西北电网负荷特性分析与预测

西北电网负荷特性分析与预测

陈  颖¹，段乃欣²，张中丹³，杨德州³，吕金利³，胡  斌¹

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西  西安   710075；2.国家电网公司西北分部，陕西  西安  710048；3.国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃  兰州  730075)

摘  要：近年来，随着西北地区经济产业结构不断调整，高耗能产业发展趋于稳定，西北电网负荷特性发生了较大变化，对最新的西北电网负荷特性进行分析具有重要意义。通过分析西北电网近10年的8760统调负荷数据，归纳出西北电网最新的年负荷特性及日负荷特性，同时总结历史负荷特性的变化规律，结合经济发展、产业结构、环保政策等因素，寻找负荷特性变化的内因与规律，预测出西北电网2025年负荷特性。

关键词：西北电网；负荷特性；分析与预测

0 引言

电力负荷特性是评价电网负荷状况的重要指标之一，它的变化趋势能体现电网用电结构、用电模式等状况的变化，准确把握电网负荷特性及其发展变化趋势是做好电力规划、计划、生产运行工作的重要基础。电力负荷特性研究是一项基础性研究，是做好电力电量平衡、新能源消纳、调峰分析、需求侧响应等研究工作的前提。近十年来，西北电网电力系统的负荷特性发生了较大变化，出现了最大负荷持续快速增长、峰谷差增大、负荷率下降、电网调峰困难等一系列现象，进行负荷特性分析研究具有非常重要的意义。

目前，对于“十二五”及以前的西北电网负荷特性已经有了充分的研究^[1-4]，但是“十三五”以来西北电网电力负荷特性尚未开展相关研究工作。2015年以来，西北地区经济增速不断放缓，经济发展进入新常态^[5]；产业结构不断调整，二产占比稳步下降，三产占比逐渐升高^[6]；4大高耗能产业不再快速扩张，产品产量趋于稳定^[7]；各级政府迫于环保压力对高耗能行业要求限时、限量生产^[8]。这些经济环境的变化，导致西北电网负荷特性发生了一定的变化。有必要对近几年的西北电网负荷特性重新进行研究。

本文通过分析2009-2019年西北电网8760统调负荷数据，得到年负荷特性及日负荷特性。通过研究西北煤改电地区负荷特性，得到煤改电等电能替代政策对负荷特性的影响。在此基础上，分析负荷特性发展趋势，结合外部影响因素包括经济发展、产业结构、环境政策等，预测出西北电网2025年电力负荷特性。

1 年负荷特性分析

对西北电网近10年的8760统调负荷数据进行科学统计分析，得到2009-2019年西北电网年负荷曲线如图1所示。从实际统计的年负荷来看，西北电网的年负荷曲线具有如下特点：

1）年最小负荷出现在春季4、5月和秋季9、10月，年最大负荷集中出现在夏季7、8月和冬季11、12月。

2）西北电网2009年前半年负荷水平较低，后半年负荷水平迅猛增长，主要是2008年爆发金融危机，经济发生重大波动引起的。

图1  西北电网实际年负荷特性曲线

西北电网近10年年负荷特性指标（选取2010、2015、2019共计3个年份）数据列表见表1。由表1可知，西北电网年负荷特性有如下变化规律：

1）最大负荷利用小时数先升后降。“十二五”期间，由于西部地区成为高耗能产业转移的主要承接地，西北地区高耗能产业迅速发展^[7]，最大负荷利用小时数不断提升，“十三五”期间随着西北地区转型发展、经济结构调整^[9]，西北电网最大负荷利用小时数稳步下降。

2）季不均衡系数持续下降，由2010年的0.940下降到2019年的0.904。受供给侧改革等政策影响，西北地区工业负荷占比持续降低，负荷波动性变大。

3）年平均日负荷率及年平均月负荷率变化不大。这主要由于西北地区产业结构相对稳定、人民生活习惯变化不大。

表1  西北电网年负荷特性指标统计表

2 日负荷特性分析

对西北电网近10年的8760统调负荷数据进行统计分析，使用核密度估计的方法^[10]选取典型日，得到夏季典型日负荷曲线和冬季典型日负荷曲线如图2-3所示，由图可知，西北电网的日负荷曲线具有如下特点：

1）2009-2019年西北电网夏季典型日负荷曲线形状大体相似，基本都有一个午高峰和两个晚高峰。每天22时-次日凌晨5时，负荷曲线持续下降，5时左右为全天负荷最低时段。从凌晨5时开始负荷持续上升，午高峰出现在中午11时-1时，此时气温较高，降温负荷逐渐启动，因此出现了一个用电高峰。午后，负荷持续下降至拐点14时，之后负荷才开始持续上升，并在18时、22时出现两个晚高峰。

2）2009-2019年西北电网冬季典型日负荷曲线形状也大体相似，基本都有一个午高峰和一个晚高峰。其变化趋势为：21时-次日凌晨5时，负荷曲线持续下降，并在凌晨5时左右达到全天最低点；午高峰出现在中午11时-12时，12时之后负荷迅速下降至拐点16时，之后负荷才开始持续上升，并在19时-20时达到一天中的最高峰。

3）比较2009-2019年西北电网夏、冬两季典型日负荷曲线可见，夏季受高温天气影响，午高峰和晚高峰接近，而冬季受寒冷天气影响，晚高峰明显高于午高峰。另外，由于夏季日照时间长，夜晚天气凉爽，人们工作、娱乐时间相应延长，因此，夏季典型日标幺值曲线在22时出现第二个晚高峰，冬季则没有。

图2  西北电网夏季典型日负荷曲线

图3  西北电网冬季典型日负荷曲线

西北电网近10年日负荷特性指标（选取2010、2015、2019共计3个年份）数据列表见表2。由表2可知，西北电网日负荷特性有如下变化规律：

1）夏季日负荷率及日最小负荷率在“十二五”期间上升明显，这些特点表明该时期夏季连续性生产负荷呈增大趋势，而夏季日负荷率及日最小负荷率在“十三五”期间略有下降，表明“十三五”以来西北地区随着产业结构调整，负荷日波动性变大。

2）冬季日负荷率及日最小负荷率从2010年至2019年呈增大趋势，表明冬季连续性负荷呈逐年增大趋势。

表2  西北电网日负荷特性指标统计     /（p.u.）

3 煤改电地区负荷特性分析

2017年，国家发展改革委印发的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》，要求全面提高北方地区取暖清洁化水平，通过电采暖设施改造，逐步替代散煤燃烧取暖，减少大气污染物。西北五省（区）均属于北方地区冬季清洁取暖规划区域内，煤改电工程势在必行，而煤改电工程的实施对传统负荷特性产生的影响不容忽略。西北五省（区）中新疆南疆地区煤改电执行力度最大，下面以南疆和田电网为例分析煤改电对负荷特性的影响。

和田电网位于新疆电网的末端，为解决当地居民冬季采暖问题，2018年开始全面实施煤改电工程，对和田电网近几年负荷特性指标进行分析，研究煤改电工程对传统负荷特性的影响，如图4-5所示。

从年负荷特性来看，2016-2017年，和田电网的最大负荷出现在夏季的5-6月份，最小负荷基本出现在冬季的1-2月份，煤改电工程实施后，2018-2019年最大负荷出现在冬季的12月份。

从冬季典型日负荷特性来看，2016-2018年，和田电网午高峰、晚高峰分别发生在中午的14时、晚间的21时，由于和田电网自身负荷体量不大，随着煤改电负荷占比的逐年增加，2019年冬季典型日负荷特性发生了较大变化，午高峰发生时刻调整为12-13时，负荷峰谷差趋于减小，日负荷率、日最小负荷率分别由2016年的0.833、0.599提升到2019年的0.873、0.722。

图4  和田地区实际年负荷特性曲线

图5  和田地区实际冬季典型日负荷曲线

根据负荷曲线变化情况，赴和田电网公司进行现场实地调研，结果表明，煤改电工程主要有集中式（工厂、学校采暖）和分散式（用户采暖）两种类型，电采暖日负荷特性曲线见图6所示。其中，集中式电采暖电主要使用时间集中在白天9时至19时，分散式电采暖主要在夜间使用。

图6  和田地区煤改电负荷曲线

预计随着能源生产和消费革命、电能替代战略的实施，电采暖将逐步成为西北地区冬季主要采暖方式之一。参考煤改电对和田电网负荷特性影响，对西北电网负荷特性影响主要体现在以下几个方面：

1）中长期，随着煤改电、电采暖等电能替代执行，采暖负荷持续增加，冬季负荷将会进一步增大；

2）随着冬季采暖负荷占总负荷比重逐年增加，冬季日负荷率、日最小负荷率呈现上升趋势，冬季负荷曲线将更加平缓。

4 西北电网负荷特性预测

负荷特性受宏观经济、产业结构、国家政策等多方面因素影响，本节通过研究负荷特性影响因素来探寻负荷特性变化趋势。

4.1 负荷特性影响因素研究

4.1.1 西北经济运行情况

西北地区逐年GDP及增速发展情况如图7所示。由图可知，近年来西北地区经济增速不断放缓，经济发展进入新常态，经济增长总体趋于稳定。

图7  西北地区逐年GDP及增速发展示意图

4.1.2 重点行业发展状况

经统计，西北地区用电量排名前4位的产业依次为：有色金属冶炼及压延加工业、化学原料和化学制品制造业、黑色金属冶炼和压延加工业、非金属矿物制品业。

西北地区主要工业产品产量逐年变化示意图如图8所示，由图可知，西北地区4大高耗能产业2015年以前产量快速发展，2015年以后产量趋于稳定。

图8  西北地区四大高载能产业产量

4.1.3 西北用电量结构

西北地区逐年电量结构示意图如图9所示，近10年来，西北地区一产用电量占比不断下降，从2010年5.0%下降到2019年0.9%；二产用电量占比稳步下降，但仍保持在较高水平，在77.9%以上；三产用电量占比不断上升，从2010年8.2%上升到2019年13.7%；城乡居民用电量占比基本保持稳定。

图9  西北逐年电量结构示意图

4.1.4 国家政策导向

“十三五”期间，国家发展改革委、国家能源局、财政部、环保部、住房城乡建设部、工业和信息化部、交通运输部、民航局等多部委均指出我国要稳步推进电能替代。预计随着煤改电、电采暖等电能替代政策的执行，以及电动汽车逐步普及致使晚上蓄电池充电负荷增加的叠加，冬季夜间负荷将进一步提高。

4.1.5 西北电网负荷特性发展趋势

结合经济发展、产业结构、国家政策导向等多方面因素，预计西北电网负荷特性发展趋势如下：

1）随着经济发展速度放缓，西北五省（区）负荷特性变化趋于稳定，与现有水平接近。

2）随着产业结构持续调整，二产占比稳步下降，三产占比逐步提高，西北五省（区）季不均衡系数会随之平缓下降。

3）中长期，随着煤改电、电采暖等电能替代执行，冬季负荷将会进一步增大，西北电网最大负荷保持在冬季供暖期。

4）随着电动汽车的普及，电力市场需求响应机制的进一步推进，夜间负荷有可能进一步抬高。

4.2 西北负荷特性预测

基于负荷特性影响因素分析结果，使用基于函数型非参数回归模型的负荷曲线预测方法^[11]，得到西北电网历史及预测年负荷曲线，详见图10所示。由预测结果可见，2025年西北电网呈现夏、冬双高峰，夏季高峰出现在7、8月份，冬季高峰出现在11、12月份，冬季高峰高于夏季高峰。

西北电网历史及预测的夏、冬典型日负荷特性曲线详见图11-12所示，由预测结果可见，西北电网夏季日负荷有1个午高峰和2个晚高峰，午高峰出现在中午13时，第1个晚高峰出现在晚上18时，第2个晚高峰出现在晚上22时；西北电网冬季日负荷有1个午高峰和1个晚高峰，午高峰出现在中午12时，晚高峰出现在晚上19时。

图10  西北电网历史及预测年负荷曲线

图11  西北电网历史及预测夏季典型日负荷曲线

图12  西北电网历史及预测冬季典型日负荷曲线

5 结论

1）在充分分析西北各省（区）近10年8760统调负荷数据的基础上，总结西北各省（区）负荷特性变化规律：①最大负荷利用小时数先升后降；②季不均衡系数近年来稳步下降；③日负荷率、日最小负荷率变化趋于稳定；④日负荷曲线变化不大。

2）根据历史西北电网实际负荷特性的统计分析结果，并考虑了负荷结构调整、负荷发展速度等因素，西北电网负荷特性发展趋势的分析如下：①随着经济发展速度放缓、经济发展进入新常态，西北五省（区）负荷特性变化不大，将维持现有水平。②随着产业结构持续调整，三产占比逐渐升高。由于目前西北地区第三产业用电整体比重低，近几年内，产业结构调整对西北电网负荷特性的影响不大。③中长期，随着煤改电、电采暖等电能替代执行，冬季负荷将会进一步增大，西北电网最大负荷保持在冬季供暖期。④随着电动汽车的普及，电力市场需求响应机制的进一步推进，夜间负荷有可能进一步抬高。

3）根据西北电网负荷特性变化趋势，结合经济发展、产业结构、气候环境、国家政策导向等多方面因素，对西北各省（区）2025年年负荷特性和日负荷特性进行了预测，2025年西北电网呈夏季、冬季双高峰，冬季高峰高于夏季高峰。夏季日负荷呈1个午高峰（13时）和2个晚高峰（18时、22时），冬季日负荷呈1个午高峰（12时）和1个晚高峰（19时）。

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作者简介：

陈颖(1991)，女，硕士，工程师，从事电力系统规划工作。