（电力系统及其自动化专业论文）杭州地区电力负荷特性的分析及预测.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h elo t hf i v e y e a rp l a n ，e l e c t r i c i t yl o a ds t r u c t u r ea n dp a t t e r no ft h e n a t i o n a lp o w e rg r i dh a du n d e r g o n et r e m e n d o u sc h a n g e ，a tt h es a m et i m e ，t h ep o w e r s u p p l y - d e m a n dc o n t r a d i c t i o nh a db e e nf u r t h e rs h a r p e n e d l o a dc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l l i m p o r t a n ti n d i c t o rt oe v a l u a t et h es i t u a t i o no fp o w e rg r i dl o a d ，t h i si sb e c a u s et h e i r c h a n g e sa n dt r e n d sr e f l e c tt h ep r o sa n dc o n so fe l e c t r i c i t yl o a ds t r u c t u r ea n dp a t t e m i nt h ep a p e r ，p o w e rl o a di sp r e s e n t e df i r s t l y a n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fl o a d r e s e a r c h e dw h i c ha r ep e r i o d i c ，c o n t i n u o u s ，s e a s o n a la n dp e c u l i a ri ns p e c i a ld a y sa r e a c q u i r e d t h ec o m m o ni n d i c t o r sa r ea l s op r e s e n t e ds i m p l y b a s e do nt h ea b o v e ，t h e l o a dc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n go r d i n a r yd a y sa n dh o l i d a y si n h a n g z h o ud i s t r i c ta r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l yb yt h ec n r v ea n dt h el o a di n d i c t o r s ，a n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt r e n d so fl o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r o b l e mo fp o w e rg r i d ，i n c r e a s i n go f p e a k - v a l l e yd i f f e r e n c e ，d e c l i n i n go fl o a dr a t e ，a n dt h r e a t st os e c u r e ，s t a b l e ，r e l i a b l ea n d e c o n o m i co p e r a t i o no fp o w e rg r i d ，a r es u m m a r i z e d b a s e do nl o a dc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s ，t h ed i f f e r e n c eo fl o a dc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e no r d i n a r yd a y sa n dh o l i d a y sa n d t h es i g n i f i c a n ts i m i l a r i t yo fl o a dc u r v e ss h a p ei nt h es a m ed a t e ，b o t ho ft h e ma r e f o r e c a s t e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gs u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ( s v m ) m e t h o da n d c o n v e n t i o n a lf o r e c a s t i n gm e t h o d t h ef o r e c a s t i n gm o d e l sa r ee f f e c t i v eb yt h ef o r e c a s t e r r o ra n a l y s i s f i n a l l y ，i no r d e rt oo p t i m i z et h el o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n di m p r o v eo r s o l v et h ep r o b l e mo fp o w e rg r i d ，t h er e a s o nf o rl o a dc h a r a c t e r i s t i c sc h a n g e si sf u r t h e r a n a l y z e d ，a n dt h e nf r o ma d j u s t m e n ti ne l e c t r i c i t yl o a d ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fd e m a n d s i d em a n a g e m e n t ( d s m ) i nh a n g z h o ud i s t r i c ti sd i s c u s s e d ，i np a r t i c u l a r , t h e p e a k v a l l e yp r i c ep o l i c y t h r o u g ht h er e s e a r c hi nt h ep a p e r g u i d i n gr o l ef o rl o a dd i s p a t c ha n dc o n s u l t e d b a s i sf o rr e g u l a t i o no fl o a dc h a r a c t e r i s t i c si nt h i sd i s t r i c ta r ep r o v i d e d k e yw o r d ：p o w e rl o a d ，l o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，l o a df o r e c a s t i n g ，s v m ，d s m ，p e a k v a l l e yp r i c e 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近几年来，随着经济的高速发展和人们生活水平的提高，电力供需矛盾日益 突出。从“九五 至“十五 期间，浙江省的电力供应经历了宽松、短缺、严重 短缺直到至今的相对平衡。在十五 期间，浙江省电力供需矛盾成为全国之最。 2 0 0 5 年是“十五 期间的最后一年，同前两年相比，供用电矛盾有所缓和，但电 力缺口仍达到了6 8 0 万千瓦，在夏季用电高峰季节还是出现了拉闸限电的现象。 “十五期间浙江省的用电负荷水平如表1 1 所示。 表1 1 “十五”期间浙江省用电负荷情况 年份 2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 笠2 0 0 4 钲2 0 0 5 芷 最高负荷( 万千瓦) 1 1 6 01 3 0 01 5 0 01 8 7 02 1 0 0 2 5 4 0 最大峰谷差( 万千瓦) 2 4 9 1 02 9 8 8 03 9 9 1 04 0 4 1 05 4 5 6 08 0 2 6 0 平均负荷率( ) 8 8 7 08 9 0 08 8 2 09 1 1 09 2 8 08 8 8 l 拉限电条次 9 8 81 0 9 6 43 5 8 4 5 25 7 3 7 0 61 6 5 1 3 2 损失电量( 万千瓦时) l o l 31 0 6 2 23 4 0 8 6 l5 8 7 1 8 61 5 8 1 5 2 从表1 1 可以看出，浙江省最高负荷年平均增长1 6 9 7 ，2 0 0 5 年全省最高负 荷是2 5 4 0 万千瓦，比上年增长2 0 9 5 ；最大峰谷差逐年增大，“十五”期间，最 大峰谷差增大了5 5 3 5 0 万千瓦。面对电网用电负荷的变化趋势，如何充分挖掘低 谷潜力，均衡用电负荷，缓解电力结构性矛盾，已经成为摆在电力工作者面前的 重要课题。 作为浙江省的省会城市的杭州，随着经济的增长，电力需求同样增长强劲。 以“十五 期间为例，杭州全社会用电电量年均增长率为1 6 8 1 。尤其是近两三 年，最大负荷的增长速度远远超过年用电量的增长速度，更远远超过g d p 的增长 速度，这将给杭州地区的电网带来一系列的问题，比如：最大峰谷差逐年增大、 负荷率逐年减小、电力资源得不到充分利用等，同时还威胁电网的安全稳定。 这些使得杭州的电力企业同样面临电力供需矛盾的压力，不得不在用电高峰 季节采取政府指令性的有序用电方案，部分时段不得不进行限电。因此，对杭州 浙江大学硕士学位论文 地区电网用电负荷特性的分析，寻找调控负荷特性的有效方法，并在此基础上进 行用电负荷的预测，为杭州电网经营管理制定指导性方针和发用电生产计划的编 制提供了必要的决策依据。 1 2 本课题的研究意义 电能是现代最通用的一种能源，因为它特殊的生产、输送和使用方式，决定 了它具有不同于其他能源的特点：使用时间上的随机性和发电、供电、用电同时 性。电力负荷随季节的变化、工农业生产的不同需求和社会生活的变动，在不断 地变换着，这就造成用电需求上的随机性。由于现代科学技术暂时还不能解决大 容量电能的经济存储问题，发电、供电设备的出力必须时刻与变化着的用电负荷 保持动态的平衡，发、供、用三个方面必须同时完成。电网发、供、用三个方面 的电力平衡，不仅关系到电网的电能质量，电力系统的安全、稳定、可靠、经济 地运行，还关系到诸多工、农、企业生产和人民生活的用电和利益i 作为评价电网负荷状况的主要指标之一，电力负荷特性研究一直是电力科研 人员的重要课题，在国内外一直受到各方重视。搞好电力负荷特性分析具有一下 意义：一是对电力系统有利。节约国家对电力工业的基建投资；提高发电设备的 热效率，降低燃料消耗，降低发电成本；充分利用水利资源，使之不发生弃水状 况；增加电力系统运行的安全稳定性和提高供电质量；有利于电力设备的检修工 作。二是对广大用户有利。可节省国家对用户设备的投资；由于削峰填谷，将高 峰时段用电改在低谷时段用电，减少了电费支出，从而也降低了生产成本。三是 对城乡居民生活有利。由于采取调整负荷措施，各工厂企业职工轮休，并错开上 下班时间，从而使地方交通运输、供水供煤气等服务性行业、文化娱乐场所等的 负荷都能实现均匀化。 由于电力负荷具有很强的地域特性，各地区的电网用电结构和用电特性差异 显著。本文通过对杭州地区电网用电负荷特性的分析，总结负荷特性的变化趋势 及给电网带来的问题，为寻找有效改善负荷特性的方法，如何减少电力需求负荷 峰谷差，平稳实时电力需求提供了参考依据；并基于负荷特性对负荷水平进行了 预测，较高预测精度利于保证电力系统的电力平衡，提高电力生产及电网运行的 安全性、稳定性、经济性和合理性。这对于实际工作具有深刻的理论指导作用和 2 浙江大学硕士学位论文 重要的实践价值。 1 3 国内外的研究现状 发达国家电力改革推行的较早，市场相对完备，负荷特性分析工作也开展得 很好。早在1 9 5 2 年日本九大电力公司就联合组成了日本电力调查委员会，是日本 电力负荷调查、分析与预测的权威机构【l l 。在美国电力市场上，发电公司、电网 公司以及管理监督机构均做负荷预测1 2 1 。对于我国，过去由于在计划经济体制下， 负荷特性分析工作未受到充分重视；现在，正处于电力市场化的过渡期，竞争机 制被引入电力市场，发电公司、电网公司与电力监管机构开始重视电力负荷特性 分析与预测工作。我国电力负荷特性分析与预测的研究和实践还处于成长期，目 前还未形成完整的体系。 电力负荷预测是我们认识负荷特性的目的之一，它为电力系统得安全运行、 经济调度等提供依据，同时也是进行负荷特性有效调控的必要前提。目前，国内 外发表的关于电力负荷预测方面的文献很多，采用的预测方法和预测精度也各有 不同，综合起来主要有以下几种类型：经典方法、传统方法( 包括时间序列分析 法、回归分析法、灰色预测法) ，新兴方法( 包括专家系统、人工智能方法及新兴 的小波分析法、组合优化预测方法及支持向量机法) 等。 1 3 1 经典方法 经典方法仅是依靠专家的经验或一些简单的变量之间的相关关系对未来负荷 值做一个方向行的结论，预测精度较差【3 1 。主要有以下几种 4 1 ：分产业产值单耗 法、综合用电水平法、平均增长率法、电力弹性系统法、分区域密度法。 1 3 2 传统方法 传统方法一般对于有明确变化规律的负荷序列有较高的预测结果。包括趋势 外推法、时间序列法、回归分析法及灰色模型法等1 4 l l 5 1 。 1 趋势外推法 所谓外推法就是根据已知的历史资料来拟合一条曲线，使得这条曲线能反映 负荷本身的增长趋势，用时间，为自变量，时序数值y 为因变量，建立趋势模型 3 浙江大学硕士学位论文 少歌d 。当有理由相信这种趋势能够延伸到未来时，赋予变量，所需要的值，就可 以得到相应时刻序列的未来值。 应用趋势外推法有两个假设条件：一是负荷没有跳跃式变化，二是影响负荷 变化的因素不变或者变化不大。此预测技术的特点是只做趋势外推，不对其中的 随机成分做统计处理。此方法的优点是：只需要历史数据、所需的数据量较少。 缺点是：若负荷出现变动，会引起较大的误差。 2 时间序列法 由于电力负荷的历史数据是按一定时间间隔进行采样记录下来的有序集合， 则是一个时间序列。时间序列法就是根据负荷的历史资料设法建立一个时间序列 的数学模型，该模型描述了负荷这个时间序列变化过程的规律性，在此模型的基 础上即可建立负荷预测的数学表达式，对未来的负荷值进行预测。时间序列法主 要有自回归a r ( p ) 模型、滑动平均m a ( g ) 模型和自回归与滑动平均a r m a ( d g ) 模型等。 a r m a ( b g ) 模型认为现在的负荷值) ，可以有过去负荷值的某些项加权和现 在、过去的干扰量的某些项加权和的叠加来表示，数学表达式如下： y f = 仍y ，一l + + 妒，乃一p + 口f 一岛口f l 一巳口r g ( 1 - 1 ) 其中仍为自回归系统，p 为自回归阶数；岛为动平均系数，g 为动平均阶数； y ，是为f 时间的负荷数据值；q 是t 时刻干扰量。这种方法的优点是：所需历史数 据少、计算速度快。缺点是：没有考虑负荷变化的因素，只是对数据的拟合，对 规律性的处理不足，只适用于负荷变化比较均匀的短期预测的情况。 3 回归分析法 回归分析法就是根据负荷过去的历史资料，建立可以分析的数学模型，对未 来的负荷进行预测。其原理是利用数量统计中的回归分析法，通过对变量的观测 数据进行分析，确定变量之间的相互关系，从而实现预测。 多元线性回归模型表达式为： y ( t ) = b o + 6 ，而( f ) + ( 1 - 2 ) 式中巾) 为，时刻影响负荷变化的因素变量的取值，b t 为回归系统，占为随机 变量。此类模型的优点：原理简单，运算速度快，在没有气象等条件巨变情况下 4 浙江大学硕士学位论文 预测精度较高，适用于在中、短期预测使用。缺点是：缺乏自学习能力，历时数 据要求较高，考虑气象因素时无法处理变化较多的天气状况。 4 灰色模型法 灰色理论是我国邓聚龙教授于8 0 年代初首先提出来的，经过多年的研究，灰 色理论有了重大发展。灰色系统理论将一切随机变化量看作在一定范围内变化的 灰色量，通常用累加生成和累减生成的方法将杂乱无章的原始数据整理成规律性 较强的生产数据列。 灰色预测是以灰色系统理论为基础，对含有不确定因素的系统进行预测的方 法。可在负荷数据不多的情况下找出某个时间内其作用的规律，建立预测的模型， 分为普通灰色系统模型1 6 1 和最优化灰色模型1 7 1 1 8 1 两种。前者是一种指数增长模型， 当电力负荷严格按指数规律持续增长时，此法有预测精度高、所需样本数据少、 计算简便、可检验等优点；缺点是对于具有波动性变化的电力负荷，其预测误差 较大，不符合实际需要。比如，一般情况下，电力系统日、周负荷不具有指数增 长趋势，因此在使用模型前要首先进行参数修正。而后者可以把有起伏的原始数 据序列变化成规律性增强的成指数递增变化的序列，大大提高预测精度和灰色模 型算法的适用范围。 1 3 3 新兴方法 近年来随着人工智能技术及应用数学的迅猛发展，新兴的成果越来越多的应 用于负荷预测领域。如专家系统预测法、模糊预测法、人工神经网络预测法、小 波分析预测技术及组合预测法、支持向量机法等。 1 专家系统法 专家系统预测法是对数据库里存放的过去几年甚至几十年的每一个采集点的 负荷数据和天气数据进行分析，并汇集有经验的负荷预测人员的知识，提取有关 规定，按照一定的规则进行负荷预测。实践证明，精确的负荷预测不仅需要高科 技术的支撑，同时也需要融合人类自身的经验和智慧。专家系统方法是一种人工 智能的计算机程序系统，其基本组成如图1 1 所示。 专家系统法，是对人类的不可量化的经验进行转化的一种较好的方法，但专 家系统分析本身就是一个耗时的过程，并且对于某些复杂因素( 如气象因素) ，要 浙江大学硕士学位论文 准确定量地确定它们对不同地区负荷的影响是很困难得，比较适用于中、长期负 荷预测。此方法的优点：一是能汇集多个专家的知识和经验，最大限度地利用专 家的能力；二是占有的资料、信息多，考虑的因素也比较全面，有利于得出较为 正确的结论，其缺点为：不具有自学习能力，受数据库里存放的知识总量的限制； 对突发性事件和不断变化的条件适应性差。 图l - l 专家系统的基本组成 2 人工神经网络法1 9 1 1 1 0 1 人工神经网络( 砧州) 是由大量神经元组成的非线性系统，每个神经元的结 构和功能都比较简单，而大量神经元组合产生的系统行为却非常复杂；它具有较 强的学习能力、计算能力、变结构适应能力、复杂映射能力、记忆能力、容错能 力及各种智能处理能力。目前，研究和应用最多的是以下四种基本模型及它们的 改进模型，即h o p f i e l d 神经网络、多层感知器、自组织神经网络和概率神经网络。 在电力负荷预测中，应用最多的是带有隐层的前馈型神经网络，它通常有输 入层，输出层和若干隐层组成。对多层感知器，误差反传训练算法( b p 算法) 是目 前最简单、最实用的一种，实质是一梯度算法。它将各种有关的数据作为输入， 通过历史样本的训练收敛后便可以进行预测了。该方法的缺点是：一是训练样本 大，样本的筛选，训练时间过长；二是容易出现学习速度慢( 进人平坦区) 、陷人 局部极小区等问题；三是对参数选择比较敏感，许多参数只能凭经验选取；四是 具有随机性，对于不同输人样本，最佳的网络参数可能又是不一致的。因此，b p 神经网络的应用受到了一定的限制。目前，有不少文献从b p 网络的不同角度进 行了改进，取得了一些进展。常用的改进方法有附加冲量项、自适应学习参数、 6 浙江大学硕士学位论文 模拟退火法等。 3 模糊控制法 模糊负荷预测法是近几年比较热门的研究方向，它是建立在模糊数学理论上 的一种负荷预测新技术。模糊数学的概念可以用来描述电力系统中的一些模糊现 象 1 1 卜1 1 4 ，如负荷预测中关键因素气象状况的评判、负荷日期类型的划分等。模糊 预测法将模糊信息和经验以规则的形式表示出来，并转换成可以在计算机上运行 的算法，使得其在电力系统的许多领域中得到了应用。将模糊方法应用于负荷预 测可以更好的处理负荷变化的不确定性，因此这一理论应用于负荷预测是很合理 的选择。目前模糊集理论应用于负荷预测主要有以下几种方法：模糊聚类法、模 糊相似优先比法、模糊最大贴近度法等。 模糊预测的基本过程如图l - 2 所示。 数 模模 i。 据 模 糊糊 反 i r 与 糊 推 化 模 处化 理的糊 机结化 理 制果 图l 一2 模糊预测的一股过程 虽然模糊理论在电力系统负荷预测中取得了很好的成效，但随着模糊理论更 深入的研究和应用，模糊理论逐渐暴露了一些不足：模糊学习能力较弱；当映射 去划分不够细时，映射输出比较粗糙。 4 小波分析法p s i l l 小波分析是本世纪数学研究成果中杰出的代表作之一，它吸取了现代数学中 诸如泛函分析、数值分析、f o u r i e r 分析、样条分析、调和分析等众多分支的精华。 小波分析是一种时域频域分析，它在时域、频域同时具有良好的局部化性质。 电力系统负荷具有周期性，即以天、周、年为周期发生波动，大周期中套有小周 期。小波变换能将各种交织在一起的不同频率混合信号分解成不同频带上的块信 号。通过对负荷序列进行小波变换，可以将各子序列分别投影到不同的尺度上， 子序列分别代表了原负荷序列中不同“频域”的分量，因而各子序列的周期性更 加明显，故可以对不同的子序列分析进行预测，然后通过序列重构而得到完整的 7 浙江大学硕士学位论文 负荷预测结果。 5 支持向量机法 本文采用该方法建立了普通日负荷预测模型，预测结果表明取得了较好的精 度。则此方法在后面章节再做阐述。 除了以上介绍的各种预测方法外，还有其他各种预测方法，比如指数平滑、卡 尔曼滤波、优选组合预测等。面对如此多的电力负荷预测方法，在实际应用中， 我们应该选择哪一种预测方法呢? 实际上，并没有一个固定的方法或模型适用于 一切负荷预测场合，并优于其他方法或模型。这是因为不同场合主要影响因素不 同，对于实际问题的处理，应该具体问题具体分析，这样才能得到满意的结果。 1 4 本文的主要工作 本文是在“十五 期间电网用电负荷结构、用电模式发生了巨大的变化，致 使电力供需矛盾突出的大背景下撰写的。负荷水平与负荷特性是评价电网负荷状 况的两个主要特征指标，从负荷水平可以看出电网用电负荷高低的现状以及增长 的趋势：负荷特性则体现出电网用电结构、用电模式等状况的优劣。为了比较系 统地对杭州地区电网用电负荷进行研究，本文主要做了以下几个方面： ( 1 ) 电力负荷的介绍 介绍了电力系统中电力负荷的概念，确定了本文的研究对象用电负荷； 并介绍用电负荷的分类及用电负荷呈现的基本特点，还简单介绍了常用负荷特性 指标，为电网用电负荷特性分析奠定基础。 ( 2 ) 电力负荷特性的分析 电力负荷特性是证明电网负荷良莠状态的主要指标，也是电力研究人员分析 电力负荷的入手点和主要依据。本文依据杭州地区近年来电网用电负荷情况，采 用指标法和曲线法，分别对普通日和节假日电力负荷特性进行分析，最后得出负 荷特性的变化规律、趋势及电网存在的问题。 ( 3 ) 建立短期负荷预测模型 电力系统短期负荷预测是电力系统调度运营部门一项重要的日常工作。本文 基于负荷特性分析，采用支持向量机( s v m ) 法和传统预测法分别对普通日和节 假日用电负荷建立了预测模型，完成了对杭州地区用电负荷水平短期预测。 3 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 改善负荷特性的探讨 针对杭州地区电网用电负荷特性的变化趋势及电网存在的问题，找出影响负 荷特性变化的主要原因，寻找有效改善负荷特性的方法；结合杭州目前已经实施 的峰谷电价政策及取得的成效，文章探讨了杭州地区实施电力需求侧管理改善负 荷特性的措施。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章负荷特性分析的基础 电力系统负荷是一个周期性和随机性都很强的系统，它与社会、经济、政治、 气象等众多因素有着极为复杂的关系。一方面，电力负荷按一定趋势有规律地发 展变化；另一方面，负荷受众多因素的影响，随时都有可能发生一定的波动。因 此，为了使我们在电力系统的负荷特性分析、研究时能够充分又能更好的掌握其 规律性，则首先要对电力系统的负荷有充分的了解。 电力系统负荷根据范围的不同，可将其分为用电负荷、供电负荷、发电负荷 几种。其中用电负荷指的是系统中所有电力用户( 包括工业用户、居民、商业、 农业、交通运输、市政等) 的用电设备所消耗的电功率总和；供电负荷是指供电 企业、供电地区、或电力网在某一瞬间实际承担的供电工作负载；发电负荷是指 发电厂或电力系统在某一瞬间实际承担的发电工作负载。本文所研究的对象是用 电负荷。 2 1 用电负荷分类 电力负荷的分类说明了国民经济各部门用电情况和变化规律，同时也是反映 电气化发展水平和趋势的指标。分析研究经济增长与电力生产增长、社会产品增 长与电力消耗增长的相互关系，是进行负荷特性分析的依据。 电网用电负荷根据不同的行业、不同的生产性质，由不同的用电设备组成的。 从微观上来看，各种不同的用电设备都是由几种基本元件组成，即电阻元件、电 容元件和电感元件，各种不同的元件相互组合，就构成了不同的用电设备。从宏 观来看，不同的行业因其生产性质的不同，使用的用电设备各不相同。对于本文， 用电负荷特性分析，主要从宏观的角度来分析负荷的成分。 电力负荷按照不同的标准，可以分成不同的类型。如按重要性来分，可以分 为一类用电负荷、二类用电负荷、三类用电负荷等；按影响负荷的因素1 5 1 1 l 来分， 可将负荷分为基本正常负荷、天气敏感负荷、特别事件负荷和随机负荷等。为了 便于对负荷特性进行研究，一般将电力负荷按国民经济行业进行分类，可分为行 业用电负荷和城乡居民生活用电两大类i l b i l l 9 1 。行业用电负荷包括第一产业、第二 i o 浙江大学硕士学位论文 产业、第三产业所有用电负荷的总和，城乡居民生活用电负荷包括城镇和乡村居 民家庭照明、家用电器等生活用电负荷。 所谓负荷组成的差异性主要体现在两个方面：一是负荷种类，二是各种负荷 成分所占比重。表2 1 列出了浙江省近十几年行业和居民用电的情况： 表2 i 浙江省用电结构1 2 0 时间第一产业( )第二产业( )第三产业( )城乡居民( ) “八五”期末 3 9 87 6 7 55 9 91 3 2 8 “九五”期末2 4 87 6 3 78 1 51 3 o l “十五”期末 0 8 57 9 8 88 7 31 0 5 5 下面对按照国民经济行业分类的各类负荷进行描述： 1 第一产业用电负荷 这类负荷主要包括从事各种农、林、牧、渔业所消耗的用电负荷。这部分负 荷受季节、气温等自然条件的影响很大，有时候变化比较剧烈。比如，气温的降 低可能会造成农作物灌溉负荷骤降。此外，由于我国地域广阔，各地气候的不同， 地理位置也会对这类负荷产生较大的影响，比如，一场大雨对于北方干旱地区而 言可造成农业负荷骤降，但却可能造成南方多雨地排涝用电负荷的剧增。根据浙 江省近几十年用电结构，发现这部分消耗的电能比重越来越小。 2 第二产业用电负荷 这类负荷主要指工业用电负荷。工业负荷是指工业、企业用于生产的用电， 包括提供生活消费品、制作手工工具的轻工业和为国民经济各部门提供物质技术 基础的重工业用电。一般来说，在一年时间范围内，工业用电负荷是比较恒定的， 受阴雨、光照等自然气候条件和季节变化的影响较小。根据浙江省近几十年用电 负荷结构，这部分消耗电能的比重非常大且甲稳增长。 3 第三产业用电负荷 这类负荷包括商业用电负荷及其一些他用电负荷。其中，商业负荷主要是指 商业部门里的照明、空调、动力等用电负荷。商业负荷覆盖面积大，其用电增长 平稳，但随着季节的变化，有较大的波动。虽然商业负荷在电力负荷中所占比重 不及工业负荷和居民负荷，但商业负荷中的照明类负荷占电力系统负荷的高峰时 段。此外，商业部门由于商业行为在节假日会增加营业时间，从而成为节假日中 l l 浙江大学硕士学位论文 影响电力负荷的重要因素之一。 其他用电负荷包括地质普查和勘测过程中消耗的负荷；建筑和安装过程中的 用电负荷；交通运输、仓储和邮政服务中的用电负荷；信息传输、计算机服务和 软件制造、负荷过程中消耗的用电负荷；金融、房地产、商务过程中消耗的用电 负荷；公共事业及管理过程中消耗的用电负荷。 从表2 1 浙江省的用电结构，可以看出：随着第三产业的不断发展，其在国 民经济中所占比重的不断增加，推动了建筑、计算机服务、信息传输、房地产、 仓储等行业的发展，使其用电量呈现出快速增长的趋势。 4 居民用电负荷 这类负荷主要是居民的家用负荷，它具有经常的年增长以及明显的季节波动 特点，而且居民用电的特点还与居民的日常生活和工作的规律紧密相关。居民用 电负荷的季节性变化在很多情况下，直接影响系统峰荷的季节性变化，但其影响 程度则取决于居民用电负荷在系统总负荷中所占的比例。 随着经济的不断发展，尤其是空调、电冰箱、彩电等家用电器的广泛使用， 居民负荷变化对系统峰荷变化的影响越来越大，同时居民负荷在系统负荷所占的 比重，以及居民负荷季节性变动对系统峰荷季节性变动的影响，都会越来越大。 由于不同地区用电负荷的组成类型不同，决定了负荷的不同特点，也决定了 相应的影响因素的不同，产生的结果是，不同地区的负荷对同一影响因素的相应 特性具有差异。对同一地区的不同时期，同一影响因素的影响也不同。因负荷种 类不同和各类负荷所占比重不同所导致各地区负荷具体组成的差异，决定了它们 的负荷特性及对不同影响因素响应的不同。由于不同的种类的负荷对各种影响因 素的灵敏度不同，表现出不同的特性。可见，负荷的具体组成结构对负荷特性具 有根本性和决定性的影响。 正是由于各地区电网用电负荷结构和用电特性的差异显著，致使电力负荷具 有很强的地域特性。如夏季的南方由于大量空调投入，负荷剧增；而北方的冬季 在取暖器投运后，也会造成用电负荷增长的等。 2 2 用电负荷的特点 由上一节的描述可知，电力系统用电负荷一般包括行业用电负荷及城乡居民 用电负荷等，尽管不同类型的负荷受不同因素的影响，具有不同的变化特点和变 1 2 浙江大学硕士学位论文 化规律，但受电力系统特点( 即电能的生产、输送和消费是同时进行的) 的影响， 用电负荷呈现出一些共同特点。 连续7 天日负荷变化曲线 图2 1 连续一周用电负荷曲线( 周一至周日) 1 电力系统的用电负荷是经常变化的，不但每小时、每日变化，而且每周、 每年也变化。但是从电力系统的负荷曲线来看，负荷的变化是具有周期性的。 先从每周的用电负荷曲线来分析，图2 1 为连续一周的用电负荷曲线，可以 看出：尽管用电负荷每隔几个小时不断起伏，但具有较大的周期性，以天为单位 进行周期变化。负荷除了具有以天为单位的周期外，还具有以周为单位、以月为 单位和以年为单位的周期。一般来说，负荷以周为单位的周期比较明显，且周末 和工作日曲线形状存在明显差异。周末的负荷水平较低，尤其周日的负荷水平比 工作日下降了很多；工作日的负荷水平较高，且相邻工作日之间曲线形状比较接 近，尤其是周二到周四。这与人民的生产、生活和学习大都以周为单位安排计划 密切相关，在工作日用于生产的负荷较多，在周末所用的生产负荷较少。同样， 用电负荷的月周期和年周期也与人们的生活、工作规律相关。 2 电力用电负荷又是连续的，这是指负荷曲线上任意相邻两点之间的变化是 连续的，不存在奇点，这是依据电力系统的稳定性1 2j l 要求。电力系统的运行条件 一般是用一组微分方程式( 描述电力系统及其控制设备的动态行为) 和两组代数 方程( 电力系统运行的等式和不等式约束条件) 来表示。 其中，代数方程中等式约束就是电力系统发出的总的有功和无功功率应随时 与电力系统中随机变化着的总的有功和无功负荷( 包括线损) 相等，这是电力系 统正常运行的必要条件。而不等式约束表示的是在电力系统正常运行条件下，涉 浙江大学硕士学位论文 及系统安全运行的某些参数( 如母线电压、线路潮流) ，应处于系统或设备安全运 行的允许范围之内，其中就涉及到发电机的有功和无功的不等式约束。根据该约 束条件，为了保证系统稳定运行，必须避免对系统造成大的冲击，无论是增加或 是切除负荷时都要求负荷的变化在一定的范围内。由于这个限制，负荷总量就表 现为一个连续变化的过程，那么用电负荷曲线一般也就不会出现大的跃变。 3 电力用电负荷还具有明显的季节性，这取决于用电负荷的组成类型。在气 象条件比较温和的春、秋季节，比较适合人们的工作和生活，这两季的用电负荷 受天气影响程度较低；夏季和冬季受气温影响较大，天气的变化将带来降温和取 暖负荷的大量增加或减少，呈现出比较明显的季节性特点。由图2 2 我们可以看 出，夏季和冬季的负荷要高于春秋季的用电负荷，夏季的用电负荷又要高于冬季 的用电负荷，这与各类型用电负荷的季节性相关。 图2 2 夏季、冬季、春季、秋季典型日负荷曲线 用电负荷除了受温度影响因素之外，还受到降水量、湿度、风速、辐射等诸 多气象因素的影响。但这些影响因素要视不同地区的实际情况而定，并非都是影 响负荷变化的主要因素。如对于降水量较大的地区，不仅要考虑农业旱涝造成的 影响，且降水量对地区的水电同样要产生作用( 比如：杭州地区的临安小水电厂 特别多，降水量对其影响很大) 。因此，对不同的地区的负荷特性进行分析时，如 果受其中个别因素影响较大，则应进行重点考虑。 4 用电负荷还具有节假日的特殊性。在进行用电负荷特性分析时，为了便于 发现其规律性，一般剔出节假日的用电负荷。这是因为在节假日期间，由于大量 1 4 浙江大学硕士学位论文 工业、企业负荷的退出，使得此期间的负荷情况与普通日相差甚大，再加上节假 日本身数据的不丰富，使得节假日电力负荷的研究成为难点，研究得较少。目前， 为了解决电力调度部门在节假日期间的盲目性，本文则对节假日用电负荷特性进 行单独分析，而不是避而不谈，以挖掘其变化趋势和规律。 总而言之，从对用电负荷曲线分析得到：( 1 ) 用电负荷具有周期性的特点， 以日为单位的周期和以周为单位的周期性显著。c 2 ) 用电负荷变化是连续的，一 般不会出现大的跃变。( 3 ) 电力用电负荷对季节、气象等是敏感的，不同的季节、 不同的气候以及气象的变化都会对负荷造成明显的影响，如夏季降温、冬季取暖 等都占有很高的比重。( 4 ) 用电负荷在节假日期间表现的特殊性，虽然节假日电 力负荷不同于普通日，但也具有本身变化的趋势和规律性。除此之外，随着电力 市场的逐步深入，电力用电负荷会有新的特点出现，如电力需求侧管理方法的使 用，高耗能企业的搬迁都会对负荷特性产生一定的影响，必须在进行分析时对其 充分考虑。电力用电负荷的这些基本特点，为下一章进行杭州地区电力负荷特性 的分析奠定了基础。 2 3 常用负荷特性指标 有上节的分析可知，电力系统的用电负荷是一个周期性和随机性都很强的系 统，影响着电网的安全稳定运行。作为评价电网负荷状况的主要指标之一，电力 负荷特性研究一直是电力科研人员的重要课题，在国内外一直受到各方重视。 用于电力负荷特性的指标【1 】1 2 2 2 3 l 较多，本文不再一一列出，只是阐述一下常 用的负荷特性指标。 1 ( 典型口) 口最大( 小) 负荷：典型日中记录的负荷数据中，数据中最大 ( 小) 的一个。记录时间可为小时、半小时、1 5 分钟或瞬时，典型口一般选最大 负荷口，也可选最大峰谷差日，还可根据各地情况选不同季节的某一代表口。 2 日平均负荷：日电量除以2 4 。 3 日负荷率：指日平均负荷与口最高负荷的比率，即记录的口平均负荷与全 天中出现最大负荷值的比率。 4 口最小负荷率：指口最小负荷与日最高负荷的比率，即记录的口最小负荷 与全天中出现最大负荷值的比率。 浙江大学硕士学位论文 5 日峰谷差：日最大负荷与最小负荷之差，即记录的全天中出现最大负荷与 最小负荷之差。 6 日峰谷差率：日最大负荷与最小负荷之差与日最大负荷的比值。 7 ( 典型) 日负荷曲线：( 典型日) 按一天中逐小时( 半小时、1 5 分钟) 负 荷变化绘制的曲线。 8 月平均日负荷率：指当月每日日负荷率的平均值。 9 月平均峰谷差率：指当月每日日峰谷差率的平均值。 1 0 年平均月负荷率：又称月不均衡系数，一年内1 2 个月各月平均负荷之和 与各月最大负荷日平均负荷之和的比值。 1 1 季负荷率：又称季不均衡系数，一年内1 2 个月各月最大负荷日的最大负 荷之和的平均值与最大负荷的比值。 2 4 小结 在对电力系统电力负荷介绍的基础上，确定了本文的研究对象用电负荷。 由于各地区的负荷种类或者各种类型负荷比重不同，使得不同地区的用电负荷组 成成分不同，导致主要影响因素不同，最终各地区呈现不同的负荷特性。但受电 力系统的特点制约，用电负荷又具有以日为单位、以周为单位的周期性；连续性， 一般不会出现大的跃变；季节性，一般夏季、冬季的用电负荷会高于春、秋季的 用电负荷；节假日用电负荷的特殊性等基本特点；随着电力市场的逐步深入，还 出现新的特点。最后，还介绍了常用电力负荷特性指标。 本章的介绍、分析主要为下一章杭州地区电力负荷特性分析奠定基础。 1 6 浙江大学硕士学位论文 第三章电力负荷特性分析 负荷水平与负荷特性是评价电网负荷状况的两个主要特征指标，从负荷水平 可以看出电网用电负荷高低以及增长的趋势；负荷特性则体现出电网用电结构、 用电模式等状况的优劣。进入“九五以来，随着电力供需矛盾的缓解及用电结 构的变化，全国各大电网的负荷特性发生了很大的变化，负荷特性受发电出力制 约的因素已经基本消除，负荷特性趋于正常的用电负荷特性。但是，“十五 期 间，各地区电网的最大负荷持续较快的增长，峰谷差增大，负荷率下降，高峰时 段和枯水期电力供应紧张，电网调峰困难，给电网的安全运行带来一定的威胁。 再加上“十五”以来，由于大电源工程建设缓慢，自2 0 0 3 年夏冬两季全国大部分 地区的拉闸限电为代表的电荒重新出现，负荷特性又呈现新的变化。为了能把握 用电负荷的变化规律和发展趋势，则需要对现阶段电力负荷特性进行分析。 电力用电负荷具有很强的地域性，各地的电网用电结构和用电模式差异显著。 本章所研究的对象是以杭州地区电网用电负荷情况为背景，首先对杭州地区的电 力负荷特性进行详细分析，得出该地区电网用电模式和特点。同时，分析电网的 负荷特性是开展电力负荷预测工作的重要准备工作，通过对杭州地区电力负荷特 性的分析，改进预测模型提高预测精确，为该地区负荷预测奠定基础。 3 1 杭州地区的简介1 2 4 1 杭州是浙江省省会，全省政治、经济、科教和文化中心，是全国重点风景旅 游城市和历史文化名城，副省级城市。地处长江三角洲南翼，杭州湾西端，钱塘 江下游，京杭大运河南端，是长江三角洲重要中心城市和中国东南部交通枢纽。 杭州地区包括杭州市区( 上城、下城、江干、拱墅、西湖、滨江、萧山、余 杭8 个区) ，建德、富阳、l 临安3 个县级市和桐庐、淳安2 个县。全市总面积1 6 5 9 6 平方千米，其中市区面积3 0 6 8 平方千米。 杭州市区中心地理坐标为北纬3 0 0 1 6 、东经1 2 0 0 1 2 。杭州属业热带季风性气 候，四季分明，温和湿润，光照充足，雨量充沛。全年平均气温1 7 8 0 c ，平均相 对湿度7 0 ，年降水量1 0 4 6 5 毫米，年日照时数1 8 7 4 9 小时。 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 2 负荷特性的分析方法 通常负荷特性包括负荷的内在变化规律和外在因素影响特性。其中内在规律 主要是指年、月、日周期性负荷变化规律；外在特性主要考虑外在因素如温度、 气压、风速、降水量等气象因素以及对日负荷曲线的影响。 由于负荷特性存在周期性和规律性，因此，可以通过负荷特性分析发现其内 在的规律性。负荷特性的分析方法一般有指标法、曲线法和比较法三种i l l 。 指标法是通过各种负荷特性的指标来表示负荷特性，其中包括反映负荷特性 总体状况的指标、反映负荷特性水平状态的指标等，运用指标法分析负荷特性可 以定量的描述负荷特性的发展变化。 曲线法是最直接的一种负荷特性分析方法，通过绘制负荷曲线可以直观的表 示负荷特性，通过不同地区、不同时间负荷曲线的比较可以发现负荷特性的变化 规律，主要用于定性分析负荷特性。 比较法主要用于不同地区、不同时间负荷特性的比较，是指标法和曲线法的 延伸，通过比较法可以发现负荷特性在不同地区、不同时间的变化规律。 本章按照负荷特性指标对负荷特性进行定量分析，主要通过曲线法分析负荷 的变化规律来解释负荷特性。 3 3 普通日负荷特性分析 3 3 1 年负荷特性分析 1 最大负荷 为了对杭州地区电网用电负荷有个大体的了解，首先，比较了每年杭州全社 会用电量的年度增长和g d p 的年度增长情况；每年最大负荷的大小、出现月份及 每年增长情况，具体描述见表3 1 和表3 2 。 由表3 1 和表3 2 可知：杭州地区电网的最大负荷值基本上出现在7 9 月的 夏季。其中从2 0 0 3 年7 月中旬开始到2 0 0 5 年秋季浙江省全省受到电源性缺电的 影响，用电负荷受到控制，2 0 0 4 年全年各月均受到严重控制，负荷特性也同样受 到影响，2 0 0 5 年仅夏季某些日子受到控制，2 0 0 6 年和2 0 0 7 年用电负荷基本上是 自然状态，供需基本甲衡。尽管如此，从近两年电网用电负荷增长率看，杭州电 1 8 浙江大学硕士学位论文 网用电最大负荷呈高速增长态势，速度超过当地全社会用电量的增长速度，而全 社会用电量的年度增长速度与g d p 年度增长速度相当。 表3 1 杭州地区近几年最大负荷的变化情况 年份 2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0