“煤改电”工程实施前后农网负荷特性分析
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网北京经济技术研究院的研究人员刘艳茹、杨卫红、王基、贡晓旭，在2017年第4期《电气技术》杂志上撰文，为了科学开展农村电力需求预测及统筹农网规划，选取了北京、天津武清、河北保定三个“煤改电”重点实施区域农网，结合新一轮农村电网改造升级开展的机井通电、村村通动力电、小城镇（中心村）电网改造升级等专项规划，开展了“煤改电”工程实施后的电力需求预测，并对比了“煤改电”工程实施前后农网的负荷特性变化，分析了农村电力需求的适应能力。
随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，我国环境污染日趋严重，温室气体减排压力巨大。近几年来，我国遭遇了大范围的雾霾天气，特别是在冬季供暖期，部分北方城市达到重度污染，严重影响了人民群众生产生活和生命健康。
党和政府高度重视节能减排工作，党的十八大把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业总体布局。2013年国务院颁布了《大气污染防治行动计划》，同年环境保护部、国家发改委等六部委颁布了《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》，明确提出了大气污染治理方针和措施。
目前，已初步明确2016-2017年在京津冀区域开展“煤改电”工程，“煤改电”负荷的接入会对电网带来负荷大幅且不均衡增长、电网峰谷差加大等影响，“煤改电”实施区域的负荷特性将发生变化[1]。
本文通过开展“煤改电”区域负荷预测，同时结合实施“煤改电”农网区域开展的农村机井通电、村村通动力电、小城镇（中心村）电网改造升级等新一轮农村电网改造升级工程的电力需求，分析“煤改电”工程实施后农村负荷特性变化，综合考虑其对电网规划运行产生的影响，为科学开展农村电力需求预测、统筹农村电网规划、提高农网适应性提供参考。
1 农村负荷类型及特点
农村居民用电按电价类别一般可分为农村居民生活、农业生产、农村一般工商业及其它三大类。根据农村发展水平差异，各类用电类别电量水平亦有相应不同，一般来讲经济发展水平相对较低的地区，居民生活用电所占比重较大。
（1）农村居民生活用电
农村居民生活用电可分为照明负荷和家用电器负荷。照明电器主要是白炽灯和日光灯，家用电器主要有电磁炉、空调、电冰箱、电视机、电暖气等。随着农村居民生活水平的不断提高，居民生活用电迅猛增长。农村居民用电在一日内变化较大，白天和深夜用电量较小，而每天晚上八点左右用电量较大。
农村居民用电季节用电量也变化很大。南方酷暑时节，通风降温用电，如电风扇、大功率空调大量使用，使生活用电负荷大大增加。在北方地区，为实现《大气污染防治行动计划》目标，通过农村地区取暖“煤改电”工程建设，电热器将成为居民冬季取暖的主要方式。在冬季，随着部分电采暖设备的投入使用，将造成北方地区冬季负荷明显增加。
（2）农业生产用电
农业生产主要涵盖农业排灌、大棚种植、农产品加工、畜牧业养殖等，其用电特征是时间集中、机械用电负荷大，季节性特征明显，非生产季节设备闲置，用电负荷直线下降，供电设施投资回报率较低。
1）排灌用电
影响排灌用电的主要因素为气候状况，在风调雨顺、气候正常的情况下，排灌用电减少；反之，用电量增加。
2）农副业加工用电
农副业加工用电主要用于农村脱粒、粮食、饲料加工用电。脱粒的时间一般集中在5、7、10-11月份3个时期。
（3）农村一般工商业
1）乡（镇）村工业用电
在经济发达的省（市、地区），乡（镇）村工业用电已发展为门类齐全的工业结构，成为农村经济中的主要支柱。乡（镇）村工业用电量已在农村用电中占较大比重。一般拥有固定的组织、生产场所、生产设备和从业人员，常年从事生产经营活动，或从事季节性生产经营，全年开工时间在3个月以上。
2）商业用电
商业负荷主要是指为从事商业经营或围绕商业的一些其它服务行业（如餐饮、娱乐部门等）提供照明、动力、通风和空调等用电负荷。它的特点是用电增长平稳，具有季节性并且易受天气变化影响。在节假日时，其他用电负荷基本上处于较低水平，而商业负荷却正是处于最高用电阶段。
综上所述，根据农村电力负荷类型，农村电力负荷主要有以下特点[2]：
（1）季节性
农村主要以农耕为主，受到很强的季节性干扰。灌溉以及农产品的生产以及加工都主要集中在春秋两季，从而使得这两个季节的负荷相对较高，而淡季夏冬两季负荷则较低。
（2）功率因数低
农村用户很少出现大型无功补偿设备，都采用小型异步电动机，致使无功损失偏大，功率因数很低，致使网损较大。
（3）农网结构改变较大
随着新型城镇化和美丽乡村建设，将会带来农村产业机构的变化，负荷情况也会发生改变。
2 农村“煤改电”工程实施后的电力需求预测
2.1 负荷预测方法
负荷预测方法[3]主要有回归分析法、时间序列法、指数平滑法、灰色模型法、专家系统法、人工神经网络法等。
在进行农网电力负荷预测时，应充分考虑到国家近期的扶贫攻坚、大气污染防治、新一轮农村电网改造等一系列农村建设改造政策，结合“煤改电”、机井通电、小城镇（中心村）电网改造升级、村村通动力电、扶贫开发工程等专项工程，根据其当地负荷类型及其特点开展农村负荷预测[4]，部分用电负荷指标如下表所示。
表1 部分用电负荷指标
开展“煤改电”工程的地区，其冬季负荷较实施“煤改电”工程前有一定增幅，根据该地区用户情况，电采暖户均供电容量按照6-9千瓦考虑，同时率按照0.4-0.6考虑，在其历史冬季负荷基础上，相应增加电采暖负荷。
2.2 电力需求预测
选取北京、天津武清、河北保定三个农村“煤改电”重点实施区域，根据各地“十三五”新一轮农村电网改造升级规划，“煤改电”、农村机井通电、村村通动力电、小城镇（中心村）电网改造升级等专项工程的建设时间为2016-2017两年时间，因此选取2017年为规划年开展负荷预测，分析“煤改电”等各专项工程实施后对农网负荷带来的影响。2017年北京、天津、河北保定农村“煤改电”区域电力需求预测结果如下表所示。
表2 各地“煤改电”区域农村电力需求预测结果（单位：万千瓦）
注：北京市“十三五”期间无机井通电、动力电、小城镇（中心村）建设需求；天津市“十三五”期间无机井通电、动力电建设需求。
可以看出，结合各专项规划及其他自然增长负荷预测结果，2017年北京、天津武清、河北保定三地“煤改电”实施区域的农网最大负荷分别为652、130、282万千瓦；各地区负荷都有较大幅度的增长，其中河北保定地区农网负荷年均增速达到了132%，主要由于其新增“煤改电”负荷占比较大，为62%。北京地区农网负荷年均增速相对较低，为35%，主要由于其新增“煤改电”负荷占比较小，仅为18%。
从2016-2017年新增负荷来看，河北保定农网新增“煤改电”负荷较大，为175万千瓦，天津武清2016-2017年农网新增“煤改电”负荷较小，为33万千瓦；天津武清包含小城镇（中心村）改造升级新增负荷，河北保定包含机井通电、村村通动力和小城镇（中心村）改造升级新增负荷，但总量均较小。
3 农村“煤改电”工程实施前后的负荷特性分析
结合北京、天津武清、河北保定三个地区农网“煤改电”实施重点区域的电力需求预测结果，对比其现状年（2015年）和规划年（2017年）的负荷特性，重点分析“煤改电”工程实施完成后对当地农网负荷特性的影响。
3.1 北京“煤改电”重点区域农网负荷特性分析
（1）年负荷特性
北京“煤改电”实施重点区域农网2015年现状年负荷曲线（蓝色）如图1所示。可以看出，“煤改电”工程实施前，北京地区最大负荷出现在8月，为482万千瓦，季不均衡系数[1]为0.8。
2017年北京农村地区“煤改电”工程实施后，预计新增电采暖负荷（绿色区域）主要集中在冬季1-3月和11-12月，11月达到峰值，为119万千瓦，占其农网负荷的18%。
2017年北京地区年负荷预测曲线（红色）如图1所示，“煤改电”工程实施后，北京地区最大负荷出现在11月，预计为652万千瓦，季不均衡系数仍为0.8，年负荷曲线波动程度变化不大。
图1 北京农网“煤改电”工程实施前后年负荷曲线（单位：万千瓦）
（2）年最大日负荷变化曲线
以现状年（2015年）夏大和冬大日负荷曲线为基础，结合北京新增“煤改电”和其他自然增长负荷的日负荷特性曲线，叠加得到规划年（2017年）夏大和冬大日负荷曲线数据，如图2所示。
可以看出，夏季典型日的最大负荷一般出现在晚间的16－20点，“煤改电”工程实施前后夏季最大日负荷曲线变化不大，而冬季典型日的最大负荷时刻发生变化。主要由于“煤改电”工程的电采暖负荷一般出现在冬季的采暖季，因此仅冬季典型日负荷曲线发生变化。
图2 北京农网“煤改电”工程实施前后日负荷曲线（单位：万千瓦）
以日最大负荷为基准值，北京“煤改电”实施重点区域农网2015、2017年最大日负荷率曲线如图3所示。可以看出，“煤改电”工程实施前，冬季典型日的最大负荷一般出现在晚间的20－24点；“煤改电”工程实施后，冬季典型日最大负荷一般出现在晚间时段的22点到早上7点。“煤改电”工程实施前后冬季典型日的最大负荷峰谷差率[2]分别为5%和19%，平均负荷率[3]分别为0.97和0.89。
主要由于北京农村地区现状负荷曲线较平稳，峰谷差不大，“煤改电”工程的实施，造成北京农网地区的负荷峰谷差变大，负荷曲线波动明显。
图3 北京农网“煤改电”工程实施前后年最大日负荷曲线
3.2 天津武清“煤改电”重点区域农网负荷特性分析
（1）年负荷特性
天津武清“煤改电”实施重点区域农网2015年现状年负荷曲线（蓝色）如图4所示。可以看出，“煤改电”工程实施前，天津武清地区最大负荷出现在8月，为85万千瓦，季不均衡系数为0.87。
2017年，天津武清农村地区“煤改电”工程实施后，预计新增电采暖负荷（绿色区域）主要集中在冬季1-3月和11-12月，1月达到峰值，为32.7万千瓦，占其农网负荷的25%。
2017年天津武清地区年负荷预测曲线（红色）如图4所示，“煤改电”工程实施后，天津武清地区最大负荷出现在1月，预计为129万千瓦，季不均衡系数为0.8，负荷曲线波动程度增大。
图4 天津武清区农网“煤改电”工程实施前后年负荷曲线（单位：万千瓦）
（2）年最大日负荷变化曲线
以现状年（2015年）夏大和冬大日负荷曲线为基础，结合天津新增“煤改电”、小城镇（中心村）及其他自然增长负荷的日负荷特性曲线，叠加得到规划年（2017年）夏大和冬大日负荷曲线数据，如图5所示。
可以看出，夏季典型日的最大负荷一般出现在上午的9－11点，“煤改电”工程实施前后夏季最大日负荷曲线变化不大，而冬季典型日的最大负荷时刻发生变化。主要由于“煤改电”工程的电采暖负荷一般出现在冬季的采暖季，因此仅冬季典型日负荷曲线发生变化。
图5 天津武清农网“煤改电”工程实施前后日负荷曲线（单位：万千瓦）
以日最大负荷为基准值，天津武清“煤改电”实施重点区域农网2015、2017年最大日负荷率曲线如图6所示。可以看出，“煤改电”工程实施前，冬季典型日的最大负荷一般出现在上午的9－11点；“煤改电”工程实施后，冬季典型日最大负荷一般出现在晚上的18－20点。“煤改电”工程实施前后冬季典型日的最大负荷峰谷差率分别为40%和42%，平均负荷率分别为0.81和0.8，负荷曲线波动程度变化不大。
图6 天津武清农网“煤改电”工程实施前后年最大日负荷曲线
3.3 河北保定“煤改电”重点区域农网负荷特性分析
（1）年负荷特性
河北保定“煤改电”实施重点区域农网2015年现状年负荷曲线（蓝色）如图7所示。“煤改电”工程实施前，河北保定地区最大负荷出现在7月，为121万千瓦，季不均衡系数为0.8。
2017年，河北“煤改电”工程实施后，预计新增电采暖负荷（绿色区域）主要集中在冬季1-3月和11-12月，1月达到峰值，为175万千瓦，占其农网负荷的62%，比重较大。
2017年河北保定地区年负荷预测曲线（红色）如图7所示，“煤改电”工程实施后，河北保定地区最大负荷出现在1月，预计为395万千瓦，季不均衡系数为0.57。主要由于河北地区“煤改电”新增负荷比重较高，导致季不均衡系数下降，年负荷曲线波动程度增大。
图7 河北保定农网“煤改电”工程实施前后年负荷曲线（单位：万千瓦）
河北保定“煤改电”实施重点区域农网的机井通电新增负荷较小，且由于供暖期和灌溉季节不同步，负荷不会叠加，初步认为“煤改电”工程建设需求基本能够覆盖机井通电建设需求。
（2）年最大日负荷变化曲线
以现状年（2015年）夏大和冬大日负荷曲线为基础，结合天津新增“煤改电”、机井通电、动力电、小城镇（中心村）及其他自然增长负荷的日负荷特性曲线，叠加得到规划年（2017年）夏大和冬大日负荷曲线数据，如图8所示。
可以看出，夏季典型日的最大负荷一般出现在上午的9－11点，“煤改电”工程实施前后夏季最大日负荷曲线变化不大，而冬季典型日的最大负荷时刻发生变化。主要由于“煤改电”工程的电采暖负荷一般出现在冬季的采暖季，因此仅冬季典型日负荷曲线发生变化。
图8 河北保定农网“煤改电”工程实施前后日负荷曲线（单位：万千瓦）
以日最大负荷为基准值，河北保定“煤改电”实施重点区域农网2015、2017年最大日负荷率曲线如图9所示。可以看出，“煤改电”工程实施前，冬季典型日的最大负荷一般出现在上午的9－11点和下午17-19点；“煤改电”工程实施后，冬季典型日最大负荷一般出现在晚上的22点到凌晨7点。
“煤改电”工程实施前后冬季典型日的最大负荷峰谷差率分别为51%和66%，平均负荷率分别为0.75和0.6。主要由于其农网地区新增“煤改电”负荷比重较高，由于电采暖负荷时段性的特点，造成“煤改电”工程实施后河北农网地区的负荷峰谷差较大，日负荷曲线波动明显。
图9 河北保定农网“煤改电”工程实施前后年最大日负荷曲线
3.4 “煤改电”实施后农网负荷变化趋势分析
（1）从北京、天津武清、河北保定“煤改电”实施重点区域农网的年负荷特性来看，“煤改电”工程实施后，各地负荷特性曲线高峰均由夏季转移到冬季，当地电采暖负荷需求比重越高，季不均衡系数越低，负荷曲线波动性越明显。
（2）从北京、天津武清、河北保定“煤改电”实施重点区域农网的冬季负荷最大日负荷曲线来看，“煤改电”工程实施后，由于电采暖负荷的增加，冬季典型日最大负荷由上午时段转移到晚间时段，当地“煤改电”工程新增负荷需求比重越高，其日负荷曲线的峰谷差越高，负荷曲线波动性越明显。
（3）“煤改电”实施重点区域农网的机井通电、小城镇（中心村）、动力电等新增负荷均相对较小，且由于供暖期和灌溉季节不同步，灌溉负荷与取暖负荷基本不会叠加，初步认为“煤改电”负荷需求基本覆盖机井通电、小城镇（中心村）建设、通动力电的农网负荷需求。
4 结论
通过对“煤改电”实施后农网负荷特性开展分析研究，总结如下：
（1）“煤改电”工程实施后，京津冀区域农网负荷都有较大幅度的增长。
由于供暖期和灌溉季节不同步，且小城镇（中心村）、动力电负荷相对较小，初步认为在“煤改电”需求较大的农网，“煤改电”负荷需求基本能够覆盖机井通电、小城镇（中心村）建设、通动力电等农网专项工程的新增负荷需求。在开展农村电力需求预测过程中，应结合“煤改电”、农村机井通电负荷季节性特点，统筹考虑农村通动力电、小城镇（中心村）改造升级等各专项规划的电力需求。
（2）“煤改电”工程实施后，农网的年负荷曲线和典型日负荷曲线峰谷时段均发生了偏移。
从年负荷曲线来看，“煤改电”工程实施后，各地负荷特性曲线高峰均由夏季转移到冬季，当地“煤改电”工程新增负荷需求比重越高，季不均衡系数越低，负荷曲线波动性越明显；从年最大日负荷曲线来看，“煤改电”工程实施后，由于电采暖负荷的增加，冬季典型日最大负荷由上午时段转移到晚间时段，当地“煤改电”工程新增负荷需求比重越高，其日负荷曲线的峰谷差越高，负0荷曲线波动性越明显。
（3）应统筹考虑“煤改电”工程实施的影响，科学开展配电网规划和建设。
1）从负荷预测结果来看，由于“煤改电”负荷增长较大，在开展配电网规划时，“煤改电”工程地区建设规模基本能够覆盖农网其他专项工程建设需求。但考虑配电网负荷分散性特点，在“煤改电”工程未覆盖到的农网地区，仍需考虑其他专项工程的建设需求。
2）从“煤改电”工程实施后负荷特性变化来看，“煤改电”工程实施后的农网地区最大负荷出现在冬季，传统的“迎峰度夏”将转变为“迎峰度冬”，在项目开工投产、计划检修安排等过程中，应考虑其负荷特性变化对电网建设和运行带来的影响，确保电网安全稳定供电。