我国用户侧分时电价模型研究现状和展望

我国用户侧分时电价模型研究现状和展望

黄向宇

中南大学商学院，410083

E-mail：Xyhuang@https://www.360docs.net/doc/b110767097.html,

摘要：用户端分时电价是我国电力市场化改革过渡期的必然选择，在电力资源配置方面起到了积极的作用。文章阐述了分时电价的经济学原理，归纳和比较了我国销售端分时电价模型研究成果，分析了当前分时模型存在的不足以及下一步研究的重点和难点，在此基础上提出了运用系统动力学建立销售端分时电价模型的建议，以求完善分时电价运行机制，由分时电价向实时电价转变。

关键词：分时电价；实时电价；需求侧管理；系统动力学

1 引言

作为电价形成机制一部分的销售电价，是电价最终环节，它不仅传递了上网电价信息和输配电价信息，同时由于电力工业是国民经济的基础产业，销售电价的制定要从总的社会资源最优配置的角度出发，综合考虑电价对供电企业的影响以及对需求侧各类用户的影响【1】。从理论上讲，实行实时电价最有可能实现社会效益最大，可以最好地发挥电价对资源的有效配置，但这需要有复杂而精密的测量、通讯和管理技术。目前我国对于电价的变化、电力生产和使用还缺乏有效的控制手段，在市场环境中运行电力系统还需积累经验，实行用户实时电价的条件还不具备，用户分时电价是我国电力市场化改革过渡期的必然选择，待日后条件成熟后再逐步过渡到实时电价【2】。中国自80年代开始推行峰谷分时电价，当前，大部分电网对大用户已经实行了峰谷分时电价，取得了相当的效益，但在运行过程中还存在峰谷价差小、时段划分长且缺乏灵活性及实施范围窄等不足，分时电价模型有待进一步完善。

本文阐述了分时电价经济原理，对我国销售端分时电价模型研究成果进行了归纳和比较，分析了当前分时模型存在的不足以及下一步研究的重点和难点，在此基础上提出了用系统动力学建立销售端分时电价模型的新的建模方法。

2分时电价理论基础

用户在不同时段用电包含的固定成本的同，分时电价据此对不同的用电时间来采取不同的电价，以刺激用户来采取相应的措施，做出恰当的反应。通过发挥价格杠杆作用而实现移峰填谷的目的，缓解峰期用电紧张局面，挖掘低谷电力市场，提高设备

-1-

使用率减少机组启停次数，延缓新的电力投资，从而提高电能的社会效益。

分时电价以均衡价格为理论依据，有利于运用价格机制均衡电力负荷，实现电力

资源优化配置。就电力短期供给和需求而言，在某一时点，电力生产成本、物价指数、

季节变化、政策变动等因素的影响视为既定，电价便成为调节负荷率、促进资源优化

配置的唯一因素。

P(电价

C

)

D

P P

P 0

P v O

图1 峰谷电力需求曲线图

如上图所示，当实行单一制电价时，电价为P 0，在用电高峰期，它不能满足用电紧

张局面，形成了Q P - Q 0大小的用电缺口，此时在不考虑行政措施的利益不合理分配的情

况下，用户效益为四边形CP 0EP 的面积，在低谷时期，产生了Q 0 – Q V 大小的用电剩余，

此时用户的效益为三角形DP 0A 的面积。若执行峰谷分时电价制，在高峰期将价格上调

至P P ，这样不见填补了Q 0Q P 的电量空缺，而且使四边形P P P 0EP 面积大小的用户效益转

化为电力部门利润，这较符合当前我国电力仍薄弱环节的国情，而在低谷期将电价下

调为P V,,显然由于电价刺激了用电量的增加而消除P 0电价产生的过剩，并使用户效益提

高，从而大大提高了社会效益[4]。

3 分时电价模型研究综述

分时电价在我国大部分地区等地进行了试点，并取得了相当的效益。许多学者将

供求理论、成本理论、均衡理论、弹性理论、效用论、对策论、帕累托优化理论等经

济学理论与分时电价模型相结合，对分时电价模型展开了深入研究。

3.1基于会计成本的分时电价研究

金武、陈芸（1995）根据峰谷时段电能成本的不同，应用主从对策论以供电者为

对策中的主方，设计诱导策略引导对策的从方用户，使其峰谷用电量正好最优化供电者的目标函数【3】。讨论针对单个用户的分时电价设计问题，也没有考虑用户响应问题，不具有普遍性和可行性，但它提出的分时电价的思路和方法是适用的。

王冶华、李扬（2000）用全年的平均电价作为平段电价，继而用对平段电价适当调整的方法确定峰谷电价建立数学模型【4】，得出了由峰谷电量比和峰平电价比或平谷电价比确定峰谷电价比的定价策略。但此模型局限于在峰谷电价中反应生产成本的问题，电价计算的前提是有确定的负荷曲线，不考虑定价后负荷曲线的变动。事实上，电价对负荷存在控制作用，用户负荷将随着电价变化而变化，同时又反过来影响电价。因此，在此模型基础上做出了改进【5】，提出了用户响应度模型，指出生产班制、电费支出比例、电价结构等因素为影响用户响应度的主要因素；同时指出现行峰谷电价固定，若用户响应，则供电利益受损，电力系统运行将偏离预期目标。

3.2 目标规划在分时电价模型中的应用

汤玉东、吴军基、邹云等从2000年开始基于DSM①总目标用目标规划模型对分时电价做了一系列的研究。应用福利经济学帕累托优化理论以最小化最大负荷为目标函数，以供需双方帕累托优化为约束条件建立目标规划模型，涉及到了用户响应的概念，为解决电力系统的运行偏离预期的最优方式的问题提供了一条思路【6】；同时还采用半梯形隶属函数来确定分时时段【7】。但上述模型中仍然以年平均电价作为平值段电价，对平值段电价的确定没有进行研究，在此电价体系下的电力系统可能处于局部最优状态，而没有达到全局最优状态。为此，继续展开了确定平值段电价的研究，文[8]把平值段电价作为一个变量引入优化目标函数，通过求解这个优化问题可得到平值段电价。文[9]通过MCP计算的平均电价购电费用来确定平时段电价，同时根据消费心里学知识确定用户对不同时段电价的反应，改进了用户反应函数，从一个可行途径将分时电价市场化。与此同时，王先甲、罗荣桂（2002）也考虑了用二层多目标决策模型来制定分时电价【10】。首先用效用函数描述电力的用户消费倾向，根据消费者按效用函数极大原则选择电力消费，确定用户对不同分时电价的不同反应，电力生产者根据这些反应以电力生产企业效益增量极大化为目标制定分时电价。采用目标规划建模的还有陈星莺、薛必克（2003），他们的模型以电力公司运营收益最大化为目标，以电能供需、发电边际成本、机组出力、抽水蓄能和电网功率平衡为约束条件，模型的优化变量为售电电价、购电量、上网电量和发电量等参数，在求得售电电价的同时也求得了电力公司的运行方式，具有较好的实用性和可操作性。

① DSM(Demand Side Management)，需求侧管理，对稀缺性资源进行管理的一种新概念，由于这种管理方法在电力方面广泛而成功应用，人们一般都能把DSM理解为电力需求侧管理。

3.3 向实时电价过渡的分时电价模型

上述分时电价模型是基于峰（平）谷负荷来划分时段的，与此不同，马金鸣（2002）提出了把电价更新周期设为一天，每天划为24个时段的分时电价优化模型【12】。模型以社会利润最大划为目标，按库恩-塔克(Kuhn-Tucker)的最优必要条件,用拉格朗日乘子法求得电价。本文提出的定价方法是向实时电价过渡的一种定价方法。

3.4考虑用户用电特性的分时电价模型

上述模型只考虑了用户负荷分时特性未考虑用户用电的其它特性，下述两类模型综合考虑了用户的分时特性与用电特性。陈宇晨、侯志俭（2003）给出了由用户节点电价、分时电价和特征电价构成的电价模型【13】，用市场敏感函数来描述不同用户对电价变化的承受能力，引入先购电、后用电的机制，综合考虑了各方面因素对电价的影响，但对用户特征电价并未提出具体的计算方法。夏清、黄永皓（2004）提出了一个考虑负荷分类和用电特性的分时电价决策方法【14】，特别计及了不同用户的负荷率、供电电压等级、负荷形状、可靠性要求等因素，进一步完善了分时电价模型。

3.5 考虑上网侧与销售侧分时电价联动的分时电价模型

实施峰谷分时电价的意义在于减少高峰备用装机容量、节省社会资源以及减少机组启停，降低发电成本。因此，实施销售峰谷分时电价的主要受益者是各电厂而非电网公司，但目前实施峰谷分时电价的投入由电网和销售部门承担，同时为保证用户参与积极性，供电企业通常不允许提高终端用户的平均电价水平以增加其利润，所以实施销售峰谷电价造成了销售侧和上网侧之间的利益不平衡【13】。下述文献开始涉及电价联动理论。

曾鸣、刘敏（2003）在原有分时电价模型基础上，综合分析实施分时电价的用户侧、销售侧和上网侧效益，提出了考虑销售侧电价和上网电价联动关系峰谷分时电价双目标规划改进模型【15】，但其中上网电价水平是从电厂总体角度考虑，便于对销售侧收益和电网整体上网电价水平的研究，不利于各类型机组的出力变动、启停费用和可免容量费用收益分摊进行分析。段登伟、刘俊勇（2005）分析指出在电力市场初期，实行实时零售电价还不能为多数用户所接受，应借助分时电价方法实现零售电价与批发电价联动，并提出应以购电成本或批发市场电价曲线（区别于上述分时模型的负荷曲线）作为划分时段的依据，但并未就此深入研究可行的方法。全文以风险问题和分时电价问题的研究为基础，确定配电公司兼顾收益和风险的效用函数，并以此效用函数最大化为目标，以负荷弹性、分时电价上、下限为约束条件，建立了计及风险的最优分时零售电价模型【16】。

4 急需解决的关键问题

综上，经济学家运用微观经济学理论对分时电价的研究主要集中在电价结构、用户响应、各方利益均衡等方面，图2给出了微观经济理论与分时电价理论研究的关系。

实行分时电价，能引导用户合理用电，优化资源配置。它对提高电力系统负荷率和发电设备的利用率，充分发挥夜间的供电能力，缓解高峰用电紧张局面，减少供电容量成本均可起到明显的作用。但目前分时电价在运行过程中还存在峰谷价差小、时段划分长且缺乏灵活性及实施范围窄等不足，分时电价模型有待进一步完善。分时电价下一步研究重点和难点涉及以下几方面内容：

图2 微观经济理论与分时电价研究的关系

实行分时电价，能引导用户合理用电，优化资源配置。它对提高电力系统负荷率和发电设备的利用率，充分发挥夜间的供电能力，缓解高峰用电紧张局面，减少供电容量成本均可起到明显的作用。但目前分时电价在运行过程中还存在峰谷价差小、时段划分长且缺乏灵活性及实施范围窄等不足，分时电价模型有待进一步完善。分时电价下一步研究重点和难点涉及以下几方面内容：

4.1定价原则

在制定电价时，既要遵循市场经济规律，也要考虑我国电力工业的现状与发展。《电力法》第36条规定，制定电价应坚持“合理补偿成本，合理确定收益，依法计入税金，公平负担”的原则，同时还应利于促进合理用电及合理利用资源。目前大多数峰谷分时电价的研究主要是考虑用户负荷的分时特性，通过分时电价起到削峰填谷的作用，而对涉及合理分摊成本的用户其它用电特性的考虑甚少。事实上，由于用户的负荷率、供电电压和可靠性等用电特性不同，造成同一计量单位有不同、甚至很大差别的固定成本。因此，用户用电负荷率、供电电压、可靠性等都应作为分时电价的制定依据，

分时电价的研究应与用户分类研究结合起来才能进一步完善。

4.2时段最优划分问题

在我国，除个别地方实行尖峰、高峰、平段、低谷四时段外，一般为高、平、谷三时段，上海市对居民用户实施的分时电价还只分为峰谷二时段，时段划分太长，而且每一时段电价一经确定就难以改变，缺乏灵活性，不能随时精确地使电价反映发供点成本的变化。

分时电价的主要基础之一就是适当的峰谷时段划分方法，实时电价不存在时段划分的问题。影响用户每一时刻的用电量的因素很多，从实际可操作性角度出发，电价是较好的控制对象，只有适当的峰谷时段划分才能有相应的适当的分时电价，才能起到较好的削峰填谷的效果。然而，在我国分时电价模型的研究中，很少有涉及到时段划分的研究，大多数研究的时段划分是基于日负荷曲线的特点大概估计得到的，因此其划分方法有着明显的不合理之处。由于峰谷时段的划分没有确切的数学意义，难以通过建立数学模型的方法直接得到每日的峰谷时段，可考虑采用用系统模拟仿真的方法选择最优时段划分，这也为分时电价研究提出一种新的研究方向和方法。

4.3峰谷分时电价比率问题

据有关资料显示，峰谷价差在国外可拉大到8至10倍，而我国一般为2至3倍。由于峰谷价差小，客户削峰填谷的用电积极性虽有所调动，但调动得很不充分。若峰谷分时电价比率过大，用户采取了实际行动对峰谷电价作了积极响应，将用电时间集中在电价较低的谷时段，将无法保证电力公司供电成本的回收，导致供需双方利益不均衡。目前分时电价模型中对峰谷电价比率问题的研究不多，大部分是将其作为一个外部参数变量输入模型中。事实上，峰谷电价比的确定需综合考虑峰谷电量、用户对分时电价响应及供需双方利益均衡三方面因素，是个反馈循环不断变化的动态过程。这是今后分时电价模型研究的重点也是难点所在。

4.4用户价格反应研究

掌握电力市场中电能需求随电能价格变动的规律对于合理的确定电价极为重要。在最初分时电价模型中电价计算的前提是有确定的负荷曲线，不考虑定价后负荷曲线的变动。事实上，电价对负荷存在控制作用，用户负荷将随着电价变化而变化。在不考虑负荷曲线变动的电价模型下电力系统的运行会偏离预期的最优方式。为此，秦祯芳、岳顺民（2004）利用微观经济学的需求弹性理论对电力市场中用户电价响应度进行了专门的研究【17】。根据用户对电价单一时段和多时段的两种响应形式，运用自弹性系数和交叉弹性系数公式建立了弹性矩阵，并分析了用户分类及电价分类不同所引起的弹性矩阵结构的不同，在此基础上，提出了一种弹性矩阵的简化方法。该模型能够反映当前市场中的需求规律，对分时电价的研究具有很大的参考价值。

此外，在长期市场范围内，由于供需对于价格变动响应滞后时间不同，可能导致

市场供需周期性振荡，造成市场不均衡【18】。此过程是循环（振荡稳定）、收敛（稳定）还是发散（失灵），取决于需求和供给的增长关系。

4.5各方利益均衡问题

我国目前用电市场没有开放，销售电价由政府定价。一方面，价格水平过高会抑制电力用户的用电需求，尽管作为卖方的供电公司期望较高的电价水平，但是由于市场需求被不合理的抑制，将使供电企业运营缺乏激励，导致供电企业生产效率的降低。同时，对于广大电力用户由于用电需求得不到满足，也造成社会福利的大量损失。另一方面，价格水平过低无法实现电价对市场供需关系的合理调节以及资源优化配置的职能。同时，供电企业市场化运营机制要求企业运作具有商业盈利性，而过低的销售电价水平甚至有可能无法保障供电企业的正常运转，这必然造成社会福利的大量损失。因此，如何制定合理的销售电价实现社会资源在电力用户和供电企业间的最优配置，是当前销售电价调整需要考虑的主要问题。即销售电价制定要从总的社会资源最优配置的角度出发，综合考虑电价对供电企业的影响和各类用户的影响[1]。

另外，上文已经分析了实施销售峰谷电价造成了销售侧和上网侧之间的利益不平衡，实施上网侧与销售侧峰谷分时电价联动将是以后分时电价研究的重点所在。

5 研究展望

由于电价体系本身的复杂庞大加之其制定涉及到复杂的社会问题，电价形成机制中存在各种各样的反馈控制系统，呈现出非线性、时变性和时滞等特点，目前分时电价模型的研究大部分局限于线性化模型，且无法综合考虑影响电价的各方面因素，对销售价格的研究只停留在局部或者微观层面上，未能对系统进行深入全面的解析。要全面深入研究电价经济系统，应当构造适当的模型体系。

从研究一类高阶次、多重反馈回路、高度非线性的复杂大系统和解决实际问题来看，系统动力学的理论和方法是比较成熟的【26】。系统动力学（System Dynamics，SD）是一门认识系统问题和解决系统问题交叉的综合性学科，系统动力学模型本质上是带时滞的一阶微分方程组，但是这种方法在建模时借助于流图，其中流位变量、流率变量、辅助变量等具有明确的物理（经济）意义，可以说是一种面向实际的建模方法。同时，专为其设计的通用的连续系统仿真语言VENSIM，使用方便，它备有20多种函数，包括表函数，延迟函数，阶跃函数、脉冲函数和随机函数等供选用【19】。此外，如何对系统施加政策、实现系统结构与行为的优化，是人们一直关注的问题，常规线性模型的优化技术对复杂系统政策优化问题已经无能为力，系统动力学通过变化与政策相关的系统参数甚至结构的实现政策模拟和分析，比较模拟仿真结果在设计的方案中选优，以此解决政策优化问题。

国外学者用系统动力学方法建立了美国核电站运营的动态规划模型【20】；对电力供应系统的一些典型的决定变量进行了分析【21】，对影响电力生产和供应的政策进行了

模拟分析和比较【27】；由于计算机软件工具的发展，在应用系统动力学研究电力市场方面也有了很大的进展。G.Rothwell and J.Rust（1995）， T.Hattori（2002）等对英国和日本（1985－1998）年间电力配送效用及执行情况进行了实证分析【21】；R.Weron等（2003）通过对NPEM电力市场的实证研究，构建了一个关于电力市场即时电价的MRJD（mean reverting jump diffusion）模型，该模型不但能够模拟即时价格的主要特征，而且能够用于风险管理和即时电价衍生物的定价【22】。系统动力学在国内电力领域也得到了一些应用,但是这些研究大多是从定性的角度对电力运行机制进行分析，没有从定量方面建立起一个有效的应用模型【23，24，25】；其对在电价的研究也主要集中在电价预测方面【29】。

国外实践证明，实时电价是电价市场化最佳选择，是市场经济发展的必然趋势【28】，我国也要顺应世界电力改革与市场化潮流，积极创造条件，由分时电价向实时电价转变。系统动力学具有时序性特征，用其建立分时电价模型理论上能为分时电价向实时电价过渡打下基础。

基于上述讨论，笔者认为在分时电价研究的基础上，运用系统动力学建立销售端分时电价模型是下一步研究新方向。研究可分为以下几个步骤：①分析电力市场现状及影响销售电价动力因素，确定系统边界及系统变量；②在分时电价基础上建立销售电价系统动力学模型，找出系统反馈环路和延迟机制，进行定性分析；③提取各变量参数的定量信息，对不同的政策措施确定不同的参数值进行政策分析；④评估各种稳定措施的后效，提供有效的决策支持。

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Present status and prospect of TOU power price research

to consume of china

Huang xiang yu

central south university 410083

Abstract

As a necessary choice in the interim of power market reformation, time-of-use（TOU） tariff to consumer played positive effects in power resource allocation. The paper explains the economic principle of TOU tariff, analyze its current research models in our country, then point the deficiency and emphasis in the future study. On the base, in order to perfect price forming mechanism and realize the change form TOU tariff to real-time price, give an advice of constructing the model on System Dynamic.

Keywords：power market；time-of-use（TOU） price；real-time price；Demand Side Management （DSM）；System Dynamic