基于多维价格弹性系数的分时电价对负荷特性影响机理

编者按

近年来，随着新能源大规模接入、经济发展、极端气候等因素的叠加影响，电网保供电工作形势愈发严峻。2022年，中国出现有记录以来持续时间最长、影响范围最广的极端高温天气，电网负荷屡创新高，部分区域出现了较大的电力供应缺口。根据中国电力企业联合会的预测，2023—2025年全国电力供需仍将保持总体紧平衡态势，部分区域用电高峰时段电力供需偏紧。亟须挖掘负荷侧可调节潜力，推动电网调节方式从传统的“源随荷动”向“源荷互动”转变。《中国电力》2024年第2期刊发了唐文升等人撰写的《基于多维价格弹性系数的分时电价对负荷特性影响机理》一文。文章选取国家电网有限公司经营区除北京、辽宁、西藏外的23个省级电力公司2021年1月—2023年4月的133行业固定用户群每天24 h负荷数据进行研究，构建多维价格弹性矩阵实现多维电价关键指标对多维负荷关键指标影响的量化分析，揭示在中长期时间尺度上，分时电价政策调整会如何影响各地区各行业峰谷负荷，进而影响电力保供工作，并结合分析结果，提出分时电价政策动态优化调整策略。

摘要

基于23个省级电力公司经营区各行业固定用户群负荷曲线，测算多维价格弹性系数评估分时电价调整对各地区各行业峰谷时段用电的影响，并分析峰谷段电力需求对多维价格指标的敏感性。利用多维价格弹性系数定量评估各地区各行业降低峰段电量、提升谷段电量、缩小负荷峰谷差率三维电力电量指标对提高高峰时段电价、降低低谷时段电价、拉大峰谷电价比三维价格指标的敏感性。根据多维价格弹性系数分析结果可针对不同地区、行业、时段提出分时电价优化调整策略。

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国内分时电价政策概况

20世纪80年代，为缓解福建电网、华北电网用电压力，中国尝试从需求侧引导用户用电，通过分时电价引导居民避免在高峰时期大量用电。近年来，中国能源消费结构快速变化，电力系统负荷特性由夏季高峰逐渐转为“夏、冬双高峰”。据统计，国内各地夏季最热、冬季最冷时段的全年累计时间只有数十小时，但对应的尖峰电力需求可较平时高出1亿kW以上，给电力系统安全稳定运行带来巨大挑战。2018年国家发展改革委发布《关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》（发改价格〔2018〕943号），要求各省在销售电价总水平不变的前提下，建立峰谷电价动态调整机制，明确扩大销售侧峰谷电价执行范围，合理确定并动态调整峰谷时段，扩大高峰低谷电价价差和浮动幅度，引导用户错峰用电，取得了显著的效果。2021年7月29日，国家发改委发布《关于进一步完善分时电价机制的通知》（发改价格〔2021〕1093号），进一步完善峰谷电价政策。具体涉及2方面：一是拉大峰谷价差，上年或当年预计最大系统峰谷差率超过40%的地方，峰谷电价比原则上不低于4∶1，其他地方原则上不低于3∶1；二是建立尖峰电价机制，各地结合实际情况，根据前两年当地电力系统最高负荷95%及以上用电负荷出现时段，合理确定尖峰时段，尖峰电价在峰段电价基础上上浮比例原则上不低于20%。

峰谷电价比指峰段电价除以谷段电价。31个省（自治区、直辖市）全部出台了峰谷电价政策。部分单位各电压等级分时电价浮动比例略有差异，以截至2023年4月各地公布的7、8月份大工业1~10 kV档分时电价为例，各地的峰谷电价比如图1所示。从峰谷电价比例来看，河北、山东峰谷电价比例大于等于5∶1；10个省峰谷电价比介于4∶1与5∶1之间；12个省峰谷电价比介于3∶1与4∶1之间；峰谷电价比例最大的是河北（5.7∶1），最小的为西藏（1.1∶1）。南方电网供电区域峰谷电价比由高到低依次为：广东（4.5∶1）、海南（4.3∶1）、云南（3∶1）、贵州（3∶1）、广西（1.5∶1）。

图1各地峰谷电价比

Fig.1The ratio of peak-to-valley electricity prices in various regions

尖峰电价方面，国家电网有限公司经营区除甘肃、宁夏、西藏外的23个省级公司经营区已出台了尖峰电价政策，其中16个省级公司经营区尖峰电价在峰段电价基础上再上浮20%，湖北、上海上浮大于20%，山东、福建、河南上浮10%~20%，北京上浮10%，安徽上浮不足10%。南方电网供电区域中，广东上浮25%，广西、云南和海南上浮20%，贵州暂未实行尖峰电价。

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多维价格弹性系数

传统的电力需求价格弹性系数主要探究电力整体需求与电价变化的关系。由于电力保供重点关注峰谷段电力需求变化，为了更好研究峰谷段电力需求变化与电价变化相关性，本文借鉴材料力学中多维弹性系数概念，认为每一类电力负荷指标会类似材料受力源自多个方向，受到多维电力价格指标的影响，在传统电力需求价格弹性系数基础上提出多维价格弹性系数矩阵。将峰谷段电力需求变化提炼成多维负荷指标，将分时电价变化提炼成多维价格指标，通过多维负荷指标与多维价格指标之间的影响映射关系构建多维价格弹性系数矩阵，从而更加全面且有针对性地探究各地区各行业峰谷段电力需求变化对多维价格指标的敏感性。

2.1 电力需求价格弹性系数

电能作为电力市场中的一种商品，具有一定的供需关系，其相互关系可表示为

2.3数据测算说明

为充分剔除疫情、气温、生产周期、用户增长等因素对分析结果的影响，国家电网有限公司营销部组织23个省级电力公司抽取2021年1月—2023年4月同期固定档案133个行业用户日24 h负荷数据进行研究。1）为避免日数据偶然性，利用133个行业日24 h负荷数据计算月平均24 h负荷数据作为分析基础。2）为充分反映分时电价调整效果，选取分时电价调整前后数个月数据进行分析，取均值作为计算结果。3）为减少气温对负荷的影响，选取分时电价调整前后同期月份进行对比研究。

4）为避免用户变化的影响，对照营销用户档案抽取同一批用户负荷数据进行对比分析。

5）为简化分析过程，各类电价统一采用1~10 kV档电价为代表。

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分时电价影响机理与效果分析

分时电价政策可以通过调整峰谷时段电价来引导行业负荷进行峰谷时段的合理配置，从而达到削峰填谷、为保供电业务减轻压力的效果。然而由于电费在各行业成本中占有比例不同，各行业对于电价的价格敏感性也各不相同。另外，各行业生产模式的差异性，也使得各行业负荷调整空间各不相同。因此拉大峰谷时段价差并不一定能够在各行业取得预想的效果，为了更好地研究电价政策对行业负荷特性的影响，需要全面系统地研究分时电价政策调整对各地各行业负荷变化的影响机理与效果。3.1 部门负荷电价敏感性分析3.1.1 农业分时电价调整影响分析

北京、天津、上海等11个省级公司经营区已出台农业分时电价政策，2021—2022年调整农业分时电价政策的省（区）为浙江、湖南、甘肃、宁夏，分时电价调整后对农业负荷影响效果如表1所示。

表1 各地区农业分时电价调整效果Table 1The effects of the agricultural time-of-use electricity price adjustment in various regions

测算得到浙江、湖南、甘肃、宁夏农业分时电价多维价格弹性系数矩阵分别为

3.1.2 大工业分时电价调整影响分析

去除山东、上海、黑龙江、山西、宁夏等由于调整分时电价时间较短或价格调整幅度较小，分时电价效果尚不明显的地区，表2展示了18个省级公司经营区大工业分时电价调整效果。

表2 各地区大工业分时电价调整效果Table 2The adjusted effects of time-of-use electricity prices for large industries in various regions

分析各地区大工业分时电价多维价格弹性矩阵可以发现：新疆、陕西、吉林、青海、湖南高峰电价变化率X1对应的弹性系数绝对值较大，即提高大工业高峰电价更能有效对大工业负荷削峰填谷；湖北、蒙东、天津、福建、江苏、甘肃低谷电价变化率X2对应的弹性系数绝对值较大，即降低大工业低谷电价更能有效对大工业负荷削峰填谷；四川、浙江、重庆、冀北、安徽、河南、江西峰谷电价比变化率X3对应的弹性系数绝对值较大，即拉大大工业峰谷电价差能有效对大工业负荷削峰填谷。如图2所示，比较3类价格敏感省级公司经营区峰谷差减小率可以发现，对大工业峰谷电价比变化率X3敏感的地区大工业负荷峰谷差率削减较多（平均削减3.10个百分点），削峰填谷效果更明显。

图2各地区大工业负荷对多维价格指标的敏感性分类

Fig.2The sensitivity classification of large industrial loads to multi-dimensional price indicators in various regions

为进一步分析不同省级公司经营区峰谷电价变化与峰谷电量转移率的相关关系，引入第二产业经济增加值进行关联分析，依据各省级公司经营区第二产业增加值分为第二产业增加值大于1.1万亿元和小于1.1万亿元2类，并分别分析峰谷电量转移率与峰谷电价比例变化的相关性，其线性回归相关系数R²分别为0.86、0.71。深入分析后发现，第二产业经济增加值在1.1万亿元以上的浙江、四川、湖北、安徽、冀北、陕西、重庆等省级公司经营区在2021—2022年分时电价调整后峰谷电价比率变化基本在10个百分点以上，电价调整力度较大，根据拟合曲线可得峰谷电价比变化每增加1个百分点，峰谷电量转移率上升0.10个百分点；第二产业经济增加值在1.1万亿元以下的陕西、辽宁、新疆、青海等在2021—2022年分时电价调整后峰谷电价比率变化基本在10个百分点以内，电价调整力度较小，但根据拟合曲线可得峰谷电价比变化每增加1个百分点，峰谷电量转移率上升0.35个百分点。由此可见，第二产业经济增加值在1.1万亿元以下的地区电价敏感性较高，拉大峰谷电价比可更有效促进峰谷电量转移，移峰填谷潜力空间较大。3.1.3 一般工商业分时电价调整影响分析去除山东、上海等调整分时电价时间较短或价格调整幅度较小，分时电价效果尚不明显的地区，表3展示了18个省级公司经营区一般工商业分时电价调整效果。

表3 各地区一般工商业分时电价调整效果Table 3The adjusted effects of time-of-use electricity prices for general industry and commerce in various regions

分析各地区一般工商业分时电价多维价格弹性矩阵可以发现：安徽、江苏、吉林、福建、重庆、新疆、浙江高峰电价变化率X1对应的弹性系数绝对值较大，即提高一般工商业高峰电价能更有效对一般工商业负荷削峰填谷；天津、青海、蒙东、甘肃、陕西低谷电价变化率X2对应的弹性系数绝对值较大，即降低一般工商业低谷电价能更有效对一般工商业负荷削峰填谷；冀北、河南、江西、四川、湖南、湖北峰谷电价比变化率X3对应的弹性系数绝对值较大，即拉大一般工商业峰谷电价差能更有效对一般工商业负荷削峰填谷。如图3所示，比较3类价格敏感地区峰谷差率减小率可以发现，对一般工商业高峰电价变化率X1敏感地区的一般工商业负荷峰谷差率削减较多（平均削减3.62个百分点），削峰填谷效果更明显。

图3各地区一般工商业负荷对多维价格指标的敏感性分类

Fig.3The sensitivity classification of general industrial and commercial loads in various regions to multi-dimensional price indicators

进一步引入第三产业经济增加值分析峰谷电量转移率与第三产业经济增加值的关系，其线性回归相关系数R2为0.88，发现一般工商业分时电价调整后，第三产业经济增加值越高的地区，其峰谷电量转移率越高，削峰填谷作用越显著，其中江苏、浙江的第三产业经济增加值较高，分别为5.99万亿元、4.01万亿元，其峰谷电量转移率分别为10.89个百分点、5.82个百分点，削峰填谷效果显著；甘肃、青海的第三产业经济增加值较低，分别为0.54万亿元、0.40万亿元，其峰谷电量转移率分别为0.55个百分点、–0.39个百分点，削峰填谷作用不明显。3.1.4 居民分时电价调整影响分析目前，国家电网有限公司经营区已有15个省级公司经营区出台了居民峰谷电价政策，但峰谷电价价差相对较小，平均仅为1.99。一些地区仅设定平段电价和谷段电价，未设定高峰电价，且除上海、四川外的13个省级公司经营区允许居民用户自行选择是否执行峰谷电价，其中7个省居民执行率不足1%。总的来看，叠加居民阶梯电价影响，此次进一步完善分时电价机制对居民用电价格的影响较小，居民分时电价调整对居民用电影响不大。3.2 行业负荷电价敏感性分析3.2.1 133个行业整体影响分析

分时电价政策对大多数行业起到了降低负荷峰谷差率的效果，如图4所示。总体来看，133个行业中有103个行业（占比77.5%）平均负荷峰谷差率下降，下降超过2个百分点的有25个行业（占比18.8%）、下降1~2个百分点的有38个行业（占比28.6%）、下降低于1个百分点的有40个行业（占比30.1%）。

图4133个行业负荷峰谷差率变化情况

Fig.4Changes of load peak-to-valley differences in 133 industries

效果最显著的5个行业分别是酒/饮料及精制茶制造业（峰谷差率降低3.27个百分点，下同）、汽车制造业（2.82个百分点）、电气机械和器材制造业（2.81个百分点）、非金属矿采选业（2.45个百分点）、建筑业（2.39个百分点）；效果最不明显的5个行业分别是软件和信息技术服务业（–4.21个百分点）、风能原动设备制造（–2.80个百分点）、林业（–1.84个百分点）、铅锌冶炼（–1.75个百分点）、港口岸电（–1.53个百分点）。3.2.2电量与负荷占比较高行业影响分析按行业电量与负荷在全社会用电中占比从高到低排列，选取18个占比前列行业进行分时电价调整效果对比分析。除非金属矿物制品业外，其余17个行业本轮分时电价调整后行业平均负荷峰谷差率都有不同程度下降。非金属矿物制品属于非连续型的四大高载能行业，其响应分时电价的积极性非常高，生产时间高度集中在谷段，继续调整空间较小，所以本轮削峰填谷效果不明显。总体来看，拉大分时电价峰谷价差对大多数行业起到了削峰填谷效果。不同行业电费成本占比、用电特性、利润率决定了行业分时电价执行效果。电费占成本比重较高、负荷调整灵活的行业执行效果较好，如电费占成本比例超过10%的铝冶炼（峰谷差率缩小2.18个百分点，下同）、采矿业（2.14个百分点）、纺织业（1.70个百分点）、石油/煤炭及其他燃料加工业（1.63个百分点）对电价较为敏感，通过生产调度优化多用低谷电降低用电成本，分时电价执行效果较好。电费占成本比重较低但毛利率较低的行业，执行效果也较好，如计算机/通信和其他电子设备制造业（2.26个百分点）虽然电费占成本比例不到2%，但由于行业毛利率也不到10%，依然有动力响应分时电价，且行业多为非连续型生产企业，有较大空间根据分时电价时段调整生产计划降低负荷峰谷差率。连续均衡生产行业基本不受影响，信息传输/软件和信息技术服务业（0.71个百分点）、橡胶和塑料制品业（0.67个百分点）等连续生产行业峰谷平三段用电均衡，生产安排调整空间不大。电费占成本比重较低且难以调整生产安排的行业，几乎不会针对分时电价改变生产安排，如房地产业（0.06个百分点）、金属制品业（0.38个百分点）。3.2.3 高载能行业影响分析非金属矿物制品业、有色金属冶炼和压延加工业、黑色金属冶炼和压延加工业、化学原料和化学制品制造业的峰谷电量转移率分别上升6.4个百分点、2.4个百分点、1.9个百分点和0.4个百分点，表明本轮分时电价调整起到了引导四大高载能行业用户分时用电的作用，具有一定削峰填谷效果。

分析各地区高载能行业分时电价多维价格弹性矩阵可以发现：河南、江苏、辽宁、青海、陕西、新疆高峰电价变化率X1对应的系数绝对值较大，即提高大工业高峰电价更能有效对高载能行业负荷削峰填谷；吉林、冀北、蒙东、四川、浙江、重庆低谷电价变化率X2对应的系数绝对值较大，即降低大工业低谷电价更能有效对高载能行业负荷削峰填谷；安徽、黑龙江、湖北、湖南、宁夏峰谷电价比变化率X3对应的系数绝对值较大，即拉大大工业峰谷电价差能有效对高载能行业负荷削峰填谷。

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结语

本文提出了一种多维价格弹性系数构建方法，能定量评估分时电价调整对各地区、各行业峰谷时段负荷影响。根据多维价格弹性系数矩阵分析得出各地区各行业电力电量指标对多维价格指标的敏感性结论可以作为未来有针对性地优化各地区用电价格政策、制定分行业差异化分时电价政策的理论依据。

需要特别说明的是，本文提出的多维价格弹性系数具备灵活的扩展性，可以根据实际需要拓展分析不同的价格指标和负荷指标，如尖峰时长、峰段时长、谷段时长、负荷率、最高负荷、最低负荷等，定量测算不同负荷指标对各价格指标的敏感性。结合各地区产业结构、分行业负荷特性、企业生产特点等，定期开展电价调整效果精细分析评估工作，可有效支撑第三监管周期省级电网输配电价改革相关工作。