顏慶國，薛溟楓，范 潔，陳 霄，周 玉，易永仙

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211103)

有序用電是需求側(cè)管理的重要組成部分，指在電力供應(yīng)不足、突發(fā)事件等情況下，通過行政措施、經(jīng)濟(jì)手段、技術(shù)方法，依法控制部分用電需求，維護(hù)供用電秩序平穩(wěn)的管理工作。有序用電工作主要采取錯(cuò)峰、避峰、輪休、負(fù)控限電等一系列措施，避免無計(jì)劃拉閘限電，在確保電網(wǎng)安全基礎(chǔ)上，優(yōu)化有序用電方案，確保居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、重要用戶、重要場所用電。改革開放以后，國家經(jīng)濟(jì)加快發(fā)展，電力供需緊張，有序用電發(fā)揮了重要作用。在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期，電力設(shè)施的投資和建設(shè)使得電力供需總體平衡，但隨著居民生活水平的提高，空調(diào)負(fù)荷急劇增長[1]，我國部分地區(qū)出現(xiàn)了季節(jié)性、時(shí)段性、結(jié)構(gòu)性的缺電現(xiàn)象。有序用電重點(diǎn)限制高耗能行業(yè)用電，優(yōu)先了保障居民生活和重要電力用戶用電，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行。同時(shí)大容量遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)絡(luò)故障，大容量機(jī)組的單機(jī)故障，大型風(fēng)電廠的不穩(wěn)定性、都會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成強(qiáng)烈沖擊，有序用電也是應(yīng)對(duì)電網(wǎng)突發(fā)事件的有效應(yīng)急手段，一旦遇到緊急突發(fā)情況，利用有序用電可最快恢復(fù)重要用戶和居民的用電，使事故影響降到最低。目前電網(wǎng)峰谷差越來越大，有序用電也是削峰填谷、提高負(fù)荷率、負(fù)荷曲線整形的手段。因此，有序用電將長期存在并發(fā)揮積極作用[2-4]。

目前編制有序用電方案時(shí)，電網(wǎng)在編制有序用電方案時(shí)，對(duì)用戶的選擇存在主觀性，缺乏科學(xué)依據(jù)，有失合理與公正[5，6]。已有不少文獻(xiàn)對(duì)有序用電工作開展了研究。文獻(xiàn)[7]介紹了錯(cuò)峰預(yù)警信號(hào)系統(tǒng)模型及其實(shí)現(xiàn)，從技術(shù)上為有序用電管理工作提供了支撐。文獻(xiàn)[8，9]討論了有序用電指標(biāo)在各地區(qū)的分配問題，但未給出精確到用戶的有序用電方案編排方法。文獻(xiàn)[10-12]以用戶為出發(fā)點(diǎn)，分析了各種約束條件下安排用戶參與有序用電的方法，以將有序用電對(duì)用戶的影響減少到最小。文獻(xiàn)[13]研究了用戶負(fù)荷特性的分析方法，但未結(jié)合有序用電的避峰、錯(cuò)峰等實(shí)現(xiàn)方式，不能有效指導(dǎo)有序用電。

1 基于精益化管理的用戶負(fù)荷特性分析

電力系統(tǒng)負(fù)荷特性就是指用電負(fù)荷的特點(diǎn)和性質(zhì)，不同類型的用戶負(fù)荷表現(xiàn)出不同的負(fù)荷特性，他的負(fù)荷變化規(guī)律反映在負(fù)荷曲線上。對(duì)用戶歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類，得到用戶典型負(fù)荷曲線，根據(jù)典型負(fù)荷曲線間的差異，尋找負(fù)荷變化規(guī)律，分析用戶的用電規(guī)律和用電特性，找出用戶可以轉(zhuǎn)移高峰電力的資源。選取用戶一年中不同季度的歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類分析，可得用戶的不同季節(jié)以及不同生產(chǎn)方式下的典型負(fù)荷曲線，分析季間典型負(fù)荷曲線差異，可得用戶的空調(diào)負(fù)荷，分析日間典型負(fù)荷曲線差異，可得用戶工作日、休息日、停產(chǎn)日負(fù)荷。分析用戶的典型負(fù)荷曲線日內(nèi)負(fù)荷差異，可得用戶的峰、平、谷時(shí)段負(fù)荷。綜合分析所得負(fù)荷信息，可得用戶可中斷、可削減的負(fù)荷及持續(xù)的時(shí)間跨度。

1.1 歷史負(fù)荷曲線聚類

通過對(duì)歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類，分析聚類后的用戶典型負(fù)荷曲線間的差異，識(shí)別用戶的用電規(guī)律和用電特性。首先采用層次聚類法，分別形成日間負(fù)荷曲線之間以及日內(nèi)負(fù)荷曲線之間的親疏關(guān)系圖譜，從關(guān)系圖譜上判斷曲線類型的數(shù)量，以此決定負(fù)荷曲線的類數(shù)。然后以此數(shù)量作為K 均值聚類的聚類中心數(shù)量，對(duì)用戶歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行K 均值聚類。

1.1.1 層次聚類

設(shè)P1，P2，…，Pn為n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化后的采樣點(diǎn)用戶負(fù)荷，初始時(shí)每個(gè)采樣點(diǎn)負(fù)荷分為一類，即Gi（0）={Pi}，i=1，2，…，n。計(jì)算各類間的距離Dij，由此生成一個(gè)對(duì)稱的距離矩陣D（k）=[Dij]m×m，其中m為類的個(gè)數(shù)（初始時(shí)，m=n），k為聚類次數(shù)，k 與m 之間的關(guān)系為k=nm。找出前一步求得的矩陣D（k）中最小元素，設(shè)它是間的距離，將兩類合并成一類，于是產(chǎn)生新的聚類。令k=k+1，m=m-1。如此迭代聚類，直至所有采樣點(diǎn)用戶負(fù)荷聚為一類為止。聚類過程中，新類Gr與任一類Gm之間計(jì)算距離的遞推公式：

式（1）中：np，nq，nr，nm分別為類Gp，Gq，Gr，Gk中所含的樣品（子類）個(gè)數(shù)，nr=np+nq。

初始時(shí)刻類之間的距離為各采樣點(diǎn)用戶負(fù)荷之差的絕對(duì)值:

1.1.2 K 均值聚類

由1.1.1 所得到的聚類結(jié)果選取K個(gè)初始質(zhì)心，然后通過計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)負(fù)荷到質(zhì)心的誤差將采樣點(diǎn)指派最近的質(zhì)心，使目標(biāo)函數(shù)最小，接著重新計(jì)算每一類的質(zhì)心，如此反復(fù)直到僅有0.5%的點(diǎn)改變類。使用歐幾里德距離作為誤差，并使用誤差的平方和E 作為度量聚類質(zhì)量的目標(biāo)函數(shù)：

其中Gi（1，2，…，K）為K 均值聚類中的一個(gè)類，P為Gi中的采樣點(diǎn)負(fù)荷，ci為Gi的均值。即：

1.2 用戶負(fù)荷特性分析

（1）用戶生產(chǎn)日、休息日判別。對(duì)一個(gè)月（非有序用電執(zhí)行月）內(nèi)的用戶歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類，對(duì)于可以分出兩類情況的用戶，分別計(jì)算每一類的最大負(fù)荷平均值，若兩類最大負(fù)荷平均值相差很大（大于20%），則可確定一類為生產(chǎn)日負(fù)荷曲線，另一類為停產(chǎn)日負(fù)荷曲線。根據(jù)上面分析出來的生產(chǎn)日和停產(chǎn)日分別計(jì)算生產(chǎn)日最大負(fù)荷平均值、停產(chǎn)日最大負(fù)荷平均值。

進(jìn)一步可分析停產(chǎn)日規(guī)律：若一個(gè)月的停產(chǎn)日小于3 天，則無休息日；若一個(gè)月中相同周幾至少3 天停產(chǎn)，則判為周幾休息；若依次循環(huán)工作幾天休息幾天，則輪班休息；政府規(guī)定的節(jié)假日為國家法定節(jié)假日；其他為無規(guī)律。

（2）氣候敏感負(fù)荷判別。選取春季和夏季各一個(gè)月的歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類，提取生產(chǎn)日負(fù)荷的典型曲線。夏季生產(chǎn)日負(fù)荷典型曲線與春季生產(chǎn)日負(fù)荷典型曲線之差便可作為該企業(yè)的氣候敏感負(fù)荷可中斷容量。同理可判斷用戶冬季的氣候敏感負(fù)荷可中斷容量：

式（5，6）中：Psummer為夏季敏感負(fù)荷；PTsummer為夏季典型日負(fù)荷曲線；PTspring為春季典型日負(fù)荷曲線；Pwinter為冬季敏感負(fù)荷；PTwinter為冬季典型日負(fù)荷曲。

（3）用戶用電時(shí)段判別。計(jì)算用戶典型日負(fù)荷曲線3個(gè)時(shí)段的最大負(fù)荷和平均負(fù)荷。根據(jù)用戶3個(gè)時(shí)段的平均負(fù)荷大小分析用戶主要的用電時(shí)段。

（4）用戶負(fù)荷計(jì)算。

①安全保障負(fù)荷為保障用電場所人身與財(cái)產(chǎn)安全所需的電力負(fù)荷。作為衡量用戶最低保障安全負(fù)荷，體現(xiàn)了對(duì)用戶限電的限制。計(jì)算方法：

式（7，8）中：pmin_k為第k個(gè)樣本負(fù)荷日最小負(fù)荷；M為月份；X為樣本數(shù)；Int進(jìn)行取整（直接去除小數(shù)部分）。

②經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)保障負(fù)荷是保障用電場所人身與財(cái)產(chǎn)安全之外，滿足一部分生產(chǎn)能力所需的電力負(fù)荷?？山y(tǒng)計(jì)用戶典型負(fù)荷曲線內(nèi)08:00～22:00 內(nèi)負(fù)荷最小值，作為該客戶經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)保障負(fù)荷。其計(jì)算方法：

式（9）中：1 天24 小時(shí)內(nèi)的時(shí)間軸（00:00～24:00）劃分為48個(gè)時(shí)間段，分別為T1，T2，…，T48；Min（x1，…，xn）表示對(duì)集合X 計(jì)算最小值。

③最大可限負(fù)荷表示在高峰時(shí)段時(shí)，用戶僅保留保障負(fù)荷，關(guān)停設(shè)備“降低了”的負(fù)荷。選取離全省早、中、晚高峰時(shí)刻最近的2個(gè)時(shí)刻點(diǎn)。分別計(jì)算該時(shí)刻點(diǎn)的負(fù)荷平均值，作為客戶該日早、腰、晚高峰負(fù)荷（當(dāng)全省高峰時(shí)刻正好為半個(gè)小時(shí)整點(diǎn)時(shí)刻時(shí)，客戶高峰負(fù)荷不需選取最近的2個(gè)時(shí)刻）。其計(jì)算方法：

式（10—12）中：P11-mor，P11-mid，P11-eve分別為早峰、腰峰、晚峰時(shí)段的可限負(fù)荷；Psl為安全保障負(fù)荷；Ppl-mor，Ppl-mid，Ppl-eve分別為早峰、腰峰、晚峰時(shí)段的高峰負(fù)荷；δp為同時(shí)率，一般取0.8。

2 算例

選取揚(yáng)州市某電器生產(chǎn)企業(yè)2009年1 月、4 月及6至9 月的每日48 點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)作為聚類的特征向量，一共183 組數(shù)據(jù)，剔除非正常數(shù)據(jù)后剩余174 組，經(jīng)層次聚類分析可將174 組正常數(shù)據(jù)分為四類，再經(jīng)K 均值聚類后可得四類負(fù)荷曲線，且可提取出一組特殊數(shù)據(jù)。分類結(jié)果如圖1 所示。

圖1 某電器生產(chǎn)企業(yè)負(fù)荷聚類

綜合各類的負(fù)荷情況可以看出，該電器生產(chǎn)企業(yè)為三班制連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)，但尤其是00:00 到07:00的用電負(fù)荷一般都比白天低，說明安排在這段時(shí)間的生產(chǎn)量小，且00:00 到07:00的負(fù)荷動(dòng)蕩比較大，從1000～4800 kW 波動(dòng)，除了與企業(yè)的生產(chǎn)安排有關(guān)，還與夜間溫度適不適宜生產(chǎn)有關(guān)。但每日09:00至20:00的用電負(fù)荷比較平穩(wěn)，為迎峰負(fù)荷。分析各分類負(fù)荷情況可以看出，第一類比較特殊，屬于白天幾乎停工類型，從所屬的日期來看，可能是由于夏季高溫限電造成，也可能是由于企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的停運(yùn)檢修等。其余各類表現(xiàn)出一定的季節(jié)性，由圖1 可得，三類屬于夏季，負(fù)荷最高在5400 kW 左右，最低在3500 kW 左右；二類屬于冬季，負(fù)荷最高在4700 kW 左右，最低在2000 kW 左右；四類屬于春秋季，負(fù)荷最高在4800 kW 左右，最低在3000 kW 左右，則夏季敏感負(fù)荷至少有500 kW。而且通過安排生產(chǎn)流程，轉(zhuǎn)移迎峰負(fù)荷，減產(chǎn)避峰等措施，至少可以轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷1500～2000 kW，負(fù)荷的特性分析結(jié)果如表1 所示。

表1 某電器生產(chǎn)企業(yè)精細(xì)用電特征挖掘分析 kW

3 結(jié)束語

本文提出的基于精益化管理的有序用電用戶負(fù)荷特性分析方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶負(fù)荷特性的深入挖掘，從大量歷史負(fù)荷曲線之中分析提取出了用戶的氣候敏感負(fù)荷、安全保障負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)保障負(fù)荷、最大可限負(fù)荷，為有序用電工作中制定科學(xué)合理的分級(jí)避峰方案提供了數(shù)據(jù)支撐。在此基礎(chǔ)上制定用戶參與有序用電的準(zhǔn)則和策略，在電力緊缺時(shí)，合理安排用戶進(jìn)有序用電，使有序用電對(duì)用戶的影響最小。并可向社會(huì)公開，使得編制方案和有序用電的執(zhí)行有標(biāo)準(zhǔn)可依，更加有序。算例的結(jié)果表明，該方法是可靠有效的。

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