智能电网背景下的电力供需分析与电价研习
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摘要：分析了智能电网下需求侧管理的概念，并介绍了智能电网下需求侧管理的特点及其主要工作，在此基础上构建一种新的电价模型，将阶梯电价与峰谷分时电价结合起来，提出梯度峰谷分时电价联合优化，通过仿真算例证明其可行性。
中图分类号： F407 文献标识码： A
一、智能电网理念
近年来，面对世界政治经济形势和能源格局的变化，大们开始重新审视电网的功能定位，对未来电网的发展模式进行了积极思考和探索。总体看，智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术和自动控制技术与能源电力技术以及电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网，但不同国家根据自己不同国情、不同企业根据自身的实践，提出了对未来智能电网的不同构想和发展重点。
二、智能电网的特征
传统电网是一个刚性系统，电网的智能化程度较低。首先，电网动态柔性及重组性较差。传统电网中电源的接入与退出缺乏弹性，不能满足用户即插即用的需求;不能根据需要传输不同电能量，不能有效利用分布式发电等电源。其次，自愈及自恢复能力较弱。传统电网自愈及自恢复能力完全依赖于物理冗余，不能有效整合各级控制系统的资源，不能根据电网和用户需求构建一个构建实时、可配置和可重组的系统。第三，传统电网中信息传递是缓慢和单向的。用户各方不能获取电力市场的有效信息，也不能根据用户信息进行差别化的服务，满足不同用户的需求。第四，传统电网各环节、各部分缺乏有机统一的联系。系统内部缺乏信息收集和传输渠道，缺乏信息共享，存在多个信息孤岛，相互割裂和鼓励的各类自动化系统不能构成实时的有机统一整体。
三、2013年1一5月电力供需分析
1、电力消费情况
全社会用电增长缓慢，增速回落。2013年1-5月，全国全社会用电量16 303亿kW・h，同比增长4.9% ,增速同比回落0.9个百分点。用电增长缓慢的主要原因有:①经济增长缓慢，回升动能不足;②2013年2,3月份气温较常年偏高，采暖负荷没有充分释放;③ 2012年卜半年开始实施阶梯电价以及2013年1月底全面取消家电下乡补贴等因素导致居民生活用电增速大幅回落。此外，平闰年大数差异、中央“八项规定”等因素也在一定程度上限制了电力消费的增长。
第一、第二产业用电增速上升，第三产业和居民生活用电增速卜降1-5月，三次产业和居民生活用电同比分别增长1.1 % }4.7 % }9.1%和2.8%其中，第一、第二产业用电增速同比分别上升4.6和0.9个百分点，第三产业和居民生活用电增速分别卜降3.3和11.4个百分点。
工业用电增速有所上升，轻工业用电增速上升幅度高于重工业1-5月，工业用电同比增长4.6% ,增速同比上升0.9个百分点。其中，轻、重工业用电分别增长5.1%}4.5%,增速同比分别上升1.9和0.7个百分点轻、重工业用电结构为16.4:83.6，与2012年同期相比变化不大。
四大高耗能行业用电总体增速保持回升。1-5月，化学原料及化学制品制造业(简称化工行业)、非金属矿物制品业(简称建材行业)、黑色金属冶炼及压延加工业(简称黑色行业)、有色金属冶炼及压延加工业(简称有色行业)等四大高耗能行业合计用电量同比增长4.6% ,增速同比上升3.4个百分点。其中，黑色行业用电量增长4.2% ,增速大幅上升8.8个百分点;建材行业用电增长2.5% ,增速上升3.9个百分点;化工行业增长4.6% ,增速卜降2.6个百分点;有色行业用电增长6.7% ,增速略为回升0.2个百分点西北、东北用电加速增长，其他区域用电增速均有所回落分区域看(木文的区域按电网曰径划分)，1-5月，西北用电同比增长12.4% ,增速同比上升3.4个百分点;东北增长4.1%,增速上升1.3个百分点;华北、华东、华中及南方分别4.8%4.0%2.8%4.8%增速分别下降1.4、0.8、2.2和21个百分点。
2、电力供需形势
全国电力供需总体平衡，局部地区在部分时段电力供需偏紧1-5月，工业经济增长乏力，
电力需求增长明显放缓，同时由于水电出力和电煤供应状况较好，全国电力供需总体平衡，分区域看，华北、华东、华中和南方电力供需平衡，西北、东北电力供应富余。分月来看，1月份，受机组非计划停运、天然气供应不足、冰灾、线路检修等因素影响，江苏、浙江、四川、藏中电网以及河北南网在部分时段出现电力供应偏紧;2,3月份，全国各地区电力供需平衡，无省级电网采取有序用电措施;4,5月份，只有电网受线路检修等原因出现电力供需偏紧，其余地区电力供需平衡。
四、梯度峰谷分时电价联合优化
1、电价分类
(1)单一制电价
单一制电价的构成就是按长期边际成本法计算发电企业的社会平均电价，以此为基点允许企业在一定的范围内浮动，也就是电度电价。终端用户消费多少电度数就相应的付出多少电价，其中不包括居民用电和临时用电。对于装接容量超过100千瓦的用户，另外执行功率因数调整电费，主要城镇居民生活电价、商业照明电价、其它照明电价、非工业、普通工业电价、农业生产电价、贫困县农业排管电价等。单一制电价是我国实行的最早的电价政策，虽然便于负荷管理，用户容易理解电价政策，但是由于没有充分的考虑到电能成本的构成，常常造成电企业的亏损情况发生，因此单一制电价缺乏科学性。
(2)两部制电价
两部制电价与单一制电价相比更加合理，它主要由容量电价和电量电价组成，对于发电厂所提供的电能质量来支付其电价，对网内不同机组容量成本进行加权平均，从而确定其平均容量电价。两部制电价能够反映供求关系和差异电源的区别，考虑国家的政策出发，执行响应的电价，由于两部制电价能够为发电企业带来较好的经济效益，为电网储备足够的备用的容量，可以提高电网运行的安全性和可靠性，所以得到广大投资者的好评;但这种电价的制定引起很多争议，由于将主要考虑了发电成本，鼓励投资商进行大量投资，有些故意加大投资成本，管理不善等造成电价各不相同，缺乏科学的管理。
(3)论质电价
论质电价是指根据电能的不同质量对应不同电价，具体又分为多品种供电和有限服务供电两类
a.多品种供电
多品种供电就是电力企业根据不同用户的用电要求提供多种品质的电能，供用户进行选择，它是伴随着经济社会的发展而出现的。由于电力工业的不断进步，人们对于电能质量的要求也逐渐发生变化，电力部门根据用户需求提供可靠性较高的电力服务，常采用的措施有提高感应电动机运行效率的高频供电技术、能够多项供电的直流供电技术、根据配电电压变化的供电技术等措施，提供可靠性要求更高的服务;它是市场发展的必然产物，高品质、高可靠性的供电对应高的电价，同样用户可以购买其他品质的电力。
b.优先服务电价
优先服务电价就是对于有特殊要求的用户采用优先服务，为其提供相应的可靠电力服务，与可停电电价不同，优先服务电价不是由电业部门统一制定，而是同对于有要求的用户协商确定的，终端用户根据自己的用电要求选择电力公司提供的可靠性电力服务，具有更多的自由行和选择性，从而能够在供电公司中产生竞争，电力公司由于为用户提供优先服务，所以可以取消部分备用电源，有效的减少了投资费用，优先服务电价与用户签订的是长期合同，这样可以避免电价变化而带来的收益支出风险，
而且可以在电力交易期货和现货市场上进行交易，符合市场发展规律。
(4)季节性电价
季节电价与分时电价类似，它是将一年中的不同阶级划分为用电高峰、平段和低谷季节时段，根据不同的季节制定不同的电价，它可以与分时电价一起使用，其特点与分时电价相似。
(5)实时电价
实时电价是指根据负荷情况实时向用户传递电价变化信息，能够有效的反映成本与时间的变化，使用更加灵活，主要受发电成本、输电因子等因素的影响，其消峰填谷效果更加明显，但由于其对于硬件、软件、政策、经济水平等要求较高实施起来有一定的难度，目前美国己有些公司将实时电价列入了自己的电价表中，由用户选择是否使用。
2、梯度峰谷分时电价联合优化模型
峰谷分时电价能够起到削峰填谷的作用，但须全部负荷共同参与。由于没有考虑不同用户间的差异，影响了居民的用电舒适度。梯度电价考虑了不同用户间的差异，可满足用户基本用电不受影响，缓解能源危机，但削峰填谷作用小，且总体用电量会有所下降，不能同时保证发电侧、供电侧和用户侧的利益。梯度峰谷分时电价以缓解电力系统压力、保证居民基本用电、节约社会和电力资源为目的，兼顾发电、供电和用户的利益，将峰谷分时电价与阶梯电价结合起来，在第二与第三梯度内对负荷实行分时电价，第一梯度内负荷电价保持不变，据此构建联合优化设计模型，并通过仿真算例证明了联合优化模型的正确性以及梯度峰谷分时电价的可行性。
3、算例分析
(1)原始数据
本模型以某地区用电的口负荷为例，其负荷曲线和数据如表1和图1所示。
表1某地区的电网日负荷数据
图1某地区的电网日负荷曲线
(2)电价及时段划分
梯度电量按月用电量划分为三个档次，第一梯度0~180 kWh，第二梯度181 ~270kWh，第三梯度271以上，电价为第一梯度0.5元//kWh，第二梯度0.57元//kWh,第三梯度0.8元//kWh
时段划分:峰时，8:00~12:00,17:00~21:00;平时，12:00~17:00, 21:00~24:00;其余时间为谷段。
电价划分为:第二梯度负荷，售电电价，峰段0.63元//kWh，平段0.57元//kWh,谷段0.4元//kWh，上网电价，峰段0.35元//kWh，平段0.3元//kWh，谷段0.21元//kWh;第三梯度负荷:售电电价，峰段0.8元//kWh，平段0.65元//kWh，谷段0.5元/kWh,上网电价，峰段0.4元//kWh，平段0.35元//kWh，谷段0.25元//kWh;未实施梯度峰谷分时电价前的售电电价为0.52元//kWh，上网电价为0.32元//kWh。
4、仿真结果
(1)每梯度负荷所占总负荷的比例不同，其仿真结果将有所不同，假设第一梯度负荷占总负荷比例为60%，第二梯度负荷占总负荷比例为30%，第三梯度负荷占总负荷比例为10%，其仿真后的负荷曲线变化及与原日负荷曲线的对比如图2所示。
一优化前;---优化后
图2某一梯度负荷比例下实施峰谷分时电价
图3调整梯度负荷比例实施峰谷分时电价前后负荷变化曲线
由图2可知，实施梯度峰谷分时电价后的最大峰段负荷为14000kW，峰谷差为8000kW，未实施梯度峰谷分时电价前的最大峰负荷为14800kW，峰谷差为8500kW,相比之下最大峰负荷减少了800kW，峰谷差减少了500kW;用户的总支出由之前的138949元变为140009元，与未实施梯度峰谷电价相比略有增加，但整体用户的用电舒适度得到了提高;售电侧利润由58786元增加到58866元，略有增加;发电侧利润由32065元增加到34663元。
(2)若第一梯度负荷占总负荷的比例为50%，第二梯度负荷占总负荷的比例为35%，第三梯度负荷占总负荷的比例为15%，其仿真后的负荷曲线变化如图3所示。
由图3可知，调整后的峰时最大负荷为13800kW，峰谷差为6400kW，与未实施梯度峰谷分时电价相比最大峰负荷减少了1000kW，峰谷差减少了1600kW，用户支出由之前的138949元变为138032元，售电侧利润由之前的58974元变为58786元，发电侧利润由32065元变为33125元;由此可见梯度峰谷分时电价模型平摊了发电侧、售电侧及用户侧的利益。当第二梯度与第三梯度比列有所增加时，调峰效果会变得越来越好，切能够更好的平摊发电侧、售电侧和用户侧三者的利益，但为了保证居民的基本用电，应当保持一定的第一梯度负荷比例。
结语：
随着居民生活水平以及用电习惯的改变，不同梯度负荷的比例将会有所调整，故对于负荷的预测还有待进一步研究，另外区分梯度用户、管理同梯度下的用户、合理的划分时段及电价应根据当地的具体水平来定，保证其在合理的实用范围内，兼顾用户、发电商、供电商的利益，使社会资源合理分配。梯度峰谷分时电价的实施还应有相配套的硬件设施的引用，如智能电表的引用，告知用户是否达到了参与梯度峰时电价的条件。
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