葛延峰，孔祥勇，高 凱，高立群，歐陽(yáng)海濱

(1．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006;2．東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

電力負(fù)荷預(yù)測(cè)和特性分析是電力管理部門的重要工作，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1－5］。隨著人民生活水平的提高，空調(diào)及取暖電器大量進(jìn)入家庭，涉溫電力負(fù)荷受各種隨機(jī)因素尤其是氣候因素的影響增大，氣象因素對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響越來(lái)越大，因此必須研究負(fù)荷隨氣象變化的規(guī)律，正確了解負(fù)荷變化與氣象變化之間的相互影響關(guān)系，提高電力系統(tǒng)負(fù)荷的預(yù)測(cè)精度，為電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行服務(wù)，其中研究電力負(fù)荷各主要影響因素的靈敏度是提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵。

氣象包含的因素較多，有溫度、濕度、氣壓、降雨量、光照等。電力負(fù)荷的變化，經(jīng)受著各種氣象因素的綜合作用。在氣象因素中，溫度對(duì)負(fù)荷的影響最大，如何分別考察各個(gè)氣象因素對(duì)電力負(fù)荷的影響以及如何綜合考察這些因素對(duì)電力負(fù)荷的影響，是當(dāng)前負(fù)荷特性分析以及負(fù)荷預(yù)測(cè)工作中迫切需要解決的問(wèn)題。另外，隨著氣象部分預(yù)測(cè)手段的完善和技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)氣象資料的獲取越來(lái)越方便，如何考察實(shí)時(shí)氣象因素對(duì)電力負(fù)荷的影響是一個(gè)全新的課題。

本文從遼寧地區(qū)的電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)出發(fā)，分析遼寧地區(qū)氣象變化對(duì)負(fù)荷變化的影響，將復(fù)雜繁多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的文字和圖表形式，使電力公司易于掌握轄區(qū)內(nèi)負(fù)荷隨氣象變化的特性，為今后進(jìn)一步定量化相關(guān)影響和預(yù)測(cè)提供參考。

1 影響負(fù)荷變化的關(guān)鍵氣象因素分析

氣象因素是影響電網(wǎng)短期負(fù)荷的主要因素，主要包括:溫度、濕度、降雨量、風(fēng)力等。在一定的氣候條件下，用電負(fù)荷產(chǎn)生急劇的變化，尤其是在氣候變化較頻繁的時(shí)期 (如夏冬季)，考慮氣象因素的影響是十分必要的。

1.1 溫度的影響

溫度具體分為最高溫度、最低溫度和平均溫度。當(dāng)天氣忽然變冷或者變熱時(shí)，將有大量的采暖或降溫負(fù)荷投入運(yùn)行;而當(dāng)某一段時(shí)期平均溫度持續(xù)過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，與以前年份的相同日期相比，日負(fù)荷將有較大的變化。

進(jìn)一步對(duì)遼寧省的溫度數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出以下幾點(diǎn)。

a． 當(dāng)平均溫度在高于10℃低于30℃時(shí)，屬于夏季。平均溫度高于10℃低于20℃時(shí)，這段時(shí)間基本上沒(méi)有制冷負(fù)荷和取暖負(fù)荷。因此，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，負(fù)荷不會(huì)有很大波動(dòng)，基本上是平穩(wěn)的。平均溫度高于20℃低于28℃時(shí)，此時(shí)隨著氣溫的升高，人體開始感覺不舒適，感覺到熱。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，負(fù)荷會(huì)隨溫度的增高波動(dòng)，但溫度對(duì)負(fù)荷的推動(dòng)作用不大。平均溫度高于28℃低于35℃時(shí)，屬于夏季溫度較高的炎熱天氣，此時(shí)降溫負(fù)荷迅速增加，日最大負(fù)荷對(duì)日最高溫度的敏感性高，隨著溫度越高，負(fù)荷增加的也越多。因此28～35℃的溫度范圍內(nèi)，負(fù)荷預(yù)測(cè)應(yīng)充分考慮到高溫的影響。

b． 由于遼寧省冬季溫度相對(duì)比較低，而且全年60%處于低溫狀態(tài)，最低溫度極有可能到達(dá)－30℃左右，平均溫度大概在－15～－10℃，并且遼寧每年11月到來(lái)年4月之間必須進(jìn)行供暖，這將增加大量的供暖負(fù)荷。因此遼寧冬季負(fù)荷對(duì)溫度及其敏感，受溫度影響較大。尤其當(dāng)最低溫度低于0℃時(shí)，取暖負(fù)荷隨之明顯增加，造成最大負(fù)荷增加。

1.2 濕度和降雨量的影響

針對(duì)遼寧地區(qū)，從全年的相對(duì)濕度分析來(lái)看，全年相對(duì)濕度較低，而空氣濕度較低時(shí)，會(huì)影響工作環(huán)境和生活環(huán)境的適應(yīng)性而增加負(fù)荷需求，尤其在低溫會(huì)出現(xiàn)又冷又干燥的情況，這種情況下人體對(duì)濕度很敏感，負(fù)荷相應(yīng)與濕度變化有很強(qiáng)的相關(guān)性。

根據(jù)遼寧省氣象情況，總結(jié)規(guī)律如下:

a． 平均溫度在10～28℃時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響基本上是可以忽略的;

b． 平均溫度高于28℃時(shí)，若濕度比較低，干燥的熱天氣會(huì)導(dǎo)致舒適度降低，升溫負(fù)荷的比重比較大，使負(fù)荷出現(xiàn)較大的波動(dòng);

c． 平均溫度低于10℃時(shí)，如果濕度比較低時(shí)，就會(huì)形成“干冷天”，在干冷天氣，同樣會(huì)導(dǎo)致調(diào)溫負(fù)荷上漲。經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在低溫狀態(tài)，濕度的影響小于高溫時(shí)濕度的影響。

1.3 風(fēng)速的影響

人體對(duì)外界環(huán)境的感覺除了用溫度來(lái)體現(xiàn)以外，其實(shí)風(fēng)速也起到一定的作用。以遼寧的天氣來(lái)說(shuō)，7～9月，日最高溫度一般在20～28℃，對(duì)于人體來(lái)說(shuō)是很適宜的，再加上此時(shí)的風(fēng)速在1～2.75 m/s，更能使人感受到夏日的涼快，此時(shí)風(fēng)速對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響很小。即使溫度高于28℃時(shí)，同樣風(fēng)速能保持到1.25 m/s以上時(shí)，各種空調(diào)及其他散熱設(shè)備的使用相對(duì)會(huì)有增多但不會(huì)出現(xiàn)大量的增加，因此，風(fēng)速的大小一定程度上與電網(wǎng)負(fù)荷增加的幅度相關(guān)，但影響不大。然而，到了冬季，遼寧整個(gè)地區(qū)處于冰雪天氣，此時(shí)風(fēng)速如果達(dá)到3 m/s，將會(huì)使人感到非常寒冷，各種供熱設(shè)備以及供暖系統(tǒng)的功率將大大增加，這將使得電網(wǎng)負(fù)荷大大增加，風(fēng)速對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響顯著。

經(jīng)過(guò)以上分析可知，對(duì)于遼寧電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，影響程度最大氣象因素主要是溫度，因此本文重點(diǎn)研究溫度 (最高、最低、平均溫度)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響。

2 遼寧電網(wǎng)負(fù)荷特性分析

根據(jù)由原能源部頒布的《電力工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)解釋》，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的可行性以及氣象信息的影響顯著性，本文繪制出了2010～2012年電網(wǎng)具有代表性的最大負(fù)荷、最小負(fù)荷和平均負(fù)荷曲線并進(jìn)行分析。

從圖1可以看出，在同一時(shí)期，2010年的最大負(fù)荷值比2011年、2012年相對(duì)要小一些。3年最大負(fù)荷值的變化趨勢(shì)整體上是一致的。在100日以前，2010、2011和2012年的最大負(fù)荷值的變化呈現(xiàn)凸的波峰狀。在100日左右，都存在一個(gè)波谷，那是春節(jié)寒假的期間負(fù)荷變化的表現(xiàn)。從100日過(guò)后到150日，這3年的最大負(fù)荷值都有一個(gè)回升階段，表明假期后，工作電網(wǎng)負(fù)荷的迅速增加。對(duì)于2010年來(lái)說(shuō)，此后的最大負(fù)荷值在一個(gè)平衡點(diǎn)附近上下波動(dòng)，2011年隨后出現(xiàn)三次比較小的波峰，到接近250日，也開始呈現(xiàn)穩(wěn)定性的波動(dòng)。而2012年有所不同，從150日之后，出現(xiàn)了兩個(gè)大的波谷，變化趨勢(shì)比較緩慢。

圖1 日最大負(fù)荷曲線 (每年11月1日～次年10月31日)

從圖2可以看出，在整體上，2010年同時(shí)期的最小負(fù)荷值比2011年、2012年相對(duì)要小一些。從變化的幅度來(lái)看，3年的最小負(fù)荷值在整體上是相差不大的。在50日以前，3年的最大負(fù)荷值的變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在50到150日之間，都存在一個(gè)比較陡峭的波谷，最小負(fù)荷迅速下降表示人們開始進(jìn)入假期并逐漸停止工作，快速回升表示人們回到工作崗位并開啟了各種機(jī)器設(shè)備。從150日過(guò)后到200日，這3年的最小負(fù)荷值都有一個(gè)下降階段，這是遼寧供暖逐漸停止的過(guò)程。200日過(guò)后，對(duì)于2010年來(lái)說(shuō)，最小負(fù)荷值在一個(gè)平衡點(diǎn)附近上下波動(dòng)，并有一定的上升趨勢(shì)。2011年是緩慢上升，最后在一個(gè)平衡點(diǎn)附近波動(dòng)。而2012年變化趨勢(shì)比較緩慢，穩(wěn)定地上下波動(dòng)。

圖2 日最小負(fù)荷曲線 (每年11月1日～次年10月31日)

從圖3可以看出，在同一時(shí)期，2011年和2012年的平均負(fù)荷值比2010年相對(duì)有一點(diǎn)提升，3年的平均負(fù)荷值的變化趨勢(shì)同前面分析的最大負(fù)荷值的變化趨勢(shì)以及最小值變化趨勢(shì)在整體上有一定的相似性，但局部還是有一些明顯的不同。首先在150日以前，日平均負(fù)荷與日最小負(fù)荷的變化趨勢(shì)是一致的，但日平均負(fù)荷的變化幅度比日最小負(fù)荷要小。從150日之后，對(duì)于2010年來(lái)說(shuō)，平均負(fù)荷值先是短期下降，然后是逐漸波動(dòng)上升。2011年隨后出現(xiàn)一個(gè)比較平緩的波谷，到接近270日，開始呈現(xiàn)波動(dòng)下降。而2012年平均負(fù)荷值的變化出現(xiàn)了兩個(gè)平緩的波谷。

3 遼寧電網(wǎng)負(fù)荷與氣象因素?cái)?shù)學(xué)關(guān)系模型的建立與分析

圖3 日平均負(fù)荷曲線 (每年11月1日～次年10月31日)

在電網(wǎng)負(fù)荷與氣象因素預(yù)測(cè)模型的建立之前，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的數(shù)據(jù)，總結(jié)出遼寧電網(wǎng)負(fù)荷的一些特點(diǎn)。

a． 電力系統(tǒng)的負(fù)荷每時(shí)每刻都在變化，但以周為單位分析，負(fù)荷的變化具有周期性，但是并非簡(jiǎn)單的重復(fù)，而是存在一個(gè)隨機(jī)分量使每隔一定周期發(fā)生改變。周末的負(fù)荷水平較低，工作日的較高，這與人們的生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)都是以周為單位安排計(jì)劃有關(guān)，而工作日用于生產(chǎn)的負(fù)荷較多，而在休息日所用的生產(chǎn)負(fù)荷較少。

b． 電力負(fù)荷同時(shí)又是連續(xù)的，不存在奇點(diǎn)。為保證穩(wěn)定運(yùn)行，必須避免大的波動(dòng)，要求負(fù)荷的變化控制在一定的范圍內(nèi)。在比較溫和的春、秋季節(jié)，由于溫度、天氣狀況適合人們的工作和生活，這兩季的負(fù)荷受天氣影響程度較低。夏季和冬季受氣溫因素的影響較大，天氣的變化將帶來(lái)降溫和取暖的大量增加或減少，呈現(xiàn)出比較明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。

為進(jìn)一步明確負(fù)荷與氣象之間的密切程度，選擇相關(guān)系數(shù)指標(biāo)定量化計(jì)算兩變量間的相關(guān)程度。最常用的相關(guān)系數(shù)是皮爾遜 (Pearson)相關(guān)系數(shù)［6］，本文即采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行負(fù)荷與氣候相關(guān)程度的定量化計(jì)算，其計(jì)算公式為

3.1 日最高溫度與電網(wǎng)負(fù)荷的關(guān)系模型

由表1可以看出，日最高溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷和日平均負(fù)荷的關(guān)系都是非線性的，且擬合的最高次冪超過(guò)3次以上時(shí)，方程的高次參數(shù)都非常小。從總的相關(guān)性來(lái)說(shuō)，日最高溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷和日平均負(fù)荷的關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，日最高溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷的相關(guān)程度最明顯，相關(guān)系數(shù)為－0.62。

表1 日最高溫度與電網(wǎng)負(fù)荷的關(guān)系擬合方程

3.2 日最低溫度與電網(wǎng)負(fù)荷的關(guān)系模型

由表2可以看出，日最低溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷和日平均負(fù)荷的關(guān)系都是非線性的，且擬合的最高次冪超過(guò)3次以上時(shí)，方程的高次參數(shù)都非常小。從總的相關(guān)性來(lái)說(shuō)，日最低溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷和日平均負(fù)荷的關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，日最低溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷的相關(guān)程度最明顯，相關(guān)系數(shù)為－0.60。

3.3 日平均溫度與電網(wǎng)負(fù)荷的關(guān)系模型

由表3可以看出，日平均溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷和日平均負(fù)荷的關(guān)系都是非線性的，且擬合的最高次冪超過(guò)3次以上時(shí)，方程的高次參數(shù)都非常小。從總的相關(guān)性來(lái)說(shuō)，日平均溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷和日平均負(fù)荷的關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，日平均溫度與電網(wǎng)日最大負(fù)荷的相關(guān)程度最明顯，相關(guān)系數(shù)為－0.62。

表2 日最低溫度與電網(wǎng)負(fù)荷的關(guān)系擬合方程

表3 日平均溫度與電網(wǎng)負(fù)荷的關(guān)系擬合方程

由以上分析可知，對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷來(lái)說(shuō)，受溫度影響程度最大是最大負(fù)荷，其次是平均負(fù)荷，溫度對(duì)電網(wǎng)最小負(fù)荷的影響不大。

［1］ 劉 旭，羅滇生，姚建剛，等．基于負(fù)荷分解和實(shí)時(shí)氣象因素的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(12):94－100．

［2］ 陳 剛，周 杰，張雪君，等．基于BP與RBF級(jí)聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的日負(fù)荷預(yù)測(cè)［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(12):101－105．

［3］ 周 氵泉，李 健，孫才新，等．基于粗糙集和元胞自動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)空間負(fù)荷預(yù)測(cè) ［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(25):68－73．

［4］ 楊薛明，苑津莎，王劍鋒，等．基于云理論的配電網(wǎng)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究 ［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(6):30－36．

［5］ 崔 凱，李敬如，陳 偉，等．城市電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究 ［J］．電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2009，21(4):33－38．

［6］ 盛 驟，謝式千，潘承毅．概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì) ［M］．北京:高等教育出版社，2006．