“煤改電”工程實施前后農網負荷特性分析

劉艷茹 楊衛紅 王 基 貢曉旭

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“煤改電”工程實施前后農網負荷特性分析

劉艷茹1楊衛紅1王 基2貢曉旭1

（1. 國網北京經濟技術研究院，北京 100053；2. 國家電網公司，北京 100209）

為了科學開展農村電力需求預測及統籌農網規劃，本文選取了北京、天津武清、河北保定3個“煤改電”重點實施區域農網，結合新一輪農村電網改造升級開展的機井通電、村村通動力電、小城鎮（中心村）電網改造升級等專項規劃，開展了“煤改電”工程實施后的電力需求預測，并對比了“煤改電”工程實施前后農網的負荷特性變化，分析了農村電力需求的適應能力。

煤改電；農網；負荷預測；負荷特性

隨著我國工業化、城鎮化的深入推進，能源資源消耗持續增加，我國環境污染日趨嚴重，溫室氣體減排壓力巨大。近幾年來，我國遭遇了大范圍的霧霾天氣，特別是在冬季供暖期，部分北方城市達到重度污染，嚴重影響了人民群眾生產生活和生命健康。黨和政府高度重視節能減排工作，黨的十八大把生態文明建設納入中國特色社會主義事業總體布局。2013年國務院頒布了《大氣污染防治行動計劃》，同年環境保護部、國家發改委等六部委頒布了《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》，明確提出了大氣污染治理方針和措施。

目前，已初步明確2016—2017年在京津冀區域開展“煤改電”工程，“煤改電”負荷的接入會對電網帶來負荷大幅且不均衡增長、電網峰谷差加大等影響，“煤改電”實施區域的負荷特性將發生變化[1]，本文通過開展“煤改電”區域負荷預測，同時結合實施“煤改電”農網區域開展的農村機井通電、村村通動力電、小城鎮（中心村）電網改造升級等新一輪農村電網改造升級工程的電力需求，分析“煤改電”工程實施后農村負荷特性變化，綜合考慮其對電網規劃運行產生的影響，為科學開展農村電力需求預測、統籌農村電網規劃、提高農網適應性提供參考。

1 農村負荷類型及特點

農村居民用電按電價類別一般可分為農村居民生活、農業生產、農村一般工商業及其他3大類。根據農村發展水平差異，各類用電類別電量水平亦有相應不同，一般來講經濟發展水平相對較低的地區，居民生活用電所占比重較大。

1.1 農村負荷類型

1）農村居民生活用電

農村居民生活用電可分為照明負荷和家用電器負荷。照明電器主要是白熾燈和日光燈，家用電器主要有電磁爐、空調、電冰箱、電視機、電暖氣等。隨著農村居民生活水平的不斷提高，居民生活用電迅猛增長。農村居民用電在一日內變化較大，白天和深夜用電量較小，而每天晚上八點左右用電量較大。

農村居民用電季節用電量也變化很大。南方酷暑時節，通風降溫用電，如電風扇、大功率空調大量使用，使生活用電負荷大大增加。在北方地區，為實現《大氣污染防治行動計劃》目標，通過農村地區取暖“煤改電”工程建設，電熱器將成為居民冬季取暖的主要方式。在冬季，隨著部分電采暖設備的投入使用，將造成北方地區冬季負荷明顯增加。

2）農業生產用電

農業生產主要涵蓋農業排灌、大棚種植、農產品加工、畜牧業養殖等，其用電特征是時間集中、機械用電負荷大，季節性特征明顯，非生產季節設備閑置，用電負荷直線下降，供電設施投資回報率較低。

（1）排灌用電

影響排灌用電的主要因素為氣候狀況，在風調雨順、氣候正常的情況下，排灌用電減少；反之，用電量增加。

（2）農副業加工用電

農副業加工用電主要用于農村脫粒、糧食、飼料加工用電。脫粒的時間一般集中在5、7、10—11月份3個時期。

3）農村一般工商業

（1）鄉（鎮）村工業用電

在經濟發達的省（市、地區），鄉（鎮）村工業用電已發展為門類齊全的工業結構，成為農村經濟中的主要支柱。鄉（鎮）村工業用電量已在農村用電中占較大比重。一般擁有固定的組織、生產場所、生產設備和從業人員，常年從事生產經營活動，或從事季節性生產經營，全年開工時間在3個月以上。

（2）商業用電

商業負荷主要是指為從事商業經營或圍繞商業的一些其他服務行業（如餐飲、娛樂部門等）提供照明、動力、通風和空調等用電負荷。它的特點是用電增長平穩，具有季節性并且易受天氣變化影響。在節假日時，其他用電負荷基本上處于較低水平，而商業負荷卻正是處于最高用電階段。

1.2 農村負荷特點

綜上所述，根據農村電力負荷類型，農村電力負荷主要有以下特點[2]：

1）季節性

農村主要以農耕為主，受到很強的季節性干擾。灌溉以及農產品的生產以及加工都主要集中在春秋兩季，從而使得這兩個季節的負荷相對較高，而淡季夏冬兩季負荷則較低。

2）功率因數低

農村用戶很少出現大型無功補償設備，都采用小型異步電動機，致使無功損失偏大，功率因數很低，致使網損較大。

3）農網結構改變較大

隨著新型城鎮化和美麗鄉村建設，將會帶來農村產業機構的變化，負荷情況也會發生改變。

2 農村“煤改電”工程實施后的電力需求預測

2.1 負荷預測方法

負荷預測方法[3]主要有回歸分析法、時間序列法、指數平滑法、灰色模型法、專家系統法、人工神經網絡法等。

在進行農網電力負荷預測時，應充分考慮到國家近期的扶貧攻堅、大氣污染防治、新一輪農村電網改造等一系列農村建設改造政策，結合“煤改電”、機井通電、小城鎮（中心村）電網改造升級、村村通動力電、扶貧開發工程等專項工程，根據其當地負荷類型及其特點開展農村負荷預測[4]，部分用電負荷指標見表1。

表1 部分用電負荷指標

開展“煤改電”工程的地區，其冬季負荷較實施“煤改電”工程前有一定增幅，根據該地區用戶情況，電采暖戶均供電容量按照6～9kW考慮，同時率按照0.4～0.6考慮，在其歷史冬季負荷基礎上，相應增加電采暖負荷。

2.2 電力需求預測

選取北京、天津武清、河北保定3個農村“煤改電”重點實施區域，根據各地“十三五”新一輪農村電網改造升級規劃，“煤改電”、農村機井通電、村村通動力電、小城鎮（中心村）電網改造升級等專項工程的建設時間為2016—2017兩年時間，因此選取2017年為規劃年開展負荷預測，分析“煤改電”等各專項工程實施后對農網負荷帶來的影響。2017年北京、天津、河北保定農村“煤改電”區域電力需求預測結果見表2。

表2 各地“煤改電”區域農村電力需求預測結果 （單位：萬kW）

注：北京市“十三五”期間無機井通電、動力電、小城鎮（中心村）建設需求；天津市“十三五”期間無機井通電、動力電建設需求。

可以看出，結合各專項規劃及其他自然增長負荷預測結果，2017年北京、天津武清、河北保定三地“煤改電”實施區域的農網最大負荷分別為652萬kW、130萬kW、282萬kW；各地區負荷都有較大幅度的增長，其中河北保定地區農網負荷年均增速達到了132%，主要由于其新增“煤改電”負荷占比較大，為62%。北京地區農網負荷年均增速相對較低，為35%，主要由于其新增“煤改電”負荷占比較小，僅為18%。

從2016—2017年新增負荷來看，河北保定農網新增“煤改電”負荷較大，為175萬kW，天津武清2016—2017年農網新增“煤改電”負荷較小，為33萬kW；天津武清包含小城鎮（中心村）改造升級新增負荷，河北保定包含機井通電、村村通動力和小城鎮（中心村）改造升級新增負荷，但總量均較小。

3 農村“煤改電”工程實施前后的負荷特性分析

結合北京、天津武清、河北保定3個地區農網“煤改電”實施重點區域的電力需求預測結果，對比其現狀年（2015年）和規劃年（2017年）的負荷特性，重點分析“煤改電”工程實施完成后對當地農網負荷特性的影響。

3.1 北京“煤改電”重點區域農網負荷特性分析

1）年負荷特性

北京“煤改電”實施重點區域農網2015年現狀年負荷曲線（藍色）如圖1所示。可以看出，“煤改電”工程實施前，北京地區最大負荷出現在8月，為482萬kW，季不均衡系數為0.8（即全年各月最大日的最大負荷之和的平均值與年最大負荷的比值）。

圖1 北京農網“煤改電”工程實施前后年負荷曲線

2017年北京農村地區“煤改電”工程實施后，預計新增電采暖負荷（灰影區域）主要集中在冬季1—3月和11—12月，11月達到峰值，為119萬kW，占其農網負荷的18%。

2）年最大日負荷變化曲線

以現狀年（2015年）夏大和冬大日負荷曲線為基礎，結合北京新增“煤改電”和其他自然增長負荷的日負荷特性曲線，疊加得到規劃年（2017年）夏大和冬大日負荷曲線數據，如圖2所示。可以看出，夏季典型日的最大負荷一般出現在晚間的 16∶00—20∶00，“煤改電”工程實施前后夏季最大日負荷曲線變化不大，而冬季典型日的最大負荷時刻發生變化。主要由于“煤改電”工程的電采暖負荷一般出現在冬季的采暖季，因此僅冬季典型日負荷曲線發生變化。

圖2 北京農網“煤改電”工程實施前后日負荷曲線

以日最大負荷為基準值，北京“煤改電”實施重點區域農網2015、2017年最大日負荷率曲線如圖3所示。可以看出，“煤改電”工程實施前，冬季典型日的最大負荷一般出現在晚間的20∶00— 24∶00；“煤改電”工程實施后，冬季典型日最大負荷一般出現在晚間時段的22∶00至次日7∶00。“煤改電”工程實施前后冬季典型日的最大負荷峰谷差率（即日最大、最小負荷之差與日最大負荷的百分比值）分別為5%和19%，平均負荷率（即日24個整點負荷的平均值與日最大負荷的百分比）分別為0.97和0.89。主要由于北京農村地區現狀負荷曲線較平穩，峰谷差不大，“煤改電”工程的實施，造成北京農網地區的負荷峰谷差變大，負荷曲線波動明顯。

圖3 北京農網“煤改電”工程實施前后年最大日負荷曲線

3.2 天津武清“煤改電”重點區域農網負荷特性分析

1）年負荷特性

天津武清“煤改電”實施重點區域農網2015年現狀年負荷曲線（）如圖4所示。可以看出，“煤改電”工程實施前，天津武清地區最大負荷出現在8月，為85萬kW，季不均衡系數為0.87。

2017年，天津武清農村地區“煤改電”工程實施后，預計新增電采暖負荷（灰影區域）主要集中在冬季1—3月和11—12月，1月達到峰值，為32.7萬kW，占其農網負荷的25%。

圖4 天津武清區農網“煤改電”工程實施前后年負荷曲線

2）年最大日負荷變化曲線

以現狀年（2015年）夏大和冬大日負荷曲線為基礎，結合天津新增“煤改電”、小城鎮（中心村）及其他自然增長負荷的日負荷特性曲線，疊加得到規劃年（2017年）夏大和冬大日負荷曲線數據，如圖5所示。可以看出，夏季典型日的最大負荷一般出現在上午的9∶00—11∶00，“煤改電”工程實施前后夏季最大日負荷曲線變化不大，而冬季典型日的最大負荷時刻發生變化。主要由于“煤改電”工程的電采暖負荷一般出現在冬季的采暖季，因此僅冬季典型日負荷曲線發生變化。

圖5 天津武清農網“煤改電”工程實施前后日負荷曲線

以日最大負荷為基準值，天津武清“煤改電”實施重點區域農網2015、2017年最大日負荷率曲線如圖6所示。可以看出，“煤改電”工程實施前，冬季典型日的最大負荷一般出現在上午的9∶00—11∶00；“煤改電”工程實施后，冬季典型日最大負荷一般出現在晚上的18∶00—20∶00。“煤改電”工程實施前后冬季典型日的最大負荷峰谷差率分別為40%和42%，平均負荷率分別為0.81和0.8，負荷曲線波動程度變化不大。

圖6 天津武清農網“煤改電”工程實施前后年最大日負荷曲線

3.3 河北保定“煤改電”重點區域農網負荷特性分析

1）年負荷特性

河北保定“煤改電”實施重點區域農網2015年現狀年負荷曲線（）如圖7所示。“煤改電”工程實施前，河北保定地區最大負荷出現在7月，為121萬kW，季不均衡系數為0.8。

圖7 河北保定農網“煤改電”工程實施前后年負荷曲線

2017年，河北“煤改電”工程實施后，預計新增電采暖負荷（灰影區域）主要集中在冬季1—3月和11—12月，1月達到峰值，為175萬kW，占其農網負荷的62%，比重較大。

河北保定“煤改電”實施重點區域農網的機井通電新增負荷較小，且由于供暖期和灌溉季節不同步，負荷不會疊加，初步認為“煤改電”工程建設需求基本能夠覆蓋機井通電建設需求。

2）年最大日負荷變化曲線

以現狀年（2015年）夏大和冬大日負荷曲線為基礎，結合天津新增“煤改電”、機井通電、動力電、小城鎮（中心村）及其他自然增長負荷的日負荷特性曲線，疊加得到規劃年（2017年）夏大和冬大日負荷曲線數據，如圖8所示。可以看出，夏季典型日的最大負荷一般出現在上午的9∶00—11∶00，“煤改電”工程實施前后夏季最大日負荷曲線變化不大，而冬季典型日的最大負荷時刻發生變化。主要由于“煤改電”工程的電采暖負荷一般出現在冬季的采暖季，因此僅冬季典型日負荷曲線發生變化。

以日最大負荷為基準值，河北保定“煤改電”實施重點區域農網2015、2017年最大日負荷率曲線如圖9所示。可以看出，“煤改電”工程實施前，冬季典型日的最大負荷一般出現在上午的9∶00—11∶00和下午17∶00—19∶00；“煤改電”工程實施后，冬季典型日最大負荷一般出現在晚上的 22∶00至次日7∶00。“煤改電”工程實施前后冬季典型日的最大負荷峰谷差率分別為51%和66%，平均負荷率分別為0.75和0.6。主要由于其農網地區新增“煤改電”負荷比重較高，由于電采暖負荷時段性的特點，造成“煤改電”工程實施后河北農網地區的負荷峰谷差較大，日負荷曲線波動明顯。

圖9 河北保定農網“煤改電”工程實施前后年最大日負荷曲線

3.4 “煤改電”實施后農網負荷變化趨勢分析

1）從北京、天津武清、河北保定“煤改電”實施重點區域農網的年負荷特性來看，“煤改電”工程實施后，各地負荷特性曲線高峰均由夏季轉移到冬季，當地電采暖負荷需求比重越高，季不均衡系數越低，負荷曲線波動性越明顯。

2）從北京、天津武清、河北保定“煤改電”實施重點區域農網的冬季負荷最大日負荷曲線來看，“煤改電”工程實施后，由于電采暖負荷的增加，冬季典型日最大負荷由上午時段轉移到晚間時段，當地“煤改電”工程新增負荷需求比重越高，其日負荷曲線的峰谷差越高，負荷曲線波動性越明顯。

3）“煤改電”實施重點區域農網的機井通電、小城鎮（中心村）、動力電等新增負荷均相對較小，且由于供暖期和灌溉季節不同步，灌溉負荷與取暖負荷基本不會疊加，初步認為“煤改電”負荷需求基本覆蓋機井通電、小城鎮（中心村）建設、通動力電的農網負荷需求。

4 結論

通過對“煤改電”實施后農網負荷特性開展分析研究，總結如下：

1）“煤改電”工程實施后，京津冀區域農網負荷都有較大幅度的增長。

由于供暖期和灌溉季節不同步，且小城鎮（中心村）、動力電負荷相對較小，初步認為在“煤改電”需求較大的農網，“煤改電”負荷需求基本能夠覆蓋機井通電、小城鎮（中心村）建設、通動力電等農網專項工程的新增負荷需求。在開展農村電力需求預測過程中，應結合“煤改電”、農村機井通電負荷季節性特點，統籌考慮農村通動力電、小城鎮（中心村）改造升級等各專項規劃的電力需求。

2）“煤改電”工程實施后，農網的年負荷曲線和典型日負荷曲線峰谷時段均發生了偏移。

從年負荷曲線來看，“煤改電”工程實施后，各地負荷特性曲線高峰均由夏季轉移到冬季，當地“煤改電”工程新增負荷需求比重越高，季不均衡系數越低，負荷曲線波動性越明顯；從年最大日負荷曲線來看，“煤改電”工程實施后，由于電采暖負荷的增加，冬季典型日最大負荷由上午時段轉移到晚間時段，當地“煤改電”工程新增負荷需求比重越高，其日負荷曲線的峰谷差越高，負荷曲線波動性越明顯。

3）應統籌考慮“煤改電”工程實施的影響，科學開展配電網規劃和建設。

（1）從負荷預測結果來看，由于“煤改電”負荷增長較大，在開展配電網規劃時，“煤改電”工程地區建設規模基本能夠覆蓋農網其他專項工程建設需求。但考慮配電網負荷分散性特點，在“煤改電”工程未覆蓋到的農網地區，仍需考慮其他專項工程的建設需求。

（2）從“煤改電”工程實施后負荷特性變化來看，“煤改電”工程實施后的農網地區最大負荷出現在冬季，傳統的“迎峰度夏”將轉變為“迎峰度冬”，在項目開工投產、計劃檢修安排等過程中，應考慮其負荷特性變化對電網建設和運行帶來的影響，確保電網安全穩定供電。

[1] 高澤, 陳登明, 楊建華, 等. 計及“煤改電”的農村低壓配電網規劃研究[J]. 電工電氣, 2015(5): 1-5, 14.

[2] 尚志高. 農村居民用電負荷分析與預測[J]. 河南電力, 2015(2): 12-15.

[3] 趙希正. 中國電力負荷特性分析與預測[M]. 北京:中國電力出版社, 2002.

[4] 劉思, 白樺, 張凱, 等. 基于擬合優度賦權的農網用電需求組合預測[J]. 電力建設, 2015, 36(8): 55-60.

Load Characteristic Analysis of Rural Network before and after the Coal-to-electricity Project

Liu Yanru1Yang Weihong1Wang Ji2Gong Xiaoxu1

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 100053; 2. State Grid Corporation of China, Beijing100209)

In order to plan rural power grid more accurately, combining with the new round of rural grid modification and upgrading project planning, and central village grid upgrade, three rural network regionals of coal-to-electricity project, including Beijing, Tianjin Wuqing, Hebei Baoding, have been chosen to predict the rural load when the coal-to-electricity project completed. Then the change of load characteristics were compared between before and after the coal-to-electricity project.

coal-to-electricity; rural network; load forecasting; load characteristic

劉艷茹（1985-），女，山東省濰坊市人，工學碩士，工程師，主要從事配電網規劃和電力系統分析研究工作。