關(guān)于甘肅省母線負(fù)荷預(yù)測(cè)若干問(wèn)題的研究

嚴(yán) 革

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司調(diào)度控制中心自動(dòng)化處，甘肅 蘭州730030）

1 概述

電網(wǎng)母線負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)（BusloadForecastSystem）是分析和預(yù)測(cè)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電力需求的技術(shù)支持系統(tǒng)。電網(wǎng)母線負(fù)荷預(yù)測(cè)是制定電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要依據(jù)，精確的母線負(fù)荷預(yù)測(cè)是合理安排生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃，保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提和保障。

2 電磁環(huán)網(wǎng)問(wèn)題

電磁環(huán)網(wǎng)亦稱高低壓電磁環(huán)網(wǎng)，是指兩組不同電壓等級(jí)的線路通過(guò)兩端變壓器磁回路的聯(lián)接而并聯(lián)運(yùn)行。甘肅地區(qū)局部電網(wǎng)有這樣的運(yùn)行特點(diǎn)。高低壓電磁環(huán)網(wǎng)中高壓線路斷開引起的負(fù)荷轉(zhuǎn)移對(duì)電網(wǎng)安全和穩(wěn)定有較大影響，因此如何進(jìn)行電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)境下的母線負(fù)荷預(yù)測(cè)和安全校核是必須要考慮的問(wèn)題。

（1）電網(wǎng)母線負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)象的選擇?；诟拭C電網(wǎng)的電磁環(huán)網(wǎng)現(xiàn)狀，在進(jìn)行安全校核工作時(shí)必須要使用包含低壓電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型，這樣才能準(zhǔn)確預(yù)估電網(wǎng)安全運(yùn)行狀況。因此甘肅母線負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)象的選取就不能限定為“220kV主變高壓側(cè)”這一范圍，而應(yīng)該擴(kuò)展為“中低壓側(cè)出線”（如圖綠色的負(fù)荷部分）的預(yù)測(cè)，這也符合國(guó)網(wǎng)關(guān)于母線負(fù)荷建模的規(guī)范要求。

如圖1所示，由于10～11節(jié)點(diǎn)、13～14節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，形成了高低壓電磁環(huán)網(wǎng)：

圖1 高低壓電磁環(huán)網(wǎng)圖

針對(duì)出線的預(yù)測(cè)即能夠避免因高壓節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)的不精確性，也能提高安全校核工作的實(shí)用化效果。母線負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)提供了這種預(yù)測(cè)模式的靈活配置工具，只要電網(wǎng)模型和負(fù)荷數(shù)據(jù)基礎(chǔ)具備，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上沒(méi)有問(wèn)題。

（2）上報(bào)網(wǎng)公司的預(yù)測(cè)對(duì)象提取問(wèn)題。在國(guó)網(wǎng)母線負(fù)荷預(yù)測(cè)的工作要求中，省公司后期會(huì)將220kV或330kV主變高壓側(cè)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果作為上報(bào)內(nèi)容進(jìn)行上報(bào)，依照上一節(jié)所提到的預(yù)測(cè)對(duì)象選取方案，就存在將低壓出線負(fù)荷（圖1中綠色部分）匯總為主變高壓側(cè)負(fù)荷（例途中的1、2、3#主變）的問(wèn)題。

因?yàn)殡姶怒h(huán)網(wǎng)的存在，這種非樹狀結(jié)構(gòu)使得高壓節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的匯總不能采取向上累加的方式；而應(yīng)該采用簡(jiǎn)易狀態(tài)估計(jì)計(jì)算的方法，利用電網(wǎng)潮流分布來(lái)得到高壓節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。這種方式既可以滿足上報(bào)管理的要求，又可以得到較為準(zhǔn)確的高壓節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果。

3 風(fēng)電節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)問(wèn)題

短期母線負(fù)荷預(yù)測(cè)是針對(duì)高壓節(jié)點(diǎn)負(fù)荷進(jìn)行的，風(fēng)電的出力變化會(huì)影響節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的變化。風(fēng)電出力增加時(shí)，更多的負(fù)荷由風(fēng)電供應(yīng)，網(wǎng)供負(fù)荷減少。甘肅大量風(fēng)電是徑流式的，沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，在實(shí)際運(yùn)行中處于有風(fēng)即發(fā)的狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)和出力受氣象因素特別是風(fēng)力的影響很大。因此，分析清楚小風(fēng)電對(duì)負(fù)荷的影響并提出行之有效的解決方案對(duì)做好這類地區(qū)的母線短期負(fù)荷預(yù)測(cè)工作是有重大意義的。

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)果要建立在對(duì)歷史數(shù)據(jù)較為完整的掌握和全面分析的基礎(chǔ)上，在負(fù)荷預(yù)測(cè)中處理風(fēng)電問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何對(duì)風(fēng)電信息的掌握和分析。下面根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)電信息獲取的程度提出以下3種風(fēng)電問(wèn)題展開的預(yù)測(cè)建議。

（1）低壓母線負(fù)荷累加法。低壓負(fù)荷累加的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法是依據(jù)地市級(jí)電網(wǎng)及其下級(jí)網(wǎng)的特點(diǎn)研究出的一種簡(jiǎn)易的電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，并且具有滿足精度要求的預(yù)測(cè)結(jié)果。

各地市級(jí)電網(wǎng)總體呈現(xiàn)出以下3個(gè)特點(diǎn)：①供電區(qū)域大，負(fù)荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響負(fù)荷大小及分布的因素較多；②電網(wǎng)由多個(gè)區(qū)縣級(jí)子網(wǎng)組成，統(tǒng)計(jì)區(qū)縣統(tǒng)轄的風(fēng)電信息存在困難；③組成電網(wǎng)的子網(wǎng)分布區(qū)域較廣，氣象差別較大。

由于供電區(qū)域較大，地市級(jí)電網(wǎng)不易獲得區(qū)縣電網(wǎng)統(tǒng)轄下的風(fēng)電的精確信息，給負(fù)荷預(yù)測(cè)造成了一定的困難；另外，對(duì)風(fēng)電資源豐富的地區(qū)，風(fēng)力是影響負(fù)荷的重要因素，而從第三個(gè)特點(diǎn)可以看出，由于不同區(qū)縣氣象情況難于獲得，電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度很難持續(xù)保持較高的水平。

而相對(duì)于地市級(jí)電網(wǎng)而言，其子網(wǎng)——區(qū)縣級(jí)電網(wǎng)，其特點(diǎn)則有明顯的不同：①供電區(qū)域小，負(fù)荷結(jié)構(gòu)清晰，影響負(fù)荷大小及分布的因素較易統(tǒng)計(jì)；②子網(wǎng)供電公司容易掌握各個(gè)子網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)電情況；③各個(gè)子網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)的天氣情況變化很小，且有詳細(xì)的預(yù)報(bào)，獲知?dú)庀笮畔⑤^容易。在這種情況下，低壓母線負(fù)荷累加法就是充分利用區(qū)縣級(jí)供電公司提供的預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)形成對(duì)地市級(jí)電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)。

基本原理如下：不考慮廠用電、損耗，地市級(jí)電網(wǎng)母線負(fù)荷等于下級(jí)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)母線負(fù)荷之和。由于區(qū)縣級(jí)負(fù)荷（作為個(gè)體）滿足相互獨(dú)立、互不影響的條件，因此地市電網(wǎng)負(fù)荷（作為母體）服從正態(tài)分布。在預(yù)測(cè)各個(gè)區(qū)縣級(jí)的負(fù)荷時(shí)，即使某些區(qū)縣級(jí)供電公司由于預(yù)測(cè)條件較差，預(yù)測(cè)誤差較大，由于這些正、負(fù)誤差的相互獨(dú)立，且均服從某一區(qū)間上的均勻分布，所以，將各個(gè)區(qū)縣級(jí)供電公司的負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)相加后，誤差相互抵消。

在實(shí)際情況下，考慮到電廠廠用電和線損以及部分由地市級(jí)電網(wǎng)直接供應(yīng)的用戶，地市級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷高于各個(gè)區(qū)縣級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷之和。高出的程度，定義為“網(wǎng)損系數(shù)”，廠用電比率、線損比率和都是相對(duì)比較穩(wěn)定的，地市級(jí)電網(wǎng)直接供應(yīng)的用戶所占比率比較小，所以，網(wǎng)損系數(shù)一般保持相當(dāng)穩(wěn)定。因此就可利用區(qū)縣級(jí)負(fù)荷累加后乘網(wǎng)損系數(shù)的方法來(lái)預(yù)測(cè)地市級(jí)電網(wǎng)供電公司的全網(wǎng)總負(fù)荷。

實(shí)現(xiàn)流程大致如圖2所示：

適應(yīng)性分析：優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：①需要信息量不大，不需要地調(diào)詳細(xì)了解轄區(qū)內(nèi)所有風(fēng)電情況。②高壓母線負(fù)荷與關(guān)聯(lián)的低壓母線負(fù)荷的關(guān)系比較穩(wěn)定，預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確。

但是，該方法具有如下缺點(diǎn)：①數(shù)據(jù)的全面性、細(xì)致性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性需要人工干預(yù)。②縣調(diào)的技術(shù)力量以及投入程度都是制約該方案實(shí)施的主要因素。

（2）風(fēng)電還原法。網(wǎng)供負(fù)荷實(shí)際上由兩類負(fù)荷構(gòu)成，分別為全社會(huì)用電負(fù)荷和非統(tǒng)調(diào)負(fù)荷，其中非統(tǒng)調(diào)負(fù)荷指小風(fēng)電、小火電等發(fā)電資源所帶的負(fù)荷，對(duì)于小風(fēng)電特點(diǎn)明顯的地區(qū)，小火電可以忽略不計(jì)，因此可以簡(jiǎn)化認(rèn)為網(wǎng)供負(fù)荷=全社會(huì)用電負(fù)荷-小風(fēng)電發(fā)出力。

實(shí)際上全社會(huì)用電負(fù)荷與小風(fēng)電出力的發(fā)展變化規(guī)律是完全不同的，前者在時(shí)間上具有明顯的周期規(guī)律性，負(fù)荷變化主要受溫度的影響；而后者不存在明顯的周期性，溫度對(duì)其影響不大，發(fā)電量的大小在很大程度上取決于風(fēng)力的大小。因此，根據(jù)不同負(fù)荷模型應(yīng)適應(yīng)不同的負(fù)荷特點(diǎn)的原則，應(yīng)將這兩類性質(zhì)完全不同的負(fù)荷分別進(jìn)行預(yù)測(cè)。一方面通過(guò)分別建模，有利于掌握負(fù)荷的發(fā)展特性，從而提高預(yù)測(cè)精度；另一方面通過(guò)分別預(yù)測(cè)，可以深入分析預(yù)測(cè)誤差的來(lái)源，為進(jìn)一步做好預(yù)測(cè)工作提供科學(xué)的依據(jù)。

基本原理如下：根據(jù)獲得的歷史小風(fēng)電每日96點(diǎn)或24點(diǎn)的發(fā)電出力情況，將網(wǎng)供負(fù)荷分解為全社會(huì)用電負(fù)荷和小風(fēng)電出力兩類，分別展開預(yù)測(cè)。對(duì)于全社會(huì)用電負(fù)荷，由于其發(fā)展特性的穩(wěn)定性，因此利用通用的預(yù)測(cè)算法一般就能夠滿足預(yù)測(cè)要求。

對(duì)于小風(fēng)電出力，主要與風(fēng)力相關(guān)，因此考察某一日小風(fēng)電的發(fā)電量應(yīng)連續(xù)選取前若干天作為歷史相關(guān)日。預(yù)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合待預(yù)測(cè)日當(dāng)日風(fēng)場(chǎng)天氣預(yù)報(bào)的風(fēng)力情況，利用相似度原理尋找歷史上與其最相似的幾日，然后通過(guò)參考這幾日的小風(fēng)電出力情況和與待預(yù)測(cè)日的相似程度展開預(yù)測(cè)。

實(shí)現(xiàn)流程大致如圖3所示：

圖3 風(fēng)力還原法流程圖

適應(yīng)性分析：該方法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：①可根據(jù)兩類負(fù)荷特性不同分別展開預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)效果比較好。②可以明確預(yù)測(cè)誤差出現(xiàn)的原因，有利于分清責(zé)任，找到提高預(yù)測(cè)精度的工作方向。

但是，該方法具有如下缺點(diǎn)：①數(shù)據(jù)量要求比較大，要求可以提供小風(fēng)電每日96點(diǎn)或24點(diǎn)發(fā)電曲線，并且需要有一定的歷史積累。②在很大程度上依賴于天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

（3）決策樹預(yù)測(cè)法。由于風(fēng)電的自動(dòng)化程度低，經(jīng)常無(wú)法準(zhǔn)確的掌握風(fēng)電的出力數(shù)據(jù)，使得全口徑的用電負(fù)荷無(wú)法及時(shí)掌握。在這種情況下，可以模擬分析風(fēng)電歷史出力，模擬方式為：對(duì)歷史日，模擬分析風(fēng)力引起氣溫和濕度的變化導(dǎo)致的負(fù)荷降低值，負(fù)荷繼續(xù)降低的部分，視為風(fēng)力造成風(fēng)電出力變化對(duì)負(fù)荷的影響，從而獲得風(fēng)電典型出力曲線。

基本原理如下：首先選取歷史日，根據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氣溫、濕度與負(fù)荷的關(guān)系，預(yù)測(cè)由于氣溫、濕度和降水改變引起的負(fù)荷變化，在歷史日總負(fù)荷變化中減去這部分，可以認(rèn)為得到了因風(fēng)力而導(dǎo)致的風(fēng)電出力變化部分；利用該出力變化部分分析歷史風(fēng)力和風(fēng)電逐時(shí)出力曲線之間的關(guān)系；根據(jù)待預(yù)測(cè)日的風(fēng)力預(yù)報(bào)信息，預(yù)測(cè)待預(yù)測(cè)日的風(fēng)電出力曲線，在不考慮風(fēng)電出力變化的準(zhǔn)預(yù)測(cè)負(fù)荷中減去小風(fēng)電的出力預(yù)測(cè)，得到網(wǎng)供負(fù)荷的預(yù)測(cè)值。

實(shí)現(xiàn)流程大致如圖4所示：

圖4 決策樹預(yù)測(cè)法流程圖

適應(yīng)性分析：該方法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)要求不大，不需要提供風(fēng)電歷史出力情況，符合某些地區(qū)實(shí)際情況，具有比較大的可行性。缺點(diǎn)在于模擬效果較實(shí)際情況存在一定的誤差，實(shí)際預(yù)測(cè)效果仍然需要檢驗(yàn)。

4 安全校核應(yīng)用問(wèn)題

電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析是電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行和監(jiān)控的一個(gè)重要任務(wù)，而對(duì)每一個(gè)預(yù)想事故進(jìn)行計(jì)算和分析，校核電網(wǎng)中是否有支路潮流違限等現(xiàn)象的存在，又是電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析的主要內(nèi)容。預(yù)想事故分析是電力系統(tǒng)安全分析的重要組成部分，它為系統(tǒng)運(yùn)行人員判斷系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)是否安全提供了信息，也為制訂正確的處理對(duì)策提供了前提。

利用靜態(tài)電網(wǎng)安全校核軟件，可以對(duì)日96點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)的掃描與安全分析，其主要功能如下：

（1）直流潮流分析。對(duì)擬詳細(xì)研究的系統(tǒng)進(jìn)行直流潮流計(jì)算，分析線路潮流的越限情況，并可設(shè)置對(duì)越界線路報(bào)警。在負(fù)荷分布不變的情況下，可人工輸入發(fā)電機(jī)出力的調(diào)整值，重新計(jì)算直流潮流。計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、接線方式的復(fù)雜程度只受到計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，與算法本身無(wú)關(guān)?？杀４娑鄠€(gè)直流潮流計(jì)算結(jié)果，供用戶對(duì)比分析。該功能可以滿足各種運(yùn)行方式下的潮流分析的要求。

（2）單一故障自動(dòng)掃描（線路N-1校驗(yàn)）。系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行自動(dòng)故障選擇，自動(dòng)給出事故的嚴(yán)重性，以及事故之間相對(duì)嚴(yán)重程度等信息。對(duì)嚴(yán)重事故，分析每種事故情況下的越限情況，給出每個(gè)故障開斷可能引起的過(guò)負(fù)荷數(shù)目以及越界元件。

（3）故障事故集評(píng)判。針對(duì)自動(dòng)故障掃描功能存在計(jì)算量大、時(shí)間較長(zhǎng)、難以分析三重以上故障等缺點(diǎn)，為此，系統(tǒng)建立了預(yù)想事故集的評(píng)判功能，彌補(bǔ)自動(dòng)故障掃描的不足。該功能主要用于對(duì)分析人員認(rèn)為比較重要的事故或者經(jīng)常發(fā)生的故障，設(shè)定預(yù)想事故集合進(jìn)行評(píng)估，從而避免對(duì)所有故障進(jìn)行全部掃描，可顯著地減少計(jì)算量、節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

甘肅地區(qū)局部電網(wǎng)存在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，有效的電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)境下的母線負(fù)荷預(yù)測(cè)和安全校核的解決方案，一方面能夠避免因高壓節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)的不精確性，另一方面也能提高安全校核工作的實(shí)用化效果。