隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進，能源消耗持續(xù)增加，由此造成的環(huán)境污染、溫室氣體排放問題日趨嚴(yán)重。2020年9月，我國在第75屆聯(lián)合國大會上提出，中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。實施“煤改電”工程、研究“煤改電”工程影響下的電網(wǎng)負荷特性，對減少碳排放、實現(xiàn)碳中和具有重要意義。

“煤改電”工程是北京市實施空氣污染治理工作、落實首都清潔空氣計劃的一項重要政治工程和民生工程。根據(jù)北京市的總體部署，某郊區(qū)所有具備條件的農(nóng)村地區(qū)共完成147個村、5.21萬戶“煤改電”改造，實現(xiàn)冬季采暖無煤化。

2016年“煤改電”工程實施以來，該區(qū)冬季電網(wǎng)負荷發(fā)生大幅且不均衡增長、峰谷差值增大等深刻變化，于2017年冬季最大負荷達到42.68萬kW，首次超過夏季最大負荷39.87萬kW。此后，該區(qū)電網(wǎng)冬季負荷節(jié)節(jié)攀升，不斷刷新該區(qū)電網(wǎng)負荷歷史新高。

2020年冬季由于受多次極端“寒潮”天氣影響，該地區(qū)冬季（2021年1月7日）電網(wǎng)最大瞬時負荷達到59.21萬kW，同比2019年冬季（2019年12月31日）最大負荷47.78萬kW增長23.92%（其中采暖負荷占比約59.64%），負荷增長幅度遠超預(yù)期值，給地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度、搶修、服務(wù)等各項工作帶來較大壓力，可以說“煤改電”負荷已成為影響該區(qū)冬季電網(wǎng)負荷的主要因素。

但是，目前尚缺乏對“煤改電”負荷特性的全面系統(tǒng)性認識和分析。本文基于“煤改電”智能服務(wù)平臺，從“網(wǎng)—線—點”負荷多角度出發(fā)，對地區(qū)“煤改電”系統(tǒng)、線路、用戶負荷特性進行深度挖掘和分析，獲得具有實用性的結(jié)論，為地區(qū)電網(wǎng)負荷預(yù)測及安全可靠運行、統(tǒng)籌農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)劃、提高優(yōu)質(zhì)服務(wù)質(zhì)量提供參考。

1 “煤改電”智能服務(wù)平臺

“煤改電”智能服務(wù)平臺整合物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，對電網(wǎng)設(shè)備、“煤改電”用戶、環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)中心、5G通信等模塊進行融合化建設(shè)，由數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層構(gòu)成，如圖1所示。為深化“煤改電”數(shù)據(jù)融合，同時打造綠色能源運行中心，“煤改電”智能服務(wù)平臺以“煤改電”智能服務(wù)為基礎(chǔ)保障、以物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為技術(shù)保障、以優(yōu)化業(yè)務(wù)流程規(guī)范為制度保障、以“煤改電”實時監(jiān)控平臺發(fā)布服務(wù)工單和運維提升為監(jiān)督保障，解決“煤改電”管理中的電網(wǎng)安全、投訴和運維問題。

圖1 “煤改電”智能服務(wù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：“煤改電”智能服務(wù)平臺電網(wǎng)側(cè)接入電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)；用戶側(cè)接入配電臺區(qū)精益化管理系統(tǒng)、綜合能源管控系統(tǒng)；同時物聯(lián)網(wǎng)智能終端接入電采暖設(shè)備監(jiān)測、氣溫環(huán)境、用戶負荷等數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層實現(xiàn)了實時監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析。

應(yīng)用層：該層為平臺功能應(yīng)用模塊，可實現(xiàn)“煤改電”負荷的運行監(jiān)測、智能調(diào)控、地圖展示、工程概況、用戶管理、設(shè)備管理、能效分析、負荷預(yù)測等功能。

展現(xiàn)層：該層為用戶交互業(yè)務(wù)界面，用戶可通過PC端或者大屏端直接訪問、操作“煤改電”智能服務(wù)平臺，實現(xiàn)“煤改電”負荷的監(jiān)視控制及展示匯報等功能。

“煤改電”智能服務(wù)平臺對內(nèi)應(yīng)用于監(jiān)測、輔助決策、分析研判、展示匯報等業(yè)務(wù)，對外為本區(qū)域“煤改電”用戶、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶及政府等其他市場主體提供多元化、互動化、定制化的服務(wù)，實現(xiàn)綠色、低碳采暖可視化。

2 地區(qū)系統(tǒng)負荷分析

2.1 最大日負荷曲線特點

城鄉(xiāng)居民生活用電可分為照明電器負荷和家用電器負荷。照明電器主要是白熾燈和日光燈，家用電器主要有電磁爐、空調(diào)、電冰箱、電視機、電暖氣等?！懊焊碾姟惫こ虒嵤┖?，農(nóng)村采暖電器如儲能式電暖器、空氣源熱泵系統(tǒng)被大量應(yīng)用，成為農(nóng)村地區(qū)主要采暖方式和耗能電器。

隨著“煤改電”工程實施及地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整，北京該郊區(qū)負荷及供電量呈穩(wěn)步增長趨勢。用電量中，第一產(chǎn)業(yè)占2.76%，第二產(chǎn)業(yè)占35.05%，第三產(chǎn)業(yè)占34.01%，城鄉(xiāng)居民生活用電占28.18%。而北京市發(fā)改委為推進冬季“煤改電”節(jié)能減排，“煤改電”自采暖居民峰谷電價的谷段時間在20:00至次日08:00執(zhí)行較低的居民電價。

該區(qū)電網(wǎng)2019年和2020年冬季最大日負荷曲線如圖2所示。冬季電網(wǎng)最大負荷從20:00開始出現(xiàn)明顯陡增，并在20:00至21:00之間出現(xiàn)最大值，負荷增長時間段與北京政府政策20:00開始執(zhí)行“煤改電”谷段電價時段正好吻合。這是由于部分儲能式“煤改電”用戶會在20:00左右同時自動開啟電采暖設(shè)備，同時率較高導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)負荷攀升明顯。在08:00至09:00之間同樣有一個負荷高峰，則是由于大量工商業(yè)開啟用電設(shè)備導(dǎo)致。

圖2 2019和2020冬季最大日負荷曲線

2.2 最大負荷發(fā)生規(guī)律

通過“煤改電”智能服務(wù)平臺從歷史數(shù)據(jù)庫中選取2019年冬季（2019年12月4日至2020年1月3日）和2020年冬季（2020年12月11日至2021年1月10日）最大負荷日附近31天的日最低氣溫及相應(yīng)日最大負荷分別進行對比，同時以最大負荷日（2019年12月31日和2021年1月7日）為基準(zhǔn)點進行一一對應(yīng)，如圖3和圖4所示。

圖3 2019年與2020年日最低氣溫對比

圖4 2019年與2020年日最大負荷對比

通過綜合對比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，2020年冬季最低氣溫（-22℃）發(fā)生在2021年1月6日，最大負荷（59.21萬kW）發(fā)生在2021年1月7日。而2019年冬季最低氣溫（-17℃）發(fā)生在2019年12月30日，最大負荷（47.78萬kW）發(fā)生在2019年12月31日。2019年和2020年氣溫最低日的次日，該區(qū)電網(wǎng)日最大負荷達到最大值。隨著最低氣溫的升高，電網(wǎng)日最大負荷逐漸變小，說明日最低氣溫與該區(qū)電網(wǎng)負荷呈現(xiàn)明顯相關(guān)性。

同時，最大負荷變化率較最低氣溫表現(xiàn)出一定的遲滯性。在所選取樣本數(shù)據(jù)中，盡管2020年日最低氣溫曾短暫出現(xiàn)高于2019年最低氣溫的情況，但由于受居民采暖設(shè)備特性影響，2020年日最大負荷仍略高于2019年，日最大負荷曲線呈柔性變化，未產(chǎn)生較大突變。

?3 線路負荷分析

為研究影響冬季負荷增長的主要因素，通過“煤改電”智能服務(wù)平臺，隨機查詢“煤改電”線路（A路、B路）和非“煤改電”線路（C路）電流曲線。選取典型日2021年1月7日（2020年冬季最大負荷日）、2019年12月31日（2019年冬季最大負荷日）及普通日2021年1月14日的電流曲線進行分析對比，如圖5～圖7所示。A、B、C路典型日電流最大值分別見表1～表3。

綜合分析圖5、圖6和圖7中典型日電流曲線，“煤改電”線路（A路、B路）2020年冬季最大電流曲線（2021年1月7日）明顯高于2019年（2019年12月31日），且非“煤改電”線路（C路）的三條典型日電流曲線重合度較高。

通過計算，A路、B路、C路2020年冬季最大電流較2019年冬季分別增長28.64%、15.66%、4.2%。

圖5 A路（平原）典型日電流曲線

表1 A路（平原）典型日電流最大值

圖6 B路（山區(qū)）典型日電流曲線

表2 B路（山區(qū)）典型日電流最大值

圖7 C路（非“煤改電”）典型日電流曲

表3 C路（非煤改電）典型日電流最大值

可以看出，A路、B路冬季“煤改電”線路負荷較C路非“煤改電”線路增長率更高，“煤改電”線路負荷是冬季電網(wǎng)負荷的主要增長點，且最大負荷常發(fā)生在20:00之后（谷段電價時段），與地區(qū)電網(wǎng)最大負荷發(fā)生時間接近，說明“煤改電”線路負荷是影響冬季電網(wǎng)最大負荷的關(guān)鍵因素。由于平原地區(qū)工業(yè)、服務(wù)業(yè)負荷較多，人口規(guī)模較大，因此平原“煤改電”線路負荷較山區(qū)“煤改電”線路增長更高。

?4 “煤改電”用戶負荷分析

為進一步分析“煤改電”用戶用電潛力，通過“煤改電”智能服務(wù)平臺，隨機選取北京該區(qū)A村（平原）20個“煤改電”用戶和B村（山區(qū)）12個“煤改電”用戶用電量作為分析樣本，同樣選取典型日2021年1月7日（2020年冬季最大負荷日）、2019年12月31日（2019年冬季最大負荷日）作為典型日進行分析。A村（平原）、B村（山區(qū)）“煤改電”用戶用電量分別如圖8和圖9所示。

圖8 A村（平原）“煤改電”用戶用電量

通過統(tǒng)計圖8、圖9中“煤改電”用戶用電量在不同增長率區(qū)間所占的比例，得到A、B村“煤改電”用戶用電量增長率統(tǒng)計圖分別如圖10和圖11所示。

可以看出B村（山區(qū)）“煤改電”用戶用電量增長率主要集中在20%～30%、40%～50%的區(qū)間，而A村（平原）“煤改電”用戶用電量增長率則主要集中在20%～30%區(qū)間。B村（山區(qū)）“煤改電”用戶用電量增長率超過20%的占比達到75%，而A村（平原）“煤改電”用戶用電量增長率超過20%的占比為65%。由于山區(qū)地勢較高，人口規(guī)模較小，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，山區(qū)冬季溫度相對于平原更低，因此山區(qū)“煤改電”用戶負荷較平原地區(qū)增長率高，對電網(wǎng)設(shè)備的考驗也更大，冬季大負荷期間應(yīng)該受到供電公司運維人員更多重視。

圖9 B村（山區(qū)）“煤改電”用戶用電量

圖10 A村（平原）煤改電用電量增長率

圖11 B村（山區(qū)）煤改電用電量增長率

?5 結(jié)論

2020年，受新冠疫情及經(jīng)濟下行沖擊影響，該區(qū)電網(wǎng)最大負荷及用電量一度呈現(xiàn)負增長，但在電價激勵政策及地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素影響下，最終仍能保持增長態(tài)勢。并且受冬季連續(xù)極端“寒潮”天氣影響，負荷增長幅度遠超預(yù)期值，“煤改電”線路設(shè)備重過載情況較為嚴(yán)重，該區(qū)電網(wǎng)經(jīng)受了前所未有的考驗。

本文基于“煤改電”智能服務(wù)平臺，從“網(wǎng)—線—點”負荷多角度出發(fā)，通過對該區(qū)電網(wǎng)負荷、“煤改電”線路電流及“煤改電”用戶用電量開展分析研究，得出以下結(jié)論：

1）“煤改電”工程實施后，電采暖負荷大量增加，由于受峰谷電價政策影響，北京該區(qū)電網(wǎng)冬季最大負荷常發(fā)生在20:00之后，夜間負荷增長幅度更高。

針對此特征，采取需求側(cè)管理手段，在滿足用戶供暖需求的前提下，合理調(diào)整峰谷電價時段，可以有效控制最大負荷幅值及其出現(xiàn)的時間，更加高效利用電網(wǎng)資源。同時供電公司應(yīng)細化職責(zé)分工，落實差異化運維巡視措施，監(jiān)控人員和現(xiàn)場運維人員應(yīng)在夜間20:00左右加強負荷監(jiān)視及重過載設(shè)備的巡視工作。

?2）日最低氣溫與該區(qū)電網(wǎng)負荷呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，且氣溫最低日的次日，電網(wǎng)最大負荷達到最大值。

由于負荷曲線的柔性變化，在冬季最低氣溫的次日，監(jiān)控人員和現(xiàn)場運維人員應(yīng)繼續(xù)加強對負荷和設(shè)備負載率的監(jiān)視和運維工作，同時做好線路運行方式調(diào)整措施。

3）“煤改電”線路負荷是影響冬季電網(wǎng)最大負荷的關(guān)鍵因素，而大負荷期間山區(qū)“煤改電”用戶的用電需求較平原地區(qū)更加旺盛。

在開展配電網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)時，應(yīng)重視山區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)的升級改造，在工程項目開展和檢修計劃安排過程中，應(yīng)加強關(guān)注“煤改電”負荷特性對電網(wǎng)建設(shè)和運行帶來的影響，不斷提升農(nóng)村地區(qū)“煤改電”線路安全穩(wěn)定運行水平。

后續(xù)研究中將繼續(xù)加大樣本采集和分析，增強研究方法嚴(yán)謹(jǐn)性及結(jié)論說服力，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供重要指導(dǎo)。

本文編自2021年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“北京郊區(qū)電網(wǎng)冬季典型日“煤改電”負荷特性分析”，作者為郝朝、張浩然 等。