中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)及負(fù)荷模型的研究

郭平創(chuàng)

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江吳川供電局，吳川 524500）

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中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)及負(fù)荷模型的研究

郭平創(chuàng)

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江吳川供電局，吳川 524500）

摘 要：本文以中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)及負(fù)荷模型的研究為題展開(kāi)論述。首先分析了負(fù)荷時(shí)間的序列樣本，并對(duì)時(shí)代段的變動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，建立了中期負(fù)荷模型。最后，結(jié)合相關(guān)的實(shí)例，對(duì)中期負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試。實(shí)踐證明，采用中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。

關(guān)鍵詞：中期 電力負(fù)荷 預(yù)測(cè) 模型 研究

為了保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，并及時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度計(jì)劃。對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，要求以歷史樣本序列為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)建立合適的數(shù)據(jù)模型，以此來(lái)推斷用戶(hù)的用電需求與最大負(fù)荷。通常情況下，主要采用綜合用電水平法、用電單耗法以及時(shí)間序列法等預(yù)測(cè)用電量。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，按照時(shí)間序列法建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)歷史資料預(yù)測(cè)點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行分析。

1 預(yù)測(cè)模型與預(yù)測(cè)方法

本文在中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)研究中，負(fù)荷的時(shí)間范圍設(shè)置為一個(gè)月。同時(shí)，對(duì)用戶(hù)每天24小時(shí)產(chǎn)生的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。在具體的時(shí)間序列內(nèi)，中期電力負(fù)荷呈現(xiàn)出上升、下降或者保持不變的特點(diǎn)。另外，中期電力負(fù)荷在特定的年份、季度中呈現(xiàn)出的變動(dòng)趨勢(shì)，應(yīng)該與其在某一時(shí)段中的變化趨勢(shì)一致［1］。

1.1 負(fù)荷時(shí)間序列樣本分析與時(shí)間段變動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

在分析時(shí)間序列樣本時(shí)，要求以歷史資料為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)平年、閏年，月份，周進(jìn)行分解。同時(shí)，標(biāo)示出每周工作日、休息日以及節(jié)假日。然后，研究電力負(fù)荷變動(dòng)的規(guī)律。比如，以上述樣本 （tn，pn）為例，找出對(duì)應(yīng)的負(fù)荷值。然后，建立新的時(shí)間序列。這些序列由上面被提取出來(lái)的時(shí)間組成。假設(shè)k代表工作日，i代表休息時(shí)間，j代表節(jié)假日。那么，每個(gè)月的儲(chǔ)存方式為：

然后，根據(jù)以上的儲(chǔ)存方式，再利用最小二乘法分析。假設(shè)yi為每天預(yù)測(cè)的負(fù)荷值，ti為時(shí)間。那么，二者之間的關(guān)系可以用下面的多項(xiàng)式來(lái)表達(dá)。

式（1）中，C1代表工作日的回歸系數(shù)，C2代表休息日的回歸系數(shù)，C3代表節(jié)假日的回顧系數(shù)。這幾個(gè)數(shù)據(jù)是預(yù)測(cè)電力負(fù)荷的基礎(chǔ)。然后，根據(jù)時(shí)間序列計(jì)算出每月、每季度以及每天的修正系數(shù)。通過(guò)這些修正系數(shù)可以看出序列的增長(zhǎng)率。最后，結(jié)合誤差分析方法、最小二乘法，得出每個(gè)時(shí)間段負(fù)荷變動(dòng)的平均值［2］。負(fù)荷時(shí)間序列樣本以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)流程圖如圖1所示。

圖1 負(fù)荷時(shí)間序列樣本分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè)流程圖

1.2 中期負(fù)荷預(yù)測(cè)

第一，按照以上辦法，確定出每月工作日、休息日以及節(jié)假日24h的基礎(chǔ)負(fù)荷曲線(xiàn)。第二，根據(jù)每年電力負(fù)荷的增長(zhǎng)速度，對(duì)各個(gè)時(shí)間段的趨勢(shì)進(jìn)行修正，得出最終的中期負(fù)荷曲線(xiàn)。第三，以中期優(yōu)化調(diào)度為標(biāo)準(zhǔn)，重新排列出三種曲線(xiàn)的順序，然后制定對(duì)應(yīng)的持續(xù)負(fù)荷曲線(xiàn)。

2 中期負(fù)荷模型的研究

2.1 趨勢(shì)外推法

趨勢(shì)外推法指的是季節(jié)波動(dòng)比較小，電力負(fù)荷隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)出一種上升、變化的趨勢(shì)。根據(jù)這種變化的特點(diǎn)，用函數(shù)曲線(xiàn)來(lái)反映。假設(shè)t代表時(shí)間，y為因變量，可以得到模型：y =f （t）。如果這種趨勢(shì)不斷向前發(fā)展，只要帶入t值，就能夠計(jì)算出時(shí)間序列的未來(lái)值。該模型在應(yīng)用過(guò)程中具有數(shù)據(jù)少、計(jì)算方便的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電力負(fù)荷存在一定波動(dòng)，很容易產(chǎn)生誤差，具有很大的缺陷［3］。

2.2 彈性系數(shù)法

彈性系數(shù)法是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與電量平均增長(zhǎng)率的比值。根據(jù)彈性系數(shù)以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)的用電生產(chǎn)總值，可以對(duì)未來(lái)的用電總量進(jìn)行規(guī)劃。因此，彈性系數(shù)法與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度和用戶(hù)的總用電量有很大關(guān)系。彈性系數(shù)法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是，應(yīng)用前，需要做大量的調(diào)研工作。

2.3 灰色模型法

在應(yīng)用過(guò)程中，灰色模型法主要是對(duì)不確定性因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通常情況下，以某個(gè)階段的規(guī)律為依據(jù)，建立負(fù)荷預(yù)測(cè)模型：一種是灰色模型，一種是最優(yōu)化灰色模型?；疑Ｐ驮诙唐谪?fù)荷預(yù)測(cè)中應(yīng)用較多。該預(yù)測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn)是：需要考慮數(shù)值的變化，對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)要求低，同時(shí)計(jì)算方便、精度結(jié)果高。缺點(diǎn)是：如果數(shù)據(jù)離散程度增高，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)灰度增加，從而產(chǎn)生很大誤差。另外，該模型不適合電力系統(tǒng)長(zhǎng)后期預(yù)測(cè)。

2.4 回歸分析法

回歸分析法指的是以過(guò)去負(fù)荷歷史資料為依據(jù)，建立數(shù)學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型。利用回歸分析法，可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方面的原理，對(duì)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后預(yù)測(cè)出未來(lái)電力負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)。該模型分為一元線(xiàn)性回歸、多元線(xiàn)性回歸和非線(xiàn)性回歸。在中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)中，經(jīng)常使用線(xiàn)性回歸分析法。優(yōu)點(diǎn)為：預(yù)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)，比較適用于中、短期預(yù)測(cè)。缺點(diǎn)是：統(tǒng)計(jì)總產(chǎn)值的難度比較大［4］。此外，運(yùn)用回歸分析法，只能預(yù)測(cè)電力負(fù)荷發(fā)展的綜合水平，沒(méi)有辦法對(duì)各供電區(qū)的負(fù)荷發(fā)展水平進(jìn)行預(yù)算。

雖然通過(guò)以上辦法可以得出新序列的持續(xù)負(fù)荷曲線(xiàn)，但是該負(fù)荷曲線(xiàn)并不是中期優(yōu)化調(diào)度的最終負(fù)荷模型。在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，傳統(tǒng)的辦法為建立二階梯模型。但是，這種模型在反映系統(tǒng)功率或者水電廠收益中經(jīng)常出現(xiàn)誤差。尤其在谷差較大的情況下，很容易產(chǎn)生較大的功率缺額。因此，該建模方式存在很大的局限性。針對(duì)以上問(wèn)題，當(dāng)前在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，主要采用多階梯數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)每日的持續(xù)負(fù)荷與峰谷差進(jìn)行分析，建立四階梯模型比較實(shí)際。該建模不但操作簡(jiǎn)單，而且可以達(dá)到很高的精準(zhǔn)度。同時(shí)，在不同階梯的時(shí)間段內(nèi)，它能夠自由選擇持續(xù)負(fù)荷曲線(xiàn)。

圖2為二階梯建模下，形成的負(fù)荷虛線(xiàn)。其中，實(shí)線(xiàn)代表每日持續(xù)負(fù)荷，虛線(xiàn)代表二階梯下，計(jì)算出來(lái)的近似負(fù)荷。在電氣負(fù)荷較大的情況下，采用二級(jí)階梯建模方式往往會(huì)產(chǎn)生較大的功率缺額，因此不利于電力負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)度。與二階梯建模不同，采用四階梯對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，不會(huì)出現(xiàn)以上情況。可以說(shuō)，四階梯在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中發(fā)揮著重要的作用。如圖3所示。

圖2 二階梯模型

圖3 四階梯模型

四階梯負(fù)荷模型在使用過(guò)程中，要求峰荷、日發(fā)電量以及谷荷處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，不能隨意發(fā)生改變。計(jì)算公式為：

式（2）中，E（t）代表每日負(fù)荷電量。TE代表調(diào)度周期中，每個(gè)時(shí)段的指標(biāo)集。Tn代表在第n階梯中，負(fù)荷持續(xù)的時(shí)間。具體的數(shù)值可以通過(guò)負(fù)荷曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算。Pn（t）為t時(shí)段中負(fù)荷的功率。其中，峰荷出現(xiàn)在第1階梯，谷荷出現(xiàn)在第4階梯。按照以上辦法對(duì)日負(fù)荷進(jìn)行分配，不僅可以使用戶(hù)每天的用電量達(dá)到均衡，而且可使用電功率保持在正常狀態(tài)［5］。除此之外，還可促使用電計(jì)劃更加準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低谷、峰荷的合理分配。

3 預(yù)測(cè)實(shí)例

本文以6年實(shí)際負(fù)荷為例，對(duì)一年365天中每個(gè)工作日、休息日以及節(jié)假日的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。因?yàn)樯婕暗臄?shù)據(jù)龐大，因此只列出3月份的預(yù)測(cè)結(jié)果，如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試的結(jié)果與實(shí)際預(yù)測(cè)的結(jié)果差異較小，誤差約為3.28%。其中，最大的誤差為5.61%。在此基礎(chǔ)上，利用修正系數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，可以將誤差減小到2.9%?？梢?jiàn)，本文的中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)辦法在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中發(fā)揮著重要作用，值得推廣。最后，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可以制作出對(duì)應(yīng)的日負(fù)荷曲線(xiàn)以及日持續(xù)負(fù)荷曲線(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文采用的中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)辦法操作簡(jiǎn)單，非常適用于電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。該預(yù)測(cè)

表1 工作日、休息日、節(jié)假日負(fù)荷預(yù)測(cè)（3月份）

方法不僅可以用于當(dāng)年負(fù)荷預(yù)測(cè)，而且在多年負(fù)荷預(yù)測(cè)中同樣適用。根據(jù)實(shí)例分析可以看出，得出的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)，比傳統(tǒng)的測(cè)試辦法具有更大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)，保持了用電量與用電功率的均衡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低谷、峰值的合理分配。因此，這種預(yù)測(cè)方法在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中具有更大的發(fā)展空間與市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］李軍，李青.基于CEEMDAN-排列熵和泄漏積分ESN的中期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，（8）：70-80.

［2］翟永杰，劉林.基于ADE-SVM和模糊理論的電力系統(tǒng)中期負(fù)荷預(yù)測(cè)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，（8）：110-115.

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［5］李剛，程春田.基于SCE-UA支持向量機(jī)的短期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)模型研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，（2）：263-268.

Study on Prediction and Load Model of Power Load Mid

GUO Pingchuang
（Guangdong Power Grid Corporation Zhanjiang Power Supply Bureau of Wuchuan， Wuchuan 524500）

Abstract:In t his paper， middle power load forecasting studies on load model are discussed. First analyzes the sequence of sample loading time， and the change trend of time intervals were predicted. On this basis， established a medium-term load model. Finally， with related examples of medium load test. Practice has proved that the mid-term electric load forecasting method， optimal scheduling of power system can be implemented.

Key words:middle power load， forecast， model， research