冀北電網(wǎng)電力負(fù)荷特征與氣溫的關(guān)系

張彥恒，楊琳晗，武輝芹，張金滿

(河北省氣象服務(wù)中心，河北 石家莊 050021)

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冀北電網(wǎng)電力負(fù)荷特征與氣溫的關(guān)系

張彥恒，楊琳晗，武輝芹，張金滿

(河北省氣象服務(wù)中心，河北 石家莊 050021)

基于冀北電力公司提供的2013—2014年冀北電網(wǎng)逐日最大電力負(fù)荷資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析日最大電力負(fù)荷的變化規(guī)律及其與氣溫等氣象因子的相關(guān)關(guān)系，并重點(diǎn)討論其與氣溫的關(guān)系。結(jié)果表明：冀北地區(qū)最大電力負(fù)荷有2個高峰時段，分別為夏季7—8月、冬季11—12月；日最大電力負(fù)荷具有周變化特征，周五、周六、周日為周電力負(fù)荷高峰期，周六電力負(fù)荷最高，周二電力負(fù)荷最低；夏季高峰期，日最大電力負(fù)荷與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日悶熱指數(shù)呈正相關(guān)，并且通過顯著性檢驗(yàn)，且當(dāng)日最高氣溫高于26 ℃(或日平均氣溫高于20 ℃)時，日最高氣溫對日最大電力負(fù)荷的1 ℃效應(yīng)量約為21.19×104kW。

電力負(fù)荷；高峰期；相關(guān)分析；1 ℃效應(yīng)量

引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，電力在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們社會生活中所起的作用越來越重，因而穩(wěn)定的電力供應(yīng)越發(fā)顯得重要[1]，一旦電力供應(yīng)出現(xiàn)問題，物質(zhì)生產(chǎn)和其他經(jīng)濟(jì)活動則陷入停頓甚至崩潰，人們的日常生活也會寸步難行而陷入混亂。隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民空調(diào)制冷、取暖等用電量所占總電力負(fù)荷的比重越來越大[2]。電力負(fù)荷受到許多因素的影響，不同地區(qū)、不同季節(jié)的電力負(fù)荷特征都有顯著的區(qū)別，這是電力負(fù)荷難以預(yù)測的原因之一，因此很難用一種預(yù)測模型或方法對所有地區(qū)和季節(jié)的電力負(fù)荷做出預(yù)測[3]。電力負(fù)荷雖然變化無常，但氣象因素是電力負(fù)荷變化的重要影響因子之一，某些特定時期(如夏季高溫時段)氣象因素是電力負(fù)荷變化的最重要因素。

目前，國內(nèi)對電力負(fù)荷預(yù)測的研究有很多，許多相關(guān)研究都發(fā)現(xiàn)氣溫是影響電力負(fù)荷變化的重要?dú)庀笠蜃又籟4]，如陳正洪等[5]對華中地區(qū)的日電力負(fù)荷與氣溫關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明，華中地區(qū)夏季日電力負(fù)荷與日平均氣溫呈顯著正相關(guān)，而冬季相關(guān)不顯著；張自銀等[1]對北京市夏季日最大電力負(fù)荷與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)北京市夏季日最大電力負(fù)荷與日最低氣溫的關(guān)系最為顯著。不同地區(qū)所處的氣候條件各不同，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和發(fā)展水平也不盡相同，因而各地電力負(fù)荷與氣象因子的關(guān)系也不盡相同[6-8]。

準(zhǔn)確的電力負(fù)荷預(yù)測可以充分發(fā)揮氣象部門在防災(zāi)減災(zāi)中的輔助作用[9]，對電力部門的電力調(diào)度、運(yùn)行和計(jì)劃也非常重要。因此電力負(fù)荷預(yù)測是一項(xiàng)重要且基礎(chǔ)的研究工作[10-11]。本文對冀北電網(wǎng)區(qū)域的日最大電力負(fù)荷與氣溫等氣象因子的關(guān)系進(jìn)行分析，以期對冀北電網(wǎng)地區(qū)日最大電力負(fù)荷的預(yù)測提供一定參考。

1 資料和方法

所用資料為冀北電網(wǎng)5地區(qū)(張家口、承德、唐山、秦皇島、廊坊)2013—2014年逐日最大電力負(fù)荷數(shù)據(jù)(去除國家法定節(jié)假日)及對應(yīng)的氣象站氣象資料，氣象資料包括：2013—2014年逐日日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日平均相對濕度。涉及的日最大電力負(fù)荷為5地區(qū)逐日最大電力負(fù)荷的和；日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日平均相對濕度以及日悶熱指數(shù)為張家口、承德、唐山、秦皇島、廊坊5個氣象站的區(qū)域日平均值。

人們可以根據(jù)未來天氣條件變化對日常生產(chǎn)生活做出提示性、服務(wù)性的氣象指數(shù)產(chǎn)品[12]，本文引用表征夏季人體舒適度的日悶熱指數(shù)，來驗(yàn)證反映夏季人體舒適度的綜合氣象因子與電力負(fù)荷的關(guān)系，其計(jì)算公式[13]為：

(1)

式中，M為日悶熱指數(shù)，Ta為日平均氣溫(單位：℃)，Hr為日平均相對濕度(單位：%)。

為了準(zhǔn)確反映出冀北電網(wǎng)逐日最大電力負(fù)荷變化率與氣溫的關(guān)系，本文參照文獻(xiàn)[14]對日最大電力負(fù)荷進(jìn)行1級、2級標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2 冀北地區(qū)電力負(fù)荷變化特征

2.1 日最大電力負(fù)荷年變化

由圖1可見，冀北電網(wǎng)日最大電力負(fù)荷具有明顯的年變化特征，并有逐漸增長趨勢；另外日最大電力負(fù)荷具有明顯的季節(jié)變化，一年中日最大電力負(fù)荷有2個低谷區(qū)，分別對應(yīng)農(nóng)歷新年和國慶節(jié)假期前后。對2013—2014年冀北地區(qū)日最大電力負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)最高負(fù)荷的前124 d均出現(xiàn)在2個時間段，分別對應(yīng)夏季7—8月和冬季11—12月，把這2個時段作為冀北地區(qū)最大電力負(fù)荷高峰期，即夏季高峰期和冬季高峰期。夏季高峰期對應(yīng)一年中最悶熱階段，空調(diào)、電扇等降溫設(shè)備的使用使得最大電力負(fù)荷增加，冬季高峰期對應(yīng)冬季供暖期間，供暖等用電設(shè)備的使用使得電力負(fù)荷增加。

另外，2014年11月日最大電力負(fù)荷出現(xiàn)兩年內(nèi)的最低值，原因是2014年11月7—12日是北京APEC會議舉辦日，2014年11月1日起，北京、天津、河北、山東、山西、內(nèi)蒙古市環(huán)保監(jiān)測部門聯(lián)防聯(lián)控，中國環(huán)保部派出16個督導(dǎo)小組督導(dǎo)治理行動，嚴(yán)控所有施工工地，要求各類污染企業(yè)限產(chǎn)、停產(chǎn)；各地機(jī)動車實(shí)行單雙號行駛、機(jī)關(guān)和市屬企事業(yè)單位停駛70%公車；嚴(yán)控措施導(dǎo)致用電負(fù)荷大幅下降。由此可見，各類企業(yè)生產(chǎn)用電在用電負(fù)荷中占有相當(dāng)大的比例，當(dāng)限產(chǎn)、停產(chǎn)期間(APEC會議7—12日)，最大用電負(fù)荷較2013年同期下降24.7%，這為日后重大活動采取限產(chǎn)限電措施時，最大用電負(fù)荷的下降預(yù)估提供了重要參考。

由圖2看出，2013、2014年的日最高氣溫變化特征相似，可以認(rèn)為這期間氣象因素年變化特征類似，因此排除因氣溫升高引起的電力負(fù)荷的年增長趨勢。結(jié)合圖1，電力負(fù)荷可以分為兩部分組成，一部分呈線性上升趨勢，用Y=ax+b表示，這與冀北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等基本用電負(fù)荷有關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展呈線性增長趨勢，另一部分可視為由氣象因素或特殊階段性事件等其他因素影響引起的波動。

2.2 周變化特征

選取2013—2014年的日最大電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，對電力負(fù)荷進(jìn)行1級標(biāo)準(zhǔn)化處理，即根據(jù)圖1的年變化趨勢Y=0.146x+1 854，除去因經(jīng)濟(jì)增長造成的電力負(fù)荷影響，再除去國家法定節(jié)假日，從而按星期求取逐日平均得到電力負(fù)荷的周變化趨勢(圖3)?？梢钥闯觯奖钡貐^(qū)周日開始電力負(fù)荷至周二降至最低，周三至周六電力負(fù)荷呈增長趨勢，周六達(dá)到頂峰，然后開始下降，周而復(fù)始。由表1可以看出冀北地區(qū)周二最大電力負(fù)荷比周平均值低8.7×104kW，周六最大電力負(fù)荷較平均值高9.3×104kW。

圖1 2013—2014年冀北地區(qū)日最大電力負(fù)荷變化及其線性趨勢

圖2 2013—2014年冀北地區(qū)日最高氣溫變化

圖3 2013—2014年冀北地區(qū)日最大電力負(fù)荷的周變化趨勢

最大電力負(fù)荷均值/104kW最大電力負(fù)荷距平/104kW星期日1856．92．2星期一1854．60．0星期二1845．9-8．7星期三1847．3-7．4星期四1854．1-0．5星期五1860．35．3星期六1863．99．3

武輝芹等[14]分析河北南部電網(wǎng)地區(qū)電力負(fù)荷的周變化趨勢時，發(fā)現(xiàn)周末負(fù)荷最低；而冀北電網(wǎng)地區(qū)電力負(fù)荷周變化趨勢中，周二負(fù)荷最低，周末負(fù)荷最高，分析其原因，可能與冀北地區(qū)旅游相關(guān)產(chǎn)業(yè)比重相對較大有關(guān)。2013—2014年河北第三產(chǎn)業(yè)增加值比重分別為35.6%、 37.2%，旅游業(yè)是第三產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，而且冀北地區(qū)旅游資源分布廣泛，3A級以上景區(qū)70多處，旅游時段主要分布在節(jié)假日和周末，這可能是冀北地區(qū)電力負(fù)荷周變化趨勢中周末負(fù)荷偏高的主要原因。

3 電力負(fù)荷與氣溫等氣象因子的相關(guān)關(guān)系

3.1 2級標(biāo)準(zhǔn)化后的電力負(fù)荷與氣溫等氣象因子的相關(guān)關(guān)系

選取2013—2014年7—8月和11—12月1級標(biāo)準(zhǔn)化處理過后的逐日最大電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上經(jīng)2級標(biāo)準(zhǔn)化處理去除周變化引起的電力負(fù)荷變化，然后計(jì)算電力負(fù)荷數(shù)據(jù)與氣象因子的相關(guān)關(guān)系。氣象因子選取日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日平均相對濕度。通過相關(guān)分析分別計(jì)算各氣象因子與經(jīng)2級標(biāo)準(zhǔn)化處理后的電力負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。從表2可知，夏季7—8月電力負(fù)荷與日平均氣溫、日最高氣溫、日悶熱指數(shù)相關(guān)性最顯著，均通過0.001的顯著性檢驗(yàn)，日平均相對濕度通過0.01的顯著性檢驗(yàn)；冬季11—12月電力負(fù)荷與各氣象因子的相關(guān)性除日平均相對濕度無明顯相關(guān)外，與其余3個氣象因子的相關(guān)均通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

3.2 1 ℃效應(yīng)量

由圖4可以看出，日最大電力負(fù)荷與日最高氣溫散點(diǎn)圖呈扁U型分布，電力負(fù)荷在日最高氣溫<12 ℃時隨著溫度的降低開始增加，在日最高氣溫>26℃時隨著溫度的升高明顯增加，日最大電力負(fù)荷在日最高氣溫<12 ℃或>26 ℃階段處于較高負(fù)荷區(qū)間。究其原因，當(dāng)日平均氣溫為5 ℃時，相應(yīng)日冀北地區(qū)的日最高氣溫均值為12 ℃，河北地區(qū)連續(xù)5 d平均氣溫<5 ℃時開始供暖，造成電力負(fù)荷加大；當(dāng)冀北電網(wǎng)地區(qū)日平均氣溫為20 ℃時，相應(yīng)日的日最高氣溫均值為26 ℃，2007年國務(wù)院辦公廳《關(guān)于嚴(yán)格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的通知》*中明確規(guī)定：空調(diào)、電扇等降溫設(shè)備在日最高氣溫>26 ℃時開始使用，當(dāng)日最高氣溫>26 ℃或日平均氣溫>20 ℃時，隨著氣溫升高，用電負(fù)荷快速升高，導(dǎo)致電力負(fù)荷加大。

表2 日最大電力負(fù)荷與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)

注：*表示通過0.01顯著性檢驗(yàn)，**表示通過0.001顯著性檢驗(yàn)

圖4 日最大電力負(fù)荷與日最高氣溫的散點(diǎn)圖

在日最高氣溫>26 ℃的情況下，用電負(fù)荷對溫度的反應(yīng)越來越靈敏，當(dāng)日最高氣溫>26 ℃時，利用回歸分析得到日最大電力負(fù)荷對日最高氣溫的回歸方程為：

(2)

式(2)中，y表示日最高氣溫，x為日最大電力負(fù)荷值，單位：104kW?；貧w方程中x的系數(shù)也就是1 ℃效應(yīng)量[1]，其意義指溫度每升高或降低1 ℃時，電力負(fù)荷增加或減少的量，最高氣溫每增高1 ℃，相應(yīng)日最大用電負(fù)荷均值增加21.19×104kW，日最高氣溫介于28～30 ℃和34～35 ℃之間時，電力負(fù)荷快速增長(圖5)，表明空調(diào)、電扇等降溫設(shè)備在28～30 ℃時大范圍開啟；當(dāng)日最高氣溫達(dá)到36 ℃時最大用電負(fù)荷明顯下降，這是由于按照氣象標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)日最高氣溫>35 ℃時會發(fā)布高溫預(yù)警，同時國家安全監(jiān)管總局、衛(wèi)生部、人力資源和社會保障部、中華全國總工會出臺《防暑降溫措施管理辦法》(安監(jiān)總安健[2012]89號)，規(guī)定：日最高氣溫達(dá)到35 ℃以上、37 ℃以下時，用人單位應(yīng)當(dāng)采取換班輪休等方式，縮短勞動者連續(xù)作業(yè)時間，并且不得安排室外露天作業(yè)勞動者加班，所以推測用電負(fù)荷下降可能與之有關(guān)。河北省南部電網(wǎng)2007—2009年夏季電力負(fù)荷同樣存在此變化特征[14]。

由于2013—2014年冀北電網(wǎng)電力負(fù)荷在日最高氣溫達(dá)到36 ℃及以上區(qū)間的樣本數(shù)量較少，同樣不排除由于樣本數(shù)量問題造成的可信度不夠，因此還需積累數(shù)據(jù)量到一定程度后繼續(xù)對此特征進(jìn)行研究驗(yàn)證。

圖5 相應(yīng)日最大電力負(fù)荷均值 1 ℃增溫效應(yīng)變化趨勢

4 小 結(jié)

(1)冀北電網(wǎng)日最大電力負(fù)荷具有明顯的年變化特征，高峰期在夏季7—8月和冬季11—12月；低谷期在農(nóng)歷新年和國慶節(jié)前后。2014年11月7—12日北京APEC會議舉辦期間，對冀北地區(qū)企業(yè)、單位的嚴(yán)控措施導(dǎo)致用電負(fù)荷達(dá)到兩年內(nèi)最低，會議期間最大用電負(fù)荷較2013年同期下降24.7%。

(3)夏季高峰期，冀北電網(wǎng)日最大電力負(fù)荷與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、悶熱指數(shù)呈正相關(guān)，并且相關(guān)性顯著。冬季高峰期，日最大電力負(fù)荷與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性顯著，冬季日最大電力負(fù)荷與日平均相對濕度無明顯相關(guān)。

(4)夏季電力負(fù)荷高峰期(7—8月)，日最大電力負(fù)荷增加量與日最高氣溫增量有較好的對應(yīng)關(guān)系，以日最高氣溫26 ℃為閾值統(tǒng)計(jì)，當(dāng)氣溫>26 ℃時，1 ℃對應(yīng)日最大電力負(fù)荷增長效應(yīng)量約為21.19×104kW，日最大電力負(fù)荷存在2個相對快速增長的區(qū)間，對應(yīng)的日最高氣溫為28～30 ℃和34～35 ℃。

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Relationship Between Power Load Characteristics and Temperature in North Hebei

ZHANG Yanheng, YANG Linhan, WU Huiqin, ZHANG Jinman

(HebeiProvincialMeteorologicalServiceCenter,Shijiazhuang050021,China)

Based on the daily maximum power load data during 2013-2014 offered by Jibei electric power company, the variation of daily maximum power load and its relationship with temperature and other meteorological factors were analyzed by using mathematical statistics methods. The results show that there were two peak stages (from July to August in summer and from November to December in winter) for maximum daily power load in north region of Hebei, and for a week, daily maximum power load was relatively larger on Friday, Saturday and Sunday, and the peak value was on Saturday, while it was minimum on Tuesday. During the peak stage of summer, there were positive correlations between daily maximum power load and daily average temperature, maximum temperature, minimum temperature, average relative humidity as well as sultry index, which passed through the significant test. When daily maximum temperature was more than 26 ℃ or daily average temperature was more than 20 ℃, the daily maximum power load would increase 21.19×104kW when daily maximum temperature increased 1 ℃.

power load; peak; correlation analysis; 1 ℃ effect size

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0881

2016-07-05；改回日期：2016-09-06

河北省科技廳項(xiàng)目“電力微氣象災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)報預(yù)警技術(shù)及體系建設(shè)研究”(16275409D)資助

張彥恒(1981-)，男，工程師，從事專業(yè)氣象預(yù)報與服務(wù)研究. E-mail:zhangyh221@163.com

1006-7639(2016)-05-0881-05 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0881

P49

A

張彥恒，楊琳晗，武輝芹，等.冀北電網(wǎng)電力負(fù)荷特征與氣溫的關(guān)系[J].干旱氣象，2016，34(5)：881-885, [ZHANG Yanheng, YANG Linhan, WU Huiqin, et al. Relationship Between Power Load Characteristics and Temperature in North Hebei[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):881-885],