（电气工程专业论文）中长期电力负荷预测.pdf

m e d i u m l o n g t e r m l o a d f o r e c a s t i n g f o rp o w e r s y s t e m m a j o r ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ： z h a n g y ia d v i s o f ：z h o 珏b u x i a n g l o a df o r e c a s t i n gf o rp o w e rs y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n tt a s ko fp o w e r u t i l i t i e s a c c u r a t el o a df o r e c a s t i n gi s h e l p f u lt op l a n n i n gg e n e r a t o r s s t a r t i n ga n d s t o p p i n gi nt h e i n t e r i o ro ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r k se c o n o m i c a l l ya n dr e a s o n a b l y , p r e s e r v i n gt h es e c u r i t y a n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，r e d u c i n gt h e u n n e c e s s a r y c i r c u m v o l v i n gr e p e r t o r yc a p a c i t y , m a k i n gp l a n n i n gt oo v e r h a u lt h eu n i t si nr e a s o n ， e n s u r i n gt h en o r m a lp r o d u c t i o na n dl i f eo f t h es o c i e t y , e f f e c t i v e l yr e d u c i n gt h ec o s t o fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y , i n c r e a s i n gt h ee c o n o m i c a la n ds o c i a l b e n e f i t l o n gt e r m l o a d f o r e c a s t i n gi sc o m m o n l y t ob ef o r e c a s t i n gw h i c hi sm o r et h a n t e ny e a r sa n du s e s y e a r a si t su n i t ，a n dm e d i u ml o a d f o r e c a s t i n gi sc o m m o n l y t ob e f o r e c a s t i n g w h i c hi s a b o u tf i v ey e a r sa n du s e sy e a ra si t su n i tt o o t h e ya r eh e l p f u lt o p l a n n i n gn e w g e n e r a t o r s ( i n c l u d i n gt h eg e n e r a t o r s c a p a c i t y , t y p e ，a d d r e s sa n dt i m e ) ，d e s i g n i n g ， b u i l d i n ga n dr e b u i l d i n gt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k s t h e ya r et h em o s ti m p o r t a n tj o b so f t h ep o w e r p l a n n i n g u t i l i t i e s a f t e rd i s c u s s i n gt h ec o n s t i t u e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i e so ft h ee l e c t r i c l o a d ， a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g t h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so f s o m e f o r e c a s t i n gm e t h o r d s ， t h ep a p e rc h o o s e st h eh y b r i dm e t h o d ，g r e ym o d e la n dl i n e a rr e g r e s s i o n , t ob u i m t h e m e d i u m l o n gt e r ml o a df o r e c a s t i n gm o d e l ，w h i c hs e p a r a t e st h ef o r e c a s t i n gj o bi n t o t w o p a r t s ：o n ei su s i n gg r e ym o d e lt of o r e c a s tt h ec o r r e l a t i v ef a c t o r sa n dt h eo t h e ri s u s i n gl i n e a rr e g r e s s i o nt of o r e c a s tt h el o a d s i tc a l lt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h eg r e y m o d e l ，w h i c hr e q u i r e sf e wd a t a , d o c s n tc o n s i d e rt h ed i s t r i b u t i o nr u l ea n dc h a n g i n g t r e n d ，h a sc o n v e n i e n to p e r a t i o n ，c h e c k su pe a s i l y , a n ds oo n i tc a na l s om a k et h eb e s t o fl i n e a r r e g r e s s i o n ，w h i c hc a l l c o n s i d e rf a c t o r si n f l u e n c i n gl o a d s ，u s em a t u r e t e c h n o l o g yt oe s t i m a t em o d e lp a r a m e t e r s ，e a s i l yf o r e c a s tl o a d s ， a f t e r d i s c u s s i n gt h eh y b r i df o r e c a s t i n gm e t h o d 。t h ea u t h o r 毽s e s i tt of o r e c a s tt h e l o a d so f t h em e i s h a n c i t y , s i c h u a np r o v i n c e t h eu t i l i t yp r o v e si t sf e a s i b i l i t y i nt h ee n d ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h em e r i t sa n d s h o r t c o m i n g so f t h em e t h o da n d t h e i m p r o v e m e n to fm e d i u m l o n gt e r ml o a d f o r e c a s t i n g m e t h o d sf o rt h en e w s i t u a t i o nu n d e r p o w e r m a r k e t 1 ( e y w o r d s ：e l e c t r i cl o a d ，m e d i u m l o n gt e r ml o a d f o r e c a s t i n g ，g r e ym o d e l ，l i n e a r r e g r e s s i o n ，f u z z yl i n e a rr e g r e s s i o n 四川大学工程硕士学位论文 第一章概述 1 1 负荷预测的目的和意义 电力系统发展到今天，已经成为世界各国提供能源和动力的巨大网络。 电力系统的作用是对各类用户尽可能经济地提供可靠持续而良好质量的电 能。电能的特点之一是不能大量贮存，即电能的生产、输送、分配、消费是 同时进行的。所以，系统内的可用发电容量，在正常运行条件下，应当在任 何时候都能满足系统内负荷的要求。若发电容量不够，则应当采取必要的措 施，来增加发电机组或从邻网输入必要的功率；反之，若发电容量过剩，也 应当采取必要的措施，比如，有选择的停机或向邻网输出多余的功率。因此， 对未来本电网内负荷变化的趋势与特点的预测，是一个电网调度部门和规划 部门所必须具有的基本信息之一。电力负荷预测是实时控制、运行计划和发 展规划的前提【1 1 。 电力负荷，一方面是指电力工业的服务对象，即电力用户，另一方面是 指上述服务对象使用电力和电量的具体数量。电力负荷预测中的负荷概念， 是指国民经济整体或部门或地区对电力和电量消费的历史情况和未来的变化 发展趋势。负荷预测是指在充分考虑一些重要的系统运行特性、增容决策、 自然条件和社会影响的条件下，研究或利用套能系统地处理过去与未来负 荷的数学方法，在满足一定精度要求的前提下，确定某特定时刻的负荷数值 1 。它包括两方面的含义：对未来需求量( 功率) 的预测和未来用电量( 能量) 的 预测。对功率的预测用来决定发电设备的容量，以及相应的输电和配电的容 量。对电量( 能量) 的预测则决定了应当安装何种类型的发电容量 1 】，也关 系到能源资源的需求与平衡。电力负荷预测是一种被动型预测，受不确定因 素影响较大。 电力负荷预测是供电部门的重要工作之，准确的负荷预测，可以经济 合理地安排电网内部发电机的启停。保持电网运行的安全稳定性，减少不必 要的旋转储备容量，合理安排机组检修计划，保证社会的正常生产和生活， 有效地降低发电成本，提高经济效益和社会效益。负荷预测的结果。还可以 有利于决定未来新的发电机组的安装，决定装机容量的大小、地点和时间， 四川大学工程硕士学位论文 决定电网的增容和改建，决定电网的建设和发展。因此，电力负荷预测工作 既是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基础，它的准确水平已 成为衡量一个电力企业的管理是否走向现代化的显著标志之一u 1 。 城网负荷预测是规划设计的基础工作，其正确与否直接影响到城网的经 济性，电能的质量与供电的可靠性。如预测过大，将增加发、输、配电设备 的投资，造成资金、设备的积压和浪费，降低了投资的经济效益；如预测过 小，随着负荷的日益发展，发、输、配电设备将因容量小而不能传输足够的 电力，使电能损失增加、电能质量下降。因此，恰当地确定负荷水平是城网 规划中的关键问题1 3 j 。 负荷预测中经常按时间期限进行分类，通常分为长期、中期、短期和超 短期负荷预测。长期负荷预测一般指1 0 年以上并以年为单位的预测，中期 负荷预测指5 年左右并以年为单位的预测。它们的意义在于帮助决定新的发 电机组的安装( 包括装机容量大小、型式、地点和时间) 与电网的规划、增 容和改建，是电力规划部门的重要工作之一。短期负荷预测是指一年之内以 月为单位的负荷预测，还指以周、天、小时为单位的负荷预测，通常预测未 来一个月度、未来一周、未来一天的负荷指标，也预测未来一天2 4 h 中的负 荷。其意义在于帮助确定燃料供应计划；可以经济合理地安排本网内各机组 的启停，降低旋转储备容量：可以在保证正常用电的情况下合理安排机组检 修计划。超短期负荷预测指未来l h 、未来0 5 h 甚至未来l o m i n 的预测。其意 义在于可对电网进行计算机在线控制，实现发电容量的合理调度，满足给定 的运行要求，同时使发电成本最小f 2 1 。 负荷预测的核心问题是预测的技术方法1 1 6 1 【l ”，或者说是预测数学模型， 随着现代科学技术的不断进步，负荷预测理论技术得到了很大发展。 1 2 国内外中长期负荷预测的方法及其分析 目前，国内外伫列的中长期电力负荷预测的方法有：分产业产值单耗法、分 部门预测法、电力弹性系数法、分区负荷密度法、时间序列法、相关分析法、 人均电量指标换算法、回归分析法、专家系统预测法等。但是经典和传统的预 测方法精度较差，已经不能适应现在的需要。越来越多的现代预测技术开始应 四川大学工程硕士学位论文 用于中长期电力负荷预测。以下讨论各种预测方法。 1 2 1负荷预测的经典技术”1 从严格意义上讲，负荷预测的经典技术并不是真正的负苟预测方法，它仅仅 是依靠专家的经验或一些简单的变量之间的相关关系对未来负荷值做一个方向 性的结论。预测精度较差。主要有以下几种； ( 1 ) 分产业产值单耗法【2 j 【4 ) 单耗法即单位产品电耗法，是通过某工业产品的平均单位产品用电量以 及该产品的产量，得到生产这种产品的总用电量。单耗法需要作大量细致的统 计调查工作，近期预测效果较佳。但实际中很难对所有产品较准确地求出其用 电单耗，即使作，工作量也太大。有时考虑用国民生产总值或工农业总产值b ， 结合其用电量单耗( 产值单耗) g ，计算出用电量a = b g ，这就是产值单耗法。 ( 2 ) 电力消费弹性系数法【4 l 电力消费弹性系统是电量年平均增长率与国民生产总值年平均增长率之间 的比值，根据国民生产总值增长速度结合电力弹性系数和基准年的实际消费电 量得到规划期末的总用电量，同单耗法一样，电力弹性系统法需要做大量细致 的统计工作。 ( 3 ) 分区负荷密度法 4 1 负荷密度预测法是从地区土地面积( 或建筑面积) 的平均耗电量出发作预测。 一般，先预测未来某时期的土地面积( 或建筑面积) 和单位面积用电密度，再乘以 面积得到用电量预测值，分区负荷预测法首先根据近年来的发展情况、经济发 展目标以及电力规划目标将待预测区域划分成多个功能区，然后对每个功能区 用负荷密度法进行预测，最后相加得到总的用电量预测值。 ( 4 ) 人均电量指标换算法【4 】 入均电量指标换算法是指选取个与本地区入文士睡理条件、经济发展状况 以及用电结构等方面相似的国内外地区作为比较对象，通过分析比较两地区过 去和现在的人均电量指标。得到本地区的人均电量预测值，再结合人口分析得 到总用电量的预测值。 ( 5 ) 分部门法i i 6 】 分别对生活用电和产业用电进行预测，二者相加得总需电量预测1 6 】。其优 型型查堂三堡堡圭兰垡丝塞一 点是考虑了社会各个部门对负荷的影响，在数据准确的情况下可达到很高的精 度。缺点是需要数据量大。使用于预测地区较大时的中长期负荷预测a 1 2 2 传统预测方法 ( 1 ) 时间序列法 时间序列分析法是根据过去的负荷统计数据，找到其随时间变化的规律， 建立时序模型，以推断未来负荷数值的方法，其基本假定是：过去的负荷变化 规律会持续到将来，即未来是过去的延续【“，它是一种“让历史告诉未来”的 预测方法，又称为历史延伸预测法。采用该方法预测时，关键的问题是时间可 比性和指标可比性。时间序列预测法在电网情况正常、气候等因素变化不大时 预测效果良好，但在随机性因素变化较大或存在坏数据的情况下，预测结果不 太理想。 拟合曲线模型形式【5 】有以下几种：a 直线；b 二次曲线；c 修正指数曲线； d 龚帕兹曲线；e 逻辑斯谛曲线；f j ，= + q x ( a 2 ) 。；g y = ( 吼+ 口j x ) ( 口2 ) 1 ； h y = a o + a l ( 日2 ) ；i ) ，= ( 口i 工+ 口2 ) ；j n 阶多项式曲线。 ( 2 ) 相关分析法 相关分析法【4 j 是寻找负荷与影响因素之间的因果关系建立相关分析模型， 通过对观察数据的统计分析和处理进行预测的方法。其特点是：将影响预测对 象的因素分解，在考察各个因素的变化中，估计预测对象未来的数量状态。 其优点是可使预测人员清楚地得到负荷增长趋势与其他可测量因素之间的 关系。缺点是需利用较多相关社会经济发展指数，造成实际预测的困难。适用 于负荷模式变化较大，预测周期较长的情况f 6 】f 1 6 1 。 ( 3 ) 回归分析法 回归分析法是电力系统负荷预测的一种常用的数理统计预测方法，即根据 历史数据的变化规律寻找自变量与因变量之间的回归方程式，确定参数模型而 做出预测。按照“近大远小”原则，应区别对待各时段的拟合残差，即历史时 段中近期的发展规律应更好地拟合，远期的历史数据的拟合程度可以稍低。为 此，可以在参数估计时加入权重矩阵实现。在回归模型的确定上，根据历史数 4 四川丈学工程硕士学位论文 据和未来发展分析。由于模型是基于历史数据进行的回归分析，能较好地拟合 过去，但对未来的预测效果会随时间的延长而减弱。此外，存在着历史数据的 缺乏和统计口径的不统一等问题，造成数学模型的误差，但预测的结果仍有参 考价值【”。其优点是模型参数估计技术比较成熟预测过程简单。缺点是线性 回归分析模型预测精度较低；而非线性回归预测计算开销大，预测过程复杂。 适用于中期负荷预测嘲【1 6 l 。回归分析法采用的回归模型3 l 有： 直线性回归模型刚y = 甜+ 6 抛曲线回归模型y = 甜2 + 缸十c 幂函数回归模型y = 西6c a o ) 自回归模型 只= 口。+ 4 l y + 矗】y l - 2 + + 口， 指数函数回归模型y = 叩“ 多元线性回归模型 y = 口+ 缸。+ “2 + ( 4 ) 趋势外推法 电力负荷的变化一方面有其不确定性，另一方面，在一定的条件下，电力 负荷存在着明显的变化趋势。用描散点图钓方法可定性地确定交化趋势类型， 一旦找到了负荷的变化趋势，按照该变化趋势就能对未来负荷情况做出判断， 这就是趋势外推预测技术【2 1 。 其优点【6 j 【1 6 1 是需要数据量少，缺点是若负荷本身无可外推的本质即不能自 解释时会导致误预测。适用于预测周期较短时的负荷预测。 主要有以下几种类型【2 j ： 水平趋势预测技术：假定收集到负荷变化的t 期数据x 。，x ：，z ，具 有水平趋势，其散点图表现为在条水平直线上下随机波动。从这组数据出发， 求得内插值孔，x 2 ，工，及预测值x t + i ，工m ，。 线性趋势预测技术：包括二次滑动平均法、二次指数平滑法及二除自适 应系数预测方法。这些方法的共同点是，在t 时刻利用数据而，b ，t ，给出 5 四川大学工程硕士学位论文 预测值x 。= 口，+ ；，x ，( ，= 1 ，2 ，) ，为了确定x t + ( f = 1 , 2 ，t ) ，关键是求出 a f 和b f 。 多项式趋势预测技术：函数逼近理论告诉我们，对足够光滑的函数来说， 可用多项式函数去逼近。因而对一般数据序列，原则上可用适当次数的多项式 模型拟合，进而做出预测。 增长趋势预测技术：一般来说年度用电量呈递增的变化趋势，假定收集 到负荷变化的t 期数据x i ，x 2 ，x t ，具有指数增长趋势，利用指数曲线模型、 非齐次指数模型、龚帕兹曲线以及逻辑斯谛曲线等非线性模型，经数学处理转 化为线性趋势预测模型，即可求得预测值x t + l ，x t + 2 ，。 1 2 3 现代预测技术 ( 1 ) 基于系统动力学的预测方法f 1 4 1 系统动力学i 引( s y s t e md y n a m i c s ，简称s d ) ，由m i t 著名学者j a yw f o r r e s t e r 教授于1 9 6 1 年创立，是- - f - j 分析研究信息反馈系统的学科，也是一门认识和解 决系统问题交叉的综合性的新学科。其模型本质上是带时滞的一阶微分方程组。 这种方法在建模时借助于流图，其中流位变量、流率变量、辅助变量等都具有 明确的物理( 经济) 意义，是一种面向实际的建模方法。在s d 方法中关于社会经 济系统的观察、建模以及结果分析是由人来完成，关于系统的动态过程的跟踪 则由计算机来完成。系统动力学正是将人对事物有敏锐的观察力、富于创造力 与想象力的优势与计算机具有复杂运算的能力结合起来，有效发挥其各自优势 的一种方法。 将系统动力学应用于电力负荷的中长期预测，首先根据历史用电情况分析 建立模型结构图，然后进行方程式设计，最后通过仿真和参数敏感度测试证明 模型的合理性和实用性。电力系统负荷中长期变化是一个受政策、经济等多方 面不定因素综合影响的动态过程，利用系统动力学进行电力负荷中长期预测的 方法直观性好，使用方便，切合实际，能综合各方面专家的工作经验，克服了 一般方法由于缺少与使用者信息交流而导致预测结果难以接受的缺点。同时， 预测者可以在模型使用过程中不断积累参数赋值的经验，从而不断提高预测的 精度。随着电力市场的逐渐发展和完善，系统动力学在电力系统方面的应用将 越来越显示出其优越性【8 】。 6 四川大学工程硕士学位论文 该方法所建模型参数物理意义明晰，各相关因素关系清楚，在使用中能充 分发挥专家的作用。用系统动力学的方法进彳亍的中长期预测具有直观性强使 用方便和能够满足预测精度等优点。但在运用上仍缺乏经验、模型的建立过于 简单、考虑因素不够全面、参数赋值不十分准确，需要在工作过程中对该方法 不断进行改进【7 j 。 ( 2 ) 模糊预测法 模糊预测方法用模糊理论及方法去综合分析电力负荷与各种因素之间关 系，化众多不确定信息为确定，以相就的模糊矩阵来描述电力负荷需求量，用 模糊集合论的原理求解负荷变化规律，可以说它所表示的事物间的联系更近于 实际，用它来解决负荷预测问题是一种极有意义的探索( 9 】。它应用模糊逻辑和 预报人员的专业知识将数据和语言形成模糊规则库，然后选用一个线性模型逼 近非线性动态