湘潭地區(qū)負(fù)荷特性分析

程義明，羅滇生，蔡劍彪，許甜田，郭精人

（湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

電力負(fù)荷的發(fā)展具有很強(qiáng)的地區(qū)特性，不同地區(qū)負(fù)荷特性各不相同，地區(qū)負(fù)荷特性受諸多因素的影響，如：氣象條件、非統(tǒng)調(diào)電源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、用電結(jié)構(gòu)和電價(jià)水平等，對(duì)于不同地區(qū)負(fù)荷，很難用一種通用的數(shù)學(xué)模型對(duì)負(fù)荷的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行描述。因此，為提高短期負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，合理的安排企業(yè)檢修與輪休，有必要開(kāi)展地區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷特性分析，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷需求側(cè)管理，最大限度地錯(cuò)峰與避峰，提高負(fù)荷率[1]，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行效益。

近年來(lái)已有較多文獻(xiàn)談到負(fù)荷特性分析來(lái)提高短期負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]提出了負(fù)荷曲線的構(gòu)筑方法，從行業(yè)用電的角度對(duì)負(fù)荷曲線特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[3]主要分析了廣州電網(wǎng)受氣象負(fù)荷的影響。這些文獻(xiàn)僅僅是從負(fù)荷曲線的變化發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析，并未有針對(duì)性的從影響負(fù)荷變化的各種內(nèi)在因素進(jìn)行定量的分析。筆者在對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)的研究中，總結(jié)出地區(qū)負(fù)荷特性的影響因素主要有以下幾點(diǎn)：氣象條件、大用戶(hù)用電、非統(tǒng)調(diào)電源、節(jié)假日負(fù)荷變化、有序用電及電價(jià)政策等。本文從湘潭地區(qū)負(fù)荷特性出發(fā)，對(duì)上述各種影響因素進(jìn)行量化分析，為提高短期負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提供依據(jù)。

1 湘潭地區(qū)負(fù)荷特性

湘潭地區(qū)負(fù)荷主要包括鋼鐵、冶金、水泥、礦產(chǎn)、機(jī)械等工業(yè)負(fù)荷，工業(yè)用電量占全市一半以上，具有十分典型的工業(yè)負(fù)荷特性。

2010年湘潭地區(qū)全社會(huì)用電量為94.97億kWh，第一產(chǎn)業(yè)占5.48%，第二產(chǎn)業(yè)占86.88%，第三產(chǎn)業(yè)占7.64%。圖1為湘潭地區(qū)“十一五”期間年負(fù)荷曲線。

圖1 湘潭地區(qū)年負(fù)荷曲線

從圖中可以看到，“十一五”期間，湘潭地區(qū)電力負(fù)荷呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。2008年下半年到2009年上半年由于受全球金融危機(jī)的影響，負(fù)荷較前一年同期增長(zhǎng)緩慢甚至有所下降。各年負(fù)荷呈季節(jié)性變化趨勢(shì)較為明顯，冬夏兩季負(fù)荷水平較高，春秋負(fù)荷水平較低；最大負(fù)荷出現(xiàn)在夏季8月，最低負(fù)荷一般出現(xiàn)在4月或10月。

2 地區(qū)負(fù)荷特性影響因素分析

2.1 夏季降溫負(fù)荷的影響

2.1.1 夏季降溫負(fù)荷的計(jì)算

在諸多影響因素中，氣象條件是影響負(fù)荷變化的最重要的因素，尤其是近年來(lái)隨著人民生活水平的提高，空調(diào)等降溫取暖家用電器的增加，氣象敏感性負(fù)荷占地區(qū)負(fù)荷的比重越來(lái)越大，其中氣溫是氣象敏感負(fù)荷變化的直接因素。

本文采用基準(zhǔn)負(fù)荷比較法，利用負(fù)荷曲線來(lái)推算降溫負(fù)荷。其基本思想為：以4月和10月工作日負(fù)荷曲線的平均值為夏季基礎(chǔ)負(fù)荷，其計(jì)算公式如式1所示，夏季日負(fù)荷曲線與基礎(chǔ)負(fù)荷曲線之差即為該日降溫負(fù)荷曲線。

式中：P基礎(chǔ)為夏季基礎(chǔ)負(fù)荷，N4，N10分別為4月和10月的工作日天數(shù)，P4,d，P10,d分別為4月和10月的日負(fù)荷。

由于湘潭鋼鐵公司和湖南鐵合金集團(tuán)有限公司等大用戶(hù)用電負(fù)荷占湘潭地區(qū)負(fù)荷比重較大，而該類(lèi)負(fù)荷主要是跟隨生產(chǎn)計(jì)劃變化而變化，基本不受氣象因素影響，所以為了較為精確的推算降溫負(fù)荷值，計(jì)算中剔除了大用戶(hù)負(fù)荷。

表1為采用該方法推算湘潭地區(qū)2008年—2010年夏季各月最大降溫負(fù)荷；表2統(tǒng)計(jì)了降溫負(fù)荷；占地區(qū)負(fù)荷的比重。

表1 2008—2010年年最大降溫負(fù)荷占年最大負(fù)荷對(duì)比

表2 2008—2010年年最大降溫負(fù)荷與年最大負(fù)荷

從表1和表2的統(tǒng)計(jì)可以看到，6月份由于氣溫不是很高，所以降溫負(fù)荷不大，但是波動(dòng)較大。7月—9月降溫負(fù)荷較大，且降溫負(fù)荷的增長(zhǎng)速度超過(guò)地區(qū)負(fù)荷的增長(zhǎng)速度，所占比重也逐年增加。

2.1.2 降溫負(fù)荷與氣溫的關(guān)系

在所有氣象因素對(duì)電力負(fù)荷的影響中，氣溫對(duì)負(fù)荷的影響最為明顯。以最高氣溫為例，分析2010年夏季最高氣溫與最大負(fù)荷之間的關(guān)系，圖2為2010年7月—9月最高氣溫與日最大負(fù)荷標(biāo)幺曲線對(duì)比，二者相關(guān)系數(shù)為0.89，說(shuō)明最高溫度與負(fù)荷變化的有著較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖2 湘潭2010年7—9月最大負(fù)荷與最高氣溫標(biāo)幺曲線對(duì)比

當(dāng)氣溫低于30℃時(shí)，可認(rèn)為降溫負(fù)荷隨溫度的升高自然增長(zhǎng)，無(wú)氣溫累積效應(yīng)，統(tǒng)計(jì)2010年7月—9月最高氣溫在25～30℃時(shí)，各溫度下最大降溫負(fù)荷平均值的變化情況，如圖3所示。

圖3 氣溫在25～30℃之間最大降溫負(fù)荷的變化曲線

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，基本無(wú)空調(diào)負(fù)荷，地區(qū)的負(fù)荷基本不受氣溫變化影響；當(dāng)最高溫度在25～30℃時(shí)，由于降溫設(shè)備開(kāi)啟較少，湘潭地區(qū)的降溫負(fù)荷不大，最大降溫負(fù)荷一般在100 MW以?xún)?nèi)，期間隨著溫度的升高，負(fù)荷有平穩(wěn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其趨勢(shì)線斜率為18.09，即溫度每上升1℃，最大負(fù)荷平均上升18.09 MW；當(dāng)溫度到達(dá)30℃及以上時(shí)，空調(diào)負(fù)荷開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮有氣溫累積效應(yīng)，分析時(shí)也應(yīng)當(dāng)從連續(xù)多氣溫逐漸變化情況進(jìn)行選擇，不能單純以溫度為選擇對(duì)象而間隔的挑選日期來(lái)分析。圖4統(tǒng)計(jì)了2010年9月14日到9月18日最高氣溫由34.1℃上升到37.2℃最大降溫負(fù)荷的變化情況。

圖4 氣溫連續(xù)變化時(shí)最大降溫負(fù)荷的變化

隨著最高氣溫的逐漸升高，最大降溫負(fù)荷近似呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，趨勢(shì)線斜率為56.79，即可以認(rèn)為氣溫高于30℃時(shí)，最高氣溫每上升1℃時(shí)，最大降溫負(fù)荷平均上升56.79 MW。當(dāng)氣溫在30℃以上持續(xù)高溫時(shí)，最大降溫負(fù)荷變化又會(huì)有不同，如圖5所示。

圖5 高溫累積效應(yīng)下最大降溫負(fù)荷的變化

圖5統(tǒng)計(jì)了2010年8月9日—8月15日最高氣溫與最大降溫負(fù)荷的變化，該時(shí)段最高氣溫維持在37～38℃。雖然氣溫并未上升，由于溫度累積效應(yīng)，降溫負(fù)荷卻一直在上升，直到450 MW左右才穩(wěn)定，即達(dá)到了空調(diào)負(fù)荷飽和狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)得出，在氣溫超過(guò)36℃且出現(xiàn)連續(xù)多日高溫時(shí)，高溫每持續(xù)一天，最大降溫負(fù)荷增加30 MW左右，直到飽和。

2.2 大用戶(hù)用電影響

湘潭鋼鐵公司是大用戶(hù)用電的主要成分，年用電量為23.84億kWh，占湘潭地區(qū)網(wǎng)供電量78.55億kWh的30.35%，同時(shí)，由于湘潭鋼鐵公司是鋼鐵企業(yè)，負(fù)荷波動(dòng)較大，所以在諸多大用戶(hù)中，湘潭地區(qū)負(fù)荷受其負(fù)荷的影響最大。

圖6為2010年4月12日—4月18日湘潭鋼鐵公司一周負(fù)荷曲線圖。湘潭鋼鐵公司生產(chǎn)方式為四班三倒連續(xù)性生產(chǎn)，可以看到，其日負(fù)荷曲線完全呈現(xiàn)沖擊性波動(dòng)。目前，對(duì)于沖擊負(fù)荷還缺乏行之有效的調(diào)控手段，對(duì)湘潭地區(qū)負(fù)荷及負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響相當(dāng)大。

圖6 一周日負(fù)荷曲線

圖7為2010年10月9日與10月8日湘潭鋼鐵公司負(fù)荷對(duì)湘潭地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響。由圖7可見(jiàn)，9日和8日湘潭鋼鐵公司負(fù)荷差值與湘潭地區(qū)負(fù)荷差值曲線變化基本一致，17：00湘潭鋼鐵公司負(fù)荷下降97 MW，同時(shí)湘潭地區(qū)負(fù)荷下降117 MW，湘潭地區(qū)負(fù)荷曲線走勢(shì)受湘潭鋼鐵公司負(fù)荷曲線影響相顯而易見(jiàn)。

圖7 湘鋼負(fù)荷對(duì)湘潭地區(qū)負(fù)荷的影響

2.3 節(jié)假日變化的影響

普通日情況下，湘潭地區(qū)電力負(fù)荷水平及變化趨勢(shì)具有一定的日周期性和周周期性，即工作日和周末的變化。在節(jié)假日，由于人們用電習(xí)慣以及部分企業(yè)放假停產(chǎn)，負(fù)荷水平及變化趨勢(shì)都會(huì)有所變化，而相同類(lèi)型的節(jié)假日，負(fù)荷趨勢(shì)又會(huì)有相似的特點(diǎn)。以春節(jié)為例，圖8為2009年、2010年春節(jié)負(fù)荷曲線及2010年冬季某典型日日負(fù)荷曲線。

圖8 湘潭地區(qū)春節(jié)日負(fù)荷曲線

從圖8可以看到，春節(jié)期間負(fù)荷水平會(huì)有較大的降幅，2年春節(jié)的負(fù)荷趨勢(shì)基本一致，所以在做節(jié)假日負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，可以參考?xì)v年相同節(jié)日的日負(fù)荷曲線，把握其變化規(guī)律，有助于提高負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[4]對(duì)節(jié)假日負(fù)荷預(yù)測(cè)提出了具體有效地方法。

2.4 非統(tǒng)調(diào)電源的影響

非統(tǒng)調(diào)電源主要包括并網(wǎng)小水電、分布式電源以及大企業(yè)自備電廠，該類(lèi)發(fā)電機(jī)組發(fā)電不受統(tǒng)調(diào)支配，其發(fā)電的多少直接影響到網(wǎng)供負(fù)荷的變化，尤其是在我國(guó)南方，小水電資源非常豐富，其特點(diǎn)是容量小，數(shù)量多，較分散，發(fā)電隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響非常大。

湘潭地區(qū)小水電資源不太豐富，分布式電源也較少，全市水電裝機(jī)容量為40.7 MW，其中水府廟電站機(jī)組容量為30 MW，自備發(fā)電裝機(jī)容量為250.5 MW，其中湘潭鋼鐵公司自備電廠裝機(jī)容量為164 MW，這2家是影響本地區(qū)負(fù)荷的主要非統(tǒng)調(diào)電源。水府廟電站為徑流式水電站，日發(fā)電出力較為平穩(wěn)，24 h出力基本不變，并且由于湖南省調(diào)部門(mén)對(duì)小水電實(shí)行執(zhí)行率考核，所以其實(shí)際發(fā)電一般按照前一日上報(bào)的發(fā)電計(jì)劃，對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響較小。湘潭鋼鐵公司自備電廠一般處于滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)，波動(dòng)在150～160 MW之間，對(duì)地區(qū)負(fù)荷曲線的走勢(shì)影響較小。

2.5 有序用電的影響

有序用電是指通過(guò)法律、行政、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等手段，加強(qiáng)用電管理，改變用戶(hù)用電方式，采取錯(cuò)峰、避峰、輪休、讓電、負(fù)控限電等一系列措施，避免無(wú)計(jì)劃拉閘限電，規(guī)范用電秩序，將季節(jié)性、時(shí)段性電力供需矛盾給社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)的不利影響降至最低程度[5]。2011年隨著全省經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，用電負(fù)荷持續(xù)攀升，最大負(fù)荷和日電量成同比增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)由于全省電煤供應(yīng)持續(xù)緊張，因缺煤、故障停機(jī)及受煤炭質(zhì)量影響限制，火力發(fā)電出力下降，加之天氣干旱，水電出力不足，2011年3月—5月執(zhí)行有序用電共50天。圖9為有序用電與正常日負(fù)荷曲線對(duì)比圖，可以看到有序用電期間負(fù)荷水平下降的同時(shí)，還改變了日負(fù)荷曲線形狀，削減了日高峰負(fù)荷，提高了日負(fù)荷率。5月4日的日負(fù)荷率為92.97%，而5月17日的日負(fù)荷率為87.37%。在有序用電方案執(zhí)行期間，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格執(zhí)行省調(diào)下達(dá)的有序用電任務(wù)，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)大用戶(hù)、高耗能企業(yè)的用電管理，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 有序用電與正常日負(fù)荷曲線對(duì)比

2.6 電價(jià)政策的影響

電價(jià)對(duì)負(fù)荷特性的影響包括電價(jià)水平影響和電價(jià)結(jié)構(gòu)影響2方面。電價(jià)水平影響涉及因素較為復(fù)雜，如：經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、全社會(huì)物價(jià)指數(shù)、各類(lèi)用戶(hù)對(duì)電價(jià)的承受能力等，電價(jià)結(jié)構(gòu)對(duì)負(fù)荷特性的影響主要是峰谷電價(jià)方面，對(duì)負(fù)荷曲線的影響主要體現(xiàn)在電價(jià)結(jié)構(gòu)的變化上。例如：2011年1月份，湖南省政府取消了湖南鐵合金集團(tuán)有限公司優(yōu)惠電價(jià)政策，統(tǒng)一按湖南省目錄電價(jià)用電。1月1日起湖南鐵合金集團(tuán)有限公司便嚴(yán)格按尖峰、高峰、腰荷、低谷時(shí)段安排生產(chǎn)，最高負(fù)荷100 MW左右，最低負(fù)荷20 MW左右。圖10為電價(jià)變化前后湖南鐵合金集團(tuán)有限公司用電負(fù)荷曲線圖。

圖10 電價(jià)變化前后湖鐵用電負(fù)荷曲線對(duì)比

2011年6月起，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)對(duì)湖南省電價(jià)進(jìn)行了調(diào)整，暫停執(zhí)行上網(wǎng)側(cè)峰谷分時(shí)電價(jià)、上網(wǎng)側(cè)豐枯季節(jié)電價(jià)以及銷(xiāo)售側(cè)豐枯季節(jié)電價(jià)，適當(dāng)調(diào)整銷(xiāo)售側(cè)峰谷分時(shí)電價(jià)，高峰時(shí)段在平時(shí)段電價(jià)基礎(chǔ)上平均上浮0.02元/kWh，由于商業(yè)用電價(jià)格和居民生活用電價(jià)格不作調(diào)整，這部分差價(jià)主要由企業(yè)用戶(hù)承擔(dān)，因而此次電價(jià)的調(diào)整勢(shì)必會(huì)引起一些企業(yè)大用戶(hù)用電方式及用電量的變化，同時(shí)會(huì)對(duì)地區(qū)負(fù)荷曲線特性產(chǎn)生一定的影響，因此在負(fù)荷預(yù)測(cè)工作中需密切關(guān)注企業(yè)用電的變化。

3 對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)的建議

通過(guò)上文的分析可知，湘潭地區(qū)的負(fù)荷特性受多種因素影響，負(fù)荷曲線變化波動(dòng)較大，各種因素的影響程度不同，因此，在開(kāi)展負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）及時(shí)了解湘潭鋼鐵公司生產(chǎn)計(jì)劃，最好是督促其每日做出次日用電計(jì)劃。其他大用戶(hù)如果有較大生產(chǎn)計(jì)劃的改變，負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)也要加以考慮。

（2）及時(shí)關(guān)注天氣的變化，尤其是在夏冬兩季，預(yù)測(cè)時(shí)參考2.1.1分析的結(jié)果，同時(shí)要考慮氣象敏感負(fù)荷的增長(zhǎng)因素。

（3）當(dāng)特殊節(jié)假日來(lái)臨時(shí)，可以參考前一年同類(lèi)型節(jié)日負(fù)荷曲線特點(diǎn)，同時(shí)要考慮負(fù)荷水平的增長(zhǎng)和天氣等因素的變化.

（4）對(duì)小水電應(yīng)該對(duì)比在豐水期、平水期和枯水期的發(fā)電區(qū)別，同時(shí)關(guān)注降雨對(duì)發(fā)電的影響，另外可以參考文獻(xiàn)[6]提出的預(yù)測(cè)方法，先對(duì)地區(qū)用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后減去小水電發(fā)電負(fù)荷，得到網(wǎng)供負(fù)荷。

（5）當(dāng)電價(jià)政策發(fā)生調(diào)整時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)大用戶(hù)的用電情況，分析對(duì)比電價(jià)調(diào)整前后負(fù)荷曲線的變化，以此對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)湘潭地區(qū)負(fù)荷特性及各類(lèi)影響因素的深入研究，較為全面地量化分析了各因素的影響程度。對(duì)降溫負(fù)荷的推算、年最大降溫負(fù)荷的確定，能為制定氣象條件變化很大時(shí)的負(fù)荷調(diào)控措施提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)大用戶(hù)的影響分析，有利于把握負(fù)荷曲線的變化規(guī)律，提高負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

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