重慶電網(wǎng)夏季高峰負(fù)荷特性分析及優(yōu)化措施

殷 躍

(天地電研(北京)科技有限公司，北京 102206)

0 引 言

近年來(lái)，受夏季高溫天氣影響，重慶電網(wǎng)夏季負(fù)荷特性呈現(xiàn)高峰負(fù)荷增長(zhǎng)快速，峰谷差進(jìn)一步拉大的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)階段只是簡(jiǎn)單地增加供配電設(shè)備來(lái)解決設(shè)備重過(guò)載問(wèn)題，卻缺乏對(duì)重過(guò)載問(wèn)題背后的原因，如季節(jié)性負(fù)荷、短時(shí)負(fù)荷造成的重過(guò)載等進(jìn)行研究，這種方法，會(huì)造成電網(wǎng)備用容量過(guò)大、設(shè)備利用率降低、空載損耗增加等問(wèn)題。目前電網(wǎng)負(fù)荷特性分析主要是負(fù)荷指標(biāo)、負(fù)荷曲線及降溫負(fù)荷分析。為了更深入地了解夏季高峰負(fù)荷特性，本文通過(guò)分析高峰負(fù)荷行業(yè)構(gòu)成和尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，用以提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和負(fù)荷率。

1 負(fù)荷特性分析

1.1 年負(fù)荷特性分析

圖1 2015年2019年最大負(fù)荷曲線

重慶電網(wǎng)年最大負(fù)荷曲線呈現(xiàn)兩谷一峰的變化趨勢(shì)。兩谷出現(xiàn)在春秋兩季(4月、5月、10月)，氣候適宜，無(wú)降溫采暖負(fù)荷。一峰出現(xiàn)在夏季(7月、8月)高溫時(shí)期，主要由于該地區(qū)夏季氣候炎熱，7月、8月易出現(xiàn)伏旱和極端高溫天氣，持續(xù)的高溫導(dǎo)致空調(diào)等降溫負(fù)荷持續(xù)上升。秋季過(guò)后，天氣逐漸變涼，采暖負(fù)荷逐漸增加，負(fù)荷曲線逐漸升高。

1.2 年最大負(fù)荷增速與峰谷差

表1 2015年2019年年最大負(fù)荷及峰谷差

2015年年最大負(fù)荷出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)，峰谷差也低于其他年份，可以初步判斷，溫度對(duì)年最大負(fù)荷、峰谷差影響較大。

1.3 尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間

圖2 2015年2019年90%以上負(fù)荷持續(xù)時(shí)間

由圖2可以看出：最高溫度較低的2015年尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間明顯高于其他年份。溫度較高的其他年份，尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間明顯縮短。以2019年為例，統(tǒng)計(jì)尖峰持續(xù)負(fù)荷時(shí)間分布情況。負(fù)荷比例95%以上時(shí)，尖峰持續(xù)負(fù)荷的天數(shù)為6 d，總的持續(xù)時(shí)間為13.8 h，單日最長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間為5.5 h。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，重慶電網(wǎng)尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間短，持續(xù)天數(shù)少，單日持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2 降溫負(fù)荷

本文按照最大負(fù)荷比較法[2]通過(guò)對(duì)第三季度最大負(fù)荷與基本無(wú)降溫負(fù)荷月份的最大負(fù)荷進(jìn)行比較，確定降溫負(fù)荷，計(jì)算重慶電網(wǎng)年最大負(fù)荷時(shí)刻降溫負(fù)荷比重[2-5]。

2.1 降溫負(fù)荷計(jì)算方法

降溫負(fù)荷是指有降溫負(fù)荷的電網(wǎng)負(fù)荷與無(wú)降溫負(fù)荷時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷的差值，無(wú)降溫負(fù)荷時(shí)的負(fù)荷稱(chēng)之為基準(zhǔn)負(fù)荷[4-5]，因此，計(jì)算降溫負(fù)荷，首先要確定基準(zhǔn)負(fù)荷，最后再根據(jù)定義進(jìn)行計(jì)算。

2.2 基準(zhǔn)負(fù)荷的選取

基準(zhǔn)負(fù)荷當(dāng)中基準(zhǔn)月的選取至關(guān)重要，本文分別采用了4種基準(zhǔn)負(fù)荷確定方法，將所得降溫負(fù)荷發(fā)生天數(shù)與實(shí)際發(fā)生降溫負(fù)荷天數(shù)最接近的負(fù)荷作為最終基準(zhǔn)負(fù)荷，過(guò)程如下：

第一步，選擇某個(gè)溫度作為基準(zhǔn)溫度，當(dāng)某日最高氣溫高于基準(zhǔn)氣溫，則認(rèn)為該日發(fā)生降溫負(fù)荷；反之，則不發(fā)生[2]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在日最高氣溫大于25 ℃時(shí)，負(fù)荷增速快，此時(shí)負(fù)荷對(duì)溫度變化敏感，定義為氣溫敏感負(fù)荷。在日最高氣溫低于25 ℃時(shí)，日負(fù)荷最大值變化幅度較小，此時(shí)負(fù)荷對(duì)溫度變化不敏感，定義為氣溫不敏感負(fù)荷。由此可見(jiàn)氣溫敏感點(diǎn)的存在約為25 ℃；因此判斷降溫負(fù)荷出現(xiàn)在氣溫高于25 ℃的情況，取25 ℃作為基準(zhǔn)溫度。

第二步，統(tǒng)計(jì)各月日最高溫度大于25 ℃的天數(shù)作為出現(xiàn)降溫負(fù)荷的天數(shù)。

第三步，分別選擇春季、秋季、全年中所有日最大負(fù)荷的均值最小的月作為候選的基準(zhǔn)月，分別定義候選基準(zhǔn)月a，候選基準(zhǔn)月b和候選基準(zhǔn)月c。

圖3 2016年日最大負(fù)荷與日最高溫度相關(guān)性曲線

第四步，分別將候選基準(zhǔn)月a，b，c中日最高氣溫低于25 ℃的日最大負(fù)荷均值作為基準(zhǔn)負(fù)荷，得到基準(zhǔn)負(fù)荷a和基準(zhǔn)負(fù)荷b和基準(zhǔn)負(fù)荷c，將基準(zhǔn)負(fù)荷a和基準(zhǔn)負(fù)荷b的均值作為基準(zhǔn)負(fù)荷d。

第五步，將每天最大降溫負(fù)荷樣本的日最大負(fù)荷分別減去4種基準(zhǔn)負(fù)荷，若結(jié)果數(shù)值為正，則認(rèn)為該日發(fā)生降溫負(fù)荷；反之，則未發(fā)生。

第六步，按照步驟四、五統(tǒng)計(jì)每月降溫負(fù)荷發(fā)生天數(shù)，對(duì)比步驟二中實(shí)際發(fā)生降溫負(fù)荷的天數(shù)，取與實(shí)際情況最接近的負(fù)荷值作為基準(zhǔn)負(fù)荷。

以2016年為例，分別取春季、秋季的代表月，春季和秋季代表月的均值和全年日最大負(fù)荷均值最小的月作為基準(zhǔn)月，統(tǒng)計(jì)重慶電網(wǎng)降溫負(fù)荷，并分析其效果，如表2所示。

表2 2016年各月工作日日最大負(fù)荷均值

由表2可知，全年日最大負(fù)荷的均值最小月份出現(xiàn)在4月，春季日最大負(fù)荷均值最小也出現(xiàn)在4月，秋季日最大負(fù)荷均值最小出現(xiàn)在10月。2016年重慶電網(wǎng)基準(zhǔn)負(fù)荷的基準(zhǔn)月分別為4月、10月及4月和10月均值。

隨后，統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)月溫度大于25 ℃的工作日天數(shù)作為重慶電網(wǎng)2016年各月降溫負(fù)荷實(shí)際發(fā)生的天數(shù)，利用候選的基準(zhǔn)負(fù)荷計(jì)算降溫負(fù)荷，分別統(tǒng)計(jì)6月至9月對(duì)應(yīng)于各候選基準(zhǔn)負(fù)荷發(fā)生降溫負(fù)荷的天數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 2016年各月在不同基準(zhǔn)月降溫負(fù)荷發(fā)生的天數(shù)

通過(guò)分析，取4月份作為基準(zhǔn)月時(shí)，2016年該地區(qū)降溫負(fù)荷發(fā)生的天數(shù)最接近實(shí)際發(fā)生天數(shù)，以基準(zhǔn)月中的日最大負(fù)荷作為基準(zhǔn)負(fù)荷。

2.3 降溫負(fù)荷確定

表4 2015年2019年最大負(fù)荷時(shí)刻降溫負(fù)荷及比重

2.4 降溫負(fù)荷與溫度相關(guān)性分析

相關(guān)系數(shù)是反映變量間變化關(guān)系密切程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，其絕對(duì)值越大，表示相關(guān)性越強(qiáng)，二者越接近于線性關(guān)系。長(zhǎng)度都為n的序列xi與yi序列的相關(guān)系數(shù)rxy計(jì)算如式(1)[6]所示。

(1)

計(jì)算結(jié)果表示兩序列之間相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，其值介于[-1，1]區(qū)間，大于0時(shí)表示正相關(guān)，小于0時(shí)表示負(fù)相關(guān)。rxy的絕對(duì)值越接近于1，兩要素的關(guān)系越密切；越接近于0，兩要素的關(guān)系越不密切。

分析負(fù)荷與溫度的相關(guān)系數(shù)，n代表計(jì)算區(qū)間段上的時(shí)間點(diǎn)數(shù)，xi代表計(jì)算區(qū)間段上的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的有功負(fù)荷(MW)；yi代表計(jì)算區(qū)間段上的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的氣溫(℃)[6]。

表5 2017年2019年日最大降溫負(fù)荷與溫度的相關(guān)系數(shù)

可以看出，日最大降溫負(fù)荷與日最高溫度、平均溫度之間的相關(guān)系數(shù)都大于0.7，相關(guān)性強(qiáng)。

3 夏季高峰負(fù)荷行業(yè)構(gòu)成

按照《國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類(lèi)與代碼》(GB/T 4754—2017)[7]將473個(gè)行業(yè)劃分為11個(gè)大類(lèi)，收取2019年這11類(lèi)行業(yè)8 760 h負(fù)荷，計(jì)算出年最大負(fù)荷時(shí)刻各行業(yè)負(fù)荷占比，如表6所示。

表6 2019年電網(wǎng)最大負(fù)荷時(shí)刻各行業(yè)負(fù)荷占比

由表6可知，城鄉(xiāng)居民生活用電、工業(yè)用電占最大負(fù)荷比例較高。

計(jì)算各行業(yè)降溫負(fù)荷，然后計(jì)算各行業(yè)降溫負(fù)荷占總降溫負(fù)荷比例[8]，結(jié)果如表7所示。

表7 2019年電網(wǎng)年最大負(fù)荷時(shí)刻降溫負(fù)荷行業(yè)占比

2019年統(tǒng)調(diào)降溫負(fù)荷主要來(lái)自居民生活、工業(yè)、金融房地產(chǎn)行業(yè)三個(gè)行業(yè)，其中接近60%的降溫負(fù)荷來(lái)自于居民生活用電，占比遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)行業(yè)。

4 負(fù)荷特性?xún)?yōu)化措施

根據(jù)重慶電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間短，持續(xù)天數(shù)少，單日持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合該地區(qū)東南區(qū)域電網(wǎng)因電廠參與調(diào)峰導(dǎo)致夏季負(fù)荷低、冬季負(fù)荷高，避免夏季高峰負(fù)荷出現(xiàn)的特性，建議電力供應(yīng)側(cè)采取電廠調(diào)峰削減夏季尖峰負(fù)荷，或用戶側(cè)采取需求側(cè)響應(yīng)措施解決尖峰負(fù)荷問(wèn)題。

4.1 局部電廠調(diào)峰措施

分區(qū)域研究現(xiàn)有電廠調(diào)峰潛力是否可以削減尖峰負(fù)荷，對(duì)電廠調(diào)峰潛力不足的情況給出電源側(cè)調(diào)節(jié)能力提升的措施和建議。

4.1.1 現(xiàn)有電廠調(diào)峰能力

電網(wǎng)直調(diào)電廠裝機(jī)總?cè)萘繛?9 494.832 MW。其中220 kV及以下電廠56座，裝機(jī)容量為10 870.83 MW。220 kV及以下火電、水電裝機(jī)容量分別為4 691 MW， 2 924.1 MW。因風(fēng)電、光伏等電廠不能參與調(diào)峰，則可參與負(fù)荷特性曲線優(yōu)化調(diào)峰的直調(diào)220 kV及以下電廠容量為7 615.1 MW，占220 kV及以下電廠裝機(jī)容量的70%。220 kV及以下直調(diào)火電、水電可調(diào)峰裕度見(jiàn)表8。

表8 220 kV及以下直調(diào)火電、水電可調(diào)峰裕度

4.1.2 現(xiàn)有調(diào)峰能力可削減負(fù)荷比例

重慶電網(wǎng)90%以上尖峰負(fù)荷無(wú)法通過(guò)直調(diào)火電、水電調(diào)峰能力削減，但可以削減95%以上尖峰負(fù)荷，計(jì)算過(guò)程如表9所示。

從分區(qū)域來(lái)看，東北、東南電網(wǎng)調(diào)峰裕度相對(duì)較為充分，水電調(diào)峰裕度可以削減電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，水電廠響應(yīng)很快，開(kāi)機(jī)、停機(jī)比較靈活。西部電網(wǎng)調(diào)峰能力較小，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有調(diào)峰能力削減尖峰負(fù)荷。

表9 220 kV及以下可調(diào)峰裕度及削減負(fù)荷情況

重慶電網(wǎng)受夏季高溫影響出現(xiàn)負(fù)荷尖峰，但從分區(qū)域來(lái)看，東南、東北區(qū)域110 kV及以下小水電多，對(duì)220 kV電網(wǎng)尖峰負(fù)荷的削減起到了一定作用。電力企業(yè)可以充分利用地調(diào)電廠的調(diào)峰能力，優(yōu)化削減電網(wǎng)尖峰負(fù)荷。調(diào)峰能力不夠的地區(qū)，通過(guò)電廠機(jī)組改造和新建調(diào)峰電廠，提高調(diào)峰能力，優(yōu)化負(fù)荷特性。

4.2 電力需求側(cè)響應(yīng)措施

采取需求側(cè)響應(yīng)削減尖峰負(fù)荷，當(dāng)峰谷差過(guò)大、電網(wǎng)備用容量不足或者局部過(guò)載時(shí)，通過(guò)指導(dǎo)用戶側(cè)開(kāi)展需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)移峰填谷，減小峰谷差，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和負(fù)荷率[9-10]。

1)需求側(cè)響應(yīng)以工業(yè)用戶為主。工業(yè)用戶通常用電負(fù)荷較大，表明可切空間較大；負(fù)荷曲線比較規(guī)律；需求比較集中，并且負(fù)載類(lèi)型單一，利于電網(wǎng)與用戶溝通調(diào)節(jié)這三個(gè)特點(diǎn)，給予了工業(yè)負(fù)荷在電力需求側(cè)響應(yīng)應(yīng)用上非常大的優(yōu)勢(shì)。

居民用戶因有以下因素在需求側(cè)相應(yīng)應(yīng)用上受到限制：居民每戶可實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)的負(fù)載有限且不規(guī)律；每戶收益非常少，用戶感受不深；居民用戶應(yīng)具備智能家居控制系統(tǒng)或空調(diào)(家庭制冷/取暖設(shè)備)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，且能夠通過(guò)負(fù)荷集成商與需求響應(yīng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

2)利用需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)及需求響應(yīng)系統(tǒng)形成由政府主導(dǎo)，電網(wǎng)公司具體實(shí)施，負(fù)荷需求集成企業(yè)、電力用戶配合的管理模式。需求類(lèi)型包括約定響應(yīng)、實(shí)時(shí)響應(yīng)兩種。需求響應(yīng)可中斷負(fù)荷電價(jià)為調(diào)控時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)乘以響應(yīng)速度系數(shù)。

3)估算可削減負(fù)荷。按照需求響應(yīng)原則，工業(yè)用戶約定響應(yīng)能力一般為該企業(yè)最高用電負(fù)荷的5%～20%[11]。2019年重慶電網(wǎng)工業(yè)用戶負(fù)荷約為6 234.42 MW，工業(yè)用戶最大響應(yīng)能力約為1 146.88 MW，預(yù)計(jì)可削減重慶電網(wǎng)95%以上的尖峰負(fù)荷。

5 結(jié) 論

1)重慶地區(qū)夏季高峰負(fù)荷主要由居民空調(diào)降溫負(fù)荷構(gòu)成，降溫負(fù)荷約占55%左右，且逐年增長(zhǎng)。

2)隨著人民生活水平持續(xù)提高，夏季高峰降溫負(fù)荷占比也將會(huì)隨之增大，重慶地區(qū)用電需求受氣候影響會(huì)愈來(lái)愈大，電力需求估算預(yù)測(cè)工作難度也會(huì)增加，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行的精準(zhǔn)度也會(huì)越來(lái)越高。

3)建議持續(xù)研究氣候?qū)﹄娏π枨髠?cè)影響相關(guān)性，綜合經(jīng)濟(jì)性、氣候因素的空調(diào)負(fù)荷估算模型，提高電力需求估算的準(zhǔn)確度，從而進(jìn)行適時(shí)調(diào)整地區(qū)電廠峰谷，避免局部過(guò)載。

4)建議出臺(tái)分時(shí)電價(jià)政策進(jìn)行調(diào)峰，引導(dǎo)降溫負(fù)荷用戶適時(shí)“削峰填谷”，從而對(duì)用電特性進(jìn)行改善，緩解電網(wǎng)側(cè)供電壓力，降低電網(wǎng)投資成本，提升電網(wǎng)資源利用率及收益。