山东电网饱和负荷及负荷空间分布研究

张伟昌 ，贾善杰 ，薛万磊 ，路 宽 ，赵 昕

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250001）

0 引言

随着我国城市工业化、城镇化步伐的逐步加快，城市的土地资源日趋紧张，加之城市环保要求的提高，城市电网发展与城市发展之间的协调问题越来越突出。如果在城市电网建设过程中缺乏长远规划，随着城市的发展势必进行大规模、频繁的改扩建，增加电网建设成本，造成社会资源的重复浪费。

在城市电网建设中，不但需要知道饱和负荷的总量，还需要知道负荷增长的位置，即空间负荷分布，才能更准确地进行电网变电站布点和电网的建设［1］。 空间负荷预测也称为小区负荷预测［2］，主要思路是将城市分成若干小区，再预测每个小区的负荷［3－4］。对于小区饱和负荷预测，空间负荷预测方法的精度比其他预测方法高［5］。鉴于城市建设及负荷的快速增长，且在经历充分发展后将趋于饱和的特点，本文基于空间饱和负荷密度，建立空间饱和负荷预测模型，并以山东省为例，对城市电网饱和负荷密度及负荷空间分布进行预测研究。

1 空间饱和负荷的概念和特征

电力负荷密度与人均GDP、人口密度、用地性质和区域的经济规划布局关系密切，随着社会经济指标的增长而增长。从发达国家或地区的经验来看，区域电力需求经历充分发展后将趋于饱和。其中，饱和负荷是指负荷变化不随时间有阶跃性增长，而是按照自然规律呈现较平缓增长的状态。图1为一个地区的负荷增长呈S型曲线规律的示意图。可见，负荷在经过一段时期的较快增长后，进入低速平缓增长阶段，即饱和阶段。此阶段的负荷称为饱和负荷。

图1 负荷增长过程示意图

参考美国、日本等发达国家不同发展阶段经济和电力需求的关系，一个地区电力负荷进入饱和阶段时一般具有如下特征：（1）电力负荷水平比较高，且长期低速平稳增长，一般连续5年左右年均负荷增长率不超过4%。（2）经济规模比较大，并且产业结构比较合理、稳定。（3）土地用途变更较少。如果一个城市的远景规划，从低负荷密度向高负荷密度转变的土地比较少，则可认为该地区已经暂时进入饱和阶段［6－12］。

2 空间饱和负荷模型的建立

空间负荷密度与城市经济发展、区域中的地块功能（人口密度、商业化、工业化程度）等方面相关，因此建立以空间负荷密度为主的城市负荷的数学模型为

式中：L为全地区负荷预测值；n为划分的地块数量；ki为第i个地块上各功能区负荷的同时率；Dij为第i个地块上第j种功能区的负荷密度；Sij为第i个地块上第j种功能区的占地面积。

当城市电力负荷经历了较快增长的时期后，负荷密度就会达到饱和，这时，式（1）就转化为空间饱和负荷模型。

2.1 逻辑功能区划分方法

逻辑功能区划分是通过跨地块分析和预测各种功能区的负荷密度，把不同地块上的同一用电性质的用户组合成一种逻辑功能区。这种方法不针对某个具体的地块分析其负荷密度，只要用户的数量足够多，用户的典型性较强，分析得到的负荷密度就可以代表同类用户，就可以作为该功能区的负荷密度，见图2。由于逻辑功能区划分得到的功能区用电性质都是单一的，因此分析结果的准确性较高。此外，按照这种方法分析得到的功能区负荷密度在应用时也比较灵活方便，相近的功能区也可以划归为统一类型，如图2中的地块2的居民用户很少，就把地块2近似为商业功能区。

图2 逻辑功能区划分示意图

在运用逻辑功能区划分法完成功能区划分后，根据市政规划部门提供的某地块上各种使用性质的土地面积，套用相应的功能区负荷密度，即可汇总该地块的总负荷水平以及负荷空间分布。

2.2 空间饱和负荷模型参数的确定

从式（1）中可知，要准确预测饱和负荷，各功能区的饱和负荷密度Dij的选取是关键。饱和负荷密度与地块使用性质有直接关系。因此，饱和负荷密度的预测应以详细的城市总体用地规划和人口规划为基础，同时考虑每类功能区在城市所处的地理位置、气候条件、人文氛围、经济发展的历程和发展规模等。比如，在统计居民住房用地的负荷密度时，就不仅要考虑土地面积的影响，还要考虑小区容积率的影响。一块地开发为高层建筑，建筑容积率大，建筑面积大；开发为别墅区，其建筑容积率小，建筑面积小。显然开发为高层建筑的单位占地负荷密度大，开发为别墅区的单位占地负荷密度小。因此，单位用地面积负荷通过单位建筑面积负荷乘以其地块的建筑容积率来推导更合理。式（1）也相应修正为

式中：rij为第i地块第j类功能区的建筑容积率；Dij为第i地块第j类功能区以建筑面积计的饱和负荷密度。

在式（2）的基础上，通过对成熟居民区、商业区和工业区等取样调查和对比分析，就可以获得地区各功能地块的单位建筑面积饱和负荷。

2.3 地块负荷同时率的确定

根据上述方法把各地块的负荷合并成每一个分区的总负荷值时，可以预测出各分区的远景饱和负荷。对于不同类别的负荷，因负荷特性不同，出现的最大负荷时间段不相同，如居民用电，高峰在18：00—24：00。 而行政办公集中用电时间在 8：00—18：00，商业用电在9：00—22：00，即存在一个负荷同时率的问题。因此，对于不同类型的负荷不能直接把他们相加。根据对各个地区的地理位置和气候条件、工业发展的调研情况，负荷同时率一般变化不大，可以取一个相应的数值。该值一般在0.6～0.9之间，以商贸服务业为主的城市，其负荷同时率较大，取0.85。

3 山东省及分地区饱和负荷预测

21世纪以来，山东省重工业化特征明显，这一阶段以基础原材料工业和加工装配工业为重心，以四大高耗能为代表的重工业高速发展为主要特征，是工业化发展的高潮阶段。排除金融危机的影响，重工业阶段电力消费弹性系数明显大于1。虽然近期经历了金融危机的影响，且今后一段时期仍处于节能降耗以及产业结构的政策调整中，但目前山东省重工业发展阶段并未完全结束，还可持续一段时间。“十二五”时期，山东将从重工业阶段逐步向高加工度阶段转变，进入工业化进程的后半段。此后，预计还需5～10年才能完成工业化。山东用电结构以二产用电占据主导，工业化进程的延续，也将使用电保持一定的增速，如图3、图4所示。

图3 山东省用电量长期走势

图4 山东省中长期用电增速趋势

在研究出现饱和电量（电量持续低增长）时的经济与用电指标时，既要考虑普遍规律，又要考虑山东省的实际情况。通过前面的综合分析，选取适合山东省的指标如表1。

4 山东省饱和电力需求预测结果

通过前面多因素分析，以电力需求持续低增长，年均负荷增长率不超过2%为主要判据，预测全省电力需求将在2030—2035年进入饱和阶段。全省饱和电量超过10000亿kWh，饱和负荷（考虑同时率）超过1.7亿kW；饱和时人均电量达到10000kWh左右，人均负荷接近17MW，全省平均负荷密度在1.1MW／km2左右。

表1 出现饱和电量时经济与用电指标

表2 达到饱和阶段时全省及其各地市主要用电指标

在研究中，从区域经济发展理论、山东17地市经济社会及国内外宏观经济环境的实际、各地市经济发展特点等因素进行分析，得出结论：2030年前，全省各地市经济、社会及需电量等指标的差距仍存在，但差距在逐年缩小。需要指出的是，全省饱和负荷是一个整体的平均水平概念，各地市因发展特点不同，进入饱和阶段的时间以及饱和指标特征也会有明显差别。济南、青岛等省内发展较快地区，将会比全省平均水平早几年进入饱和阶段，而菏泽、临沂等发展较滞后地区将比全省晚几年达到饱和。

5 结语

本文主要采用负荷密度及饱和负荷分析预测方法来研究城市电网的电力需求和负荷空间分布，以饱和指标为边界条件和依据，结合多种数学模型预测，采用典型负荷功能区逻辑划分方法，首次明确提出山东省电力需求进入饱和阶段的时间和饱和特征量指标，对山东省经济社会所处的发展阶段给出明确定位，推断全省完成工业化进入发达阶段的时间，提出适合山东省特点的负荷饱和判据。

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