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荷的要求，同時要保證安全性、可靠性、經(jīng)濟性。不同類型的用戶會產(chǎn)生不同的用電負荷，并且不同的負荷會呈現(xiàn)出不同的特性。另外，電力系統(tǒng)中的電能是實時供應(yīng)的，在產(chǎn)生的同時被消耗掉，無法存儲，提高電力負荷預(yù)測準(zhǔn)確性是電力規(guī)劃的重要工作，用戶負荷特性及用電特點分析是電力負荷預(yù)測研究中一項重要的工作。

以下使用通過調(diào)研獲取的在云南省兩個地區(qū)多個典型用戶在一個月期間的實際用電數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，從中分析各類產(chǎn)業(yè)（用戶）的負荷特性，明確各類產(chǎn)業(yè)（用戶）的用電特點。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)的用電負荷數(shù)據(jù)來進行負荷特性分析。

1 研究現(xiàn)狀

目前負荷特性分析研究主要是基于負荷密度指標(biāo)來進行，沒有較為通用完整可行的基于負荷密度指標(biāo)的負荷預(yù)測體系，這是因為負荷預(yù)測思路在各地區(qū)各有不同，且負荷預(yù)測體系會根據(jù)各地區(qū)負荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化和地域化特點。

文獻[1]通過收集上百個典型用戶負荷特性的數(shù)據(jù)，把用戶分為多個行業(yè)類型進行用電負荷特性對比分析，同時針對負荷預(yù)測研究提出了需關(guān)注的問題。文獻[2]則是使用唐山中心城區(qū)配電網(wǎng)的實際運行數(shù)據(jù)，使用多項負荷特性指標(biāo)，并通過建立負荷特性模型，主要從居民小區(qū)、商業(yè)單位、事業(yè)單位三個角度來分析不同類型用戶的負荷特性，從而對電力資源配置提出參考建議。在應(yīng)用方面，文獻[3]對電力需求預(yù)測及負荷特性分析進行了研究，設(shè)計并實現(xiàn)了一個電力需求預(yù)測及負荷特性分析系統(tǒng)。

另外一個負荷特性分析研究方法是通過聚類方式來分析負荷特性。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，對不同特征的用戶分別進行負荷特征分析。如文獻[4]選取冀北五地市中重金屬類四個重點行業(yè)的用電負荷數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)補正處理和歸一化后進行K-Means聚類算法分析，通過聚類圖清晰地分析出各種用戶的用電行為特點，為電網(wǎng)公司制定合理的電力調(diào)控方案提供參考。文獻[5]參考負荷特性曲線提出并實現(xiàn)了一個聚類分析模型，該模型解決了傳統(tǒng)用戶負荷特性聚類分析無法在預(yù)期時間內(nèi)對用戶用電行為進行定向分析的問題。文獻[6]在負荷預(yù)測、負荷特性分析研究的基礎(chǔ)上基于模糊聚類進行了電力風(fēng)險預(yù)警研究，構(gòu)建了基于負荷特性的電力用戶風(fēng)險預(yù)警模型，在電網(wǎng)安全決策方面可以提供很大幫助。

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

2 負荷特性分析方法

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

2.1 負荷特性指標(biāo)

負荷特性指標(biāo)是一種為分析負荷特性及其變化規(guī)律提供重要依據(jù)的指標(biāo)。根據(jù)研究的時長，相應(yīng)的會存在對應(yīng)時長的負荷特性指標(biāo)。幾種常用的負荷特性指標(biāo)如下[3-9]。

1）平均日負荷率γ：日平均負荷與日最大負荷的比值。公式為：

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

2）日最小負荷率β：日最小負荷與日最大負荷的比值。公式為：

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

3）日峰谷差率Rd：日峰谷差值與日最大負荷的比值。公式為：

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

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

5）年負荷率δ：年平均負荷與年最大負荷的比值。公式為：

其中Py,avg為年平均負荷，Py,max為年最大負荷。

本文對云南省兩地的一個月期間的數(shù)據(jù)進行分析，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)的月平均負荷Pm,avg、月內(nèi)最大負荷日的平均負荷Pm,max,avg，以便于觀察用戶負荷均衡性。σ的值越高，表示負荷變化幅度越小。

2.2 負荷曲線

負荷曲線是一種對于電力規(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)。負荷曲線是一種描述負荷變化的曲線圖表，可以表示一個時間段內(nèi)負荷大小及變化趨勢。和負荷特性指標(biāo)相似，根據(jù)研究的時長，相應(yīng)的也會存在對應(yīng)時長的負荷曲線。常用的負荷曲線有年持續(xù)負荷曲線、年負荷曲線、月負荷曲線、周負荷曲線以及日負荷曲線。[3-9]

1）年持續(xù)負荷曲線：根據(jù)一年全年的負荷依照降序，以全年當(dāng)中負荷值超過指定值的累計時間編制而成，即該曲線上每一個點表示一年中超過指定負荷值時的累計時長（最多為8760小時）。其可用于統(tǒng)計一個地區(qū)全年的用電負荷分布和趨勢，常用于評估電力系統(tǒng)可靠性，制定長遠性電力規(guī)劃。

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

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

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

5）日負荷曲線：根據(jù)每天的實時負荷，按照時間順序繪制而成，描述每天內(nèi)每個時間段實時的負荷變化情況，用于指導(dǎo)日常的負荷的調(diào)度計劃安排。

考慮到本文所用數(shù)據(jù)的時間長度，本文采用月負荷曲線來進行負荷分析，其為描述一個月內(nèi)每天的負荷變化的曲線。通過分析典型月負荷曲線，可找出一個月內(nèi)負荷的變化規(guī)律。

3 各類典型用戶的用電負荷特點

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)，針對兩個地區(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)中典型用戶負荷情況，使用一個月的用電負荷數(shù)據(jù)，通過月負荷曲線來分析用電負荷特點，并結(jié)合月不均衡系數(shù)等指標(biāo)來判斷負荷均衡性。

3.1 重工業(yè)負荷特性分析

工業(yè)負荷指工業(yè)生產(chǎn)的用電負荷。工業(yè)負荷會受到工作方式（如電力設(shè)備使用狀況、電力企業(yè)的工作制度等）影響，而且與每個行業(yè)的特性、季節(jié)性特點以及經(jīng)濟危機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轉(zhuǎn)設(shè)備，負荷普遍較高，如果這些用戶發(fā)生停電情況（即使時間長度很短），不僅會帶來重大的經(jīng)濟損失，甚至還會導(dǎo)致人身傷亡事故發(fā)生，因此重工業(yè)類用戶對供電可靠性、持續(xù)性和穩(wěn)定性的要求極高。

在A地區(qū)分別對一家礦業(yè)公司和一家水泥制品公司的用戶負荷進行了分析，如圖1所示。可以看出對于此類重工業(yè)，在一個月中有16天，設(shè)備都在高負荷運作，相應(yīng)的也有15天用戶負荷幾乎為0 KW，并且高負荷日和低負荷日呈現(xiàn)出一定的周期交替。

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

對水泥制品企業(yè)進行分析，如圖2所示?？梢钥闯鲈谶@一個月中，有13天設(shè)備都是在高速運轉(zhuǎn)，而且在中間幾天呈現(xiàn)出規(guī)律性的震動。開始時，該企業(yè)的用戶負荷較為穩(wěn)定。之后在中間幾天加大了水泥產(chǎn)量的輸出，可以看出負荷增長較為迅猛。

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

3.2 輕工業(yè)負荷特性分析

以A地區(qū)一家竹筷廠為例，對其日用戶負荷進行分析，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。因為存在用電高峰日，并且從整個月的負荷來看波動很大，該企業(yè)的月不均衡系數(shù)偏低，即該企業(yè)的負荷是歸為不穩(wěn)定的。

3.3 農(nóng)業(yè)負荷特性分析

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

圖1 A地區(qū)某礦業(yè)企業(yè)月負荷曲線

圖2 A地區(qū)某水泥制品企業(yè)月負荷曲線

圖3 A地區(qū)某竹筷廠月負荷曲線

圖4 A地區(qū)某養(yǎng)雞場月負荷曲線

3.4 商業(yè)負荷特性分析

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

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

圖5 B地區(qū)某商場月負荷曲線

圖6 B地區(qū)某小區(qū)月負荷曲線

圖7 A地區(qū)某小學(xué)月負荷曲線

3.5 居民生活用電負荷特性分析

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

和商場相似，居民生活的用電受日常作息規(guī)律影響，并且會隨著季節(jié)出現(xiàn)明顯波動，這樣的負荷對于現(xiàn)實中的用戶普遍存在規(guī)律性。對于一個月的時間長度來說，生活用電負荷是較為均衡的。從負荷特性指標(biāo)來看也正是如此。根據(jù)季節(jié)性，我們可以推測居民生活用電負荷的全年年負荷率相對于月負荷率會偏低，但總體來說負荷依然算作是較為均衡的。

3.6 教育類負荷特性分析

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)校開始放寒假，用電量非常少。針對該學(xué)校用電數(shù)據(jù)分兩種情況計算負荷特性指標(biāo)，一種是針對整個月的，一種是處于學(xué)校日常作息時間段的（前18天）?？梢钥闯鰧W(xué)校在一般日常作息時用電負荷非常規(guī)律，且用電高峰日較多，使得這段時間的負荷率較高。由于后半段開始放寒假的緣故，用電量幾乎很少，這顯著地拉低了負荷率，使得最終整個月的月不均衡系數(shù)較低。由此可以推測大、中、小學(xué)校在全年的用電負荷上，全年年負荷率會低于全年當(dāng)中學(xué)校一般作息時段（非寒暑假時段）的負荷率。

4 結(jié)束語

通過以上分析可知用戶負荷特性和用電特點是經(jīng)常變化的。除了受各行業(yè)特點的影響外，不僅會每天變化，還會按周、按月，甚至按年變化，同時存在一定的周期性。雖然本文只是對云南省兩個地區(qū)中典型用戶一個月期間的用電數(shù)據(jù)進行用戶負荷特性分析，但其實負荷變化是一個連續(xù)的過程。負荷變化一般不會有較大波動，但很容易受季節(jié)、溫度、氣候等自然因素影響，且該影響會非常明顯。如果對用戶負荷特性的分析不準(zhǔn)確，則會使得分析出來的用戶用電趨勢及特點與實際情況不相符，電力負荷預(yù)測與實際產(chǎn)生偏差。隨著智能電網(wǎng)信息自動化平臺的建立和發(fā)展，用于采集用戶用電信息數(shù)據(jù)的電表逐漸智能化，在更短的時間內(nèi)就能采集到更多用戶用電信息數(shù)據(jù)，對負荷特性研究來說足夠使用了。而如何提高處理數(shù)據(jù)的效率成為提高負荷特性分析效率和預(yù)測準(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能夠高度信息化和自動化，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行。如何基于大數(shù)據(jù)技術(shù)分析負荷特性、提高負荷預(yù)測準(zhǔn)確度是目前負荷特性分析和預(yù)測研究的關(guān)鍵，也是智能電網(wǎng)建設(shè)的一個重點研究方向[10-15]。