張偉昌 ，賈善杰 ，薛萬(wàn)磊 ，路 寬 ，趙 昕

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；2.國(guó)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(guó)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(wèn)題越來(lái)越突出。如果在城市電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，隨著城市的發(fā)展勢(shì)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(huì)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(zhǎng)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(cè)也稱(chēng)為小區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)［2］，主要思路是將城市分成若干小區(qū)，再預(yù)測(cè)每個(gè)小區(qū)的負(fù)荷［3－4］。對(duì)于小區(qū)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)，空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的精度比其他預(yù)測(cè)方法高［5］。鑒于城市建設(shè)及負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，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(cè)模型，并以山東省為例，對(duì)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(cè)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(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。從發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(shí)間有階躍性增長(zhǎng)，而是按照自然規(guī)律呈現(xiàn)較平緩增長(zhǎng)的狀態(tài)。圖1為一個(gè)地區(qū)的負(fù)荷增長(zhǎng)呈S型曲線規(guī)律的示意圖。可見(jiàn)，負(fù)荷在經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的較快增長(zhǎng)后，進(jìn)入低速平緩增長(zhǎng)階段，即飽和階段。此階段的負(fù)荷稱(chēng)為飽和負(fù)荷。

圖1 負(fù)荷增長(zhǎng)過(guò)程示意圖

參考美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家不同發(fā)展階段經(jīng)濟(jì)和電力需求的關(guān)系，一個(gè)地區(qū)電力負(fù)荷進(jìn)入飽和階段時(shí)一般具有如下特征：（1）電力負(fù)荷水平比較高，且長(zhǎng)期低速平穩(wěn)增長(zhǎng)，一般連續(xù)5年左右年均負(fù)荷增長(zhǎng)率不超過(guò)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(gè)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(shí)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(cè)值；n為劃分的地塊數(shù)量；ki為第i個(gè)地塊上各功能區(qū)負(fù)荷的同時(shí)率；Dij為第i個(gè)地塊上第j種功能區(qū)的負(fù)荷密度；Sij為第i個(gè)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(zhǎng)的時(shí)期后，負(fù)荷密度就會(huì)達(dá)到飽和，這時(shí)，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(guò)跨地塊分析和預(yù)測(cè)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(hù)組合成一種邏輯功能區(qū)。這種方法不針對(duì)某個(gè)具體的地塊分析其負(fù)荷密度，只要用戶(hù)的數(shù)量足夠多，用戶(hù)的典型性較強(qiáng)，分析得到的負(fù)荷密度就可以代表同類(lèi)用戶(hù)，就可以作為該功能區(qū)的負(fù)荷密度，見(jiàn)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(shí)也比較靈活方便，相近的功能區(qū)也可以劃歸為統(tǒng)一類(lèi)型，如圖2中的地塊2的居民用戶(hù)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(mén)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(cè)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(cè)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(shí)考慮每類(lèi)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(jì)居民住房用地的負(fù)荷密度時(shí)，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(kāi)發(fā)為高層建筑，建筑容積率大，建筑面積大；開(kāi)發(fā)為別墅區(qū)，其建筑容積率小，建筑面積小。顯然開(kāi)發(fā)為高層建筑的單位占地負(fù)荷密度大，開(kāi)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(guò)單位建筑面積負(fù)荷乘以其地塊的建筑容積率來(lái)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(lèi)功能區(qū)的建筑容積率；Dij為第i地塊第j類(lèi)功能區(qū)以建筑面積計(jì)的飽和負(fù)荷密度。

在式（2）的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)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(duì)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(shí)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(gè)分區(qū)的總負(fù)荷值時(shí)，可以預(yù)測(cè)出各分區(qū)的遠(yuǎn)景飽和負(fù)荷。對(duì)于不同類(lèi)別的負(fù)荷，因負(fù)荷特性不同，出現(xiàn)的最大負(fù)荷時(shí)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(shí)間在 8：00—18：00，商業(yè)用電在9：00—22：00，即存在一個(gè)負(fù)荷同時(shí)率的問(wèn)題。因此，對(duì)于不同類(lèi)型的負(fù)荷不能直接把他們相加。根據(jù)對(duì)各個(gè)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(shí)率一般變化不大，可以取一個(gè)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(shí)率較大，取0.85。

3 山東省及分地區(qū)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)

21世紀(jì)以來(lái)，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(shí)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(shí)間。“十二五”時(shí)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(jì)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(zhǎng)期走勢(shì)

圖4 山東省中長(zhǎng)期用電增速趨勢(shì)

在研究出現(xiàn)飽和電量（電量持續(xù)低增長(zhǎng)）時(shí)的經(jīng)濟(jì)與用電指標(biāo)時(shí)，既要考慮普遍規(guī)律，又要考慮山東省的實(shí)際情況。通過(guò)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(cè)結(jié)果

通過(guò)前面多因素分析，以電力需求持續(xù)低增長(zhǎng)，年均負(fù)荷增長(zhǎng)率不超過(guò)2%為主要判據(jù)，預(yù)測(cè)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(guò)10000億kWh，飽和負(fù)荷（考慮同時(shí)率）超過(guò)1.7億kW；飽和時(shí)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(shí)經(jīng)濟(jì)與用電指標(biāo)

表2 達(dá)到飽和階段時(shí)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(huì)及國(guó)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(huì)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(gè)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(shí)間以及飽和指標(biāo)特征也會(huì)有明顯差別。濟(jì)南、青島等省內(nèi)發(fā)展較快地區(qū)，將會(huì)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(yǔ)

本文主要采用負(fù)荷密度及飽和負(fù)荷分析預(yù)測(cè)方法來(lái)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(cè)，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(shí)間和飽和特征量指標(biāo)，對(duì)山東省經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(shí)間，提出適合山東省特點(diǎn)的負(fù)荷飽和判據(jù)。

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