电力系统毕业设计

*本科毕业设计（论文）1前言电力系统应该保证对各类用户尽可能经济的提供可靠而合乎质量标准要求的电能，即满足负荷的要求。负荷的大小与特征，无论是对电力系统设计还是对运行管理而言，都是极为重要的因素。对负荷变化与特征有一个事先的估计，即电力系统负荷预测，是电力系统发展与运行研究的重要内容，电力系统负荷预测理论就是这样发展起来的。在现代电力系统工程科学中它已经成为占有重要地位的研究领域，是电力系统自动化领域中的一个重要内容。电力系统规划和调度运行都应以对未来电力系统负荷的预测为依据，电力负荷预测是电力系统规划、调度的重要组成部分。电力系统负荷预测的重要性在于：系统的可用发电容量，在正常运行的条件下，应当在任何条件下都满足系统内负荷的要求。假如系统内的容量不够，就应该采取必要的措施来增加发电容量，如新增发电机或从邻网输入必要的电力；反之，如发电容量过剩，也应该采取必要的措施，如有选择的停机或向邻网输出多余的功率。因此，未来电网内负荷变化的趋势与特点，是电网规划设计部门和调度部门所必须具有的基本信息之一，负荷预测是电网规划十分重要的前提和基础，负荷发生变化时，规划中要建设的电源和电网项目在容量、规模和进度等方面均要受到影响并发生相应的变化，这种影响和变化往往对电网的规划和设计带来十分被动的局面。目前我国正是计划经济转型向市场经济的大发展阶段，随着用电环境的宽松，和电力紧张的现状，电力市场的作用和和影响明显增大，负荷预测是分析电力市场的一项基础工作，直接影响到电力系统的安全、稳定、经济运行，也影响电力企业的经济效益，因此，准确的作好电力系统的负荷预测这项工作具有十分重要的意义。*本科毕业设计（论文）2邢台地区电力负荷预测1 邢台市电力发展概况1.1 邢台市概况邢台市位于河北省南部，为地级市。辖 2 个县级市、15 个县和 2 个区，173 个乡镇办事处，5212 个行政村，总面积 12486 平方公里,总人口 670 万人（其中市区人口 54.6万人） 。邢台地理环境优越，交通发达，通讯快捷，京广、京九铁路、京深高速公路贯穿南北，邢济（南） 、邢和（顺） 、邢长（治）公路横穿东西。全市形成了铁路、公路纵横交错，连接全国各地的交通运输网络。改革开放以来，邢台市工业经济得到了迅猛发展，初步形成了煤炭、机械、冶金、电力、纺织、食品、建材等为支柱行为，以原煤、电力、生铁、钢材、轧辊、浮法玻璃、水泥、轮胎、板式家具、电缆、绒布、装饰布、羊绒及制品、白酒、饮料、方便面、中成药、拖拉机、化肥等上百种名优骨干产品构筑的产品产业结构构框架，形成了较为完善的工业体系。到目前全国有及销售收入 500 万元以上的工业企业 676 家，其中国有企业 187 家，大中型企业 82 家，国有大中型企业54 家，全部从业人员 210.78 万人，入统企业总资产 3420099 万元，固定资产余额1503342 万元，资产负债率为 54.9%。近年来，综合考评邢台市工业经济整体实力居全省前 5 名。到 2000 年 9 月底，邢台市入统企业完成工业增加值 577316 万元，同比增长 11%， 实现利税 184514 万元，同比增长 19.7%，实现利润 96830 万元，同比增长 25.6%，国有及其它类型技改投资完成 117417 万元，同比增长 11.95%，迈入新世纪，按照“十五” 工业经济发展计划，今后重点发展原材料基础行业、食品行业和纺织行业，以此带动相关行业发展。1.2 邢台市用电特点1.2.1 工业企业用电特点近年来，随着市场的高速发展，对邢台的工业结构调整产生巨大影响。邢台过去只有少数几个大、中型国营企业；到 20 世纪 90 年代初，以个体加工业为主的家庭作坊式企业兴起，成了工业用电的主流，但整个用电量并不大，全社会用电量也仅有 2 亿 kWh；到 20 世纪 90 年代末，大批完成资本积累的邢台商人开始转投工业，使邢台用电结构发生根本性的变化，工业用电开始大幅度增长；到新世纪初，市政府大力兴建工业园区，一批大、中型企业的出现，邢台的工业用电量年增长率平均都高达 40左右，全社会用电量年平均增长率达 30以上。到 2001 年，全社会用电已达 125 亿 kWh，工业用电占 65；其中生产较为稳定的大中型企业比例也在逐年上升，占工业用电量的60，用电稳定性较低的占 40。所以对工业用电预测是整个负荷预测工作的基石。1.2.2 市政生活及照明用电特点随着邢台市人民生活水平的提高，空调、冰箱等电器的普遍使用，市政生活用电已成为用电结构中重要组成部分。照明用电虽然电量不多，但负荷占尖峰时间内的比重较大，对系统负荷综合曲线有决定性影响，从预测角度来说，只和光照度有关，负荷总量基本上是固定的，只是根据光照度和时间产生一块较为固定的负荷，累加在负荷曲线上，相对比较稳定，容易预测。市政生活用电影响最大的因素是气温，而空调、冰箱等电器的使用，频率最高点在气温零下 13以下或 32以上。从而加大了用电负荷。*本科毕业设计（论文）32 邢台地区负荷预测方法的选用2.1 负荷预测的含义 负荷是指电力需求量或者用电量，而需求量是指能量的时间变化率，即功率，而用电量是指某一电网内用户在一段时间内的用电总量。也就是说，负荷是指发电厂、供电地区或电网在某一瞬间所承担的总功率或某一电网某一段时间内的用电总量。所谓负荷预测，是指在充分考虑一些重要系统运行特性、增容决策和自然条件的情况下，利用一套系统地处理过去和现在负荷的方法，在一定精度意义下，估计未来某个特定时刻或某个特定时期的负荷值。2.2 电力负荷预测的分类电力负荷可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及其它负荷 。城市民用负荷主要是城市居民的家用负荷。商业负荷与工业负荷是各自为商业与工业服务的负荷。在我国，农村负荷是指广大农村的所有的负荷（包括农村村民用电、生产与排灌用电以及商业用电等） 而其它负荷则包括市政用，电（如街道照明） 、公用事业、政府办公、铁路与电车、军用以及其它等。在以上各类负荷中，城市居民用电具有经常的年增长以及明显的季节性波动特点，而居民负荷的季节性变化在很多情况下直接影响系统峰值负荷的季节性变化，但其影响程度则取决于城市居民负荷在系统总负荷中所占的比重。由于敏感于气候的家用电器日益广泛的采用，居民负荷变化对系统峰值变化的影响将越来越大。商业负荷也同样具有季节性变动的特性，而这种变化主要也是由于商业部门越来越广泛的采用空调、电风扇、制冷设备等敏感于气候的电器所致，并且这种趋势正在增长。相对来说，工业负荷一般都是受气候影响较小的基础负荷。但是这并非说它不受气候的影响，例如在高温季节，工业负荷也将含有为降温和防暑所必须的耗电。负荷预测按时间可划分为：1) 超短期负荷预测 预测的时间为几分钟、15 分钟、30 分钟或 60 分钟，主要用于电力市场的实时调度与经济运行。2) 短期预测 预测的时间为时、日、周、月、年，主要用于确定电力系统的运行方式以及为市场上的期货、现货交易提供决策依据。3) 中期预测 预测的时间为 35 年，主要用于电网的扩建规划、制定电力系统的长期运行方式。4) 长期预测 预测的时间为 520 年，主要用于电力系统的远景规划14。2.3 负荷预测研究状况电力负荷预测是电力系统调度、用电、计划和规划等管理部门的重要工作之一。负荷预测的核心问题是预测的技术方法，或者说是预测的数学模型。随着现代科学技术的快速发展，负荷预测技术的研究也在不断深化，各种各样的负荷预测方法不断涌现，从经典的单耗法、弹性系数法、统计分析法到目前的灰色预测法、专家系统法、模糊数学法、人工神经网络法、优选组合法以及小波分析法。值得特别提出的是，日本电力中央研究所多年来一直致力于研究开发电力需求计量经济模型，为日本九大电力公司提供需求预测服务，取得了很好的效果。1994 年，中国电力企业联合会和日本电力中央研究所开始合作，研究适应中国国情的电力需求计量经济模型。2.4 邢台地区预测方法的选用基于上述方法：*本科毕业设计（论文）4如表 2-1 负荷变化大。19962005 年 7 月，平均网供最大负荷为 1043 万 kWh，平均最大日供电量 2236 万 kWh；但在春节，低谷时平均网供负荷最低仅为 259 万kWh，说明邢台市受工业产品生产的季节性调整的影响，以及气候的影响，全年用电起伏较大，每月电量见（图 2-1）表 2-1图 2-101000020000300004000050000600001 3 5 7 9 11月 份月 平 均 供 电 量由于一个地区的用电量及负荷状况不仅与它的供电机组、电网容量、生产能力、经济发展及大用户情况有直接关系，而且也与该地区的行政与管理政策的变化、天气状况、文化状况以及生活习惯等因素有关。这些因素组成了一个灰色系统（即部分信息已知，部分信息未知的系统） ，所以在对邯郸地区的需电状况进行预测分析时，采用了灰色预测与多元线性回归相结合的预测方法。下面就简单的介绍一下这两种方法。月份 平均最大负荷 平均最大日供电量 平均最低网供电量1 756 1567 2592 708 1483 3183 859 1777 3754 966 2146 4115 938 1859 4046 1022 2301 3087 1043 2236 3148 819 1801 3919 769 1655 35210 899 1952 35311 804 1712 39212 824 1708 406*本科毕业设计（论文）53 电力负荷预测理论3.1 电力负荷中期预测法3.1.1 灰色系统基本预测理论3.1.1.1 基本原理系统是指相互依赖的两个或两个以上要素所构成的具有特定功能的有机整体。系统可以根据其信息的清晰程度，分为白色、黑色和灰色系统。白色系统是指信息完全清晰可见的系统；黑色系统是指信息完全未知的系统；灰色系统是介于白色和黑色系统之间的系统，即部分信息已知、部分信息未知的系统。宇宙间大量存在的是灰色系统，严格的说，灰色系统是绝对的，而白色和黑色系统则是相对的。运用灰色系统理论、通过建立灰色模型所进行的预测即为灰色预测。对经济、社会、农业等系统的预测属于本征性灰色系统的预测。因为这类系统没有物理原型，不清楚系统的作用机制，很难判断信息的完备性，难以对系统关系、结构作精确描述，人们只能凭逻辑推理、凭某种观念意识、凭某种准则对系统的结果、关系进行论证，然后再建立某种模型，这些模型充其量只能看作是原系统的代表、同构。灰色系统不同于模糊系统，模糊系统内涵明确而外延模糊，灰色系统外延明确而内涵不为人们所掌握；灰色系统是基于关联度收敛原理、生成数、灰导数、灰微分方程等的观点和方法，通过建立灰色方程型模型所进行的预测，它具有如下的特点：1)灰色模块建模，而不直接用原始数据序列。在建模前，先对原始数据进行整理和处理，使之呈现一定的规律性，这种方法叫做生成；经过一定方式生成的新序列称之为“模块”这样做的目的是为了消除原始序列的随机性，使上下波动的时间序列转变成单调升、并带有线性或指数规律的序列。2)建立微分方程的动态模型。这种建模方法为本征性灰色系统的实体化、物理化找到了途径，把自然科学的试验手段移植到抽象系统。关联分析代替回归分析。灰色系统主张按机理、按发展变化态势作特征分析，按发展态势建立关联的测度，研究关联序，以研究生成函数的逼近度、检验预测精度等。3.1.1.2 累加和累减法灰色预测所直接使用的不是原始数据序列，而是由原始数据序列所产生的灰色模块。这是由于原始序列中常混入随机量或噪声。在控制系统理论中，通常需要用滤波的方法来消除噪声，在灰色预测中对原始序列的处理相当于滤波的处理方法，即建立灰色模块，下面介绍建立灰色模块的两种方法累加生成系列和累减生成系列。一：累加生序列累加生成即通过对原始数列进行累加，生成新的数据序列，一般经过一次累加后，就可以进行建模了。设原始序列为： kxx000,2,1经过一次累加生成的新序列，记为 1AGO，为：kxx1,*本科毕业设计（论文）6其中： 101x21220x 3330001 xx如果设 ，则有：01xkxkxxk 0100012下面举例说明之。例：设有原始序列为： 1,5430x即 1,2,31 0000 xx经过一次累加生成： 3101x5220x94533011 xx 1459011 x4011x分别运用原始数据序列和新数据序列所绘制的曲线图如下：012345678012345678原 始 序 列 曲 线 图 一 次 累 加 生 成 的 新 序 列 曲 线 图原 始 序 列 累 加 后 序 列由图可以看出，原始数据序列为一不规则的波动曲线，其含随机变量，较难找出其变化规律，亦难以用解析函数来拟合。但经过一次累加生成之后所形成的序列，其曲线为上图所示。可以看出新序列有单调增的趋势，有可能用适当的函数来描述。可以想象，累加生成次数愈多，其随机性被弱化得愈显著，序列所形成的曲线其规律性将更加明显。*本科毕业设计（论文）7一般累加公式为：（31）kxkjxkrrjrr 11 对于经过多次累加生成序列 xm，大多数可用指数函数进行拟合，也就是说大多可以用微分方程来描述，或者说可以近似地作为微分方程的解。二：累减生成法经过累加之后的序列，已经失去其原来的物理意义和经济意义，故经过方程求解的结果必须还原到原序列，即通过累减得到原始序列。下面讨论累减算法：用 a(r)表示 r 次累减运算算子。a(0)表示不作累减，即 a(0)x(i)= x(i) a(1)表示一次累减，即 a(1)x(i)= x(i)- x(i-1) 一般的有： kxarr0 1001 kxarrr112kxkxrrrkxaarjrjrj式中：j1，2，n还可进一步导出下列关系：kxkxaarrrr 1001 kxkxaarrrrr 2112 利用数学归纳法有： irri 当 ir 时，有： kxai0当 ir 1 时，有： 1利用上述公式就可以完成累加的逆运算（累减） ，得到原始序列。3.1.1.3 灰色简单模型现行的比较常用的灰色模型有：灰色简单模型、灰色新还原模型、灰色残差模型、灰色新还原残差模型、DGM 模型和费尔哈斯模型，在本节和以下的几节里我们将分别介绍。现在我们先介绍最简单的也最常用的灰色模型，即灰色简单模型，简称为GM（1 ，1）模型。*本科毕业设计（论文）8一：灰色微分方程在介绍一般的灰色模型前，我们先介绍灰色微分方程。灰色系统理论通过对一般微分方程的深刻剖析定义了系列的灰导数，从而使我们能够利用离散数据系列建立近似的微分方程模型：（32）uaxdt其中 为 x 的导数，x 为 的背景值；a，u 为参数。t t二：GM(1.1) 模型灰色简单模型 GM（1，1）表示一阶的，一个变量的微分预测模型，用于时间序列预测的是其离散形式的模型。设原始系列为 )(,)2(,1(00)0 nxxX其 1AGO 系列 X（1）为： )(,)(,(11)1对一阶生成数列 x(1)，建立 GM（1，1）模型（33）uaxdt1由导数的定义有 ，因为一般预测的系列都在时间上是离散的，txdtt)(lim0所以我们以离散的形式表示，则有： 111)0()()()()( kxkxkxt又由于离散的关系，我们取 x(1)(k)为 x(1)(k)和 x(1)(k-1)的均值。于是我们可以把公式（33）的微分方程表示为如下的离散方程：（34）ukazx)()(10其中 。称（34）式为 GM(1，1)模型，),2;/)()()1(1 nkz 而把公式（33）的方程称为（104）的白化方程。这样可以得到如下的方程组：*本科毕业设计（论文）9（35）unazxzx)()(3)2()(1010三：模型参数求解式（32）中，a 、u 为待估参数， a 为发展灰数，反映了 及 的发展态势；)1(X)0(u 为灰色作用量是从背景值挖掘出来的数据，它反映数据变化的关系，其确切内涵是灰的。灰色作用量是内涵外延化的具体体现，它的存在世区别灰色建模与一般输入输出建模的分水岭。将两个待估参数表示为向量形式： 。Tu,对于（33）的方程组