福建電網(wǎng)夏季降溫負(fù)荷研究分析

吳榮福 黃文英 鄧 勇 楊耿杰 姚宇臻

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108； 2.國網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心，福州 350003）

降溫負(fù)荷是指由于空調(diào)等降溫設(shè)備的開啟，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷在短期內(nèi)迅速增長的部分[1]。近幾年，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高以及城市熱島現(xiàn)象日益嚴(yán)重，空調(diào)類等降溫設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，夏季降溫負(fù)荷逐年增大[2-3]。降溫負(fù)荷已經(jīng)成為夏季電網(wǎng)負(fù)荷屢創(chuàng)新高的主要原因，改變了原有的負(fù)荷特性，也給系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定帶來一定的負(fù)面影響[4-7]。福建省處于我國東南部，受副熱帶高壓影響，夏季氣溫35℃以上高溫天數(shù)經(jīng)常超過30 天，降溫負(fù)荷占比較大，影響突出。因此，很有必要對福建電網(wǎng)降溫負(fù)荷進行測算和分析，給電力調(diào)度部門開展降溫負(fù)荷預(yù)測提供參考依據(jù)，從而提高氣溫變化條件下不同時間尺度的負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確率，保障福建電網(wǎng)夏季安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

文獻(xiàn)[2]采用最大負(fù)荷比較法和基準(zhǔn)負(fù)荷比較法對廣東省年最大降溫負(fù)荷進行測算和分析，從而把握年最大降溫負(fù)荷的變化規(guī)律和趨勢；文獻(xiàn)[3]采用基準(zhǔn)負(fù)荷比較法得到全省及各地市的夏季典型降溫負(fù)荷曲線，由此分析不同地區(qū)的降溫負(fù)荷特性，并利用相關(guān)分析法找出主要影響因素；文獻(xiàn)[4]將日最大降溫負(fù)荷與各溫度因子進行回歸擬合，得出氣溫敏感系數(shù)，對負(fù)荷預(yù)測具有較強的指導(dǎo)作用。但上述文獻(xiàn)分析過程中均未充分考慮各地區(qū)溫度不一致因素，分析結(jié)果可能與實際情況產(chǎn)生較大偏差。本文針對福建省各地市經(jīng)濟水平和氣象條件存在較大差異的特點，將“子網(wǎng)累加”的思想應(yīng)用到降溫負(fù)荷的分析中，從降溫負(fù)荷特性、氣溫敏感性、年最大降溫負(fù)荷三個方面進行深入研究。

1 福建電網(wǎng)降溫負(fù)荷分析流程

目前，降溫負(fù)荷的測算方法主要有基準(zhǔn)負(fù)荷比較法[2-5]、最大負(fù)荷比較法[4]、負(fù)荷曲線修復(fù)法[6]、最大溫差分析法[7]、電量比較法[8]等。其中，基準(zhǔn)負(fù)荷比較法普適性強，可獲得各夏季日的降溫負(fù)荷情況，因此本文采用該方法對2013年福建電網(wǎng)的降溫負(fù)荷進行分析。

基準(zhǔn)負(fù)荷比較法的基本思想[2]為：先以春秋季負(fù)荷數(shù)據(jù)近似估算夏季無降溫負(fù)荷時的基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，再將夏季日負(fù)荷曲線與基礎(chǔ)負(fù)荷曲線相減即為夏季日降溫負(fù)荷曲線。結(jié)合本文研究內(nèi)容，福建電網(wǎng)2013年降溫負(fù)荷分析方法的流程如圖1所示。

圖1 降溫負(fù)荷分析方法流程圖

具體步驟如下。

第一步：數(shù)據(jù)預(yù)處理。春季從13年3月份和4月份中選擇樣本日；秋季從13年10月份和11 份月中選擇樣本日；夏季從13年的6月份、7月份、8月份、9月份中選擇樣本日；5月份一般為福建地區(qū)雨季，氣候較不穩(wěn)定，故不予以考慮。數(shù)據(jù)篩選時，應(yīng)剔除節(jié)假日、臺風(fēng)、強降雨等干擾負(fù)荷數(shù)據(jù)。

第二步：計算春季和秋季平均日負(fù)荷曲線的平均值，近似作為夏季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。

第三步：將夏季各個樣本日的負(fù)荷曲線與夏季基礎(chǔ)負(fù)荷曲線相減，即為該日的降溫負(fù)荷曲線。

第四步：計算夏季所有樣本日逐個時間段的降溫負(fù)荷的平均值，即為夏季典型降溫負(fù)荷曲線，進而進行降溫負(fù)荷特性分析。

第五步：由夏季各個樣本日的降溫負(fù)荷曲線得到各個時間段的降溫負(fù)荷，并定義其最大值為日降溫負(fù)荷，進而進行氣溫敏感性分析。

第六步：取夏季所有樣本日降溫負(fù)荷的最大值，即為年最大降溫負(fù)荷，進而進行年最大降溫負(fù)荷分析。

2 降溫負(fù)荷特性分析

本文分別計算2013年全省及各個地市的夏季典型降溫負(fù)荷曲線，并通過曲線分析揭示降溫負(fù)荷特性，更好地把握福建電網(wǎng)降溫負(fù)荷的變化規(guī)律。

2.1 全省降溫負(fù)荷特性分析

基于福建電網(wǎng)2013年全省用電96 點歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，利用上述介紹的基準(zhǔn)負(fù)荷比較法測算福建電網(wǎng)夏季降溫負(fù)荷。本文為深入分析降溫負(fù)荷的變化規(guī)律，分別計算出6月份、7月份、8月份、9月份的典型降溫負(fù)荷曲線，如圖2所示。

圖2 2013年夏季各月份典型降溫負(fù)荷曲線

由圖2可見，降溫負(fù)荷的總體趨勢為6月份至8月份逐步增大，8月份后降溫負(fù)荷開始減少；6月份的降溫負(fù)荷最小，甚至在低谷時刻出現(xiàn)負(fù)值；9月份的典型降溫負(fù)荷曲線走勢與6月份類似，數(shù)值較大。其主要原因有：6月份平均溫度較低，且降雨較多，導(dǎo)致空調(diào)用戶較少；再者，由于降溫負(fù)荷的慣性作用，若在相同氣象條件下，6月份的日降溫負(fù)荷會比持續(xù)高溫后7月份、8月份、9月份的日降溫負(fù)荷低。7月份和8月份為福建省典型夏季天氣，則將7月份和8月份的典型降溫負(fù)荷曲線平均值作為夏季典型降溫負(fù)荷曲線。

由圖2還可以看出，福建電網(wǎng)夏季降溫負(fù)荷的特性規(guī)律：①存在午高峰和晚高峰，時段分別為下午13∶00—15∶00 和晚上23∶00—24∶00，晚高峰的降溫負(fù)荷主要來自居民降溫負(fù)荷，其值最高達(dá)到午高峰降溫負(fù)荷的80%～90%，說明居民降溫負(fù)荷對總降溫負(fù)荷的貢獻(xiàn)較大；②早晨7∶00 和傍晚18∶00 為當(dāng)日降溫負(fù)荷低谷時段，主要是因為這兩個時間段為上下班時間，居民、商業(yè)和部分工業(yè)等降溫負(fù)荷達(dá)到最??；并且，早晨溫度比傍晚溫度更低，降溫負(fù)荷也更小些。

2.2 各地市降溫負(fù)荷特性分析

基于福建電網(wǎng)2013年各個地市用電96 點歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，以7月份和8月份工作日作為典型夏季樣本日，采用上述介紹的基準(zhǔn)負(fù)荷比較法得到各地市典型降溫負(fù)荷曲線，如圖3所示。

圖3 各地市典型降溫負(fù)荷曲線

由圖3可見，各地市降溫負(fù)荷曲線趨勢與全省降溫負(fù)荷曲線類似，此處不再詳細(xì)分析。由圖3（a）可見，福州、廈門、泉州等地區(qū)降溫負(fù)荷水平較高，且其典型降溫負(fù)荷曲線峰谷差較大，午高峰和晚高峰明顯，主要是因為這些地區(qū)經(jīng)濟較發(fā)達(dá)，工商業(yè)、居民降溫負(fù)荷比重均較大。由圖3（b）可見，龍巖、三明、南平等經(jīng)濟發(fā)展水平較低地區(qū)的典型降溫負(fù)荷曲線在一天內(nèi)的各時段的波動范圍較小，峰谷差小，且降溫負(fù)荷水平較低。

2.3 比較分析

由整體分析和“子網(wǎng)累加”兩種方法得到的全省典型降溫負(fù)荷曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，兩種方法得到的全省典型降溫負(fù)荷曲線基本一致，僅在某些時刻有些許偏差，均可反映出福建電網(wǎng)夏季降溫負(fù)荷的變化規(guī)律。

圖4 2 種方法得到的降溫負(fù)荷曲線對比分析

3 氣溫敏感性分析

本文將2013年全省及各個地市的夏季日降溫負(fù)荷與溫度因子進行敏感性分析，更好地把握降溫負(fù)荷與氣溫的關(guān)系，分析得到的氣溫敏感系數(shù)，可為2014年短期負(fù)荷預(yù)測提供參考。

3.1 全省氣溫敏感性分析

如前所述，取夏季樣本日降溫負(fù)荷曲線各個時間段的最大值即為日降溫負(fù)荷。溫度因子包含日平均溫度Ta、日最高溫度Th、日最低溫度Tl，可由全省各個地市溫度因子加權(quán)平均得到，權(quán)重為各地市當(dāng)天用電量占全省用電量的比重。分析時，取6月份至8月份的負(fù)荷數(shù)據(jù)，并剔除節(jié)假日、臺風(fēng)、強降雨等特殊日負(fù)荷數(shù)據(jù)。

由相關(guān)系數(shù)的公式[4]可得全省夏季日降溫負(fù)荷與各個溫度因子的相關(guān)系數(shù)，見表1。

表1 日降溫負(fù)荷與各溫度因子相關(guān)系數(shù)

由表1可以看出，日降溫負(fù)荷與各個溫度因子的相關(guān)系數(shù)均大于0.75，與日平均溫度的相關(guān)性最強。日降溫負(fù)荷與日平均溫度的散點圖及擬合曲線，如圖5所示。

圖5 日降溫負(fù)荷與平均溫度的散點圖及擬合曲線

從圖5可以看出，日降溫負(fù)荷與日平均溫度的線性擬合度較高，可近似認(rèn)為一元線性關(guān)系。由回歸分析結(jié)果可得，日降溫負(fù)荷與日平均溫度的敏感系數(shù)為674.17。因此，可近似認(rèn)為對于福建電網(wǎng)夏季負(fù)荷，日平均溫度每升高 1℃，降溫負(fù)荷增長674.17MW。

3.2 各地市氣溫敏感性分析

類似上述分析方法，可對2013年夏季各地市日降溫負(fù)荷與日平均溫度進行敏感性分析，得到各地市的氣溫敏感系數(shù)，見表2。由表2可以看出，各地市日降溫負(fù)荷與日平均溫度的相關(guān)系數(shù)均較高，得到的氣溫敏感系數(shù)能夠較好地揭示地區(qū)降溫負(fù)荷隨溫度變化的規(guī)律。

表2 各地市日平均氣溫與降溫負(fù)荷的 相關(guān)系數(shù)及敏感系數(shù)

3.3 算例分析

本算例中，基準(zhǔn)日為2014年9月3日（周三），全省平均溫度為29.37℃；預(yù)測日為2014年9月4日（周四），全省平均溫度為27.15℃；兩樣本日的周特性明顯，負(fù)荷水平相當(dāng)，近似認(rèn)為兩日的負(fù)荷水平變化僅由溫度變化引起，計算得兩日的降溫負(fù)荷實際變化值為1750.02MW。本文分別采用上述兩種方法得到的氣溫敏感系數(shù)對2014年9月4日的降溫負(fù)荷進行預(yù)測，其結(jié)果見表3。

表3 氣溫敏感性分析情況

由表3可以看出，通過“子網(wǎng)累加”能夠較準(zhǔn)確地測算出全省降溫負(fù)荷的變化值，比全省整體分析的方法精度更高。本文另外選取類似的4 個算例進行分析，其測算結(jié)果如圖6所示。

圖6 子網(wǎng)累加和整體分析誤差比較結(jié)果

由圖6可以看出，“子網(wǎng)累加”模型的準(zhǔn)確率明顯優(yōu)于整體分析模型，推薦采用該方法進行全省降溫負(fù)荷的氣溫敏感性分析。

4 年最大降溫負(fù)荷分析

本文對全省及各地市的年最大降溫負(fù)荷進行分析與測算，可為2014年全省最大負(fù)荷預(yù)測提供參考。

4.1 全省年最大降溫負(fù)荷分析

根據(jù)前述計算數(shù)據(jù)，福建電網(wǎng)2013年最大降溫負(fù)荷即為夏季所有樣本日降溫負(fù)荷的最大值。類似，可求得福建電網(wǎng)2009—2012年最大降溫負(fù)荷，如圖7 所示。由圖7的線性擬合曲線可以看出，2009—2013年的最大降溫負(fù)荷近似以671.50MW/年的速度增長，可預(yù)測2014年福建電網(wǎng)夏季最大降溫負(fù)荷約為8794.50MW。

圖7 2009—2013年最大降溫負(fù)荷逐年情況

4.2 各地市年最大降溫負(fù)荷分析

類似上述方法，本文分別求得福建省各地市電網(wǎng)2009—2013年最大降溫負(fù)荷，并用線性擬合的方法預(yù)測出2014年的最大降溫負(fù)荷8971.08MW，其分析結(jié)果見表4。

表4 各地市電網(wǎng)2009—2013年最大降溫負(fù)荷

4.3 算例分析

基于全省2009—2013年最大降溫負(fù)荷數(shù)據(jù)，預(yù)測全省2014年最大降溫負(fù)荷約為8794.50MW?；诟鞯厥?009—2013年最大降溫負(fù)荷數(shù)據(jù)，可預(yù)測2014年各地市的最大降溫負(fù)荷，通過“子網(wǎng)累加”預(yù)測全省2014年最大降溫負(fù)荷約為8971.08MW；類似日最大負(fù)荷的同時率問題，考慮最大降溫負(fù)荷的同時率為0.99，則2014年最大降溫負(fù)荷的預(yù)測值可修正為8881.37MW。

根據(jù)2014年全省24 點歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，采用基準(zhǔn)負(fù)荷比較法可計算得到全省2014年最大降溫負(fù)荷約為8897.53MW。顯然，采用4.2 的方法得到的年最大降溫負(fù)荷預(yù)測值更準(zhǔn)確。

由以上算例可以看出，采用4.1 和4.2 的方法均能大致測算出2014年的最大降溫負(fù)荷。4.2 的方法不僅能夠測算出各地市的年最大降溫負(fù)荷情況，且所測算的全省最大降溫結(jié)果更為準(zhǔn)確。因此，在測算全省年最大降溫負(fù)荷時，推薦采用“子網(wǎng)累加”的方法。

5 結(jié)論

本文基于福建電網(wǎng)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，從降溫負(fù)荷特性、氣溫敏感性、年最大降溫負(fù)荷等三方面進行詳細(xì)分析，得出以下結(jié)論。

1）福建省降溫負(fù)荷曲線存在明顯的2 個高峰和低谷，午高峰和晚高峰分別出現(xiàn)在下午14∶00—15∶00 和晚上23∶00—24∶00，降溫負(fù)荷的低谷時段出現(xiàn)在早上和傍晚的上下班期間，說明居民和辦公類降溫負(fù)荷比重較大。

2）福建省各地市的日降溫負(fù)荷與日平均溫度具有較強的相關(guān)關(guān)系。各地市的日平均溫度能夠靈敏地反映日降溫負(fù)荷的變化，由此可累加測算出當(dāng)溫度變化時全省日降溫負(fù)荷的變化值，為短期負(fù)荷預(yù)測提供參考。

3）全省及各地市的年最大降溫負(fù)荷近似線性增長，據(jù)此測算出下一年的年最大降溫負(fù)荷值，可為2014年全省降溫負(fù)荷的預(yù)測提供參考。

本文將“子網(wǎng)累加”的思想引入降溫負(fù)荷的分析中，并通過實例分析驗證該模型具有較高可行性及準(zhǔn)確性。因此，對于各地區(qū)經(jīng)濟水平及氣象條件差異較大的省級電網(wǎng)，推薦采用“子網(wǎng)累加”的方法研究降溫負(fù)荷。

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