電力市場下可中斷負(fù)荷管理與定價研究

【摘要】可中斷負(fù)荷管理是電力市場環(huán)境下需求側(cè)管理的一項重要組成部分，可以刺激和鼓勵用戶改變消費行為和用電方式，達(dá)到削峰填谷改變負(fù)荷曲線的目的。本文首先收集整理了近幾年來國內(nèi)外可中斷負(fù)荷管理研究領(lǐng)域的成果及經(jīng)驗，對可中斷負(fù)荷做了概述。然后對可中斷負(fù)荷成本效益進(jìn)行了綜述，分析了提前通知時間、停電持續(xù)時間、停電發(fā)生時間、缺電比率等因素對可中斷負(fù)荷成本的影響，介紹了可中斷負(fù)荷對提高可靠性、消除價格尖峰和減少運(yùn)行費用的貢獻(xiàn)。同時闡述了實施可中斷負(fù)荷對用戶、電力企業(yè)和社會帶來的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)并舉例說明。由于可中斷電價的確定是實施可中斷負(fù)荷管理的核心，最后在可中斷電價約束條件的基礎(chǔ)上，利用等微增率準(zhǔn)則，重點分析了可中斷電價設(shè)計模型，并通過對杭州市典型用戶調(diào)查數(shù)據(jù)的模擬運(yùn)算，驗證了該模型的正確性和可操作性。關(guān)鍵詞：電力市場；可中斷負(fù)荷管理；可中斷電價

【Abstract】Interruptibleloadmanagement(ILM)isanimportantcompositionofdemand-sidemanagement,especiallyinpowermarket..Itcanstimulateandencourageuserstochangetheirconsumerbehaviorsandthewayofelectricityconsumptioninordertocutpeakandfillvalleyandshifttheloadcurve.Firstly,thispapersummarizestheresultsandexperienceofresearchfieldofILMathomeandabroad.Andthen,theeffectsofseveralimportantfactorsoninterruptioncostaresummarized,includingtheadvancednotificationtime,theinterruptionduration,theinterruptiontimeandoutageratio.Thecontributionofinterruptibleloadtosystemreliability,eliminatingpeakpriceand,reducingoperationexpensearealsodescribed.ThepapertellsthethecostandbenefitthatILMbringstouser，Powersupplyenterpriseandsociety,andgiveexamples.AsinterruptiblepriceisthekeyofimplementingILM,onthefoundatinnofonstraint+condition"constraintconditionandequalincrementalratecriterion,itmainlyanalyzesthedesigningmodelofinterruptibleprice.WehavestudiedtheHangzhouILMcomputationalsimulationofatypicalusersurveydataverifiedthecorrectnessandfeasibilityofthemodel.Keywords:powermarket;interruptibleloadmanagement(ILM);interruptibleprice

目錄第一章引言 用戶的中斷能力對模型的優(yōu)化會有一些影響，為了簡便計算，初步估算結(jié)果，忽略參與負(fù)荷中斷用戶的中斷能力，令，故設(shè)用戶簡化的缺電成本函數(shù)為：(4-2)其中：i=1，2，?，N；j=1，2，?，6等微增率原理（1）耗量特性反應(yīng)發(fā)電設(shè)備（或其組合）單位時間內(nèi)能量輸入和輸出關(guān)系的曲線，稱為該設(shè)備（或其組合）的耗量特性。鍋爐的輸入是燃料（t標(biāo)準(zhǔn)煤/h），輸出是蒸汽（t/h），汽輪發(fā)電機(jī)組的輸入是蒸汽（t/h），輸出的是電功率（MW）。整個火電廠的耗量特性曲線的形狀如圖4-1所示，其橫坐標(biāo)為電功率（MW），縱坐標(biāo)為燃料（t標(biāo)準(zhǔn)煤/h）。水電廠耗量特性曲線的形狀也大致如此，但其輸入是水（m3/h）。為便于分析，假定耗量特性連續(xù)可導(dǎo)（實際的特性并不都是這樣）。圖4-1耗量特性耗量特性曲線上某點的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)之比，即輸入與輸出之比稱為耗量其倒數(shù)表示發(fā)電廠的效率。耗量特性曲線上某點切線的斜率稱為該點的耗量微增率,他表示在該點運(yùn)行時輸入增量對輸出增量之比。以輸出電功率為橫坐標(biāo)的效率曲線和微增率曲線于圖4-2。圖4-2效率曲線和微增率曲線（2）等微增率準(zhǔn)則現(xiàn)以并聯(lián)運(yùn)行的兩臺機(jī)組間的負(fù)荷分配為例（圖4-3）,說明等微增率準(zhǔn)則的基本概念。圖4-3兩臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行已知兩臺機(jī)組的耗量特性和總的負(fù)荷功率。假定各臺機(jī)組燃料消耗量和輸出功率都不受限制，要求確定負(fù)荷功率在兩臺機(jī)組間的分配，使總的燃料消耗為最小。這就是說，要在滿足等式約束的條件下，使目標(biāo)函數(shù)為最小。對于這個簡單問題，可以作圖法求解。設(shè)圖4-4中線段OO’的長度等于負(fù)荷功率。在線段的上、下兩方分別以O(shè)和O’為原點做出機(jī)組1和2的燃料消耗特性曲線1和2，前者的橫坐標(biāo)自左向右，后者的橫坐標(biāo)自右向左計算。顯然，在橫坐標(biāo)上任取一點A,都有OA+AO’=OO’,即。因此，都表示一種可能的功率分配方案。如過A點作垂線分別交于兩機(jī)組耗量特性曲線的B1和B2點，則就代表了總的燃料消耗量。由此可見，只要在OO’上找到一點，通過它所作垂線與兩耗量特性曲線的交點間距離最短，則該點所對應(yīng)的負(fù)荷分配方案就是最優(yōu)的。圖中的點A’就是這樣的點，通過A’點所作垂線與兩特性曲線的交點和。在耗量特性曲線具有凸性的情況下，曲線1在點的切線與曲線2在點的切線相互平行。耗量曲線在某點的斜率即是該點的耗量微增率。由此可得結(jié)論：負(fù)荷在兩臺機(jī)組間分配時，如它們的燃料消耗微增率相等，即則總的燃料消耗量將是最小的。這就是著名的等微增率原則[12]。圖4-4負(fù)荷在兩臺機(jī)組間的經(jīng)濟(jì)分配等微增率準(zhǔn)則的物理意義是明顯的。假定兩臺機(jī)組在微增率不等的狀態(tài)下運(yùn)行，且。我們可以在兩臺就的總輸出功率不變的條件下調(diào)整負(fù)荷分配，讓1號機(jī)組減少輸出△P,2號機(jī)組增加輸出△P。于是1號機(jī)組將減少燃料消耗,2號機(jī)組將增加燃料消耗，而總的燃料消耗將可節(jié)約這樣的負(fù)荷調(diào)整可以一直進(jìn)行到兩臺機(jī)組的等微增率相等為止。不難理解，等微增率準(zhǔn)則也適用于多臺發(fā)電機(jī)組（或多個發(fā)電廠）間的負(fù)荷分配。（3）多個發(fā)電廠間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配假定有N個火電廠，其燃料消耗特性分別為系統(tǒng)的總負(fù)荷為，暫不考慮網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗，假定各個發(fā)電廠的輸出功率不受限制，則系統(tǒng)負(fù)荷在N個發(fā)電廠間的經(jīng)濟(jì)分配問題可以表述為：在滿足（4-3）的條件下，使目標(biāo)函數(shù)（4-4）為最小。這是多元函數(shù)求條件極值的問題。可以應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法來求解。為此，先構(gòu)造拉格朗日函數(shù)其中稱為拉格朗日乘數(shù)。拉格朗日函數(shù)L的無條件極值的必要條件為(i=1,2,…,n)或（4-5）由于每個發(fā)電廠的燃料消耗只是該廠輸出功率的函數(shù)，因此（4-5）又可以寫成(i=1,2,…,n)（4-6）這就是多個火電廠間負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配的等微增率原則。按這個條件決定的負(fù)荷分配時最經(jīng)濟(jì)的分配。同時，任意發(fā)電廠的有功功率都不應(yīng)超出它的上、下限，即（4-7）在計算發(fā)電廠間有功功率負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配時，這些不等式約束條件可以暫時不考慮，帶算出結(jié)果后，再按上式進(jìn)行檢驗。用等微增率確定缺電成本和可中斷負(fù)荷在考慮用戶和電力公司雙方利益的前提下，電力公司為保證電網(wǎng)供電的安全可靠，因此，總的用戶缺電成本最小為優(yōu)化目標(biāo)。類似于發(fā)電廠間負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配，由于缺電成本與中斷容量有一定的函數(shù)曲線關(guān)系，缺電成本的等微增率，它表示在該點運(yùn)行時成本增量對中斷容量之比。當(dāng)可中斷負(fù)荷在n個用戶內(nèi)分配時，如它們的缺電成本的等微增率相等，即，則總的缺電成本是最小的。見表4-1。代表符號等微增率準(zhǔn)則目標(biāo)函數(shù)約束條件發(fā)電廠有功功率負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配燃料消耗F電功率系統(tǒng)總負(fù)荷燃料消耗最小行業(yè)可中斷負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配缺電成本C需要中斷總負(fù)荷量D可中斷負(fù)荷x缺電成本最小表4-1等微增率運(yùn)用類比表假定有n個行業(yè)，其缺電成本特性分別為，需要中斷的總負(fù)荷量為D，忽略參與負(fù)荷中斷用戶的中斷能力，假定各行業(yè)的中斷容量不受限制，則系統(tǒng)中斷負(fù)荷在n個行業(yè)間的經(jīng)濟(jì)分配問題可以表述為：(4-8)St:i=1,2,…,n(4-9)（4-10）其中：D——需要中斷的總負(fù)荷量；——用戶的最大可中斷負(fù)荷量。等微增率原則為：(4-11)其中，——約束式(4-10)的拉格朗日乘數(shù)；綜合式(4-2)和式(4-11)可得：（4-12）補(bǔ)償支付與電價的確定為了充分體現(xiàn)激勵作用和用戶的利益，引導(dǎo)用戶積極配合電力公司參與負(fù)荷中斷管理，把電力公司對用戶的被中斷負(fù)荷的補(bǔ)償支付分為缺電成本補(bǔ)償和對用戶合理的讓利補(bǔ)償兩個部分，即：(4-13)其中：——電力公司對用戶的被中斷負(fù)荷的補(bǔ)償支付；——電力公司對參與負(fù)荷中斷的用戶合理讓利補(bǔ)償系數(shù)，由供電公司根據(jù)各類用戶的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶的缺電成本，以及用戶對電力公司的效用等因素，分析對比得出。根據(jù)杭州電網(wǎng)的實際情況，以及五大行業(yè)對實行負(fù)荷中斷的反應(yīng)度，在初步計算中取如下：機(jī)械=0．05電子=0．14食品醫(yī)藥=0．08建材=0．20紡織=0．11用戶負(fù)荷中斷方案的確定由上述分析知，電力公司根據(jù)用戶缺電成本最小的優(yōu)化目標(biāo)，確定各用戶可中斷容量可中斷電價方案的原理框圖如圖4-5所示。電力公司電力公司公布參與用戶的類型參數(shù)和需要中斷的容量D確定各參與用戶的中斷容量計算各用戶合理的讓利補(bǔ)償支付計算各用戶的缺電成本補(bǔ)償確定方法：總的用戶缺點成本最小計算各用戶總補(bǔ)償支付計算各用戶的負(fù)荷中斷電價圖4-5可中斷容量中斷電價方案仿真算例2005年杭州市區(qū)最高負(fù)荷為417．65萬kW，電網(wǎng)最高供電負(fù)荷為403．12萬kW，電力缺口達(dá)14．53萬kW。選取最大錯峰負(fù)荷的10％、15％、20％進(jìn)行負(fù)荷中斷調(diào)峰，用上述可中斷負(fù)荷管理模型進(jìn)行分析。以最大錯峰負(fù)荷的10％(中斷1)為例，計算可中斷電價。此時D=kW由公式4-10，4-12解得行業(yè)中斷容量（4-14）將代入公式4-2求補(bǔ)償成本（4-15）將4-14，4-15代入4-13得支付補(bǔ)償（4-16）最終由得到可中斷電價（4-17）同理可求得中斷2，中斷3各行業(yè)可中斷電價。見表4-2。行業(yè)類型中斷容量成本補(bǔ)償讓利補(bǔ)償系數(shù)補(bǔ)償支付中斷電價中斷1中斷2中斷3中斷1中斷2中斷3中斷1中斷2中斷3中斷1中斷2中斷3機(jī)械703134019761302290749161338297450151.9022.220電子300845996190481888301385452409474147201.74260食品醫(yī)藥11291925272019783984649620684138671350建材801711199143801123719260293071284021500321841.920紡織1672273337932846552088693030582192862.130表4-2可中斷電價注：表中的中斷1指14530kVA，中斷2指21795kVA，中斷3指29060kVA。由于此例中沒有做到某個用戶的可中斷負(fù)荷量，只是做到某個行業(yè)，所以約束條件暫不考慮。由上述結(jié)果可以看出：1.一般情況下，中斷容量：建材>電子>紡織>食品醫(yī)藥>機(jī)械，而中斷電價正好相反：建材<電子<紡織<食品醫(yī)藥<機(jī)械,因為，因此中斷電價不僅與中斷容量有關(guān)，也受缺電成本系數(shù)和讓利補(bǔ)償系數(shù)的影響。2.參與中斷的行業(yè)都服從統(tǒng)一的規(guī)律，即：當(dāng)電網(wǎng)需要中斷的負(fù)荷越大，則中斷電價就越高，這也符合電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行的實際情況。如圖4-6。圖4-6中斷負(fù)荷與電價的關(guān)系

第五章結(jié)論可中斷負(fù)荷是電力負(fù)荷管理的一項重要內(nèi)容。我國近幾年正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力嚴(yán)重短缺的狀況，因此進(jìn)行可中斷負(fù)荷的研究有著很大的現(xiàn)實意義。本文的主要工作如下:1可中斷負(fù)荷成本效益分析。成本效益分析是可中斷電價研究的一個重要組成部分，保證各方在ILM中效益大于零，這是激發(fā)他們參與可中斷電價積極性的保證。本文第三章的研究中根據(jù)主體分類，先后研究了用戶、電力企業(yè)、社會各方的成本效益。2.對可中斷負(fù)荷定價進(jìn)行研究，根據(jù)先前建立的數(shù)學(xué)模型和可中斷管理模式，對杭州市可中斷負(fù)荷管理模式進(jìn)行了研究和分析。在上述研究成果下，本文還存在以下問題有待進(jìn)一步研究:加強(qiáng)對我國用戶停電損失方面資料的收集。我國電價由國家控制，電價變化幅度小。對用戶資料掌握的少，用戶對自己相關(guān)信息的估計也存在偏差，應(yīng)該加強(qiáng)從多個方面收集用戶信息。此外，應(yīng)確定不同用戶類型所選擇的可中斷負(fù)荷措施及負(fù)荷中斷標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)用電特性不同，DSM措施起到的效果不同。目前，美國等DSM起步較早的國家已經(jīng)有了一套完善的需求管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的類別和負(fù)荷特性給出最佳的實施方案。我國的DSM工作起步較晚，還沒有充分重視行業(yè)生產(chǎn)特性和用電特性的差異，各項措施執(zhí)行后也沒有對用戶響應(yīng)進(jìn)行評估分析從而加以改進(jìn)，錯峰、避峰潛力還應(yīng)充分挖掘。

致謝衷心感謝我的導(dǎo)師張美霞老師。在這近一學(xué)期的時間里，在導(dǎo)師的悉心關(guān)懷和精心指導(dǎo)下，我完成了本科的畢業(yè)論文。從論文選題、課題研究、論文的撰寫以及生活等各個方面給予我極大的關(guān)心和支持,在此期間張老師幫助我收集文獻(xiàn)資料，理清設(shè)計思路，提出有效的改進(jìn)方案。張美霞老師嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度、勤奮忘我的工作精神深深感動了我，使我受益匪淺，必將對我今后的工作、學(xué)習(xí)乃至生活態(tài)度產(chǎn)生積極而重要的影響。此外,還要感謝我身邊同學(xué)的熱心幫助，為我的學(xué)習(xí)和工作創(chuàng)造了良好的條件和環(huán)境，給了我無微不至的關(guān)心和照顧，得以使我順利完成論文。感謝本論文參考文獻(xiàn)中所有的專家學(xué)者們，是他們的智慧和成果，給我以啟迪和幫助!

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