基于空間飽和負荷密度的負荷預測方法

沈浩， 盧俊琰， 余捷， 施金曉， 劉劍青， 賀楊烊

(1.上海市電力公司市北供電公司，上海 200072； 2.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240)

0 引 言

負荷預測作為電網規(guī)劃工作的重要一環(huán)，為配電網規(guī)劃方案的制定提供科學合理的依據(jù)。負荷預測的準確性對后期電網規(guī)劃方案起著至關重要的作用，若負荷預測結果偏高，將導致電網建設超前，電網設備處于輕載甚至是空載運行狀態(tài)，間接導致電網投資收益率低；若負荷預測結果偏低，將導致電網建設規(guī)模落后，功率傳輸通道阻塞，在電網大負荷期間，設備處于重載甚至過載狀態(tài)，嚴重情況下將導致電網故障的發(fā)生，危及電網的安全穩(wěn)定運行。

目前較為經典的負荷預測方法主要有：自然增長率法、產值單耗法、彈性系數(shù)法、人均電量法、回歸分析法和智能預測算法等。目前，這些方法已經能夠較為準確地預測出規(guī)劃區(qū)域未來的電量及電力負荷情況，但由于上述方法均不涉及到規(guī)劃區(qū)域的地理分布信息，在描述規(guī)劃區(qū)域未來負荷的空間分布情況時均不能有效地發(fā)揮作用。空間負荷預測方法在負荷分區(qū)的基礎上為預測電力負荷的空間分布情況提供了一種可行的解決方案。

空間負荷預測方法最早在1983年由美國的Willis等提出[1]，該方法是一種自下而上的方法，通過相應原則將規(guī)劃區(qū)域劃分成合理的小區(qū)，根據(jù)各小區(qū)的土地利用性質測算出該區(qū)的負荷密度，最終預測出整個規(guī)劃區(qū)域的未來負荷?；陲柡拓摵傻亩x及電力負荷進入飽和的判據(jù)，城市飽和負荷分析一般從規(guī)模、時間和空間3個角度進行分析，根據(jù)分析機理的不同，需對經濟參數(shù)模型法和負荷趨勢模型法兩大類飽和負荷預測方法進行概述總結[2]。張建平等[3]采用logistic數(shù)學模型對華東某城未來的人口規(guī)模、人均電量及人均用電負荷進行了預測，這些變量一般都經歷一個S型的增長模式。唐曉平、張偉昌等[4-5]應用飽和負荷密度方法對目標規(guī)劃區(qū)域進行了飽和負荷預測，驗證了飽和負荷密度指標法的可行性。孫威[6]結合我國土地政策的基本國情，研究了基于最小二乘支持向量機的負荷密度空間負荷預測方法，在計及影響負荷密度選取指標之間相互關系的基礎上，進一步提出了基于自適應神經模糊系統(tǒng)的負荷密度選取方法。崔凱等[7]通過對天津市社會發(fā)展狀況以及電力設施發(fā)展狀況的分析，結合天津市至2020年的城市發(fā)展定位，分別利用人均用電量和飽和負荷密度方法對天津市至飽和年的全社會用電量及負荷進行預測。江新琴等[8]以福建省廈門市為研究對象，在城市各功能分區(qū)規(guī)劃的基礎上，統(tǒng)計出各功能分區(qū)不同用地性質土地的建筑面積信息，在類比國內經濟水平相當?shù)某鞘械呢摵擅芏群?，制定了不同性質用地的負荷密度指標，最終求得各功能分區(qū)至飽和年的負荷，該方法對城市控制性詳細規(guī)劃的要求較高，其中對城市的功能定位越詳細，負荷預測的準確度越高。崔凱等[9]分別采用負荷密度特征參數(shù)和人口容量特征參數(shù)類比法對濟南全市及中心城區(qū)的飽和負荷進行預測，并結合當?shù)氐馁Y源、水文條件分析了濟南市110 kV及以上電網的新增變電容量需求，根據(jù)該方法得到的遠期規(guī)劃結果可以科學有序地指導近期電網建設，避免了電力規(guī)劃與城市未來發(fā)展定位相矛盾的發(fā)生，降低電網建設投資成本。馬曉東[10]以蘇州工業(yè)園區(qū)為例，將S型曲線引入趨勢外推法進行了該園區(qū)的空間負荷預測，詳細介紹了空間負荷預測步驟，通過運輸模型及遺傳算法對飽和年的負荷進行了預測。林勇、王晶等[11-12]通過將飽和負荷預測方法與智能算法(如改進粒子群、蟻群元胞自動機理論)相結合，提高了飽和負荷預測模型的預測精度。

當前的負荷預測方法由于忽略了規(guī)劃區(qū)至飽和年的空間負荷分布情況，導致存在電力設施建設工期混亂、電力設施投資計劃不合理、電網重復建設等問題。因此，有必要對規(guī)劃區(qū)至飽和年的空間負荷進行預測。本文根據(jù)華中某市社會經濟發(fā)展水平，類比國內其他城市的負荷密度，建立了該市的飽和負荷密度指標集，通過空間飽和負荷預測方法得到了該市市轄供電區(qū)的飽和負荷預測值，人均飽和電量法驗證了空間飽和負荷方法的正確性。

1 空間飽和負荷法

圖1 規(guī)劃區(qū)負荷增長曲線

對于某一新建規(guī)劃區(qū)來說，在規(guī)劃區(qū)的建設初期，負荷水平增長較為緩慢。其后隨著社會生產活動的日益繁忙，規(guī)劃區(qū)負荷將會有一個快速發(fā)展的階段。但在規(guī)劃區(qū)社會經濟發(fā)展水平發(fā)展到一定階段后，隨著能源利用效率、人口和土地資源限制，產業(yè)結構調整，規(guī)劃區(qū)用電負荷將會進入一個平緩增長階段，直至負荷增長至飽和狀態(tài)，該模式增長S型曲線如圖1所示。西方發(fā)達國家由于城市化進程發(fā)展較早，當前這些國家的城市功能定位清晰、社會經濟活動相對穩(wěn)定，負荷水平已處于S型曲線的第三階段，這些城市提供的飽和負荷密度值對于我國未來城市電力需求的發(fā)展具有非常重要的借鑒意義。

在進行空間飽和負荷預測時，必須首先確定每一類性質用地的飽和負荷密度。由于不同性質用地的發(fā)展定位不同，這就導致各類性質用地的飽和負荷密度指標也大不相同。根據(jù)當前華中某市的經濟社會發(fā)展水平，通過借鑒國內其他城市的飽和負荷密度指標，至飽和年該市的飽和負荷密度指標如表1所示。通常情況下，城市控制性詳細規(guī)劃對城市中每一塊土地都作了用地性質、容積率和占地面積的說明，這就為飽和負荷的預測提供了基礎。根據(jù)該市的控制性詳細規(guī)劃，該市的土地主要以居住用地、一、二類工業(yè)用地、商業(yè)服務設施用地、公共管理與服務設施用地為主，其中公共管理與服務設施用地主要包括：行政辦公用地、文化娛樂設施用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地、教育科研用地、公共體育設施用地及文物古跡用地。

表1 華中某市飽和負荷密度指標

在確定了該市各類性質用地的飽和負荷密度后，根據(jù)該市的遠期規(guī)劃，將規(guī)劃區(qū)內功能定位類似的區(qū)域進一步整合成子功能分區(qū)，在每一子功能分區(qū)內，將各地塊的負荷預測值進行疊加，考慮用電設備實際從電網獲取的功率與其額定功率的關系，每一功能分區(qū)的飽和負荷PA預測如式(1)所示：

(1)

式中：δi為第i類性質用地的負荷需用系數(shù)；Di為功能分區(qū)內第i類性質用地的飽和負荷密度；Si為功能分區(qū)內第i類性質用地的規(guī)劃用地面積；Vi為功能分區(qū)內第i類性質用地的容積率；N為功能分區(qū)內各類性質用地的種類數(shù)。

在計算求得各功能分區(qū)的飽和負荷后，可對規(guī)劃區(qū)內各功能分區(qū)的飽和負荷值進行累加，由于各功能區(qū)的發(fā)展定位不同，各區(qū)的負荷不會在同一時刻達到峰值負荷，若只對這些峰值負荷進行簡單疊加，求得的規(guī)劃區(qū)系統(tǒng)峰值負荷將會偏大，因此計及同時率的影響，規(guī)劃區(qū)至飽和年的空間飽和負荷P計算如式(2)所示：

(2)

式中：λ為各功能分區(qū)的同時率，同時率一般取0.7～0.8；PAj為第j個功能分區(qū)預測的飽和負荷值；M為規(guī)劃區(qū)內的功能分區(qū)數(shù)量。

空間飽和負荷預測從分析對象的角度可分為規(guī)模分析、時間分析以及空間分析[2]。規(guī)模分析主要涉及至飽和年規(guī)劃區(qū)的全社會用電量和最大負荷；時間分析主要涉及規(guī)劃區(qū)負荷達到飽和年的具體時間及置信區(qū)間。空間分析主要分析至飽和年負荷在規(guī)劃區(qū)內的空間分布情況。為了更直觀地的反映至飽和年該市的飽和負荷空間分布情況，本文以飽和負荷密度主題圖的形式在空間上通過顏色來反映各功能分區(qū)的飽和負荷密度情況。

2 人均飽和電量法

通過對規(guī)劃區(qū)人口未來增長趨勢的分析，類比國內具有相同經濟發(fā)展水平的地區(qū)，估算出至飽和年該市市轄供電區(qū)的人均用電量及飽和階段的人口數(shù)量，根據(jù)年負荷最大利用小時數(shù)，測算出至飽和年規(guī)劃區(qū)飽和負荷P的大小，如式(3)所示：

P=NmaxPe/Tmax

(3)

式中：Nmax為至飽和年的人口數(shù)量；Pe為飽和年的人均用電量水平，kWh/(人·年)；Tmax為至飽和年的年負荷最大利用小時數(shù),，該值一般根據(jù)規(guī)劃區(qū)的社會經濟發(fā)展水平測算得出。

通常情況下，規(guī)劃區(qū)至飽和年的人口水平也遵循S型曲線的增長模式，從數(shù)學角度看，可以用logistic函數(shù)進行模擬，如果城市規(guī)劃報告中對規(guī)劃區(qū)的人口增長水平進行了預測，也可直接用于人均飽和電量法的計算。

GB 50293—1999《城市電力規(guī)劃規(guī)范》中給出了不同用電水平城市的規(guī)劃人均綜合用電量指標，如表2所示。

表2 不同用電水平城市人均綜合用電量指標

3 案例分析

根據(jù)華中某市的城市控制性詳細規(guī)劃的規(guī)劃方案，該市未來主要按照七大功能分區(qū)進行發(fā)展，各功能分區(qū)定位如表3所示。

表3 華中某市功能分區(qū)介紹

3.1 空間飽和負荷法預測結果

通常在進行空間飽和負荷預測時，會對飽和負荷出現(xiàn)的時間進行預測，本文直接依據(jù)城市遠期規(guī)劃中的結論，設定該市規(guī)劃飽和年為2030年。

根據(jù)表1選取的該市各類性質用地的飽和負荷密度指標，對功能分區(qū)C1～C7中的各類性質用地的土地面積進行統(tǒng)計，計及容積率的影響，利用式(1)對每一功能分區(qū)中的飽和負荷進行計算，飽和負荷預測結果及負荷密度主題圖分別如表4和圖2所示。

到2030年，該市市轄供電區(qū)范圍達130平方公里，計及同時率的飽和負荷為2 044 MW。C1區(qū)域雖然至飽和年的負荷不是所有功能區(qū)中最大的，但是該區(qū)土地面積較小，商業(yè)文化設施發(fā)達，人口密度大，因此該區(qū)的飽和負荷密度最大。C6、C7區(qū)域為城市未來發(fā)展新的增長極，至飽和年這兩大區(qū)域集中了商業(yè)、居住、工業(yè)這三大類用地，飽和負荷密度處于較高水平。

表4 華中某市飽和負荷預測結果

圖2 華中某市負荷密度主題圖(kW/km2)

3.2 人均飽和電量法預測結果

2014年該市全市全社會用電量為98.29億kWh，截止到2014年該市全市總人口為431.5萬人，計算可得該市2014年人均用電量為2 277.87 kWh/人.年，依據(jù)表2的人均綜合用電量分類指標，該市當前已處于用電水平中上城市行列。根據(jù)該市的城市總體發(fā)展規(guī)劃，至2030年，該市規(guī)劃區(qū)范圍內人口約為160萬人，取規(guī)劃區(qū)飽和年人均綜合用電量為5 600 kWh/(人·年)，得出該市市轄規(guī)劃區(qū)遠景飽和總電量為89.6億kWh。

到2030年，該市規(guī)劃區(qū)內負荷以居住、商業(yè)和工業(yè)負荷為主，隨著經濟產業(yè)結構的逐步合理以及能源利用效率的提升，取年負荷最大利用小時數(shù)為4 360 h，可得至2030年該市市轄供電區(qū)全社會最大負荷為2 055.05 MW。

3.3 飽和負荷密度校驗

通過對比上述兩種飽和負荷預測方法得到的飽和負荷值，發(fā)現(xiàn)兩種方法的預測結果較為接近，空間飽和負荷預測方法的準確性得到驗證，至2030年，該市市區(qū)的飽和負荷為2 050 MW，年負荷最大利用小時數(shù)在4 360 h左右，飽和年市轄供電區(qū)的全社會用電量為89.6億kWh。整個市轄供電區(qū)的飽和負荷密度為15.71 MW/km2，同國內其他城市經濟技術開發(fā)區(qū)及中心城區(qū)相比(如：蘇州吳中中心城區(qū)老城區(qū)負荷密度為15.9 MW/km2，蘇州吳中汾湖中心城區(qū)負荷密度為15.37 MW/m2)，該飽和負荷密度處于合理區(qū)間范圍內，并且同該市未來的經濟社會發(fā)展水平相協(xié)調。

4 結束語

本文以華中某市為研究對象，在對其經濟社會發(fā)展水平以及供電發(fā)展水平調研分析的基礎上，結合該市的城市控制性詳細規(guī)劃，分別以空間飽和負荷法以及人均飽和電量法對該市至飽和年的飽和負荷進行了預測，并通過負荷密度主題圖的形式直觀地對未來的負荷空間分布情況進行了說明。飽和負荷密度校驗結果表明，空間飽和負荷預測結果可信度高，可為未來的配電網規(guī)劃、線路廊道確定、電源點規(guī)劃提供科學合理的依據(jù)。