在用户分类基础上考虑电网稳定性的智能电网实时定价模型研究

邹鑫 高岩

摘 要：随着全球节能意识的增强，智能电网通过价格机制对用户的用电行为进行调节，削减电网系统的峰谷差，减少了电网用户交叉补贴。在以社会福利最大化为目标的智能电网实时定价模型的基础上，根据用户用电特性对用户进行分类，同时引入维护电网稳定性的影响因子以及科斯定理，构建了一个实时电网定价模型并通过对偶优化对模型求解。仿真实验结果表明，考虑电网稳定性的福利模型不仅能够进一步起到削峰填谷的作用，而且还能够提高整个社会福利。

关键词：实时定价;电网稳定性;社会福利

中图分类号：F224.31        文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2021）19-0093-06

引言

根据国家能源局对全国电力行业的统计，截至2020年6月，全社会用电量累计达27 197亿千瓦时;其中，第一产业用电量297亿千瓦时，第二产业用电量18 098亿千瓦时，第三产业用电量4 296亿千瓦时，城乡居民用电量4 506亿千瓦时。我国电力市场庞大，同时传统电网通过大规模、集中式的发电机组向终端用户提供电力，由于缺乏电力供给端和用户之间实时信息交互，传统的电网模式已不能使日益增长的电力需求与电力的实时供应相匹配[1～2]。从需求侧出发的实时电网定价能够让这一庞大的系统进行合理的调度，从而达到节约资源，合理配置电力资源的目的。

智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术，先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标[3～4]。实现电力资源的优化配置。在智能电网中，有很多种定价方法，目前较流行的定价方法有以下几种：固定电价、阶梯定价、分时电价、关鍵峰荷电价、自适应电价、实时电价[5～8]。近年来，随着人工智能和大数据高速发展，以及通信即将全面进入5G时代，数据的收集、储存、传输、处理方面都有了很大提升，使得智能电网供求信息交互能够得到及时处理[9～12]。因此，智能电网系统对反映实时供电成本的实时定价策略的要求也越来越强烈。实时电价能够通过价格机制有效调节电力的供给与需求，减少电力资源的浪费，同时供电方能通过调节电价的方式来激励用户在电力高峰期减少不必要的电力消费，同时在电力低谷期进行必要的能源储存，起到削峰填谷的作用。

实时定价是智能电网需求侧管理中极为重要的一个环节，同时也成为近年来学者研究的热点问题。Samadi等最先在研究智能电网实时定价模型中引入微观经济学社会福利最大化的思想，为后来很多学者研究智能电网实时定价提供了蓝本[13]。Milad等通过对用户电器进行详细分类，提出一种事件驱动博弈策略来对需求响应下的智能电网实时定价[14]。Oluwasanmi等将能量储存设备考虑进电力系统，同时模拟用户电力消费的不确定性，解决了电力市场供求平衡问题[15]。刘国明等采用斯塔克伯格均衡来求解电力供给不足的条件的实时电网价格[16]。汪宏杰等采用了光滑化方法对不同用户非光滑的效用函数进行光滑处理[17]。陶莉等通过建立博弈模型对电网系统不确定性进行了研究[18～19]。潘婷婷等将光能和化石燃料两种类型能源互补供电的方式引入到社会福利最大化实时定价模型中[20]。

本文在以前学者研究的基础上，我们构建了一个社会福利最大化实时定价模型，针对智能电网系统中电网系统稳定性，将维护电网稳定性的影响因子考虑进入社会福利最大化模型中;针对用户用电效用的不同，将用户分为工业用户以及普通居民用户。同时，考虑到存在通用电器与可使用替换能源的智能电器能给居民用户带来相同的效用，我们将能源替代考虑进入实时定价模型中;由于工业用户用电后的经济活动会对他人和社会造成的非市场化的影响，我们将经济学中的科斯定理考虑进入整个社会福利最大化模型中，由此，产生了工业用户用电以及居民用户用电价格的差异性。最后，通过仿真实验，验证了社会福利最大化兼顾电网系统稳定性的实时定价模型有效性和合理性。

一、福利经济学模型

本文考虑一个小型电网系统，由一个电力供应商和多个终端用户构成。终端用户分为普通居民用户以及工业用户，每个终端用户均安装智能电表及能源调度控制器，其作用不仅可以使用户和供电商进行实时用电量及实时电价进行交互，而且能控制各个电器根据实时电价进行需求侧响应。从福利经济学角度思考，研究的目标是使整个社会福利最大化，同时要考虑电力供应商供电的稳定性以及工业用户用电对环境造成的影响。

实时电价能反映电力的短期生产成本以及电量信息。将1天作为一个用户用电周期（T），同时将这个用电周期分为t个时段，即T={1，2，3……t}。终端用户（C）主要分为两类：普通居民用户（Cr）和工业用户（Ci）。现在考虑有n个普通居民用户和m个工业用户，即Cr={1，2，3……n}，Ci={1，2，3……m}，C={Cr，Ci}。

（一）终端用户侧——效用最大化

1.效用函数U（x）。效用是消费者度量消费商品对自己的需求、欲望的满足程度。

二是工业用户n∈Ci所用电量相对较大，能源储存设备和可替代能源电器相对于庞大的工业用电可以忽略不计。为了便于研究，假设工业用户只含有弹性电器设备和无弹性电器设备。同时，工业用户用电过程中会对周围环境造成不良影响，根据福利经济学中科斯定理，可以对工业用户征收一定的庇古税，从而抵消工业用户用电过程中对外部环境产生的负的外部效应。

工业用户用电过程对环境造成负的外部效应可以平均到每一单位的用电量上。因此，要对每一单位的工业用电量征收一定的从量税，才能抵消用电过程中的负的外部效应。每个行业根据用电过程中对环境造成影响不同，可以征收不同税率的从量税，在本文研究中，我们假设每一单位的从量税为θ。