湖南省面向大工业负荷需求侧响应研究

伍也凡， 陈 锦，张 谜， 刘浩田，邓 凯，李达伟

(1.国网湖南省电力有限公司经济技术研究院，湖南 长沙410004；2.能源互联网供需运营湖南省重点实验室，湖南 长沙410004；3.国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司，湖南 长沙410015)

0 引言

随着我国经济发展水平转为中高速增长，电力供需由总体偏紧转向总体宽松，局部地区供需矛盾由紧张转向富余，经济结构的优化升级推动了电力市场体制改革。新的形势下，电力需求响应面临的外部形势和内涵发生了较大的变化。同时，随着能源消费革命以及新的电力体制的改革形势，需求响应面临新的发展机遇和工作要求[1-3]。

电力供需关系随着国民经济的增速变化而变化，实践证明，需求响应可有效缓解电力供需的矛盾。需求响应是通过合理的激励引导用户将电力系统负荷高峰时段的电力消费需求过渡转移至系统负荷的低谷时段，从而实现降低供电成本，保证电网的运行更加稳定高效。因此，缓解电力供应紧张问题，不光是依靠多建造电厂，更应该做的是加强用电需求的管理，从而实现有序、科学、合理用电[4-5]。

本文对湖南省大工业典型负荷进行探究，优化峰谷时段划分并给出最优实时电价，实现社会需求响应。

1 峰谷分时电价及工业背景

需求响应是指当电力市场价格发生较大波动或系统存在风险时，电力用户参考电价变化或相关激励措施，改变其用电行为，减少(增加)用电，从而促进电力供需平衡、保障系统稳定运行的行为[6]。其特点是灵活性强、分布广、经济性高，对不同用户都会产生积极的影响。

1.1 峰谷分时电价

价格激励是运用较为普遍的激励措施，主要依靠峰谷时价格调整激励用户自主参与电网的负荷优化，通过削峰填谷的方法提高运行效率。针对不同的应用场合，现在已经形成了峰谷电价、季节电价、分时电价等各种各样的电价方案。分时电价的优点:分时电价的变化对应着系统的负荷需求状况，用户通过分析电价信号中体现的电力需求状况自主选择用电时间；分时电价可以考虑社会效益最优，增加高效率机组利用，减少低效率机组发电，而现行电价不能有效引导合理使用资源[7-9]。

1)峰谷分时电价也存在着以下问题:峰谷电价依据经验决策，缺乏理论支撑。因此，如何量化削峰填谷的经济、社会效益，从而确定峰、谷、平等不同时段的电价，探索便捷有效的时段分割方法是有待深入研究的问题。

2)峰谷价差幅度不够。由于经济效益不明显，用户对分时用电的积极性有所提高，但并不充分，用户自主调节的用电模式仍有较大的利用空间和发展潜力。

1.2 工业特征

中国经济的飞速发展，带动企业的进步，工业能源消耗总量也随之高速增长。据统计，2017年，工业累计用电量占全社会用电量的比重接近七成，其中钢铁、有色、化工、建材等四大高耗能行业合计用电约占工业部门电力消费量的四成。

因此，在我国大工业行业推行需求响应将有广阔的市场，产生巨大的效益。工业用户的负荷消减量一直占据着需求响应市场的主要份额。据统计，64%～73%的负荷削减量来自工商业参加的需求响应项目，尤其是工业需求响应项目。随着需求响应政策的日益完善及相关技术的不断突破，我国在需求领域取得了重大的研究成果以及实验经验，为需求响应工作的全面推广奠定了基础。

2 湖南省典型工业负荷特征

工业是所有产业中消费能源最多的产业，参与需求响应项目能够帮助工业电力用户充分挖掘节电潜力，减少电费支出，推动精益化管理，所以可将工业用户作为率先参与需求响应项目的研究对象。

湖南省工业领域包含多种类型的用户，不同类型工业用户因为生产设备或工艺流程的差异，其用电行为和供电需求有较大差别，因此具有差异化的需求响应潜力，掌握工业用户不同的用电特点与负荷特性是研究其需求响应的基础。钢铁、建材以及有色金属三个行业的用电量大，在高耗能行业总用电量中占较大的比重，且其负荷曲线具有一定的典型性和代表性，能够在某种程度上代表同类行业的用电特点，所以本文重点选取这三个行业开展较为深入的研究。

2.1 钢铁行业及其负荷特征

钢铁行业是国民经济发展的重要支柱，也是大工业用电领域的主行业之一。然而钢铁行业现在面临的外部环境已经今非昔比，大部分进入了微利或者亏损的时代，现阶段“节能与环保”直接关系到钢铁企业的生存，因此需求响应策略的实施迫在眉睫。钢铁企业的用电特点明显:首先是钢铁行业的耗电量巨大，一般钢铁企业的耗电量占所在地区电网供电量相当大的比重；其次是波动大，钢铁企业由于生产设备和工艺流程的需要，存在部分较大的冲击负荷，易引起电网运行波动；其三是负荷变化与生产状况直接相关，其负荷曲线和设备的运行情况相关，负荷变化主要由生产过程决定，没有明显的日负荷周期性波动的特征。

以湖南省某钢铁公司为例，该钢铁公司(2012年数据)年用电量23.84亿kWh，占地区电网供电量78.55亿kWh的30%。钢铁企业负荷波动大，受其影响地区负荷波动也较大。某日钢铁公司对地区负荷预测的影响如图1所示，地区负荷曲线走势明显受钢铁公司负荷曲线所影响。

图1 钢铁公司负荷对地区负荷的影响

该钢铁公司生产方式为四班三倒连续生产，如图2所示，钢铁行业的负荷曲线也是按照工人倒班作息时间进行变化并且曲线完全呈现冲击性波动。如果钢铁企业可以对个别生产环节的工作时间进行适当的调整，适量地削减高峰时段的用电负荷或者向夜间低谷时段转移，就可以通过实施峰谷电价的形式大大地降低用电成本。

图2 钢铁公司日负荷曲线

2.2 建材行业及其负荷特征

湖南省的建材行业包括水泥、玻璃、陶瓷等，其中水泥行业作为湖南省建材行业主要用电大户，以水泥作为建材行业的典型来阐明其用电特点以及负荷特征。水泥行业的特点是连续生产运行，设备长期保持运转，负荷率较高、波动较小，由于二级负荷占比较大，所以需要保障较高的供电可靠性，生产用电安排计划性较强。

通过对水泥行业生产设备和工艺流程的分析可知，水泥企业有占比57%的可中断负荷，且水泥企业的电费支出占到其总成本的30%左右，因此有较高的自主调节空间，若配套合理的峰谷电价差等激励机制，水泥行业是实施需求响应的适宜用户。

2.3 有色金属行业及其负荷特征

有色金属行业作为高耗能行业，其自身的用电特点突出:首先是行业的电量消耗大；其次是其供电电压等级高。有色金属行业主要靠消耗电能进行生产，生产成本中有很大比例的电费成本，因此对电价变化有较高的敏感性。在有色金属行业的各企业中，电解铝的能源消耗量在行业能源消耗总量中所占的比例高达80%，铜、锌、铅逐一次之。以电解铝为例，国内生产1 t电解铝平均要耗电1.45万kWh，电价的波动变化都可能导致生产成本的大幅波动。因此从成本管理方面，有色金属行业适合实践需求响应。

但是，有色金属行业实行24 h连续生产，生产设备对供电可靠性的要求较高，负荷稳定且负荷率高。湖南省有色金属行业的典型负荷曲线如图3所示，由于绝大部分生产设备保持连续运行，因此曲线较为平稳，没有出现较大幅度的波动，其日负荷曲线几乎为一条直线。由此可以反映需求响应的空间很小，不利于进行需求侧响应研究。

图3 有色金属行业负荷曲线

3 需求响应模型优化及建模

电能作为一种可交易的商品，电价作为商品的价格，适用与价格相关的经济理论。电能又是一种特殊的商品，发、输、变、配、用的环节需要同时进行，且不能大规模储存。随着电力市场不断地深化改革和发展，有必要将需求侧纳入电价模型中。结合用户的需求特性，供电部门按照电网侧的需求制定相应的电价，间接引导用户合理用电。基于经济学原理，依靠宏观的需求理论的概念、电力需求价格弹性矩阵模糊数学等，建立求解模型，依靠求解模型以及相关数据给出优化结果[10-13]。

3.1 需求响应模型

价格弹性见公式(1)，电力价格的改变对电力需求量的改变程度就是需求价格弹性。

电价弹性矩阵E，如式(2)，表示不同时刻价格的变化情况。

对于大工业用户，电力需求价格弹性的大小由不同的行业性质决定。另外还需全面考虑其他影响因素，诸如电费占总成本的比重、产品利润率、电能供应在生产中的重要程度等。

实施分时电价政策之后的电量可以通过式(3)计算得出，反映了工业用户负荷参与需求响应的响应程度。可以看到，与初始电价Qi、电价弹性矩阵E以及用电价格变化率有关。为了方便计算，下文n=24，即每天按照1 h进行采点取样。

分时电价能否有效实施的关键是准确合理地划分峰谷时段。传统的时段划分方案缺乏理论支撑，根据用户典型日负荷曲线的特点，结合运行经验，经过人为估算获取，从实际应用中暴露了该划分方法有较为明显的缺点。采用模糊数学原理对用户负荷曲线的峰谷时段进行划分是一种简单、明了的方法。依靠模糊数学理论，对于峰谷时段，根据调查统计方法得出的数据曲线，引入隶属函数。总的来说，加入了统计调查的结果，降低了主观性造成的误差率，相比起来更为客观可靠。

分时电价机制的主要目的是实现系统负荷削峰填谷，降低负荷峰谷差，因此引入目标函数，以最小化日负荷曲线的峰谷差为实现对象，即削峰填谷，见式(4):

式中，pL，m为第m个凹谷电价，m为凹谷个数；pH，k为第k个尖峰电价，k为尖峰个数；pl为原峰谷电价的低谷电价，ph为原峰谷电价的高峰电价。

3.2 算例分析

近年湖南省为支撑国民经济的高速发展和持续提升居民生活水平，大规模开展电力建设，总装机容量稳步提高，电力网架持续完善。湖南省现行的峰谷分时电价主要实践于大工业用户、一般工商业及其他用户中，没有涵盖居民生活用电、农业生产用电等，然而居民生活电量占全社会用电量的比例平均保持在35%以上(以长沙地区为例)，意味着用电总负荷不平衡度很大。下面对现有大工业电价进行优化，以满足全社会用电需求响应。

3.2.1 电力市场需求响应及工业用户用电现状

如图4—5所示，湖南省历年各月全社会的用电量比较均衡，因此从全社会需求响应来看，不推荐湖南省大工业按月进行调节。同样，2017、2018年全年的大工业用电总体变化幅度小。2018年2—3月除外，全年各月用电量在46亿kWh左右波动；2017年，除去2—3月，全年各月的用电量维持在40亿kWh左右。从上面的数据中，可以得到这样的信息:湖南省大工业用户，可直接采用按日分时电价更为简单和便捷。如果按照不同月份或者季节进行分时电价，虽然可以略微优化一下电价，但是实际效果不明显，而且成本处理复杂；以湖南省大工业现行用电方式及用电政策来说，不赞同将湖南省的大工业电价按照季节来区分。

图4 湖南省历年用电量

图5 2017—2018年湖南省大工业用电合计

3.2.2 时段划分

湖南省全社会某两日的典型日负荷曲线如图6所示，湖南省日负荷分布不均匀，主要呈现三部分:低谷主要集中在00∶00—07∶00时段；高峰为09∶00—12∶00时段以及17∶00—19∶00时段；平谷为13∶00—16∶00时段。在现行政策下，如何通过积极的措施，改变大工业负荷，实现全社会需求响应，达到稳定负荷的目的，实行需求响应是个挑战。

图6 湖南省典型日负荷曲线

利用构建的优化模型，参考湖南某地区负荷数据，分析该地区的峰谷时段划分方法，通过选择不同日期的负荷数据分别进行仿真分析，验证模型的合理性与可行性。图7、图8分别是该地区基于单日时段划分利用Origin分析软件的仿真结果。

图7 某a日峰谷时段划分仿真分析

图8 某b日峰谷时段划分仿真分析

如图7—8所示，图中弯曲变化的实线代表实际的负荷曲线，箭头线代表根据真实负荷划分的峰、平、谷时段。利用模糊算法以及聚类分析研究峰谷时段的划分，将大量数据通过编号方式构造样本点数量为24个的集合S。在集合S上采用构建的K-均值数据挖掘模型进行各聚类的迭代运算，得到集合S中的24个样本点，可划分为S峰、S平、S谷3个聚类。各聚类中的样本点所代表的时点编号组成相对应的时段，具体模型如图9所示。

图9 大数据峰谷时段划分

通过实例分析选取的峰谷时段划分方案为:

1)峰时段:09∶00—12∶00；17∶00—22∶00。

2)平时段:08∶00—09∶00；12∶00—17∶00；22∶00—23∶00。

3)谷时段:23∶00—8∶00。

通过分析，时段被细分为两个峰时、三个平时、一个低谷，仿真结果真实合理。

3.2.3 实时峰谷电价。

选取湖南省某工业园区日负荷曲线，见表1。根据国内典型省市需求响应现状及国外学者的研究经验，在误差允许范围内，得到电价弹性矩阵E各系数，见表2。

表1 湖南省某工业园区2019年7月 典型日负荷数据 MW

表2 电价弹性系数表

将一天按照24个区间进行划分，取n=24。电价采样于湖南省目前大工业用电电价政策制度，同时，将江苏、安徽等需求响应较完善省份阶梯电价统计调查结果作为参考对象。在对时段划分方案进行目标优化时，选取峰谷差最小化为目标点，目标的权值均选为0.5。遗传算法参数设置即种群总规模为300；迭代计算次数为100；交叉概率为0.8；变异率为0.05。优化前后负荷变化通过MATLAB仿真软件分析得出，如图10所示。

说明:①峰时段电价0.956 9元/kWh；②谷时段电价0.399 5元/kWh；③平时段0.645 5元/kWh；④峰、平、谷电价比:1.482 41∶1∶0.618 9。

图10 优化前后负荷变化曲线

对比分析可知，最大峰负荷明显下降，最小谷负荷显著提升，峰谷差得到了削减，需求响应实现了削峰填谷的目标，电网的运行方式得到了进一步优化。

4 结论

结合湖南大工业用电分布，分析钢铁、建材、有色金属几大行业用电负荷特点，研究其进行需求响应的可能性。为了深度探索峰谷分时电价的发展空间和应用潜力，针对峰谷分时电价的时段划分没有理论支撑的问题，通过建立数学模型及数据仿真对优化策略进行研究。

1)结合实际负荷情况对峰谷电价的时段进行更为细致的划分，可以多峰时、多平时、多低谷，积极改善负荷时段分布，平滑负荷曲线。

2)适当加大峰谷电价差，用最为直接的经济效益激励用户改变用电习惯和行为，用经济手段控制负荷。

3)分区域对高耗电量的大型工业企业充分调研，沟通用电需求，进一步挖掘大型工业企业需求侧响应的可利用空间和发展潜力，通过签订用电协议等方式确保区域负荷优化。