国网河北省电力有限公司沧州供电分公司
一、背景及意义
选题背景：政府大力推进清洁取暖“煤改电”工程，河北南网三年要完成140万户的“煤改电”任务。居民电取暖使冬季电网负荷增长迅猛，如何精确选择“煤改电”区域配网设备，合理规划35kV~220kV电网规模，防止各电压等级输变电设备容量不足或冗余浪费成为当务之急。配网设备选型和电网规划以负荷特性为基本依据，目前，“煤改电”取暖负荷特性研究是一个空白，电力大数据为研究负荷特性提供了新思路。随着城镇化率逐年提升，村庄空心化程度发生显著变化，空心化率成为电网规划的重要参考内容。
课题意义：本选题对电力系统运行数据进行深度挖掘，各种数据之间关联计算，分析出沧州各区域内户均取暖负荷特性和空心化程度，为“煤改电”配网设备选型和电网规划提供依据，提高配网设备利用率，实现“煤改电”工作的精准投资。
二、数据获取方式及数据量
（一）数据获取方式
编制程序通过访问用电信息采集系统数据库获取用户电量数据，配电变压器负载、配变台账、全网负荷曲线、企事业单位专变电量、配变负载率、天气温度等信息通过相关系统前台下载，数据获取方式及数据来源详见表1。
（二）数据量
本选题以2016-2017年沧州“煤改电”区域电力大数据为基础，进行分析计算，需求数据量详见表1。
表1.需求数据获取方式及数据量
三、数据处理与分析
（一）数据处理
1.数据清洗
用户月电量数据和配变负荷数据需要进行数据清洗。用户月电量存在数据畸变，通过正常月份月电量的平均值进行修复，提高数据质量，如式（1）
（1）
式中，Qr为月电量修复值；n为参考正常月份总数；Qi为参考月份电量。
配电变压器电流和电压存在空数据和畸变数据，剔除大范围空数据和零值数据。其他异常数据通过三相功率平衡法进行修复，如式（2）、（3）
（2）
（3）
式中，Ur、Ir为配电变压器电压和电流修复值；n为非异常数据相数；Ui、Ii为非异常数据相电压、电流。
2.数据转换
按照（4）式将配电变压器电流电压值转换为配电变压器功率。
（4）
式中，P为配变功率，U、I、cosφ为配变低压侧各相电压、电流、功率因数。
3.数据关联
本选题将不同数据建立关联，进行建模，如：用户电量关联区域空心化程度和居民收入水平；配电变压器历史负荷，天气、温度等信息关联区域取暖负荷特性；配变负载率关联配变负载情况等。
（二）数据分析
1.涉及数学算法
本选题主要涉及ARIMA趋势外推法。
2.数学模型
本选题以区域为基本单位建模，对电力数据深度挖掘和关联，计算区域内户均取暖负荷特性。首先，通过阈值法统计出区域内实际住户数量；然后，通过ARIMA趋势外推算法在区域负荷特性曲线中抽丝剥茧得出区域取暖负荷特性；最后，用区域取暖负荷除以实际住户得出区域户均取暖负荷特性。
空心化率
根据区域用户用电习惯设置月度电量阈值QZ，当用户月电量Q小于QZ时则该户房屋按照空置统计。设Ha为统计区域内总户数，Hk为区域内统计的空置户数，则区域空心率RI为
（5）
区域空心化率逐月变化，计算户均取暖负荷特性时，按照当月实际值计算。电网规划中各计算电压等级容量配置时，以采暖季最小空心化率作为规划依据。
区域取暖负荷特性分析
取暖负荷在2017年冬季开始出现，负荷特性难以直接获取，非取暖负荷变化情况具有明显的规律性，可根据建模预测。首先，计算出区域居民总负荷，然后，根据区域历史负荷特性建模分析出非取暖负荷，用区域居民总负荷减非取暖负荷得到区域取暖负荷。
区域所有居民日负荷特性为该区域所有公用配电变压器负荷叠加，如式（6）
（6）
式中，Pa为区域居民日负荷，P为区域内公用配变负荷。
通过建立ARIMA（p，q，d）时间序列模型，预测煤改电区域非取暖负荷特性。区域历史日负荷特性Yt进行d次差分处理后，得到平稳的序列Xt，将Xt拟合成ARMA（p，q）模型，该模型表达式如下：
（7）
式中，前半部分为自回归过程；p为自回归阶数；φ1，…，φp为自回归系数；后半部分为滑动平均过程；q 为滑动平均阶数；θ1，…，θq 为滑动平均系数；Xt为平稳数据序列；{εt}为未观察到的白噪声序列，形式为W~N（0，σ2）。
则区域取暖负荷为
（8）
式中，Ca为区域取暖负荷，Xa为根据ARIMA趋势外推法分析的区域非取暖负荷特性。
户均取暖负荷特性
户均取暖负荷Ch为区域取暖负荷除以区域内有效住户数量，如式（9）
（9）
数据分析流程如图1
图1.数据分析处理流程
3.分析示例
以沧州某村庄为例分析，相关数据量和计算结果存储在Excel表格中，区域有效住户数量在Excel通过筛选方式统计，ARMIA趋势外推模型在SPSS软件中建立，分析区域基本信息如表2
表2.区域内公用配电变压器容量及所带用户数量
对区域进行分析，对户均取暖负荷特性进行比较，得出典型户均取暖负荷特性，如图2所示
图2.户均取暖负荷特性
由表2和图2可知，区域内居民户均取暖负荷全天变化较为平缓，基本维持在0.9kW~1.5kW之间。最大取暖负荷1.44kW出现在晚上21点，最小取暖负荷为0.91kW，出现在下午14点，区域空心率30.63%。
（三）可视化展示
区域户均取暖负荷特性和相关参数以Excel图表形式展示，如图3所示
图3.户均取暖负荷特性及参数
四、分析结论
1.“煤改电”户均取暖负荷特性
以沧州各县域为基本区域进行分析，各县户均“煤改电”取暖负荷特性，如图4所示
图4.各县户均取暖负荷特性
沧州各县域空心率，如图5所示
图5.各县空心化率
沧州地区“煤改电”取暖方式均为直热式，改造方式分三种，一种是功率可调的电锅炉，额定功率6~10kW不等（超过6kW的费用由用户承担），因此绝大数采用6.2kW。第二种每户2台1.2kW电暖气，单台功率不可调。第三种石墨烯电热板，单个板功率450W不可调，每间屋装两个。其中，电锅炉式取暖效果最佳。
沧州地区“煤改电”居民户均取暖负荷增加1.3kW，取暖负荷高峰一般出现在晚上20~21点，户均最大取暖负荷0.85~1.7kW；户均最小负荷一般出现在下午14点，最小负荷0.48~0.95kW；峰谷差0.36~0.86kW，取暖平均负荷率69.3%~81.2%之间；各县空心化率26%~41%之间。以各区域空心化率计算各县实际住户数量，作为配电设备选型和配网规划重要依据。
2.“煤改电”取暖负荷分析
沧州地区“煤改电”取暖负荷整体水平较低，主要原因为：
（1）使用电取暖，取暖季电费总额较高，超出部分居民承受能力；
（2）直热式取暖设备效率较低，取暖效果差，造成设备利用率低；
（1）“煤改电”区域存在不同程度的空心化，取暖总负荷不高。
3.“煤改电”配网设备选型标准
目前，“煤改电”配电设备改造工作以《国家电网公司配电网“煤改电”建设改造技术原则（试行）》（下称《原则》）为依据执行，沧州地区采用直热式，采暖容量取7kW，同时系数取0.6~0.8，不考虑空心化程度的影响。
依据取暖负荷特性，并考虑居民收入增加等因素，建议沧州地区“煤改电”配网设备选型标准为户均取暖容量2~3kW。将空心化率作为“煤改电”设备选型的重要指标，设备选型和电网规划以区域实际住户数量为准。建议配网设备选型标准与现行标准对比，如图6所示
五、取得成效
1.“煤改电”配网设备选型
按本选题建议标准比目前执行的《国家电网公司配电网“煤改电”建设改造技术原则（试行）》选取配电网设备，配网设备建设容量和投资将有所降低，具体如下：沧州地区“煤改电”专项工作新建配电变压器减少810台，新建配变容量减少630MVA，配电变压器投资减少4860万元，总投资减少7298万元；河北南网新建配电变压器减少7560台，新建配变容量减少5880MVA，配电变压器投资减少45360万元，总投资减少68115万元。
2.各电压等级电网规划
本课题建议沧州“煤改电”区域户均取暖容量增加2~3kW，《国家电网公司配电网“煤改电”建设改造技术原则（试行）》规定户均取暖容量增加5kW。按建议标准执行输变电系统规划，“煤改电”取暖负荷对35kV~220kV电网设备容量需求将减少具体如下：沧州地区所需35kV容量减少132MVA，所需110kV容量减少486MVA，所需220kV容量减少340.2MVA；河北南网所需35kV容量减少1232MVA，所需110kV容量减少4536MVA，所需220kV容量减少3175.2MVA。
3.提高设备利用率，精准投资
沧州地区完成“煤改电”区域的配电变压器轻载运行比例达到58.9%，配网设备轻载运行比例较高，设备利用率低，造成投资浪费。按建议标准降低户均取暖容量，减少区域配变总容量，提高设备利用率，节约成本。
目前，可进行“煤改电”总户数按照各区域35~220kV可用变电容量除以户均取暖容量5kW选取，电网可容纳“煤改电”总户数较小，可执行“煤改电”区域较少。按照建议标准户均取暖容量选2~3kW，沧州地区可执行“煤改电”区域扩大，电网可容纳“煤改电”总户数增加，可更好的适应政府部门对清洁取暖的规划，实现“煤改电”工作的精准投资。
4.可推广性
利用大数据技术对沧州地区“煤改电”负荷特性的研究成果得到公司认可，并在沧州电网规划工作中得到应用。
选题所需数据来源中用户信息采集系统、调度OMS系统、生产PMS系统，为目前电网运行的数据系统，一村一图台账为2018年各地市成果文件。各地市均可在系统或成果中下载数据。所建数学模型和分析结果在Excel和SPSS软件中实现，各地市可将数据导入软件计算。，以沧州直热式电取暖为例进行分析，所得结论同样适用于本省采取直热式取暖地区。本成果可在河北省推广使用。
论文作者:沈世林,赵宇寰,范淑霞,孙海新,杨军胜,曾晓林
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
标签：负荷论文; 户均论文; 沧州论文; 区域论文; 数据论文; 特性论文; 容量论文; 《基层建设》2018年第23期论文;