城市電力飽和負荷分析技術

城市區域充分發展後電力負荷將穩定在一定的範圍內波動，這就是該區域的飽和負荷。飽和負荷分析不僅要預測飽和負荷的規模，還要分析其出現的時間和空間分布。影響電力飽和負荷的自然因素主要有地形、氣候、地理位置;社會因素主要包括人口流動、交通條件和政治因素。

基本介紹

• 中文名：城市電力飽和負荷分析技術
• 外文名：Urban Electric PowerSaturated Load Analysis Technology
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 功能：城市負荷預測與分析
• 維度：時間、空間

背景

城市電力飽和負荷是近年來能源(電力負荷)預測和電網規劃中提出的新概念。能源預測是電力系統規劃、計畫、用電、調度等部門的基礎工作，眾多學者進行了負荷預測的研究。城市電力負荷的變化與城市定位、經濟水平、土地規劃、產業布局等密切相關，城市電網規劃應該摸準電力負荷發展的“天花板”，為電源、輸電網和配電網的遠期規劃提供基礎數據，避免重複建設和資源浪費。

電力負荷預測應充分考慮由於土地等外部資源約束而出現的電力負荷飽和狀態，並加強對中長期/遠景規劃的詳細分析和廣泛論證。然而，由於部分電力規劃設計期較短，未能與城市規劃一併確立法定地位，導致電源、變電站、輸電網等規劃項目常常因為城市居民反對而出現落地困難窘境，或因城市功能定位、產業布局等發生變化而被迫進行較大的調整，造成配電線路頻繁切改、輸電走廊荒廢，非常不利於城市電網和城市市政建設的長遠健康發展。

研究城市電力飽和負荷、確定城市電力發展最終形態和規模，具有兩方而重要意義:一是以城市電力飽和負荷分析結論作為城市電力中長期/遠景規劃的重要約束條件，進而藉助城市用地規劃為未來電力建設預留足夠空間;二是以中長期/遠景規劃指導近期電網建設，減少因電力線路頻繁改擴建而導致電網運行費用增加、城市市容市貌破壞，促進電力與城市協調發展。

飽和負荷

城市電力負荷的特點

大規模經濟建設初期.城市的用電量和電力負荷在經濟高速發展的帶動下較快地增長。但當城市的經濟社會發展到一定階段後，高耗能工業將逐步達到產量峰值並保持穩定，經濟發展態勢收縮、產業結構調整、能源利用效率、人口和資源環境約束、能源消費總量控制、高能耗產業淘汰、技術升級和轉移等多方而的因素將影響經濟的持續快速增長，城市的電力負荷增長速度也將放緩甚至停止，呈現一種飽和狀態。由於用電量與GDP呈正相關，可以根據人均用電量來判斷經濟發展階段。通過研究發現，法、德、意、日、英、美等已開發國家在進入發達經濟階段後，人均用電量和人均生活用電量增速減緩，甚至出現負增長，呈現用電飽和的狀態。從一個小的區域來看，如果其規劃建設用地性質已經確定，在城市規劃得以逐步實施、地區充分發展後，負荷將隨著用地的開發利用逐步趨於飽和，即負荷的變化規律呈現為“S”形曲線。由於區域中供電設備的容量有限，而且可用的土地而積也有限，故所研究區域的而積越小，“S”形曲線的特徵越明顯。"S”形曲線分為3個階段:平伏增長區、快速增長區和飽和區，分別表示負荷緩慢增長、快速增長以及負荷趨於飽和。通常使用邏輯斯蒂(Logistic)模型來擬合。

定義和判據

（1）飽和負荷定義

區域充分發展後電力負荷將穩定在一定的範圍內波動，這就是該區域的飽和負荷。飽和負荷分析不僅要預測飽和負荷的規模，還要分析其出現的時間和空間分布。影響電力飽和負荷的自然因素主要有地形、氣候、地理位置;社會因素主要包括人口流動、交通條件和政治因素。

（2）負荷飽和判據

參考已開發國家不同發展階段經濟和電力需求之間的關係，一個城市的電力負荷水平達到飽和狀態時，該城市的電力負荷增長或經濟社會發展應具有以下特徵。

a.城市電力負荷連續5年年增長率不超過4%。隨著經濟增速降至臨界點後趨於穩定，城市電力負荷同比不出現明顯變化，此時的電力需求主要以各產業重複再生產耗電和居民生活用電為主。

b.城市經濟成長速度緩慢或者基本不增長，城市化進程達到理想狀態。城市化理論認為，各個地區城市化水平存在極限點。城市用電水平也將隨著城市規模趨於穩定而表現出平穩發展態勢。

c.城市土地性質變更較少，產業結構趨於穩定。土地性質和產業結構是影響電力負荷的重要因素。如果一個城市的遠景規劃、土地用途(性質)變更比較少，或者從低負荷密度向高負荷密度轉變的土地比較少，則可認為該地區已進入飽和階段。

與傳統電力負荷預測的關係

根據IEEE PES電力規劃與實施專業委員會( PSPI)的框架，電力負荷預測與電力飽和負荷分析均屬於能源預測框架下的同一分支，預測系統的數據、輸入、輸出、模型均有類似。

電力負荷預測定義為在充分考慮重要自然和社會影響、系統運行特性等條件下，研究或利用一套系統地處理過去與未來負荷的數學方法，在一定精度內確定未來某特定時刻的負荷數值;一般分為長期、中期、短期和超短期4種。在時間期限上，飽和負荷應屬於遠期(超長期)的能源預測。有文獻在電力系統中長期負荷預測軟體的開發中，已經考慮到並增加了飽和負荷預測的功能。

但是，傳統、有效的中長期負荷預測方法，如灰色系統，在負荷按照“S”形曲線增長或增長處於飽和階段時誤差較大，預測精度不能滿足實際要求。同時，飽和負荷分析與遠期能源預測又存在不同:遠期能源預測通常考慮某區域內一個給定的目標年度的電力負荷水平，一般基於歷史數據進行分析預測;而飽和負荷分析是考慮某區域經濟社會充分發展後的電力負荷水平及其出現年份和分布，一般基於區域規劃、發展定位等因素，並結合分析者的能源預測經驗進行分析後得出，往往還需參考其他發達地區在不同經濟發展階段的經驗值。

城市電力飽和負荷分析方法

概述

根據分析對象不同，城市電力飽和負荷分析可分為飽和負荷規模分析、飽和負荷時間分析和飽和負荷空間分析3類。其中，規模分析對象為城市電力負荷達到飽和時的用電量((kW·h)和最大用電負荷(kW);時間分析對象為負荷達到飽和階段的具體年度或置信區間;空間分析對象為飽和階段電力負荷在城市內的空間位置分布情況，以便更好地布局電源點及線路走廊。

根據分析機理不同，可分為經濟參數模型法和負荷趨勢模型法兩大類。其中，經濟參數模型法是根據電力負荷和經濟發展的關係，通過經濟發展、產業結構、市政建設、人口、居民生活水平等方而的參數分析，對飽和負荷進行預測，傳統方法有單耗法、電力消費彈性係數法等。經濟參數模型法又可分為巨觀分析方法和微觀分析方法2類：巨觀方法側重於總量分析，用於用電量、用電負荷和飽和時間的分析預測;微觀方法側重於負荷的空間分布。在進行飽和負荷分析時，應運用巨觀分析方法進行總量控制，運用微觀分析方法進行修正調整，形成飽和負荷分析的閉環工作流程。負荷趨勢模型法是依據負荷歷史數據，探求負荷發展變化規律，提煉計量模型，按照變化規律分析電力負荷的發展和飽和情況。

經濟參數模型法

（1）巨觀分析類

a.人均用電量法

在對飽和階段人口容量進行分析和預測的基礎上，參照經濟已開發國家和地區的經濟發展和電量增長規律，研究得出本地區電力需求增長表現飽和態勢時的人均用電量和負荷特性指標，並據此推算飽和負荷的大小。

b..負荷密度法

通過參照經濟已開發國家和地區主要功能區的負荷密度情況.分析得出本地區電力需求增長表現飽和態勢時的飽和負荷密度，在此基礎上結合城市土地規劃推算出飽和負荷的大小。

c.系統動力與計量經濟組合模型

飽和負荷受政治、經濟、人口、環境等多方而影響，單一的預測方法很難提高預測的精度。系統動力學以定性分析為先導、定量分析為支持，從系統內部的機制、微觀結構入手來分析研究系統內部結構與其動態行為的關係;而計量經濟學是定量分析研究具有隨機性特性的經濟變數關係的有效手段。系統動力與計量經濟組合模型是首先基於計量經濟學找出電力需求的主要影響因素，在此基礎上建立電力需求與其影響因子的計量方程，然後建立考慮各方而影響的系統動力學電力需求預測模型，最後將人口、經濟、電力需求的子系統方程代入系統動力學模型，綜合電力經濟關係計量經濟模型與電力負荷系統動力模型進行飽和分析。

（2）微觀分析類

a.空間負荷法(用地仿真法)

根據城市總體規劃中的用地性質把每個規劃區分為若干個地塊，每種用地的負荷密度根據“城中心取高值，城郊結合區取中值，郊區取低值”的原則。參照經濟已開發國家和地區主要功能區的負荷密度情況，對所處不同區域的同種用地性質地塊取不同的負荷密度值，可以得出規劃區各個地塊的遠期負荷預測值，將同一規劃區內各個地塊負荷預測值相加，即可得出規劃區內飽和年負荷預測值。

b.輻射效應法

各地塊負荷密度之間存在輻射作用，一些負荷密度很高的地塊會對周邊區域的負荷密度有比較明顯的拉抬作用;同樣，負荷密度比較低的地塊，也會延緩周邊區域負荷的增長。輻射作用的本質含義是，負荷密度下降或上升的梯度(或方嚮導數)的模不會過大。負荷密度是標量，負荷密度的輻射作用類似於其他標量場，因此，可將負荷密度的空間分布視為二維標量場。

通過上述方法，可以同時考慮主中心點與其他中心點之間的輻射效應，也可以考慮各箇中心點相互之間的輻射效應。

c.蟻群元胞自動機模型

該方法的核心是對各類土地元胞轉換規則的深入挖掘。影響城市土地性質轉變的因素相當於蟻群理論中的信息索，信息素作用於土地元胞的轉移，從而計算得到城市用地性質轉變的機率;再通過研究各類土地性質下的負荷密度變化規律，預測城市未來電力負荷;並通過“S”形曲線來判斷達到飽和狀態的時機。

負荷趨勢模型法

a.邏輯斯蒂曲線擬合

邏輯斯蒂曲線是生長曲線模型的一種。生長曲線的特點是開始增長較為緩慢，以後在某一段時間內增長速度較快，當達到某一極限之後，生長速度又趨緩慢，這一特點與電力負荷的增長規律有共同之處，將邏輯斯蒂曲線套用於飽和負荷預測是一種合適的方法。邏輯斯蒂曲線方程變形後可得到。擬合邏輯斯蒂曲線可採用四點法，即根據實測數據的4個特殊數據點來估計飽和值。

為確保所得到飽和值的準確度，要求所選取的4個數據點具有一定的特殊性。根據取樣法的要求，統計歷史年的數據條數，確保其為4的倍數，然後從當年開始倒推。選取相同間隔的4個數據作為計算飽和值的點，且給定的歷史年負荷數據越多(即所擬合的“S”形曲線上的已知點給得越多)，利用該方法求得的飽和值越準確。

b.灰色Verhulst模型

傳統的灰色GM(1,1)模型比較適用於具有較強指數規律的負荷序列，描述單調的變化過程。而當負荷按照“S”形曲線進行增長或增長處於飽和階段時，若採用該灰色模型則預測誤差較大，預測精度不滿足實際要求，為此將灰色Verhulst模型引入到負荷預測中來，很好地解決了該問題，同時保留了灰色預測方法的優勢和特點。

c.非線性回歸校正模型

非線性回歸模型是中長期負荷預測的一種有效的方法，對常規變化趨勢的負荷有很好的擬合性，具有直觀性強、計算簡單、可檢驗等優點，但其對增長處於飽和階段的負荷預測誤差較大。通過對非線性回歸模型進行校正可以很好地解決這個問題。}

主要套用

城市電力規劃作為城市總體規劃的組成部分，應合理安排城市電網電源，確定城市電網結構，布置規劃區內電力設施建設用地位置、規模和形式，及各級高壓線路走廊寬度、方位、地下電力管線的位置和走向，預留電力設施用地，以滿足城市總體規劃。基於飽和負荷分析的城市電網規劃、電源布局、網源協調、網架最佳化已逐漸得到重視和套用。

有文獻以濟南電力飽和負荷預測結果為基礎，通過對煤炭資源、水資源和環保等條件約束下本地電廠最大允許裝機容量和和機組最大可供出力的分析，給出了飽和負荷階段濟南市110 kV及以上電網的變電容量需求及其布局。也有文獻以蘇州工業園區為例建立了以飽和負荷及目標網架指導電網中短期規劃、建設的思路，將飽和負荷分析方法套用到其空間負荷預測中，取得了較好效果。有文獻針對北京燕山石化電網飽和負荷分析結論與負荷分布進行電力電量平衡，提出了大型工業區高壓配電網建設的網架結構最佳化方法。也有文設計了一種具有“遠見性”的電網規劃方法，即先制定飽和年電網網架，再參照此網架和近景年負荷預測值制定近景年電網網架，彌補了常規電網規劃方法“眼光短淺”的不足，尤其適合新開發區的電網規劃，並結合安徽定遠電網規劃展示其具體實現過程。有文獻對飽和負荷下的輸電網規划進行研究，設計了一種基於風險度評估的方法，把影響電網規劃的多種離散不確定性因素轉變為各個多場景區間，利用多場景規劃技術處理飽和負荷階段輸電網規劃所而臨的不確定因素。也有文獻採用空間負荷預測方法對泰安城區飽和負荷進行分析，在此基礎上研究了變電站布點、接線方式和目標網架模型。有文獻通過對濟南市不同用地性質的分析，確定了飽和負荷在時間和空間上的具體分布情況，進而指導電源規劃、站址規劃、走廊規劃等。

國內部分科研院所和電力公司在科研和規劃專項中對飽和負荷分析進行了探索和套用。國網北京經濟技術研究院在《輸配電壓序列最佳化研究》faze中對中國主要電網遠景年負荷的規模進行預測，並結合城市化進程和社會主義新農村建設，從多個角度分析預測各類典型地區飽和負荷密度的範圍，並以此為據對重慶電網進行了輸配電壓序列最佳化。河北省電力研究院在《河北南網遠景500千伏目標網架研究》中以飽和負荷密度分析與飽和負荷需求預測結果為基礎.進行了變電總容量需求測算.制定了2015年、2020年、2030年及2030年以後的500 kV及以上電網的發展目標。江蘇省電力公司南京供電公司在《南京主城飽和負荷研究暨電網專項規劃研究》中形成城市規劃和電網規劃“閉環協調雙向負責”機制，提高了城市建設對規劃變電站站址及電力通道的預控能力，為解決城市發展核心區電力設施落實困難的突出問題提供有效途徑。

結論與展望

分析城市電力飽和負荷，可以推知在當前城市總體規劃的情景下該城市電網將達到的最大規模，並推算城市內不同地區電網發展的最終形態。以最終形態為目標來指導近期電網建設，可以避免今後不必要的電網改擴建工程，提高城市電網建設和維護資金的效用，增強電網企業的可持續發展能力，促進城市電網與城市經濟社會的協調發展。未來的城市電力規劃應充分考慮電力飽和負荷分析結論，注重電網與電源協調、輸電網與配電網協調、新技術新設備套用等，規劃出滿足現代社會需求、適應科學發展的城市電力發展規劃方案。

未來的飽和負荷研究工作中，應注重以下幾點：

a.應注重與經濟社會發展的緊密聯繫，著力研究經濟趨於飽和階段的經濟總量、產業結構、人口變化、消費需求、技術進步、功能定位、基礎設施、公共服務等方而的指標體系和量化特徵，構建工業化、城鎮化、國際化進程與電力需求增長之間的定量關係；

b.應注重進一步研究電力負荷飽和的科學判據，並結合地理信息系統、衛星遙感成像等技術對重點城市空間飽和負荷分布進行研究；

c.應注重組合模型在飽和分析中的套用，研究組合模型的權重、精度，提高分析的科學性和可行性；

d.應注重研究智慧型電網背景下，未來需求側資源參與互動以及分散式電源、電動汽車、儲能技術、節能技術對飽和負荷水平的深刻影響。