一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定方法及装置与流程

本发明属于电力市场技术领域，具体涉及一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定方法，还涉及一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定装置。

背景技术：

制定分时电价作为实施需求侧管理的一种有效途径，可以提供正确的经济信号，引导用户采用合理的用电结构和方式。该技术可以在一定程度上解决峰谷差过大、负荷率过低的问题，促进电力系统的安全和经济运行，利于实现社会和资源的最优化配置。此外，分时电价的制定还有利于推进电价改革，分时电价可使电价成本降低，电价成本降低又能促进电价总额降低，从而形成良性循环。因此，如何制定合理的分时电价是电网企业亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定方法，解决现有技术中峰谷差过大、负荷率过低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定方法，包括以下过程：

基于各细分行业用户各月的日负荷数据，拟合生成各细分行业各月的典型日负荷曲线和所有细分行业各月的典型日总负荷曲线；

按照预设的评价指标，对各细分行业的典型日负荷曲线进行评价，获得各细分行业综合评价结果；

基于综合评价结果和最低收益率下的平均电价，计算得到实行分时电价前各细分行业的平均电价；

根据所有细分行业各月的典型日总负荷曲线来划分时段；

基于典型日总负荷曲线、平均电价和时段划分结果，计算得到各细分行业各月的分时电价。

进一步的，所述细分行业包括：大工业用户、大商业用户；生态工业园区、高新科技园区；小型工业用户、小型商业用户、农业用户、居民用户、政府组织、办公用户和特殊类用户。

进一步的，所述基于各细分行业用户各月的日负荷数据，拟合生成各细分行业各月的典型日负荷曲线；

从各细分行业中选取样本用户；

获取各细分行业样本用户各月的日负荷数据；

基于各细分行业样本用户各月的日负荷数据，拟合生成各细分行业各月的典型日负荷曲线。

进一步的，所述从各细分行业中选取样本用户包括：

针对各细分行业，首先选取细分行业年度用电量前10％的用户，再从细分行业剩余用户中随机抽取10％的用户，作为样本用户。

进一步的，所述基于各细分行业样本用户各月的日负荷数据，拟合生成各细分行业各月的典型日负荷曲线，包括：

各细分行业各月的典型日负荷曲线可由下式求得：

式中：lt,s(i,h)则表示细分行业t样本用户s在第i天第h个时刻的负荷；lt,s(h)表示细分行业t样本用户s在第h个时刻的典型日负荷；表示细分行业t所取样本用户的平均日用电量；l′t(h)表示细分行业t典型日负荷曲线在第h个时刻的标幺值；nm为第m个月的天数；h为日负荷曲线取点的数目；s为样本用户的数目。

进一步的，基于各细分行业用户各月的日负荷数据，拟合生成所有细分行业各月的典型日总负荷曲线，包括：

典型日总负荷曲线可由下式求得：

式中：lj(h)则表示在第i天第h个时刻的系统总负荷；l(h)表示第h个时刻的典型日总负荷；w表示系统的平均日用电量；l′(h)表示典型日负荷曲线在第h个时刻的标幺值。

进一步的，所述评价指标包括效益型评价指标和成本型评价指标，其中效益型评价指标包括用电量，成本型评价指标包括波动性、相关性和可靠性。

进一步的，所述对各细分行业的典型日负荷曲线进行评价，获得各细分行业综合评价结果，包括：

将波动性、相关性和可靠性作为下层评价指标，将用电量作为上层评价指标；

1)下层评价结果

αw+αr+αd＝1

式中：αw、αr和αd分别为波动性、相关性和可靠性对应的权重；和分别为细分行业t波动性、相关性和可靠性对应的评价指标标准值；表示从波动性、相关性和可靠性三个角度的下层评价结果；

2)上层评价结果

式中：表示基于细分行业t的用电量和下层评价结果得到的上层评价结果，即综合评价结果。

进一步的，所述基于综合评价结果和最低收益率下的平均电价，计算得到实行分时电价前各细分行业的平均电价，包括：

各细分行业平均电价的制定：

式中：为细分行业t综合评价结果的标准值；cw为标准化系数，满足0＜cw＜1，可根据实际情况人为制定；w^u为各细分行业的综合评价结果集合；细分行业t的平均电价；paver'为最低收益率下的平均电价。

进一步的，所述根据所有细分行业各月的典型日总负荷曲线来划分时段，包括：

将典型日负荷曲线的最大负荷和最小负荷间划分为三段，从大到小的负荷分段对应的时间分别为峰期、平期和谷期的时段集合时段。

进一步的，所述基于典型日总负荷曲线、平均电价和时段划分结果，计算得到各细分行业各月的分时电价，包括：

基于典型日总负荷曲线、平均电价和时段划分结果，利用分时电价制定模型，计算得到各细分行业各月的分时电价；

其中所述分时电价制定模型以最小化各月的典型日总负荷曲线的峰值和峰谷差作为目标，目标函数如下：

f＝minα1f1+α2f2

式中：f1为典型日总负荷曲线的峰值；f2为典型日总负荷曲线的峰谷差；α1和α2分别为f1和f2的对应权重；

约束条件包括电价响应约束、电费增量约束、平期电价约束和电价阈值约束，其中：

电价响应约束：

wt'(h)＝l′t(h)

wt'(h)＝wt(h){1-βt×[pt'(h)-paver']/paver'}

式中：上式用于量化细分行业用户对峰谷分时电价的响应，并根据其用电量阈值进行修正；wt(h)、wt'(h)和wt”(h)分别为实行分时电价前、实行分时电价后修正前和实行分时电价后修正后细分行业t在h时段的用电量；pt'(h)为实行分时电价后细分行业t在h时段的电价；βt为细分行业t的价格弹性系数；和分别为细分行业t在h时段用电量的最小值和最大值；

电费增量约束：

o-o′＞0

式中：o和o'分别为实行分时电价前后电力用户的购电费用，t为细分行业的数目；

平期电价约束：

o-o′＞0

电价阈值约束：

式中：cp和cv分别为用户峰期和谷期电价允许调整阈值系数。

相应的，本发明还提供了一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定装置，包括：

负荷曲线拟合模块，用于基于各细分行业用户各月的日负荷数据，拟合生成各细分行业各月的典型日负荷曲线和所有细分行业各月的典型日总负荷曲线；

负荷曲线评价模块，用于按照预设的评价指标，对各细分行业的典型日负荷曲线进行评价，获得各细分行业综合评价结果；

平均电价计算模块，用于基于综合评价结果和最低收益率下的平均电价，计算得到实行分时电价前各细分行业的平均电价；

时段划分模块，用于根据所有细分行业各月的典型日总负荷曲线来划分时段；

分时电价计算模块，用于基于典型日总负荷曲线、平均电价和时段划分结果，计算得到各细分行业各月的分时电价。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明针对用户的用电特性分别制定相应的分时电价，为各细分行业提供正确的经济信号，引导电力消费者采取合理的用电结构和方式，可以在一定程度上解决峰谷差过大、负荷率过低的问题，促进电力系统的安全和经济运行，利于实现社会和资源的最优化配置。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定方法，在综合考虑电力用户用电特性差异的条件下，从用电量、波动性、相关性和可靠性四个角度对用户负荷进行评价，基于综合评价结果以典型日总负荷曲线的峰值和峰谷差最小作为目标构建模型，为不同的电力用户制定了相应的峰期、平期和谷期电价。

实施例1

本发明的一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定方法，参见图1所示，包括以下过程：

步骤1，电力用户分类；

考虑电力用户用电特性的差异进行分类，以此为依据分别制定相应的用户侧电价，在一定程度上可以解决峰谷差大、负荷率不高的问题，还可使电能得到充分的利用，避免造成资源浪费，提高供电企业的经济效益。

本实施例中，基于用电特性的差异将电力用户划分为各细分行业，参见表1所示，将电力用户分为大用户、工业园区和一般用户三大类，再对各大类下的电力用户划分细分行业。大用户分类下的细分行业包括大工业用户、大商业用户；工业园区分类下的细分行业包括生态工业园区、高新科技园区；一般用户分类下的细分行业包括小型工业用户、小型商业用户、农业用户、居民用户、政府组织、办公用户、特殊类用户。

表1电力用户的划分结果

步骤2，各细分行业的典型日负荷曲线的拟合；

针对各细分行业分别选取样本用户，并利用各细分行业样本用户各月的日负荷数据拟合生成该细分行业各月的典型日负荷曲线，以及利用所有细分行业所有用户各月的日总负荷数据得到各月的典型日总负荷曲线。

1)样本选择

由于实际中无法直接测量某细分行业的综合汇总数据，故选用该细分行业的样本用户。针对各细分行业，首先选取细分行业年度用电量前10％的用户，再从细分行业剩余用户中随机抽取10％的用户，作为样本用户。

2)典型日负荷曲线拟合

典型日负荷曲线拟合是指利用各细分行业的样本用户各月的日负荷曲线得到典型日负荷曲线，以及利用所有行业所有用户(或称为系统)各月的日总负荷曲线得到典型日总负荷曲线。

各细分行业各月的典型日负荷曲线可由下式求得：

式中：lt,s(i,h)则表示细分行业t样本用户s在第i天第h个时刻的负荷；lt,s(h)表示细分行业t样本用户s在第h个时刻的典型日负荷；表示细分行业t所取样本用户的平均日用电量；l′t(h)表示细分行业t典型日负荷曲线在第h个时刻的标幺值；nm为第m个月的天数；h为日负荷曲线取点的数目；s为样本用户的数目。

典型日总负荷曲线可由下式求得：

式中：lj(h)则表示在第i天第h个时刻的系统总负荷；l(h)表示第h个时刻的典型日总负荷；w表示系统的平均日用电量；l′(h)表示典型日负荷曲线在第h个时刻的标幺值。

步骤3，对各细分行业的典型日负荷曲线进行评价；

为了衡量用户群体用电特性的差异，评价用电负荷对电网产生的影响，本发明从用电量、波动性、关联性和可靠性四个角度对各细分行业各月的典型日负荷曲线进行评价，为后续相应电价策略的制定提供可靠依据。

负荷曲线的具体评价指标如下：

1)用电量

各细分行业用电量的大小采用用电量占比来衡量，描述细分行业t的用电负荷对电网影响程度的大小。

式中：表示细分行业t所有用户在该月的用电量；wtotal表示所有行业所有用户该月的总用电量。

的取值范围为[0,1]，当趋于0时，表示用电量越小，对电网的影响程度越小；当趋于1时，表示用电量越大，对电网的影响程度越大。

2)波动性

采用负荷波动率来衡量负荷的波动性，描述细分行业t典型日负荷曲线波动程度的大小。定义为负荷有功功率的标准差σt与其几何均值λt之比。

式中：μt、σt和λt分别表示细分行业t典型日负荷曲线l′t(h)的算数平均值、标准差和几何均值。

的取值范围为[0,1]。当趋于0时，表示负荷波动越小；当趋于1时，表示负荷波动越大。

3)相关性

采用各细分行业的典型日负荷曲线和典型日总负荷曲线的相关系数作为相关性指标。描述细分行业t的用电负荷对电网影响性质的优劣。

式中：μ和σ分别表示典型日总负荷曲线l′的算数平均值和标准差。cov(l′t,l′)表示细分行业t典型日负荷曲线l′t和典型日总负荷曲线l′的协方差。

的取值范围为[-1,1]，其描述了细分行业t典型日负荷曲线l′t和典型日总负荷曲线l′间线性相关的程度和方向。其中，当时，表示两变量之间为正相关，会造成“峰上加峰”的现象；当时，表示两变量之间为负相关，有利于“削峰填谷”；当时，表示两变量之间不存在线性相关关系，会整体抬高负荷。

4)可靠性

按照用户对供电连续性的要求，可将供电负荷分为关键负荷、重要负荷和一般负荷。基于上述内容及对单位停电损失的调研，定义可靠性指标类别其中1代表关键负荷，2代表重要负荷，3代表一般负荷，参见表2，对各细分行业的可靠性进行评价。

表2各细分行业的可靠性评价结果

为了采用上述评价结果更好地反映用电负荷的对电网产生的影响与用电负荷间的差异性，需对上述评价结果进行标准化处理。

假设评价指标为γ，标准化系数为cγ(经验值，0＜cγ＜1)，则标准化评价指标可由下式求得：

1)效益型评价指标

效益型评价指标具有指标值越高，评价结果越好的性质，如用电量，其对应的标准化公式为：

式中：γt和分别为细分行业t评价指标的实际值和标准值；maxγ和minγ分别为所有细分行业评价指标的最大值和最小值。

2)成本型评价指标

成本型评价指标具有指标值越低，评价结果越好的性质，如波动性、相关性、对可靠性的要求，其对应的标准化公式为：

由于用电量的大小直接关系到用电负荷对电网产生的影响程度，波动性、相关性、可靠性对电网影响的大小取决于用电量。例如，当细分行业电力用户的用电量很大时，该用电负荷的波动性、相关性、可靠性都会对电网产生重大影响；而当细分行业电力用户的用电量极小时，其波动性、相关性、可靠性对电网产生的影响可忽略不计。因此，典型日负荷曲线的评价需要基于用电量对波动性、相关性、可靠性三个角度展开。因此，对前述四个角度的评价结果进行标准化后，将波动性、相关性和可靠性作为下层评价指标，将用电量作为上层评价指标，得到综合评价结果，

具体步骤如下：

3)下层评价结果

αw+αr+αd＝1

式中：αw、αr和αd分别为波动性、相关性和可靠性对应的权重；和分别为细分行业t波动性、相关性和可靠性对应的评价指标标准值；表示从波动性、相关性和可靠性三个角度的下层评价结果。

4)上层评价结果

式中：表示基于细分行业t的用电量和下层评价结果得到的上层评价结果，即综合评价结果，越趋于1，表明越有利于电网的安全经济运行；越趋于0，表明对电网安全经济运行的威胁越大。

步骤4，实行分时电价前平均电价的计算；

基于各细分行业的综合评价结果和最低收益率下的平均电价，得到实行分时电价前各细分行业的平均电价，为后续制定相应的分时电价提供可靠依据。

具体计算步骤如下：

1)最低收益率下平均电价的计算

式中：paver'为最低收益率下的平均电价；cmin为计划最低收益系数；ctotal表示月总成本，为月输电成本和月电能成本之和。

2)各细分行业平均电价的制定

式中：为细分行业t综合评价结果的标准值；cw为标准化系数，满足0＜cw＜1，可根据实际情况人为制定；w^u为各细分行业的综合评价结果集合；细分行业t的平均电价。

第一个公式的含义就是把细分行业的评价结果转化到合理范围内，评价结果最好的为cw，评价结果最差的为1。

步骤5，峰、平、谷时段的选取；

峰谷时段的划分是制定分时电价的基础之一，正确的划分峰谷时段才能起到良好的削峰填谷的效果，本发明根据各月的典型日总负荷曲线来划分峰、平、谷时段。

基于典型日总负荷曲线l′的平均负荷峰-平期划分的相关系数κp和平-谷期划分的相关系数κv将典型日负荷曲线l′的最大负荷和最小负荷间划分为三段，从大到小的负荷分段对应的时间分别为峰期、平期和谷期的时段集合时段，具体选取方法如下：

式中：和分别为典型日总负荷曲线的平均负荷、最大负荷和最小负荷；κp和κv分别为峰-平和平-谷期划分的相关系数；sp、sf和sv分别为峰期、平期和谷期的时段集合。

需要指出，在实际应用中，为了实施的方便和技术上的可行性，不宜将每时段分的过小，假设每时段应不小于2h。因此，在峰期、平期、谷期时段选取完成后，需进行检验调整。

步骤6，分时电价的制定。

基于实行分时电价前各细分行业的平均电价，以典型日总负荷曲线的峰值和峰谷差最小作为目标构建了分时电价制定模型，分别为各细分行业的电力用户制定了月度峰期、平期和谷期电价，从而提供正确的经济信号，引导电力消费者采取合理的用电结构和方式，促进电力系统的安全和经济运行，有利于实现社会资源的最优配置。

具体模型如下：

1)约束条件

a)电价响应约束

wt'(h)＝l′t(h)

wt'(h)＝wt(h){1-βt×[pt'(h)-paver']/paver'}

式中：上式用于量化细分行业用户对峰谷分时电价的响应，并根据其用电量阈值进行修正；wt(h)、wt'(h)和wt”(h)分别为实行分时电价前、实行分时电价后修正前和实行分时电价后修正后细分行业t在h时段的用电量；pt'(h)为实行分时电价后细分行业t在h时段的电价；βt为细分行业t的价格弹性系数；和分别为细分行业t在h时段用电量的最小值和最大值。

第一公式是实行分时电价后用户对峰谷分时电价的响应，第二公式是修正，因为有的细分行业可调电量会小于第一公式实际计算出来的对峰谷分时电价响应电量，因此需进行修正。

b)电费增量约束

o-o'＞0

式中：o和o'分别为实行分时电价前后电力用户的购电费用，t为细分行业的数目。

c)平期电价约束

o-o'＞0

d)电价阈值约束

式中：cp和cv分别为用户峰期和谷期电价允许调整阈值系数。

2)目标函数

本发明以最小化各月的典型日总负荷曲线的峰值和峰谷差作为目标，制定各细分行业的分时电价，值得注意的是，由于以小时为单位时段，因此用电量与负荷的取值相等。目标函数如下：

f＝minα1f1+α2f2

式中：f1为典型日总负荷曲线的峰值；f2为典型日总负荷曲线的峰谷差；α1和α2分别为f1和f2的对应权重。

由于上述优化模型为非凸优化问题，本发明中对该模型进行改进转化为凸优化问题，更便于求解。

具体改进优化模型如下：

1)基本假设

a)将决策变量转化为各细分行业的峰期、平期和谷期的电价变化量和电量变化量；

b)实行分时电价前后各细分行业的总负荷量保持不变；

c)各细分行业实行分时电价前后购电费用的增量约束可以由式paver'≤paver自动满足；

d)引入电网企业对各细分行业单位电量允许损失参数来限制电网企业针对各细分行业的让利损失。

2)目标函数

式中为细分行业t峰期电量的变化量。

3)约束条件

a)电价响应约束

式中：和分别为细分行业t平期和谷期电量的变化量；和分别为细分行业t峰期、平期和谷期电价的变化量；和分别为细分行业t峰期、平期和谷期的用电量。

b)电价阈值约束

式中：和分别为实行分时电价后峰期电价的最大值和谷期电价的最小值。

c)电量阈值约束

式中：和分别为细分行业t峰期和谷期的电量阈值系数。

d)电量守恒约束

e)让利损失约束

式中为电网企业对细分行业t的单位电量允许损失；

改进模型为线性规划问题。yalmip是一个适于求解大规模优化问题的建模平台，gurobi系能求解线性规划、二次规划、二阶锥规划和混合整数规划等问题的高效商业求解器。这里采用matlab环境下的yalmip/gurobi来求解所建立的改进模型，求解可得到各细分行业各月的峰期、平期和谷期电价。

本发明可以针对用户的用电特性分别制定相应的分时电价，为各细分行业提供正确的经济信号，引导电力消费者采取合理的用电结构和方式，可以在一定程度上解决峰谷差过大、负荷率过低的问题，促进电力系统的安全和经济运行，利于实现社会和资源的最优化配置。

实施例2

相应的，本发明的一种基于用户负荷曲线轮廓的分时电价确定装置，包括：

负荷曲线拟合模块，用于基于各细分行业用户各月的日负荷数据，拟合生成各细分行业各月的典型日负荷曲线和所有细分行业各月的典型日总负荷曲线；

负荷曲线评价模块，用于按照预设的评价指标，对各细分行业的典型日负荷曲线进行评价，获得各细分行业综合评价结果；

平均电价计算模块，用于基于综合评价结果和最低收益率下的平均电价，计算得到实行分时电价前各细分行业的平均电价；

时段划分模块，用于根据所有细分行业各月的典型日总负荷曲线来划分时段；

分时电价计算模块，用于基于典型日总负荷曲线、平均电价和时段划分结果，计算得到各细分行业各月的分时电价。

本实施例装置中各模块的具体实现，采取实施例1的实施方式。

本实施例的装置。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。