基于分时电价的南水北调东线水量优化调度

张劲松　周建中

摘要:分析南水北调东线调水量及工程特点,根据现有的分时电价政策,考虑市场管理模式,运用最优化原则,探讨了分时电价机制下的东线水量优化调度问题,并提出了应用多模式分时电价机制优化水量调度的对策和建议。

关键词:南水北调;水量调度;分时电价

中图分类号:TV737;F426.61文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2009)05-0023-05

Water Optimal Regulation for Eastern Route of South-to-North Water Diversion Based on TOU Power Price

ZHANG Jin-song1,2,ZHOU Jian-zhong1

(1.School of Hydropower & Information Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;

2.The Office of South-to-North Water Diversion Project Construction Leading Group of Jiangsu Province,Nanjing 210029,China)

Abstract: The water transfer quantity and characteristics of Eastern Route of the South-to-North Water Diversion Project (ERSNWD) are analyzed in this paper. Based on the current TOU power price policy,water optimal regulation of ERSNWD are investigated by taking the pattern of market management into account and using the optimization principle. The strategies and suggestion of optimal water regulation based on multi-pattern TOU power price mechanism are also proposed.

Key words: South-to-North Water Diversion;water regulation;TOU power price policy

南水北调东线工程空间跨度大,水平高度差明显,调水任务重,需要采用大功率电力泵站进行抽水。东线工程建成后,泵站调水的电费支出将占总运行成本的50%以上,最小化电费支出对实现工程高效经济运行有着十分重大的意义。因此,研究峰谷分时电价下水量优化调度模型,合理安排调水计划,是实现电费支出最优化的关键环节,是亟需解决的科学问题之一。

1 分时电价机制下水量优化调度研究的效用分析

1.1 调水成本中电费占较大比例

南水北调东线工程从长江下游调水,向黄淮海平原东部和山东半岛补充水源,与南水北调中线、西线工程一起,共同解决我国北方地区水资源紧缺问题。工程分三期实施。根据《南水北调东线第一期工程可行性研究总报告》,第一期工程完成后,多年平均供水量187.55亿m³,扣除损失水量后,多年平均净供水量162.81亿m³。其中江苏133.70亿m³、安徽15.58亿m³、山东13.53亿m³。多年平均抽江水量87.66亿m³,最多年份达157.39亿m³;入南四湖下级湖水量为21.80～37.82亿m³,多年平均29.70亿m³;入南四湖上级湖水量为14.46～21.33亿m³,多年平均17.52亿m³;调过黄河的水量为4.42亿m³;到山东半岛水量为8.83亿m³[1]。

南水北调东线第一期工程输水线路以黄河为脊背,分别向南、北倾斜,穿黄河处水位高于长江水位约40 m,因此根据地形条件,东线工程的输水方式为:东平湖以南需建泵站逐级提水北送,从东平湖向鲁北、向胶东可采用自流输水。东平湖以南共设13个调水梯级,总扬程65 m,南四湖以南为双线输水,共设泵站枢纽22处,34座泵站,其中利用江苏省江水北调工程现有6处13座泵站,新建21座泵站。第一期工程总装机容量为36.62万kW,其中利用现有工程装机13.1万kW,新增装机23.52万kW。泵站多年平均运行5 000 h左右。

南水北调东线一期工程供水总成本费用包括水资源费、固定资产折旧费、工程维护费、管理人员工资福利费、工程管理费、贷款年利息支出、抽水电费和其它费用等组成,按照《南水北调东线第一期工程可行性研究总报告》测算结果,抽水电费占总成本费用比例较高,在电价0.50元/kW•h时,电费所占比例为30%～50%,例如,出骆马湖供水成本为0.25元/m³,其中电费成本为0.08元,占32%,出下级湖供水成本为0.30元/m³,其中电费成本为0.14元,占47%,出东平湖供水成本为0.51元/m³,其中电费成本为0.19元,占37%。如按照江苏省现行电网销售电价0.733元/kW•h计算,供水成本中电费所占比例将进一步提高至40%～60%。

1.2 峰谷分时电价相差数倍

分时电价是电价结构的一种重要形式,电力市场通过分时价格杠杆来维护发用电平衡,实现各方的最大利益。分时电价根据实时的长短不同,有多种表现形式。通常有如下3种:①24 h(或48 h)的实时电价,每小时(或半小时)电价变化一次,用户和发电厂商对电价的变化反应敏捷,这是实时电价的最高层次。②每天分成高峰、低谷、平段,各段的电价各不相同,这是实时电价的中间层次。③每天有几个价格段,每段价格可以在一个月或半年、一年调整一次,这是实时电价的最低层次。分时电价与常规电价相比较优点如下:①分时电价反映系统的需求状况。电价降低,需求增大,用户可从电价信号中分析电力需求状况,从而选择自己的用电时间。②分时电价根据边际成本确定,反映社会效益最优原则。在有高效率的机组提供电力时,分时电价会迫使低效率的机组从系统中解列,而常规电价都是基于补偿历史个别成本而不是社会平均成本,不能有效地引导资源合理使用。

按照统一政策、分步实施、逐步推行的原则,江苏省电力部门从1999年起实施了符合各时期电网负荷特点的峰谷分时电价政策。2006年7月1日,江苏省电网对供电区域内企业用户实行新的峰谷分时电价政策,峰谷电价比定为4∶1[2]。随着电力市场化改革的推进,峰谷电价政策将在我国全面推广,为大用户全面享受峰谷电价政策,进而降低用电成本、增加运营收益创造了难得的机遇。

1.3 调水时考虑分时电价可以实现双赢

在价格理论上讲“分时电价”属于价格歧视的范围,更确切地说是二级差别定价。所谓价格歧视行为是指销售者对同样的商品或服务,因人、因时、因地、因量的不同而将取不同的价格,以期获得比统一价格更大的利润。而二级差别定价,则是企业根据顾客购买量或使用的时间分段定价。“分时电价”就属于电力部门根据用户在不同时间段的用电量来收取不同的电费。电力部门采取价格歧视是有其客观依据的,由于电能是不可储存的产品,一旦这种产品产出后即被消费掉,满足消费者高峰需求,电力部门必须有足够能力的生产设备,为提供高峰服务必然增加了成本,这通常占企业总投资的很大部分。因此在高峰时期采取较高价格,目的在于将高峰生产的成本转移到那些在高峰时期需要服务的消费者身上。此外,实行较高的高峰价格和较低的低谷价格,可减少高峰时期的需求量,并且将某些需求从高峰期转移到低谷期。对电力消费者而言,推出“分时电价”后,可有效地节省大量电费,如一些工厂可将生产经营时间安排在低谷用电时期,对于一些普通用电户来说,可通过购买能自动控制时间、智能化程度较高的家电来利用低谷用电得到优惠。虽然价格歧视一般仅会使垄断部门得到好处,然而,“分时电价”却不同于一般的价格歧视,因其可使供电方与用电方实现双赢[3]。

南水北调东线工程由于地理条件的限制,需设置较多的大型电力泵站、耗费大量的电能才能实现供水目标,按照常规电价,将花费大量的电费。南水北调东线一期工程建成后,全线总装机容量将达到36.6万kW,如果能有一定的容量参与调峰运行,以峰谷电价与常规电价相比较,按南水北调规划年运行时间200～250 d,每天按8 h参与调峰计算,不仅每年能减少数千万元电费支出,降低水价,同时也能缓解电力供应峰谷差的矛盾,对提高发电机组的效率,保持电网的稳定性起到很重要的作用。因此,研究分时电价机制下的东线工程水量调度十分必要。

2 丰枯电价下的中长期水量优化调度

丰枯电价是分时电价的一种,是指在丰水期将电价适当降低,在枯水期将电价适当提高,形成具有一定季节电量差价的电价结构。

目前实行丰枯季节电价的主要有重庆、四川、湖北、湖南和广西省。如四川省每年6-9月为丰水期,1-4月和12月为枯水期,5月、11月为平水期,丰水期电价在基准电价上下浮10%,枯水期电价在基准电价上上浮20%。随着水力发电比重逐渐增加,实行丰枯电价势在必行。此外,南水北调东线工程建成后,基本上常年运行。根据丰枯电价的特征,尽可能地发挥南水北调工程作为电力大用户的优势争取有利的价格优惠政策,可以明显地降低南水北调东线工程中的调水成本,提高调水效益。

根据电价的季节性和水量需求的不均匀性,中长期水量调度分为年调度和月调度。其中,年调度以各个调水片预测年需水量为基础,以月或旬为调度时段,综合考虑各种调度目标和约束,研究年内各月(或旬)水量的优化配置方式。年调度根据丰枯电价的特性,以抽水电费最少为目标,得出初步调度方案,为月调度提供支持。月调度以年调水任务分解到每月的调水量为基础,参考月预测需水量,并考虑月间的结转水量,得出合理的月调水任务,然后根据一定规则将月调水任务细分到每天。中长期调度方案结构示意图如图1所示。

2.1 年调度方案

年调度的基本任务是制定年调水任务分配到每个月的方案。根据年需水量的不同情况,可采用以下两种方案之一。①如果历史同期年需水量变化不大,可以根据年同期典型调度曲线来分解年调水量。②基于各调水片蓄水量预测,保证完成年调水任务,综合考虑泵站出力、水源可供水量、最低需水量和调水片供水保证率约束,以抽水电费最少或调水效益最大为目标建立调度模型,求解分配到各月的调水量。

2.2 月调度方案

当每个月的调水任务确定以后,月调度任务需要分解到调度月的每天完成。可根据每月需水量情况不同,采用以下3种方案之一。①如果调度任务与历史同期的需求水量相比变化不大,可以根据同期典型月调度曲线来分解月调水量。②把月调度水量平均分解到当月的每一天,然后根据实际调度中出现的情况调整调度曲线,结果用于形成调度经验库,用于指导以后各月的调度。如果和供电公司签订的协议中有考虑平衡电力系统负荷的义务,则需要根据月度负荷的特性,在负荷水平较高时少用电,在负荷低谷时多用电,减小系统负荷峰谷差。③对调度月的日需水量进行预测,得出每月的日需水曲线,然后进行归一化处理得出每日的需水比例,根据这个比例将月调度任务分解到每一天。

中长期水量调度是日水量调度的前提,在年预测需水量和月预测需水量的基础上形成反映受水地区需水情况的需水曲线,并综合考虑湖泊、河道和泵站的约束条件,按照抽水电费最少和调水效益最大的目标制定相应的水量优化调度方案。当实际调度与调水方案不符合时,可采用月间结转和月内结转的柔性调节方案,提高调度的灵活性,以保证年调度任务的顺利完成。

2.3 算例研究

以江苏省某区域的年调度方案为例,该地区年度调水任务为80亿m³。假设根据丰枯电价政策,丰水期为6月-10月,丰水期电价在常规电价的基础上下调10%;枯水期为1月-4月和12月,枯水期电价在常规电价的基础上上浮15%;平水期为5月和11月,平水期电价为常规电价。以江苏省现行10 kV的大工业电价作为平水期的电价,抽入和抽出泵站月最大供水能力分别为5亿m³和4亿m³。泵站机组年度检修安排在枯水期,泵站在枯水期的供水能力为最大供水能力的70%。调水片泵站的平均扬程为6 m,抽水效率为74%。分别制定了常规电价政策下(不考虑丰枯电价政策)和丰枯电价政策下的年调水方案,详见表1。丰枯电价下的年调水方案对应的抽水电费为0.989亿元,常规电价下的调水方案对应的抽水电费为0.993亿元。对比两种方案,丰枯电价下的调水方案比常规电价下调水方案节省抽水电费4%,明显减少了调水成本,提高了工程效益。

3 峰谷电价下的短期水量优化调度

短期水量优化调度是在中、长期水量优化调度方案的基础上,以日为调度周期,综合考虑泵站、河道湖泊和生态环境等方面的约束,以抽水电费最少、弃水量最小和缺水量最小为目标,研究峰谷电价下的短期水量最优调度方案,使之能够实现调水量在日内的逐时段最优分配,对节省运行费用,降低调水工程的运营成本具有重大科学和现实意义[4]。

3.1 建立短期调度模型

3.1.1 目标函数

遵循中长期水量调度的各项调水原则,短期水量优化调度是一个多水源、多用户、多调节水库的大系统,如何协调各地区与各用水部门之间的矛盾,使工程发挥最大效益,是一个多目标决策问题[5-6]。结合峰谷电价的差异,选取抽水电费最少为主要目标,弃水量最小、缺水量最小为次要目标,建立三个目标函数。

3.1.2 水量平衡方程

由于调水过程要充分考虑湖泊的调蓄作用,可以将沿途五片湖泊作为调蓄水库,考虑各片所属湖泊在相邻两个时段的末库容和初库容之间的关系以及上下级湖泊间的水力关系,即:末库容等于初库容与入库流量、上一级湖泊下泄到下一级湖泊的流量、河道和湖泊的天然径流量和缺水量的总和减去出库流量、弃水量、河道与区间的需水量和水量损失,可以得到各片湖泊在相邻两个时段的总水量平衡方程[6]。

3.1.3 约束条件

约束条件包括:机组功率约束、机组流量约束、蓄水库容约束、弃水量约束、可供水量约束、需水量约束、各片各时段供水保证率约束、河道输水流量约束、生态库容约束、北调控制库容约束和非负约束。

3.2 算法实现

峰谷电价下的短期水量优化调度仿真算法的实现主要基于分时分片的思想,考虑各项约束条件,求得各片各时段的调入调出水量以及弃水量、缺水量,直到弃水和缺水控制在一个很小的范围内,算法实现流程图如图2所示。

3.3 日调水方案

为了测试和检验在短期水量优化调度中实行峰谷电价的优越性,根据2006年7月1日开始实施的大工业峰谷电价,运用动态规划法分别制定常规电价下和峰谷电价下最优的短期日调水计划,使工程所需抽水电费最少。为了满足计算的需要,假设一个典型日五片区域的总调水量分别为1.2亿m³和1.5亿m³时,以抽水电费最少为目标函数,各时段各片的调水量为决策变量,考虑机组过流,机组功率,机组扬程等一系列约束条件,按照两重动态规划法将总调水量分配到沿途的五片区域。

为了突出峰谷电价在短期水量优化调度中的优越性,算例重点分析了实行常规电价和峰谷电价时的差异。表2和表3分别给出了典型日五片区域的总调水量分别为1.2亿m³和1.5亿m³时,10 kV电压等级的大工业常规电价和峰谷电价下的日调水计划和抽水电费。其中,峰时段8:00~12:00,17:00~21:00,电价为0.937元,平时段12:00~17:00,21:00~24:00电价为0.562元,谷时段0:00~8:00,电价为0.247元。

从表中可以看出,当日调水量为1.2亿m³和1.5亿m³时,使用峰谷电价每天节省的电费分别为43.784万元和42.6万元,分别占常规电价下电费的34.64%和26.96%。随着调水任务的增加,抽水所耗费的电量中平时段和峰时段的电量所占的比重将逐渐增加,工程效率将随之有所降低。按照南水北调规划的年运行时间200～250 d,与实行常规电价下的调度方案相比,峰谷电价下的调度方案每年节省下来的抽水电费将相当可观,这样既缓解了电力供应的峰谷差矛盾,又可以减少浪费,节约运行成本。

4 应用分时电价优化水量调度的对策和建议

电价对南水北调东线调水成本影响较大,分时电价又是电价结构的重要形式。因此,在南水北调水量调度中,必须认真研究分时电价机制。

4.1 建立多模式分时电价下水量优化调度模型

南水北调东线调度运行涉及多种因素,是一个复杂的系统,需要建立优化调度模型。模型库子系统包括模型库及模型库管理系统。其中模型库用来存储辅助决策所需要的各种模型,这些模型按功能可分为:①预测模型。结合各地区城市和工农业用水情况,根据需水量、来水量和各种相关资料,采用各种预测模型对各地区的生活需水、工业需水、农业需水、生态与环境需水等方面分别进行预测,计算出未来各地区各时段的需水量,提供给实时调度模型。②优化调度模型。 优化调度模型是辅助决策系统的核心部分,包括丰枯电价下的中长期水量优化调度模型、峰谷电价下的短期水量优化调度模型以及枯水年份的联合调度模型等。③评价决策模型。为协调好调水、防洪与航运的关系,本系统包括各类支持评价与决策的分析计算模型,即评价决策模型。具体包括:综合指数评价模型、层次分析模型、风险决策模型、模糊综合评判模型等。

模型库管理系统是针对模型管理特殊要求而设计的专用软件系统,具备如下功能:对库内各模型进行统一管理,按功能需要进行模型维护、修改、组装、联接、生成等。实现模型库与方案库、数据库、人机接口的联结,负责新增模型的管理等。

4.2 以政府为主体,建立需求侧管理资金,形成对供电公司、供水公司(用户)相互联系的电价补偿机制

电价的确定是一个涉及政府、供电公司和用户多方面利益的问题,江苏省实行峰谷分时电价已有10年,但还需进一步完善,从公用事业部门产品定价的一般原理出发,为了实现社会资源在电力用户和供电公司之间的最优配置,建议建立多模式分时电价补偿机制。

任何一种分时电价的建立,供电公司都有一个由赢利到亏损的过程,这是分时电价引导用电的必然结果。这是由于分时电价的收益被计入了供电公司的正常收入,从而对供电公司产生了一种不利的导向:如果用户不削峰填谷,供电公司反而能得到更高的收益。因此,供电公司一旦出现亏损之后,就会对分时电价政策产生抵触情绪,从而影响了分时电价的执行效果。

如果规定新的分时电价带来的赢利(增收)部分不再计入供电公司的正常收入。用这笔资金建立供电公司开展需求侧管理的“蓄水池”,即建立一种供电公司的补偿机制。一旦供电公司执行分时电价出现亏损的时候,就用这笔资金对供电公司进行补贴。这种方式表面上看,与现行供电公司先赚后亏的运行模式没有什么区别,但它消除了供电公司执行分时电价时的不利导向,更有利于分时电价的执行效果。然而,一旦用户的消费理念成熟之后,可能任何一种分时电价的设计都不可能造成供电公司赢利。因此,在这种情况下,政府就需要开辟另外一条补偿资金的筹集渠道——随电量征收需求侧管理资金(国外称能效基金),用以对供电公司的亏损补贴。

4.3 按照不同的负荷种类、季节性用电差别,制订科学合理的峰谷分时、季节性价格体系

扩大峰谷电价执行范围,对不同用电类别执行不同的分时电价。根据用电结构和负荷特点,调整行业分类,细分电力市场,逐步扩大峰谷分时电价执行范围。峰谷电价比例应在考虑电力企业的合理成本和利润的前提下按价值规律确定,根据不同用电类别,执行不同的峰谷电价标准,其比值可在2～5倍之间选择。对于高峰电力短缺,峰谷差较大且可转移负荷潜力较大的电网,应考虑推行尖峰电价,如在现行峰谷电价的基础上,高峰时段选取2～3 h作为尖峰时段,其电价为高峰电价的2倍。

根据用电负荷的季节性特征,出台季节性浮动电价。季节性电价对抑制高峰用电负荷,缓解季节性的供需矛盾有很大作用。目前江苏省的季节性供电紧张主要体现在冬夏两季,因此可参照铁道部在春节期间对火车票价上下浮动的做法,根据工业物价影响指数和电力短缺情况给常规电价一定的上下浮动空间,同时举行电价听证会并及时向社会公示。

基于电网峰谷特性的南水北调东线工程的水量优化调度在市场经济条件下,根据电网峰谷特性和分时电价特点对水量调度进行优化配置,从传统的行政指令性调度向市场调度转变。由于我国的电力市场与水市场仍在形成过程中,涉及的一些市场条件尚未成熟,因此本文的探究尚处于探索阶段。在日渐成熟的市场经济条件下,如何实现南水北调东线工程水量优化调度与管理,对南水北调工程的水资源分配,乃至对中国水资源的高效、合理和可持续利用,意义和难度都同等重大,是一项长期而艰巨的任务。

参考文献:

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[2] 吴 玮,周建中,杨俊杰,等.分时电价下三峡梯级电站在日前电力市场中的优化运营[J].电网技术,2005,29(13).10-14.

[3] 胡福年,汤玉东,邹 云.峰谷分时电价策略在江苏电网的应用研究[J].华东电力,2006,34(9).16-18.

[4] 胡彦明.利用电网的峰谷电价实现泵站经济运行[J].水电厂自动化,2004,(2):97-100.

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