上海地區(qū)日最高用電負荷氣象變化量的提取與分析

在世界經(jīng)濟變化的背景下，近年來極端高溫事件頻發(fā)，高溫?zé)崂顺蔀橐环N非常嚴(yán)重的自然災(zāi)害。在全球氣候變暖和區(qū)域快速城市化雙重影響下,上海屢受高溫?zé)崂说那忠u。2003~2010年,上海市區(qū)夏季平均氣溫高達28.2℃,≥35℃高溫日數(shù)平均為28d,最多達40d,極端日最高氣溫達40.0℃。高溫使上海地區(qū)的用電負荷不斷創(chuàng)出歷史新高,2010年8月12日達2621.2萬kW,事實證明極端高溫事件給城市供電帶來危害性影響。多年來,國內(nèi)外許多學(xué)者就各地的氣象條件與用電量、電力負荷的關(guān)系進行廣泛的研究,并建立基于氣象因子的電力負荷的預(yù)測方法和評估模型[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。在所有氣象因子中,夏季高溫對電力的影響更為突出,據(jù)美國在80年代初估計,夏季高溫日用于降溫的電量占全部電量的17%。近幾年來,有關(guān)夏季氣溫變化對城市用電的影響已有大量研究,如劉健等分析了江蘇省因夏季高溫波動而引起的居民和城市系統(tǒng)用電量的變化,指出夏季高溫異常是居民和城市系統(tǒng)用電量增加的重要氣候因子;陳海燕等分析了浙江夏季高溫特征及住宅降溫耗電關(guān)系,得出酷暑年全省住宅降溫耗電比涼夏年平均多7成左右;李雪銘分析了大連市近20a全球氣溫變化的居民用電量響應(yīng),認為氣溫變化用電量與7月份氣溫相關(guān)性較大及夏季氣溫變化直接影響到居民用電量;還有學(xué)者就浙江盛夏的氣溫與用電負荷的關(guān)系、杭州電網(wǎng)夏季氣象敏感負荷特性分析、北京市氣溫對電力負荷影響的計量經(jīng)濟分析、氣候變化與湖北電網(wǎng)安全穩(wěn)定等進行分析研究。但以往研究僅僅是夏季氣溫分別與住宅降溫耗電、用電量、敏感負荷特性以及氣候變暖引起城市用電增加等單方面分析,缺乏綜合評估;同時由于各地氣候條件和經(jīng)濟發(fā)展水平引起的用電需求不同,夏季氣溫變化對用電影響程度不同的,有關(guān)國際大都市上海地區(qū)夏季氣溫變化對用電負荷影響的詳細分析研究還較少見報道。根據(jù)上海地區(qū)夏季日最高用電負荷及同期的日最高氣溫、日最低氣溫和日平均氣溫資料,提取夏季日最高用電負荷氣象變化量,在此基礎(chǔ)上分析上海地區(qū)夏季日最高用電負荷氣象變化量與日最高、日最低、日平均氣溫的關(guān)系,以及引起夏季日最高用電負荷氣象變化量的敏感氣溫及日最高用電負荷氣象變化量與空調(diào)度日數(shù)之關(guān)系,綜合詳細地評估了夏季氣溫變化對日最高用電負荷的影響。1數(shù)據(jù)和方法1.1夏季一般指69月一般夏季指6~8月份,但在上海地區(qū)氣象意義上的入夏日為出現(xiàn)連續(xù)五日日平均氣溫≥22℃的首日(常年平均為6月2日)、出夏日(入秋日)為出現(xiàn)連續(xù)五日日平均氣溫<22℃的首日(常年平均為9月27日),因此上海地區(qū)氣象意義上的夏季一般指6~9月份。本文所用資料為2003~2007年的6~9月份上海地區(qū)日最高用電負荷和同時期日最高氣溫、日最低氣溫和日平均氣溫。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1日最高用電負荷日最高用電負荷的變化主要表現(xiàn)為隨時間呈某種增長程度變化趨勢項Lt和以一年為周期的季節(jié)波動項Lm,前者隨國民經(jīng)濟發(fā)展而不斷增長,后者即為氣象條件對用電的影響。負荷曲線偏離直線的部分還包含節(jié)假日效應(yīng)項Lh和其他隨機因素對日最高用電負荷的影響。由于隨機因素對日最高用電負荷的影響比較復(fù)雜,對總的日最高用電負荷貢獻較小,可以忽略不計,因此總的日最高用電負荷L主要由以下三項組成:L=Lt+Lm+Lh(1)Lt=a+bt(2)式中:t表示樣本序列,使用2003~2007年1826個樣本和最小二乘法確定系數(shù)a和b,從而得出每個樣本的Lt。由于6~9月無長假影響,主要是周六、周日機關(guān)、學(xué)校及許多企業(yè)休息引起的用電負荷下降,我們用2003~2007年的6~9月份周六、周日日最高用電負荷平均值分別與周一至五日最高用電負荷5天工作日總的平均值的差值作為周六、周日的假日效應(yīng)項Lh。受氣象因子影響的項:Lm=L-Lt-Lh(3)本文定義lm=Lm/Lt表示日最高用電負荷隨氣象因子變化的程度,定義為日最高用電負荷氣象變化量。1.2.2日空調(diào)粒度數(shù)在建筑學(xué)上,當(dāng)日平均溫度高于26℃時定為空調(diào)度日,日平均溫度減去26℃的度數(shù)乘以1d則為日空調(diào)度日數(shù),月內(nèi)當(dāng)日平均溫度高于26℃時,將日平均溫度減去26℃的度數(shù)乘以1d,并加以累加,得到累加值定為月空調(diào)度日數(shù)。夏季月空調(diào)度日數(shù)大小表示此月炎熱程度和降溫耗電程度。1.2.3分析數(shù)據(jù)的時間趨勢堆積折線圖表示每一數(shù)據(jù)所占百分比大小隨時間變化趨勢線,比較適用于時間段比較密集、數(shù)據(jù)量比較大時分析數(shù)據(jù)的時間趨勢。本文利用堆積折線圖分析了6~9月份日最高用電負荷氣象變化量lm、日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫隨時間變化趨勢。1.2.4研究公式百分位數(shù)是一種位置指標(biāo),常用于描述一組樣本值在某百分位置上的水平,多個百分位結(jié)合使用,可以更全面地描述資料的分布特征。百分位數(shù)的計算采用以下經(jīng)驗公式:Q(p)=(1-γ)X(j)+γX(j+1)(4)j=int(p×n+(1+p)/3)(5)γ=p×n+(1+p)/3-j(6)式中:Q(p)為第i個百分位值;X為升序排列后的樣本序列;p為百分位數(shù);n為序列總數(shù);j為第j個序列數(shù)。2結(jié)果與分析2.1日最高用電負荷氣象變化量lm的變化2.1.1上海地區(qū)夏季日最高用電負荷氣象變化量與日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計分析表明,夏季日最高用電負荷氣象變化量與日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.945、0.895和0.895,三者均通過0.001信度檢驗,這表明日最高用電負荷氣象變化量與日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫有非常顯著的正相關(guān)。2.1.2上海地區(qū)夏季日最高用電負荷氣象變化量的變化與日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫變化的關(guān)系6~9月份日最高用電負荷氣象變化量lm大部分為增加的(正),只有極個別日最高用電負荷氣象變化量lm為減少的,且負變化量都小于10%,同時由于日最高用電負荷隨氣象變化減少不會對用電增加負擔(dān),因此本文對這些不作討論。圖1顯示的是日最高用電負荷氣象變化量lm的各增加段上夏季日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的平均值、最大值和最小值,其中日最高用電負荷氣象變化量各增加段上的柱形值分別表示各增加段上的日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的平均值,誤差線表示各段上的日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的變化范圍(低端為最小值、高端為最大值)。從圖1中可以看出,隨著日最高用電負荷氣象變化量的增加(分別按照0.0~9.9、10.0~19.9、20.0~29.9、≥30.0),各增加段上日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的平均值、最大值和最小值也相應(yīng)增加,也就清楚地表明:在日最高用電負荷氣象變化量各增加段上,平均情況及極端情況都是夏季日最高用電負荷氣象變化量的增加隨日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的增加而增加。圖2為6~9月份日最高用電負荷氣象變化量lm、日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的堆積折線圖,圖中的逐日數(shù)據(jù)為2003~2007年的平均值,從圖2中更加清楚看出,夏季日最高用電負荷氣象變化量lm與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的變化趨勢非常一致的,夏季日最高用電負荷氣象變化量隨氣溫的變化而變化。2.2日最高用電負荷變化量與日最高氣溫在電力部門,日最高用電負荷對日最高氣溫比較敏感,一般根據(jù)日最高氣溫的變化,來跟蹤日最高用電負荷的變化。表1為日最高氣溫≥27℃各度之間日最高用電負荷氣象變化量的平均值(K)及日最高氣溫升高1℃此平均值的增加值(M),可以看出,雖然各度之間日最高用電負荷氣象變化量隨日最高溫度的升高而增加,但日最高氣溫在29~30℃、33~34℃、≥39℃時M較大(分別為5.2、5.7和6.7)。從表1備注列可以看出,日最高氣溫在29~30℃不必警覺;日最高氣溫在33~34℃應(yīng)該引起重視;日最高氣溫在35~36℃,已進入高溫,引起高度重視;在日最高氣溫≥39℃這種極端高溫情況下,電力部門需高度關(guān)注。因此我們把日最高氣溫≥33℃定義為引起日最高用電負荷隨氣溫增加的初始氣溫敏感點,日最高氣溫≥35℃定義為引起日最高用電負荷隨氣溫增加的強氣溫敏感點,日最高氣溫≥39℃定義為引起日最高用電負荷隨氣溫增加的極端氣溫敏感點。這與華蘊芳“根據(jù)2003~2006年的連續(xù)跟蹤觀察,夏季用電的氣溫敏感點啟動在33℃,明顯反應(yīng)是在35℃”的分析結(jié)果是一致的。2.3期間日最高用電負荷變化在高溫期間(日最高氣溫≥35℃),各高溫等級過程日最高用電負荷氣象變化量的平均值≥30%,最大值在40%以上,日最高用電負荷氣象變化量較大,高溫期間日最高用電負荷隨氣溫變化的幅度較大(表1)。表2為2003~2007年夏季日最高負荷氣象變化量第85百分位數(shù)、第90百分位數(shù)和第95百分位數(shù)及此百分位數(shù)出現(xiàn)日的日最高氣溫,從表2中可以看出,日最高負荷氣象變化量第85百分位數(shù)、第90百分位數(shù)和第95百分位數(shù)分別為31.8%、34.4%和37%,出現(xiàn)時的日最高氣溫分別為36.1、36.7和38.3℃,即日最高負荷氣象變化量高百分位數(shù)出現(xiàn)在36℃以上,第95百分位數(shù)出現(xiàn)在38℃以上。2.4上海夏季最高能源消耗量與空調(diào)日照時間的關(guān)系2.4.1荷氣象變化量表3為2003~2007年各月日最高用電負荷氣象變化量平均值和月空調(diào)度日數(shù)平均值。從過去5年平均來看,7月空調(diào)度日數(shù)最大,降溫耗電最大,日最高用電負荷氣象變化量最大;8月空調(diào)度日數(shù)次之,降溫耗電次于7月,日最高用電負荷氣象變化量也次于7月;6和9月份空調(diào)度日數(shù)最小,降溫耗電最小,日最高用電負荷氣象變化量最小(6和9月份空調(diào)度日數(shù)和日最高負荷氣象變化量接近)。月空調(diào)度日數(shù)與常年同期(1971~2000年)相比,7和8月份只有常年同期的0.8倍,6和9月份則有常年同期的1.3~1.4倍,這說明上海在2003~2007年期間,隨著人民生活水平的提高,6和9月份采用空調(diào)降溫耗電的增加幅度較大。2.4.2日最低負荷變化量與日最低負荷變化量2.2的關(guān)系表4顯示的是日最高用電負荷氣象變化量在0%~9.9%、10%~19.9%、20%~29.9%、30%~34.9%、≥35%所對應(yīng)的日空調(diào)度日數(shù)平均值,從表中可以看出日最高用電負荷氣象變化量與日空調(diào)度日數(shù)成正比關(guān)系,日空調(diào)度日數(shù)高,降溫耗電大,日最高用電負荷氣象變化量大。表5顯示的是日空調(diào)度日數(shù)比常年偏多0.0~0.99、1.0~1.99、≥2.0倍情況下日最高負荷氣象變化量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的平均值,日空調(diào)度日數(shù)比常年同期偏多倍數(shù)與相應(yīng)的日最高負荷氣象變化量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的平均值成正比關(guān)系,在日空調(diào)度日數(shù)比常年同期偏多情況下,日最高負荷氣象變化量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的平均值都較大。尤其在日空調(diào)度日數(shù)比常年偏多1倍以上的情況下,表5中各種溫度顯示此時一般處于強高溫階段(連續(xù)高溫),日最高用電負荷氣象變化量平均值較大,降溫耗電非常大,而且日最低氣溫已高于28℃,夜間空調(diào)使用率已很高,電力部門經(jīng)常采用企業(yè)用電調(diào)整來保證居民用電的措施,或采取蓄能技術(shù)、增加谷時用電、減少峰時用電,將企業(yè)的設(shè)備檢修盡可能安排在高溫季節(jié)進行的措施,避免夏季日最高負荷進一步升高、出現(xiàn)跳閘停電現(xiàn)象。所以當(dāng)連續(xù)高溫且日最低氣溫≥28℃時,此時空氣的熱量累積大(反映在日最低氣溫較高),晝夜空調(diào)使用率高,日最高負荷隨氣象增幅較大,且用電峰谷差小,電力部門調(diào)電難度增加,應(yīng)引起極大重視。3上海用電負荷變化量的日變化特征本文利用2003~2007年的6~9月份上海地區(qū)日最高用電負荷和日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫,提取夏季日最高用電負荷氣象變化量,在此基礎(chǔ)上分析上海地區(qū)夏季氣溫變化對日最高用電負荷的影響,得出以下結(jié)論:(1)上海地區(qū)日最高用電負荷氣象變化量與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫有非常顯著的正相關(guān)。日最高用電負荷氣象變化量的增加趨勢在各增加段上都與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的變化趨勢一致,即氣溫高,日最高用電負荷氣象變化量高。(2)上海日最高用電負荷隨氣溫的增加表現(xiàn)出略有差異的變化特征,日最高氣溫≥33℃為上海日最高用電負荷隨氣溫增加的初始敏感點,日最高氣溫≥35℃為日最高用電負荷隨氣溫增加的強敏感點,日最高氣溫≥39℃則為引起日最高用電負荷顯著增加的極端氣溫敏感點。(3)