電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測研究綜述

何 淼,葉 鵬,何寧寧,李 山

(1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136; 2.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000)

電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測研究綜述

何 淼1,葉 鵬1,何寧寧2,李 山1

(1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136; 2.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000)

隨著我國城鎮(zhèn)化及工業(yè)化水平地不斷提高，基于電網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃的飽和負(fù)荷預(yù)測越來越受到人們的重視。做好電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷的預(yù)測對城市電網(wǎng)架構(gòu)、電網(wǎng)規(guī)模的規(guī)劃和發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。該文綜述了電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測研究的最新進(jìn)展，從電力系統(tǒng)負(fù)荷特性及常用負(fù)荷預(yù)測方法、飽和負(fù)荷的含義及判斷依據(jù)和電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測方法等方面進(jìn)行了總結(jié)研究，分析了城市電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測常用的方法，并對電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和展望，為城市電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測的研究、推廣提供參考。

飽和負(fù)荷預(yù)測；電網(wǎng)規(guī)劃；負(fù)荷特性；負(fù)荷預(yù)測方法

電力工業(yè)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。隨著社會(huì)改革的深入以及城市化建設(shè)的加快，城市用電負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)且城市電網(wǎng)的規(guī)模也呈現(xiàn)快速增長的趨勢。根據(jù)過去發(fā)達(dá)國家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)展的初期階段，城市用電負(fù)荷可能迅速發(fā)展，當(dāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段，受經(jīng)濟(jì)、人口、資源、政策等因素的影響，電力負(fù)荷增長會(huì)慢慢停止，總體上保持相對穩(wěn)定，呈現(xiàn)飽和趨勢[1-2]。

隨著中國的城市化水平的不斷提高，同時(shí)也出現(xiàn)了市區(qū)的繁華地區(qū)獲得電網(wǎng)建設(shè)用地的困難，城市電網(wǎng)的布線空間限制問題更加突出，通過飽和負(fù)荷預(yù)測確定長期規(guī)劃目標(biāo)，可以規(guī)劃輸變電工程和城市中心區(qū)配電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目等工作，化解城市電力線路建設(shè)與城市面貌建設(shè)之間的矛盾[3]。

近年來，在電網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃中提出了飽和負(fù)荷的概念，它不同于短期負(fù)荷預(yù)測和中長期負(fù)荷預(yù)測的預(yù)測方法，預(yù)測時(shí)間相對較長，考慮的因素較多，這與地理環(huán)境、發(fā)展水平、人口規(guī)模、自然資源等方面有關(guān)。城市飽和負(fù)荷的研究對于城市電力工業(yè)的規(guī)劃和發(fā)展，特別是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)規(guī)模的研究具有重要的意義[4]。

1 電力系統(tǒng)負(fù)荷特性及常用負(fù)荷預(yù)測方法

1.1 電力系統(tǒng)負(fù)荷特性

負(fù)荷特性是指電力負(fù)荷從電力系統(tǒng)的電源吸取的有功功率和無功功率隨負(fù)荷端點(diǎn)的電壓及系統(tǒng)頻率變化而改變的規(guī)律。

中國現(xiàn)階段負(fù)荷特點(diǎn)：90年代以來，我國各地區(qū)負(fù)荷增長很快，負(fù)荷特性變化較大，而且差異較大?？傮w來看，我國現(xiàn)階段負(fù)荷特性的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1)自上世紀(jì)90年代以來，隨著電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不斷完善以及供電供需矛盾的逐漸緩解，全國大部分地區(qū)負(fù)荷率水平下降，峰谷差增大，是現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢；

2)大部分地區(qū)年最大負(fù)荷增長速度高于用電量的增速，這將是未來我國處于發(fā)展時(shí)期負(fù)荷增長的主要特點(diǎn)；

3)受地理位置及經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的影響，全國不同地區(qū)的負(fù)荷特性呈現(xiàn)顯著的不平衡性。

電力負(fù)荷是電力系統(tǒng)的重要組成部分，作為電力系統(tǒng)用戶對于電力系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和控制具有重要的影響。多年以來，學(xué)者們已經(jīng)提出了大量的負(fù)荷模型，包括靜態(tài)負(fù)荷模型、動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型和非機(jī)理動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。同時(shí)，也陸續(xù)積累了很多測量參數(shù)。建立負(fù)荷特性數(shù)據(jù)庫，易于歷史數(shù)據(jù)的各種查詢和調(diào)用，對于整體遠(yuǎn)程負(fù)荷特性的比較、分析、綜合和應(yīng)用開拓了思路。

1.2 電力系統(tǒng)常用負(fù)荷預(yù)測方法

按照時(shí)間的長短劃分，電力負(fù)荷預(yù)測可以分為長期、中期、短期和超短期四種預(yù)測。其中，中長期負(fù)荷預(yù)測是以年為單位，進(jìn)行中長期負(fù)荷預(yù)測可以為電網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)提供數(shù)據(jù)參考，例如中長期負(fù)荷預(yù)測能夠?yàn)殡娋W(wǎng)擴(kuò)容和裝機(jī)容量提供基本數(shù)據(jù)，制定年度檢修計(jì)劃，確定運(yùn)維等方式，也為區(qū)域或電網(wǎng)的發(fā)展速度、電力建設(shè)規(guī)模、電力工業(yè)布局、能源平衡等提供充足的依據(jù)；短期負(fù)荷預(yù)測通常可用月、周、日、小時(shí)為單位，主要對區(qū)域之間的權(quán)力平衡的調(diào)整，電網(wǎng)和人力資源需求的平衡，電力部門的日常運(yùn)作，月檢修計(jì)劃的合理安排，運(yùn)維方式及發(fā)電計(jì)劃起到調(diào)度、規(guī)劃等作用；超短期負(fù)荷預(yù)測通常以分鐘為單位，主要用于電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度，滿足運(yùn)維規(guī)范的安全分析、控制和節(jié)省發(fā)電成本[6,7]。

中長期負(fù)荷預(yù)測方法包括單耗法、電力彈性系數(shù)法、趨勢外推法、回歸分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，其負(fù)荷預(yù)測的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 中長期預(yù)測方法優(yōu)缺點(diǎn)

短期負(fù)荷預(yù)測方法包括時(shí)間序列法、灰色預(yù)測法、模糊邏輯法、小波分析法和綜合模型預(yù)測法等，其負(fù)荷預(yù)測的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 中長期預(yù)測方法優(yōu)缺點(diǎn)

2 飽和負(fù)荷

2.1 飽和負(fù)荷的涵義

當(dāng)一個(gè)區(qū)域處于高度發(fā)達(dá)階段時(shí)，其電力負(fù)荷將呈現(xiàn)出飽和態(tài)勢，即為所說的飽和負(fù)荷[23]。影響飽和負(fù)荷的因素不僅包括用電負(fù)荷的規(guī)模及時(shí)空特性，還應(yīng)考慮自然因素以及社會(huì)因素等[24]。因此，開展研究飽和負(fù)荷預(yù)測的研究，對城市電網(wǎng)架構(gòu)、電網(wǎng)規(guī)模的規(guī)劃和發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

2.2 負(fù)荷達(dá)到飽和的依據(jù)

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，當(dāng)城市用電負(fù)荷達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)應(yīng)滿足以下特征[25-27]：

1)城市電力負(fù)荷連續(xù)5年年增幅不超過4%；

2)城市經(jīng)濟(jì)處于緩慢或者停滯增長狀態(tài)，城市化進(jìn)程接近理想狀態(tài)[28]；

3)城市用地類型基本不會(huì)發(fā)生變化，城市三種產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨于平穩(wěn)且合理的狀態(tài)。

3 電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測方法

常用的電力系統(tǒng)飽和負(fù)荷預(yù)測方法主要包括：Logistic曲線預(yù)測模型、基于人均電量的飽和負(fù)荷預(yù)測方法、基于多維度的飽和負(fù)荷預(yù)測方法、基于空間飽和負(fù)荷密度的預(yù)測方法。

3.1 Logistic曲線預(yù)測模型

在城市建設(shè)初期，由于城市建設(shè)的各種設(shè)施不完善，電力系統(tǒng)負(fù)荷的消耗處于緩慢的增長階段；隨著城市化建設(shè)的加快以及城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，電力系統(tǒng)負(fù)荷的消耗處于快速增長階段；當(dāng)城市化建設(shè)處于高度飽和階段，即城市發(fā)展水平達(dá)到高度發(fā)達(dá)程度，則電力系統(tǒng)負(fù)荷的消耗將處于飽和狀態(tài)，即處于飽和增長階段。在城市建設(shè)的進(jìn)程中，電力負(fù)荷的消耗滿足S型曲線的增長方式，因此，可以用基于S型曲線的Logistic數(shù)學(xué)模型進(jìn)行電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測。

Logistic曲線是一種常見的“S”型曲線模型。該模型最初源自對生物種群的研究，經(jīng)過大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口以及其他領(lǐng)域中很多事物的發(fā)展過程中的某個(gè)或某些定量化特性也符合生物發(fā)展過程中的曲線規(guī)律。該曲線模型的方程如下：

(1)

圖1 Logistic模型S型曲線

3.2 基于人均電量的飽和負(fù)荷預(yù)測方法

人均用電量法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單、易操作。然而，計(jì)算中需要的數(shù)據(jù)量龐大，預(yù)測工作十分繁瑣，目前適用于中小型負(fù)荷預(yù)測。

參照城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展計(jì)劃與國外發(fā)達(dá)國家數(shù)據(jù)，首先確定了基于環(huán)境和資源的該城市最大人口規(guī)模數(shù)，以人均用電量法計(jì)算出城市負(fù)荷達(dá)到飽和的數(shù)值，并預(yù)測出未來城市電力達(dá)到飽和的時(shí)間。采用人均用電量法預(yù)測飽和負(fù)荷的思想是，飽和年的總?cè)丝诔艘匀司柡陀秒娏浚吹贸鋈鐣?huì)的飽和用電量及其規(guī)模，如式(2)所示， 最大負(fù)荷的飽和規(guī)模則可根據(jù)式(3)求得。

Qs=Ns*Qa

(2)

Ps=Qs/Tmax

(3)

式中，Qs為全社會(huì)用電量飽和規(guī)模；Qa為人均用電量飽和規(guī)模；Ps為最大負(fù)荷飽和規(guī)模；Ns為人口飽和規(guī)模；Tmax為最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)。

式(2)、式(3)為人均電量法的傳統(tǒng)預(yù)測模型，全社會(huì)用電量的負(fù)荷預(yù)測模型為

Ps=Ns*Pa

(4)

式中，Pa為人均用電負(fù)荷飽和規(guī)模[33,34]。

3.3 基于多維度的飽和負(fù)荷預(yù)測方法

許多事物的變化常會(huì)受到影響因素的干擾，若要確定影響因素對事物影響的深度，通過基于多維度的飽和負(fù)荷預(yù)測方法可以實(shí)現(xiàn)。分別以影響因素和研究對象作自變量與因變量來建立數(shù)學(xué)模型，其數(shù)學(xué)模型為

y=f(x1,x2,…,xn)

(5)

式中，xi(i=1,2,…,n)為影響因素變量；y為因變量。

多維度負(fù)荷預(yù)測模型的創(chuàng)新源于計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)，在計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)中建模和分析主要基于線性模型，但有時(shí)卻與事物的實(shí)際發(fā)展軌跡相差很大。與之相比，多維度飽和負(fù)荷預(yù)測模型相對靈活，從事物本身的特性出發(fā)進(jìn)行建模，考慮的因素更全面，結(jié)果也往往更準(zhǔn)確。此外，該模型可以更準(zhǔn)確地分析影響因素變化的敏感度，從而彌補(bǔ)了將時(shí)間序列數(shù)據(jù)擬合和預(yù)測的傳統(tǒng)方法直接適用于敏感性分析的缺點(diǎn)[34-35]。

3.4 基于空間飽和負(fù)荷密度的預(yù)測方法

空間負(fù)荷密度同城市的經(jīng)濟(jì)增長、人口密度、環(huán)境發(fā)展等制約因素，息息相關(guān)。因此，建立以空間負(fù)荷密度為核心的負(fù)荷預(yù)測的數(shù)學(xué)模型為

(6)

式中，P為城市負(fù)荷；kp為負(fù)荷同時(shí)率；Sij為第i片區(qū)第j類土地的使用面積；Cij為第i片區(qū)第j類土地的負(fù)荷密度。

空間飽和負(fù)荷密度模型充分反映了城市的長期規(guī)劃和施工要求，考慮到用戶的性質(zhì)和地塊容積率。

該模型通過整合各方面城市發(fā)展規(guī)劃信息，分成多個(gè)小塊進(jìn)行分析預(yù)測，估算出城市負(fù)荷達(dá)到飽和的時(shí)間[37]。

4 飽和負(fù)荷預(yù)測的應(yīng)用

城市電力規(guī)劃作為城市規(guī)劃的一個(gè)整體，必須對城市電網(wǎng)進(jìn)行合理安排，確定城市規(guī)劃建設(shè)的能源設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)劃分高壓線走廊寬度、方向和位置，合理分配電力規(guī)劃用地，以實(shí)現(xiàn)整體城市規(guī)劃[38]。在分析城市飽和負(fù)荷的基礎(chǔ)上，可以對未來城市整體的電網(wǎng)布局、電網(wǎng)協(xié)調(diào)性和電網(wǎng)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

文獻(xiàn)[39]從天津經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀入手，按照城市發(fā)展規(guī)劃，參照發(fā)達(dá)國家或城市的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，文章采用人均用電量和城市負(fù)荷密度的預(yù)測方法，通過模型預(yù)測了天津中心城區(qū)負(fù)荷達(dá)到飽和的時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合城市功能區(qū)不同性質(zhì)的負(fù)荷研究，對城市飽和負(fù)荷空間分布進(jìn)行了深入的研究，為城市電網(wǎng)規(guī)劃中確定變電站站址和線路走廊提供借鑒和參考。

文獻(xiàn)[40]以大連市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ),結(jié)合城市發(fā)展定位和發(fā)展規(guī)劃,參照國外發(fā)達(dá)國家或城市的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo),分別采用基于人均用電量的特征參數(shù)類比法、飽和負(fù)荷密度特征參數(shù)類比法以及空間負(fù)荷預(yù)測法,預(yù)測大連中心地區(qū)的飽和負(fù)荷，進(jìn)一步研究城市中心地帶飽和負(fù)荷的空間分布,為城市電網(wǎng)規(guī)劃中確定變電站站址和線路走廊提供借鑒。

文獻(xiàn)[41]根據(jù)蘇州工業(yè)園湖西城市商務(wù)中心(CBD)的詳細(xì)控規(guī),調(diào)整傳統(tǒng)的空間負(fù)荷預(yù)測方法，在湖西CBD區(qū)進(jìn)行詳細(xì)負(fù)荷預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與相似商業(yè)中心的相關(guān)負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行比較。

文獻(xiàn)[42]基于青島經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀，分別采用基于人口發(fā)展和城市發(fā)展規(guī)劃的特征參數(shù)類比法、飽和負(fù)荷密度特征參數(shù)模擬法和空間負(fù)荷預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測，以確定城市電網(wǎng)的最終規(guī)模，并在核心城區(qū)土地上為電力的可持續(xù)發(fā)展提供必要的空間提供依據(jù)。

文獻(xiàn)[43]結(jié)合西安市的負(fù)荷變化規(guī)律和趨勢,分析了西安市未來飽和負(fù)荷值及負(fù)荷密度。根據(jù)飽和負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果,提出西安市飽和年330 kV變電站需要變電容量、臺(tái)數(shù),并對各電壓等級之間的協(xié)調(diào)配合問題進(jìn)行了討論,為西安電網(wǎng)未來的規(guī)劃提供參考。

文獻(xiàn)[44]基于濟(jì)南經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析，參考城市發(fā)展規(guī)劃和國內(nèi)外主要城市用電指標(biāo)，分別采用基于人口容量的特征參數(shù)類比法、飽和負(fù)荷密度特征參數(shù)類比法以及空間負(fù)荷預(yù)測法，對濟(jì)南市中心城區(qū)飽和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，為確定中心城區(qū)電網(wǎng)最終規(guī)模提供依據(jù)，促進(jìn)電力建設(shè)和城市發(fā)展建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

文獻(xiàn)[45]從世界發(fā)達(dá)國家(地區(qū))的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用電增長歷程,分析其電力負(fù)荷趨于飽和的發(fā)展規(guī)律和特征,結(jié)合福建省經(jīng)濟(jì)發(fā)展及資源狀況,提出電力負(fù)荷趨于飽和狀態(tài)時(shí)的用電規(guī)模及其電源布局和目標(biāo)網(wǎng)架格局。

5 結(jié) 語

隨著電力系統(tǒng)智能化程度的不斷提高，電力負(fù)荷預(yù)測技術(shù)研究也在不斷深入，從以前的經(jīng)典方法不斷涌現(xiàn)到目前的智能化優(yōu)化方法，給電力負(fù)荷預(yù)測提供了強(qiáng)大的工具。負(fù)荷預(yù)測技術(shù)的發(fā)展在不斷的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)并成熟運(yùn)用智能化、精細(xì)化負(fù)荷預(yù)測技術(shù)是當(dāng)前和未來電力負(fù)荷預(yù)測技術(shù)發(fā)展的趨勢和方向。

未來的飽和負(fù)荷研究工作中，應(yīng)注重以下幾點(diǎn)：

1)注重與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的相輔相成，全面研究經(jīng)濟(jì)發(fā)展在負(fù)荷達(dá)到飽和階段與社會(huì)因素、人口因素、地理因素和環(huán)境因素等的關(guān)系，找出其指標(biāo)體系和量化特征；

2)注重更加深入的研究電力負(fù)荷達(dá)到飽和的依據(jù)，為未來重點(diǎn)城市的空間飽和負(fù)荷研究打下基礎(chǔ)；

3)注重各類模型在飽和負(fù)荷中研究中的應(yīng)用，找出最優(yōu)化模型，提高研究的精度和效率；

4)注重微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)的背景下，新能源技術(shù)的應(yīng)用對飽和負(fù)荷預(yù)測研究的深刻影響。

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ResearchReviewontheSaturatedLoadForecastingofPowerSystem

HEMiao1,YEPeng1,HENing-ning2,LIShan1

(1.SchoolofElectricPowerEngineering,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136;2.StateGridLiaoyangPowerSupplyCompany,Liaoyang111000,LiaoningProvince)

With the continuous improvement of urbanization and industrialization in China,more and more attention has been paid to the prediction of saturated load based on power grid planning. It is important to predict the saturation load of power grid for the planning and development of urban power grid structure and power grid scale. This article reviewed the latest progress in the research of power system saturation load forecasting,summarized the power system load characteristics and common load prediction method,the meaning of saturated load,judgment and power system saturated load forecasting method,analyzed the common urban power system saturation load forecasting methods and outlook the power system load forecasting technology development trend to provide reference for the research and promotion of city electric power system saturation load forecasting.

Saturated load forecasting;Power grid planning;Load characteristic;Load forecasting method

TM743

A

1673-1603(2017)04-0340-07

(責(zé)任編輯魏靜敏校對張凱)

2017-08-28

何 淼(1992-)，男，遼寧遼陽人，碩士研究生。

葉 鵬(1974-)，男，吉林吉林人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.04.009