曹 侃，萬 黎，周鯤鵬，唐澤洋，王 濤，劉曼佳

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077)

湖北電網(wǎng)負(fù)荷-氣溫敏感性分析與降溫負(fù)荷估算研究

曹 侃，萬 黎，周鯤鵬，唐澤洋，王 濤，劉曼佳

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077)

基于湖北電網(wǎng)2016年夏季負(fù)荷與氣溫?cái)?shù)據(jù)，繪制負(fù)荷與最高氣溫、最低氣溫的關(guān)系曲線，分析負(fù)荷增長(zhǎng)與氣溫變化的規(guī)律。提出湖北電網(wǎng)基礎(chǔ)日負(fù)荷曲線估算方法，并應(yīng)用基準(zhǔn)負(fù)荷比較法，計(jì)算得到2016年夏季大負(fù)荷典型日降溫負(fù)荷曲線。基于日降溫負(fù)荷曲線，分析了日降溫負(fù)荷發(fā)展規(guī)律，估算得到降溫負(fù)荷占全省負(fù)荷的比例。

負(fù)荷-氣溫敏感性；降溫負(fù)荷；基礎(chǔ)負(fù)荷；負(fù)荷曲線

0 引言

2016年夏季，湖北電網(wǎng)負(fù)荷8次創(chuàng)新高，于8月19日達(dá)到歷史最高值30 844 MW，同比2015年增加12.33%。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，電網(wǎng)負(fù)荷水平和負(fù)荷構(gòu)成發(fā)生了很大變化。當(dāng)夏季炎熱且持續(xù)高溫發(fā)生時(shí)，商業(yè)、餐飲酒店業(yè)，特別是居民用戶的降溫設(shè)備擁有量和使用率明顯提高，降溫負(fù)荷已經(jīng)成為夏季電網(wǎng)負(fù)荷屢創(chuàng)新高和影響其負(fù)荷波動(dòng)的主要原因之一。因此，準(zhǔn)確地把握負(fù)荷與氣溫的敏感性變化的特殊規(guī)律，進(jìn)而估算出降溫負(fù)荷占總負(fù)荷的比例及其變化規(guī)律，對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行和調(diào)度控制具有重要意義。

由于難以通過實(shí)測(cè)的方法得到降溫負(fù)荷數(shù)據(jù)[1-2]，因此如何快速、準(zhǔn)確地估算降溫負(fù)荷是目前相關(guān)研究工作中的難點(diǎn)。目前，廣泛應(yīng)用的方法主要有對(duì)空調(diào)類負(fù)荷進(jìn)行機(jī)理建模[3]，和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的基準(zhǔn)負(fù)荷比較法[4-6]等?；鶞?zhǔn)負(fù)荷比較法的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何選取基準(zhǔn)月份，并有效消除負(fù)荷自然增長(zhǎng)的影響，得到較準(zhǔn)確的目標(biāo)月份日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。本文在計(jì)算時(shí)選取春、秋兩個(gè)季節(jié)負(fù)荷的平均值，以消除負(fù)荷自然增長(zhǎng)的影響。計(jì)算2016年基礎(chǔ)日負(fù)荷曲線時(shí)，用求得的往年平均基礎(chǔ)負(fù)荷增長(zhǎng)率修正春季負(fù)荷平均值，得到較為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)日負(fù)荷曲線。

1 負(fù)荷與氣溫的敏感性分析

2016年梅雨期結(jié)束后，湖北省大部分地區(qū)在持續(xù)炎熱高溫天氣的影響下，全省用電負(fù)荷持續(xù)攀升，連創(chuàng)新高。8月19日，全省平均最高溫度達(dá)38℃，其中武漢、黃石、黃岡、鄂州、咸寧、孝感、十堰、恩施最高溫度達(dá)38℃及以上，當(dāng)天13:15分湖北主網(wǎng)最高負(fù)荷達(dá)到30 844 MW，再次刷新歷史最高負(fù)荷。

研究表明，影響人體舒適度的主要因子是氣象因素，而氣象因素中又以氣溫、濕度和風(fēng)的影響最為突出。夏季悶熱天氣導(dǎo)致人體不適，從而使得空調(diào)降溫負(fù)荷上漲。夏季人體感覺最舒適的溫度是19～24℃，當(dāng)氣溫超過25℃時(shí)，人體開始從外界吸收熱量，會(huì)有熱的感覺。若超過37℃，就使人感到酷暑難熬。根據(jù)近幾年的數(shù)據(jù)分析表明：武漢平均氣溫在25℃以上時(shí)，負(fù)荷與溫度關(guān)系曲線斜率開始發(fā)生變化，隨著溫度的升高，陡度增加；氣溫增加到一定程度之后，隨著降溫負(fù)荷的飽和，陡度趨于下降。

湖北電網(wǎng)負(fù)荷與武漢電網(wǎng)負(fù)荷有著很強(qiáng)的相關(guān)性，因此以武漢的氣溫為基礎(chǔ)分析全省的負(fù)荷與溫度關(guān)系。根據(jù)7月1日至8月31日共62 d的負(fù)荷與溫度數(shù)據(jù)，分析日最大負(fù)荷與日最低溫度、日最高溫度的相關(guān)關(guān)系。

首先，通過圖來觀察隨時(shí)間變化時(shí)日最高負(fù)荷與溫度之間的關(guān)系。由于直接的日最大負(fù)荷與溫度數(shù)據(jù)不具有可比性，所以取它們的標(biāo)幺值

2016年7～8月日最大負(fù)荷標(biāo)幺值和最低溫度、最高溫度標(biāo)幺值的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 2016年7～8月份最大負(fù)荷與氣溫曲線Fig.1 Power-load-to-highest/lowest-temperature curves of July and August 2016

由圖1知，日最大負(fù)荷與最低溫度、最高溫度的變化趨勢(shì)比較相似。當(dāng)溫度升高時(shí)，日最大負(fù)荷也處于升高的階段；當(dāng)溫度降低時(shí)，日最大負(fù)荷也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。值得注意的是，兩者變化曲線上的峰點(diǎn)和谷點(diǎn)所出現(xiàn)的日期重合度較高，由此可知日最大負(fù)荷與溫度具有較大的相關(guān)性。某些日期的日最大負(fù)荷與溫度的變化趨勢(shì)出現(xiàn)了一些不同，這是因?yàn)橛绊懭兆畲筘?fù)荷的因素并不僅僅是溫度，還包括其他的多種因素，如工作日和休息日的影響。

對(duì)2016年湖北電網(wǎng)最高氣溫、最低氣溫與最大負(fù)荷開展相關(guān)性分析，最高氣溫與最大負(fù)荷的相關(guān)性系數(shù)為0.891 0，最低氣溫與最大負(fù)荷的相關(guān)性系數(shù)為0.730 5，可見日最大負(fù)荷與最高氣溫的相關(guān)性更強(qiáng)。

第一輪大負(fù)荷期間，最高氣溫在35～38℃之間，氣溫每升高1℃，負(fù)荷增長(zhǎng)2 000 MW左右，但7月25日至8月2日高溫持續(xù)期間，負(fù)荷變化不大。第二輪大負(fù)荷期間，最高氣溫在34～38℃之間，氣溫每升高1℃，負(fù)荷增長(zhǎng)1 000 MW左右，在8月12～19日高溫持續(xù)期間，雖溫度變化不大，但負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，8月19日較8月12日8 d內(nèi)負(fù)荷增長(zhǎng)3 800 MW，平均每天增長(zhǎng)475 MW。

有研究表明，人們的體感溫度是滯后于外界溫度變化，進(jìn)而用電行為的變化也會(huì)有所滯后。在第一輪高溫大負(fù)荷期間，由于7月21日之前氣溫一直較低，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)高溫大負(fù)荷后，負(fù)荷漲到28 000 MW左右后便不再上漲。直到第二輪大負(fù)荷開始出現(xiàn)，經(jīng)過8月12～14日的高溫，出現(xiàn)明顯的溫度積累效應(yīng)，8月15至8月19日負(fù)荷直接攀升到30 000 MW以上。

2 湖北電網(wǎng)降溫負(fù)荷估算

2.1 湖北電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷曲線

根據(jù)湖北電網(wǎng)的特點(diǎn)，一般在7、8月份用電負(fù)荷達(dá)到最大，這兩個(gè)月也是降溫負(fù)荷最大的月份。由于湖北春季和秋季氣溫比較涼爽，因此可以將春季和秋季電網(wǎng)負(fù)荷作為基礎(chǔ)負(fù)荷（又稱非氣溫敏感負(fù)荷）。一般以4月份作為春季典型負(fù)荷，10月份作為秋季典型負(fù)荷，4月、10月份負(fù)荷曲線的平均值即為基礎(chǔ)負(fù)荷。在計(jì)算時(shí)選取春、秋兩個(gè)季節(jié)負(fù)荷的平均值，以消除負(fù)荷自然增長(zhǎng)的影響。

基礎(chǔ)負(fù)荷的具體計(jì)算步驟如下：

假定4月份每天的電網(wǎng)負(fù)荷曲線為P春d,m，統(tǒng)計(jì)出4月份工作日的平均負(fù)荷曲線

作為春季工作日負(fù)荷曲線P春,m。同樣統(tǒng)計(jì)出10月為代表的秋季工作日平均負(fù)荷曲線P秋,m。春季和秋季工作日負(fù)荷曲線的平均值即為工作日非氣溫敏感性負(fù)荷。

根據(jù)式（2），可計(jì)算出2011～2015年基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，如圖2所示。

圖2 2011～2015年基礎(chǔ)日負(fù)荷曲線Fig.2 Basic-daily-load curves of 2011～2015

由圖2知，湖北電網(wǎng)基礎(chǔ)日負(fù)荷曲線具有較強(qiáng)的規(guī)律性和穩(wěn)定性，五年來曲線形狀和走勢(shì)基本一致。2011～2015年，基礎(chǔ)負(fù)荷的年均自然增長(zhǎng)率為2%左右。湖北電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷曲線和日常生活作息時(shí)間緊密相關(guān)，6：00負(fù)荷開始上升，9：00～10：00之間迎來早高峰，11：00～12：00之間出現(xiàn)第二波早高峰；17：00-18：00之間迎來晚高峰，19：00～20：00之間出現(xiàn)第二波晚高峰，隨即迅速下滑；22：00后，受峰谷電價(jià)影響工業(yè)負(fù)荷再次啟動(dòng)，整體負(fù)荷還有一波小幅爬升，隨后逐步下滑。

根據(jù)對(duì)2011～2015年4月、10月日平均負(fù)荷的對(duì)比，得到當(dāng)年10月對(duì)4月的288點(diǎn)（每5 min一點(diǎn)）日平均負(fù)荷增長(zhǎng)率，作為對(duì)2016年4月負(fù)荷的修正系數(shù)，采用修正系數(shù)對(duì)2016年4月平均負(fù)荷進(jìn)行修正，得到2016年基礎(chǔ)負(fù)荷曲線如圖3所示。

圖3 2016年基礎(chǔ)日負(fù)荷曲線Fig.3 Basic-daily-load curves of 2016

2.2 湖北電網(wǎng)降溫負(fù)荷估算

在獲得2016年基礎(chǔ)負(fù)荷曲線后，夏季日降溫負(fù)荷曲線可由日負(fù)荷曲線減去基礎(chǔ)負(fù)荷曲線得到。由于湖北省統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的計(jì)算方法為網(wǎng)供負(fù)荷+統(tǒng)調(diào)電廠出力，該負(fù)荷中包含了廠用負(fù)荷及網(wǎng)損部分，因此，在扣除總負(fù)荷10%左右的廠用負(fù)荷及網(wǎng)損后，得到湖北電網(wǎng)夏季日降溫負(fù)荷曲線。

圖4為2016年典型大負(fù)荷日的降溫負(fù)荷曲線，可以看出日降溫負(fù)荷曲線大體上呈現(xiàn)“W”型變化趨勢(shì)，一天中有兩個(gè)峰值，分別在13：00和22：00附近，而7：30和19：00左右的降溫負(fù)荷出現(xiàn)兩個(gè)低谷值。這與湖北省的負(fù)荷構(gòu)成、氣象變化以及人們的生活習(xí)慣等密切相關(guān)。對(duì)于城市居民而言，早上7：00左右起床后會(huì)有關(guān)閉空調(diào)、自然通風(fēng)的習(xí)慣，因而降溫負(fù)荷較小；8：00之后人們陸續(xù)開始上班，降溫負(fù)荷逐漸增大，夏季的日最高溫度出現(xiàn)在中午，疊加中午下班后回家休息的空調(diào)負(fù)荷后，在13：00左右達(dá)到午高峰；18：00～20：00是下班高峰期，降溫負(fù)荷較小，20：00后居民使用空調(diào)量開始增大，降溫負(fù)荷也隨之上升，特別是21：00以后人們逐漸開始睡覺并打開空調(diào)制冷，降溫負(fù)荷在22：00左右達(dá)到晚高峰，隨后隨著房間溫度降低，空調(diào)負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的功率有所減小，降溫負(fù)荷也隨之逐漸下降。

圖4 2016年湖北省典型大負(fù)荷日降溫負(fù)荷曲線Fig.4 Temperature-lowering load curve on a typical summer-heavy-load day in 2016

2016年日最大降溫負(fù)荷（8月19日）為15 205 MW，發(fā)生在晚上22：10，占當(dāng)日最大負(fù)荷的比例為49.3%；8月1日、7月25日、7月12日的最大降溫負(fù)荷分別為12 948 MW、13 258 MW、9 929 MW，占當(dāng)日最大負(fù)荷的比例為45.3%、47.0%、39.9%。

2.3 湖北各地市降溫負(fù)荷特性

圖5～8為全省最大負(fù)荷日8月19日各地市的降溫負(fù)荷曲線圖。各地市降溫負(fù)荷曲線趨勢(shì)與全省降溫負(fù)荷曲線類似，此處不再詳細(xì)分析。

圖5 2016年武漢市大負(fù)荷日降溫負(fù)荷曲線Fig.5 Temperature-lowering load curve of Wuhan on a typical summer-heavy-load day in 2016

由圖5可見，武漢地區(qū)降溫負(fù)荷水平高，占全省降溫負(fù)荷的三分之一以上。與全省降溫負(fù)荷曲線不同的是，武漢的最大降溫負(fù)荷出現(xiàn)在中午，主要是因?yàn)槲錆h經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工商業(yè)、居民降溫負(fù)荷比重均較大，且白天工商業(yè)、餐飲、公用事業(yè)及國(guó)家機(jī)關(guān)辦公等集中空調(diào)負(fù)荷較大。

圖6 2016年鄂東地市大負(fù)荷日降溫負(fù)荷曲線Fig.6 Temperature-lowering load curve of the eastern Hubei on a typical summer-heavy-load day in 2016

圖7 2016年鄂西北地市大負(fù)荷日降溫負(fù)荷曲線Fig.7 Temperature-lowering load curve of the north western Hubei on a typical summer-heavy-load day in 2016

圖8 2016年鄂西地市大負(fù)荷日降溫負(fù)荷曲線Fig.8 Temperature-lowering load curve of the western Hubei on a typical summer-heavy-load day in 2016

由圖6～8可見，黃岡、咸寧、襄陽、孝感、隨州、荊州的降溫負(fù)荷曲線峰谷差較大，午高峰和晚高峰明顯，主要是因?yàn)檫@些地市居民負(fù)荷占比較大；而黃石、咸寧、鄂州、十堰、恩施、宜昌、荊門的降溫負(fù)荷曲線峰谷差較小，在一天內(nèi)各時(shí)段的波動(dòng)范圍較小，表明上述地市工業(yè)降溫負(fù)荷比重大。

湖北地市的降溫負(fù)荷高峰多出現(xiàn)在晚上，黃岡、荊州、襄陽尤其明顯，由于居民晚上休息集中使用空調(diào)降溫導(dǎo)致。

3 結(jié)語

本文分析了湖北電網(wǎng)負(fù)荷與氣溫的相關(guān)性，應(yīng)用提出的湖北電網(wǎng)基礎(chǔ)日負(fù)荷曲線估算方法，采用基準(zhǔn)負(fù)荷比較法，計(jì)算得到2016年夏季大負(fù)荷典型日降溫負(fù)荷曲線，相關(guān)分析結(jié)論如下：

1）2016年湖北電網(wǎng)最高氣溫與最大負(fù)荷的相關(guān)性系數(shù)為0.891 0，最低氣溫與最大負(fù)荷的相關(guān)性系數(shù)為0.730 5，日最大負(fù)荷與最高氣溫的相關(guān)性更強(qiáng)。

2）2016年湖北電網(wǎng)第一輪大負(fù)荷期間，氣溫每升高1℃，負(fù)荷增長(zhǎng)2 000 MW左右，但7月25日～8月2日高溫持續(xù)期間，負(fù)荷變化不大；第二輪大負(fù)荷期間，氣溫每升高1℃，負(fù)荷增長(zhǎng)1 000 MW左右，在8月12～19日高溫持續(xù)期間，雖溫度變化不大，但負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，8月19日較8月12日8 d內(nèi)負(fù)荷增長(zhǎng)3 800 MW，平均每天增長(zhǎng)475 MW。

3）計(jì)算得到2016年湖北日最大降溫負(fù)荷（8月19日）為15 205 MW，發(fā)生在晚上22：10，占當(dāng)日最大負(fù)荷的比例為49.3%。

（References）

[1] 王寧,謝敏,鄧佳梁,等.基于支持向量機(jī)回歸組合模型的中長(zhǎng)期降溫負(fù)荷預(yù)測(cè)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2016,44(3):92-97.WANG Ning,XIE Min,DENG Jialiang,etal.Mid-long term temperature-lowering load forecasting based on combination of support vector machine and multiplere gression[J].Power System Protection and Control,2016,44(3):92-97.

[2] LU Ning,TAYLOR T,JIANG Wei,et al.Climate change impacts on residential and commercial loads in the western U.S.grid[J].IEEE Transactions on Power Systems,2010,25(1):480-488.

[3] 陳謙,陸楊文,孫建波,等.含有空調(diào)的綜合電力負(fù)荷建模研究[J].高電壓技術(shù),2008,34(4):759-762.CHEN Qian,LU Yangwen,SUN Jianbo,et al.Load modeling including air conditioners[J].High Voltage Engineering,2008,34(4):759-762.

[4] 劉思捷,張海鵬,林舜江等.夏季日最大降溫負(fù)荷的估算和預(yù)測(cè)方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2016,44(5):75-81.LIU Sijie,ZHANG Haipeng,LIN Shunjiang,et al.An estimating and forecasting method for daily maximum cooling load in summer[J].Power System Protection and Control,2016,44(5):75-81.

[5] 謝敏,鄧佳梁,劉明波,等.基于氣象信息和熵權(quán)理論的降溫負(fù)荷估算方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016(3):135-139.XIE Min,DENG Jialiang,LIU Mingbo,et al.Temper?ature-lowering load estimation method based on me?teorological data and entropy weight theory[J].Auto?mation of Electric Power Systems,2016(3):135-139.

[6] 童述林,文福拴.節(jié)能減排環(huán)境下廣東省年最大降溫負(fù)荷的測(cè)算與分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,37(5):32-37.TONG Shulin,WEN Fushuan.Calculation and anal?ysis of the annual maximum high-temperature related load in the energy saving and emission reduction environment in Guangdong province[J].Journal of North Electric PowerUniversity:NaturalScience,2010,37(5):32-37.

Studies on the Sensitivity of Power Load to Temperature and the Estimation of Temperature-lowering Load of Hubei Power Grid

CAO Kan,WAN Li,ZHOU Kunpeng,TANG Zeyang,WANG Tao,LIU Manjia
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

On the basis of summer load data and temperature data of Hubei power grid in 2016,the power-load-to-highest/lowest-temperature curves are plotted,so as to analyze rules of the in?creasing load varies with the changing temperature.A method for estimating basic-daily-load curves of Hubei power grid is proposed.Also,by applying the comparative method of criterion load,a temperature-lowering load curve on a typical summer-heavy-load day in 2016 is worked out.On the basis of daily temperature-lowering load curves,the variation rules of daily temperature-low?ering load are analyzed and the proportion of temperature-lowering load to total load of Hubei prov?ince is estimated.

power load-temperature sensitivity;cooling load;base load;load curve

TM74

A

1006-3986(2016)12-0019-06

10.19308/j.hep.2016.12.005

2016-10-18

曹 侃（1982），男，湖北武漢人，博士，高級(jí)工程師。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（SGTYHT/15-JS-191）。