沈浩， 盧俊琰， 余捷， 施金曉， 劉劍青， 賀楊烊

(1.上海市電力公司市北供電公司，上海 200072； 2.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引 言

負(fù)荷預(yù)測(cè)作為電網(wǎng)規(guī)劃工作的重要一環(huán)，為配電網(wǎng)規(guī)劃方案的制定提供科學(xué)合理的依據(jù)。負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)后期電網(wǎng)規(guī)劃方案起著至關(guān)重要的作用，若負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果偏高，將導(dǎo)致電網(wǎng)建設(shè)超前，電網(wǎng)設(shè)備處于輕載甚至是空載運(yùn)行狀態(tài)，間接導(dǎo)致電網(wǎng)投資收益率低；若負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果偏低，將導(dǎo)致電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模落后，功率傳輸通道阻塞，在電網(wǎng)大負(fù)荷期間，設(shè)備處于重載甚至過載狀態(tài)，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致電網(wǎng)故障的發(fā)生，危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前較為經(jīng)典的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法主要有：自然增長(zhǎng)率法、產(chǎn)值單耗法、彈性系數(shù)法、人均電量法、回歸分析法和智能預(yù)測(cè)算法等。目前，這些方法已經(jīng)能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出規(guī)劃區(qū)域未來的電量及電力負(fù)荷情況，但由于上述方法均不涉及到規(guī)劃區(qū)域的地理分布信息，在描述規(guī)劃區(qū)域未來負(fù)荷的空間分布情況時(shí)均不能有效地發(fā)揮作用?？臻g負(fù)荷預(yù)測(cè)方法在負(fù)荷分區(qū)的基礎(chǔ)上為預(yù)測(cè)電力負(fù)荷的空間分布情況提供了一種可行的解決方案。

空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法最早在1983年由美國的Willis等提出[1]，該方法是一種自下而上的方法，通過相應(yīng)原則將規(guī)劃區(qū)域劃分成合理的小區(qū)，根據(jù)各小區(qū)的土地利用性質(zhì)測(cè)算出該區(qū)的負(fù)荷密度，最終預(yù)測(cè)出整個(gè)規(guī)劃區(qū)域的未來負(fù)荷?；陲柡拓?fù)荷的定義及電力負(fù)荷進(jìn)入飽和的判據(jù)，城市飽和負(fù)荷分析一般從規(guī)模、時(shí)間和空間3個(gè)角度進(jìn)行分析，根據(jù)分析機(jī)理的不同，需對(duì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)模型法和負(fù)荷趨勢(shì)模型法兩大類飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)方法進(jìn)行概述總結(jié)[2]。張建平等[3]采用logistic數(shù)學(xué)模型對(duì)華東某城未來的人口規(guī)模、人均電量及人均用電負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)，這些變量一般都經(jīng)歷一個(gè)S型的增長(zhǎng)模式。唐曉平、張偉昌等[4-5]應(yīng)用飽和負(fù)荷密度方法對(duì)目標(biāo)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行了飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了飽和負(fù)荷密度指標(biāo)法的可行性。孫威[6]結(jié)合我國土地政策的基本國情，研究了基于最小二乘支持向量機(jī)的負(fù)荷密度空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，在計(jì)及影響負(fù)荷密度選取指標(biāo)之間相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)的負(fù)荷密度選取方法。崔凱等[7]通過對(duì)天津市社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r以及電力設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r的分析，結(jié)合天津市至2020年的城市發(fā)展定位，分別利用人均用電量和飽和負(fù)荷密度方法對(duì)天津市至飽和年的全社會(huì)用電量及負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。江新琴等[8]以福建省廈門市為研究對(duì)象，在城市各功能分區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出各功能分區(qū)不同用地性質(zhì)土地的建筑面積信息，在類比國內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平相當(dāng)?shù)某鞘械呢?fù)荷密度后，制定了不同性質(zhì)用地的負(fù)荷密度指標(biāo)，最終求得各功能分區(qū)至飽和年的負(fù)荷，該方法對(duì)城市控制性詳細(xì)規(guī)劃的要求較高，其中對(duì)城市的功能定位越詳細(xì)，負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度越高。崔凱等[9]分別采用負(fù)荷密度特征參數(shù)和人口容量特征參數(shù)類比法對(duì)濟(jì)南全市及中心城區(qū)的飽和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐馁Y源、水文條件分析了濟(jì)南市110 kV及以上電網(wǎng)的新增變電容量需求，根據(jù)該方法得到的遠(yuǎn)期規(guī)劃結(jié)果可以科學(xué)有序地指導(dǎo)近期電網(wǎng)建設(shè)，避免了電力規(guī)劃與城市未來發(fā)展定位相矛盾的發(fā)生，降低電網(wǎng)建設(shè)投資成本。馬曉東[10]以蘇州工業(yè)園區(qū)為例，將S型曲線引入趨勢(shì)外推法進(jìn)行了該園區(qū)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)，詳細(xì)介紹了空間負(fù)荷預(yù)測(cè)步驟，通過運(yùn)輸模型及遺傳算法對(duì)飽和年的負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)。林勇、王晶等[11-12]通過將飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)方法與智能算法(如改進(jìn)粒子群、蟻群元胞自動(dòng)機(jī)理論)相結(jié)合，提高了飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度。

當(dāng)前的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法由于忽略了規(guī)劃區(qū)至飽和年的空間負(fù)荷分布情況，導(dǎo)致存在電力設(shè)施建設(shè)工期混亂、電力設(shè)施投資計(jì)劃不合理、電網(wǎng)重復(fù)建設(shè)等問題。因此，有必要對(duì)規(guī)劃區(qū)至飽和年的空間負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文根據(jù)華中某市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，類比國內(nèi)其他城市的負(fù)荷密度，建立了該市的飽和負(fù)荷密度指標(biāo)集，通過空間飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)方法得到了該市市轄供電區(qū)的飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)值，人均飽和電量法驗(yàn)證了空間飽和負(fù)荷方法的正確性。

1 空間飽和負(fù)荷法

圖1 規(guī)劃區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)曲線

對(duì)于某一新建規(guī)劃區(qū)來說，在規(guī)劃區(qū)的建設(shè)初期，負(fù)荷水平增長(zhǎng)較為緩慢。其后隨著社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的日益繁忙，規(guī)劃區(qū)負(fù)荷將會(huì)有一個(gè)快速發(fā)展的階段。但在規(guī)劃區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平發(fā)展到一定階段后，隨著能源利用效率、人口和土地資源限制，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，規(guī)劃區(qū)用電負(fù)荷將會(huì)進(jìn)入一個(gè)平緩增長(zhǎng)階段，直至負(fù)荷增長(zhǎng)至飽和狀態(tài)，該模式增長(zhǎng)S型曲線如圖1所示。西方發(fā)達(dá)國家由于城市化進(jìn)程發(fā)展較早，當(dāng)前這些國家的城市功能定位清晰、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，負(fù)荷水平已處于S型曲線的第三階段，這些城市提供的飽和負(fù)荷密度值對(duì)于我國未來城市電力需求的發(fā)展具有非常重要的借鑒意義。

在進(jìn)行空間飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，必須首先確定每一類性質(zhì)用地的飽和負(fù)荷密度。由于不同性質(zhì)用地的發(fā)展定位不同，這就導(dǎo)致各類性質(zhì)用地的飽和負(fù)荷密度指標(biāo)也大不相同。根據(jù)當(dāng)前華中某市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平，通過借鑒國內(nèi)其他城市的飽和負(fù)荷密度指標(biāo)，至飽和年該市的飽和負(fù)荷密度指標(biāo)如表1所示。通常情況下，城市控制性詳細(xì)規(guī)劃對(duì)城市中每一塊土地都作了用地性質(zhì)、容積率和占地面積的說明，這就為飽和負(fù)荷的預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)。根據(jù)該市的控制性詳細(xì)規(guī)劃，該市的土地主要以居住用地、一、二類工業(yè)用地、商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地、公共管理與服務(wù)設(shè)施用地為主，其中公共管理與服務(wù)設(shè)施用地主要包括：行政辦公用地、文化娛樂設(shè)施用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地、教育科研用地、公共體育設(shè)施用地及文物古跡用地。

表1 華中某市飽和負(fù)荷密度指標(biāo)

在確定了該市各類性質(zhì)用地的飽和負(fù)荷密度后，根據(jù)該市的遠(yuǎn)期規(guī)劃，將規(guī)劃區(qū)內(nèi)功能定位類似的區(qū)域進(jìn)一步整合成子功能分區(qū)，在每一子功能分區(qū)內(nèi)，將各地塊的負(fù)荷預(yù)測(cè)值進(jìn)行疊加，考慮用電設(shè)備實(shí)際從電網(wǎng)獲取的功率與其額定功率的關(guān)系，每一功能分區(qū)的飽和負(fù)荷PA預(yù)測(cè)如式(1)所示：

(1)

式中：δi為第i類性質(zhì)用地的負(fù)荷需用系數(shù)；Di為功能分區(qū)內(nèi)第i類性質(zhì)用地的飽和負(fù)荷密度；Si為功能分區(qū)內(nèi)第i類性質(zhì)用地的規(guī)劃用地面積；Vi為功能分區(qū)內(nèi)第i類性質(zhì)用地的容積率；N為功能分區(qū)內(nèi)各類性質(zhì)用地的種類數(shù)。

在計(jì)算求得各功能分區(qū)的飽和負(fù)荷后，可對(duì)規(guī)劃區(qū)內(nèi)各功能分區(qū)的飽和負(fù)荷值進(jìn)行累加，由于各功能區(qū)的發(fā)展定位不同，各區(qū)的負(fù)荷不會(huì)在同一時(shí)刻達(dá)到峰值負(fù)荷，若只對(duì)這些峰值負(fù)荷進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，求得的規(guī)劃區(qū)系統(tǒng)峰值負(fù)荷將會(huì)偏大，因此計(jì)及同時(shí)率的影響，規(guī)劃區(qū)至飽和年的空間飽和負(fù)荷P計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：λ為各功能分區(qū)的同時(shí)率，同時(shí)率一般取0.7～0.8；PAj為第j個(gè)功能分區(qū)預(yù)測(cè)的飽和負(fù)荷值；M為規(guī)劃區(qū)內(nèi)的功能分區(qū)數(shù)量。

空間飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)從分析對(duì)象的角度可分為規(guī)模分析、時(shí)間分析以及空間分析[2]。規(guī)模分析主要涉及至飽和年規(guī)劃區(qū)的全社會(huì)用電量和最大負(fù)荷；時(shí)間分析主要涉及規(guī)劃區(qū)負(fù)荷達(dá)到飽和年的具體時(shí)間及置信區(qū)間?？臻g分析主要分析至飽和年負(fù)荷在規(guī)劃區(qū)內(nèi)的空間分布情況。為了更直觀地的反映至飽和年該市的飽和負(fù)荷空間分布情況，本文以飽和負(fù)荷密度主題圖的形式在空間上通過顏色來反映各功能分區(qū)的飽和負(fù)荷密度情況。

2 人均飽和電量法

通過對(duì)規(guī)劃區(qū)人口未來增長(zhǎng)趨勢(shì)的分析，類比國內(nèi)具有相同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的地區(qū)，估算出至飽和年該市市轄供電區(qū)的人均用電量及飽和階段的人口數(shù)量，根據(jù)年負(fù)荷最大利用小時(shí)數(shù)，測(cè)算出至飽和年規(guī)劃區(qū)飽和負(fù)荷P的大小，如式(3)所示：

P=NmaxPe/Tmax

(3)

式中：Nmax為至飽和年的人口數(shù)量；Pe為飽和年的人均用電量水平，kWh/(人·年)；Tmax為至飽和年的年負(fù)荷最大利用小時(shí)數(shù),，該值一般根據(jù)規(guī)劃區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平測(cè)算得出。

通常情況下，規(guī)劃區(qū)至飽和年的人口水平也遵循S型曲線的增長(zhǎng)模式，從數(shù)學(xué)角度看，可以用logistic函數(shù)進(jìn)行模擬，如果城市規(guī)劃報(bào)告中對(duì)規(guī)劃區(qū)的人口增長(zhǎng)水平進(jìn)行了預(yù)測(cè)，也可直接用于人均飽和電量法的計(jì)算。

GB 50293—1999《城市電力規(guī)劃規(guī)范》中給出了不同用電水平城市的規(guī)劃人均綜合用電量指標(biāo)，如表2所示。

表2 不同用電水平城市人均綜合用電量指標(biāo)

3 案例分析

根據(jù)華中某市的城市控制性詳細(xì)規(guī)劃的規(guī)劃方案，該市未來主要按照七大功能分區(qū)進(jìn)行發(fā)展，各功能分區(qū)定位如表3所示。

表3 華中某市功能分區(qū)介紹

3.1 空間飽和負(fù)荷法預(yù)測(cè)結(jié)果

通常在進(jìn)行空間飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，會(huì)對(duì)飽和負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，本文直接依據(jù)城市遠(yuǎn)期規(guī)劃中的結(jié)論，設(shè)定該市規(guī)劃飽和年為2030年。

根據(jù)表1選取的該市各類性質(zhì)用地的飽和負(fù)荷密度指標(biāo)，對(duì)功能分區(qū)C1～C7中的各類性質(zhì)用地的土地面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)及容積率的影響，利用式(1)對(duì)每一功能分區(qū)中的飽和負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果及負(fù)荷密度主題圖分別如表4和圖2所示。

到2030年，該市市轄供電區(qū)范圍達(dá)130平方公里，計(jì)及同時(shí)率的飽和負(fù)荷為2 044 MW。C1區(qū)域雖然至飽和年的負(fù)荷不是所有功能區(qū)中最大的，但是該區(qū)土地面積較小，商業(yè)文化設(shè)施發(fā)達(dá)，人口密度大，因此該區(qū)的飽和負(fù)荷密度最大。C6、C7區(qū)域?yàn)槌鞘形磥戆l(fā)展新的增長(zhǎng)極，至飽和年這兩大區(qū)域集中了商業(yè)、居住、工業(yè)這三大類用地，飽和負(fù)荷密度處于較高水平。

表4 華中某市飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果

圖2 華中某市負(fù)荷密度主題圖(kW/km2)

3.2 人均飽和電量法預(yù)測(cè)結(jié)果

2014年該市全市全社會(huì)用電量為98.29億kWh，截止到2014年該市全市總?cè)丝跒?31.5萬人，計(jì)算可得該市2014年人均用電量為2 277.87 kWh/人.年，依據(jù)表2的人均綜合用電量分類指標(biāo)，該市當(dāng)前已處于用電水平中上城市行列。根據(jù)該市的城市總體發(fā)展規(guī)劃，至2030年，該市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)人口約為160萬人，取規(guī)劃區(qū)飽和年人均綜合用電量為5 600 kWh/(人·年)，得出該市市轄規(guī)劃區(qū)遠(yuǎn)景飽和總電量為89.6億kWh。

到2030年，該市規(guī)劃區(qū)內(nèi)負(fù)荷以居住、商業(yè)和工業(yè)負(fù)荷為主，隨著經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的逐步合理以及能源利用效率的提升，取年負(fù)荷最大利用小時(shí)數(shù)為4 360 h，可得至2030年該市市轄供電區(qū)全社會(huì)最大負(fù)荷為2 055.05 MW。

3.3 飽和負(fù)荷密度校驗(yàn)

通過對(duì)比上述兩種飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)方法得到的飽和負(fù)荷值，發(fā)現(xiàn)兩種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果較為接近，空間飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證，至2030年，該市市區(qū)的飽和負(fù)荷為2 050 MW，年負(fù)荷最大利用小時(shí)數(shù)在4 360 h左右，飽和年市轄供電區(qū)的全社會(huì)用電量為89.6億kWh。整個(gè)市轄供電區(qū)的飽和負(fù)荷密度為15.71 MW/km2，同國內(nèi)其他城市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)及中心城區(qū)相比(如：蘇州吳中中心城區(qū)老城區(qū)負(fù)荷密度為15.9 MW/km2，蘇州吳中汾湖中心城區(qū)負(fù)荷密度為15.37 MW/m2)，該飽和負(fù)荷密度處于合理區(qū)間范圍內(nèi)，并且同該市未來的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平相協(xié)調(diào)。

4 結(jié)束語

本文以華中某市為研究對(duì)象，在對(duì)其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平以及供電發(fā)展水平調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合該市的城市控制性詳細(xì)規(guī)劃，分別以空間飽和負(fù)荷法以及人均飽和電量法對(duì)該市至飽和年的飽和負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過負(fù)荷密度主題圖的形式直觀地對(duì)未來的負(fù)荷空間分布情況進(jìn)行了說明。飽和負(fù)荷密度校驗(yàn)結(jié)果表明，空間飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果可信度高，可為未來的配電網(wǎng)規(guī)劃、線路廊道確定、電源點(diǎn)規(guī)劃提供科學(xué)合理的依據(jù)。