徐　楠，趙　昕，薛萬磊，路　寬，田　鑫

（國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南　250021）

·班組創(chuàng)新·

山東電網(wǎng)氣溫敏感負(fù)荷研究

徐楠，趙昕，薛萬磊，路寬，田鑫

（國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及居民生活水平的提高，氣溫敏感負(fù)荷對電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行的影響越來越大，氣溫敏感負(fù)荷分析愈發(fā)重要。收集山東省2011—2014年用電負(fù)荷和相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，測算空調(diào)降溫負(fù)荷及單位溫升負(fù)荷，并在此基礎(chǔ)上，定量分析降溫負(fù)荷對日負(fù)荷特性的影響，為電網(wǎng)規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度提供參考。

氣溫敏感負(fù)荷；單位溫升負(fù)荷；負(fù)荷特性

0　引言

隨著山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整加快以及人民生活水平不斷提高，負(fù)荷中受氣候因素影響的氣溫敏感性負(fù)荷（即空調(diào)負(fù)荷）占整個電網(wǎng)負(fù)荷的比例顯著上升?！笆濉币詠砩綎|電網(wǎng)在夏冬用電高峰時段呈“硬缺電”局面，缺口不斷增大，調(diào)峰愈發(fā)困難，調(diào)峰成本也較高?？照{(diào)等制冷、采暖設(shè)備的集中開啟是導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差增大的重要因素，峰谷差增大給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來很多隱患，因此加強(qiáng)夏冬用電高峰時期氣溫敏感負(fù)荷分析，了解其規(guī)律，對于做好電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度以及用電需求側(cè)管理，在用電高峰期確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將十分必要［1-2］。

關(guān)于氣溫敏感負(fù)荷，文獻(xiàn)［3］在分析降溫負(fù)荷與溫度因子關(guān)系的基礎(chǔ)上，對回歸模型中降溫負(fù)荷的常量和變量部分與相應(yīng)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行進(jìn)一步的相關(guān)性分析；文獻(xiàn)［4］在考慮氣象因素對短期負(fù)荷預(yù)測的影響下，歸納典型氣象因素，對氣象大數(shù)據(jù)的發(fā)展及新應(yīng)用進(jìn)行闡述；文獻(xiàn)［5］建立了有效測算夏季空調(diào)降溫負(fù)荷及用電量的模型，并根據(jù)夏季降溫負(fù)荷與夏季最高溫度的相關(guān)關(guān)系，分析了電網(wǎng)降溫負(fù)荷的單位溫升負(fù)荷；文獻(xiàn)［6］對天津電網(wǎng)的夏季降溫負(fù)荷、降溫電量、單位溫升負(fù)荷、冬季采暖負(fù)荷、采暖電量進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［7］分析了江蘇省夏季空調(diào)負(fù)荷的構(gòu)成，根據(jù)分析結(jié)果提出了7項近期內(nèi)容易實現(xiàn)或經(jīng)過適當(dāng)技術(shù)改造后能夠?qū)崿F(xiàn)的夏季空調(diào)負(fù)荷調(diào)控措施，并對其削峰效果進(jìn)行了分析測算；文獻(xiàn)［8］對北京地區(qū)幾年來夏季負(fù)荷的變化狀況及其與氣溫的變化關(guān)系進(jìn)行了深入的分析，采用相關(guān)與回歸理論，建立起較為實用的關(guān)于夏季上升段與下降段單位溫升負(fù)荷效應(yīng)模型。

在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用山東省近幾年的氣象及用電數(shù)據(jù)，對氣象要素與負(fù)荷的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱進(jìn)行分析排序，測算降溫與采暖負(fù)荷，并以降溫負(fù)荷為例，將其對負(fù)荷特性指標(biāo)的影響進(jìn)行定量測算與分析。

1　山東省電力市場現(xiàn)狀及負(fù)荷發(fā)展趨勢

山東省自2000年以后，全省經(jīng)濟(jì)高速增長，2001—2014年GDP年均增長12.1%，增速高于全國平均水平2.3%，城鎮(zhèn)化率、居民生活水平不斷提高。與此同時，全省用電量與用電負(fù)荷也在不斷上升。2001—2014年用電量年均增長10.8%，至2014年達(dá)到4223.5億kWh，全社會用電負(fù)荷年均增長11.1%，至2014年達(dá)68 120 MW。用電結(jié)構(gòu)方面，“十五”以及“十一五”的前半期，隨著工業(yè)尤其是重工業(yè)的快速發(fā)展，二產(chǎn)用電比重逐年上升，2007年達(dá)到峰值80.5%，之后由于金融危機(jī)以及“轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)”、節(jié)能減排政策的逐步落實，占比逐年下降，2014年降至77.4%。三產(chǎn)受益于經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活水平提高，用電比重由 2005年7.2%上升到 2012年的9.8%，之后由于相關(guān)政策影響，服務(wù)業(yè)用電占比下降，2014年降至9.4%。居民生活用電比重由于生活水平提高以及生活方式的電氣化轉(zhuǎn)變，也在逐步上升，2005年為10.6%，2014年上升至11.1%。另外，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村居民生活水平的提高，以及“家電下鄉(xiāng)”政策的實施，農(nóng)村家庭的電力需求也呈快速增長趨勢。

當(dāng)前全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展已進(jìn)入工業(yè)化的中后期，第一、二產(chǎn)業(yè)比重下降、第三產(chǎn)業(yè)上升將成為趨勢，與之相對應(yīng)，用電結(jié)構(gòu)也會呈現(xiàn)第一、二產(chǎn)業(yè)下降、第三產(chǎn)業(yè)以及居民生活用電上升的局面。第三產(chǎn)業(yè)及居民生活用電比重的提高必然會帶動空調(diào)負(fù)荷總量及其占比上升，而且由于兩者用電易受多種不同因素影響，負(fù)荷有很強(qiáng)的波動性、隨機(jī)性以及顯著的周期性，極易拉大峰谷差、降低負(fù)荷率，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來考驗。基于以上分析，就山東省空調(diào)負(fù)荷總量及單位溫升負(fù)荷測算進(jìn)行研究與探討，以期為電網(wǎng)規(guī)劃與調(diào)度運(yùn)行提供參考。

2　氣溫敏感負(fù)荷研究方法

最大負(fù)荷在負(fù)荷預(yù)測與負(fù)荷管理中有著重要的意義，也是兩者關(guān)注的焦點(diǎn)。準(zhǔn)確把握最大負(fù)荷，是電力部門合理安排機(jī)組運(yùn)行方式的基礎(chǔ)，制定發(fā)供電計劃、做好電力平衡的關(guān)鍵，也是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。因此在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取時負(fù)荷數(shù)據(jù)均采用全省統(tǒng)調(diào)最大負(fù)荷。

氣溫敏感負(fù)荷與氣象要素有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，氣象要素主要涉及溫度、濕度、風(fēng)力等，其中溫度又是最重要的氣象要素，對于氣溫敏感負(fù)荷的影響最大。由于山東省東西跨距較大，西部內(nèi)陸地區(qū)與東部沿海地區(qū)各氣象要素存在時間和地域的差異，因此結(jié)合氣象要素討論氣溫敏感負(fù)荷需要對全省氣象要素進(jìn)行明確界定。在定義全省日最高溫度時，考慮各地區(qū)氣候特點(diǎn)，選取各地區(qū)典型城市，將典型城市的日最高溫度進(jìn)行平均，以此來作為全省最高溫度，同理定義其他氣象要素。

2.1氣溫敏感負(fù)荷總量測算

從氣溫對負(fù)荷影響角度來看，電網(wǎng)總負(fù)荷可分成氣溫敏感和氣溫非敏感負(fù)荷兩部分，表示為［3］

式中：P為電網(wǎng)總負(fù)荷；PB為氣溫非敏感負(fù)荷，也可稱為基礎(chǔ)負(fù)荷；PT為氣溫敏感負(fù)荷，即由于夏季氣溫升高或冬季氣溫降低而導(dǎo)致的負(fù)荷增長部分。計算思路為：先確定空調(diào)設(shè)備都沒有啟動時的用電負(fù)荷作為基礎(chǔ)負(fù)荷，其與實際負(fù)荷的差值即為氣溫敏感負(fù)荷［5］。 即

每一單位時點(diǎn)上的氣溫敏感負(fù)荷連接成一條曲線稱為氣溫敏感負(fù)荷曲線，曲線上的最大值就是日最大降溫（采暖）負(fù)荷，夏季（冬季）所有日降溫（采暖）負(fù)荷中的最大值就是最大降溫（采暖）負(fù)荷（區(qū)分工作日與休息日），如圖1所示。

圖1　氣溫敏感負(fù)荷計算思路

假設(shè)春季與秋季溫度、濕度等氣候條件較為適宜，基本沒有制冷設(shè)備開啟，其次某些在一年四季均有制冷或采暖設(shè)備開啟的恒溫場所，其負(fù)荷對溫度的敏感性不強(qiáng)，將其歸入基礎(chǔ)負(fù)荷，然后將春季與秋季的24點(diǎn)負(fù)荷曲線進(jìn)行平均得到夏季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。此方法既考慮了恒溫場所空調(diào)負(fù)荷的影響，又兼顧了由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的負(fù)荷自然增長。同理，將本年秋季負(fù)荷曲線與下年春季負(fù)荷曲線進(jìn)行平均得到冬季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。

山東省通常每年4月中旬到5月中旬，全省氣候溫和適宜，采暖、降溫負(fù)荷近似為零，用電增長基本體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力需求的直接拉動，可作為春季基礎(chǔ)負(fù)荷選?。?0月秋高氣爽，此時負(fù)荷基本不受氣候因素影響，可作為秋季基礎(chǔ)負(fù)荷選取。收集相關(guān)整點(diǎn)負(fù)荷值，夏季氣溫敏感負(fù)荷測算步驟如下：

1）分別計算春秋季節(jié)的基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。

2）將春夏季節(jié)基礎(chǔ)負(fù)荷曲線進(jìn)行平均，計算夏季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。

3）將夏季實際負(fù)荷曲線與夏季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線做差值處理，測算得到夏季降溫負(fù)荷曲線。

式中：P春0為春季某天0點(diǎn)統(tǒng)調(diào)用電負(fù)荷；PT為夏季氣溫敏感負(fù)荷；P夏實為夏季實際負(fù)荷。

確定夏季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線還可以采用以下方法：利用人體感官對溫度變化有一個適應(yīng)過程所導(dǎo)致的負(fù)荷滯后于溫度變化的規(guī)律［9］，即氣溫累積效應(yīng)，在夏季用電高峰期，選取連續(xù)幾天溫度、濕度等氣象條件較為適宜的最后1～2天或連續(xù)降雨之后的負(fù)荷曲線作為基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，將其與高溫高濕負(fù)荷日的負(fù)荷曲線做差，便得到夏季日降溫負(fù)荷曲線。倘若具體到某一年，氣象條件不能符合上述要求，則該方法在當(dāng)年不適用。

2.2單位溫升負(fù)荷測算

對于氣溫敏感負(fù)荷而言，溫度是影響其大小的主要因素，其他氣象要素也是通過影響溫度來間接影響氣溫敏感負(fù)荷。將氣溫與氣溫敏感負(fù)荷進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，揭示負(fù)荷隨氣溫變化的規(guī)律與特點(diǎn)，不僅是對氣溫敏感負(fù)荷總量測算的加強(qiáng)和補(bǔ)充，也是電力部門進(jìn)行短期以及超短期負(fù)荷預(yù)測、合理安排機(jī)組檢修、確保供電可靠性的依據(jù)。因此，在對氣溫敏感負(fù)荷總量測算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將負(fù)荷與氣溫結(jié)合，測算單位溫升負(fù)荷。氣溫的選取將采用灰色關(guān)聯(lián)度以及相關(guān)系數(shù)分析來確定［2，10］。

2.2.1灰色關(guān)聯(lián)分析

1）列出夏季日最大負(fù)荷、日最高溫度、日最低溫度和日平均溫度4個序列（X1，X2，X3，X4），每個序列n個數(shù)據(jù)，日最高負(fù)荷序列為參考序列，其余3個溫度序列為比較序列，然后初值化對原數(shù)據(jù)序列進(jìn)行無量綱處理，xi＝Xi/X1（i＝1，2，3，4），得到初值化矩陣x＝（x1，x2，x3，x4）；

2）求差序列Δxi＝（xi-x1），得到序差矩陣（Δx1，Δx2，Δx3，Δx4）；

3）求序差矩陣（Δx1，Δx2，Δx3，Δx4）中的兩級級差；

4）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

其中，ρ為分辨系數(shù)，用來削弱max過大而使關(guān)聯(lián)系數(shù)失真的影響，此處取0.5；

5）計算關(guān)聯(lián)度

6）排關(guān)聯(lián)序。

2.2.2相關(guān)系數(shù)分析

將夏季日的最大負(fù)荷與氣溫（最高、最低、平均）進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計算

經(jīng)計算，最大負(fù)荷與最高溫度的相關(guān)程度最高，符合預(yù)期判斷。結(jié)合山東省實際，選取夏季7、8月份工作日，選擇合適溫度區(qū)間，將最大負(fù)荷與最高溫度相關(guān)聯(lián)，繪制散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)圖的分布特點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，求取單位溫升負(fù)荷。

3　山東省氣溫敏感負(fù)荷測算

3.1總量及占比

以2013年夏季為例，收集每日統(tǒng)調(diào)用電整點(diǎn)負(fù)荷（以后均簡稱為負(fù)荷），根據(jù)分析，以4月下半月到5月上半月工作日24點(diǎn)平均負(fù)荷曲線作為春季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，以10月份工作日24點(diǎn)平均負(fù)荷作為秋季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，兩者平均作為夏季工作日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，如表1所示。

將實際負(fù)荷曲線與基礎(chǔ)負(fù)荷曲線做差，根據(jù)差值，考慮當(dāng)年經(jīng)濟(jì)、氣候及偶然因素，剔除畸變數(shù)據(jù)，并與專家預(yù)測進(jìn)行比對復(fù)核，測算結(jié)果為當(dāng)年夏季最大空調(diào)負(fù)荷約為15 200 MW，當(dāng)年最大負(fù)荷56 269 MW，占比達(dá)到27%。

表1　2013年夏季空調(diào)負(fù)荷測算　MW

同理得到各年最大降溫/采暖負(fù)荷及其占比如表2所示。

表2　2011—2014年山東省夏季空調(diào)負(fù)荷總量與占比情況

3.2單位溫升負(fù)荷

2013年8月全省平均氣溫為28.1℃，較常年偏高2.6℃。全省平均高溫（日最高氣溫≥35℃）日數(shù)達(dá)6.5天，較常年同期（0.6天）偏多5.9天。夏季最高負(fù)荷也不斷刷新紀(jì)錄，7次創(chuàng)歷史新高。迎峰度夏期間山東電網(wǎng)最大電力缺口超過2 000 MW。通過前述分析，計算得出當(dāng)溫度介于26～35℃時，空調(diào)負(fù)荷的單位溫升負(fù)荷約為1 355 MW/℃。

根據(jù)圖2計算，在26～35℃溫度區(qū)間內(nèi)，降溫負(fù)荷總量約為1 355×（35-26）＝12 195（MW），加上35℃以上再增加的負(fù)荷以及26℃以下的少量負(fù)荷，與15 200 MW的總規(guī)模大體相當(dāng)，以此校核前面對總量的測算。其余各年相關(guān)情況如表3所示。

圖2　山東省2013年單位溫升負(fù)荷

表3　2011—2014年山東省夏季單位溫升負(fù)荷情況

3.3氣溫敏感負(fù)荷對負(fù)荷特性的影響

分別計算前述基礎(chǔ)負(fù)荷曲線以及實際負(fù)荷曲線的主要負(fù)荷特性指標(biāo)，并進(jìn)行對比。經(jīng)計算，2013年夏季工作日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線的負(fù)荷率為0.929，峰谷差7 272 MW，峰谷差率0.170，最小負(fù)荷率0.830。2013年夏季最大負(fù)荷日負(fù)荷率為0.898，峰谷差13 417 MW，峰谷差率0.238，日最小負(fù)荷率0.762。

表4　全省夏季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線與最大負(fù)荷日曲線負(fù)荷特性指標(biāo)情況對比（工作日）

對比發(fā)現(xiàn)，空調(diào)降溫負(fù)荷使2013年夏季最大負(fù)荷日當(dāng)日的負(fù)荷率較基礎(chǔ)負(fù)荷曲線下降了0.031，峰谷差增長6 145 MW，峰谷差率上升0.068，日最小負(fù)荷率下降0.068。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)負(fù)荷的存在顯著降低了日負(fù)荷率和日最小負(fù)荷率，拉大了峰谷差和峰谷差率。2011—2014年夏季空調(diào)負(fù)荷對于負(fù)荷特性指標(biāo)的影響如表4所示。

4　結(jié)語

本文測算的全省降溫負(fù)荷規(guī)模與單位溫升負(fù)荷，通過兩者相互校驗，證明測算結(jié)果合理可靠。

山東省電力負(fù)荷與盛夏氣溫密切相關(guān)，日最大負(fù)荷與日最高氣溫存在顯著的正相關(guān)。日平均氣溫大于等于26℃時有明顯的降溫負(fù)荷，且最大負(fù)荷在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度上升加速上升。冬季采暖負(fù)荷在總量以及占比均較夏季偏低，原因在于城鎮(zhèn)化建設(shè)使得集中供暖成為冬季主要供暖方式而電采暖愈發(fā)成為補(bǔ)充手段。

在空調(diào)負(fù)荷影響下，負(fù)荷曲線的日負(fù)荷率、日最小負(fù)荷率均較基礎(chǔ)負(fù)荷曲線下降明顯，日峰谷差、日峰谷差率顯著增大。未來隨著工業(yè)化升級提速，第三產(chǎn)業(yè)比重加大，第三產(chǎn)業(yè)以及居民用電比重持續(xù)增高，其用電負(fù)荷占總負(fù)荷的比例也將進(jìn)一步升高，將使年負(fù)荷曲線中夏高峰更加突出，進(jìn)一步拉大日峰谷差率，降低日負(fù)荷率和日最小負(fù)荷率。為平抑負(fù)荷波動對電網(wǎng)安全運(yùn)行造成的隱患和風(fēng)險，節(jié)能和用電需求側(cè)管理措施近來備受關(guān)注。

探究空調(diào)負(fù)荷，除溫度之外，還要考慮諸如濕度、風(fēng)力等其他氣象要素以及氣象效應(yīng)的協(xié)同作用。雖然在單因素條件下，其他要素對于負(fù)荷的影響程度小于溫度的影響，但是考慮多因素共同作用時，這些因素便應(yīng)納入統(tǒng)籌考慮。氣象效應(yīng)如氣溫累積效應(yīng)，其對于負(fù)荷的影響在于負(fù)荷變化對溫度變化的滯后性，考慮氣溫累積效應(yīng)更加有助于氣溫敏感負(fù)荷的測算以及短期負(fù)荷的預(yù)測。這些都有待于加強(qiáng)與氣象部門的合作，獲取更為詳實的資料進(jìn)行深入研究。

［1］康重慶，夏清，劉梅.電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］賀輝.電力負(fù)荷預(yù)測和負(fù)荷管理［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［3］劉繼東，韓學(xué)山，楚成博，等.考慮非氣象因素的電網(wǎng)夏季降溫負(fù)荷研究［J］.電力自動化設(shè)備，2013，33（2）：40-46.

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［5］薛萬磊，溫權(quán)，單葆國.降溫負(fù)荷分析方法研究［J］.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2011（11）：37-40.

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［7］宋宏坤，唐國慶.江蘇省夏季空調(diào)負(fù)荷分析及需求側(cè)管理措施的削峰效果測算［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（17）：88-91.

［8］周暉，鈕文潔.關(guān)于夏季單位溫升負(fù)荷效應(yīng)回歸模型的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（3）：46-49.

［9］黎燦兵，楊朋.短期負(fù)荷預(yù)測中考慮夏季氣溫累積效應(yīng)的方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（9）：96-99.

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Study on Temperature Sensitive Electric Load in Shandong Power Grid

XU Nan，ZHAO Xin，XUE Wanlei，LU Kuan，TIAN Xin
（Economic and Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

Side by side with the social economic development and the living standards improvement，impact of temperature sensitive electric load on power network is becoming more and more remarkable，which renders it even more important to analyze the temperature sensitive electric load.Data of electric load and correlation temperature from 2011 to 2014 in Shandong province are collected；and the cooling load of air conditioning and unit temperature rise load are calculated with summer temperatures and loads as examples.On this basis，the effect of cooling load on daily load characteristics is quantitatively analyzed.Hopefully this will prove to be of reference value for power grid planning and production scheduling.

temperature sensitive load；unit temperature lift load；load characteristics

TM714

A

1007-9904（2016）01-0041-05

2015-07-26

徐楠（1987），男，工程師，從事電力市場與負(fù)荷預(yù)測工作。