基于单位指标法的辽宁省“煤改电”工程电力需求预测及对电网影响

王 宁，王存旭，高浩然

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.自动化学院，辽宁 沈阳110136：2.国网辽宁省电力有限公司 检修分公司，辽宁 沈阳 110136）

随着“煤改电”工程的深入开展，电网的负荷特性受到大量且密度集中的增量负荷冲击而发生剧烈变化，为地区电网调度、抢修、服务等各项工作带来许多不确定性。电网负荷会因为“煤改电”负荷的接入呈非线性变化，并产生电网峰谷差加大等严重影响。通过收集工程区域的负荷数据，分析工程区域负荷特性在实施前后的变化情况，对工程用户负荷规律进行详细、深入挖掘，全面考虑其对电网安全性、稳定性的影响程度，为工程地区电力需求预测、电网规划设计和提高电网稳定性提供科学有据的参考。

1 常用负荷预测方法

在我国主要采用的负荷预测方法有：

1）空间负荷预测法

空间负荷预测法是根据所在地域用处的不同对供电区内的用户进行分类，如工业用地、居民用地、商业用地等，通过对用地性质的分类结果对其所占单位面积进行负荷指标预测。计算公式为

式中，d代表归纳用电指标，单位为Wm2；S是指建筑面积，单位为m2。

这种方法具有较高的预测精度，尤其是那些未确定类型、有较大发展空间、远期规划不确定的区域以及中小配电网的规划。该方法在进行电力负荷计算过程中应计入归类需求系数及总同时率。

2）电力弹性系数法

电力弹性系数计算公式为

式中，β为电力弹性系数；Ky为电力消费年均增长率；Kx为国民经济年均增长率。

对工程前期所需电量的预测计算公式为

式中，Wt为规划期所需的电量；W0为基年的实际用电量；ak为工程前期生产总值平均年增长率；t为计算期的年数。

3）单位指标法

通过单位指标法对负荷进行计算，具有较高的准确度且容易实施。获取有功功率Pc的公式为

式中，Pe作为用电指标单位值。

运用该法进行负荷计算时，需要对工程的实际情况进行校验，在确定工程具体情况符合条件后还需乘以所需系数及同步系数。

单位指标法相对于其他负荷预测算法，特别适用于各类设备功率呈非线性的项目，对于工程设计前期中的负荷预测及结果校验具有较强的适应性，特别便于确定供电方案、变压器容量和数量，有时和需用系数法配合使用。

2 铁岭地区“煤改电”工程负荷分析

2017年辽宁省某镇某村实施“煤改电”工程，该村为异地新建，无现状用电线路，以该村南区为例进行工程设计分析。南区共计160 户居民，划分了3个供电区域，其中1#供电分区为56户，2#及3#供电分区均为52 户。按照国家电网辽宁电力公司针对“煤改电”工程所拟定的相关技术文件及具体指导要求，“煤改电”工程每户功率按9 kW 计算，需要系数取0.6，则各供电分区不同用地特性用户的有功负荷通过单位指标法预估如下：

1#供电分区有功功率：

2#供电分区有功功率：

3#供电分区有功功率：

依据负荷预测的计算数值，可对所需配变容量进行求解，并选择符合容量要求的变压器。视在功率为

式中，功率因数cosφ的取值范围是0.85～0.95，本文统一取0.95。

由式（5）计算各供电分区的视在功率S如下：

1#供电分区视在功率：

2#供电分区视在功率：

3#供电分区视在功率：

根据国家规定的指标，60%～80%为变压器经济运行的合理区间，变压器容量的计算由变压器经济运行负载率决定，其数值规定为70%，配电容量为

式中，k为同时率，取0.8；λ为变压器经济运行负载率。

由式（6）计算出的各供电分区配电容量分别为

1#供电分区配电容量：

2#供电分区配电容量：

3#供电分区配电容量：

综合上述计算结果，单台400 kVA 柱上变压器可满足1#、2#、3#分区居民用户的用电需求量。

由公式

计算高压10 kV 电流I，以便作为选择高压架空线线径的依据。由式（7）计算3 个供电分区的总负荷为

计算电流I为

本工程所需电源是由35 kV 变电站提供，按照国网辽宁公司相关文件要求，主干线路导线为铝芯聚乙烯绝缘架空电缆，其横截面积及电压值分别为185 mm2、10 kV，该导线载流量为235 A，通过上述计算，该工程所选择的导线的各项指标均符合项目要求及国家规定。

3 铁岭地区“煤改电”工程实施前后农网负荷分析

1）年负荷特性

2017 年在铁岭实施“煤改电”工程区域的年负荷曲线如图1 所示。根据图1 可以得知，在工程启动之前，每年7～8 月份的负荷通常为铁岭地区年度最大负荷，其数值大约为85 万kW 左右，地区季度不平衡指数约为0.87。“煤改电”项目于2017年在铁岭农村地区开工后，1～3 月以及11～12 月大规模增加了供暖负荷，新增电采暖负荷在1 月份所需为最高，预计为33 万kW，新增负荷约占整个农网区域的四分之一。“煤改电”项目启动后铁岭地区2017年年负荷曲线如图1 所示，由于电采暖负荷在1 月份的大量需求，该区域1 月份的负荷峰值达到了130 万kW，季度不平衡系数相较工程实施前略有下降，为0.8，负荷曲线受到项目的冲击波动的程度增大。

图1 “煤改电”新增负荷对比

2）日负荷曲线

图2为铁岭地区2015年、2017年进行施工区域农网年最大日负荷曲线。根据图2 可以得知，在工程启动之前，21：00 左右为一般冬季日的最大负荷时间段；2017 年工程完成后，冬季日负荷峰值一半出现在夜晚22：00到次日清晨7：00。根据图2中曲线可以看出，随着“煤改电”项目的进行，农网区域受到大量新增负荷的冲击，一般冬季日的峰谷差额分别为5%和19%，负荷平均率分别为0.97 和0.89。受到工程进展的影响，铁岭农村地区负荷峰谷差变化幅度以及负荷曲线波动情况随着大量工程新增设备的接入而变得较为剧烈。

图2 冬季最大日平均负荷曲线

4 辽宁省“煤改电”负荷需求情况预测

依据网站的披露以及相关工作人员提供的数据可知，全省约有1 486家单位的锅炉为非电锅炉，初步统计需要进行改造的锅炉总吨位约为4.4×103t，全省30%的供热面积会受到其改造的影响。

按照政府2016～2020 年的规划要求，功率较小的锅炉拟定在近期进行改造，大功率锅炉计划于规划年限末期改造。政府文件中明确要求20 t/h及以下功率的燃煤锅炉于2017 年底全部进行改造或销毁。根据调查结果得知，积极响应政府要求改造的燃煤锅炉为350 台，总容量为2 140 蒸吨。两年内进行改造的燃煤锅炉总容量约占全省需进行改造锅炉总容量的16.4%，其余20蒸吨及以下功率锅炉将对原有供暖方式进行改造。除去暂无整改政策支持的50 蒸吨以上燃煤锅炉，政府规划于2018～2025年对20～50 蒸吨容量锅炉进行改造，预计每年改造非电锅炉38台，总容量约为1 578.8蒸吨。

根据上文所述，2016～2020 年计划对全省20%非电锅炉进行改造，改造容量为6 911蒸吨，占比约15%，改造情况如表1所示。

表1 煤改电改造规划具体情况

根据锅炉容量及用户数据可知，生活所需每蒸吨供暖锅炉所需用电负荷为1.68 MW，非生活所需每蒸吨供暖锅炉所需负荷为1.26 MW。根据政府文件规划要求，“煤改电”项目涉及改造锅炉考虑同时率系数规定为0.8，工程实施阶段预计增加8 180 MW 低谷供电负荷，各供电公司低谷售电量预计增加9 500 MW·h。具体情况如表2所示。

表2 辽宁“煤改电”负荷预测

综合评估“煤改电”工程改造锅炉接入需求及辽宁省电网目前现状，预计在工程涉及区域新建220 kV、66 kV 变电站以及10 kV 输电线路，总计投入约80亿元。

通过对“煤改电”项目的整体测算，预计新增用电量约为9.18×103kW·h。电能占比于终端能源的提升幅度与燃煤锅炉热效率的减少呈反比关系。所以在采暖期耗热指标条件相同的情况下，2016～2020年工程设计改造面积为2.8×108m2，电能占终端能源消费的比重提升0.7～13.49。综上所述，“煤改电”工程预计每年提升1.02%用电负荷，提高电能占比于终端能源消费约0.146%，为全省带来220亿的经济效益。

5 辽宁省“煤改电”工程对电网的影响

现如今，国内多数区域在夏冬季节的电网负荷差值逐渐增大。随着全球气候的多变，在夏季的商业楼、个人用户都偏爱使用制冷设备，此时用电负荷增高。对比国内的秋冬季节，随着部分地区在此方面的负荷需求的减少及消失，导致大范围用电量骤减，也造成了发电机组仅夏季运行，冬季备用的现象，这直接决定了发电机组的低性价比。电采暖计划的推广和实施，恰巧弥补了夏季制冷所造成的季节性负荷差，有效地减小了冬夏产生的负荷差值，充分满足电力系统的经济运行特点。

随着“煤改电”项目的实施，为地区相关产业链的发展带来了挑战和机遇。首先，用户取暖方式由煤转电后对于供电单位输配电环节的安全、稳定提出了更高的要求。伴随着“煤改电”工程的实施，电力公司网架结构、输电线路的改良升级对供电质量提供了保障，并增强了供电公司在市场当中的竞争力。新增售电量为电网企业带来了直接的经济效益，并不断推动其进一步发展，为用户提供更加清洁、安全、可靠的能源服务，形成了一个良性循环过程。其次，电力设备制造商以及经销商也会从“煤改电”工程中受益。随着工程的深入进行，电力设备生产管理者会逐渐发现现有设备存在的不足与推广的瓶颈，从而加大研发资金的投入，通过引进与培养专业人才、校企合作等方式解决现有设备存在的问题，从而提高企业在市场中的竞争力。随着国家对环保要求力度地加大，越来越多的人也意识到可持续发展对于人类的重要性，从最开始对电采暖工程的抗拒到后来的主动实施，不但推动了电采暖工程的相关企业发展，同时也促进了清洁能源消纳与地区经济的发展。

6 结论

本文分析了预测负荷的不同方法，并根据工程区域用户特性选择适合的算法，通过实例计算，明确了负荷预测在“煤改电”工程应用中的重要性。根据实例计算的结果，对该工程用电增量负荷、电采暖改造面积以及电能占终端能源消费的比重进行了分析。最后分析了“煤改电”项目对于电网的影响，有利于电力系统的经济稳定运行，“煤改电”项目开展之后，对于以往冬季存在的日负荷峰谷差、冬季调峰以及电压调整等问题都起到了改善的作用。