基于行業用電特性的用戶報裝容量飽和度分析

肖　晶，陳　晉，李　雪，王蓓蓓，沈培鋒

（1.國網南京供電公司，南京　210008；2.東南大學電氣工程學院，南京　210096）

?

基于行業用電特性的用戶報裝容量飽和度分析

肖晶1，陳晉2，李雪1，王蓓蓓2，沈培鋒1

（1.國網南京供電公司，南京210008；2.東南大學電氣工程學院，南京210096）

摘要：基于行業用電特性構建了2個報裝容量飽和度指標，即實用系數和階段系數。在此基礎上結合行業分類、K-均值聚類算法提出了報裝容量飽和度分析模型。通過分析用戶實用系數的統計規律，得到用戶實用系數的分布和行業實用系數的差異；通過階段系數的聚類分析，得到不同類型用戶實際負荷的發展情況，為配網建設提供指導依據。最后通過對南京地區用戶報裝容量飽和度分析，驗證了該模型的實用性。

關鍵詞：飽和度分析；實用系數；階段系數；K-均值聚類

改革開放以來經濟飛速發展，用戶數量和負荷增長迅速，經濟技術開發區、商業中心、政府機構、交通樞紐等負荷急速膨脹，其負荷特性和對供電可靠性的要求與周邊地區的現存負荷密度及特性存在較大差異。城市負荷特性分析和研究是城市電網發展規劃以及決策的重要依據，其精度將直接影響電網規劃質量［1］。

目前，負荷特性研究主要是對相關指標進行研究［2—4］。文獻［5］研究了國家電網年負荷率、最大負荷利用小時數、月不均衡系數、月均日負荷率、典型日負荷等相關指標，得到了國家電網負荷特性。文獻［6］基于分形理論研究了電力系統負荷特性，通過同一地區不同月份的電力系統負荷分形維數，研究了相同空間尺度下電力系統負荷的自相似性，通過不同地區相同時間尺度下電力系統負荷分形維數，研究了相同時間尺度下電力系統負荷的自相似性。

現有負荷特性研究基本沒有涉及用戶報裝容量與實際負荷之間的關系。在配網實際現狀中，用戶報裝容量遠超實際負荷，造成變電站10 kV供電方案較為粗放，變電站出線間隔利用率過低。特別是目前城市業擴報裝容量不斷增加，導致變電站規劃建設與負荷實際運行數據不相符，容量投資浪費。

本文從用戶報裝容量與實際負荷之間的關系著手，分析用戶報裝容量的飽和度，研究用戶報裝容量的利用率，重點分析用戶負荷發展特性，為配電網絡規劃提供決策依據。

1　行業分類

用電行業分類主要按照用電性質行業屬性進行分類，根據供電公司用電劃分可分為八大行業。第一類是建筑行業，包括房地產開發經營、建筑裝飾、建筑材料制造等；第二類是農林牧漁，包括畜牧服務業、農業服務業、排灌等；第三類是公共事業，包括教育事業、政府部門、社會團體組織等；第四類是工業，包括各類加工業和制造業；第五類是商業，包括各類旅游業、批發零售業等；第六類是軟件業，包括計算機服務業、軟件行業等；第七類是金融業，包括保險、銀行、證券等行業；第八類是交通運輸業，包括城市公共交通、電氣化鐵路等行業。

2　報裝容量飽和度指標

報裝容量飽和度分析方法是自下而上的方法，有2個重要的指標：一是實用系數，表示報裝容量的利用率；二是階段系數，表示相對實用系數的年變化值。報裝容量飽和度分析以用戶的負荷發展信息為基礎，確定每一類用電負荷的實用系數，通過各年份的負荷信息確定每一類用電負荷的階段系數。

2.1實用系數

實用系數表征了報裝容量與實際負荷之間的關系，其數值的大小反映了用戶相對報裝容量的實際負荷水平，其計算步驟如下。

（1）針對負控用戶負荷信息進行數據篩選，將異常數據刪除，特別是所選取年份中間有缺失負荷的電力用戶，由于銷戶等原因，已經不產生負荷，因此這一類電力用戶不在研究之列，設有N個電力用戶，則Pij為i用戶在第j年的年最大負荷。

（2）按照區域和行業對所選電力用戶進行分類。

（3）每一用戶終期年份的年最大負荷除以報裝容量即得用戶終期實用系數，計算公式如下

式中：ηi表示i用戶的終期實用系數，Pijmax表示i用戶終期年份j的年最大負荷，Pibz表示i用戶的報裝容量。

（4）對于區域行業內的所有電力用戶，按照容量大小進行加權平均，即可得到區域行業實用系數，計算公式如下

式中：ηm表示m行業終期實用系數，n表示m行業中有n個用戶樣本。

實用系數為電力公司分析用戶報裝容量合理性提供了依據，有助于避免投資浪費。

2.2階段系數

階段系數反映了負荷年實用系數與終期實用系數之間的關系，其計算是用當年實用系數除以終期實用系數。計算步驟如下。

（1）計算電力用戶各年份的實用系數，以當年最大負荷除以報裝容量，即得用戶當年實用系數，計算公式如下

（2）用戶當年實用系數除以終期實用系數即可得用戶階段系數，計算公式如下

式中：γij是i用戶第j年的階段系數。

（3）根據所得用戶階段系數，進行歸一化處理。

通過用戶階段系數的觀察，可以看到負荷逐年發展的情況。階段系數逐年增大，則負荷呈現增長狀態；階段系數逐年減小，則負荷呈現下降狀態；階段系數波動變化，則負荷呈現年波動狀態。

3　報裝容量飽和度趨勢分析模型

計及用戶報裝容量信息，通過合理統計估算某一區域內各用戶的負荷時空特性，按照供電公司行業劃分標準進行電力用戶行業分類，對電力用戶終期實用系數作統計分析，從整體上把握用戶實際負荷與報裝容量之間的關系；對電力用戶階段系數作聚類分析，從用戶實際負荷發展的角度描述用戶報裝容量飽和度趨勢。

3.1 K-均值聚類算法

聚類分析法是一種新興的多元統計方法，是當代分類學與多元統計分析的結合，也是非監督模式識別的一個重要分支［7］。K-均值聚類算法［8］是聚類分析中的一種基本劃分方法，由MacQueen在1967年首次提出。

K-均值聚類算法流程如下［8］：

輸入：數據集X={x1，x2，…，xn}，聚類數目為k。輸出：k個類簇，Cj，j=1，2，…，k。

（1）令I=1，隨機選取k個數據點作為k個類簇的初始簇中心，mj(I)，j=1，2，…，k。

（2）計算每一個數據點與這k個簇中心的距離d(xi，mj(I))，i=1，2，…，n，j=1，2，…，k，如果滿足

d(xi，mj(I))=min{d(xi，mj(I))，

j=1，2，…，k（5）

則xi?Cj。

（3）計算k個新的聚類中心

（4）判斷：若mj(I+1)≠mj(I)，j=1，2，…，k，則I=I+1，返回第2步，否則算法結束。

K-均值聚類算法是一種目前最常用的聚類算法，其算法思想簡便，比較容易實現，能夠滿足本文需求。

報裝容量飽和度分析方法為自下而上的方法，研究用戶的用電負荷特性，建立有效的負荷分類方法及負荷特性指標，分析各類用戶最終用電指標和實際負荷發展情況，確定每一類用戶用電負荷的實用系數和階段系數，以用戶的負荷發展信息為基礎，可得用戶未來負荷預測，用下式表示

Pfij=Pibz×ηi×γij（7）

式中：Pfij為i用戶j年份負荷預測值。

4　算例分析

4.1數據選取

本文算例數據采集自南京地區負控中心，選取2010年新增用戶作為本文研究對象，合計1 815戶電力用戶。

4.2終期實用系數分析

4.2.1終期實用系數概況

現代風險導向審計的涵義一般是指注冊會計師通過對被審單位進行風險職業的分析，從而對被審單位進行風險控制的評價，最后得出剩余的風險系數，然后進行后續的追加審計程序，把剩余的風險指數降到最低。

計算用戶終期實用系數，圖1是用戶終期實用系數的頻數分布圖。

圖1　南京地區用戶終期實用系數分布

從圖1中可以看到，隨著終期實用系數的增大，用戶分布呈現減少的趨勢，根據統計結果，終期實用系數小于0.4的用戶占比達到60%，超過一半的用戶存在“報大用小”的現象，造成了容量投資浪費，也有一小部分用戶存在“報小用大”的現象，導致容量緊張。

4.2.2終期實用系數與行業的關系

按照行業劃分，計算行業終期實用系數，結果如表1。

表1　行業終期實用系數

從表1中可以看到，按照行業劃分，工業的終期實用系數最高，達到了0.4以上，農林牧漁、商業以及軟件業終期實用系數均達到了0.2以上，建筑和公共事業終期實用系數接近0.2，金融業和交通運輸業終期實用系數較低。

根據統計結果，大部分行業終期實用系數較低，如果減少報裝容量，提高終期實用系數，將會大大降低配網建設成本，并且能極大提高電網的運行效率。

4.3階段系數分析

4.3.1階段系數聚類分析

計算用戶階段系數，采用K-均值聚類算法進行聚類分析。經分析，K-均值聚類算法中k值取5，聚類結果如表2所示。

表2　階段系數聚類分析

下降型聚類結果如圖2所示。

圖2　下降型聚類結果

從表2和圖2可得，下降型中，階段系數逐年減小，其中第一年到第二年減幅最大，之后減幅變小，趨于平穩。

波動型聚類結果如圖3所示。

從表2和圖3可得，波動型中，階段系數在第三年達到最大，但是在第四年和第五年又出現下降趨勢，波動較大。

緩升型聚類結果如圖4所示。

從表2和圖4可得，快升型中，階段系數前3年較小，且較少波動，后2年開始增加，且增幅較大。

快升型聚類結果如圖5所示。

從表2和圖5可得，第四類中，階段系數經過第二年的降低，第三年增加較多，后面趨于平穩。

圖3　波動型聚類結果

圖4　緩升型聚類結果

圖5　快升型聚類結果

穩定型聚類結果如圖6所示。

圖6　穩定型聚類結果

從表2和圖6可得，穩定型中，階段系數第一年有增長，從第二年開始趨于平穩，變化幅度較小。

4.3.2階段系數與行業的關系

統計各行業中各類型階段系數的用戶數占比，結果如表3所示。

表3　階段系數與行業的關系%

從表3中可以看到，各行業中，各階段系數類型大體分布較為相似，說明各行業用戶階段系數類型中存在隨機性。各行業也有相對獨立的特點。比如：交通運輸業，穩定型占比為各行業中最高的；工業和軟件業快升型占比較其他行業要高；農林牧漁業下降型占比是各行業中最高的。

通過聚類分析，可以較清楚的看到各行業用戶階段系數逐年變化的規律。通過對不同類型階段系數的分析，有助于配網規劃建設時序的安排，對于不同類型的階段系數宜采用不同的建設時序安排。對于下降型，更多要考慮剛申請時用戶實際負荷；對于波動型，則需要考慮2～3年的實際負荷的變化；對于緩升型，則需要考慮用戶4～6年的實際負荷發展情況，逐步配置容量；對于快升型，則需要考慮負荷第一年以及第二年之后的用戶實際負荷發展情況；對于穩定型，則需要考慮前2年用戶實際負荷的發展情況。

5　結束語

本文將用戶報裝容量作為切入口，分析用戶實際負荷與報裝容量的關系，建立了報裝容量飽和度分析模型。

首先構建了報裝容量飽和度分析模型的2個指標，即實用系數和階段系數。實用系數反映了用戶報裝容量的使用率，階段系數反映了用戶實際負荷發展情況。

以南京地區2010年新增用戶為研究對象，通過實用系數的統計發現，用戶報裝容量的使用率普遍偏低，大量的容量閑置，

造成了容量投資的浪費。通過分行業討論，發現不同行業實用系數有所差別。在階段系數的分析中，引入K-均值聚類算法，將階段系數分為5類，不同類別反映了用戶負荷不同的發展情況，為配電網建設提供了參考。

參考文獻：

［1］蘭宇，譚劍中，李軒，等.地區電網負荷特性研究［J］.能源技術經濟，2010，22（7）：30-35.

［2］鄢安河，付紅軍，張鵬飛，等.河南電網重要負荷特性研究［J］.電網技術，2007，31（5）：75-78.

［3］羅路平，楊超，程虹.江西電網負荷特性研究［J］.電網技術，2013，37（6）：51-54.

［4］魏磊，張琳，姜寧，等.西北地區電網負荷特性研究［J］.電網與清潔能源，2010，26（7）：57-62.

［5］陳偉，周峰，韓新陽，等.國家電網負荷特性分析研究［J］.電力技術經濟，2008，20（4）：25-30.

［6］崔和瑞，武瑞梅.基于分形理論的電力系統負荷特性研究［J］.電力學報，2012，27（3）：181-185.

［7］彭顯剛，賴家文，陳奕.基于聚類分析的客戶用電模式智能識別方法［J］.電力系統保護與控制，2014，42 （19）：68-73.

［8］Macqueen. Some methods for c1assification and ana1ysis of mu1tivariate observations［C］. Proc. 5th Berke1ey Symp. Math. Statist，1967，（1）：281-297.

◆能效與負荷管理◆

Saturabi1ity ana1ysis of new user capacity based on industria1 e1ectricity characteristics

XIAO Jing1，CHEN Jin2，LI Xue1，WANG Bei-bei2，SHEN Pei-feng1
（1. Nanjing Power Supp1y Company，Nanjing 210008，China；2. Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：This paper estab1ishes two saturabi1ity indexes of new capacity based on e1ectricity industry characteristics. They are practica1 coefficient and staged coefficient. This paper proposes an ana1ytica1 mode1 of new capacity saturabi1ity with c1assification of industry and K-mean c1ustering. Through ana1yzing statistica1 regu1arities of user practica1 coefficient，it obtains distribution of user practica1 coefficient and difference among industry practica1 coefficients. Through c1ustering ana1ysis of staged coefficient，it obtains deve1opment situation of actua1 1oad among different kinds of users，providing guidance for construction of distribution network. In the end，this paper verifies the mode1 practicabi1ity with ana1yzing saturabi1ity of new capacity in Nanjing area.

Key Words：saturabi1ity ana1ysis；practica1 coefficient；staged coefficient；K-mean c1ustering

作者簡介：肖晶（1981），女，江蘇徐州人，工學碩士，高級工程師，從事電網規劃工作；陳晉（1989），男，江蘇揚州人，碩士研究生，主要研究方向為電力市場和需求側管理；李雪（1979），女，江蘇淮安人，工學碩士，高級工程師，從事電網規劃工作；王蓓蓓（1979），女，安徽蒙城人，博士，副教授，主要研究方向為電力市場和需求側管理。

基金項目：國家電網公司科技項目（柔性負荷參與地區電網調度的關鍵技術研究與應用）

收稿日期：2015-10-29；修回日期：2015-11-02

中圖分類號：TM714

文獻標志碼：A