連振洲，溫步瀛，江岳文

（福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108）

我國自2003年以來，已大范圍普及和推廣峰谷分時電價。峰谷分時電價的推行有效地調(diào)節(jié)了用電峰谷差，對緩解電力緊張局面起到了重要的作用[1]。

峰谷時段的劃分和峰谷電價比價關(guān)系的確定是制定峰谷分時電價的基礎(chǔ)。文獻[2]提出用戶響應(yīng)的概念來描述電價對負(fù)荷的影響，文獻[3-4] 引入電價彈性矩陣，使得用戶對峰谷電價的響應(yīng)得到量化，推動了基于用戶響應(yīng)的峰谷電價研究，特別是為峰谷電價比價關(guān)系的研究積累了一定的成果[5-9]，甚至出現(xiàn)了一些結(jié)合新能源、新技術(shù)的電價研究[10-11]。然而由于傳統(tǒng)分時表計及其抄表系統(tǒng)的限制，一些地區(qū)的時段區(qū)間設(shè)置長年保持不變。有關(guān)峰谷時段劃分的理論研究并不多，目前已開展的時段劃分方法主要有以下2種。

1）基于供電成本變化分析。文獻[12]結(jié)合機組運行狀況建立發(fā)電成本-負(fù)荷函數(shù)，利用該函數(shù)在負(fù)荷點的突變特征來劃分峰谷時段區(qū)間。

2）基于負(fù)荷曲線分布分析。文獻[13]采用模糊半梯形隸屬度函數(shù)法，根據(jù)負(fù)荷曲線上各點分別處于峰時段和谷時段的可能性來劃分峰谷時段區(qū)間。文獻[14]通過分析負(fù)荷曲線，采用模糊聚類的方法劃分時段，提出考慮用戶需求響應(yīng)的時段劃分修正方法。

對比2種時段劃分的研究思路，基于負(fù)荷曲線分布分析的方法更能發(fā)揮峰谷電價引導(dǎo)需求的價格職能，起到價格杠桿作用。模糊隸屬度函數(shù)法利用負(fù)荷曲線的分布特征進行時段劃分，但也存在難以合理確定峰谷區(qū)間臨界點的問題。

本文在此基礎(chǔ)上，探討時段劃分的區(qū)間界定和修正策略，并以某省4個季度的典型日負(fù)荷曲線為例進行峰谷時段劃分。考慮不同季度的用電差異性，提出新的全年綜合峰谷時段劃分模型。

1 峰谷時段初步劃分方法

負(fù)荷曲線上各時間段處于峰時段或谷時段的可能性采用模糊半梯形隸屬度函數(shù)來確定[13]。為了方便時段劃分，假設(shè)典型日負(fù)荷曲線上各時段分界點組成的時間點集合為T={t0，t1，t2，…，t23}，各時間點對應(yīng)的負(fù)荷值集合為Q={q0，q1，q2，…，q23}，通過判斷各時間點的負(fù)荷值處于峰時段和谷時段的可能性來確定峰、平、谷的時段區(qū)間。其中采用偏大型半梯形隸屬函數(shù)確定各時間點處于峰時段的可能性A（qi），采用偏小型半梯形隸屬函數(shù)確定負(fù)荷曲線上各時間點處于谷時段的可能性B（qi）。

式中，qt為t時間點對應(yīng)的負(fù)荷值；a為各時間點負(fù)荷中的最小值；b為各時間點負(fù)荷中的最大值。

該方法只需確定負(fù)荷曲線上各時間點相對于最高峰段與最低谷段的比值關(guān)系，與其具體數(shù)值無關(guān)。但模糊隸屬度函數(shù)法需要確定隸屬度特征閾值λ，對于不同的λ∈[0，1]可以得到不同的分類。難點在于如何合理確定隸屬度特征閾值使得時段劃分更加科學(xué)。

本文運用集合分類的思想，即不同集合間的樣本差異要明顯，同一集合內(nèi)的樣本差異應(yīng)模糊，分別確定偏大型半梯形隸屬函數(shù)和偏小型半梯形隸屬函數(shù)的最優(yōu)閾值λ1和λ2。

設(shè)λ1對應(yīng)峰時段的時間點數(shù)量為n1，λ2對應(yīng)谷時段的時間點數(shù)量為n3，平時段的時間點數(shù)量為n2=24－n1－n3。峰、平、谷時段區(qū)間對應(yīng)的各時間點負(fù)荷集合分別為Q1={p1，p2，…，pn1}，Q2={m1，m2，…，mn2}，Q3={v1，v2，…，vn3}。為了更好地比較相鄰集合間的差距及各個集合內(nèi)樣本間的差異，本文構(gòu)造閥值指標(biāo)函數(shù)S。

式 中，Xp=min（Q1）；Xma=max（Q2）；Xmb=min（Q2）；Xv=max（Q3）；pi、pj為集合Q1內(nèi)任意2個不同的負(fù)荷值；mi、mj為集合Q2內(nèi)任意2個不同的負(fù)荷值；vi、vj為集合Q3內(nèi)任意2個不同的負(fù)荷值。

該函數(shù)的分子表征相鄰集合之間的最小距離，不同類之間的差異要擴大，即距離越大越好；分母表征集合內(nèi)樣本間的最大差距，同類內(nèi)樣本的差異要縮小，即集合半徑越小越好。因此，S越大說明分類越好。

2 峰谷時段劃分修正策略

針對模糊隸屬度函數(shù)法存在部分點根據(jù)隸屬度特征閥值難以界定時段屬性的問題，本文參照已實施的時段劃分方案的特點，提出2個修正策略。

1）峰、平、谷時段3個集合的大小不應(yīng)相差太大，考慮到電力公司和用戶的可接受程度，集合內(nèi)的時間點數(shù)量應(yīng)控制在6～10個。為了提高大發(fā)機組的運行效率，高峰時段可以有所縮短，其集合內(nèi)的時間點數(shù)量一般不超過8個。本文通過修正隸屬度特征閾值來合理規(guī)范峰、平、谷時段集合的大小。

2）在實際應(yīng)用中，考慮到技術(shù)上的可行性和實施的方便，不宜將時段劃分得太小，每個時段不應(yīng)小于2 h[13]。當(dāng)峰/平/谷集合里的某一個時間點被孤立出來時，可以將其歸到相鄰時間點所在的集合；或者將其中一個相鄰時間點歸到孤立時間點所在的集合。具體要根據(jù)孤立點及其相鄰點對應(yīng)負(fù)荷值的相對大小進行調(diào)整。

3 算例分析

3.1 4個季度峰谷時段劃分

某省2012年4個季度的典型日負(fù)荷曲線如圖1所示。

通過分析圖1中4個季度的典型日負(fù)荷曲線可以得到以下結(jié)論：

1）日負(fù)荷曲線表現(xiàn)出典型的雙峰性，上午和下午一般各出現(xiàn)一次用電高峰，與上午的高峰期相比，下午的高峰時間稍長；而用電低谷通常出現(xiàn)在夜間，時段具有連續(xù)性且持續(xù)時間較長。

圖1 4個季度的典型日負(fù)荷曲線Fig. 1 Typical day load curve of four quarters

2）不同季度的負(fù)荷用電具有明顯的季節(jié)性特征，夏季為用電高峰季，比起其他3個季節(jié)用電量明顯增加；冬季為用電淡季，整體的負(fù)荷用電量較其他季節(jié)要低。

采用模糊半梯形隸屬度函數(shù)進行初步劃分，運用修正策略進行合理調(diào)整后的結(jié)果如表1所示。

表1 4個季度的時段劃分結(jié)果Tab. 1 Results of four quarters’time period partition

為了方便統(tǒng)計，本文以時間段起始時刻顯示劃分結(jié)果，如表格中0代表0:00—1:00這一時間段，表2、表3與此同。

3.2 全年綜合峰谷時段劃分

各個季度用電量占全年用電量的比重不同，其差異應(yīng)在全年時段劃分中得到體現(xiàn)。本文根據(jù)各個季度的負(fù)荷用電量占全年負(fù)荷用電量的比重來確定其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)α（i），4個季度的系數(shù)之和為1。

式中，Qi為第i季度典型日的總負(fù)荷電量。經(jīng)過計算可 得α（1）=0.221、α（2）=0.249、α（3）=0.291、α（4）=0.239。

為了兼顧4個季度的用電差異，突出共同特征，本文采用二范數(shù)思想，對各個季度負(fù)荷用電加權(quán)融合，采用時段劃分修正策略進行調(diào)整，即可建立全年的綜合時段劃分模型。其中加權(quán)二范數(shù)函數(shù)定義為：

式中，X（t）i為第i季度t時段對應(yīng)的負(fù)荷值；bi為第i季度各時段負(fù)荷中的最大值；ai為第i季度各時段負(fù)荷中的最小值。

其中公式（5）確定t時段處于峰時段的可能性，p（t）值越小，t時段屬于峰時段的可能性越大；公式（6）確定t時段處于谷時段的可能性，v（t）值越小，t時段屬于谷時段的可能性越大。

3.3 實例時段劃分對比分析

通過對各個季度典型日的負(fù)荷電量加權(quán)融合，可以得到全年綜合典型日負(fù)荷柱狀圖，如圖2所示。

圖2 全年綜合典型日負(fù)荷柱狀圖Fig. 2 Annual consolidated typical day load histogram

經(jīng)過公式（5）和公式（6）計算劃分并通過修正策略的調(diào)整，可以得到全年的綜合峰谷時段劃分結(jié)果，如表2所示。

表2 全年綜合時段劃分結(jié)果Tab. 2 Results of the annual consolidated time period partition

該方案將1天24 h劃分為2個峰時段、3個平時段、1個谷時段，總共6個時段，每個時段時間最短2 h，最長8 h。

某省峰谷電價已實施多年，近年來執(zhí)行的時段劃分方案如表3所示。

表3 已實施的時段劃分方案Tab. 3 Time period partition scheme implemented

分析圖1、圖2，對比表2和表3的時段劃分可知，本文得到的全年綜合時段劃分結(jié)果更能反映4個季度典型日負(fù)荷曲線的峰谷形態(tài)特征和變化。具體表現(xiàn)有：12:00—13:00比15:00—16:00更應(yīng)該劃分為高峰期，從圖2中可以看出12:00—13:00的平均負(fù)荷值要高于15:00—16:00，因此本文的時段劃分方案將12:00—13:00歸為高峰期，而將15:00—16:00歸為平時段，從而更好地激勵用戶響應(yīng)削峰；將23:00—0:00歸為平時段，而將7:00—8:00歸為低谷期，原因是7:00—8:00的平均負(fù)荷值要低于23:00—0:00的平均負(fù)荷值，調(diào)整后低谷特征更加明顯。

綜上所述，本文的研究方案與已實施方案相比，峰谷時段的劃分更合理，更能有效地激勵用戶的需求響應(yīng)。2個方案劃分結(jié)構(gòu)相似，整體調(diào)整幅度較小，可以有效減少調(diào)整時段劃分后帶來的負(fù)面社會輿論，易為用戶和電力公司所接受。

4 結(jié)論

本文針對模糊隸屬度函數(shù)時段劃分方法存在隸屬度閥值難以合理確定峰、谷區(qū)間臨界點的問題，設(shè)計閥值指標(biāo)函數(shù)來合理確定時段區(qū)間。通過分析已實施峰谷時段劃分方案的特征，提出時段劃分的修正策略，對一些孤立時間點進行適當(dāng)調(diào)整。

本文依據(jù)某省2012年4個季度的典型日負(fù)荷曲線進行實例峰谷時段劃分，利用閥值指標(biāo)函數(shù)確定時段區(qū)間，運用修正策略作適當(dāng)調(diào)整，得出4個季度的劃分方案。兼顧各季度的用電特性及比重進行加權(quán)融合，采用加權(quán)二范數(shù)函數(shù)法進行劃分，得到全年綜合時段劃分方案，比已實施方案更符合近年來的負(fù)荷曲線分布特征，能獲得較好的削峰填谷經(jīng)濟效益。

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