基于调峰电价机制的商业用电优化研究

刘 贞，郭珍珠，贺良萍

(1.重庆理工大学 管理学院，重庆 400054； 2.美国加州伯克利劳伦斯实验室，美国 加州 94720)



基于调峰电价机制的商业用电优化研究

刘 贞1,2，郭珍珠1，贺良萍1

(1.重庆理工大学 管理学院，重庆 400054； 2.美国加州伯克利劳伦斯实验室，美国 加州 94720)

随着中国经济的不断发展，用电需求不断增长，为了降低用电高峰时段电网的用电负荷以及供电压力，峰谷分时电价受到越来越多的关注。参照美国加州较为完善的峰谷分时电价体系，结合国内实际用电情况对实施峰谷电价进行研究，在此基础上设计一种新的峰谷电价机制，进一步对商业用电方式进行优化，建立一种新的电力交易机制。最后，以某一超市为例，参考现有的电价体系对其目前的用电情况及成本费用进行相关分析，参照美国加州E-7峰谷分时电价体系对其用电情况进行测算，提出一种新的峰谷电价机制，进一步对超市用电进行优化设计。

峰谷分时电价；加州E-7峰谷电价机制；峰谷价差；商业企业用电

一、文献综述

在经济新常态下，电力需求增长出现了新特点，即电力需求增速将大幅下降。随着我国逐渐进入后工业化阶段，工业增长大幅放缓，经济增长方式的转变将带动电力需求结构调整。从表1可以看出，2012—2016年第一产业的用电量只占全社会用电总量的2%左右，且用电量每年变化不大，较为稳定；第二产业是电力消耗的主体，其用电量占全社会用电总量的80%左右，随着对高耗能产业的整改限制以及工业产业结构的调整升级，第二产业用电量的增长幅度总体上呈现逐渐下降趋势，甚至出现负增长，但由于我国制造业规模较大，未来第二产业用电比重仍将居高不下；而第三产业的用电量呈现出逐渐增长态势，未来还将逐渐成为拉动全社会用电增长的主力。

表1 2012—2016年的用电量及其增长趋势 亿千瓦时

在我国大多数省份还在实行传统的电价销售模式时，国外很多国家已经正式推广并完善峰谷分时电价机制。峰谷分时电价机制能够有效地鼓励用户合理转移用电负荷，削峰填谷，降低高峰时段用电负荷率，减轻高峰时段的供电压力，从而提高系统设备容量的利用效率，保障电网的安全稳定运行。峰谷分时电价机制是指根据电网的负荷变化情况，将每天24小时划分为高峰、平段、低谷等多个时段，对各时段分别制定不同的电价水平，以鼓励用电客户合理安排用电时间，提高电力资源的利用效率。目前，国内许多学者也对此进行了一系列的相关研究，主要表现在两个方面：

一方面，主要是对峰谷分时电价的可实施性以及如何分时定价等进行研究。李龙通过对峰谷分时电价进行分析，给出了负荷时间弹性大小的计算方法，建立了基于负荷时间弹性的分行业峰谷分时电价调整模型，并利用算例进行仿真分析，证实了峰谷分时电价对移峰填谷和提高电网负荷率的可实施性和有效性[1]。谭忠富等围绕需求侧电价向发电侧煤耗的传递效应，建立了分时电价与节能发电调度的联合优化模型，并借助GAMS软件求解结果表明，分时电价的优化将有助于用电负荷分布的优化，降低系统负荷峰谷比并改进发电侧的节能调度效果[2]。饶伟云等在介绍峰谷电价政策的基础上，通过建立数学模型分析了不同电力消耗模式下企业用电成本的变化特点，以此来说明移峰填谷对降低用电成本的巨大潜力[3]。汪宁渤等在介绍峰谷平值段划分方式的基础上，针对高耗能用户对峰谷分时电价的反应进行建模仿真，并结合不同时段划分方法和电价制定方式给出了模型求解方法，并得出最优时段的划分和分时电价定价的方法[4]。郜璘等通过分析研究峰谷分时电价，在综合考虑消费者心理、电价理论以及统计学原理的基础上，针对电力企业的预期目标给出了峰谷分时电价的目标函数，并通过模型优化求解，得出最优的分时电价定价方案[5]。连振洲等通过对电力负荷曲线分布特征进行分析，运用模糊隶属度函数法划分峰谷时段，并结合已实施时段划分方案的特点进行修正调整，得到4个季度的峰谷时段划分方案，进而采用加权二范数函数法得出了全年综合峰谷时段的划分方案，结合算例分析证明了该方案更符合负荷曲线分布特征，且能有效地激励用户的需求响应[6]。

另一方面，主要是峰谷分时电价对大工业企业生产等方面的影响研究。于娜等对峰谷分时电价机制下大型工业用户的用电响应问题展开研究，根据工业企业的用电特性建立其在峰谷分时电价激励机制下的用电决策模型，从而求解出最优的用电响应策略，并通过案例分析证实了该策略的有效性[7]。黄昆彪以工业企业用电习惯为切入点，通过数学建模对一班制、两班制、三班制等企业生产方式在峰谷分时电价下的用电成本进行分析比较，提出了调整班时班制的方案，以此来达到削峰填谷、降低能耗的目的[8]。赵辉等在建立分时电价下企业用电负荷优化调度模型的基础上，利用Matlab平台的模式搜索法、单纯形法和遗传算法分别对企业的用电负荷进行优化调度，在此基础上得出了企业用电负荷调度的最优方法[9]。王其营等根据山东省有关调整峰谷分时电价政策的文件精神，对当地大工业用电价格的组成部分进行了介绍和分析，并结合电费结构的优化以及峰谷分时电价时段的划分来调整轮胎企业的生产时间，规避尖峰用电时段，从而降低企业的用电成本[10]。李杨等利用电价理论及有关经济学原理阐述了峰谷分时电价的结构、定价策略以及大用户相应的经济计量模型，并对南京市实施峰谷分时电价以后部分大工业用户的响应情况进行分析，得出影响用户响应的因素主要是生产班制、电费支出比例和电价结构，同时证实合理的电价结构能收到较好的负荷调整结果[11]。

综上所述，目前国内研究的重点主要在于峰谷分时电价的可实施性、峰谷时段的划分及定价方式、峰谷电价对大工业企业生产的影响等方面，而对于峰谷电价在商业用电领域的影响研究较少。本文基于峰谷分时电价对商业用电成本的影响进行研究，分析商业企业对于峰谷分时电价的响应行为和用电策略，并据此提出在峰谷分时电价机制下商业企业的用电优化建议。

二、新电力市场交易模式及商业用电优化策略

(一)新型配电侧电力市场交易模式

在电力市场中，交易主体主要有发电侧、配电侧、电力需求侧以及政府等，其中配电侧主要包括工业用电、商业用电和居民用电3个方面，电力自发电侧输出后输送到配电侧，再由配电侧电力交易中心输配给各用电企业。

具体运行模式如下：每个商业企业依据自身需求制定自己的用电计划，并提交到配电侧电力市场交易中心；配电侧电力市场交易中心依据商业企业的用电计划和供电企业的供电计划，为商业企业分配一定的用电配额；在实际运行过程中，商业企业再根据自己的实际情况选择电力交易量，也可以选择在价格高时卖出配额，在价格低时买入配额；配电侧电力市场交易中心依据实际用电数量和调峰电价进行结算。

(二)新型电力市场中商业用电优化策略

假定某超市有n个用电设备，第i个用电设备的用电策略为qi, j,即第i个用电设备第j个小时的用电量为qi,h, j。则该用电设备当天的用电量为：

(1)

(2)

(3)

若不采用峰谷分时电价，而采用固定电价机制，假定固定电价为p，则该用电企业用电成本为：

(4)

假定对应时段的分时电价为pj，其中，j=1,2,…,24，则该用电企业的年用电成本为：

(5)

(6)

三、不同电力市场模式中商业用电成本测算

(一)当前电力市场运营模式与E7运营模式

本文以XX市一家面积为1 000～1 500 m2的超市为例，该超市供电一般为380 V，目前XX市的部分销售电价表如表2所示，不满1 kV的商业用电电价为0.845 8元/(kW· h)，1～10 kV的商业用电价格为0.825 8元/(kW·h),35～110 kV的商业用电价格为0.805 8元/(kW·h)，110 kV的商业电价为0.790 8元/(kW·h)。参照目前XX市销售电价表，它的适用电价为0.845 8元/(kW·h)。

同时，美国加州E-7峰谷分时电价体系如表3所示。

表2 XX市部分销售电价 元/(kW·h)

表3 E-7 不同时段的调峰电价 元/(kW·h)

注：电价按中国银行汇率1美元=6.345 0人民币进行换算。

(二)现有电价模式下商业企业用电情况

该超市内具体的电器耗电量如表4所示，其中立风柜、冰柜和冻库是24小时不间断工作，其他电器根据超市的营业时间选择性地进行工作，一般根据超市人流量的高低峰来确定电器运行的数量。根据XX市气候特点，一般夏季炎热且持续时间比较长，中央空调夏季使用较多；冬天气候较温和，中央空调使用较少。所以，我们设定空调一般在6月、7月、8月、9月4个月份运行。

表4 超市常用电器耗电量

注：中央空调的输出功率为5P;其他指后台服务器、电子称等耗电量少的小电器的加总。

一般超市的营业时间是7∶30—22∶00，在营业时间内不同时段的电器运行数量不同，以致于每个时段的耗电量也有所差别，当然每个时段的用电量与超市的人流量存在正相关关系。根据实地调查发现，超市中的人流量高峰时段有8∶30—12∶00、16∶30—18∶00以及20∶00—21∶00三个时间段，营业时间内的其他四个时段人流量相对较少。假定LED灯管在白天时段(7∶30—17∶30)只开启一半数量，晚上时段(17∶30—22∶00)才会全部开启；立风柜、冰柜和冻库24小时工作运行；中央空调只在夏季4个月份里的超市营业时间运行；收银机、音响和其他电器设备也只在超市营业时间运行。超市每天具体的用电量如表5所示。 由式(1)得出：① 超市在夏季4个月内平均每月用电成本为 28 091.56元；② 超市在其他月份(除去空调)平均每月用电成本为10 431.25元。由此得出，超市年用电成本约为195 816.48元。

(三)加州E-7峰谷电价下的商业企业用电情况

如果按照E-7峰谷分时电价计算该超市用电成本，则需要计算每个时段的用电量。由于每个时段的用电量与超市的人流量存在正相关关系，所以超市每个时段的用电量可以参照表4来进行计算。

同时，因为6月、7月、8月和9月4个月份要计算空调的用电费用，这4个月份共计122天，其中周一到周五工作日时间为87天，夏季其他两个月5月和10月共62天，其中周一到周五工作日时间为43天，所以夏季的用电成本要分为两段计算。冬季从11月份到次年的4月份共181天，其中周一至周五工作日时间为129天。

根据表4中的相关数据和式(2)得出超市夏季的用电成本为176 801.10元，冬季的用电成本为57 130.69元。由此可得，加州E-7峰谷电价机制下该超市年用电成本为233 931.79元。

综上可知，按照现有用电策略，在美国加州峰谷电价机制下的该超市用电成本远高于XX市传统电价机制下的用电成本，因此，峰谷电价机制会激励商业用户对用电策略进行优化。

表5 超市具体的日用电量 kW·h

(四)新型电价机制下该超市的用电优化策略评价

对于该超市来说，用电优化最直接的方法就是调控电器的工作时间，在该超市的常用电器中立风柜、冰柜、冻库和冷鲜肉柜通常都是24小时工作的。因此，用电的优化调控对其他电器的作用将更加有效，而在其他电器中LED灯管和中央空调耗电量最大。在白天室内采光度较好的时候，可以根据人流量的高低峰适度减少LED灯管的开启数量。经实地调查发现，在超市人流量少并保证超市照明度的情况下，LED灯管可关闭的最高限度为25%；同样，在超市人流量少并保证超市室内温度的情况下，中央空调可关闭的最高限度为30%。这样虽然可以减少用电成本，但也会使超市内的购物环境发生变化，会对顾客购物体验和超市销售收入造成一定的影响。因此，我们在进行用电优化的同时还要尽最大可能兼顾顾客的购物体验和超市的销售收入。

如表6所示，假设该超市在人流量较少的7∶30—8∶30、12∶00—16∶30、18∶00—20∶00 以及21∶00—22∶00 这4个时段内将LED灯管关闭15%，中央空调关闭20%，则该超市在使用空调的月份每天可节约电量92.47 kW·h，在不使用空调的月份每天可节约电量10.87 kW·h，夏季(5—10月份)的总节电量为11 955.28 kW·h，冬季(11月—次年4月)的总节电量为1 967.47 kW·h，年节约电量为13 922.75 kW·h。结合峰谷价差后的峰谷分时电价机制计算，该超市每年可节约用电成本17 425.37元。

表6 新型电力市场模式下企业用电优化策略

四、结论及建议

本文首先对峰谷分时电价机制进行研究，然后参照加州E-7峰谷电价体系分析实施峰谷电价机制对商业企业用电的影响，并以某一超市为例进行用电优化。我们可以从中得出：在调整后的峰谷电价机制下对商业企业进行用电优化，一方面可以为用电企业节约用电成本，另一方面又可以在很大程度上调动用电企业的调峰积极性。因此，这种调峰机制有利于缓解发电企业在供电高峰时段的供电压力，激励企业参与电力调峰，更易于在电力市场上进行推广和运行。

结合当前我国经济进入新常态的背景，电力消费亦进入增速换挡的新常态[12]。2015年3月，《中共中央、国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发[2015]9号)揭开了新一轮电力体制改革的序幕。商业企业在新一轮电力体制改革中可以积极探索降低用电成本的路径：

第一，根据电力市场化进程，鼓励有条件的商业企业直接参加或委托售电公司参加电力交易，进一步降低用电成本。据测算，2015年全国电力直接交易4 300亿千瓦时，按每千瓦时平均降低5分钱计算，则会降低用电成本215亿元。2016年电力市场交易规模又进一步扩大，用电成本进一步降低。此外，新一轮电价改革中关于售电侧的改革，为电力用户提供了更多的购电选择机会，同时也为售电公司代理一般工商业企业参加电力市场交易提供了制度基础。

第二，在电价改革中，一般工商业用电价格的全面下调有利于商业企业降低用电成本。国家发改委2015年12月底发布通知，将全国燃煤发电上网电价平均每千瓦时下调约3分钱，同幅度下调一般工商业销售电价。近年来，通过实行工商同价政策，商业电价已有较大幅度的下降，此次对一般工商业电价的再一次下调，将更有利于降低商业企业的用电负担，对促进第三产业的发展有着积极意义。

第三，各商业企业可以加强企业内部用电管理，购买和使用节能节电产品，规范用电行为，养成良好的用电习惯，提高电力使用效率，避免不必要的电力浪费。这样不仅可以节约企业用电成本，还有利于环境保护。

[1] 李龙.考虑负荷时间弹性的分行业峰谷电价研究[J].湖南电力，2015，35(3):44-47.

[2] 谭忠富，宋艺航，李效臻，等.基于峰谷分时电价机制的节能发电调度优化模型[J].运筹与管理，2014，23(1):101-107.

[3] 饶伟云，谢国富，蒋道方.峰谷电价与企业用电成本[J].需求侧管理，2005(12):17-18.

[4] 汪宁渤，李津，薛婷婷，等.高载能负荷峰谷分时电价优化研究[J].中国科技信息,2015(2)；33-34.

[5] 郜璘，周国祥，石雷.峰谷分时电价决策的优化模型[J].统计与决策,2010(3):51-53.

[6] 连振洲，温步瀛，江岳文.基于负荷曲线分布特征的峰谷时段划分和修正策略研究[J].电网与清洁能源，2014，30(7):15-19.

[7] 于娜，于乐征，朱景明.峰谷分时电价下过程工业用户的用电响应模型[J].东北电力大学学报，2014，34(4):17-21.

[8] 黄昆彪.基于峰谷电价机制下的用电消费模式的研究[J].电力需求侧管理，2008(10):56-58.

[9] 赵辉，张宁，蔡万通，等.基于Matlab的分时电价下企业用电负荷优化调度[J].自动化与仪表，2015(1):11-14.

[10]王其营,彭志深,尹衍东.峰谷电价调整后轮胎生产的应对策略[J].橡塑技术与装备，2008，34(9):26-31.

[11]李杨，王志华，卢毅，等.峰谷分时电价的实施及大工业用户的响应[J].电力系统自动化，2001(4):45-48.

[12]崔新维.面向2020年的风电技术经济问题探讨[J].重庆理工大学学报(社会科学),2016(1):31-36.

(责任编辑 邓成超)

Study on Optimization of Commercial Electricity Consumption Under the Peak Load Electricity Pricing Mechanism

LIU Zhen1,2, GUO Zhen-zhu1， HE Liang-ping1

(1.School of Management, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2.Lawrence Berkeley Laboratory in California, California 94720, America)

With the continuous development of China’s economy, the power demand is continuously increasing. In order to decrease the electric load of power grid at peak and the pressure of power supply, the electric price at the peak valley time receives more and more attention. In reference to the California’s relatively perfect system of electric price at the peak valley time, and combined with the actual electric consumption at home, this paper conducts a study on the electric price at the peak valley time, designs a new mechanism of it, and further optimizes the commercial electricity and establishes a new power trading mechanism. Finally, with an example of three types of power supply scheduling, the model was simulated and calculated in different Monte Carlo scenarios. The example shows thatthe planning model in this paper could optimize the power generation scheduling and crew coordination in the uncertain environment and market conditions, and have the ability to help companies develop reasonably beneficial expectations and effectively avoid risks.

time-of-use power price; peak-valley price mechanism of California E-7; the peak-valley price difference; commercial electricity consumption

2016-05-19 基金项目：国家自然科学基金项目“能源安全和生态环境约束下区域农业生物质能经济总量模型与补偿机制研究”(71573026)

刘贞(1973—)，男，河南上蔡人，博士，教授，硕士生导师，研究方向：可再生能源与电力技术经济。

刘贞，郭珍珠，贺良萍.基于调峰电价机制的商业用电优化研究[J].重庆理工大学学报(社会科学)，2017(4):45-50.

format：LIU Zhen, GUO Zhen-zhu，HE Liang-ping.Study on Optimization of Commercial Electricity Consumption Under the Peak Load Electricity Pricing Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology(Social Science)，2017(4):45-50.

10.3969/j.issn.1674-8425(s).2017.04.007

F205

A

1674-8425(2017)04-0045-06