電網發展的階段論

胡列翔，徐 謙，張全明，趙榮祥，甘德強，吳 浩

（1.浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310058）

浙江省是全國經濟發展最快的地區之一，改革開放以來，GDP一直保持平均兩位數增長，“十一五”期間年均增長11.9%。與此相應，浙江電網的負荷也處于快速發展期，“十一五”期間全省最大負荷和年用電量年均增長12.4%和11.8%。2010年，浙江全省用電量2 824億kWh，最大負荷4 560萬kW，人均用電量5 185 kWh。

自1990年開始，歐、美、日等發達國家的年用電量增長率僅為1%～3%，2000年后，增長速度進一步放緩，這表明電力負荷的發展具有飽和性。由此，我國部分經濟發達地區已開展了飽和負荷預測的研究[1-2]，以滿足電網中長期發展規劃的需要。

初步研究表明，估計浙江電網負荷飽和時的年用電量為5 500億kWh，最大負荷為10 500萬kW，人均用電量為9 000～10 000 kWh[3]。而2011年全省最大用電負荷已突破5 000萬kW。可見，目前浙江省的用電量和負荷指標已達到飽和值的約50%。

顯然，研究發達國家的電網發展過程，科學劃分電網的發展階段，掌握電網各發展階段的特點，對我國電網的可持續發展具有重要意義。

1 日本和英國人均用電量的發展

一個地區的年用電量不僅反映了該地區的電網發展水平，也反映了其經濟和社會發展水平，而人均用電量則進一步排除了人口增減的影響，具有更強的可比性。此外，與裝機容量、變電站供電半徑、輸電線長度等具體的電網數值特征指標相比，用電量數據較公開，易于獲取。因此，以下以人均用電量為主要依據，輔以年用電量和電網建設信息，研究電網發展階段的特征。

圖1和圖2顯示了1960—2008年日本和英國人均用電量及年增長率的變化情況[4]。

圖1 日本的人均用電量及年增長率

圖2 英國的人均用電量及年增長率

由圖1可見，日本的人均用電量曲線并不光滑，增長率曲線具有較大的波動性。總的來看，48年間，日本的人均用電量增長了7.4倍，其中，1960—1970年的增長率約為12%～15%，1970—1990年大約為5%，1990年后降至1.5%左右。

圖2表明，英國人均用電量曲線的波動性更明顯，年增長率曲線則大致展現了從7%左右降至0%的趨勢。48年間，英國的人均用電量僅增長了2.5倍，間接表明半個世紀以來英國的經濟和社會發展較為緩慢。從這一角度來看，日本電網的發展過程對我國電網的發展研究更具有參考價值。

年增長率及人均用電量曲線的大幅降低與相應時期的經濟和能源狀況密切相關。如1974年和1980年的2個最低點可歸結于該時期的兩次能源危機，2008年日本人均用電量的大幅減少可歸結于該年發生的全球金融危機。由于用電量數據易受經濟和能源等外部條件的影響，故進行電網發展階段的研究前，可以剝離數據中的偶然波動性。

2 Logistic模型及發展階段的劃分

1838年提出的Logistic模型可用來模擬一種事物在資源限制狀態下呈“S”型增長的發展過程，目前已廣泛應用于人口學、城市規劃、生態學、知識增長、社會交往、商業組織等研究領域。該模型一般可表示成以下形式[5-6]：

式中：U（t）稱為Logistic函數，表示所研究的變量關于時間的函數；a是與函數初始值有關的參數；b是增長參數；c為函數的飽和值。圖3顯示了Logistic函數曲線及其相關的3個特征點。

圖3 Logistic函數曲線

由圖3可見，Logistic函數為單調遞增函數，隨著t的增長，經歷了緩慢增長、快速增長和飽和增長3個階段。其相應的增長速度曲線具有唯一的單峰，對應于特征點Dm；增長加速度曲線有3個特征點，其中Dm的加速度為0，D1和D2分別對應于最大和最小加速度的特征點。

顯然，3個特征點將Logistic函數曲線分為4段，可解讀為初始發展階段、快速發展階段、后發展階段和飽和發展階段，這為科學劃分具有緩慢增長、快速增長和飽和增長特性的發展階段提供了依據。

3 日本和英國電網發展階段的劃分

利用Logistic模型擬合日本和英國的人均用電量和年用電量曲線，結果見表1。

表1 基于Logistic模型的日本和英國電網發展階段

由表1可見，從人均用電量和年用電量2個角度，日本電網均獲得了相近的發展階段劃分，即：在20世紀60年代中期進入快速發展階段；約15年后，在70年代末進入后發展階段；再約15年后，在90年代中期進入飽和發展階段；2008年其人均用電量和年用電量均接近飽和值的90%。圖4和圖5對比了日本人均用電量/年用電量的原始數據和擬合結果，可見，Logistic模型取得了較好的擬合效果。

英國的人均用電量和年用電量擬合效果不佳，表現為表1中區分后發展和飽和發展階段的特征點D2有10年的差距，原因是1960—2008年英國的人均用電量和年用電量僅增長了2.5和2.9倍，相當于日本相應值的1/3，較小的數據變化幅度制約了擬合的精度。

圖4 日本人均用電量及Logistic模型擬合

圖5 日本年用電量及Logistic模型擬合

盡管如此，從表1仍可看出，英國電網大致在20世紀40年代前期進入快速發展階段，60年代后期進入后發展階段，1990年前后進入飽和發展階段。作為對這一論斷的支持，圖6給出了1950—1980年英國中央發電局超高壓輸電線建設的統計結果[7]。由圖可見，1955—1970年，特別是1965—1970年，是英國400 kV輸電系統的建設高峰。考慮到電力工業的先行性，故判斷英國電網的快速發展至后發展轉折點位于60年代后期是合理、可信的，從而認為上述發展階段的劃分也基本合理。

此外，表1也表明，在3個特征點上，日本電網的年增長率均大于英國電網的年增長率。因此，年增長率不能作為劃分電網發展階段的依據。

4 結語

圖6 英國中央發電局1950—1980年超高壓輸電線的建設

根據Logistic模型，電網發展可劃分為初始發展、快速發展、后發展和飽和發展4個階段。日本電網1960—2008年人均用電量和年用電量的數據研究表明，其快速發展和后發展階段均持續約15年；而英國同類數據和相關資料的研究表明，電網建設的高峰出現在快速發展和后發展階段轉折點前0～10年。

由浙江電網2010年及負荷飽和時的年用電量和人均用電量可知，目前用電指標的數值已達到飽和值的約50%，參考日本等國的發展周期，可以認為浙江電網在“十二五”末、“十三五”初將進入后發展期，在“十四五”末、“十五五”初可能進入飽和發展期。

電網的不同發展階段具有不同的電網規劃、建設、運行、維護和管理任務，掌握電網發展所處的階段有利于適時調整工作重點、把握工作方向。因此，學習和借鑒發達國家的電網在不同發展階段的經驗和教訓，對保證我國電網的可持續發展具有重要意義。

[1]崔凱，李敬如，趙彪，等．城市飽和負荷及其預測方法研究[J]．電力供需分析，2008，20（6）:34-38.

[2]王芳東，林韓，李傳棟，等．基于經濟曲線飽和態勢分析的飽和負荷宏觀預測研究[J]．華東電力，2010，38（10）:1485-1490.

[3]浙江省電力試驗研究院．電網規劃模型研究[R]．2008.

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

[5]陳彥光，周一星．城市化Logistic過程的階段劃分及其空間解釋——對Northam曲線的修正與發展[J]．經濟地理，2005，25（6）:817-822.

[6]王建軍，吳志強．城鎮化發展階段劃分[J]．地理學報，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.