胡列翔，徐 謙，張全明，趙榮祥，甘德強，吳 浩

（1.浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310058）

浙江省是全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)之一，改革開放以來，GDP一直保持平均兩位數(shù)增長，“十一五”期間年均增長11.9%。與此相應(yīng)，浙江電網(wǎng)的負(fù)荷也處于快速發(fā)展期，“十一五”期間全省最大負(fù)荷和年用電量年均增長12.4%和11.8%。2010年，浙江全省用電量2 824億kWh，最大負(fù)荷4 560萬kW，人均用電量5 185 kWh。

自1990年開始，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家的年用電量增長率僅為1%～3%，2000年后，增長速度進(jìn)一步放緩，這表明電力負(fù)荷的發(fā)展具有飽和性。由此，我國部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已開展了飽和負(fù)荷預(yù)測的研究[1-2]，以滿足電網(wǎng)中長期發(fā)展規(guī)劃的需要。

初步研究表明，估計浙江電網(wǎng)負(fù)荷飽和時的年用電量為5 500億kWh，最大負(fù)荷為10 500萬kW，人均用電量為9 000～10 000 kWh[3]。而2011年全省最大用電負(fù)荷已突破5 000萬kW。可見，目前浙江省的用電量和負(fù)荷指標(biāo)已達(dá)到飽和值的約50%。

顯然，研究發(fā)達(dá)國家的電網(wǎng)發(fā)展過程，科學(xué)劃分電網(wǎng)的發(fā)展階段，掌握電網(wǎng)各發(fā)展階段的特點，對我國電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 日本和英國人均用電量的發(fā)展

一個地區(qū)的年用電量不僅反映了該地區(qū)的電網(wǎng)發(fā)展水平，也反映了其經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平，而人均用電量則進(jìn)一步排除了人口增減的影響，具有更強的可比性。此外，與裝機容量、變電站供電半徑、輸電線長度等具體的電網(wǎng)數(shù)值特征指標(biāo)相比，用電量數(shù)據(jù)較公開，易于獲取。因此，以下以人均用電量為主要依據(jù)，輔以年用電量和電網(wǎng)建設(shè)信息，研究電網(wǎng)發(fā)展階段的特征。

圖1和圖2顯示了1960—2008年日本和英國人均用電量及年增長率的變化情況[4]。

圖1 日本的人均用電量及年增長率

圖2 英國的人均用電量及年增長率

由圖1可見，日本的人均用電量曲線并不光滑，增長率曲線具有較大的波動性?？偟膩砜?，48年間，日本的人均用電量增長了7.4倍，其中，1960—1970年的增長率約為12%～15%，1970—1990年大約為5%，1990年后降至1.5%左右。

圖2表明，英國人均用電量曲線的波動性更明顯，年增長率曲線則大致展現(xiàn)了從7%左右降至0%的趨勢。48年間，英國的人均用電量僅增長了2.5倍，間接表明半個世紀(jì)以來英國的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展較為緩慢。從這一角度來看，日本電網(wǎng)的發(fā)展過程對我國電網(wǎng)的發(fā)展研究更具有參考價值。

年增長率及人均用電量曲線的大幅降低與相應(yīng)時期的經(jīng)濟(jì)和能源狀況密切相關(guān)。如1974年和1980年的2個最低點可歸結(jié)于該時期的兩次能源危機，2008年日本人均用電量的大幅減少可歸結(jié)于該年發(fā)生的全球金融危機。由于用電量數(shù)據(jù)易受經(jīng)濟(jì)和能源等外部條件的影響，故進(jìn)行電網(wǎng)發(fā)展階段的研究前，可以剝離數(shù)據(jù)中的偶然波動性。

2 Logistic模型及發(fā)展階段的劃分

1838年提出的Logistic模型可用來模擬一種事物在資源限制狀態(tài)下呈“S”型增長的發(fā)展過程，目前已廣泛應(yīng)用于人口學(xué)、城市規(guī)劃、生態(tài)學(xué)、知識增長、社會交往、商業(yè)組織等研究領(lǐng)域。該模型一般可表示成以下形式[5-6]：

式中：U（t）稱為Logistic函數(shù)，表示所研究的變量關(guān)于時間的函數(shù)；a是與函數(shù)初始值有關(guān)的參數(shù)；b是增長參數(shù)；c為函數(shù)的飽和值。圖3顯示了Logistic函數(shù)曲線及其相關(guān)的3個特征點。

圖3 Logistic函數(shù)曲線

由圖3可見，Logistic函數(shù)為單調(diào)遞增函數(shù)，隨著t的增長，經(jīng)歷了緩慢增長、快速增長和飽和增長3個階段。其相應(yīng)的增長速度曲線具有唯一的單峰，對應(yīng)于特征點Dm；增長加速度曲線有3個特征點，其中Dm的加速度為0，D1和D2分別對應(yīng)于最大和最小加速度的特征點。

顯然，3個特征點將Logistic函數(shù)曲線分為4段，可解讀為初始發(fā)展階段、快速發(fā)展階段、后發(fā)展階段和飽和發(fā)展階段，這為科學(xué)劃分具有緩慢增長、快速增長和飽和增長特性的發(fā)展階段提供了依據(jù)。

3 日本和英國電網(wǎng)發(fā)展階段的劃分

利用Logistic模型擬合日本和英國的人均用電量和年用電量曲線，結(jié)果見表1。

表1 基于Logistic模型的日本和英國電網(wǎng)發(fā)展階段

由表1可見，從人均用電量和年用電量2個角度，日本電網(wǎng)均獲得了相近的發(fā)展階段劃分，即：在20世紀(jì)60年代中期進(jìn)入快速發(fā)展階段；約15年后，在70年代末進(jìn)入后發(fā)展階段；再約15年后，在90年代中期進(jìn)入飽和發(fā)展階段；2008年其人均用電量和年用電量均接近飽和值的90%。圖4和圖5對比了日本人均用電量/年用電量的原始數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果，可見，Logistic模型取得了較好的擬合效果。

英國的人均用電量和年用電量擬合效果不佳，表現(xiàn)為表1中區(qū)分后發(fā)展和飽和發(fā)展階段的特征點D2有10年的差距，原因是1960—2008年英國的人均用電量和年用電量僅增長了2.5和2.9倍，相當(dāng)于日本相應(yīng)值的1/3，較小的數(shù)據(jù)變化幅度制約了擬合的精度。

圖4 日本人均用電量及Logistic模型擬合

圖5 日本年用電量及Logistic模型擬合

盡管如此，從表1仍可看出，英國電網(wǎng)大致在20世紀(jì)40年代前期進(jìn)入快速發(fā)展階段，60年代后期進(jìn)入后發(fā)展階段，1990年前后進(jìn)入飽和發(fā)展階段。作為對這一論斷的支持，圖6給出了1950—1980年英國中央發(fā)電局超高壓輸電線建設(shè)的統(tǒng)計結(jié)果[7]。由圖可見，1955—1970年，特別是1965—1970年，是英國400 kV輸電系統(tǒng)的建設(shè)高峰?？紤]到電力工業(yè)的先行性，故判斷英國電網(wǎng)的快速發(fā)展至后發(fā)展轉(zhuǎn)折點位于60年代后期是合理、可信的，從而認(rèn)為上述發(fā)展階段的劃分也基本合理。

此外，表1也表明，在3個特征點上，日本電網(wǎng)的年增長率均大于英國電網(wǎng)的年增長率。因此，年增長率不能作為劃分電網(wǎng)發(fā)展階段的依據(jù)。

4 結(jié)語

圖6 英國中央發(fā)電局1950—1980年超高壓輸電線的建設(shè)

根據(jù)Logistic模型，電網(wǎng)發(fā)展可劃分為初始發(fā)展、快速發(fā)展、后發(fā)展和飽和發(fā)展4個階段。日本電網(wǎng)1960—2008年人均用電量和年用電量的數(shù)據(jù)研究表明，其快速發(fā)展和后發(fā)展階段均持續(xù)約15年；而英國同類數(shù)據(jù)和相關(guān)資料的研究表明，電網(wǎng)建設(shè)的高峰出現(xiàn)在快速發(fā)展和后發(fā)展階段轉(zhuǎn)折點前0～10年。

由浙江電網(wǎng)2010年及負(fù)荷飽和時的年用電量和人均用電量可知，目前用電指標(biāo)的數(shù)值已達(dá)到飽和值的約50%，參考日本等國的發(fā)展周期，可以認(rèn)為浙江電網(wǎng)在“十二五”末、“十三五”初將進(jìn)入后發(fā)展期，在“十四五”末、“十五五”初可能進(jìn)入飽和發(fā)展期。

電網(wǎng)的不同發(fā)展階段具有不同的電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、運行、維護(hù)和管理任務(wù)，掌握電網(wǎng)發(fā)展所處的階段有利于適時調(diào)整工作重點、把握工作方向。因此，學(xué)習(xí)和借鑒發(fā)達(dá)國家的電網(wǎng)在不同發(fā)展階段的經(jīng)驗和教訓(xùn)，對保證我國電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

[1]崔凱，李敬如，趙彪，等．城市飽和負(fù)荷及其預(yù)測方法研究[J]．電力供需分析，2008，20（6）:34-38.

[2]王芳東，林韓，李傳棟，等．基于經(jīng)濟(jì)曲線飽和態(tài)勢分析的飽和負(fù)荷宏觀預(yù)測研究[J]．華東電力，2010，38（10）:1485-1490.

[3]浙江省電力試驗研究院．電網(wǎng)規(guī)劃模型研究[R]．2008.

[4]世界銀行（World Bank）[EB/OL]．http://data.worldbank.org/.

[5]陳彥光，周一星．城市化Logistic過程的階段劃分及其空間解釋——對Northam曲線的修正與發(fā)展[J]．經(jīng)濟(jì)地理，2005，25（6）:817-822.

[6]王建軍，吳志強．城鎮(zhèn)化發(fā)展階段劃分[J]．地理學(xué)報，2009，64（2）:177-188.

[7]R.JACKSON，J.FERGUSON，G.LEWIS，R.GIBBON．Supergrid condition assessment[J]．Electronics and Power，1987，33（10）:641-644.