典型居住地塊電力需求特性分析與預(yù)測

薛季良，顧 潔，儲琳琳，張宇俊

（1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；2.上海市市南供電公司，上海 201100）

典型居住地塊電力需求特性分析與預(yù)測

薛季良1，顧 潔1，儲琳琳2，張宇俊2

（1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；2.上海市市南供電公司，上海 201100）

功能地塊的負荷發(fā)展對于地區(qū)電網(wǎng)的電力負荷預(yù)測起到了至關(guān)重要的作用。與其他功能地塊不同的是，居民地塊的負荷發(fā)展往往與地塊發(fā)展定位及成熟度密切相關(guān)。同時，居住地塊的負荷在夏、冬季負荷波動受氣候影響極大。以居住地塊的入住率作為切入點，以3個居住地塊的月最大負荷作為研究對象，對月最大負荷序列篩選后回歸建模，將月最大負荷解耦，得出基本分量和氣溫負荷，分析該類型地塊電力需求的歷史變化，并結(jié)合入住率分析基本負荷的飽和時間及戶均基本負荷推薦指標(biāo)。

居住地塊；入住率；月最大負荷；飽和時間；戶均基本負荷

1 影響居住地塊用電特性的因素

目前，國內(nèi)外對電力負荷分析及預(yù)測的主要研究成果和核心內(nèi)容是按照時間、空間2個維度分析電網(wǎng)的負荷特性，獲取不同供電區(qū)域的負荷發(fā)展趨勢，統(tǒng)計供電區(qū)域電量，分析典型用戶，從而采用各種算法對負荷進行預(yù)測。如何將上述這2方面有效地綜合考慮是負荷預(yù)測的一個難點?，F(xiàn)有的居民地塊電力需求研究主要是根據(jù)歷史典型日負荷曲線及其他電力數(shù)據(jù)做外推或回歸分析，或是通過研究空間區(qū)域規(guī)劃集成各分塊進行預(yù)測[1]，較少關(guān)注居住地塊用電特性隨時間及地塊社會定位的發(fā)展規(guī)律。

對于居民地塊負荷特性的分析方法也已經(jīng)開展了一些研究。這些研究成果對城市居民用電負荷特性分析有一定借鑒意義,但尚存不少值得繼續(xù)深入探索的問題。文獻[2]詳細分析了居民用電負荷特性,量化了部分負荷特性指標(biāo)，但所得到的指標(biāo)主要來自歷史典型日負荷曲線,居住地塊的變遷、社會定位等地塊自身特性沒有被考慮，具有局限性。文獻[3]研究了地區(qū)經(jīng)濟水平、家庭結(jié)構(gòu)等居住實態(tài)對負荷的影響，考慮了地塊的社會因素，但是研究僅限于空調(diào)負荷。應(yīng)用灰色模型[4]和logistic曲線模型[5]進行居住地塊的用電負荷時間序列研究，進一步分析發(fā)現(xiàn)，對于月最大負荷序列直接進行建?？赡軙驗楦鞣N成分的干擾造成不準(zhǔn)確。

居住地塊的規(guī)模發(fā)展以及人口變遷對整個地塊的社會、經(jīng)濟、文化發(fā)展都有著極大的推動作用，對于區(qū)域電力消費的影響當(dāng)然也不例外[6]。居民區(qū)域的用電特性不僅與居住地塊的定位有關(guān)，同時發(fā)展時間也對區(qū)域負荷特性有著直接的影響[7]。而居住地塊發(fā)展的一個重要指標(biāo)就是居民入住率。入住率反映出一個地塊發(fā)展進程，顯然地塊的用電特性將與入住率的變化密切相關(guān)。

本文以上海市南供電公司轄區(qū)內(nèi)的江月、莘城、田林（見表1）3個不同的居民地塊為研究對象，分別探討了不同居住類型、不同發(fā)展成熟度的居住地塊電力需求發(fā)展規(guī)律及其負荷特性。從入住率切入居住地塊的用電特性分析與預(yù)測，為更好地結(jié)合功能塊發(fā)展特點實現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)負荷預(yù)測精細化分析與管理提供參考。

表1 3個典型居住地塊概況

2 居住地塊入住水平分析與預(yù)測

為了掌握電力負荷發(fā)展與地塊入住水平的聯(lián)系并做出預(yù)測，首先必須分析地塊的入住率變化并得出發(fā)展周期。通過入住率的計算及預(yù)測，具體闡述入住率變化模型，可提出各地塊入住率飽和周期指標(biāo)。

2.1 歷史入住率發(fā)展分析

考慮到電能在社會生產(chǎn)和生活中的重要作用，所研究的居住地塊居民入住率λ可由居民用戶的月用電量統(tǒng)計結(jié)果推斷得出，入住率

得到3個典型居住地塊入住率變化過程如圖1所示。由圖1可見，江月地塊入住率由快速上升的發(fā)展階段進入了慢速上升的中期階段，莘城地塊的入住率于2009年之后進入飽和階段，田林地塊從本文討論的起始年開始就已經(jīng)處于入住率基本飽和的狀態(tài)。

圖1 2007年7月至2011年8月入住率曲線

2.2 地塊入住率發(fā)展周期預(yù)測

通過入住率分析可以發(fā)現(xiàn)，江月地塊入住率目前尚未達到飽和，鑒于居住地塊間的相似性，可以考慮通過其他已飽和地區(qū)的入住率發(fā)展曲線對江月的入住率變化做出推測，從而能夠較為完整地反映出地塊入住率的發(fā)展歷程，可通過莘城地塊的入住率對江月地塊未來入住率進行外推補全。選取莘城地塊的原因是該地塊的入住率曲線恰好反映了地塊入住率由慢速上升發(fā)展至飽和的過程，符合江月地區(qū)的未來入住率趨勢。而對于地塊開始入住至本文研究的起始時段2007年的數(shù)據(jù)，由于無法通過入住率比對來類推補全，直接采用統(tǒng)計的方法對曲線進行擬合來補全。對于入住率曲線的補全及飽和時間分析，可以得出地塊入住率發(fā)展的完整周期規(guī)律。

江月地塊入住率曲線擬合預(yù)測如圖2，以S曲線作為該地塊的入住率擬合曲線最為合適，這也與生命曲線的發(fā)展規(guī)律和物理意義完全吻合。將擬合后得到的S曲線做外推預(yù)測后得出：該地塊2012年5月左右入住率將進入飽和階段，結(jié)合江月地塊入住率目前的發(fā)展態(tài)勢，預(yù)計江月地塊入住率將在2012年春季進入飽和。同時，統(tǒng)計顯示，江月地塊從開始入住到入住率發(fā)展至飽和的預(yù)計周期為6年左右，而莘城地塊飽和周期結(jié)果為4年半左右，這反映了不同地塊的不同生命周期特性。江月地塊作為動遷地塊，其逐步動遷的發(fā)展模式與莘城地塊的商品房發(fā)展模式有一定區(qū)別，但地塊發(fā)展的大體規(guī)律存在相似性，即從入住至進入飽和所需5～6年，動遷住房的時間段略長于商品房。

圖2 江月地塊入住率預(yù)測曲線

3 居住地塊月最大負荷分析與預(yù)測

基于電力作為居民生活的基本需求與保障，通過對歷史電量數(shù)據(jù)分析得出地塊的有效住戶數(shù)，從而獲得地塊的入住率指標(biāo)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)中各地塊的供電線路實測負荷數(shù)據(jù)，提取得到各地塊的月最大負荷。在這2組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行建模分析，將用電負荷與地塊的發(fā)展階段有效地聯(lián)系在一起，旨在找出地塊負荷的發(fā)展規(guī)律并在統(tǒng)計模型上加以數(shù)量化。

其基本思路是將月最大負荷分解為基本負荷分量與氣溫負荷分量，在剔除月最大負荷中氣溫分量的基礎(chǔ)上，掌握基本負荷與氣溫負荷的變化趨勢。分析出入住率與基本負荷的關(guān)系。通過3種不同地塊的比較掌握不同入住水平下最大負荷的變化規(guī)律。

3.1 月最大負荷建模分析

根據(jù)所得數(shù)據(jù)的田林地塊（2005年4月起）、江月地塊（2006年7月起）、莘城地塊（2007年1月起，2011年1至3月未能獲取）繪制原始月最大負荷如圖3所示。從最大負荷曲線可以看出，所研究的3類地塊夏季和冬季月最大負荷一般都為同年負荷最低月份（5月或10月）的2倍以上，表現(xiàn)出季節(jié)用電特征；整條負荷曲線有著明顯的周期分量。因此，有必要對月最大負荷進行解耦分析。

圖3 2005年4月至2011年9月最大負荷曲線

對月最大負荷進行解耦分析基本思路是：將月最大負荷分解為氣溫負荷Ptemp和基本負荷Ptrend。則

考慮到典型地塊處于華東區(qū)域，春秋季氣候適宜，居住地塊電力需求中幾乎沒有取暖或降溫負荷，因此考慮選取地塊每年春秋季中月最大負荷的最低數(shù)值作為基準(zhǔn)值Pbase（通常為4月或5月和10月），即認為這2個月的氣溫負荷為最小，其他月的最大負荷中均包含了較多氣溫負荷分量，所以不將這些月份的負荷納入基本負荷的計算，而是將這些月份的基本負荷假定為未知。

以每年2個數(shù)據(jù)點構(gòu)成的序列，通過統(tǒng)計軟件SPSS進行{Pbase}序列選用二次、三次、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、Logistic函數(shù)5種曲線模型進行回歸擬合，并應(yīng)用統(tǒng)計結(jié)果選取相關(guān)系數(shù)最好的曲線為最優(yōu)模型，并對非基本月的基本負荷進行預(yù)測補全得到基本負荷序列P′trend。

基本負荷模型的建立在確?；驹碌臍鉁刎摵蔀樽钚。ɡ碚撝禐?）的基礎(chǔ)上，使得其基本負荷、氣溫負荷的物理意義得到體現(xiàn)。圖4顯示了基本負荷P′trend序列?？梢钥闯?，江月地塊的月基本負荷上升顯著，顯示了初期階段入住率的重要推動作用；莘城地塊的月基本負荷初始階段略有上升，在入住率2009年進入飽和階段后，變化較?。ㄐ∮?.3%），可以認為入住率飽和與月基本負荷同時飽和，即氣溫因素為地塊總負荷變化氣波動的主要誘因。同時，可以類比預(yù)測江月地塊的月基本負荷將在2012年春季達到飽和。田林地塊入住率自研究的起始年份開始已經(jīng)達到飽和，月基本負荷與莘城地塊入住率進入飽和階段后的發(fā)展規(guī)律一致。

圖4 剔除氣溫負荷后居住地塊基本負荷曲線

表2顯示了3地塊氣溫負荷占地塊內(nèi)總負荷的比值情況（簡稱氣溫負荷占比）：氣溫負荷的周期性明顯，每年的7月、8月以及12月、1月氣溫負荷占比較高。田林地塊氣溫負荷水平?jīng)]有逐年遞增趨勢，體現(xiàn)了已進入住率飽和階段的老式住宅區(qū)負荷需求的穩(wěn)定性；莘城地塊冬夏季氣溫負荷占比達到60%～70%左右，高于其余地塊，其原因與該地塊屬于市南供電公司區(qū)域內(nèi)居住檔次相對較高的地塊有關(guān)，同時分析結(jié)果也表明商品房住宅逐年氣溫負荷占比的波動幅度較小。

表2 3地塊氣溫負荷占比表%

3.2 戶均負荷分析

居民用電變化特性對地塊內(nèi)配電設(shè)施的優(yōu)化配置具有重要的參考價值。為此，引入戶均基本負荷指標(biāo)，為未來居住地塊點位的建設(shè)提供量化指導(dǎo)。戶均基本負荷定義為月最大基本負荷與有效居民戶數(shù)的比值

得到各地塊戶均基本負荷如圖5所示。江月地塊戶均基本負荷的變化呈現(xiàn)出明顯的階段特點，是由于地塊入住初期的用電不穩(wěn)定因素，同時裝修用電與居民正常用電的差異造成了地塊戶均基本負荷震蕩較嚴重。初期戶均基本負荷不穩(wěn)定的另一個因素是由于當(dāng)月中入住率變化較大，而按月統(tǒng)計是無法反映出這一動態(tài)過程的，這將導(dǎo)致最大負荷發(fā)生日的有效戶數(shù)與月末統(tǒng)計戶數(shù)不同，由此將帶來戶均負荷的偏差。可以將530 W/戶作為今后該種類型的地塊戶均基本負荷預(yù)期值。

圖5 3地塊戶均基本負荷曲線

莘城地塊在入住率進入飽和階段（即2009年春季）之后，戶均基本負荷呈穩(wěn)定趨勢，變化幅度極小，可以作為往后長期的推薦指標(biāo)，建議可采用520 W/戶的戶均基本負荷指標(biāo)作為今后同類型地塊電網(wǎng)設(shè)計的參考。

田林地塊的戶均基本負荷穩(wěn)定在470 W/戶左右，這與江月地塊和莘城地塊相比略小。反映出居住地塊用電特點上既有相似性，同時居住性質(zhì)定位的不同使其用電規(guī)模又存在一定差異。田林地區(qū)多為老式公房，制約了其用電消費模式，配電網(wǎng)規(guī)劃中對類似的居住地塊基本負荷的估計可以借鑒此計算結(jié)果。

對于地塊內(nèi)戶均負荷的分析表明，進入入住率慢速上升的階段之后，戶均基本負荷呈穩(wěn)定趨勢。莘城地塊的戶均基本負荷水平與江月地塊基本持平，高于田林地區(qū)戶均基本負荷。莘城地塊與田林地塊戶均負荷呈穩(wěn)定水平，而江月地塊仍有極小幅上升趨勢，有待進一步觀察。

4 結(jié)論

本文基于典型居住地塊的入住情況、氣溫變化與負荷的關(guān)聯(lián)分析，提出了解耦模型：將月最大負荷分解為便于觀察分析的基本分量和氣溫分量，對不同類型居民地塊的負荷變化規(guī)律進行歸納。研究討論了老式住宅區(qū)、商品房住宅區(qū)、動遷住宅區(qū)3類居民地塊的入住變化、負荷飽和周期、戶均負荷等重要指標(biāo)。主要結(jié)論有：

（1）居民用電量的分析是分析地塊發(fā)展特別是入住水平的可行手段，通過入住率的外推補全可以發(fā)現(xiàn)居住地塊入住率發(fā)展呈S型曲線。動遷地塊的飽和周期長于商品房地塊。

（2）月最大負荷模型有效的將基本負荷與氣溫負荷解耦，真實地反映了地塊的負荷基本趨勢的變化以及受氣溫影響的比例。飽和地塊的基本負荷變化較小，入住率上升對基本負荷的推動作用明顯，月基本負荷與入住率飽和時間基本接近；氣溫負荷在冬季、夏季占比較大，商品房地塊尤為明顯。

（3）飽和地塊的戶均基本負荷較為穩(wěn)定，可以作為地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃指標(biāo)；未飽和地塊戶均負荷仍有波動，可以得出預(yù)期值。商品房地塊以及動遷地塊戶均基本負荷大于老式公房地塊。

綜上所述，本文為居住地塊的電力預(yù)測提供了新的視角，為地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃及配備提供了相關(guān)參考指標(biāo)。

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Analysis and forecasting of power demand characteristics for typical residential blocks

XUE Ji?liang1,GU Jie1,CHU Lin?lin2,ZHANG Yu?jun2
（1.Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Shinan Power Supply Company of SMPEC,Shanghai,201100）

Load development of a function block in regional grid is a pivotal part of the power load forecasting.Different from other functional blocks,the power load in residential block has been proved to be close related to block orientation and land matu?rity.Meanwhile,power load in residential block fluctuates violent?ly in summer and winter because of climate factor.In this paper,the occupancy rate is discussed as an entry point to research maxi?mum load in three residential blocks.Regression is done after sort?ing the load series to decouple the maximum load and to excavate the variation law of load.Qualitative and quantitative analysis is adopted into historical load change.Through the results of occupan?cy rate,some recommended indicators such as occupancy and load saturation point and base load per household are inferred,which means a good attempt in regional power grid.

residential block；the occupancy rate；monthly maximum load；saturation time；basic load per househol

TM715；F407.61

A

1009-1831（2012）02-0019-04

2012-01-10；修回日期：2012-02-13

薛季良（1987），男，上海人，碩士，研究方向為電力市場及電力系統(tǒng)優(yōu)化，智能電網(wǎng)；顧潔（1971），女，江蘇海安人，副教授，博士，研究方向為電力市場及電力系統(tǒng)優(yōu)化；儲琳琳（1978），女，上海人，高級工程師，碩士，長期從事電力市場分析與預(yù)測工作；張宇?。?975），女，上海人，高級工程師，學(xué)士，長期從事地區(qū)電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃與設(shè)計工作。

（

陳 穎 杜先波）