氣象因素對江蘇夏季高峰負(fù)荷的影響研究

管益斌 ，陳 哲 ，李 強 ，周建華 ，陳文浩

(1.江蘇電力調(diào)度控制中心，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測是制定發(fā)供電計劃、安排經(jīng)濟調(diào)度、進行安全評估的基礎(chǔ)。在眾多影響負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確性的因素中，溫度、濕度等氣象因素是比較重要的方面。因此，詳細(xì)研究溫度、濕度等氣象因素與負(fù)荷，尤其是夏季峰荷之間的關(guān)系顯得尤為重要。

文獻[1]以南京市夏、冬季節(jié)為研究對象，從多個方面分析了導(dǎo)致負(fù)荷快速增長的氣溫與負(fù)荷之間的關(guān)系。文獻[2]以山東省近幾年的負(fù)荷和用電量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在分析了各種氣象因素對負(fù)荷和用電量的影響后，得出了影響較大的因素是氣溫的結(jié)論。文獻[3]分析了夏季氣象條件中地區(qū)空調(diào)負(fù)荷與日最高氣溫、日平均濕度之間的關(guān)系，劃分了影響空調(diào)負(fù)荷變化的溫度敏感區(qū)，得出了敏感區(qū)內(nèi)氣溫是影響空調(diào)負(fù)荷關(guān)鍵因素的結(jié)論。文獻[4]以浙江省多年的用電量和氣溫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從中分離出與氣溫敏感的氣溫電量，分析了電量與氣溫的相關(guān)關(guān)系，重點研究了氣溫電量隨氣溫變化的規(guī)律，最后提出了完善與改進相關(guān)模型的幾點建議。文獻[5]利用華東電網(wǎng)省市氣象觀測資料和歷史負(fù)荷進行分析，找到了影響電網(wǎng)氣象負(fù)荷的關(guān)鍵氣象因子，并建立了相關(guān)模型。通過對典型日估算的省市氣象負(fù)荷與模型擬合負(fù)荷進行印證，并據(jù)此推導(dǎo)出華東全網(wǎng)氣象負(fù)荷與關(guān)鍵氣象因子的擬合關(guān)系。文獻[6]引入了生物氣象學(xué)中的實感溫度、溫濕指數(shù)、寒濕指數(shù)、舒適度指數(shù)4個指標(biāo)來綜合衡量氣象因素對電力負(fù)荷的影響。并以重慶市區(qū)為例，分析了各綜合指數(shù)與負(fù)荷的關(guān)系，繪制出觀測年內(nèi)的電力負(fù)荷與綜合指數(shù)的關(guān)系曲線。文獻[7]分析了福州市居民用電情況和負(fù)荷曲線的特點，對最高負(fù)荷與各氣象因素進行相關(guān)分析，著重分析了居民日負(fù)荷與氣溫的關(guān)系并計算了單位溫升效應(yīng)。文獻[8]通過同一區(qū)域的曲線比較說明了引入各氣象指數(shù)的合理性，通過不同區(qū)域的曲線比較說明了不同區(qū)域的負(fù)荷與氣象指數(shù)關(guān)系的差異，并提出網(wǎng)格化建立負(fù)荷預(yù)測模型的必要性。文獻[9]指出南昌市電力負(fù)荷量對氣候變化的響應(yīng)主要表現(xiàn)在夏季極端高溫和冬季極端低溫對電力負(fù)荷的波動量的影響。

1 溫度和濕度特性分析

1.1 溫度特性分析

江蘇地處長江下游，屬于溫帶向亞熱帶的過渡性氣候。全省各地平均氣溫介于13～16℃，由東北向西南逐漸增高。7月、8月份的氣溫多在25～35℃，極端最高氣溫可達38℃左右。全省經(jīng)濟發(fā)達，空調(diào)負(fù)荷大，夏季高溫天氣對居民生產(chǎn)生活用電負(fù)荷影響顯著。江蘇南北跨度大，各地區(qū)氣溫存在一定的差別，有必要按照地市區(qū)域來研究溫度與負(fù)荷的關(guān)系，從而確保研究結(jié)果能夠反映實際情況。以南京為例，近兩年（2010年、2011年）的夏季日最高溫度變化情況如圖1所示。

圖1 近兩年南京夏季日最高溫度變化情況

由圖1可以看出，夏季高峰負(fù)荷期間，南京最高溫度波動比較劇烈，波動范圍主要集中在20～35℃這一區(qū)間范圍內(nèi)，最高溫度差值高達20℃。為全面分析江蘇夏季高溫天氣特性，有必要對夏季的高溫天數(shù)（日最高氣溫超過35℃的天數(shù)）進行統(tǒng)計分析。近兩年江蘇各地區(qū)高溫天數(shù)統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 近兩年江蘇各地區(qū)高溫天數(shù)統(tǒng)計

由圖2可以看出，與2011年相比，2010年江蘇夏季高溫天數(shù)較多，且呈現(xiàn)南多北少的格局，即長江沿岸的蘇州、南通、無錫、泰州、無錫、鎮(zhèn)江、揚州和南京的夏季高溫天數(shù)較多，江蘇北部地區(qū)的徐州、連云港、宿遷、淮南和鹽城地區(qū)高溫天數(shù)較少，該現(xiàn)象表明溫度對江蘇各地區(qū)負(fù)荷的影響程度具有一定的差異性。

1.2 濕度特性分析

在一定溫度下，固定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。空氣潮濕的程度，可用相對濕度（RH）表示。RH是指空氣實際所含水蒸汽密度和同溫下飽和水蒸氣密度的百分比值。通常，從6月中旬到7月上旬前后，江蘇處于梅雨季節(jié)。持續(xù)連綿的陰雨、氣溫高、濕度大是梅雨季節(jié)的主要特征。持續(xù)的潮濕悶熱天氣使得濕度對江蘇的負(fù)荷影響較大。近兩年（2010年、2011年）南京夏季日最高RH的變化情況如圖3所示。

圖3 近兩年南京夏季日最高相對濕度變化情況

由圖3看出，6月中旬到7月上旬前后，梅雨季節(jié)期間南京地區(qū)的相對濕度在75%及以上。結(jié)合圖1和圖3：梅雨季節(jié)期間，江蘇通常不會出現(xiàn)夏季日最高溫度天氣。為弄清楚夏季江蘇濕度分布情況，將江蘇各地市濕度情況看作一個樣本進行統(tǒng)計分析，各個濕度區(qū)間的累積概率分布如圖4所示。可以看出：近兩年迎峰度夏期間，江蘇全省有超過80%天數(shù)的濕度大于60%。

圖4 近兩年江蘇濕度狀況的累積概率分布

2 負(fù)荷特性分析

江蘇各個地市夏季最高負(fù)荷與最高溫度的相關(guān)程度較高。隨著溫度的增加，負(fù)荷呈現(xiàn)增長趨勢，但負(fù)荷也并不完全依照溫度的變化而變化，具有明顯的滯后和累積效應(yīng)。近兩年（2010年、2011年）夏季期間南京日最高負(fù)荷如圖5所示。

圖5 近兩年南京夏季日最高負(fù)荷變化情況

由圖5可以看出，夏季高峰負(fù)荷期間，負(fù)荷變動較大。僅南京地區(qū)，最高負(fù)荷范圍為4000～7000 MW，最大波動達3000 MW，這與電網(wǎng)空調(diào)負(fù)荷比例較高具有一定的關(guān)系。

3 負(fù)荷與溫度和濕度相關(guān)性分析

為方便分析，本文首先分別研究在溫度相對固定時，濕度對負(fù)荷的影響，以及在濕度相對固定時，溫度對負(fù)荷的影響，然后再根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果得出負(fù)荷分別對溫度、濕度的敏感性。考慮到最高負(fù)荷與最大用電量通常發(fā)生在工作日，同時為避免負(fù)荷自身發(fā)生改變影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，本文特意剔除了節(jié)假日、周末及天氣突變的影響。江蘇不同地區(qū)夏季氣溫和濕度存在較大的差異，為保證分析結(jié)果的有效性，需要分別針對江蘇13個地區(qū)進行分析。現(xiàn)以南京地區(qū)為例展開詳細(xì)的分析。

3.1 南京地區(qū)

以2010年迎峰度夏期間南京地區(qū)負(fù)荷和溫度、濕度歷史數(shù)據(jù)為樣本進行統(tǒng)計分析。

3.1.1 負(fù)荷與溫度之間關(guān)系

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，2010年迎峰度夏期間南京的主要氣候情況表現(xiàn)為：19～24℃區(qū)間樣本比較完整，24℃以上隨著溫度的升高，樣本分布逐步趨向低濕度區(qū)域。各濕度水平下（每個小區(qū)間視為一個濕度）負(fù)荷隨溫度的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 南京溫度與負(fù)荷之間關(guān)系

由圖6可以得出南京地區(qū)負(fù)荷隨溫度的變化關(guān)系：27～31℃區(qū)間，負(fù)荷與溫度之間的敏感性水平較低，稱之為弱敏感區(qū)；31～35℃區(qū)間隨溫度上升，負(fù)荷呈現(xiàn)較快增長態(tài)勢，稱之為強敏感區(qū)；35℃以上區(qū)間隨溫度上升，負(fù)荷對溫度的敏感性降低，稱之為過敏感區(qū)。由近兩年南京夏季濕度樣本概率分布的統(tǒng)計結(jié)果可知，迎峰度夏期間濕度大于60%的概率高于80%。此外，考慮到氣溫偏高情況下，南京通常不會出現(xiàn)80%以上的高濕度天氣。因此，選取60%～70%濕度為研究對象，采用插值擬合的方法得出溫度與負(fù)荷之間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 南京地區(qū)負(fù)荷與溫度的變化關(guān)系

對應(yīng)的擬合結(jié)果如下：

式（1）中：x 為南京地區(qū)溫度值，f（x）為該溫度下對應(yīng)的負(fù)荷值。根據(jù)對南京地區(qū)溫度與負(fù)荷之間關(guān)系的擬合結(jié)果，可以得出該地區(qū)溫度與負(fù)荷之間的關(guān)系。

（1）27～31℃為低敏感區(qū)，溫度每增長1℃，負(fù)荷增加120 MW左右；

（2）31～35℃為高敏感區(qū)，溫度每增長1℃，負(fù)荷增加200 MW左右；

（3）35℃以上為過敏感區(qū)，溫度每增長1℃，負(fù)荷增加100 MW左右。

3.1.2 負(fù)荷與濕度的變化關(guān)系

基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以得到在各個溫度下（每個小區(qū)間視為一個溫度），負(fù)荷隨濕度的變化關(guān)系，如圖8所示。

圖8 南京濕度與負(fù)荷之間關(guān)系

由圖8可以看出，在不同的溫度下（每一個小區(qū)間視為一個溫度），負(fù)荷與濕度的關(guān)系不盡相同。當(dāng)溫度在31℃左右，濕度在50%～70%區(qū)間時，濕度對負(fù)荷的影響非常明顯，具體表現(xiàn)為：在該區(qū)間內(nèi)，負(fù)荷隨濕度的增加而穩(wěn)步上升。當(dāng)溫度進一步增加時，濕度呈下降趨勢，其對負(fù)荷的影響也逐步降低。總之，相比較于溫度，濕度對江蘇夏季峰荷的影響要小得多，且濕度與江蘇夏季峰荷之間的關(guān)系也不是很明顯。

3.2 江蘇全省

同理，對全省其他12個地區(qū)的歷史負(fù)荷和溫度濕度數(shù)據(jù)進行分析，可以得到：在氣象因素中，影響江蘇夏季峰荷的主要因素是溫度，而不是濕度。近兩年（2010年、2011年）江蘇省13個地區(qū)其溫度每上升1℃時的負(fù)荷變化值如表1所示。通過對全省13個地區(qū)的負(fù)荷對氣溫和濕度的敏感性分析可以看出：在27～31℃的低敏感區(qū)，溫度每增長1℃，江蘇全省負(fù)荷在2010年和2011年分別增加1150 MW和1300 MW左右；在31～35℃的高敏感區(qū)，溫度每增長1℃，負(fù)荷分別增加1750 MW和2000 MW左右；35℃以上的過敏感區(qū)，溫度每增長1℃，負(fù)荷分別增加850 MW和1000 MW左右。

若2012年溫度、濕度每單位變化引起的空調(diào)負(fù)荷波動比例與2011水平年一致，則預(yù)計2012年夏季，在27～31℃的低敏感區(qū)，溫度每增長1℃，江蘇全省負(fù)荷將增加1450 MW左右；在31～35℃的高敏感區(qū)，溫度每增長1℃，江蘇全省負(fù)荷將增加2200 MW左右；在35℃以上的過敏感區(qū)，溫度每增長1℃，江蘇全省負(fù)荷將增加1100 MW左右。預(yù)測2012年度最高負(fù)荷將達75000 MW，其中空調(diào)負(fù)荷約22000 MW。通過以上分析，可得到如下結(jié)論：（1）溫度是影響江蘇電網(wǎng)夏季高峰負(fù)荷的主導(dǎo)氣象因素，濕度對電網(wǎng)負(fù)荷的影響主要發(fā)生在梅雨季節(jié)。（2）夏季高溫期間，濕度與溫度具有一定的反向關(guān)聯(lián)性，溫度升高通常會伴隨濕度的降低。（3）空調(diào)負(fù)荷的使用越來越趨于穩(wěn)定性和趨同性，當(dāng)氣溫達到27℃左右，江蘇電網(wǎng)負(fù)荷與溫度關(guān)聯(lián)性變強。（4）迎峰度夏期間江蘇經(jīng)常采用限電措施來保障電力有效供給，在一定程度上破壞氣溫、濕度等氣象指標(biāo)與負(fù)荷之間的耦合關(guān)系，本次分析采用了還原后的數(shù)據(jù)，但分析結(jié)果仍可能存在一定偏差。

表1 溫度每上升1℃時的負(fù)荷變化值 MW

4 結(jié)束語

基于2010年、2011年夏季氣溫、濕度和負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)，江蘇省各地區(qū)夏季氣溫和濕度的變化特性，以及江蘇電網(wǎng)夏季負(fù)荷對溫度和濕度的敏感性，為進一步做好夏季負(fù)荷預(yù)測工作，在上述分析的基礎(chǔ)上，還需要繼續(xù)深入研究各種氣象因素在不同季節(jié)和不同時段對負(fù)荷的影響，構(gòu)建更為準(zhǔn)確、更加適合江蘇電網(wǎng)夏季負(fù)荷分析模型。由于天氣復(fù)雜多變，預(yù)報難度大，預(yù)報準(zhǔn)確率有限，尤其是中長期天氣預(yù)報準(zhǔn)確率不高。因此，今后仍需進一步加強與氣象臺的溝通交流，及時獲取準(zhǔn)確的天氣變化信息。

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