山東電網(wǎng)飽和負(fù)荷及負(fù)荷空間分布研究

張偉昌 ，賈善杰 ，薛萬磊 ，路 寬 ，趙 昕

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著我國城市工業(yè)化、城鎮(zhèn)化步伐的逐步加快，城市的土地資源日趨緊張，加之城市環(huán)保要求的提高，城市電網(wǎng)發(fā)展與城市發(fā)展之間的協(xié)調(diào)問題越來越突出。如果在城市電網(wǎng)建設(shè)過程中缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃，隨著城市的發(fā)展勢必進(jìn)行大規(guī)模、頻繁的改擴(kuò)建，增加電網(wǎng)建設(shè)成本，造成社會資源的重復(fù)浪費(fèi)。

在城市電網(wǎng)建設(shè)中，不但需要知道飽和負(fù)荷的總量，還需要知道負(fù)荷增長的位置，即空間負(fù)荷分布，才能更準(zhǔn)確地進(jìn)行電網(wǎng)變電站布點(diǎn)和電網(wǎng)的建設(shè)［1］。 空間負(fù)荷預(yù)測也稱為小區(qū)負(fù)荷預(yù)測［2］，主要思路是將城市分成若干小區(qū)，再預(yù)測每個小區(qū)的負(fù)荷［3－4］。對于小區(qū)飽和負(fù)荷預(yù)測，空間負(fù)荷預(yù)測方法的精度比其他預(yù)測方法高［5］。鑒于城市建設(shè)及負(fù)荷的快速增長，且在經(jīng)歷充分發(fā)展后將趨于飽和的特點(diǎn)，本文基于空間飽和負(fù)荷密度，建立空間飽和負(fù)荷預(yù)測模型，并以山東省為例，對城市電網(wǎng)飽和負(fù)荷密度及負(fù)荷空間分布進(jìn)行預(yù)測研究。

1 空間飽和負(fù)荷的概念和特征

電力負(fù)荷密度與人均GDP、人口密度、用地性質(zhì)和區(qū)域的經(jīng)濟(jì)規(guī)劃布局關(guān)系密切，隨著社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的增長而增長。從發(fā)達(dá)國家或地區(qū)的經(jīng)驗來看，區(qū)域電力需求經(jīng)歷充分發(fā)展后將趨于飽和。其中，飽和負(fù)荷是指負(fù)荷變化不隨時間有階躍性增長，而是按照自然規(guī)律呈現(xiàn)較平緩增長的狀態(tài)。圖1為一個地區(qū)的負(fù)荷增長呈S型曲線規(guī)律的示意圖。可見，負(fù)荷在經(jīng)過一段時期的較快增長后，進(jìn)入低速平緩增長階段，即飽和階段。此階段的負(fù)荷稱為飽和負(fù)荷。

圖1 負(fù)荷增長過程示意圖

參考美國、日本等發(fā)達(dá)國家不同發(fā)展階段經(jīng)濟(jì)和電力需求的關(guān)系，一個地區(qū)電力負(fù)荷進(jìn)入飽和階段時一般具有如下特征：（1）電力負(fù)荷水平比較高，且長期低速平穩(wěn)增長，一般連續(xù)5年左右年均負(fù)荷增長率不超過4%。（2）經(jīng)濟(jì)規(guī)模比較大，并且產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比較合理、穩(wěn)定。（3）土地用途變更較少。如果一個城市的遠(yuǎn)景規(guī)劃，從低負(fù)荷密度向高負(fù)荷密度轉(zhuǎn)變的土地比較少，則可認(rèn)為該地區(qū)已經(jīng)暫時進(jìn)入飽和階段［6－12］。

2 空間飽和負(fù)荷模型的建立

空間負(fù)荷密度與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)域中的地塊功能（人口密度、商業(yè)化、工業(yè)化程度）等方面相關(guān)，因此建立以空間負(fù)荷密度為主的城市負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型為

式中：L為全地區(qū)負(fù)荷預(yù)測值；n為劃分的地塊數(shù)量；ki為第i個地塊上各功能區(qū)負(fù)荷的同時率；Dij為第i個地塊上第j種功能區(qū)的負(fù)荷密度；Sij為第i個地塊上第j種功能區(qū)的占地面積。

當(dāng)城市電力負(fù)荷經(jīng)歷了較快增長的時期后，負(fù)荷密度就會達(dá)到飽和，這時，式（1）就轉(zhuǎn)化為空間飽和負(fù)荷模型。

2.1 邏輯功能區(qū)劃分方法

邏輯功能區(qū)劃分是通過跨地塊分析和預(yù)測各種功能區(qū)的負(fù)荷密度，把不同地塊上的同一用電性質(zhì)的用戶組合成一種邏輯功能區(qū)。這種方法不針對某個具體的地塊分析其負(fù)荷密度，只要用戶的數(shù)量足夠多，用戶的典型性較強(qiáng)，分析得到的負(fù)荷密度就可以代表同類用戶，就可以作為該功能區(qū)的負(fù)荷密度，見圖2。由于邏輯功能區(qū)劃分得到的功能區(qū)用電性質(zhì)都是單一的，因此分析結(jié)果的準(zhǔn)確性較高。此外，按照這種方法分析得到的功能區(qū)負(fù)荷密度在應(yīng)用時也比較靈活方便，相近的功能區(qū)也可以劃歸為統(tǒng)一類型，如圖2中的地塊2的居民用戶很少，就把地塊2近似為商業(yè)功能區(qū)。

圖2 邏輯功能區(qū)劃分示意圖

在運(yùn)用邏輯功能區(qū)劃分法完成功能區(qū)劃分后，根據(jù)市政規(guī)劃部門提供的某地塊上各種使用性質(zhì)的土地面積，套用相應(yīng)的功能區(qū)負(fù)荷密度，即可匯總該地塊的總負(fù)荷水平以及負(fù)荷空間分布。

2.2 空間飽和負(fù)荷模型參數(shù)的確定

從式（1）中可知，要準(zhǔn)確預(yù)測飽和負(fù)荷，各功能區(qū)的飽和負(fù)荷密度Dij的選取是關(guān)鍵。飽和負(fù)荷密度與地塊使用性質(zhì)有直接關(guān)系。因此，飽和負(fù)荷密度的預(yù)測應(yīng)以詳細(xì)的城市總體用地規(guī)劃和人口規(guī)劃為基礎(chǔ)，同時考慮每類功能區(qū)在城市所處的地理位置、氣候條件、人文氛圍、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷程和發(fā)展規(guī)模等。比如，在統(tǒng)計居民住房用地的負(fù)荷密度時，就不僅要考慮土地面積的影響，還要考慮小區(qū)容積率的影響。一塊地開發(fā)為高層建筑，建筑容積率大，建筑面積大；開發(fā)為別墅區(qū)，其建筑容積率小，建筑面積小。顯然開發(fā)為高層建筑的單位占地負(fù)荷密度大，開發(fā)為別墅區(qū)的單位占地負(fù)荷密度小。因此，單位用地面積負(fù)荷通過單位建筑面積負(fù)荷乘以其地塊的建筑容積率來推導(dǎo)更合理。式（1）也相應(yīng)修正為

式中：rij為第i地塊第j類功能區(qū)的建筑容積率；Dij為第i地塊第j類功能區(qū)以建筑面積計的飽和負(fù)荷密度。

在式（2）的基礎(chǔ)上，通過對成熟居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)等取樣調(diào)查和對比分析，就可以獲得地區(qū)各功能地塊的單位建筑面積飽和負(fù)荷。

2.3 地塊負(fù)荷同時率的確定

根據(jù)上述方法把各地塊的負(fù)荷合并成每一個分區(qū)的總負(fù)荷值時，可以預(yù)測出各分區(qū)的遠(yuǎn)景飽和負(fù)荷。對于不同類別的負(fù)荷，因負(fù)荷特性不同，出現(xiàn)的最大負(fù)荷時間段不相同，如居民用電，高峰在18：00—24：00。 而行政辦公集中用電時間在 8：00—18：00，商業(yè)用電在9：00—22：00，即存在一個負(fù)荷同時率的問題。因此，對于不同類型的負(fù)荷不能直接把他們相加。根據(jù)對各個地區(qū)的地理位置和氣候條件、工業(yè)發(fā)展的調(diào)研情況，負(fù)荷同時率一般變化不大，可以取一個相應(yīng)的數(shù)值。該值一般在0.6～0.9之間，以商貿(mào)服務(wù)業(yè)為主的城市，其負(fù)荷同時率較大，取0.85。

3 山東省及分地區(qū)飽和負(fù)荷預(yù)測

21世紀(jì)以來，山東省重工業(yè)化特征明顯，這一階段以基礎(chǔ)原材料工業(yè)和加工裝配工業(yè)為重心，以四大高耗能為代表的重工業(yè)高速發(fā)展為主要特征，是工業(yè)化發(fā)展的高潮階段。排除金融危機(jī)的影響，重工業(yè)階段電力消費(fèi)彈性系數(shù)明顯大于1。雖然近期經(jīng)歷了金融危機(jī)的影響，且今后一段時期仍處于節(jié)能降耗以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的政策調(diào)整中，但目前山東省重工業(yè)發(fā)展階段并未完全結(jié)束，還可持續(xù)一段時間。“十二五”時期，山東將從重工業(yè)階段逐步向高加工度階段轉(zhuǎn)變，進(jìn)入工業(yè)化進(jìn)程的后半段。此后，預(yù)計還需5～10年才能完成工業(yè)化。山東用電結(jié)構(gòu)以二產(chǎn)用電占據(jù)主導(dǎo)，工業(yè)化進(jìn)程的延續(xù)，也將使用電保持一定的增速，如圖3、圖4所示。

圖3 山東省用電量長期走勢

圖4 山東省中長期用電增速趨勢

在研究出現(xiàn)飽和電量（電量持續(xù)低增長）時的經(jīng)濟(jì)與用電指標(biāo)時，既要考慮普遍規(guī)律，又要考慮山東省的實(shí)際情況。通過前面的綜合分析，選取適合山東省的指標(biāo)如表1。

4 山東省飽和電力需求預(yù)測結(jié)果

通過前面多因素分析，以電力需求持續(xù)低增長，年均負(fù)荷增長率不超過2%為主要判據(jù)，預(yù)測全省電力需求將在2030—2035年進(jìn)入飽和階段。全省飽和電量超過10000億kWh，飽和負(fù)荷（考慮同時率）超過1.7億kW；飽和時人均電量達(dá)到10000kWh左右，人均負(fù)荷接近17MW，全省平均負(fù)荷密度在1.1MW／km2左右。

表1 出現(xiàn)飽和電量時經(jīng)濟(jì)與用電指標(biāo)

表2 達(dá)到飽和階段時全省及其各地市主要用電指標(biāo)

在研究中，從區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論、山東17地市經(jīng)濟(jì)社會及國內(nèi)外宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境的實(shí)際、各地市經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)等因素進(jìn)行分析，得出結(jié)論：2030年前，全省各地市經(jīng)濟(jì)、社會及需電量等指標(biāo)的差距仍存在，但差距在逐年縮小。需要指出的是，全省飽和負(fù)荷是一個整體的平均水平概念，各地市因發(fā)展特點(diǎn)不同，進(jìn)入飽和階段的時間以及飽和指標(biāo)特征也會有明顯差別。濟(jì)南、青島等省內(nèi)發(fā)展較快地區(qū)，將會比全省平均水平早幾年進(jìn)入飽和階段，而菏澤、臨沂等發(fā)展較滯后地區(qū)將比全省晚幾年達(dá)到飽和。

5 結(jié)語

本文主要采用負(fù)荷密度及飽和負(fù)荷分析預(yù)測方法來研究城市電網(wǎng)的電力需求和負(fù)荷空間分布，以飽和指標(biāo)為邊界條件和依據(jù)，結(jié)合多種數(shù)學(xué)模型預(yù)測，采用典型負(fù)荷功能區(qū)邏輯劃分方法，首次明確提出山東省電力需求進(jìn)入飽和階段的時間和飽和特征量指標(biāo)，對山東省經(jīng)濟(jì)社會所處的發(fā)展階段給出明確定位，推斷全省完成工業(yè)化進(jìn)入發(fā)達(dá)階段的時間，提出適合山東省特點(diǎn)的負(fù)荷飽和判據(jù)。

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