康守亞，李嘉龍，李燕珊，朱建全，梁博燁，劉明波

?

考慮峰谷分時(shí)電價(jià)策略的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型

康守亞1，李嘉龍2，李燕珊1，朱建全1，梁博燁1，劉明波1

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600)

針對(duì)新形勢(shì)下電力調(diào)度的發(fā)展需求，提出了一種考慮峰谷分時(shí)電價(jià)策略的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型。首先，探討了峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)電源及負(fù)荷側(cè)的影響機(jī)理，從用戶電費(fèi)支出及用電方式兩個(gè)角度給出了負(fù)荷參與峰谷分時(shí)電價(jià)的滿意度指標(biāo)。其次，以峰谷分時(shí)電價(jià)為杠桿，將電源側(cè)的發(fā)電成本問(wèn)題以及負(fù)荷側(cè)的用電問(wèn)題進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，從源荷兩側(cè)建立一個(gè)多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型，并進(jìn)一步給出相應(yīng)的求解算法。該方法能從電源和負(fù)荷兩側(cè)最大限度地挖掘發(fā)電調(diào)度的效益，所得的方案也符合各方的利益需求。最后，通過(guò)一個(gè)省級(jí)電網(wǎng)的算例說(shuō)明了所提方法的有效性。

需求響應(yīng)；峰谷分時(shí)電價(jià)；機(jī)組組合；用戶滿意度；多目標(biāo)優(yōu)化

0 引言

近年來(lái)，能源短缺成為全球范圍內(nèi)的焦點(diǎn)問(wèn)題。作為一種重要的二次能源，電力發(fā)電調(diào)度同樣面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-3]。為了提高發(fā)電效益，傳統(tǒng)的做法主要是從發(fā)電側(cè)入手，通過(guò)優(yōu)化機(jī)組組合及出力等方式減少煤耗量或發(fā)電成本[4-6]。實(shí)際上，作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，用戶的用電方式也在很大程度上決定著發(fā)電效益[7-9]。從這個(gè)意義上說(shuō)，如何從發(fā)電側(cè)和用電側(cè)共同著力以提高發(fā)電效益，具有重要的研究意義。

峰谷分時(shí)電價(jià)是改善用戶用電方式的重要手段之一[10-11]。目前已有的文獻(xiàn)從不同的角度對(duì)分時(shí)電價(jià)展開(kāi)研究，包括上網(wǎng)側(cè)的分時(shí)電價(jià)、需求側(cè)的分時(shí)電價(jià)等。其中，上網(wǎng)側(cè)的分時(shí)電價(jià)一般從發(fā)電成本的角度考慮[12]；需求側(cè)的分時(shí)電價(jià)則主要根據(jù)用戶響應(yīng)情況進(jìn)行制定[13-14]。在考慮需求側(cè)的分時(shí)電價(jià)方面，文獻(xiàn)[15]以峰谷差最小化為目標(biāo)，并以用戶的平均電價(jià)變小為約束條件，給出了分時(shí)定價(jià)的方法。該類(lèi)方法符合分時(shí)電價(jià)削峰填谷的初衷，但主要還存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：第一，并未考慮發(fā)電成本問(wèn)題，因而不能充分提高發(fā)電效益；第二，用戶由于接受分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)而產(chǎn)生的附加成本并未考慮在內(nèi)，因而不能全面反映用戶的實(shí)際效益。文獻(xiàn)[10]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步定義了用戶的用電滿意度和電費(fèi)滿意度，并以峰谷差最小化及用戶滿意度最大化為目標(biāo)建立一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化模型，因而能更好地考慮用戶的效益，有利于提高用戶參與分時(shí)電價(jià)的積極性。峰谷差變小可以減少開(kāi)停機(jī)成本，但是峰谷差最小化并不等同于發(fā)電成本最小化。此外，在追求峰谷差最小化的過(guò)程中還可能使用戶的用電方式改變過(guò)大，并影響到其整體效益。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[14]將峰谷分時(shí)電價(jià)與機(jī)組組合問(wèn)題相結(jié)合，提出計(jì)及用戶側(cè)互動(dòng)的日前發(fā)電調(diào)度模型。該文直接以發(fā)電成本最小化為目標(biāo)，能最大限度地提高發(fā)電效益。但是該方法既不考慮用戶的電費(fèi)情況，也不考慮用戶改變用電方式產(chǎn)生的成本，所形成的策略在執(zhí)行過(guò)程中未必能得到用戶的支持。

本文針對(duì)新形勢(shì)下電力調(diào)度的發(fā)展需求，以峰谷分時(shí)電價(jià)為杠桿，將發(fā)電側(cè)的機(jī)組組合問(wèn)題與用戶側(cè)的供需互動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行協(xié)調(diào)解決，從而建立一個(gè)考慮峰谷分時(shí)電價(jià)策略的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型，使電源和用戶兩側(cè)的效益同時(shí)得到體現(xiàn)。

1 峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)源-荷側(cè)的影響分析

1.1 峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)發(fā)電調(diào)度的影響分析

峰谷分時(shí)電價(jià)會(huì)對(duì)發(fā)電側(cè)的機(jī)組組合問(wèn)題產(chǎn)生影響，這可以從機(jī)組組合的成本計(jì)算方式進(jìn)行分析，具體為

峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)負(fù)荷需求的影響情況又可以通過(guò)價(jià)格彈性系數(shù)或負(fù)荷轉(zhuǎn)移率等進(jìn)行描述。本文采用負(fù)荷轉(zhuǎn)移率的方式，具體為[16]

式中：p、f、v分別為峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段；為實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)前時(shí)段的負(fù)荷功率；、分別為實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)前峰時(shí)段和平時(shí)段的負(fù)荷功率的平均值；為負(fù)荷從峰時(shí)段向谷時(shí)段的轉(zhuǎn)移率；為負(fù)荷從峰時(shí)段向平時(shí)段的轉(zhuǎn)移率；為負(fù)荷從平時(shí)段向谷時(shí)段的轉(zhuǎn)移率。

負(fù)荷轉(zhuǎn)移率的取值與峰谷分時(shí)電價(jià)的大小有關(guān)。不同的峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶的激勵(lì)程度不一樣，產(chǎn)生的負(fù)荷轉(zhuǎn)移效果也會(huì)有所差別。因此，負(fù)荷轉(zhuǎn)移率的計(jì)算公式可描述為

對(duì)于上述負(fù)荷轉(zhuǎn)移率的相關(guān)參數(shù)，可以通過(guò)如下兩種方式獲得：1)?根據(jù)社會(huì)調(diào)查數(shù)據(jù)，采用線性回歸法進(jìn)行確定[17]；2)?利用每次實(shí)施分時(shí)電價(jià)后的數(shù)據(jù)，逐次對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)與更新[16]。具體可參看文獻(xiàn)[16]，本文不再贅述。

從式(1)~式(9)可以看出，峰谷分時(shí)電價(jià)通過(guò)改變負(fù)荷曲線影響發(fā)電側(cè)的機(jī)組啟停狀態(tài)和出力大小，進(jìn)而改變發(fā)電成本。因此，本文將對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本最小化。

1.2 峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶利益的影響分析

峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，用戶用電時(shí)的計(jì)費(fèi)方式出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響到它們的電費(fèi)支出；第二，用戶的用電方式產(chǎn)生改變，由此影響到他們的工作與生活安排。以下將從這兩個(gè)角度對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)用戶的影響情況進(jìn)行分析。

為綜合考慮峰谷電價(jià)對(duì)用戶的電費(fèi)和用電方式兩個(gè)方面的影響，可建立用戶的綜合滿意度指標(biāo)為

將式(14)與式(15)相結(jié)合，有

2 源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型

通過(guò)上述分析，峰谷電價(jià)對(duì)發(fā)電端和用戶端具有較大的影響。將發(fā)電端的機(jī)組組合問(wèn)題與用戶端的綜合滿意度進(jìn)行協(xié)調(diào)考慮，可以建立一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題如下：

1)?價(jià)格約束條件

2)?系統(tǒng)約束條件

①功率平衡約束

對(duì)于每一個(gè)調(diào)度時(shí)段，均要滿足功率平衡約束條件，具體如式(2)所示。

②系統(tǒng)備用約束

3)?機(jī)組約束條件

① 機(jī)組出力上下限約束

② 機(jī)組爬坡率約束

當(dāng)機(jī)組出力增加時(shí)，有

當(dāng)機(jī)組出力減少時(shí)，有

③ 最小開(kāi)機(jī)時(shí)間約束

④最小停機(jī)時(shí)間約束

3 模型的求解

對(duì)于上述的考慮峰谷分時(shí)電價(jià)策略的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型，可以采用轉(zhuǎn)化法、非劣解集法、交互協(xié)調(diào)法等進(jìn)行求解。本文采用轉(zhuǎn)化法中的加權(quán)法將多目標(biāo)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，具體為

將式(34)和式(35)代入式(19)，有

這可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

即

對(duì)于上述的優(yōu)化問(wèn)題，采用GAMS(General Algebraic Modeling System)的求解器DICOPT進(jìn)行求解[18]，即可得到最優(yōu)的分時(shí)電價(jià)方案及機(jī)組組合方案。該求解器是針對(duì)混合整數(shù)非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題開(kāi)發(fā)的，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

以某省級(jí)電網(wǎng)為研究對(duì)象進(jìn)行仿真分析。該電網(wǎng)具有180臺(tái)火電機(jī)組，總裝機(jī)容量為47?659?MW。以某天24?h的原始負(fù)荷數(shù)據(jù)為例進(jìn)行測(cè)試，其中峰、平、谷三個(gè)時(shí)段的劃分如表1所示。

在實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)前，電網(wǎng)公司在所有時(shí)段的售電價(jià)格統(tǒng)一為0.6元/kWh。在實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)后，負(fù)荷轉(zhuǎn)移的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 峰谷時(shí)段劃分

表2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移率曲線的相關(guān)參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，定義3種模式如表3所示。其中，模式1不考慮分時(shí)電價(jià)的影響，是一個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)組組合問(wèn)題；模式2考慮了峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)機(jī)組組合的影響，但其目標(biāo)函數(shù)只是發(fā)電成本最小化，而不涉及用戶的滿意度問(wèn)題；模式3同時(shí)考慮峰谷分時(shí)電價(jià)和用戶滿意度，代表本文所提的方法。各種模式下的計(jì)算結(jié)果如表4~表6和圖1所示。

表3模式定義

Table 3 Definitions of modes

表4 最優(yōu)峰谷分時(shí)電價(jià)方案

圖1 各種模式下的負(fù)荷曲線對(duì)比

表4給出了不同模式下的最優(yōu)電價(jià)情況。從中可以看出，模式1中沒(méi)有實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)機(jī)制，所有時(shí)段的電價(jià)均為0.6元/kWh。模式2對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)進(jìn)行優(yōu)化后，其峰時(shí)電價(jià)達(dá)到0.925元/kWh，谷時(shí)電價(jià)則下降為0.427元/kWh，這主要是為了更好地削峰填谷，為發(fā)電側(cè)的機(jī)組組合問(wèn)題創(chuàng)造良好的條件。模式3進(jìn)一步考慮用戶的滿意度后，峰時(shí)電價(jià)與谷時(shí)電價(jià)分別下降至0.787元/kWh和0.289元/kWh。

圖1給出了三種模式下用戶的負(fù)荷曲線。從中可以看出，模式1的最大負(fù)荷及峰谷差均最大，分別達(dá)到42?950.06?MW和15?991.60?MW。模式2的最大負(fù)荷及峰谷差分別下降為39?883.160?MW和10?762.26?MW，在三種模式中均處于最小值。這是因?yàn)?，模?僅從發(fā)電成本最小化的角度進(jìn)行優(yōu)化，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，必然盡可能抑制電力負(fù)荷需求，并縮小峰谷差。模式3的最大負(fù)荷及峰谷差的值均界于模式1與模式2之間。這是因?yàn)?，模?同時(shí)考慮了發(fā)電成本和用戶滿意度。為了提高用戶的用電方式滿意度，模式3下實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)前后負(fù)荷曲線的差別相對(duì)模式2要小一些。

表5給出了三種模式下發(fā)電側(cè)的開(kāi)機(jī)次數(shù)、開(kāi)機(jī)費(fèi)用和總費(fèi)用。從中可以看出，模式2和模式3的發(fā)電調(diào)度效益明顯優(yōu)于模式1。這是因?yàn)?，峰谷分時(shí)電價(jià)可以削峰填谷，使負(fù)荷的變化曲線更為平緩。這就減少了機(jī)組啟停的次數(shù)，節(jié)省了開(kāi)機(jī)費(fèi)用與總費(fèi)用。但是對(duì)比模式2與模式3的情況還可以發(fā)現(xiàn)，模式3的開(kāi)機(jī)次數(shù)與開(kāi)機(jī)費(fèi)用均略大于模式2。這主要是因?yàn)槟Ｊ?的最大負(fù)荷及峰谷差均大于模式2，從而使機(jī)組組合具有更大的難度。此外，模式3的發(fā)電總費(fèi)用也略大于模式2。

表5機(jī)組開(kāi)機(jī)次數(shù)和費(fèi)用對(duì)比

Table 5 Comparison of startup times and costs

由表5可知，利用分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)用戶參與發(fā)電調(diào)度，可以減少發(fā)電成本。但要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，其中的一個(gè)前提條件便是所形成的方案要得到用戶的支持，使其從中受益。因此，本文從用戶的電費(fèi)滿意度和用電方式滿意度的角度，進(jìn)一步對(duì)模式2與模式3的效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表6所示。從中可以看出，在引入了峰谷分時(shí)電價(jià)后，用戶的用電方式必然發(fā)生變化，所以模式2和模式3的用電方式滿意度均小于1。但是模式2與模式3的電費(fèi)滿意度相差較大。模式2的電費(fèi)滿意度僅為0.865，而模式3的電費(fèi)滿意度則達(dá)到了1.010。對(duì)于綜合滿意度，模式3仍然優(yōu)于模式2。這說(shuō)明本文所提的方法能更好地考慮用戶的利益訴求，所形成的方案也就更容易讓用戶接受。

表6 用戶用電方式滿意度對(duì)比

上述分析還說(shuō)明，用電方式滿意度和電費(fèi)滿意度可以從兩個(gè)不同的角度反映用戶的利益。為了進(jìn)一步分析這兩者的相關(guān)性，設(shè)定6組分時(shí)電價(jià)方案對(duì)應(yīng)的上浮比例和下浮比例，并計(jì)算出相應(yīng)的用電方式滿意度和電費(fèi)滿意度，結(jié)果如表7所示。從中可以看出，由于的減小或者的增大，電費(fèi)的滿意度持續(xù)下降，但是用電方式滿意度的變化較為多樣，呈先增大，再減小，后增大的態(tài)勢(shì)。這說(shuō)明這兩者并不是相關(guān)的。同時(shí)考慮用電方式滿意度和電費(fèi)滿意度，有利于更全面地描述用戶的利益情況。

表7 不同方案下的用電方式滿意度和電費(fèi)滿意度

5 結(jié)論

本文提出了一種考慮峰谷分時(shí)電價(jià)策略的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型，得出主要結(jié)論如下：

(1)?本文所提的方法以峰谷分時(shí)電價(jià)為杠桿，將發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，通過(guò)發(fā)電與用電兩側(cè)的問(wèn)題的解決，從根本上提高發(fā)電調(diào)度的效益。

(2)?本文所提的方法同時(shí)考慮了發(fā)電成本以及用戶滿意度問(wèn)題，所得到的調(diào)度方案能充分反映各方的利益訴求，有利于充分調(diào)動(dòng)其參與源荷協(xié)調(diào)調(diào)度的積極性。

(3)?本文所提的方法受負(fù)荷轉(zhuǎn)移特性系數(shù)的影響較大。如何獲取更為準(zhǔn)確的負(fù)荷轉(zhuǎn)移特性參數(shù)，將是下一階段的一個(gè)研究重點(diǎn)。

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(編輯 魏小麗)

Multi-objective generation scheduling model of source and load considering the strategy of TOU price

KANG Shouya1, LI Jialong2, LI Yanshan1, ZHU Jianquan1, LIANG Boye2, LIU Mingbo2

(1. School of Electric Power Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Guangdong Power Grid Control Center, Guangzhou 510600, China)

Responding to the speedy development of generation scheduling of modern power grid, a novel multi-objective generation scheduling model of source and load considering the time-of-use price is proposed. First, the effects of time-of-use price to the source and load are analyzed, and the satisfaction indexes of customers are given from the costs and habit of customers. Then a multi-objective generation scheduling model is presented by considering both of the generation cost and the customer satisfaction based on time-of-use price. The solving algorithm is also given. In this way, the benefit of generation scheduling is maximized from both sides of source and load, the interests of source and load are also considered well. Finally, the proposed method is tested in a provincial grid, and the effectiveness is demonstrated fully.

This work is supported by the National Basic Research Program of China (973 Program) ( No. 2013CB228205).

demand response; time-of-use price; unit commitment; load satisfaction; multi-objective optimization

10.7667/PSPC151256

2015-07-21；

2015-09-10

康守亞(1990-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)榉謺r(shí)定價(jià)策略；E-mail: 453841138@qq.com

李嘉龍(1970-) ，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行策劃、節(jié)能發(fā)電調(diào)度；

李燕珊(1993-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榉謺r(shí)定價(jià)策略。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃) (2013CB228205)；中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDDW202013 0303SC00044)