北方地区清洁供暖对电网负荷特性影响分析
中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司、国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院、国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院的研究人员刘兴龙、刘罡等，在2019年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，我国正在推动北方地区清洁取暖工作，利用可再生能源实现清洁取暖正在成为一种趋势，因此，“煤改电”工程是目前北方地区清洁取暖最为主要的一种方式。
深入研究改造地区电网负荷特性，分析“煤改电”对当地负荷特性的优化作用至关重要。本文以辽宁地区为例，利用3种优化方案针对“煤改电”对电网负荷特性的优化影响进行分析，为下一步配套电网规划及电网调度提供理论依据。
2017年政府工作报告中明确提出，推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤工程300万户以上。目前，北京、天津、辽宁、吉林等北方地区清洁取暖工程均已起步。深入研究改造地区电网负荷特性，分析“煤改电”对当地负荷特性的影响及优化作用，对日后需求侧管理管控方式的提出及下一步配套电网规划的制定均具有重要意义。
1 北方地区负荷特性
以辽宁省为例，对我国北方地区电网负荷特性进行分析，结果如下。
1.1 年负荷特性分析
辽宁省2005年、2010年、2014年，年最大（网供）负荷曲线如图1所示。由辽宁省年负荷曲线分析可知：
1）由于辽宁省属于北方地区，冬季气温较低，供暖负荷比重较大，所以最大网供负荷出现在冬季。从2005年到2014年，年最大负荷均出现在12月。
2）辽宁省地区春秋两季风电消纳比重增大，且来自吉林、黑龙江和蒙东的联络线供电量也增大，故辽宁省网供负荷谷值出现在春秋两季。
3）随着全球气候变暖，辽宁地区夏季高温持续时间延长，空调等降温负荷比重逐年加大，夏季的网供负荷高峰越来越凸显。
4）辽宁省属于重工业发展基地之一，重工业产值在经济结构中比重较大。各行业中，第二产业年最大负荷增长较快，负荷率水平相对较高，峰谷差不大。2005年、2010年、2014年的季不均衡系数分别为85.58%、92.53%、93.86%，呈逐年提高趋势，月最大负荷分布较均匀。
5）2005年辽宁省尖峰负荷持续时间大于97%的时间在2h左右，大于95%的时间维持在20h，大于90%的时间一般维持在134h。2010年辽宁省尖峰负荷持续时间大于97%的时间在6h左右，大于95%的时间维持在30h，大于90%的时间一般维持在323h。2014年辽宁省尖峰负荷持续时间大于97%的时间在15h左右，大于95%的时间维持在62h，大于90%的时间一般维持在641h。2014年随着工业经济的复苏转好，用电结构的合理调整，辽宁省尖峰负荷持续时间增幅较大，说明辽宁省电网运行经济。
图1 辽宁省年最大负荷曲线
2014年辽宁省年负荷特性指标见表1。
表1 2014年辽宁省年负荷特性指标
1.2 日负荷特性分析
根据上文分析知，辽宁省年最大网供负荷出现在12月份，且12月份为供暖高峰期，故选取12月15日（冬季典型日）负荷数据为研究日负荷特性的依据。辽宁省冬季典型日负荷曲线如图2所示。
图2 辽宁省冬季典型日负荷曲线
辽宁地区电网日负荷特性的主要特征是：
1）负荷变化幅度不大，相对平稳。
2）有3个高峰。第一个高峰时段为09:00—11:00，此时段各公司、工厂开始开工，商场开始营业，用电负荷出现3个小高峰；第二个高峰时间段为14:00—17:00，此时段为下午工作时段；第三个高峰时间段为21:00—22:00，此时间段电解铝等高耗能产业工厂开始工作，导致全省用电负荷升高，但实际上居民生活类用电负荷于21:00—22:00为持续下降趋势。
3）23:00—07:00负荷相对较低，属负荷低谷时间段。
2014年辽宁省冬季典型日日负荷特性指标见表2。
表2 2014年辽宁省冬季典型日日负荷特性指标
1.3 城区各电压等级日负荷特性
以沈阳市城区为例。
1）220kV线路日负荷曲线
本次研究选取沈阳市城区220kV线路2回，分别为辽新一号线和沈张线，其日负荷曲线如图3所示。
图3 沈阳市城区220kV线路日负荷曲线
由图3可知，沈阳市城区220kV线路日负荷曲线差异性较大，主要表现为辽新一号线受高耗能产业于夜间工作且占比较大，导致夜间负荷要高于白天负荷。而沈张线主要为居民、商业、机关单位等用户供电，导致夜间负荷要低于白天负荷。
2）66kV线路日负荷曲线
本次研究选取沈阳市城区内66kV线路4回，分别为张东甲线、张水甲线、张青乙线和浑马东线，其中前两条线路日负荷曲线如图4所示。
图4 沈阳市城区66kV线路日负荷曲线
由图4可知，沈阳市城区66kV线路日负荷曲线整体较为相似，主要体现在以下方面。
（1）均有两个高峰期且出现时间相近。第一个高峰期10:00—12:00，此时段各公司、工厂开始开工，商场开始营业，用电负荷出线午高峰；第二个高峰时间段为18:00—20:00，此时间段居民生活用电负荷加大，用电负荷出现晚高峰。
（2）低谷持续时间相近。各线路低谷时间段大致为23:00—07:00，约持续8h。
（3）日最大峰谷差率相近。经计算，各10kV线路日最大峰谷差率主要集中在0.5左右。
3）10kV线路日负荷曲线
本次研究选取沈阳市城区内10kV线路10回，分别为马路湾站的马五甲线和三经线、长青站的长大乙线和长萃甲线、红卫站的长江乙线和皇姑乙线、崇山站的崇东乙线和宁山乙线、齐贤站的景星乙线和齐北乙线，其中前两条线路日负荷曲线如图5所示。
由图5可知，沈阳市城区10kV线路日负荷曲线整体较为相似，主要体现在以下方面。
图5 沈阳市城区10kV线路日负荷曲线
（1）有两个高峰期且出现时间相近。第一个高峰期10:00—12:00，此时段各公司、工厂开始开工，商场开始营业，用电负荷出线午高峰；第二个高峰时间段为20:00—22:00，此时间段居民生活用电负荷加大，有点负荷出现晚高峰。
（2）低谷持续时间相近。各线路低谷时间段大致为23:00—07:00，持续8h。
（3）日最大峰谷差率相近。经计算，各10kV线路日最大峰谷差率主要集中在0.57～0.60之间。
（4）低谷负荷相近。经计算发现，各10kV线路低谷期间平均负荷为3MW左右，按照10kV线路经济带载负荷为7MW考虑，10kV线路在低谷期间大约可再消纳4MW负荷左右，按照1t/h=0.7MW的燃煤锅炉与电锅炉的转换关系，则1回10kV线路最大可满足6t/h燃煤锅炉“煤改电”的负荷需求。
2014年辽宁省城区各电压等级日负荷特性指标见表3。
表3 2014年辽宁省各电压等级日负荷特性指标
2 “煤改电”清洁供暖负荷特性
蓄热式电锅炉因具有“削峰填谷”的经济作用，而成为“煤改电”发展的主要方向，并具有同时率高的特性，因此以蓄热电锅炉运行特性为代表分析“煤改电”负荷特性[5]。按原锅炉的类型分为：集中式采暖锅炉、分散式采暖锅炉。“煤改电”负荷同样按这两种类型将采暖负荷分为可控负荷（集中式）、不可控负荷（分散式）。
通过调研蓄热锅炉参数，锅炉额定容量运行参数为[6-8]：高压加热7～8h，持续24h放热；通常情况下，采暖期间燃煤锅炉折合成满功率运行条件下每天平均约运行6h左右。通过计算可知：每小时耗煤量约为0.16t，采暖期按150天考虑，则采暖期间1t/h燃煤锅炉耗煤量为144t。
现假设采用蓄热式电锅炉替换1t/h燃煤锅炉，则最大蓄热时间tmax=144× 29271×0.65÷0.95÷3.6÷150÷700=7.6h。说明蓄热式电锅炉蓄热7～8h即可满足原有供暖需求。下述分析均按锅炉最大运行时间8h进行蓄热锅炉负荷特性研究。
按可控采暖负荷调整比例优化负荷特性划分以下3种优化模式：
模式一：蓄热锅炉负荷不进行控制：21:00—05:00同时起停，与电网负荷的同时率高。
模式二：部分可控锅炉负荷进行控制：21:00、22:00分批起，与电网负荷的同时率下降。
模式三：蓄热锅炉负荷需求侧管理分时控制：21:00、22:00、23:00分时分批起，与电网负荷的同时率达到最优。
图6为不同优化模式下蓄热电锅炉的运行曲线。
图6 蓄热电锅炉运行曲线
由图6可看出，当蓄热电锅炉采用优化模式一运行时，即蓄热电锅炉在21:00与05:00同时起停，蓄热电锅炉同时率高，会导致负荷于21:00突然上升到最大值，负荷突变效果明显；当蓄热电锅炉采用优化模式二运行时，即对可控锅炉负荷进行控制，于21:00、22:00分批起，控制负荷在2h内上升到最大值，即22:00时蓄热电锅炉全部运行；当蓄热电锅炉采用优化模式三运行时，即对可控锅炉负荷进行控制，于21:00、22:00、23:00分批起，控制负荷在3h内上升到最大值，即23:00时蓄热电锅炉全部运行，与电网负荷的同时率达到最优。
3 基于“煤改电”的负荷特性优化研究
《辽宁省2016年明确煤改电优惠政策（74号文）》中已明确辽宁省为支持“煤改电”工作，用电低谷时段由原来的7h延长至10h（由22:00—05:00变更为21:00—07:00），所以蓄热电锅炉可以于 21:00—07:00期间运行，而21:00—07:00期间电网最高负荷恰为21:00的负荷，所以分析蓄热电锅炉运行负荷与原电网负荷的叠加效果，需以21:00的负荷为边界条件。
依据沈阳市10kV线路日负荷数据，选取100个采样点，分析沈阳市21:00负荷与日最大负荷比值情况，其散点图如图7所示。
图7 21:00负荷与日最大负荷比值散点图
由图7可知，沈阳市21:00负荷与日最大负荷比值分布在0.85左右，即原电网21:00负荷与日最大负荷的比值取0.85，所以蓄热电锅炉与原电网的叠加系数为原电网最大负荷的0.85倍。
按照上述分析，若蓄热电锅炉采用模式一运行时，即于21:00时蓄热电锅炉全部运行，则蓄热电锅炉对原电网移峰填谷的优化效果仅仅是原电网最大负荷的0.15倍，优化效果偏低。
为进一步研究“煤改电”对原电网负荷特性的优化效果，分别选取沈阳市10kV线路22:00负荷与23:00与日最大负荷比值的采样点各100，绘制其散点图，如图8和图9所示。
由图8及图9可知，22:00的负荷与日最大负荷的比值为0.75，23:00的负荷与日最大负荷的比值为0.6，即22:00蓄热电锅炉与原电网的叠加系数为原电网最大负荷的0.75倍，23:00蓄热电锅炉与原电网的叠加系数为原电网最大负荷的0.6倍。
图8 22:00负荷与日最大负荷比值散点图
图9 23:00负荷与日最大负荷比值散点图
若电力公司应用需求侧管理手段，引导用户于21:00、22:00分批起动，在22:00时蓄热电锅炉全部运行，即运行模式二，则蓄热电锅炉对原电网移峰填谷的优化特性是原电网最大负荷的0.25倍，比在21:00时蓄热电锅炉全部运行高出0.1倍的最大负荷。
若引导用户于21:00、22:00、23:00分批起动，23:00蓄热电锅炉全部运行，即运行模式三，则蓄热电锅炉对原电网移峰填谷的优化效果是原电网最大负荷的0.4倍，比21:00蓄热电锅炉全部运行高出0.25倍的最大负荷，比22:00蓄热电锅炉全部运行高出0.15倍的最大负荷。因此，引导用户于21:00、22:00、23:00分批起动，23:00蓄热电锅炉全部运行的方案为电网移峰填谷、提高资源利用率的最优方案。
4 清洁供暖前后负荷特性对比分析
4.1 年负荷特性对比分析
根据“煤改电”负荷预测结果及辽宁省负荷特性，预测“煤改电”前后辽宁省年负荷曲线[9]对比如图10所示。其负荷特性指标变化情况见表4。
图10 “煤改电”前后年负荷曲线对比
根据图10及表4可知，“煤改电”后年最大负荷利用小时数（Tmax）和年负荷率均变小，电网资源利用率变低。季不均衡系数变小，说明全网负荷受季节影响变大。因辽宁省全网日负荷特性属于晚间负荷高于白天负荷的工业类负荷特性，所以年峰谷差率由0.37增长到0.43。总体来看，“煤改电”后全网资源利用率变低，峰谷差变大。
表4 “煤改电”前后全网年负荷特性指标对比
4.2 日负荷特性对比分析
1）不同谷电时间段下“煤改电”后全省日负荷特性对比分析
根据“煤改电”负荷预测结果及辽宁省负荷特性，预测“煤改电”前后辽宁省年负荷曲线[10]对比图如图11所示。
图11 不同谷电时间段下“煤改电”后全省日负荷曲线
因辽宁省工业占比较大，全网晚间负荷高于白天负荷，所以“煤改电”后其正向负荷特性指标下降，如日负荷率、日最小负荷率；逆向指标整体上升，如日最大峰谷差、日最大峰谷差率。并因21:00— 22:00时间段出现小高峰（此时间段电解铝等高耗能产业工厂开始工作），22:00负荷高于21:00负荷，所以在运行模式一和模式二下“煤改电”后，全网日负荷特性指标除日负荷率外其余指标相同，而模式三因移峰填谷效果明显，“煤改电”后全网正向日负荷特性指标较其他运行模式高，逆向日负荷特性指标较其他运行模式低。
2）不同谷电时间段下“煤改电”后城区范围各电压等级日负荷曲线
根据“煤改电”负荷预测结果及辽宁省城区各电压等级日负荷特性，预测“煤改电”前后辽宁省城区各电压等级年负荷曲线对比图分别如图12至图14所示。其负荷特性指标变化情况分别见表6至表8。
由上述图表可知，在蓄热电锅炉只蓄热8h的前提下，不同运行模式下“煤改电”后各电压等级负荷特性均发生较大变化。
总体来讲：①运行模式一下“煤改电”后最低负荷的变化跟不上最高负荷的变化，导致峰谷差进一步扩大，各负荷特性指标数值逆向变化；②运行模式二下“煤改电”后最高负荷增长幅值仍大于最低负荷增长幅值，峰谷差变大，但日负荷率上升；③运行模式三下“煤改电”后最低负荷增长幅值大于最高负荷增长幅值，移峰填谷效果明显，各项指标均得到不同程度的优化。
表5 “煤改电”前后全网日负荷特性指标对比
图12 220kV沈张线“煤改电”前后日负荷曲线
图13 城区66kV“煤改电”前后日负荷曲线
图14 城区10kV“煤改电”前后日负荷曲线
表6 “煤改电”前后城区220kV日负荷特性指标对比
表7 “煤改电”前后城区66kV日负荷特性指标对比
表8 “煤改电”前后城区10kV日负荷特性指标对比
本文以辽宁为例，分3种优化方案针对清洁供暖对北方地区电网负荷特性的优化影响进行分析，得到如下结论。
1）从辽宁省全网负荷特性角度考虑，因辽宁省工业负荷占比较重，导致夜间负荷高，白天负荷低，蓄热式电锅炉负荷恰好与夜间工业负荷形成叠加效果，导致全网负荷特性指标逆向变化。
2）从城区负荷特性角度考虑，通过蓄热电锅炉于不同运行模式下对城区各电压等级互补效果对比分析发现，在蓄热电锅炉只蓄热8h的前提下，蓄热电锅炉在采用模式一运行时，各项负荷指标逆向变化，蓄热电锅炉在运行模式三运行时，各项负荷指标正向变化。因此，采用需求侧管理手段，在满足蓄热量满足用户需求的前提下，合理安排蓄热电锅炉起始运行时间，可以有序控制最大负荷幅值及其出现时间，更加高效利用电网资源。
以上所得出的结论，为下一步配套电网规划及电网调度提供了理论依据。