張 賁，史沛然，蔣 超

（1.國家電網(wǎng)公司華北分部，北京 100053；2.北京清軟創(chuàng)新科技有限公司，北京 100085）

0 引言

京津唐電網(wǎng)覆蓋北京、天津2個直轄市，以及河北北部的唐山、承德、秦皇島、張家口、廊坊等，是一個獨立的電網(wǎng)控制區(qū)。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高，京津唐電網(wǎng)用電負荷呈現(xiàn)日趨明顯的城市負荷特性，夏季空調(diào)制冷負荷占夏季總負荷比重已經(jīng)超過20%，且這一比重有日益增長的趨勢，這將導致京津唐電網(wǎng)夏季負荷隨溫度、濕度等天氣變化而顯著變化。因此，研究氣象因素對京津唐電網(wǎng)夏季負荷特性的影響，直接影響京津唐電網(wǎng)夏季短期負荷預(yù)測的準確性，進而對京津唐電網(wǎng)經(jīng)濟運行有著重要的意義。

文獻［1-3］研究了溫度累積效應(yīng)對電網(wǎng)夏季負荷的影響，研究方法大同小異，都提出了類似的用離散的累積系數(shù)和溫度修正公式來反映累積效應(yīng)強度的方法。文獻［4-6］都對氣象因素的變化對電網(wǎng)負荷的影響進行了研究，氣象因素對于短期負荷預(yù)測帶來的重要影響已經(jīng)形成共識。

本文在研究京津唐電網(wǎng)負荷特性的基礎(chǔ)上，重點針對氣象因素對夏季電網(wǎng)負荷特性的影響展開分析，找出其中的典型規(guī)律，并以此建立應(yīng)用系統(tǒng)，輔助提供電網(wǎng)負荷預(yù)測數(shù)據(jù)，切實提高京津唐電網(wǎng)負荷預(yù)測準確度。

1 京津唐電網(wǎng)的夏季負荷特性

從年負荷來看，京津唐電網(wǎng)負荷呈現(xiàn)夏季（6、7、8月）、冬季（12、1、2 月）2 個用電高峰。夏季既是生產(chǎn)旺季，同時又是氣溫較高時期，制冷設(shè)備用電量大幅度增加，因此氣象因素對于京津唐電網(wǎng)的夏季用電負荷水平有較大影響。

從日負荷來看，京津唐電網(wǎng)負荷有明顯的類型日特性，工作日周一至周五負荷較高，周末和節(jié)假日負荷較低。這是因為周末和節(jié)假日工業(yè)用電負荷減少。文獻［5］給出一種典型日負荷的選取辦法。

a.先匯總出夏季（6月至8月）各工作日（即不含雙休日和節(jié)假日）的平均日負荷曲線：

其中，L（h）為夏季各個工作日的24點平均負荷曲線；L（d，h）為各工作日的24點負荷曲線；h為每日的24點；N為當年夏季的工作日的天數(shù)。

b.再從夏季所有的工作日負荷曲線L（d，h）中找出與上述工作日24點平均負荷曲線 L（h）最“相似”的某一日負荷曲線L（D，h）作為夏季的典型日負荷曲線，選取方法是找尋與L（h）均方差最小的日負荷曲線作為典型日負荷曲線。L（d，h）與 L（h）的均方差定義如下：

根據(jù)這一算法得出京津唐電網(wǎng)2012年夏季典型日負荷曲線如圖1所示，可以看出，京津唐電網(wǎng)夏季典型日負荷曲線呈現(xiàn)早高峰、下午時段高峰、夜晚低谷的特性。這主要是因為夏季空調(diào)負荷在下午開啟較大。

圖1 京津唐電網(wǎng)夏季典型日負荷曲線Fig.1 Typical summer daily load curve of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

圖2顯示出典型的京津唐電網(wǎng)夏季負荷受天氣變化的影響。結(jié)果表明京津唐電網(wǎng)夏季負荷呈現(xiàn)明顯的城市負荷特性，極端情況時，午后悶熱的天氣甚至導致下午平峰負荷等于或高于早高峰負荷，而中午開始出現(xiàn)大范圍、長時間的降雨又會導致電網(wǎng)負荷的直線下降。

圖2 京津唐電網(wǎng)夏季不同天氣條件下的典型負荷曲線Fig.2 Typical load curve of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid for different summer weather conditions

2 影響電網(wǎng)負荷的氣象因素

2.1 電網(wǎng)負荷成分分析

負荷及負荷特性受各種因素的影響，總體上影響因素可以分為氣象類和非氣象類［1，7］。氣象類因素包括：溫度、濕度、風速、降水等。非氣象類因素則包括：經(jīng)濟發(fā)展水平、節(jié)假日因素、電價結(jié)構(gòu)、需求側(cè)管理等［8］。針對影響電網(wǎng)負荷的不同因素，一般可將電網(wǎng)負荷拆分成4個分量：

其中，L為總負荷；LB為基礎(chǔ)負荷分量，一般由相對穩(wěn)定的工業(yè)負荷和民用負荷構(gòu)成；LW為對氣象因素敏感的負荷分量，包含空調(diào)和制暖負荷；LE為特別事件負荷分量；X為隨機負荷分量。

上述各負荷分量，LB受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟形勢的影響較大，相對穩(wěn)定，對于日負荷曲線的變化而言，LW的作用影響最大，LE和X分量相對可以忽略。對同類型日，如果天氣因素有很大的區(qū)別，那么LW就有相當程度的不同，進而影響總負荷L不同。特別對于夏季，LW在總負荷中占比較大時，LW的波動對L的影響巨大，值得深入研究影響LW的因素。

2.2 京津唐電網(wǎng)夏季負荷與氣象因素的關(guān)聯(lián)度分析

因為電力負荷預(yù)測系統(tǒng)是一個灰色系統(tǒng)，本文利用灰色理論研究該系統(tǒng)內(nèi)部各因子對系統(tǒng)行為變化特征的影響更符合實際，更具有合理性。

灰色關(guān)聯(lián)分析方法的計算步驟如下。

步驟1：確定系統(tǒng)特征序列和相關(guān)因素行為序列。把所要研究的主行為因素作為系統(tǒng)特征序列X0，影響因素作為相關(guān)因素序列Xi，寫成序列形式為：

其中，k 為序列號，n 為樣本個數(shù)，k=1，2，…，n；i為相關(guān)影響因素的個數(shù)，i=1，2，…，m。

步驟2：求灰色關(guān)聯(lián)度。

a.確定各序列的初值項X′i，使各序列無量綱。

其中，i=0，1，2，…，m。

b.確定差序列 Δi。

其中，i=1，2，…，m。

c.求兩極最大差M與最小差m。

d.求關(guān)聯(lián)系數(shù) γ0i（k）。

其中，ξ通常取 0.5；k=1，2，…，n；i=1，2，…，m。

e.計算關(guān)聯(lián)度 γ0i。

其中，k=1，2，…，n；i=1，2，…，m。

步驟3：分析關(guān)聯(lián)度。

確定系統(tǒng)特征行為序列（X0）與各相關(guān)因素行為序列（X1，X2，…，Xm）的關(guān)聯(lián)度的大小次序，關(guān)聯(lián)度越大，則表明此因素行為序列對系統(tǒng)特征行為序列影響越大。由此可以計算出京津唐電網(wǎng)夏季負荷與各氣象因素的關(guān)聯(lián)度，如表1所示。

可以看出，對夏季負荷影響最大的因素是溫度和濕度，風速對負荷的影響較小。這主要是因為夏季空調(diào)負荷的多少更多受到人體舒適度大小的影響，而人體舒適度最直接的決定因素就是溫度和濕度。日最低溫度比日最高溫度對負荷變化的關(guān)聯(lián)度更大，則主要是因為白天溫度最高時段空調(diào)開啟量比起夜間溫度最低時段更固定，即夜間人體舒適度對低谷制冷負荷的影響更大。

3 氣象因素對京津唐電網(wǎng)夏季負荷的影響分析

上文分析得出了京津唐電網(wǎng)夏季負荷與各主要氣象因素的關(guān)聯(lián)度，對于電力系統(tǒng)負荷預(yù)測和分析而言，更關(guān)心的是單位指數(shù)的變化能引起多少日負荷的變化，即電力負荷對氣象因素變化的靈敏度分析。

本文由前面過程得到最終分析處理數(shù)據(jù)，采用多項式曲線回歸繪制氣象指數(shù)與電力負荷的散點圖，求出多項式曲線回歸函數(shù)，從而構(gòu)建電力負荷對氣象因素的靈敏度模型。建模的重點是通過某種途徑估計模型的參數(shù)向量，目標是使各時段擬合殘差的平方和最小，擬合一條“最佳”的曲線（稱之為配曲線問題），然后將此曲線外延至未來的適當時刻，在已知自變量取值時得到因變量的預(yù)測值。例如夏季溫度可能在個別年份達到40℃以上，但歷史數(shù)據(jù)中沒有超過40℃的記錄，擬合值則可以根據(jù)已有統(tǒng)計規(guī)律外延，求得一個對應(yīng)溫度下的電力指標擬合值，作為參照。

3.1 京津唐電網(wǎng)負荷與溫度的關(guān)系

對京津唐電網(wǎng)的夏季日最大負荷與日最高溫度進行回歸分析，可得出表2的京津唐電網(wǎng)負荷對溫度變化的靈敏度，擬合曲線如圖3所示。溫度對負荷的影響存在明顯的非線性關(guān)系，體現(xiàn)為：溫度較高和較低時，靈敏度都較??；溫度超過25℃后，負荷對溫度的靈敏度急劇升高。在30℃上下時，溫度每升高0.5℃，京津唐電網(wǎng)負荷增大近900 MW。

3.2 京津唐電網(wǎng)負荷與濕度的關(guān)系

對京津唐電網(wǎng)的夏季日最大負荷與日相對濕度進行回歸分析，得出表3的京津唐電網(wǎng)負荷對濕度變化的靈敏度，擬合曲線如圖4所示。濕度對負荷的影響存在明顯的非線性關(guān)系，體現(xiàn)為：

表2 京津唐電網(wǎng)夏季負荷對溫度變化的靈敏度Tab.2 Summer load sensitivity of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid to temperature

圖3 京津唐電網(wǎng)夏季負荷對溫度變化的靈敏度擬合曲線Fig.3 Fitting curve of summer load sensitivity to temperature for Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

表3 京津唐電網(wǎng)夏季負荷對濕度變化的靈敏度Tab.3 Summer load sensitivity of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid to humidity

圖4 京津唐電網(wǎng)夏季負荷對濕度變化的靈敏度擬合曲線Fig.4 Fitting curve of summer load sensitivity to humidity for Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

a.濕度達到45%以上時，負荷對濕度的靈敏度急速上升，因為此時人體感覺悶熱潮濕，空調(diào)開啟量增大；

b.濕度達到70%以上時，采樣負荷點的分布出現(xiàn)了“離散”現(xiàn)象，絕大多數(shù)的采樣負荷點對濕度的靈敏度轉(zhuǎn)為負數(shù)，即濕度增加后負荷下降，因為此時表示已經(jīng)出現(xiàn)降雨，降雨緩解了高溫悶熱天氣，降低了空調(diào)制冷負荷和室外作業(yè)負荷。

還有一小部分采樣負荷點出現(xiàn)在較高的數(shù)值水平，這意味著空氣濕度增加但尚未形成降雨，體感非常悶熱，導致制冷負荷大量開啟。

3.3 熱累積效應(yīng)對京津唐電網(wǎng)負荷特性的影響

在夏季，連續(xù)數(shù)日的高溫天氣導致出現(xiàn)的大負荷往往比某單一日突然高溫的負荷大很多，即為負荷的熱積累效應(yīng)。造成該現(xiàn)象的原因有很多，比如城市空調(diào)負荷快速上升，連續(xù)高溫導致的農(nóng)用抗旱負荷大幅增加等等。最高氣溫存在著累積效應(yīng)，根本原因是人體的舒適度感覺存在慣性。具體表現(xiàn)為：連續(xù)高溫時，即使溫度變化不大，由于熱存儲效應(yīng)，負荷也會增長。表4列出了京津唐電網(wǎng)夏季熱累積效應(yīng)的直觀展示，在一周的時間內(nèi)，日最高溫度基本穩(wěn)定，剔除周末負荷數(shù)據(jù)，日最大負荷穩(wěn)步增長，增長率達12%。

表4 京津唐電網(wǎng)夏季負荷熱累積效應(yīng)Tab.4 Cumulative heat effect of summer load of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

眾多研究表明，負荷的熱累積效應(yīng)遵循如下規(guī)律：夏季溫度變化與負荷變化呈正相關(guān)，但當溫度高于特定的tH或低于特定的tL時，累積效應(yīng)不再明顯。其原因是：溫度很高時，空調(diào)負荷會趨于飽和，負荷隨溫度的升高維持在一定水平；溫度較低時，空調(diào)負荷處于關(guān)閉狀態(tài)，即使偶爾出現(xiàn)高溫，人們?nèi)愿杏X較舒適而不開空調(diào)。

量化熱累積效應(yīng)時，可采取溫度修正的方法。溫度修正采用如下公式：

其中，t為考慮熱累積效應(yīng)后的最高溫度修正值；ti為前第i日的最高溫度；ki為ti的權(quán)重，且，通常i越小則ki值越大；nche為有熱累積效應(yīng)的天數(shù)。

本文對權(quán)重k的取值采用“關(guān)聯(lián)度最大原則”，即在一定范圍內(nèi)采用不同的系數(shù)得到氣象指數(shù)值，迭代得到與負荷的關(guān)聯(lián)性最好的系數(shù)，即為所求。對京津唐電網(wǎng)2010年至2012年夏季負荷與最高溫度數(shù)據(jù)進行分析，同時忽略ki＜0.05后的熱累積效應(yīng)日，可得出京津唐電網(wǎng)夏季考慮熱累積效應(yīng)后的修正最高溫度公式：

4 工程應(yīng)用

根據(jù)以上研究結(jié)論，華北電力調(diào)控分中心和北京清軟創(chuàng)新科技有限公司共同研究開發(fā)，在已有的短期負荷預(yù)測分析系統(tǒng)中，增加負荷氣象分析模塊。系統(tǒng)模塊功能圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)模塊功能圖Fig.5 Functional diagram of system module

模塊上線后，使得夏季大負荷時京津唐電網(wǎng)的短期電力負荷預(yù)測和負荷特性分析有更科學、可靠的方法和依據(jù)。第3節(jié)中京津唐電網(wǎng)負荷與溫度、濕度的關(guān)系中靈敏度的分析得出、曲線的擬合，以及京津唐電網(wǎng)夏季考慮熱累積效應(yīng)后的修正最高溫度公式均為本工程應(yīng)用系統(tǒng)中的負荷氣象分析模塊計算得出。

5 結(jié)論和展望

本文以京津唐電網(wǎng)為研究目標，分析了夏季京津唐電網(wǎng)的典型負荷特性，對天氣因素對京津唐電網(wǎng)夏季負荷的影響展開深入研究。采用回歸分析的方法，得出了京津唐電網(wǎng)夏季負荷與溫度和相對濕度的靈敏度關(guān)系，對京津唐電網(wǎng)夏季負荷的熱累積效應(yīng)進行研究，計算得出適合京津唐電網(wǎng)夏季負荷特性的考慮熱累積效應(yīng)的最高溫度修正公式，并開發(fā)了基于此方法的短期負荷預(yù)測系統(tǒng)負荷氣象分析模塊。本文提出的方法對京津唐電網(wǎng)夏季短期負荷預(yù)測和負荷分析有重要的幫助，有利于保障電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟高效運行。

受條件限制，本文在研究天氣因素對夏季電網(wǎng)負荷的影響時，只考慮了單一的天氣因素，沒有考慮溫濕指數(shù)、人體舒適度指數(shù)等復(fù)合天氣因素與夏季電網(wǎng)負荷的關(guān)系，還需要在以后的實踐中做進一步研究。