氣象因素對(duì)京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷特性影響分析

張 賁，史沛然，蔣 超

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司華北分部，北京 100053；2.北京清軟創(chuàng)新科技有限公司，北京 100085）

0 引言

京津唐電網(wǎng)覆蓋北京、天津2個(gè)直轄市，以及河北北部的唐山、承德、秦皇島、張家口、廊坊等，是一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)控制區(qū)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高，京津唐電網(wǎng)用電負(fù)荷呈現(xiàn)日趨明顯的城市負(fù)荷特性，夏季空調(diào)制冷負(fù)荷占夏季總負(fù)荷比重已經(jīng)超過(guò)20%，且這一比重有日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這將導(dǎo)致京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷隨溫度、濕度等天氣變化而顯著變化。因此，研究氣象因素對(duì)京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷特性的影響，直接影響京津唐電網(wǎng)夏季短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而對(duì)京津唐電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義。

文獻(xiàn)［1-3］研究了溫度累積效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)夏季負(fù)荷的影響，研究方法大同小異，都提出了類(lèi)似的用離散的累積系數(shù)和溫度修正公式來(lái)反映累積效應(yīng)強(qiáng)度的方法。文獻(xiàn)［4-6］都對(duì)氣象因素的變化對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響進(jìn)行了研究，氣象因素對(duì)于短期負(fù)荷預(yù)測(cè)帶來(lái)的重要影響已經(jīng)形成共識(shí)。

本文在研究京津唐電網(wǎng)負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)氣象因素對(duì)夏季電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響展開(kāi)分析，找出其中的典型規(guī)律，并以此建立應(yīng)用系統(tǒng)，輔助提供電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，切實(shí)提高京津唐電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

1 京津唐電網(wǎng)的夏季負(fù)荷特性

從年負(fù)荷來(lái)看，京津唐電網(wǎng)負(fù)荷呈現(xiàn)夏季（6、7、8月）、冬季（12、1、2 月）2 個(gè)用電高峰。夏季既是生產(chǎn)旺季，同時(shí)又是氣溫較高時(shí)期，制冷設(shè)備用電量大幅度增加，因此氣象因素對(duì)于京津唐電網(wǎng)的夏季用電負(fù)荷水平有較大影響。

從日負(fù)荷來(lái)看，京津唐電網(wǎng)負(fù)荷有明顯的類(lèi)型日特性，工作日周一至周五負(fù)荷較高，周末和節(jié)假日負(fù)荷較低。這是因?yàn)橹苣┖凸?jié)假日工業(yè)用電負(fù)荷減少。文獻(xiàn)［5］給出一種典型日負(fù)荷的選取辦法。

a.先匯總出夏季（6月至8月）各工作日（即不含雙休日和節(jié)假日）的平均日負(fù)荷曲線：

其中，L（h）為夏季各個(gè)工作日的24點(diǎn)平均負(fù)荷曲線；L（d，h）為各工作日的24點(diǎn)負(fù)荷曲線；h為每日的24點(diǎn)；N為當(dāng)年夏季的工作日的天數(shù)。

b.再?gòu)南募舅械墓ぷ魅肇?fù)荷曲線L（d，h）中找出與上述工作日24點(diǎn)平均負(fù)荷曲線 L（h）最“相似”的某一日負(fù)荷曲線L（D，h）作為夏季的典型日負(fù)荷曲線，選取方法是找尋與L（h）均方差最小的日負(fù)荷曲線作為典型日負(fù)荷曲線。L（d，h）與 L（h）的均方差定義如下：

根據(jù)這一算法得出京津唐電網(wǎng)2012年夏季典型日負(fù)荷曲線如圖1所示，可以看出，京津唐電網(wǎng)夏季典型日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)早高峰、下午時(shí)段高峰、夜晚低谷的特性。這主要是因?yàn)橄募究照{(diào)負(fù)荷在下午開(kāi)啟較大。

圖1 京津唐電網(wǎng)夏季典型日負(fù)荷曲線Fig.1 Typical summer daily load curve of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

圖2顯示出典型的京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷受天氣變化的影響。結(jié)果表明京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的城市負(fù)荷特性，極端情況時(shí)，午后悶熱的天氣甚至導(dǎo)致下午平峰負(fù)荷等于或高于早高峰負(fù)荷，而中午開(kāi)始出現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的降雨又會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷的直線下降。

圖2 京津唐電網(wǎng)夏季不同天氣條件下的典型負(fù)荷曲線Fig.2 Typical load curve of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid for different summer weather conditions

2 影響電網(wǎng)負(fù)荷的氣象因素

2.1 電網(wǎng)負(fù)荷成分分析

負(fù)荷及負(fù)荷特性受各種因素的影響，總體上影響因素可以分為氣象類(lèi)和非氣象類(lèi)［1，7］。氣象類(lèi)因素包括：溫度、濕度、風(fēng)速、降水等。非氣象類(lèi)因素則包括：經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、節(jié)假日因素、電價(jià)結(jié)構(gòu)、需求側(cè)管理等［8］。針對(duì)影響電網(wǎng)負(fù)荷的不同因素，一般可將電網(wǎng)負(fù)荷拆分成4個(gè)分量：

其中，L為總負(fù)荷；LB為基礎(chǔ)負(fù)荷分量，一般由相對(duì)穩(wěn)定的工業(yè)負(fù)荷和民用負(fù)荷構(gòu)成；LW為對(duì)氣象因素敏感的負(fù)荷分量，包含空調(diào)和制暖負(fù)荷；LE為特別事件負(fù)荷分量；X為隨機(jī)負(fù)荷分量。

上述各負(fù)荷分量，LB受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響較大，相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)于日負(fù)荷曲線的變化而言，LW的作用影響最大，LE和X分量相對(duì)可以忽略。對(duì)同類(lèi)型日，如果天氣因素有很大的區(qū)別，那么LW就有相當(dāng)程度的不同，進(jìn)而影響總負(fù)荷L不同。特別對(duì)于夏季，LW在總負(fù)荷中占比較大時(shí)，LW的波動(dòng)對(duì)L的影響巨大，值得深入研究影響LW的因素。

2.2 京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷與氣象因素的關(guān)聯(lián)度分析

因?yàn)殡娏ω?fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)灰色系統(tǒng)，本文利用灰色理論研究該系統(tǒng)內(nèi)部各因子對(duì)系統(tǒng)行為變化特征的影響更符合實(shí)際，更具有合理性。

灰色關(guān)聯(lián)分析方法的計(jì)算步驟如下。

步驟1：確定系統(tǒng)特征序列和相關(guān)因素行為序列。把所要研究的主行為因素作為系統(tǒng)特征序列X0，影響因素作為相關(guān)因素序列Xi，寫(xiě)成序列形式為：

其中，k 為序列號(hào)，n 為樣本個(gè)數(shù)，k=1，2，…，n；i為相關(guān)影響因素的個(gè)數(shù)，i=1，2，…，m。

步驟2：求灰色關(guān)聯(lián)度。

a.確定各序列的初值項(xiàng)X′i，使各序列無(wú)量綱。

其中，i=0，1，2，…，m。

b.確定差序列 Δi。

其中，i=1，2，…，m。

c.求兩極最大差M與最小差m。

d.求關(guān)聯(lián)系數(shù) γ0i（k）。

其中，ξ通常取 0.5；k=1，2，…，n；i=1，2，…，m。

e.計(jì)算關(guān)聯(lián)度 γ0i。

其中，k=1，2，…，n；i=1，2，…，m。

步驟3：分析關(guān)聯(lián)度。

確定系統(tǒng)特征行為序列（X0）與各相關(guān)因素行為序列（X1，X2，…，Xm）的關(guān)聯(lián)度的大小次序，關(guān)聯(lián)度越大，則表明此因素行為序列對(duì)系統(tǒng)特征行為序列影響越大。由此可以計(jì)算出京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷與各氣象因素的關(guān)聯(lián)度，如表1所示。

可以看出，對(duì)夏季負(fù)荷影響最大的因素是溫度和濕度，風(fēng)速對(duì)負(fù)荷的影響較小。這主要是因?yàn)橄募究照{(diào)負(fù)荷的多少更多受到人體舒適度大小的影響，而人體舒適度最直接的決定因素就是溫度和濕度。日最低溫度比日最高溫度對(duì)負(fù)荷變化的關(guān)聯(lián)度更大，則主要是因?yàn)榘滋鞙囟茸罡邥r(shí)段空調(diào)開(kāi)啟量比起夜間溫度最低時(shí)段更固定，即夜間人體舒適度對(duì)低谷制冷負(fù)荷的影響更大。

3 氣象因素對(duì)京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷的影響分析

上文分析得出了京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷與各主要?dú)庀笠蛩氐年P(guān)聯(lián)度，對(duì)于電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和分析而言，更關(guān)心的是單位指數(shù)的變化能引起多少日負(fù)荷的變化，即電力負(fù)荷對(duì)氣象因素變化的靈敏度分析。

本文由前面過(guò)程得到最終分析處理數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式曲線回歸繪制氣象指數(shù)與電力負(fù)荷的散點(diǎn)圖，求出多項(xiàng)式曲線回歸函數(shù)，從而構(gòu)建電力負(fù)荷對(duì)氣象因素的靈敏度模型。建模的重點(diǎn)是通過(guò)某種途徑估計(jì)模型的參數(shù)向量，目標(biāo)是使各時(shí)段擬合殘差的平方和最小，擬合一條“最佳”的曲線（稱(chēng)之為配曲線問(wèn)題），然后將此曲線外延至未來(lái)的適當(dāng)時(shí)刻，在已知自變量取值時(shí)得到因變量的預(yù)測(cè)值。例如夏季溫度可能在個(gè)別年份達(dá)到40℃以上，但歷史數(shù)據(jù)中沒(méi)有超過(guò)40℃的記錄，擬合值則可以根據(jù)已有統(tǒng)計(jì)規(guī)律外延，求得一個(gè)對(duì)應(yīng)溫度下的電力指標(biāo)擬合值，作為參照。

3.1 京津唐電網(wǎng)負(fù)荷與溫度的關(guān)系

對(duì)京津唐電網(wǎng)的夏季日最大負(fù)荷與日最高溫度進(jìn)行回歸分析，可得出表2的京津唐電網(wǎng)負(fù)荷對(duì)溫度變化的靈敏度，擬合曲線如圖3所示。溫度對(duì)負(fù)荷的影響存在明顯的非線性關(guān)系，體現(xiàn)為：溫度較高和較低時(shí)，靈敏度都較?。粶囟瘸^(guò)25℃后，負(fù)荷對(duì)溫度的靈敏度急劇升高。在30℃上下時(shí)，溫度每升高0.5℃，京津唐電網(wǎng)負(fù)荷增大近900 MW。

3.2 京津唐電網(wǎng)負(fù)荷與濕度的關(guān)系

對(duì)京津唐電網(wǎng)的夏季日最大負(fù)荷與日相對(duì)濕度進(jìn)行回歸分析，得出表3的京津唐電網(wǎng)負(fù)荷對(duì)濕度變化的靈敏度，擬合曲線如圖4所示。濕度對(duì)負(fù)荷的影響存在明顯的非線性關(guān)系，體現(xiàn)為：

表2 京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷對(duì)溫度變化的靈敏度Tab.2 Summer load sensitivity of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid to temperature

圖3 京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷對(duì)溫度變化的靈敏度擬合曲線Fig.3 Fitting curve of summer load sensitivity to temperature for Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

表3 京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷對(duì)濕度變化的靈敏度Tab.3 Summer load sensitivity of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid to humidity

圖4 京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷對(duì)濕度變化的靈敏度擬合曲線Fig.4 Fitting curve of summer load sensitivity to humidity for Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

a.濕度達(dá)到45%以上時(shí)，負(fù)荷對(duì)濕度的靈敏度急速上升，因?yàn)榇藭r(shí)人體感覺(jué)悶熱潮濕，空調(diào)開(kāi)啟量增大；

b.濕度達(dá)到70%以上時(shí)，采樣負(fù)荷點(diǎn)的分布出現(xiàn)了“離散”現(xiàn)象，絕大多數(shù)的采樣負(fù)荷點(diǎn)對(duì)濕度的靈敏度轉(zhuǎn)為負(fù)數(shù)，即濕度增加后負(fù)荷下降，因?yàn)榇藭r(shí)表示已經(jīng)出現(xiàn)降雨，降雨緩解了高溫悶熱天氣，降低了空調(diào)制冷負(fù)荷和室外作業(yè)負(fù)荷。

還有一小部分采樣負(fù)荷點(diǎn)出現(xiàn)在較高的數(shù)值水平，這意味著空氣濕度增加但尚未形成降雨，體感非常悶熱，導(dǎo)致制冷負(fù)荷大量開(kāi)啟。

3.3 熱累積效應(yīng)對(duì)京津唐電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響

在夏季，連續(xù)數(shù)日的高溫天氣導(dǎo)致出現(xiàn)的大負(fù)荷往往比某單一日突然高溫的負(fù)荷大很多，即為負(fù)荷的熱積累效應(yīng)。造成該現(xiàn)象的原因有很多，比如城市空調(diào)負(fù)荷快速上升，連續(xù)高溫導(dǎo)致的農(nóng)用抗旱負(fù)荷大幅增加等等。最高氣溫存在著累積效應(yīng)，根本原因是人體的舒適度感覺(jué)存在慣性。具體表現(xiàn)為：連續(xù)高溫時(shí)，即使溫度變化不大，由于熱存儲(chǔ)效應(yīng)，負(fù)荷也會(huì)增長(zhǎng)。表4列出了京津唐電網(wǎng)夏季熱累積效應(yīng)的直觀展示，在一周的時(shí)間內(nèi)，日最高溫度基本穩(wěn)定，剔除周末負(fù)荷數(shù)據(jù)，日最大負(fù)荷穩(wěn)步增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率達(dá)12%。

表4 京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷熱累積效應(yīng)Tab.4 Cumulative heat effect of summer load of Beijing-Tianjin-Tangshan Power Grid

眾多研究表明，負(fù)荷的熱累積效應(yīng)遵循如下規(guī)律：夏季溫度變化與負(fù)荷變化呈正相關(guān)，但當(dāng)溫度高于特定的tH或低于特定的tL時(shí)，累積效應(yīng)不再明顯。其原因是：溫度很高時(shí)，空調(diào)負(fù)荷會(huì)趨于飽和，負(fù)荷隨溫度的升高維持在一定水平；溫度較低時(shí)，空調(diào)負(fù)荷處于關(guān)閉狀態(tài)，即使偶爾出現(xiàn)高溫，人們?nèi)愿杏X(jué)較舒適而不開(kāi)空調(diào)。

量化熱累積效應(yīng)時(shí)，可采取溫度修正的方法。溫度修正采用如下公式：

其中，t為考慮熱累積效應(yīng)后的最高溫度修正值；ti為前第i日的最高溫度；ki為ti的權(quán)重，且，通常i越小則ki值越大；nche為有熱累積效應(yīng)的天數(shù)。

本文對(duì)權(quán)重k的取值采用“關(guān)聯(lián)度最大原則”，即在一定范圍內(nèi)采用不同的系數(shù)得到氣象指數(shù)值，迭代得到與負(fù)荷的關(guān)聯(lián)性最好的系數(shù)，即為所求。對(duì)京津唐電網(wǎng)2010年至2012年夏季負(fù)荷與最高溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)忽略ki＜0.05后的熱累積效應(yīng)日，可得出京津唐電網(wǎng)夏季考慮熱累積效應(yīng)后的修正最高溫度公式：

4 工程應(yīng)用

根據(jù)以上研究結(jié)論，華北電力調(diào)控分中心和北京清軟創(chuàng)新科技有限公司共同研究開(kāi)發(fā)，在已有的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)中，增加負(fù)荷氣象分析模塊。系統(tǒng)模塊功能圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)模塊功能圖Fig.5 Functional diagram of system module

模塊上線后，使得夏季大負(fù)荷時(shí)京津唐電網(wǎng)的短期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)和負(fù)荷特性分析有更科學(xué)、可靠的方法和依據(jù)。第3節(jié)中京津唐電網(wǎng)負(fù)荷與溫度、濕度的關(guān)系中靈敏度的分析得出、曲線的擬合，以及京津唐電網(wǎng)夏季考慮熱累積效應(yīng)后的修正最高溫度公式均為本工程應(yīng)用系統(tǒng)中的負(fù)荷氣象分析模塊計(jì)算得出。

5 結(jié)論和展望

本文以京津唐電網(wǎng)為研究目標(biāo)，分析了夏季京津唐電網(wǎng)的典型負(fù)荷特性，對(duì)天氣因素對(duì)京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷的影響展開(kāi)深入研究。采用回歸分析的方法，得出了京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷與溫度和相對(duì)濕度的靈敏度關(guān)系，對(duì)京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷的熱累積效應(yīng)進(jìn)行研究，計(jì)算得出適合京津唐電網(wǎng)夏季負(fù)荷特性的考慮熱累積效應(yīng)的最高溫度修正公式，并開(kāi)發(fā)了基于此方法的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)負(fù)荷氣象分析模塊。本文提出的方法對(duì)京津唐電網(wǎng)夏季短期負(fù)荷預(yù)測(cè)和負(fù)荷分析有重要的幫助，有利于保障電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。

受條件限制，本文在研究天氣因素對(duì)夏季電網(wǎng)負(fù)荷的影響時(shí)，只考慮了單一的天氣因素，沒(méi)有考慮溫濕指數(shù)、人體舒適度指數(shù)等復(fù)合天氣因素與夏季電網(wǎng)負(fù)荷的關(guān)系，還需要在以后的實(shí)踐中做進(jìn)一步研究。