數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的影響

陶莉，朱小光

（1.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167；2.中興通訊南京研發(fā)中心，南京 210012）

數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的影響

陶莉1，朱小光2

（1.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167；2.中興通訊南京研發(fā)中心，南京 210012）

電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)精度越高，越有利于提高發(fā)電設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的有效性。針對(duì)淮陰地區(qū)2013年負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析了負(fù)荷的特性及不同的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的影響。結(jié)果表明：異常值平穩(wěn)化是最直接、有效的方法；原始數(shù)據(jù)每日樣本量對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響不大；預(yù)測(cè)重大節(jié)假日過后的工作日負(fù)荷時(shí)可刪去雙休日及重大節(jié)假日數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)精度顯著提高；春、秋季負(fù)荷較平穩(wěn)時(shí)，調(diào)整同類型日數(shù)據(jù)順序也可適當(dāng)提高預(yù)測(cè)精度。

電力負(fù)荷；預(yù)測(cè)；數(shù)據(jù)預(yù)處理；預(yù)測(cè)精度；負(fù)荷特性；同類型日

0 引言

準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)我國電力系統(tǒng)的發(fā)展有著重要意義，主要表現(xiàn)為：電網(wǎng)管理中準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)能夠?yàn)殡娋W(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度以及生產(chǎn)計(jì)劃制訂提供有力的幫助；負(fù)荷預(yù)測(cè)是電力系統(tǒng)安全分析及運(yùn)行的基礎(chǔ)，是電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度的必需數(shù)據(jù)；預(yù)測(cè)負(fù)荷需求數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)市場(chǎng)化的重要組成部分。短期負(fù)荷預(yù)測(cè)在數(shù)學(xué)上就是估計(jì)一個(gè)時(shí)間序列的未來值問題，不可能百分之百的準(zhǔn)確，往往存在一定的誤差，而預(yù)測(cè)精度越高則越有利于提高發(fā)電設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的有效性［1］。近年來，越來越多的數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于電力負(fù)荷預(yù)測(cè)領(lǐng)域，旨在提高其精度，但目前還沒有一種算法適合所有數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，也不是越新穎、越復(fù)雜的預(yù)測(cè)方法就一定會(huì)提高預(yù)測(cè)的精度。實(shí)際上，一些傳統(tǒng)算法［2］（如回歸、滑動(dòng)平均、灰色、移動(dòng)平滑法等）只要做好數(shù)據(jù)預(yù)處理工作就可以顯著提高精度。本文針對(duì)淮陰地區(qū)2013年負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析不同的預(yù)處理對(duì)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的影響。

1 負(fù)荷特性分析

在進(jìn)行某地區(qū)的負(fù)荷預(yù)測(cè)之前，需要對(duì)該地區(qū)負(fù)荷的特性進(jìn)行分析，研究其變化規(guī)律及影響因素，這對(duì)選擇合適的預(yù)測(cè)方法及改善精度大有裨益。由于社會(huì)生產(chǎn)方式和人們生活習(xí)慣一般都會(huì)呈現(xiàn)工作和休息的交替變化，這種變化具有日或周的周期性，所以地區(qū)負(fù)荷的變化一般也會(huì)具有日或周的周期性特點(diǎn)，此外，地區(qū)負(fù)荷周期的季節(jié)、節(jié)假日特性也非常明顯［4］。

1.1 負(fù)荷的日周期性

負(fù)荷的日周期性體現(xiàn)出24h規(guī)律性的循環(huán)變化特點(diǎn)。各地區(qū)由于負(fù)荷成分、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、地域、天氣、風(fēng)俗習(xí)慣等不同，負(fù)荷日周期呈現(xiàn)出來的特性會(huì)有很大差別，但基本都會(huì)在白天工作時(shí)間出現(xiàn)波峰，午間或夜間出現(xiàn)波谷。

1.2 負(fù)荷的周周期性

地區(qū)日負(fù)荷在工作日和雙休日雖有類似的變化趨勢(shì)，但存在明顯差異。圖1是淮陰地區(qū)春季1周的連續(xù)日負(fù)荷曲線（其中周一到周五為工作日，周六、周日為雙休日）。在工作日，地區(qū)負(fù)荷的主要構(gòu)成一般是工業(yè)負(fù)荷，工業(yè)企業(yè)通常在白天穩(wěn)定工作，所以工作日負(fù)荷具有基本相似的變化規(guī)律，數(shù)值相差也不大；而在雙休日工業(yè)負(fù)荷所占比例下降，居民生活、服務(wù)業(yè)負(fù)荷比例明顯上升，這樣的變化結(jié)果使得雙休日（具體針對(duì)淮陰地區(qū)，尤其是周日）負(fù)荷比工作日明顯偏低［3］。

圖1 淮陰地區(qū)2013年春季1周負(fù)荷曲線

1.3 負(fù)荷的節(jié)假日特性［1］

重大節(jié)假日（如清明、五一、端午、中秋、國慶、元旦、春節(jié)等）來臨時(shí)人們一般會(huì)休息較長(zhǎng)時(shí)間并伴隨有大量的慶祝活動(dòng)，對(duì)負(fù)荷變化的影響很大。圖2為淮陰地區(qū)2013年春季工作日、雙休日、清明節(jié)、勞動(dòng)節(jié)負(fù)荷曲線對(duì)比圖。由圖2可看出，重大節(jié)假日的負(fù)荷比工作日的負(fù)荷低很多，與周日負(fù)荷也存在明顯的差值，曲線變化趨勢(shì)更接近周日的。

圖2 淮陰地區(qū)2013年春季工作日與節(jié)假日負(fù)荷曲線

1.4 負(fù)荷的季節(jié)特性

四季的工作日負(fù)荷曲線基本遵守典型日負(fù)荷曲線的特點(diǎn)。圖3是淮陰地區(qū)2013年四季典型工作日的負(fù)荷曲線，比較后發(fā)現(xiàn)：早高峰一般都出現(xiàn)在08：00—12：00，晚高峰通常出現(xiàn)在20：00—22：00；因夏、冬季存在大量的空調(diào)負(fù)荷，夏、冬季的負(fù)荷曲線要明顯高于春、秋季。夏季日負(fù)荷曲線與其他季節(jié)的變化趨勢(shì)差別較大，一年中的最高負(fù)荷一般出現(xiàn)在夏季高溫日。

圖3 淮陰地區(qū)2013年四季工作日負(fù)荷曲線

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)精度的影響

2.1 異常值平穩(wěn)化處理［4］

數(shù)據(jù)預(yù)處理是指在進(jìn)行主要處理前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的一些處理。異常值平穩(wěn)化是電力負(fù)荷預(yù)測(cè)預(yù)處理常采用的方法。電力負(fù)荷預(yù)測(cè)中收集到的歷史數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常值或缺失個(gè)別數(shù)據(jù)，如果直接以這樣的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，因此，需要識(shí)別出異常值并進(jìn)行一定的處理?？梢韵仍O(shè)定一個(gè)變動(dòng)范圍，如待處理的原始數(shù)據(jù)超過這個(gè)范圍，即可視為異常數(shù)據(jù)，可采用平均值的方法平穩(wěn)其變化。圖4中，4月9日15：00左右的數(shù)據(jù)可視為異常值。

圖4 出現(xiàn)異常值的負(fù)荷曲線

2.2 選擇原始數(shù)據(jù)樣本量

短期負(fù)荷預(yù)測(cè)中每日的負(fù)荷曲線由24，48，96或288點(diǎn)組成，采用同樣的預(yù)測(cè)方法，選取的樣本量不同，誤差也會(huì)不同。

以淮陰地區(qū)2013年春季某工作日的負(fù)荷為例進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差見表1。

表1 預(yù)測(cè)結(jié)果誤差對(duì)比 %

樣本量大的情況下，由于負(fù)荷波動(dòng)或其他原因，出現(xiàn)誤差較大點(diǎn)的幾率更高一些，但從表1可看出，負(fù)荷樣本量的多少對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的平均誤差影響并不大。

2.3 考慮工作日及節(jié)假日差異刪選數(shù)據(jù)

通常雙休日、重大節(jié)假日的負(fù)荷比工作日負(fù)荷明顯偏低［5］，變化趨勢(shì)也不完全一致，所以在對(duì)工作日負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)可考慮刪去原始數(shù)據(jù)中的雙休日（淮陰地區(qū)周日的負(fù)荷差別更大，因此就只刪去了周日的負(fù)荷）及重大節(jié)假日數(shù)據(jù)。多組數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析比較得出，重大節(jié)假日過后的工作日負(fù)荷預(yù)測(cè)采用這種處理方法預(yù)測(cè)精度明顯提高。采取4種預(yù)測(cè)方法對(duì)淮陰地區(qū)五一勞動(dòng)節(jié)后某日24h的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，原數(shù)據(jù)刪去節(jié)假日負(fù)荷前、后預(yù)測(cè)結(jié)果見表2（樣本量均為24點(diǎn)，下同），原數(shù)據(jù)刪去節(jié)假日負(fù)荷前、后指數(shù)平滑法預(yù)測(cè)比較如圖5所示。由表2可以看出：刪去節(jié)假日數(shù)據(jù)后的預(yù)測(cè)結(jié)果不僅平均誤差大大降低，而且誤差大于5%的點(diǎn)數(shù)也明顯減少；由圖5可見：刪去節(jié)假日的預(yù)測(cè)曲線更貼近實(shí)際曲線。

表2 原數(shù)據(jù)刪去節(jié)假日負(fù)荷前、后預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖5 刪去節(jié)假日負(fù)荷數(shù)據(jù)前、后指數(shù)平滑法預(yù)測(cè)對(duì)比

2.4 考慮同類型日調(diào)整數(shù)據(jù)順序

對(duì)負(fù)荷特性進(jìn)一步的研究表明，不僅重大節(jié)假日、雙休日與工作日的負(fù)荷特性有明顯差異，工作日內(nèi)周一至周五的負(fù)荷特性也存在差異。預(yù)測(cè)有一個(gè)基本原則：近期數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)影響大，遠(yuǎn)期數(shù)據(jù)影響小，基于這個(gè)原則，將同類型日的數(shù)據(jù)調(diào)整為近期數(shù)據(jù)（建議優(yōu)先調(diào)整前兩三周的同類型日負(fù)荷數(shù)據(jù)），具體應(yīng)根據(jù)負(fù)荷特性來選擇。對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較后發(fā)現(xiàn)：該方法較適用于春、秋季負(fù)荷較平穩(wěn)時(shí)；夏、冬季溫度變化較大，同類型日數(shù)據(jù)往往是一周或兩周前的數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度大、溫度變動(dòng)大，負(fù)荷受溫度的影響也大，這種調(diào)整方法不適宜。采取4種預(yù)測(cè)方法對(duì)淮陰地區(qū)春季某工作日24h的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，原數(shù)據(jù)考慮同類型日調(diào)整數(shù)據(jù)前、后預(yù)測(cè)結(jié)果見表3，考慮同類型日調(diào)整數(shù)據(jù)順序前、后滑動(dòng)平均預(yù)測(cè)比較如圖6所示。由表3可以看出：考慮同類型日調(diào)整數(shù)據(jù)順序，不僅可以顯著降低平均誤差，而且誤差大于5%的點(diǎn)數(shù)也明顯減少；由圖6可見：調(diào)整之后的預(yù)測(cè)曲線明顯更貼近原曲線。

表3 考慮同類型日調(diào)整數(shù)據(jù)順序前、后預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖6 考慮同類型日調(diào)整數(shù)據(jù)順序前、后滑動(dòng)平均預(yù)測(cè)對(duì)比

3 結(jié)論

異常值平穩(wěn)化是電力負(fù)荷預(yù)測(cè)預(yù)處理最常用、效果最直接的方法；原始數(shù)據(jù)每日樣本量的多少對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果誤差的影響不大；考慮工作日及節(jié)假日差異刪選數(shù)據(jù)可以在一定程度上提高預(yù)測(cè)精度，特別對(duì)重大節(jié)假日過后工作日的負(fù)荷預(yù)測(cè)效果尤佳；在春、秋季負(fù)荷較平穩(wěn)時(shí)，考慮同類型日調(diào)整數(shù)據(jù)順序，對(duì)預(yù)測(cè)精度的提高也可起到較好的作用。

［1］康重慶.電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］牛東曉，曹樹華，趙磊，等.電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［3］袁耀臻，徐劍洪.電力負(fù)荷預(yù)測(cè)中數(shù)據(jù)挖掘過程研究［J］.中國科技財(cái)富，2010（24）：214.

［4］鐘惠鋒.提高電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的研究［J］.廣東電力，2011，24（6）：97-100.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM715

A

1674-1951（2015）09-0008-03

陶莉（1978—），女，江蘇鹽城人，講師，工學(xué)碩士，從事負(fù)荷預(yù)測(cè)、電力需求側(cè)管理等方面的教學(xué)及研究工作（E-mail：julysky_tl＠126.com）。

2015-03-31；

2015-07-21