电网发展的阶段论

胡列翔，徐 谦，张全明，赵荣祥，甘德强，吴 浩

（1.浙江省电力公司，杭州 310007；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310058）

浙江省是全国经济发展最快的地区之一，改革开放以来，GDP一直保持平均两位数增长，“十一五”期间年均增长11.9%。与此相应，浙江电网的负荷也处于快速发展期，“十一五”期间全省最大负荷和年用电量年均增长12.4%和11.8%。2010年，浙江全省用电量2 824亿kWh，最大负荷4 560万kW，人均用电量5 185 kWh。

自1990年开始，欧、美、日等发达国家的年用电量增长率仅为1%～3%，2000年后，增长速度进一步放缓，这表明电力负荷的发展具有饱和性。由此，我国部分经济发达地区已开展了饱和负荷预测的研究[1-2]，以满足电网中长期发展规划的需要。

初步研究表明，估计浙江电网负荷饱和时的年用电量为5 500亿kWh，最大负荷为10 500万kW，人均用电量为9 000～10 000 kWh[3]。而2011年全省最大用电负荷已突破5 000万kW。可见，目前浙江省的用电量和负荷指标已达到饱和值的约50%。

显然，研究发达国家的电网发展过程，科学划分电网的发展阶段，掌握电网各发展阶段的特点，对我国电网的可持续发展具有重要意义。

1 日本和英国人均用电量的发展

一个地区的年用电量不仅反映了该地区的电网发展水平，也反映了其经济和社会发展水平，而人均用电量则进一步排除了人口增减的影响，具有更强的可比性。此外，与装机容量、变电站供电半径、输电线长度等具体的电网数值特征指标相比，用电量数据较公开，易于获取。因此，以下以人均用电量为主要依据，辅以年用电量和电网建设信息，研究电网发展阶段的特征。

图1和图2显示了1960—2008年日本和英国人均用电量及年增长率的变化情况[4]。

图1 日本的人均用电量及年增长率

图2 英国的人均用电量及年增长率

由图1可见，日本的人均用电量曲线并不光滑，增长率曲线具有较大的波动性。总的来看，48年间，日本的人均用电量增长了7.4倍，其中，1960—1970年的增长率约为12%～15%，1970—1990年大约为5%，1990年后降至1.5%左右。

图2表明，英国人均用电量曲线的波动性更明显，年增长率曲线则大致展现了从7%左右降至0%的趋势。48年间，英国的人均用电量仅增长了2.5倍，间接表明半个世纪以来英国的经济和社会发展较为缓慢。从这一角度来看，日本电网的发展过程对我国电网的发展研究更具有参考价值。

年增长率及人均用电量曲线的大幅降低与相应时期的经济和能源状况密切相关。如1974年和1980年的2个最低点可归结于该时期的两次能源危机，2008年日本人均用电量的大幅减少可归结于该年发生的全球金融危机。由于用电量数据易受经济和能源等外部条件的影响，故进行电网发展阶段的研究前，可以剥离数据中的偶然波动性。

2 Logistic模型及发展阶段的划分

1838年提出的Logistic模型可用来模拟一种事物在资源限制状态下呈“S”型增长的发展过程，目前已广泛应用于人口学、城市规划、生态学、知识增长、社会交往、商业组织等研究领域。该模型一般可表示成以下形式[5-6]：

式中：U（t）称为Logistic函数，表示所研究的变量关于时间的函数；a是与函数初始值有关的参数；b是增长参数；c为函数的饱和值。图3显示了Logistic函数曲线及其相关的3个特征点。

图3 Logistic函数曲线

由图3可见，Logistic函数为单调递增函数，随着t的增长，经历了缓慢增长、快速增长和饱和增长3个阶段。其相应的增长速度曲线具有唯一的单峰，对应于特征点Dm；增长加速度曲线有3个特征点，其中Dm的加速度为0，D1和D2分别对应于最大和最小加速度的特征点。

显然，3个特征点将Logistic函数曲线分为4段，可解读为初始发展阶段、快速发展阶段、后发展阶段和饱和发展阶段，这为科学划分具有缓慢增长、快速增长和饱和增长特性的发展阶段提供了依据。

3 日本和英国电网发展阶段的划分

利用Logistic模型拟合日本和英国的人均用电量和年用电量曲线，结果见表1。

表1 基于Logistic模型的日本和英国电网发展阶段

由表1可见，从人均用电量和年用电量2个角度，日本电网均获得了相近的发展阶段划分，即：在20世纪60年代中期进入快速发展阶段；约15年后，在70年代末进入后发展阶段；再约15年后，在90年代中期进入饱和发展阶段；2008年其人均用电量和年用电量均接近饱和值的90%。图4和图5对比了日本人均用电量/年用电量的原始数据和拟合结果，可见，Logistic模型取得了较好的拟合效果。

英国的人均用电量和年用电量拟合效果不佳，表现为表1中区分后发展和饱和发展阶段的特征点D2有10年的差距，原因是1960—2008年英国的人均用电量和年用电量仅增长了2.5和2.9倍，相当于日本相应值的1/3，较小的数据变化幅度制约了拟合的精度。

图4 日本人均用电量及Logistic模型拟合

图5 日本年用电量及Logistic模型拟合

尽管如此，从表1仍可看出，英国电网大致在20世纪40年代前期进入快速发展阶段，60年代后期进入后发展阶段，1990年前后进入饱和发展阶段。作为对这一论断的支持，图6给出了1950—1980年英国中央发电局超高压输电线建设的统计结果[7]。由图可见，1955—1970年，特别是1965—1970年，是英国400 kV输电系统的建设高峰。考虑到电力工业的先行性，故判断英国电网的快速发展至后发展转折点位于60年代后期是合理、可信的，从而认为上述发展阶段的划分也基本合理。

此外，表1也表明，在3个特征点上，日本电网的年增长率均大于英国电网的年增长率。因此，年增长率不能作为划分电网发展阶段的依据。

4 结语

图6 英国中央发电局1950—1980年超高压输电线的建设

根据Logistic模型，电网发展可划分为初始发展、快速发展、后发展和饱和发展4个阶段。日本电网1960—2008年人均用电量和年用电量的数据研究表明，其快速发展和后发展阶段均持续约15年；而英国同类数据和相关资料的研究表明，电网建设的高峰出现在快速发展和后发展阶段转折点前0～10年。

由浙江电网2010年及负荷饱和时的年用电量和人均用电量可知，目前用电指标的数值已达到饱和值的约50%，参考日本等国的发展周期，可以认为浙江电网在“十二五”末、“十三五”初将进入后发展期，在“十四五”末、“十五五”初可能进入饱和发展期。

电网的不同发展阶段具有不同的电网规划、建设、运行、维护和管理任务，掌握电网发展所处的阶段有利于适时调整工作重点、把握工作方向。因此，学习和借鉴发达国家的电网在不同发展阶段的经验和教训，对保证我国电网的可持续发展具有重要意义。

[1]崔凯，李敬如，赵彪，等．城市饱和负荷及其预测方法研究[J]．电力供需分析，2008，20（6）:34-38.

[2]王芳东，林韩，李传栋，等．基于经济曲线饱和态势分析的饱和负荷宏观预测研究[J]．华东电力，2010，38（10）:1485-1490.

[3]浙江省电力试验研究院．电网规划模型研究[R]．2008.

[4]世界银行（World Bank）[EB/OL]．http://data.worldbank.org/.

[5]陈彦光，周一星．城市化Logistic过程的阶段划分及其空间解释——对Northam曲线的修正与发展[J]．经济地理，2005，25（6）:817-822.

[6]王建军，吴志强．城镇化发展阶段划分[J]．地理学报，2009，64（2）:177-188.

[7]R.JACKSON，J.FERGUSON，G.LEWIS，R.GIBBON．Supergrid condition assessment[J]．Electronics and Power，1987，33（10）:641-644.