李維，王洪林，南峰濤，柴焰明，李杰，楊燕

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南大學(xué)軟件學(xué)院，昆明 650500）

0 前言

電力系統(tǒng)主要的目標(biāo)在于為各種類型的用戶持續(xù)地提供高質(zhì)量的電能，滿足不同用戶用電負(fù)荷的要求，同時(shí)要保證安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。不同類型的用戶會(huì)產(chǎn)生不同的用電負(fù)荷，并且不同的負(fù)荷會(huì)呈現(xiàn)出不同的特性。另外，電力系統(tǒng)中的電能是實(shí)時(shí)供應(yīng)的，在產(chǎn)生的同時(shí)被消耗掉，無(wú)法存儲(chǔ)，提高電力負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性是電力規(guī)劃的重要工作，用戶負(fù)荷特性及用電特點(diǎn)分析是電力負(fù)荷預(yù)測(cè)研究中一項(xiàng)重要的工作。

以下使用通過(guò)調(diào)研獲取的在云南省兩個(gè)地區(qū)多個(gè)典型用戶在一個(gè)月期間的實(shí)際用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，從中分析各類產(chǎn)業(yè)（用戶）的負(fù)荷特性，明確各類產(chǎn)業(yè)（用戶）的用電特點(diǎn)。本文將選取這些地區(qū)的一些用電占比高且具有代表性的企業(yè)的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行負(fù)荷特性分析。

1 研究現(xiàn)狀

目前負(fù)荷特性分析研究主要是基于負(fù)荷密度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行，沒(méi)有較為通用完整可行的基于負(fù)荷密度指標(biāo)的負(fù)荷預(yù)測(cè)體系，這是因?yàn)樨?fù)荷預(yù)測(cè)思路在各地區(qū)各有不同，且負(fù)荷預(yù)測(cè)體系會(huì)根據(jù)各地區(qū)負(fù)荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化和地域化特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]通過(guò)收集上百個(gè)典型用戶負(fù)荷特性的數(shù)據(jù)，把用戶分為多個(gè)行業(yè)類型進(jìn)行用電負(fù)荷特性對(duì)比分析，同時(shí)針對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)研究提出了需關(guān)注的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]則是使用唐山中心城區(qū)配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用多項(xiàng)負(fù)荷特性指標(biāo)，并通過(guò)建立負(fù)荷特性模型，主要從居民小區(qū)、商業(yè)單位、事業(yè)單位三個(gè)角度來(lái)分析不同類型用戶的負(fù)荷特性，從而對(duì)電力資源配置提出參考建議。在應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[3]對(duì)電力需求預(yù)測(cè)及負(fù)荷特性分析進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電力需求預(yù)測(cè)及負(fù)荷特性分析系統(tǒng)。

另外一個(gè)負(fù)荷特性分析研究方法是通過(guò)聚類方式來(lái)分析負(fù)荷特性。該方法一般是根據(jù)不同用戶的用電特征，將特征相似的用戶聚類到一起，對(duì)不同特征的用戶分別進(jìn)行負(fù)荷特征分析。如文獻(xiàn)[4]選取冀北五地市中重金屬類四個(gè)重點(diǎn)行業(yè)的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)補(bǔ)正處理和歸一化后進(jìn)行K-Means聚類算法分析，通過(guò)聚類圖清晰地分析出各種用戶的用電行為特點(diǎn)，為電網(wǎng)公司制定合理的電力調(diào)控方案提供參考。文獻(xiàn)[5]參考負(fù)荷特性曲線提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)聚類分析模型，該模型解決了傳統(tǒng)用戶負(fù)荷特性聚類分析無(wú)法在預(yù)期時(shí)間內(nèi)對(duì)用戶用電行為進(jìn)行定向分析的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]在負(fù)荷預(yù)測(cè)、負(fù)荷特性分析研究的基礎(chǔ)上基于模糊聚類進(jìn)行了電力風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究，構(gòu)建了基于負(fù)荷特性的電力用戶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，在電網(wǎng)安全決策方面可以提供很大幫助。

此外，還有針對(duì)用電信息采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的用戶負(fù)荷特性研究。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于用電信息采集的負(fù)荷特性分析方法，并利用居民用電信息采集獲取的數(shù)據(jù)，以情景感知方式來(lái)分析居民用電行為，從而能夠了解居民在一段時(shí)間內(nèi)的用電情況。至于基于用電信息采集的用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)的聚類分析，文獻(xiàn)[8]中提出了一種改進(jìn)的K-means用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)的分類算法。該算法彌補(bǔ)了K-means不能始終得到最優(yōu)聚類數(shù)目的缺點(diǎn)，并能夠獲得較優(yōu)的聚類結(jié)果。

2 負(fù)荷特性分析方法

負(fù)荷特性分析主要有負(fù)荷特性指標(biāo)分析、負(fù)荷曲線和負(fù)荷密度等方法等。本文主要采用典型用戶的負(fù)荷曲線以及特定指標(biāo)來(lái)分析用戶負(fù)荷特性。

2.1 負(fù)荷特性指標(biāo)

負(fù)荷特性指標(biāo)是一種為分析負(fù)荷特性及其變化規(guī)律提供重要依據(jù)的指標(biāo)。根據(jù)研究的時(shí)長(zhǎng)，相應(yīng)的會(huì)存在對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的負(fù)荷特性指標(biāo)。幾種常用的負(fù)荷特性指標(biāo)如下[3-9]。

1）平均日負(fù)荷率γ：日平均負(fù)荷與日最大負(fù)荷的比值。公式為：

其中γi為第i個(gè)用戶的平均日負(fù)荷率，N為用戶數(shù)，Pi,d,max為第i個(gè)用戶日最大負(fù)荷，Pi,d,avg為第i個(gè)用戶日平均負(fù)荷。

2）日最小負(fù)荷率β：日最小負(fù)荷與日最大負(fù)荷的比值。公式為：

其中βi為第i個(gè)用戶的平均日負(fù)荷率，N為用戶數(shù)，Pi,d,min為第i個(gè)用戶日最小負(fù)荷。

3）日峰谷差率Rd：日峰谷差值與日最大負(fù)荷的比值。公式為：

4）月不均衡系數(shù)σ：即月負(fù)荷率，月平均負(fù)荷與月內(nèi)最大負(fù)荷日的平均負(fù)荷的比值。公式為：

其中Pm,avg為月平均負(fù)荷，Pm,max,avg為月內(nèi)最大負(fù)荷日的平均負(fù)荷。

5）年負(fù)荷率δ：年平均負(fù)荷與年最大負(fù)荷的比值。公式為：

其中Py,avg為年平均負(fù)荷，Py,max為年最大負(fù)荷。

本文對(duì)云南省兩地的一個(gè)月期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考慮到數(shù)據(jù)的格式，主要用到的指標(biāo)為月不均衡系數(shù)σ和與其相關(guān)聯(lián)的月平均負(fù)荷Pm,avg、月內(nèi)最大負(fù)荷日的平均負(fù)荷Pm,max,avg，以便于觀察用戶負(fù)荷均衡性。σ的值越高，表示負(fù)荷變化幅度越小。

2.2 負(fù)荷曲線

負(fù)荷曲線是一種對(duì)于電力規(guī)劃工作非常重要的指標(biāo)，為電力規(guī)劃提供了足夠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。負(fù)荷曲線是一種描述負(fù)荷變化的曲線圖表，可以表示一個(gè)時(shí)間段內(nèi)負(fù)荷大小及變化趨勢(shì)。和負(fù)荷特性指標(biāo)相似，根據(jù)研究的時(shí)長(zhǎng)，相應(yīng)的也會(huì)存在對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的負(fù)荷曲線。常用的負(fù)荷曲線有年持續(xù)負(fù)荷曲線、年負(fù)荷曲線、月負(fù)荷曲線、周負(fù)荷曲線以及日負(fù)荷曲線。[3-9]

1）年持續(xù)負(fù)荷曲線：根據(jù)一年全年的負(fù)荷依照降序，以全年當(dāng)中負(fù)荷值超過(guò)指定值的累計(jì)時(shí)間編制而成，即該曲線上每一個(gè)點(diǎn)表示一年中超過(guò)指定負(fù)荷值時(shí)的累計(jì)時(shí)長(zhǎng)（最多為8760小時(shí)）。其可用于統(tǒng)計(jì)一個(gè)地區(qū)全年的用電負(fù)荷分布和趨勢(shì)，常用于評(píng)估電力系統(tǒng)可靠性，制定長(zhǎng)遠(yuǎn)性電力規(guī)劃。

2）年負(fù)荷曲線：根據(jù)一年中每個(gè)月的月最大負(fù)荷，按照時(shí)間順序繪制而成，描述全年負(fù)荷趨勢(shì)，用于研究負(fù)荷的季節(jié)性變化規(guī)律，指導(dǎo)電力系統(tǒng)的生產(chǎn)、運(yùn)行、調(diào)度、檢修等工作。

3）月負(fù)荷曲線：根據(jù)一個(gè)月內(nèi)每天的日最大負(fù)荷，按照時(shí)間順序繪制而成，描述一個(gè)月內(nèi)的負(fù)荷變化情況，主要用于月內(nèi)用電計(jì)劃規(guī)劃。

4）周負(fù)荷曲線：根據(jù)一周內(nèi)每天的日最大負(fù)荷，按照時(shí)間順序繪制而成，描述一周內(nèi)的負(fù)荷變化情況，主要用于研究負(fù)荷的周期性變化。

5）日負(fù)荷曲線：根據(jù)每天的實(shí)時(shí)負(fù)荷，按照時(shí)間順序繪制而成，描述每天內(nèi)每個(gè)時(shí)間段實(shí)時(shí)的負(fù)荷變化情況，用于指導(dǎo)日常的負(fù)荷的調(diào)度計(jì)劃安排。

考慮到本文所用數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度，本文采用月負(fù)荷曲線來(lái)進(jìn)行負(fù)荷分析，其為描述一個(gè)月內(nèi)每天的負(fù)荷變化的曲線。通過(guò)分析典型月負(fù)荷曲線，可找出一個(gè)月內(nèi)負(fù)荷的變化規(guī)律。

3 各類典型用戶的用電負(fù)荷特點(diǎn)

根據(jù)行業(yè)特征，本文將主要選取重工業(yè)、輕工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、居民生活、教育這些行業(yè)，針對(duì)兩個(gè)地區(qū)（以下分別稱為A地區(qū)、B地區(qū)）一些具有代表性的企業(yè)中典型用戶負(fù)荷情況，使用一個(gè)月的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過(guò)月負(fù)荷曲線來(lái)分析用電負(fù)荷特點(diǎn)，并結(jié)合月不均衡系數(shù)等指標(biāo)來(lái)判斷負(fù)荷均衡性。

3.1 重工業(yè)負(fù)荷特性分析

工業(yè)負(fù)荷指工業(yè)生產(chǎn)的用電負(fù)荷。工業(yè)負(fù)荷會(huì)受到工作方式（如電力設(shè)備使用狀況、電力企業(yè)的工作制度等）影響，而且與每個(gè)行業(yè)的特性、季節(jié)性特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)危機(jī)因素等都存在緊密的聯(lián)系，但一般是較為穩(wěn)定的，并且在所有類型的負(fù)荷中的比例最多。重工業(yè)的用戶一般都是以非常大的功率運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，負(fù)荷普遍較高，如果這些用戶發(fā)生停電情況（即使時(shí)間長(zhǎng)度很短），不僅會(huì)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會(huì)導(dǎo)致人身傷亡事故發(fā)生，因此重工業(yè)類用戶對(duì)供電可靠性、持續(xù)性和穩(wěn)定性的要求極高。

在A地區(qū)分別對(duì)一家礦業(yè)公司和一家水泥制品公司的用戶負(fù)荷進(jìn)行了分析，如圖1所示?？梢钥闯鰧?duì)于此類重工業(yè)，在一個(gè)月中有16天，設(shè)備都在高負(fù)荷運(yùn)作，相應(yīng)的也有15天用戶負(fù)荷幾乎為0 KW，并且高負(fù)荷日和低負(fù)荷日呈現(xiàn)出一定的周期交替。

從負(fù)荷特性指標(biāo)來(lái)看，一般來(lái)說(shuō)，高負(fù)荷日和低負(fù)荷日負(fù)荷相差較大、數(shù)量相近且周期交替的形式是一個(gè)典型的負(fù)荷不均衡的情形。該情形下的月不均衡系數(shù)普遍會(huì)偏低。

對(duì)水泥制品企業(yè)進(jìn)行分析，如圖2所示?？梢钥闯鲈谶@一個(gè)月中，有13天設(shè)備都是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且在中間幾天呈現(xiàn)出規(guī)律性的震動(dòng)。開(kāi)始時(shí)，該企業(yè)的用戶負(fù)荷較為穩(wěn)定。之后在中間幾天加大了水泥產(chǎn)量的輸出，可以看出負(fù)荷增長(zhǎng)較為迅猛。

顯然該企業(yè)在前15天用戶負(fù)荷較為穩(wěn)定，則這段時(shí)間的負(fù)荷率會(huì)較高。但由于第15天之后，先出現(xiàn)了增量生產(chǎn)，負(fù)荷迅猛增長(zhǎng)，后又停止生產(chǎn)，負(fù)荷急劇減少，導(dǎo)致整個(gè)月的月不均衡系數(shù)減少。

3.2 輕工業(yè)負(fù)荷特性分析

以A地區(qū)一家竹筷廠為例，對(duì)其日用戶負(fù)荷進(jìn)行分析，如圖3所示。我們可以看出其在第12天、第16天、第20天、第25天等日子用電量比較大。以一個(gè)禮拜為周期（7天），可以明顯的看出其用電規(guī)律，先減少后增加再減少，這就意味著在一周中至少存在2次用電高峰。因?yàn)榇嬖谟秒姼叻迦?，并且從整個(gè)月的負(fù)荷來(lái)看波動(dòng)很大，該企業(yè)的月不均衡系數(shù)偏低，即該企業(yè)的負(fù)荷是歸為不穩(wěn)定的。

3.3 農(nóng)業(yè)負(fù)荷特性分析

以A地區(qū)一家養(yǎng)雞場(chǎng)為例進(jìn)行分析，總的分析結(jié)果來(lái)看用戶的負(fù)荷基本很平均，但有個(gè)別日期突出明顯。因?yàn)榧仪蓊悓?duì)于養(yǎng)殖場(chǎng)的溫度、水分這些要求基本保持不變，所以在一個(gè)月中的用電負(fù)荷變化不是很明顯。具體如圖4所示。結(jié)合負(fù)荷特性指標(biāo)來(lái)看，雖然總體的負(fù)荷很均衡，但由于存在少許日期負(fù)荷明顯高出其他日期負(fù)荷的情況，最大負(fù)荷日的平均負(fù)荷會(huì)遠(yuǎn)大于整個(gè)月的平均負(fù)荷，使得月不均衡系數(shù)被急劇拉低。該養(yǎng)雞場(chǎng)的負(fù)荷特性可以理解為：從短期來(lái)看，負(fù)荷較為穩(wěn)定；從長(zhǎng)期來(lái)看，負(fù)荷不均衡。

圖1 A地區(qū)某礦業(yè)企業(yè)月負(fù)荷曲線

圖2 A地區(qū)某水泥制品企業(yè)月負(fù)荷曲線

圖3 A地區(qū)某竹筷廠月負(fù)荷曲線

圖4 A地區(qū)某養(yǎng)雞場(chǎng)月負(fù)荷曲線

3.4 商業(yè)負(fù)荷特性分析

商業(yè)負(fù)荷主要指商業(yè)部門的照明、空調(diào)、動(dòng)力等用電負(fù)荷。雖然商業(yè)負(fù)荷在所有負(fù)荷中的比例不及工業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷，但覆蓋面積大，用電增長(zhǎng)平穩(wěn)，且同樣具有季節(jié)性波動(dòng)的特性。此外，在商業(yè)負(fù)荷中最主要的負(fù)荷產(chǎn)生來(lái)源是照明，其存在用電高峰時(shí)段。在節(jié)假日時(shí)商業(yè)部門甚至?xí)黾訝I(yíng)業(yè)時(shí)間，導(dǎo)致日用電負(fù)荷提高。以B地區(qū)一家商場(chǎng)為例，其用電負(fù)荷如圖5所示.可以看出在波動(dòng)范圍較小的同時(shí)，星期六和星期日的用電負(fù)荷要比其它時(shí)間段的略高。

由于商場(chǎng)的營(yíng)業(yè)時(shí)間較為固定，且照明、空調(diào)、動(dòng)力等一般都是保持恒定功率持續(xù)運(yùn)作的，則商場(chǎng)的用電負(fù)荷也應(yīng)當(dāng)較為穩(wěn)定，基本變化不大。負(fù)荷特性指標(biāo)也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。即使在周末以及節(jié)假日時(shí)營(yíng)業(yè)時(shí)間的增加使商場(chǎng)用電負(fù)荷增加，但節(jié)假日負(fù)荷相比工作日負(fù)荷不會(huì)有較大差異，相應(yīng)的該用電負(fù)荷增加導(dǎo)致不均衡系數(shù)減少，減少的程度也不會(huì)過(guò)大。故總體商場(chǎng)的負(fù)荷是較為均衡的。

圖5 B地區(qū)某商場(chǎng)月負(fù)荷曲線

圖6 B地區(qū)某小區(qū)月負(fù)荷曲線

圖7 A地區(qū)某小學(xué)月負(fù)荷曲線

3.5 居民生活用電負(fù)荷特性分析

居民生活用電負(fù)荷主要來(lái)源于家用電器。居民負(fù)荷非常依賴于居民日常作息的規(guī)律，同樣存在季節(jié)性波動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)隨時(shí)代發(fā)展呈現(xiàn)出漸漸提高的趨勢(shì)。選取B地區(qū)一個(gè)小區(qū)的居民用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出其呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，具體如圖6所示。

和商場(chǎng)相似，居民生活的用電受日常作息規(guī)律影響，并且會(huì)隨著季節(jié)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，這樣的負(fù)荷對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的用戶普遍存在規(guī)律性。對(duì)于一個(gè)月的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，生活用電負(fù)荷是較為均衡的。從負(fù)荷特性指標(biāo)來(lái)看也正是如此。根據(jù)季節(jié)性，我們可以推測(cè)居民生活用電負(fù)荷的全年年負(fù)荷率相對(duì)于月負(fù)荷率會(huì)偏低，但總體來(lái)說(shuō)負(fù)荷依然算作是較為均衡的。

3.6 教育類負(fù)荷特性分析

以A地區(qū)的一所小學(xué)為例（圖7），其中前18天可以看出明顯的變化規(guī)律，周一到周五為用電高峰，周末用電量較少。在第19天之后，由于學(xué)校開(kāi)始放寒假，用電量非常少。針對(duì)該學(xué)校用電數(shù)據(jù)分兩種情況計(jì)算負(fù)荷特性指標(biāo)，一種是針對(duì)整個(gè)月的，一種是處于學(xué)校日常作息時(shí)間段的（前18天）?？梢钥闯鰧W(xué)校在一般日常作息時(shí)用電負(fù)荷非常規(guī)律，且用電高峰日較多，使得這段時(shí)間的負(fù)荷率較高。由于后半段開(kāi)始放寒假的緣故，用電量幾乎很少，這顯著地拉低了負(fù)荷率，使得最終整個(gè)月的月不均衡系數(shù)較低。由此可以推測(cè)大、中、小學(xué)校在全年的用電負(fù)荷上，全年年負(fù)荷率會(huì)低于全年當(dāng)中學(xué)校一般作息時(shí)段（非寒暑假時(shí)段）的負(fù)荷率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知用戶負(fù)荷特性和用電特點(diǎn)是經(jīng)常變化的。除了受各行業(yè)特點(diǎn)的影響外，不僅會(huì)每天變化，還會(huì)按周、按月，甚至按年變化，同時(shí)存在一定的周期性。雖然本文只是對(duì)云南省兩個(gè)地區(qū)中典型用戶一個(gè)月期間的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶負(fù)荷特性分析，但其實(shí)負(fù)荷變化是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。負(fù)荷變化一般不會(huì)有較大波動(dòng)，但很容易受季節(jié)、溫度、氣候等自然因素影響，且該影響會(huì)非常明顯。如果對(duì)用戶負(fù)荷特性的分析不準(zhǔn)確，則會(huì)使得分析出來(lái)的用戶用電趨勢(shì)及特點(diǎn)與實(shí)際情況不相符，電力負(fù)荷預(yù)測(cè)與實(shí)際產(chǎn)生偏差。隨著智能電網(wǎng)信息自動(dòng)化平臺(tái)的建立和發(fā)展，用于采集用戶用電信息數(shù)據(jù)的電表逐漸智能化，在更短的時(shí)間內(nèi)就能采集到更多用戶用電信息數(shù)據(jù)，對(duì)負(fù)荷特性研究來(lái)說(shuō)足夠使用了。而如何提高處理數(shù)據(jù)的效率成為提高負(fù)荷特性分析效率和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)才能做到讓電力系統(tǒng)在確保安全和可靠的同時(shí)能夠高度信息化和自動(dòng)化，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。如何基于大數(shù)據(jù)技術(shù)分析負(fù)荷特性、提高負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度是目前負(fù)荷特性分析和預(yù)測(cè)研究的關(guān)鍵，也是智能電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向[10-15]。