盛瓊,朱曉東,駱麗楠,顧澤

(1.湖州市氣象局,浙江湖州313000;2.湖州市電力局,浙江湖州313000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平的提高,用電需求與氣象要素的關(guān)系越來(lái)越密切,近年來(lái)許多研究也表明了這一點(diǎn)(羅森波等,2007;唐毅等,2007;藏曉鐘等,2001)。付桂琴(2008)分析了不同時(shí)段用電負(fù)荷的主要?dú)庀笥绊懸蜃?并建立了最大用電負(fù)荷的氣象預(yù)測(cè)模型。賀芳芳等(2008)通過(guò)對(duì)比評(píng)估高溫日和6—9月氣象條件對(duì)用電需求的影響,建立了日用電量和日最大用電負(fù)荷氣象變化量預(yù)評(píng)估和后評(píng)估模型。鐘利華等(2008)引入了有效溫度,綜合衡量了氣象因素對(duì)廣西用電負(fù)荷的影響。由于不同區(qū)域的氣候條件、地理環(huán)境以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)等地區(qū)差異較大,所以氣象條件對(duì)用電需求的影響也不相同(陳志巧,2006),因此,分析當(dāng)?shù)貧庀髼l件與用電需求的關(guān)系是非常有必要的。本文通過(guò)分析2006—2008年用電量及最大用電負(fù)荷的變化特征,結(jié)合本地氣候特點(diǎn),試圖找出湖州地區(qū)氣象要素與用電量、最大負(fù)荷的關(guān)系,這對(duì)節(jié)能減排,實(shí)現(xiàn)合理電力調(diào)度有著重要的意義。

1 資料和處理方法

1.1 資料

所用資料為2006—2008年湖州日用電量、日最大用電負(fù)荷,以及湖州本站同時(shí)期逐日平均氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫、相對(duì)濕度、雨量、風(fēng)速等氣象要素。由于節(jié)假日期間用電比工作日偏小,本文剔除了雙休日、春節(jié)、國(guó)慶節(jié)等節(jié)假日數(shù)據(jù)。

1.2 處理方法

電力消費(fèi)是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和生活水平的提高而逐步增長(zhǎng)的,它的變化受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣象條件等諸多因素的制約。日用電量和日最大用電負(fù)荷L可表示為:L=Lt+Lm+Lh。其中:Lt為趨勢(shì)項(xiàng),是由國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展而帶動(dòng)的用電增長(zhǎng);Lm為波動(dòng)項(xiàng),即為氣象條件對(duì)用電的影響,它是造成電力消費(fèi)波動(dòng)的主要因素;Lh為節(jié)假日效應(yīng)項(xiàng)和其他隨機(jī)因素對(duì)用電的影響(段海來(lái)和千懷遂,2009)。由于本文中所用數(shù)據(jù)已剔除節(jié)假日,而隨機(jī)因素對(duì)用電的貢獻(xiàn)較小,可以忽略不計(jì),因此上式可簡(jiǎn)化為:L=Lt+Lm。本文采用線性關(guān)系來(lái)表示趨勢(shì)項(xiàng)Lt,即:Lt=a+bt。式中:t表示樣本序列;a、b使用最小二乘法確定。波動(dòng)項(xiàng)Lm為:Lm=L-Lt。做相對(duì)變換定義lm為L(zhǎng)m=lm/Lt×100,表示日用電量或日最大用電負(fù)荷隨氣象因子的變化率。文中日用電量隨氣象因子的變化定義為日用電量氣象變化率lml,日最大用電負(fù)荷隨氣象因子變化定義為日最大用電負(fù)荷氣象變化率lmh。由于lm是一個(gè)百分比,不受時(shí)間和空間影響,具有可比性,相對(duì)于Lm更能較好地描述氣象因子對(duì)用電的影響。

2 用電量及最大用電負(fù)荷的變化特征

分析2006—2008年的日用電量、日最大用電負(fù)荷的變化(圖1)可以發(fā)現(xiàn),雖然逐日用電量及最大用電負(fù)荷差異較大,但總的來(lái)說(shuō)兩者均表現(xiàn)出明顯的年周期變化,且穩(wěn)步遞增。這是由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高造成的。為了更好地研究氣象條件對(duì)用電的影響,從用電量和最大用電負(fù)荷中把受氣象因子影響的分量提取出來(lái)是非常有必要的。

圖1 2006—2008年湖州日用電量(a)和日最大用電負(fù)荷(b)的變化(直線為線性趨勢(shì))Fig.1 Variations of(a)daily electricity consumption and(b)daily m ax im um electrical load in Huzhou from2006to2008(The straight lines denote the linear trend)

圖2 2006—2008年年平均各月用電量(a)和最大用電負(fù)荷(b)Fig.2 (a)M onthly electricity consumption and(b)m onthly m axim um electrical load averaged from2006to2008

進(jìn)一步分析3a平均的各月用電量及最大用電負(fù)荷(圖2)可以發(fā)現(xiàn),二者各月的差異非常明顯,7月、8月為峰值,2月為谷值,其余月份則相差不大。7月、8月時(shí)值盛夏,天氣炎熱,制冷等用電居高不下,月用電量高達(dá)88 000×104kW·h左右,最大用電負(fù)荷高達(dá)1 500MW左右;2月用電最少,月用電量只有40 000×104kW·h左右,不足7月、8月的一半,最大負(fù)荷1 100MW左右,這是由于2月比其余月份少2～3d,而且春節(jié)多在此時(shí)段,節(jié)日放假,用電需求明顯偏低,雖然本文所用資料已經(jīng)剔除節(jié)假日數(shù)據(jù),但節(jié)假日前后用電需求也較低,這也造成2月成為全年用電量及最大用電負(fù)荷最小的月份。

3 氣象要素與用電量、最大用電負(fù)荷的相關(guān)分析

由于湖州市通常情況下平均風(fēng)速的變化較小,對(duì)用電的影響相對(duì)也較小,通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)平均風(fēng)速與lmh、lml沒(méi)有明顯的相關(guān)性,許多研究(付桂琴,2008;鐘利華等,2008)也表明風(fēng)速對(duì)用電需求的影響不大,因此本文不再對(duì)其做深入研究。

將2006—2008年全時(shí)間段內(nèi)逐日l(shuí)mh、lml與同時(shí)段內(nèi)逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、雨量等氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明,lmh、lml與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)約為0.6,通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn),與降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速的相關(guān)不顯著。進(jìn)一步逐月分析lmh、lml與氣象要素的關(guān)系發(fā)現(xiàn),不同月份不同氣象因子對(duì)lmh、lml的影響有所區(qū)別(表1),但相同月份與lmh、lml相關(guān)顯著的氣象因子基本相同。

由表1可見(jiàn),lmh、lml與氣象因子相關(guān)性顯著的月份集中在6—10月,其余月份相關(guān)性較差。1—5月、11月中,除了3月、4月雨量與lml呈負(fù)相關(guān)外,其余月份各氣象因子與lmh、lml的相關(guān)性不顯著,也就是說(shuō)氣象要素的變化對(duì)用電量及最大用電負(fù)荷的影響不大。至6月起,平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫與lmh、lml的正相關(guān)系數(shù)驟然增大,這表明隨著氣溫的上升,用電量及最大用電負(fù)荷明顯增大,特別是6—9月,兩者的相關(guān)系數(shù)都在0.7～0.8。這是由于進(jìn)入夏季,天氣炎熱,制冷用電增加造成。到了10月,雖然lmh、lml與平均氣溫、最高氣溫仍為正相關(guān),但相關(guān)系數(shù)的值與6—9月相比明顯偏小,這可能是由于進(jìn)入秋季后氣溫逐步下降,高溫天氣減少所致。此外,6—10月,lmh、lml與相對(duì)濕度、雨量的負(fù)相關(guān)性也比較好,說(shuō)明夏季,降水越多,濕度越大,天氣越?jīng)鏊?用電就越少。

表1 各月lmh、lml與氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of lmhor lmland the meteorological elements from January to December

12月,進(jìn)入冬季后最高氣溫越高,天氣暖和,取暖用電越少,用電就越少;相對(duì)濕度增大,天氣潮濕陰冷,取暖、烘干用電增加,所以lmh、lml與最高氣溫呈負(fù)相關(guān),與相對(duì)濕度呈正相關(guān)。

4 lmh、lml對(duì)氣溫變化的敏感度

4.1 lmh、lml隨氣溫的變化特征

為了更清楚地表示lmh、lml隨氣溫的變化特征,根據(jù)本地逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和lmh、lml,分別建立回歸方程。圖3為由回歸方程繪制的在本地氣溫變幅內(nèi),lmh、lml隨氣溫的變化曲線。據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì),近十年來(lái),湖州本站平均氣溫變幅在-3～34℃,最高氣溫變幅在-1～39℃,最低氣溫變幅在-7～30℃。由圖3可見(jiàn),在本地氣溫變幅內(nèi),lmh、lml的值域一般在-5%～20%,也就是說(shuō),隨著氣溫變化,用電量和最大用電負(fù)荷的變化率最大可達(dá)20%。

lmh隨平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的變化曲率要大于lml,這說(shuō)明最大用電負(fù)荷對(duì)氣溫變化的響應(yīng)要比用電量更加敏感。而且lmh、lml隨氣溫的變化曲線均為兩頭高、中間低的不對(duì)稱形態(tài),在較高溫度下,lmh、lml的值明顯大于氣溫較低時(shí),即在溫度較高時(shí),氣溫的變化對(duì)用電量和最大用電負(fù)荷的影響要比氣溫較低時(shí)大很多,這也說(shuō)明夏季制冷用電要明顯多于冬季取暖用電。

由繪制圖3的回歸方程可計(jì)算得到表2數(shù)據(jù)。從表2可以清楚地看到,在不同溫度取值范圍內(nèi),氣溫對(duì)用電量和最大用電負(fù)荷的影響程度也不同。當(dāng)lmh、lml為負(fù)值時(shí),氣溫對(duì)用電量和最大用電負(fù)荷的影響最小,兩者的值由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí),影響加大,尤其是當(dāng)平均氣溫超過(guò)29(30)℃,或最高氣溫超過(guò)34(35)℃,或最低氣溫超過(guò)24(28)℃時(shí),lmh(lml)的值大于10%,用電量和最大用電負(fù)荷隨著氣溫的升高而急劇增加。在溫度較低時(shí),lml的值小于5%,即用電量和最大用電負(fù)荷的最大變化率只有5%,只有當(dāng)平均氣溫≤-2℃,或最高氣溫≤1℃,或最低氣溫≤-5℃時(shí),lmh的值才能達(dá)到5%～10%。

圖3 lmh、lml隨平均氣溫(a)、最低氣溫(b)、最高氣溫(c)的變化Fig.3 V ariations of lmhand lmlw ith(a)m ean temperature,(b)m inim um temperature,and(c)m axim um temperature

表2 lmh、lml不同值域?qū)?yīng)的氣溫取值范圍Table 2 The range of temperature under different values of lmhand lml℃

4.2 氣溫變化1℃效應(yīng)

全球氣候變暖,已引起世界各國(guó)專家學(xué)者和政府的高度重視(Li et al.,1995;Zhai et al.,1999;Manton et al.,2001;Guan and Yamagata,2003;侯偉芬等,2004;彭海燕等,2005;林昕和管兆勇,2008;潘文卓等,2008),IPCC第4次評(píng)估報(bào)告指出,最近100a(1906—2005年)全球平均地表溫度上升了(0.74±0.18)℃(IPCC,2007)。而由以上分析可知,在6—10月lmh、lml與氣溫相關(guān)性最好。下面著重分析6—10月的情況,當(dāng)氣溫變化1℃時(shí),對(duì)用電量及最大用電負(fù)荷的影響程度有何不同。選取6—10月逐日l(shuí)mh、lml值及相對(duì)應(yīng)的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫,逐月進(jìn)行回歸分析,建立回歸方程:y=a+bx,回歸系數(shù)b,即為氣溫變化1℃效應(yīng)。分別計(jì)算當(dāng)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變化1℃時(shí),lmh、lml值的變化,結(jié)果見(jiàn)表3。表中所有值均為正,說(shuō)明隨著氣溫的升高,用電量及最大用電負(fù)荷增大,這與前面的分析結(jié)果一致,尤其是7月、8月,lmh、lml的值可達(dá)2%～5%,即氣溫升高1℃,用電量及最大用電負(fù)荷的變化率均超過(guò)2%,尤其是對(duì)用電量的影響最大,當(dāng)平均氣溫升高1℃時(shí),用電量的變化為4%～5%。由表3還可以看出,最高氣溫變化1℃時(shí)的效應(yīng)沒(méi)有平均氣溫、最低氣溫的明顯。

表3 6—10月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變化1℃時(shí)lmh、lml的變化Table 3 The variations of lmhand lmlwhen the mean,maxim um and minim umtemperatures change1℃from June to October%

5 日最大用電負(fù)荷及日用電量預(yù)測(cè)模型的建立

在生產(chǎn)實(shí)際中,電力調(diào)度部門(mén)往往更加關(guān)注日用電量Ld、日最大負(fù)荷Lf的預(yù)測(cè)。以前1d的日用電量Ld-1、日最大負(fù)荷Lf-1、當(dāng)天各氣象要素為自變量,采用逐步回歸方法建立日用電量Ld、日最大負(fù)荷Lf的預(yù)報(bào)方程,分別為L(zhǎng)d=0.953×Ld-1-3.534×P+1.892×t+93.914,Lf=0.951×Lf-1-1.381×P+0.813×t+47.833。式中:P表示降水量(mm);t表示平均氣溫(℃)。兩個(gè)方程的決定系數(shù)R2分別為0.94、0.96。利用上式擬合日用電量、日最大負(fù)荷,計(jì)算得到的擬合值和實(shí)際值相比平均絕對(duì)誤差依次為3.5%、3.3%,擬合效果較好,可以應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

6 小結(jié)

2006—2008年的用電量及最大用電負(fù)荷均表現(xiàn)出年周期變化,且穩(wěn)步遞增,但月差異明顯,7月、8月為峰值,2月為谷值,其余月份相差不大。

計(jì)算日用電量氣象變化率lml、日最大用電負(fù)荷氣象變化率lmh,并與氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析表明,不同月份不同氣象因子對(duì)用電量及最大用電負(fù)荷的影響各有不同。lmh、lml與氣象因子相關(guān)性顯著的月份集中在6—10月,尤其是與氣溫呈顯著的正相關(guān),與雨量、相對(duì)濕度基本呈負(fù)相關(guān)。

進(jìn)一步分析氣溫對(duì)用電量及最大用電負(fù)荷的影響表明,在不同溫度范圍,氣溫對(duì)用電量及最大用電負(fù)荷的影響程度也不同。隨著氣溫變化,用電量和最大用電負(fù)荷的變化率最大可達(dá)20%;最大負(fù)荷對(duì)氣溫變化的響應(yīng)要比用電量更加敏感;在溫度較高時(shí),氣溫的變化對(duì)用電量和最大用電負(fù)荷的影響要比氣溫較低時(shí)大很多。通過(guò)6—10月氣溫變化1℃效應(yīng)的分析表明,7月、8月,氣溫升高1℃時(shí),lmh、lml的變化最大,可達(dá)2%～5%。

采用逐步回歸方法,建立日用電量、日最大負(fù)荷預(yù)測(cè)模型,擬合效果較好,可以應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

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