程度对用户自身用电便捷性的影响。考虑该影响因素，提出了峰谷型售电套餐效用评估方法，统筹考虑购电成本变化和使用便捷性，全面评估套餐效用。最后，基于某大型商场实际数据构造算例，验证本文所提出方法的有效性。

1 峰谷型售电套餐概念与特征

1.1 基本概念

峰谷型售电套餐是国际电力市场应用较为广泛的售电套餐类型［15］。其主要特征在于电力用户与售电公司签订有明确预期用电量和峰谷电量比例2个指标的售电套餐协议。最终电力用户的电价不仅与预期用电量有关，还与峰谷电量比例有关。具体来说，预期用电量越高，能够享受越低的电价；而峰谷电量比例越低，表明该用户配合电网调峰方面做出的贡献越大，套餐电价相对更低［16-17］。

根据以上特征介绍，电力用户签订峰谷型售电套餐的电价可表示为

式中：pPV，1，pPV，2，…，pPV，N+1分别为预期用电量处于不同区间对应的基础电价；E1，E2，…，EN为预期用电量各区间的电量分界数值；N为预期用电量分段数。

图1 基础电价与预期用电量关系Fig.1 Relationship between the basic price of electricity and expected electricity consumption

图2 套餐电价修正系数与峰谷电量比例关系示意Fig.2 Relationship between the package price correction factor and peak-valley electricity ratio

1.2 特征分析

对于任一电力用户，其预期用电量与生产经营需求有关，一般随电价变化的弹性较小。为降低用电成本，电力用户可通过调整用电习惯降低峰谷电量比例。在预期用电量一定的情况下，基础电价可视为定值。套餐电价随峰谷电量比例的变化趋势与电价调整系数随峰谷电量比例的变化趋势相同，由于预期用电量基本确定，因此该变化特性实际上也反映了电力用户用电费用随峰谷电量比例变化的关系。

根据以上特性分析可知，为降低用电成本开支，电力用户在选择峰谷型售电套餐时倾向于申报尽可能低的峰谷电量比例。

2 用户调峰响应影响建模

尽管申报低峰谷电量比例能够获得较低的电价，然而电力用户调整用电习惯、改变其峰谷电量比例的能力是有限的，甚至如电解铝、磨料厂等连续生产的企业基本不具备调整用电习惯的能力。另外，用电习惯的改变对用户的正常用电会产生一定影响，调整幅度过大甚至需要配合生产、生活习惯的较大改变，该因素造成的影响也不容忽视。

综合以上2 方面因素，电力用户在选择峰谷电量比例参数时，必须充分考虑其调峰响应对自身造成的不利影响。文献［18］研究了不同类型电力用户的需求侧响应能力。整体来看，各类型电力用户调峰响应的能力是有限的。如图3 所示，在其允许的调峰响应范围内，可根据调峰响应对自身用电造成的不利影响，将其响应范围划分为3个阶段。

图3 调峰响应成本变化示意Fig.3 Impact brought by peak regulation response

第1 阶段，相对于正常水平峰谷电量比例调整幅度较小时，调峰响应对电力用户的影响不大，随峰谷电量比例的降低，成本整体呈缓慢增加的线性趋势。一般来说，该阶段不需要电力用户对其生产流程进行较大调整，主要是从合理调整生活用电习惯等出发，适度调整其制冷、供热、照明等用电设备的功耗强度和使用时间。

第2 阶段，仅通过合理用电并调整生活用电习惯已难以实现，必须对生产习惯等进行一定程度的改变。由于生产习惯调整将产生额外开销，比如建材行业为合理调整生产时间进行避峰生产，由此产生加班工资等非用电开销。

第3 阶段，是在前2 个阶段基础上已充分挖掘用电习惯所能产生的调峰响应潜力的基础上，通过革新生产工艺流程或引入储能等灵活调节资源进一步提升调峰响应能力的阶段。该阶段将对传统的生产生活模式产生较大影响，且需要增加新的设备投资，往往有较高的调峰响应成本。

需要说明的是，不同类型电力用户的用电特性、生产工艺要求和技术改造方案均不同，因此其不同阶段的调峰响应成本系数取值不同，可参考文献［17］方法对其建模估算。

3 套餐效用评估方法

3.1 指标定义

传统售电套餐效益评价中，对市场用户从交易中所获得的电费收益考虑较多，而对自身用电习惯调整等造成的成本考虑较少［19］。从以上分析可以看出，电力用户在选择峰谷型售电套餐中的峰谷电量比例时，不仅需要考虑峰谷电量比例参数降低所带来的电价下降，还需要考虑自身为满足峰谷电量比例进行用电习惯调整等所产生的成本。为了综合考虑以上2 方面因素，本文将提出套餐效用评价指标，以统筹分析电价变化和用电习惯调整带来的影响。

套餐效用指标，本质上为电力用户签订峰谷型售电套餐中选定峰谷电量比例所产生的电价变化和调峰响应成本的加权值，即

3.2 评估流程

考虑到电费变化、调峰响应成本均不能完整的反映售电套餐所带来的整体效益，本文提出以套餐效用为量化指标，综合考虑以上两方面影响。

按照以上评估思路，本文提出的评估流程如图4所示，整个评估流程可分为4个步骤。

图4 评估流程Fig.4 Evaluation process

步骤1：评估准备。该步骤的主要目的是统计分析电力用户的历史用电情况，掌握其用电调整可行性、用户调峰响应成本特性曲线和预期用电量等关键参数，在此基础上，确定电力用户的峰谷电量比例。该步骤实施过程中，可根据电力用户历史同期用电曲线，并结合近期生产生活计划，统计、测算得到预期用电量和正常生产条件下的峰谷电量比例。根据电量结构和不同类型电力用户调峰响应特性差异，确定不同调峰响应程度下的用户调峰响应成本的变化，可参考文献［17］中关于不同类型电力用户需求侧响应潜力统计、分析得到该成本的变化关系。电力用户根据以上信息，可采用人工经验测算或统计分析等方式确定售电套餐中的峰谷电量比例参数。

步骤2：电费变化评估。该步骤的主要目的是在给定的峰谷电量比例基础上，评估测算选用该售电套餐用户获得的电费收益。该步骤实施过程中，首先根据峰谷电量比例和预期用电量，参照式（1）计算得到套餐电价；然后参照式（7）中关于电费变化部分的计算，得到签订该售电套餐后所带来的电费降幅，即为该套餐下的电费收益。

步骤3：调峰响应成本评估。该步骤的主要目的是在给定的峰谷电量比例基础上，计算电力用户调峰响应成本。测算中根据式（6）、对照图3所示的调峰响应成本曲线，可直接计算得到。

步骤4：套餐效用评估。该步骤的主要目的是统筹考虑该峰谷电量比例下，电费变化和调峰响应成本变化2 方面因素。依据套餐效用指标，对该峰谷型售电套餐的可用性进行评估。根据步骤2、步骤3 中计算得到的电费变化和调峰响应成本，代入式（7）计算得到套餐效用。必须注意的是，套餐效用能够反映电力用户按照该峰谷电量比例能够获得的预期收益，但是受到电力用户自身收益预期和心理预期影响，套餐效用必须符合电力用户的实际需求，电力用户才可能考虑签订，即套餐效用必须大于电力用户对套餐效用的整体预估值（UExu），才具备可行性。该判定关系可表示为

若套餐效用未超过该预期时，还需要对峰谷电量比例等参数进一步调整。

4 算例分析

4.1 基础数据

本文将以某大型商场（u1）和磨料加工场（u2）的数据构造算例，验证所提出方法的有效性。

如图5 所示，商场和磨料加工场日用电量基本相同，但是用电曲线特征存在较大差别。商场营业时间为10：00—22：00，预期日用电量为47 MW·h。从典型日负荷曲线可以看出，该商场用电高峰期主要集中于18：00—20：00，最高负荷为8 230 kW，而最低负荷仅118 kW。磨料加工场日用电量约48 MW·h，尽管其用电量与商场基本相同，但与商场相比，磨料加工场用电曲线的峰谷差明显偏小，夜间低负荷时段的用电负荷基本维持在300 kW 左右，09：00—20：00 为其生产时段，用电负荷维持3 400 kW左右。

图5 典型日负荷曲线Fig.5 Load curves on a typical day

造成以上用电特性差异的根本原因在于2类用户的用电需求存在显著差异。电力不仅用于商场照明及景观，还用于制冷、采暖、通风等，其用电负荷与季节、气温、节假日等因素相关性较高。商场的用电负荷与客流相匹配，时间可调节性相对有限。而磨料加工场的电力主要用于生产，约300 kW的基础负荷用于维持设备基本工况，工作时段加大生产强度，用电量将随之增加。

4.2 数据分析

4.2.1 评估准备

评估准备阶段对电力用户的调峰响应能力及成本进行分析，并决策峰谷电量比例。根据电网运行需要，售电公司所设计的峰谷型售电套餐中规定高峰时段为10：00—12：00及15：00—20：00，低谷时段为00：00—05：00。参照文献［16］中关于用户需求响应能力的介绍，在不考虑户用增设光伏等技术设备前，仅依靠适度调整用电习惯，商场、磨料加工场峰的谷电量比调节能力有限。其中商场用户用电习惯必须与客流相匹配，导致其仅能在客流高峰时段通过合理节能降耗、调整空调温度等措施适当降低能耗，仅具备第1阶段的响应能力；而磨料加工场用户在采用合理降耗手段外，可以通过转移生产流程、夜间生产等措施对用电曲线大幅度调整，因此具有前2个阶段的调节响应能力。结合文献［16-17］的研究，这2 类用户的调节响应成本函数可设定为

按照图5 中商场、磨料加工场的典型日用电曲线，可计算得到不响应峰谷型售电套餐时其初始峰谷电量比分别为46.6，15.8。受峰谷型售电套餐峰谷电量比降低时电价下降的优惠激励，用户具有调整其用电习惯削峰填谷的意愿。对于大型商场用户，其调整能力有限，为获得电价优惠，初始条件下规定其预期申报峰谷电量比为其调节范围最小值40.0；类似地，规定磨料加工场用户也采取调整生产时间等方式降低其峰谷电量比，由于峰谷电量比低于10.0后电价修正系数将维持不变，故规定其申报的峰谷电量比取值为10.0。

4.2.2 调峰响应成本评估

调峰响应成本评估阶段将分别对电力用户峰谷电量比调整所带来的电费收益和调峰成本进行测算评估。按照峰谷型售电套餐中基础电价规定，商场和磨料加工场用电规模相当，其用电量对应基础电价均为0.65 元/（kW·h），较未参与市场交易时，签订套餐后电价降低0.15 元/（kW·h）。

售电套餐中电价修正系数与峰谷电量比例之间的关系可表示为

如式（11）所示，若电力用户能将峰谷电量比例降至10.0以下，套餐电价将降至基础电价水平的80%。

在预期电费收益方面，当2 个用户均以最大能力调整峰谷电量比时，大型商场峰谷电量比可达到40.0，对应电价修正系数为1.025，则考虑峰谷电量比修正后交易价格为0.67 元/（kW·h），较交易前用户月电费收益可达0.63 万元；而磨料加工场峰谷电量比可降至10.0，对应电价修正系数为0.8，修正后交易价格为0.52 元/（kW·h），较交易前用户日月电费收益可达1.344万元。

调峰响应成本方面，当按照以上峰谷电量比申报水平，商场由于优化用电方式所产生的调峰响应成本达100.300 万元；而磨料加工场也将由于调整生产安排产生调峰响应成本370.000万元。

4.2.3 套餐效用评估

套餐效用评估阶段将综合电费收益和调峰响应成本对决策可行性进行分析。不影响本文主要研究内容，将电费减少权重系数α1和调峰响应成本权重系数α2均设为1。按照式（7）所示的评估模型，商场和磨料加工场尽管获得了电费降低收益，但是将产生高昂的调峰响应成本，综合效用为负，不利于改善自身收益，见表1。从表1 可以看出，相比于传统评估方法，本文的评估方法考虑了电力用户自身调峰响应成本能够更加完整的呈现电力用户降低自身峰谷电量比例所带来的电费降低和调峰响应成本增加，对用户科学决策提供有力支撑。

表1 综合效用对比Tab. 1 Comparison of comprehensive utility

可根据用户调峰响应成本函数和电价修正系数函数，构建u1，u2的调峰套餐效益评价函数，

当Uu1，Uu2取值为正时，表明该峰谷电量比有助于提升整体运行效益；而若取值为负，则表明该峰谷电量比将导致调峰成本增大，影响运行效益的情况。对以上2类用户，最优峰谷电量比分别为46.6，12.0。上述结果表明，商场仅能在第1 阶段调整用电特性，且调整成本较高，建议维持当前峰谷电量比对其购买售电套餐最有利。而磨料加工场的最优峰谷比恰为其第1 阶段峰谷调整极限值，意味着第2 阶段用电调整将产生较高调峰成本，在第1 阶段范围内最大限度优化调整有利于进一步降低整体费用。

以上结果表明，不同类型用户调峰成本不同，造成其购买峰谷型售电套餐时策略不同，若不细致考虑峰谷电量调整可能造成的调峰成本增加，将导致用电效益下降的问题。

5 结论

本文介绍了峰谷型售电套餐的概念与特征，分析了电力用户在签订售电套餐时为追求电价降低存在压低峰谷电量比例的申报倾向。研究了峰谷电量比例变化中电力用户调峰响应可能对其正常用电造成的影响，构建了电力用户调峰响应成本模型。考虑峰谷电量比例变化所产生的电价变化和调峰响应成本，提出综合效用评价指标，并据此设计了效用评价方法。该方法有助于全面评估电力用户申报峰谷型售电套餐的实际效益，避免电力用户仅关注电价变化，而忽略对自身用电便捷性的影响。