大同電力負(fù)荷預(yù)測新方法

蘇晨

摘 要：負(fù)荷預(yù)測是電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度、運(yùn)行控制等工作的重要基礎(chǔ)，是制定電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要依據(jù)，是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提和保障。準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測，可以保證社會的正常生產(chǎn)和生活，有效提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，電力負(fù)荷預(yù)測對于保證電力工業(yè)的健康發(fā)展，乃至整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展均有著十分重要的意義。本文通過對負(fù)荷密度法和時間序列法相結(jié)合，針對中期負(fù)荷預(yù)測提出了一種新的電力負(fù)荷預(yù)測模型，并對大同市電力負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：負(fù)荷預(yù)測 負(fù)荷密度法 時間序列法

中圖分類號：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0132-02

1 研究的目的和意義

用電負(fù)荷是指電能用戶的用電設(shè)備在某一時刻從電力系統(tǒng)取用的電功率的總和。針對用電負(fù)荷的預(yù)測即為負(fù)荷預(yù)測。負(fù)荷預(yù)測是電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度、運(yùn)行控制等工作的重要基礎(chǔ)，是制定電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要依據(jù)，是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提和保障。準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測，可以經(jīng)濟(jì)合理地安排電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)的啟停，保持電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，減少不必要的旋轉(zhuǎn)儲備容量，合理安排機(jī)組檢修計(jì)劃，保證社會的正常生產(chǎn)和生活，有效提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，電力負(fù)荷預(yù)測對于保證電力工業(yè)的健康發(fā)展，乃至整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展均有著十分重要的意義[1]。

長期以來，專家學(xué)者在電力負(fù)荷預(yù)測的理論和實(shí)踐上展開了廣泛的研究，按預(yù)測方法的參考體系來看，預(yù)測方法可以分為確定性預(yù)測法和非確定性預(yù)測法兩類。前者把電量和電力負(fù)荷用一個或一組方程來描述，電量和電力負(fù)荷與影響其變化的因素之間有著明確的對應(yīng)關(guān)系。這類方法常采用的模型多達(dá)幾十種，如彈性系數(shù)法、時間序列法等。非確定性預(yù)測法認(rèn)為電力負(fù)荷的變化受眾多模糊、不確定的因素影響，它不可能用精確的現(xiàn)實(shí)數(shù)學(xué)方法來描述，主要有灰色預(yù)測法、模糊預(yù)測法等[5]。

本文通過對負(fù)荷密度法和時間序列法相結(jié)合，針對中期負(fù)荷預(yù)測提出了一種新的電力負(fù)荷預(yù)測模型，并對大同市電力負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測。

2 負(fù)荷預(yù)測的基本方法

電力負(fù)荷預(yù)測又分為長期、中期和短期預(yù)測。長期負(fù)荷預(yù)測一般指5～10年及以上并以年為單位的預(yù)測，主要是用于制定電力系統(tǒng)的擴(kuò)建規(guī)劃，它為所在地區(qū)或電網(wǎng)的電力發(fā)展速度，電力建設(shè)規(guī)模，電力工業(yè)布局等工作提供了可靠的依據(jù)。中期負(fù)荷預(yù)測指2-5年左右并以年為單位的預(yù)測。短期負(fù)荷預(yù)測指次日到第八日的負(fù)荷預(yù)測，每日按照96點(diǎn)編制，主要用于安排調(diào)度計(jì)劃，包括確定機(jī)組起停、水火電協(xié)調(diào)、燃料采供、聯(lián)絡(luò)線交換功率和設(shè)備檢修等；超短期負(fù)荷預(yù)測是指預(yù)測自當(dāng)前時刻開始以5 min、10 min或15 min為預(yù)測周期未來若干時段的用電負(fù)荷，主要用于AGC和安全監(jiān)視。

中期負(fù)荷預(yù)測方法主要包括單耗法、負(fù)荷密度法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、時間序列預(yù)測法等。此類預(yù)測方法對計(jì)算模型精度和運(yùn)算速度沒有特殊要求。中期負(fù)荷預(yù)測法具有非常強(qiáng)的規(guī)律性，不同于長期負(fù)荷預(yù)測辦法，其以一年中的十二個月負(fù)荷變化的特性作為主要研究對象.具有很強(qiáng)的周期性、季節(jié)性以及趨勢性。同時在建立負(fù)荷預(yù)測模型時，需要綜合考慮電網(wǎng)系統(tǒng)所在地區(qū)的氣溫、氣候、工農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)組成等影響因素。中期負(fù)荷預(yù)測是電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃、節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、增容改建、技術(shù)升級改造、調(diào)度計(jì)劃制定等各項(xiàng)工作開展的重要前提，是各級電力規(guī)劃部門研究的一個重要內(nèi)容。

2.1 時間序列法

時間序列法是利用按時間順序排列的數(shù)據(jù)預(yù)測未來的方法，是一種最為常見的負(fù)荷預(yù)測方法，針對整個觀測序列呈現(xiàn)出的某種隨機(jī)過程的特性，去建立和估計(jì)產(chǎn)生實(shí)際序列的隨機(jī)過程的模型，然后用這些模型去進(jìn)行預(yù)測。它利用了電力負(fù)荷變動的慣性特征和時間上的延續(xù)性，通過對歷史數(shù)據(jù)時間序列的分析處理，確定其基本特征和變化規(guī)律，預(yù)測未來負(fù)荷。

時間序列預(yù)測方法可分為確定型和隨機(jī)性兩類，確定型時間序列作為模型殘差用于估計(jì)預(yù)測區(qū)間的大小。隨機(jī)型時間序列預(yù)測模型可以看作一個線性濾波器。根據(jù)線性濾波器的特性，時間序列可劃為自回歸（AR）、動平均（MA）、自回歸-動平均（ARMA）、累計(jì)式自回歸-動平均（ARIMA）、傳遞函數(shù)（TF）幾類模型，其負(fù)荷預(yù)測過程一般分為模型識別、模型參數(shù)估計(jì)、模型檢驗(yàn)、負(fù)荷預(yù)測、精度檢驗(yàn)預(yù)測值修正5個階段。

2.2 負(fù)荷密度法

負(fù)荷密度是每平方公里的平均負(fù)荷值。負(fù)荷密度法主要預(yù)測原理是將某電網(wǎng)劃分為若干預(yù)測小區(qū)，然后進(jìn)行每個小區(qū)電能需求總量的預(yù)測，最后通過相加獲得規(guī)劃區(qū)城市電網(wǎng)的負(fù)荷總量預(yù)測量。一般不直接預(yù)測整個城市的負(fù)荷密度，而是根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃、人口規(guī)劃、居民收入水平增長等情況，按城市區(qū)域或功能分區(qū)。首先計(jì)算現(xiàn)狀和歷史的分區(qū)負(fù)荷密度，然后根據(jù)地區(qū)發(fā)展規(guī)劃及各分區(qū)負(fù)荷發(fā)展的特點(diǎn)，推算出各分區(qū)目標(biāo)年的負(fù)荷密度預(yù)測值。

至于分區(qū)中的少數(shù)集中用電的大用戶，在預(yù)測時可另作點(diǎn)負(fù)荷單獨(dú)計(jì)算。由于城市的社會經(jīng)濟(jì)和電力負(fù)荷常有隨著某種因素而不連續(xù)（跳躍式）發(fā)展的特點(diǎn)，因此應(yīng)用負(fù)荷密度法是一種比較直觀的方法。

3 加入負(fù)荷密度的時間序列法

負(fù)荷密度法是電力系統(tǒng)中一種典型的自下而上的負(fù)荷預(yù)測法，而時間序列法則利用了電力負(fù)荷變動的慣性特征和時間上的延續(xù)性，通過對歷史數(shù)據(jù)時間序列的分析處理，確定其基本特征和變化規(guī)律，預(yù)測未來負(fù)荷。因此，我們可以將二者結(jié)合起來對負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。

3.1 負(fù)荷分類

對負(fù)荷進(jìn)行分類，用電負(fù)荷即為產(chǎn)業(yè)發(fā)展中所使用的負(fù)荷。我們首先對產(chǎn)業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類，可分為三個產(chǎn)業(yè)，第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)。對之進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，第一產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、副業(yè)、漁業(yè)；第二產(chǎn)業(yè)可分為采掘工業(yè)、制造業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)和建筑業(yè)；第三產(chǎn)業(yè)可分為流通產(chǎn)業(yè)和服務(wù)產(chǎn)業(yè)；流通產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步可分為交通運(yùn)輸、郵電通訊、商業(yè)、飲食業(yè)、物流倉儲等；服務(wù)產(chǎn)業(yè)可進(jìn)一步分為生產(chǎn)服務(wù)和生活服務(wù)。用公式表示為A={A1、A2、A3……An}。

對負(fù)荷性質(zhì)按時間進(jìn)行劃分，一年內(nèi)負(fù)荷可分為正常日負(fù)荷、節(jié)假日負(fù)荷。一日內(nèi)負(fù)荷可分為高峰負(fù)荷、低谷負(fù)荷、正常負(fù)荷。排列組合后用公式表示為B={B1、B2、B3、B4、B5、B6}。

3.2 負(fù)荷穩(wěn)定性分析

負(fù)荷穩(wěn)定性分析，是通過對負(fù)荷進(jìn)行數(shù)據(jù)分解與成分分析，量化評估本地區(qū)不同時段負(fù)荷發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律性和穩(wěn)定性的過程。主要采用傅立葉分解等手段對若干連續(xù)日負(fù)荷曲線進(jìn)行頻域分解，分解為日周期分量、周周期分量、高頻分量和低頻分量，量化分析形成穩(wěn)定度上限與下限，評估預(yù)測的可能精度范圍。負(fù)荷穩(wěn)定性分析的基本思路如下。

（1）對指定建模時域的負(fù)荷時間序列做如下有限傅立葉分解：

（2）進(jìn)行周期性成分重構(gòu)：

其中：

a0+D（t）為日周期分量；W（t）為周周期分量；L（t）為低頻分量；H（t）為高頻分量。

3.3 氣象靈敏度分析

氣象靈敏度分析，是指通過對氣象指標(biāo)與負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性建模的過程。其主要內(nèi)容是從數(shù)學(xué)上找出其最佳擬合函數(shù)，并對其中的待定參數(shù)做出最優(yōu)的估計(jì)，給出相關(guān)程度的度量值，從而形成靈敏度指標(biāo)，定量評估氣象指標(biāo)對負(fù)荷指標(biāo)的影響。而其中的氣象指標(biāo)主要包括日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度、日降雨量、日濕度、日照時間、氣壓等；負(fù)荷指標(biāo)主要包括日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷、日平均負(fù)荷、日電量等。

3.4 小結(jié)

本文通過對P（P=A×BT）種負(fù)荷分別進(jìn)行擬合分析，結(jié)合負(fù)荷穩(wěn)定性分析和氣象靈敏度分析進(jìn)行時間序列法建模，再運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校驗(yàn)，并加入壞點(diǎn)剔除功能，從而對負(fù)荷進(jìn)行正確預(yù)測。

4 負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

依據(jù)上述理論，通過驗(yàn)算2005年至2011年三次產(chǎn)業(yè)負(fù)荷等數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行完善后。依據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，參照分產(chǎn)業(yè)用電量數(shù)據(jù)增加值、GDP數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)等相關(guān)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論（見表1）。

5 結(jié)語

做好負(fù)荷預(yù)測工作，需要進(jìn)一步完善負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)庫，通過對電廠、大用戶、居民負(fù)荷的實(shí)時數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)一步改善算法，進(jìn)一步提高負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確度。需要與氣象建立長期穩(wěn)定的溝通機(jī)制，第一時間掌握天氣變化的信息，有效應(yīng)對地區(qū)天氣變化對負(fù)荷的影響，作出正確預(yù)測。需要找出影響地區(qū)負(fù)荷變化的主要因素，了解工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工藝流程和負(fù)荷變化規(guī)律，及時與工、農(nóng)業(yè)管理部門溝通信息，在此基礎(chǔ)上用掌握的信息指導(dǎo)預(yù)測工作，提高了預(yù)測準(zhǔn)確率。

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