CN111062506A - 一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，它包括：Step1、根据FCM模糊隶属度函数制定分时电价峰段、平段和谷段；Step2、对峰谷时段的起始时间和终止时间进行修正；Step3、根据消费者心理学建立用户电价电量响应行为模型；Step4、建立约束条件以保障各主体的利润，以用户满意度和电网收益最大化为目标优化得到分时电价时段划分结果和峰平谷电价；本发明在制定分时电价时段划分时考虑用户电价电量响应行为，与直接根据FCM模糊聚类分析方法划分时段相比，该模型更能针对负荷特性激励用户响应分时电价，促使用户响应曲线更加平滑，进一步降低调峰成本，提高社会福利。

Description

一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法。

背景技术

分时电价作为一种基于价格的需求响应方式，引导用户调整用电行为，减少高峰时段用电，能有效缓解电力供需矛盾，提高负荷率，促进风光等新能源消纳。其中由于峰、平、谷电价相差较大，时段划分直接影响到用户的电费支出和电网的收益。故为保证电网、用户利益不受损，更有效地发挥分时电价作用，时段划分尤为重要。

目前国内外分时电价时段划分普遍实行峰段、平段、谷段三段制，部分国家和地区实行峰谷、平谷两段制，为了更有效地刺激用户响应分时电价，有些地方在高峰时段基础上推行尖峰电价。传统时段划分模型根据模糊数学原理对负荷曲线进行数值分析，在设定的时段制下，仅考虑每单位时间负荷的大小，划分出各时间对应的时段，能精准区分各时段负荷对应的类型，但忽略了时段划分与用户行为、电价的关系，分时电价优化范围受限，“削峰填谷”效用不能达到最佳。为此有学者提出了基于用户响应的分时电价时段划分模型，通过响应度属性指标对模糊聚类形成的模糊隶属度进行修正，制定适应用户响应行为的峰、平、谷时段，但该方法只适用于已实行分时电价的地区。

与分时电价时段划分结果一样，电价制定亦直接影响到分时电价实施效果。为此，许多学者深入研究了电价对用户用电行为的影响，其中主要有三种用户行为分析方法。一种是根据统计学原理，分析以往分时电价实行前后负荷数据，拟合得到用户电价电量关系曲线。一种是通过建立电价电量弹性系数矩阵分析用户在不同时段电价下用户的电量调整行为。一种是根据消费者心理学，分析用户对电价的敏感性得到用户调整电量与电价差的分段线性关系；而采用这些技术由于没有考虑用户电价电量等技术指标的影响因此不能针对负荷特性激励用户响应分时电价，促使用户响应曲线更加平滑，进一步降低调峰成本，提高社会福利等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，在制定分时电价时段划分时考虑用户电价电量响应行为，与直接根据FCM模糊聚类分析方法划分时段相比，该模型更能针对负荷特性激励用户响应分时电价，促使用户响应曲线更加平滑，进一步降低调峰成本，提高社会福利。

本发明采取的技术方案为：

一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，它包括：

Step1、根据FCM模糊隶属度函数制定分时电价峰段、平段和谷段；

Step2、对峰谷时段的起始时间和终止时间进行修正；

Step 3、根据消费者心理学建立用户电价电量响应行为模型；

Step 4、建立约束条件以保障各主体的利润，以用户满意度和电网收益最大化为目标优化得到分时电价时段划分结果和峰平谷电价；

step1所述制定分时电价峰段、平段和谷段的方法包括：

S101、设待分类数据样本为{X₁,X₂,...,X_N}，分类数为C，则模糊聚类目标函数为：

其中

式中：

分别为第k次迭代中样本X_j与聚类中心V_i ^(k)的模糊隶属度和中心欧式距离，V_i ^(k)为第k次迭代后的第i个聚类中心的结果，m为隶属度的加权系数；

S102、约束条件为：

S103、给定样本为Nt单位时间负荷数据{Q₁,Q₂,...,Q_Nt},初始化

V_i ⁽⁰⁾、

通过不断迭代，直到满足

其中ε为给定值，最后得到各聚类中心和所有负荷数据与各聚类中心的模糊隶属度，当负荷Q_j与聚类中心V_i的隶属度最大，则时间j属于分类i。

Step2所述对峰谷时段的起始时间和终止时间进行修正的方法包括：

S201、设定待优化变量

分别为时段u的起始时间点左移时间值和终止时间点右移时间值，

则分别为时段v的起始时间点左移时间值和终止时间点右移时间值；

S202、假设传统方法的时段划分结果为

对各时段起始时间、终止时间进行修改，则修改后的时段划分结果为

其中，

为平时段中的一段，

为峰时段或谷时段中的一段

S203、为了避免时段划分结果变化过大，使得用户响应行为过程偏离实际，优化后的峰、平、谷时段分布结构不变，对峰、谷时段的起点和终点时间的变化程度进行约束：

S204、对传统时段划分结果进行优化。

所述建立用户电价电量相应行为模型的方法包括：

S301、根据消费者对产品价格变化调整购买行为从而建立电力用户对价格的响应行为曲线；当价格变化没有超过阀值时，用户不对各时段用电量作出调整，随着电价差超过阈值时，用户开始响应分时电价，即从死区OA到线性区AB，在线性区中用户响应程度与电价差简化为线性关系，当电价信号达到饱和区初始值时，电力消费者对价格响应能力开始饱和，用户对电价差的上升的响应不再变化；

S302、定义用户电价电量响应行为为实行分时电价后用户从高电价时段转移到低电价时段的电量与高电价时段的电量之比，即

式中：时段H相对时段L为高电价时段，Q_H为时段H的用电量，ΔQ_HL为用户从时段H转移到时段L的电量；Δp_HL为时段H与时段L的电价差值；k_HL为线性区斜率；α_HL、β_HL分别为电价信号差别阈值和饱和区初始值。

S303、推导得到实施分时电价后各时段的用电量：

式中：Q_ij,0、Q_ij分别为实施分时电价前后用户i在时间j的用电量，Q_p、Q_f分别为峰时段、平时段用电量，N_p、N_f、N_v分别为峰、平、谷时段对应的时间数，T_p、T_f、T_v分别为峰时段、平时段、谷时段。

step4所述建立约束条件以保障各主体的利润，以用户满意度和电网收益最大化为目标优化得到分时电价时段划分结果和峰平谷电价的方法包括：

S401、以电网收益和用户福利的加权和为目标函数：

min u＝ε₁F_G+ε₂F_C

F_C＝γ₁F_C1+γ₂F_C2

式中：F_G为电网收益相对变化量，P_G，0、P_G分别为实施实施分时电价前后电网收益；F_C为实施分时电价后用户综合满意度，由用户电费支出满意度F_C1和用电方式满意度F_C2分别以一定权重体现出来；ε₁、ε₂、γ₁、γ₂均为权重系数，其中ε₁+ε₂＝1、γ₁+γ₂＝1；

P_G＝P_C-P_d-P_m

式中：P_C、P_m、P_d依次为实施分时电价后用户用电费用、电网向发电厂购电的固定成本、因发电厂调峰费用电网购电成本的增加量；

S402、根据发电厂的运行成本确定电网的购电成本

发电厂每小时的调峰成本定义为该时段负荷相对前一时段负荷的变化量的平方乘以一定系数：

式中：Q_j为时段j所有用户的用电量,k_d为调峰成本系数，Nt为负荷数据采集样本数；

电网固定购电成本为：

式中：k_m为电网向发电厂固定购电成本系数；

S403、确定用户满意度影响因素

用户用电满意度受用户用电调整幅度和费用变化的影响，用户电费支出满意度取决于用户的电费支出相对变化量,具体定义如下：

式中：

P_i ^C分别为实施分时电价前后用户i的用电费用，ω为使得用户电费支出满意度增加1的电费下浮比例，

为用户i电费支出满意度在全体用户电费支出满意度的占比，其中

用电方式满意度定义为平均每单位时间实施分时电价前后用电量相对变化值：

式中：Q_ij,0、Q_ij分别为用户i实施分时电价前后在时段j的用电量，η_i为用户i电费支出满意度在全体用户用电方式满意度的占比，其中

S404、形成约束条件

(1)各主体收益约束

分时电价政策的推行，应保证电网利益不受损，用户的用电费用不增加：

P_G≥P_G，0

(2)用电总量不变

实行分时电价后，用户短期内用电量基本不变

(3)电价比约束

为防止电价比不合理，导致“移峰”、“移谷”现象产生，电价比约束为：

式中，p_p、p_f、p_v分别为实施分时电价后峰段、平段、谷段的电价，p_r为实施分时电价前统一目录电价。N_min,j、N_max,j为给定值，其中j＝1,2,…,5。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出的分时电价决策方法，通过对传统分时电价时段划分结果进行峰段、谷段起始时间和终止时间以及分时电价同时进行优化，根据用户响应行为得到最优的时段划分结果和分时电价，能够反映负荷特性和用户电价电量响应行为过程，使得实行分时电价后负荷曲线更加平滑，调峰费用减少，社会福利进一步得到提升。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为电力用户对价格的响应行为曲线；

图3为本发明实施例中的各类型用户日负荷曲线；

图4为本发明实施例中的时段划分结果；

图5为本发明实施例中的社会用电负荷曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参阅图1，本发明实施例的一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定模型的流程图，具体步骤如下：

Step1、根据FCM模糊隶属度函数制定分时电价峰段、平段、谷段

S101、设待分类数据样本为{X₁,X₂,...,X_N}，分类数为C，则模糊聚类目标函数为：

其中

式中：

分别为第k次迭代中样本X_j与聚类中心V_i ^(k)的模糊隶属度和中心欧式距离，V_i ^(k)为第k次迭代后的第i个聚类中心的结果，m为隶属度的加权系数。

S102、约束条件为：

S103、给定样本为Nt单位时间负荷数据{Q₁,Q₂,...,Q_Nt},初始化

V_i ⁽⁰⁾、

通过式(2-4)不断迭代，直到满足

其中ε为给定值，最后得到各聚类中心和所有负荷数据与各聚类中心的模糊隶属度，当负荷Q_j与聚类中心V_i的隶属度最大，则时间j属于分类i。

Step2、对峰谷时段的起始时间和终止时间进行修正

S201、设定待优化变量

分别为时段u的起始时间点左移时间值和终止时间点右移时间值，

则分别为时段v的起始时间点左移时间值和终止时间点右移时间值；

S202、假设传统方法的时段划分结果为

对各时段起始时间、终止时间进行修改，则修改后的时段划分结果为

其中，

为平时段中的一段，

为峰时段或谷时段中的一段

S203、为了避免时段划分结果变化过大，使得用户响应行为过程偏离实际，优化后的峰、平、谷时段分布结构不变，对峰、谷时段的起点和终点时间的变化程度进行约束：

S204、在优化传统时段划分结果时，为了使分时电价效果最优，时段划分目标函数改为与基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定模型的目标一致。

Step 3、根据消费者心理学建立用户电价电量响应行为模型

S301、根据经济学原理，消费者会对产品价格变化调整购买行为，从而建立电力用户对价格的响应行为曲线，如图2所示，当价格变化不明显时，用户不对各时段用电量作出调整，随着电价差增加到某个值(即差别阈值)时，用户开始响应分时电价，即从死区OA到线性区AB，在线性区中用户响应程度与电价差简化为线性关系，当电价信号达到饱和区初始值时，电力消费者对价格响应能力开始饱和，用户对电价差的上升的响应不再变化；

S302、定义用户电价电量响应行为为实行分时电价后用户从高电价时段转移到低电价时段的电量与高电价时段的电量之比，即

式中：时段H相对时段L为高电价时段，Q_H为时段H的用电量，ΔQ_HL为用户从时段H转移到时段L的电量；Δp_HL为时段H与时段L的电价差值；k_HL为线性区斜率；α_HL、β_HL分别为电价信号差别阈值和饱和区初始值。

S303、推导得到实施分时电价后各时段的用电量：

式中：Q_ij,0、Q_ij分别为实施分时电价前后用户i在时间j的用电量，Q_p、Q_f分别为峰时段、平时段用电量，N_p、N_f、N_v分别为峰、平、谷时段对应的时间数，T_p、T_f、T_v分别为峰时段、平时段、谷时段。

Step 4、建立约束条件以保障各主体的利润，以用户满意度和电网收益最大化为目标优化得到分时电价时段划分结果和峰平谷电价

S401、以电网收益和用户福利的加权和为目标函数：

min u＝ε₁F_G+ε₂F_C (13)

式中：F_G为电网收益相对变化量，P_G，0、P_G分别为实施实施分时电价前后电网收益；F_C为实施分时电价后用户综合满意度，由用户电费支出满意度F_C1和用电方式满意度F_C2分别以一定权重体现出来；ε₁、ε₂、γ₁、γ₂均为权重系数，其中ε₁+ε₂＝1、γ₁+γ₂＝1。

其中

P_G＝P_C-P_d-P_m (17)

式中：P_C、P_m、P_d依次为实施分时电价后用户用电费用、电网向发电厂购电的固定成本(发电厂平稳发电时的固定成本)、因发电厂调峰费用电网购电成本的增加量(发电厂因负荷波动导致的调峰成本)，即本文电网购电成本为发电厂的发电成本

S402、根据发电厂的运行成本确定电网的购电成本

发电厂每小时的调峰成本定义为该时段负荷相对前一时段负荷的变化量的平方乘以一定系数：

式中：Q_j为时段j所有用户的用电量,k_d为调峰成本系数，Nt为负荷数据采集样本数。

电网固定购电成本为：

式中：k_m为电网向发电厂固定购电成本系数。

S403、确定用户满意度影响因素

用户用电满意度主要受用户用电调整幅度和费用变化的影响，其中用户电费支出满意度取决于用户的电费支出相对变化量,具体定义如下：

式中：

P_i ^C分别为实施分时电价前后用户i的用电费用，ω为使得用户电费支出满意度增加1的电费下浮比例，

为用户i电费支出满意度在全体用户电费支出满意度的占比，其中

用电方式满意度定义为平均每单位时间实施分时电价前后用电量相对变化值：

式中：Q_ij,0、Q_ij分别为用户i实施分时电价前后在时段j的用电量，η_i为用户i电费支出满意度在全体用户用电方式满意度的占比，其中

S404、形成约束条件

(1)各主体收益约束

分时电价政策的推行，应保证电网利益不受损，用户的用电费用不增加：

P_G≥P_G，0 (20)

(2)用电总量不变

实行分时电价后，用户短期内用电量基本不变

(3)电价比约束

为防止电价比不合理，导致“移峰”、“移谷”现象产生，电价比约束为：

式中，p_p、p_f、p_v分别为实施分时电价后峰段、平段、谷段的电价，p_r为实施分时电价前统一目录电价。N_min,j、N_max,j为给定值，其中j＝1,2,…,5。

应用案例

本文算例中，参照贵州电网目前电价政策，在实施分时电价前各类型用户的电价均为统一目录电价，大工业、一般工商业、居民用户的电价分别为0.55、0.72、0.46元/kW·h。

表1用户行为参数

各类型用户的负荷曲线如图3所示，其中为更精确制定峰平谷时段，负荷每0.5h采取数据样本一次。因为基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定模型(下称时段划分优化模型)与基于传统FCM时段划分的分时电价决策模型(下称传统时段划分模型)制定的时段分布一致，时段划分变化不大，故分时电价机制下用户电价电量响应行为参数基本相同，如表1所示。

通过传统时段划分模型、时段划分优化模型对社会负荷曲线的时段划分结果如图3所示，两种模型的时段划分结果相近，出现时段调整的时间点都是在时段变化节点处，相对传统时段划分模型，时段划分优化模型峰段、平段时段数均少了半小时，谷段时段数多了一小时。

通过表2可明显看出两种模型优化电价结果基本一致，根据时段划分优化模型中峰段、平段、谷段的电价，分析可得大工业用电电价比为3.59:2.35:1，一般工商业电价比为2.64：2.02：1，居民用电电价比为2.82：2.28：1，各类型用户的电价比结果均与某些已实施分时电价省份电价政策相接近，电价结果合理。

实行分时电价后，各主体获利情况如表3所示，时段划分优化模型分时电价机制下各电力用户电费支出均减小，电网利润增加，其中一般工商业获益最大，这是因为其统一目录电价最高，实施分时电价后获利空间大。相对传统时段划分模型，时段划分优化模型除了一般工商业获利略微下降外，其他主体的效益均大幅增加，其中大工业和居民效益增加的原因为两种模型的电价结果基本一致，但时段划分优化模型中的峰段、平段时间数均少了半小时，用户有半小时的高峰电价转为平段电价，半小时的平段电价转为低谷电价，平均电价降低。

表2分时电价优化结果

单位：元/kW·h

另外，相对传统时段划分模型，时段划分优化模型中社会福利增加了60.62％，整体效益得到大幅提升。

表3实行分时电价后各主体收支对比

实行分时电价后，各电力用户满意度如表4所示，两种电价方案下各用户主体满意度均大于1，表明各用户主体都能接受这两种电价机制，其中一般工商业在两种机制下的满意度相接近，大工业和居民用户的满意度则明显在时段划分优化模型分时电价政策下高，用户整体更倾向于后一种方案。

表4分时电价机制下用户满意度

实行分时电价后，在不同的时段划分、峰谷电价结果下，各用户的响应行为均有所不同，由于篇幅关系，只对社会用电负荷进行分析。通过图5分析可得，两种模型分时电价机制下“削峰填谷”作用明显，但相对传统模型，时段划分优化模型分时电价政策下，社会用电负荷曲线更为平滑，所需调峰成本更少，使得用户电费支出进一步降低情况下，电网利润仍有提升空间。

另附其他参数表：

表5目标函数参数

表6约束条件参数

Claims (5)

1.一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，它包括：

Step1、根据FCM模糊隶属度函数制定分时电价峰段、平段和谷段；

Step2、对峰谷时段的起始时间和终止时间进行修正；

Step3、根据消费者心理学建立用户电价电量响应行为模型；

Step4、建立约束条件以保障各主体的利润，以用户满意度和电网收益最大化为目标优化得到分时电价时段划分结果和峰平谷电价。

2.根据权利要求1所述的一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，其特征在于：step1所述制定分时电价峰段、平段和谷段的方法包括：

S101、设待分类数据样本为{X₁,X₂,...,X_N}，分类数为C，则模糊聚类目标函数为：

其中

式中：

分别为第k次迭代中样本X_j与聚类中心V_i ^(k)的模糊隶属度和中心欧式距离，V_i ^(k)为第k次迭代后的第i个聚类中心的结果，m为隶属度的加权系数；

S102、约束条件为：

S103、给定样本为Nt单位时间负荷数据{Q₁,Q₂,...,Q_Nt},初始化

V_i ⁽⁰⁾、

通过不断迭代，直到满足

其中ε为给定值，最后得到各聚类中心和所有负荷数据与各聚类中心的模糊隶属度，当负荷Q_j与聚类中心V_i的隶属度最大，则时间j属于分类i。

3.根据权利要求1所述的一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，其特征在于：Step2所述对峰谷时段的起始时间和终止时间进行修正的方法包括：

S201、设定待优化变量

分别为时段u的起始时间点左移时间值和终止时间点右移时间值，

则分别为时段v的起始时间点左移时间值和终止时间点右移时间值；

S202、假设传统方法的时段划分结果为

对各时段起始时间、终止时间进行修改，则修改后的时段划分结果为

其中，

为平时段中的一段，

为峰时段或谷时段中的一段

S203、为了避免时段划分结果变化过大，使得用户响应行为过程偏离实际，优化后的峰、平、谷时段分布结构不变，对峰、谷时段的起点和终点时间的变化程度进行约束：

S204、对传统时段划分结果进行优化。

4.根据权利要求1所述的一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，其特征在于：所述建立用户电价电量相应行为模型的方法包括：

S301、根据消费者对产品价格变化调整购买行为从而建立电力用户对价格的响应行为曲线；当价格变化没有超过阀值时，用户不对各时段用电量作出调整，随着电价差超过阈值时，用户开始响应分时电价，即从死区OA到线性区AB，在线性区中用户响应程度与电价差简化为线性关系，当电价信号达到饱和区初始值时，电力消费者对价格响应能力开始饱和，用户对电价差的上升的响应不再变化；

S302、定义用户电价电量响应行为为实行分时电价后用户从高电价时段转移到低电价时段的电量与高电价时段的电量之比，即

式中：时段H相对时段L为高电价时段，Q_H为时段H的用电量，ΔQ_HL为用户从时段H转移到时段L的电量；Δp_HL为时段H与时段L的电价差值；k_HL为线性区斜率；α_HL、β_HL分别为电价信号差别阈值和饱和区初始值。

S303、推导得到实施分时电价后各时段的用电量：

式中：Q_ij,0、Q_ij分别为实施分时电价前后用户i在时间j的用电量，Q_p、Q_f分别为峰时段、平时段用电量，N_p、N_f、N_v分别为峰、平、谷时段对应的时间数，T_p、T_f、T_v分别为峰时段、平时段、谷时段。

5.根据权利要求1所述的一种基于用户行为的分时电价时段划分和价格制定方法，其特征在于：step4所述建立约束条件以保障各主体的利润，以用户满意度和电网收益最大化为目标优化得到分时电价时段划分结果和峰平谷电价的方法包括：

S401、以电网收益和用户福利的加权和为目标函数：

minu＝ε₁F_G+ε₂F_C

F_C＝γ₁F_C1+γ₂F_C2

式中：F_G为电网收益相对变化量，P_G，0、P_G分别为实施实施分时电价前后电网收益；F_C为实施分时电价后用户综合满意度，由用户电费支出满意度F_C1和用电方式满意度F_C2分别以一定权重体现出来；ε₁、ε₂、γ₁、γ₂均为权重系数，其中ε₁+ε₂＝1、γ₁+γ₂＝1；

P_G＝P_C-P_d-P_m

式中：P_C、P_m、P_d依次为实施分时电价后用户用电费用、电网向发电厂购电的固定成本、因发电厂调峰费用电网购电成本的增加量；

S402、根据发电厂的运行成本确定电网的购电成本

发电厂每小时的调峰成本定义为该时段负荷相对前一时段负荷的变化量的平方乘以一定系数：

式中：Q_j为时段j所有用户的用电量,k_d为调峰成本系数，Nt为负荷数据采集样本数；

电网固定购电成本为：

式中：k_m为电网向发电厂固定购电成本系数；

S403、确定用户满意度影响因素

用户用电满意度受用户用电调整幅度和费用变化的影响，用户电费支出满意度取决于用户的电费支出相对变化量,具体定义如下：

式中：

P_i ^C分别为实施分时电价前后用户i的用电费用，ω为使得用户电费支出满意度增加1的电费下浮比例，

为用户i电费支出满意度在全体用户电费支出满意度的占比，其中

用电方式满意度定义为平均每单位时间实施分时电价前后用电量相对变化值：

式中：Q_ij,0、Q_ij分别为用户i实施分时电价前后在时段j的用电量，η_i为用户i电费支出满意度在全体用户用电方式满意度的占比，其中

S404、形成约束条件

(1)各主体收益约束

分时电价政策的推行，应保证电网利益不受损，用户的用电费用不增加：

P_G≥P_G，0

(2)用电总量不变

实行分时电价后，用户短期内用电量基本不变

(3)电价比约束

为防止电价比不合理，导致“移峰”、“移谷”现象产生，电价比约束为：

式中，p_p、p_f、p_v分别为实施分时电价后峰段、平段、谷段的电价，p_r为实施分时电价前统一目录电价。N_min,j、N_max,j为给定值，其中j＝1,2,…,5。

Images