基于Matlab GUI的電力負荷預(yù)測軟件開發(fā)與應(yīng)用

杜 挺 趙壽生 李永祺 陳麗丹

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基于Matlab GUI的電力負荷預(yù)測軟件開發(fā)與應(yīng)用

杜 挺1趙壽生1李永祺2陳麗丹3

（1. 國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000；2. 中國南方電網(wǎng)廣州供電局有限公司，廣州 515223；3. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

負荷預(yù)測是電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。以歷史全社會用電量為例，運用灰色預(yù)測模型、改進灰色預(yù)測模型和趨勢外推法對十三五電網(wǎng)規(guī)劃期間的負荷進行預(yù)測，并基于Matlab GUI開發(fā)了電力負荷預(yù)測軟件，軟件功能豐富，用戶體驗較好，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、修改、保存，可采用多種預(yù)測模型開展負荷預(yù)測，能對結(jié)果進行分析評價，經(jīng)供電公司應(yīng)用，具有通用性和良好的工程實用性，可供電網(wǎng)規(guī)劃工作人員參考。

負荷預(yù)測；Matlab GUI；后驗誤差；灰色預(yù)測；趨勢外推法

電力負荷預(yù)測是電力系統(tǒng)規(guī)劃的重要組成部分，也是電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)[1]，其對電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行都極其重要[2]。電力負荷是電網(wǎng)公司進行戰(zhàn)略計劃和運營決策的關(guān)鍵因素[3]，負荷預(yù)測的準確度關(guān)系著電網(wǎng)規(guī)劃的質(zhì)量[4-5]。區(qū)域配電網(wǎng)的中期電力負荷預(yù)測能為電網(wǎng)規(guī)劃部門對配電網(wǎng)資源的分配和建設(shè)方向提供一個相對合理的參照值，以便于資源最優(yōu)分配。負荷預(yù)測是電力規(guī)劃部門日常工作最常接觸的，也是工作中的重要一環(huán)?，F(xiàn)有實用的預(yù)測方法很多，但區(qū)域性的電力負荷預(yù)測工作有著不準確性、時間性等特點，用電量數(shù)據(jù)的走勢因受地方的經(jīng)濟、環(huán)境等因素影響。因此，開發(fā)一款簡單易用、人機界面友好、方便用戶操作、滿足供電公司要求的電力負荷預(yù)測軟件具有理論和現(xiàn)實意義。本文考慮到Matlab圖形用戶界面（graphical user interface, GUI）操作簡單[6]，具有極強的人機交互功能，便于輔助地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃工作人員電力負荷預(yù)測工作，故而采用Matlab GUI編制了適用于地區(qū)電網(wǎng)用電量和最高負荷預(yù)測的電力負荷預(yù)測軟件，實現(xiàn)對某地區(qū)電網(wǎng)負荷預(yù)測及進行預(yù)測精度的評估等。

1 軟件總體設(shè)計

1.1 軟件框架結(jié)構(gòu)

為便于負荷預(yù)測人員的工作，本軟件利用GUI編制預(yù)測界面，通過簡單按鈕選擇即可實現(xiàn)對負荷的預(yù)測，同時為保證預(yù)測精度，采用豐富的預(yù)測模型庫。軟件開發(fā)時，采用模塊化結(jié)構(gòu)，有歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊、負荷預(yù)測模塊、預(yù)測結(jié)果處理模塊等。軟件總體框架如圖1所示。

圖1 軟件總體框架設(shè)計

1）數(shù)據(jù)處理模塊

在此模塊中包括處理前的歷史數(shù)據(jù)，即原始數(shù)據(jù)，還包括處理后的數(shù)據(jù)。如國民經(jīng)濟及社會發(fā)展的相關(guān)數(shù)據(jù)、歷史用電量數(shù)據(jù)等。對于這些原始數(shù)據(jù)，主要通過Excel進行管理，并利用“原始數(shù)據(jù)打開”和“原始數(shù)據(jù)保存”兩個按鈕控件手工操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加、修改、刪除、保存等功能。

2）負荷預(yù)測模塊

軟件包提供了豐富的供用戶選擇的預(yù)測模型庫，包括灰色預(yù)測[7-8]、改進灰色預(yù)測[9]、二次滑動平均預(yù)測[10]、二次指數(shù)平滑[11]等算法。為了方便用戶使用，對軟件的負荷預(yù)測模塊，采用美觀、簡潔的按鈕控件的形式，用戶只需要通過簡單的點擊按鈕就可輕松選擇預(yù)測方法，通過輸入、修改必要的歷史數(shù)據(jù)信息，進行負荷預(yù)測，可以進行電量預(yù)測、負荷預(yù)測、曲線預(yù)測等。

3）預(yù)測結(jié)果處理及顯示模塊

包括預(yù)測結(jié)果打開和保存，誤差計算和預(yù)測精度計算。模型預(yù)測后，結(jié)果被存放到數(shù)據(jù)庫中，預(yù)測結(jié)果顯示有表格和曲線兩種形式。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

1）預(yù)測主流程

電力負荷預(yù)測軟件的設(shè)計應(yīng)滿足地方電網(wǎng)規(guī)劃人員開展負荷預(yù)測的基本需求為出發(fā)點，能夠方便實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的輸入及分析，也應(yīng)能采用多種預(yù)測方法進行預(yù)測和結(jié)果比較分析，并應(yīng)具備預(yù)測精度評價和結(jié)果曲線的呈現(xiàn)等功能，因此，本文從電網(wǎng)規(guī)劃人員基本需求出發(fā)，開發(fā)基于Matlab GUI的電力負荷預(yù)測軟件主流程，如圖2所示。

圖2 負荷預(yù)測主流程

2）軟件開發(fā)環(huán)境與工具

（1）開發(fā)環(huán)境

編程環(huán)境和編譯環(huán)境采用Matlab 7.11.0 (R2010b)，Windows 8.1，編譯器為Microsoft Visual C++ 2008 SP1。軟件前端采用GUI進行界面設(shè)計，通過編制GUI控件句柄對象、菜單句柄對象、快捷方式句柄對象等圖形句柄對象的回調(diào)函數(shù)，設(shè)計圖形界面，得到符合工程實際應(yīng)用的GUI程序。

（2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本文開發(fā)的軟件主要針對地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃人員，因此考慮操作方便、簡單實用等因素，歷史數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出均采用Microsoft Excel，充分利用Excel的易操作性完成數(shù)據(jù)處理，減少程序員的工作量及提供系統(tǒng)運行效率。

3）軟件功能實現(xiàn)

Matlab GUI電力負荷預(yù)測軟件主要基于圖3所示的文件和圖4所示的按鈕。modeling_data.xls、forecasting_data.xls和forecasting_compare.xls三個Excel格式的文件用于存儲各類數(shù)據(jù)，其中modeling_ data.xls用于讀取并保存原始調(diào)研數(shù)據(jù)，主要功能是建模數(shù)據(jù)集的來源；forecasting_data.xls主要功能為讀取、寫入并保存預(yù)測結(jié)果，其中寫入包括絕對誤差和相對誤差的計算函數(shù)；forecasting_compare.xls主要用于軟件使用的4種預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果的匯總保存并進行對比。GUI.m是Matlab GUI回調(diào)函數(shù)的主程序，GUI.fig是Matlab GUI的界面文件，使用GUI編輯器對開發(fā)的預(yù)測界面布局、設(shè)計進行調(diào)整，是GUI顯示功能的主體部分。

圖3 基于GUI負荷預(yù)測軟件主體運行文件

圖4 按鈕模塊運行界面

（1）數(shù)據(jù)輸入和輸出功能

原始數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)分別調(diào)用Excel，實現(xiàn)打開保存。利用xlsread函數(shù)讀取modeling_data.xls表格指定部分的數(shù)據(jù)（默認設(shè)置了10個數(shù)據(jù)建模），可利用“原始數(shù)據(jù)保存（*.xls）”按鈕另存或者替換文檔，表格在可編輯狀態(tài)，支持實時編輯：①Excel表格打開按鈕，該按鈕利用winopen函數(shù)打開表格，直接方便；②Excel表格保存按鈕，該按鈕點擊即可另存Excel文件，方便用戶保存結(jié)果，整理數(shù)據(jù)。

（2）預(yù)測模塊

預(yù)測計算方法集成到4種預(yù)測方法按鈕，分別編寫對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，在按下按鈕后自動執(zhí)行相應(yīng)算法，得出預(yù)測結(jié)果。

（3）誤差運算和精度評價功能

根據(jù)預(yù)測結(jié)果計算絕對誤差和相對誤差，將多年預(yù)測的誤差平均值顯示在軟件界面，同時采用后驗評價對精度進行評估，以便于規(guī)劃人員作出決策。預(yù)測結(jié)果的呈現(xiàn)功能：開發(fā)的軟件能按預(yù)測結(jié)果繪制曲線圖，并進行注釋，呈現(xiàn)于軟件界面。呈現(xiàn)形式包括兩種：①歷史數(shù)據(jù)和其中1種預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果的對比圖；②歷史數(shù)據(jù)與4種預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果的綜合對比，直觀性強。保存功能：軟件編制了將當(dāng)前窗口保存為圖片的功能，既方便保存預(yù)測結(jié)果，又便于規(guī)劃工作人員后期撰寫報告等。即時修改功能：原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入窗口和預(yù)測結(jié)果窗口均可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行即時修改，并能保存修改后的數(shù)據(jù)表，隨即開展重新預(yù)測，不用從后臺原始數(shù)據(jù)表操作，使得預(yù)測工作的開展更加簡便。為解決一部分用戶未安裝Matlab的計算機應(yīng)用軟件問題，對開發(fā)的負荷預(yù)測軟件編譯后生成可.exe執(zhí)行程序，如此只需安裝已打包的相關(guān)支持文件，即可使用本軟件，具較強實用性。考慮用戶在不同分辨率的顯示環(huán)境下的顯示問題，設(shè)置了相應(yīng)代碼以滿足通用性要求。

（4）預(yù)測結(jié)果展示模塊

該模塊包括表格和曲線兩種形式展示，并與原始數(shù)據(jù)輸入模塊一樣利用xlsread函數(shù)讀取forecasting_data.xls表格指定部分的數(shù)據(jù)。

曲線形式的展示利用plot函數(shù)，這里主要有兩種實現(xiàn)形式：①歷史數(shù)據(jù)和一種預(yù)測方法預(yù)測數(shù)據(jù)的對比繪圖，如圖5所示；②歷史數(shù)據(jù)與4種預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果的對比繪圖。

圖5 歷史數(shù)據(jù)和一種預(yù)測方法預(yù)測數(shù)據(jù)的對比截圖

（5）其他功能

窗口保存：點擊該按鈕后可以把整個窗口保存為jpg或bmp格式的彩色圖片，便于用戶撰寫報告等用途。

刷新：主要為了糾正運行過程中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)來不及更新的問題。

預(yù)測結(jié)果清空：預(yù)測過程中需經(jīng)常對預(yù)測結(jié)果的兩個forecasting_data.xls和forecasting_compare.xls文檔的數(shù)據(jù)進行讀寫，設(shè)置該按鈕將空格寫入預(yù)測結(jié)果，實現(xiàn)對數(shù)值的清空。

1.3 Matlab GUI編譯

Matlab編譯是指將使用Matlab語言編寫的函數(shù)M文件ASCII代碼轉(zhuǎn)變成C、C++二進制源代碼，這些源代碼經(jīng)過編譯器的編譯可以生成exe文件、Excel插件等獨立文件類型，使Matlab能與高級匯編語言C、C++等語言進行混合編程，增強軟件的通用性。此外，從ASCII語言轉(zhuǎn)換成二進制代碼，可以隱藏M文件源程序的源代碼，保護編制軟件人員的版權(quán)。以64位基于Matlab GUI電力負荷預(yù)測軟件的編譯結(jié)果為例介紹軟件的編譯過程和結(jié)果。本次編譯使用的是Microsoft Visual C++ 2008 SP1編譯器進行編譯，編譯后生成名為“power_ forecasting_GUI_*64_pkg.exe”的可執(zhí)行打包程序。點擊運行后，可執(zhí)行程序（exe）會自動運行解壓生成電力負荷預(yù)測軟件運行所需的文件，如圖6和圖7所示。

圖6 可執(zhí)行程序文件（exe）解壓運行過程

圖7 可執(zhí)行程序文件（exe）解壓后生成的文件

針對未安裝Matlab軟件的用戶，可執(zhí)行程序會提示安裝Matlab的支持文件，進一步增強其通用性。

2 模型檢驗

負荷預(yù)測結(jié)果偏大將會增加電網(wǎng)投資，預(yù)測結(jié)果偏小將有可能造成電網(wǎng)供電能力不足[12]，因此需對電力負荷預(yù)測的精度進行評估。本文采用后驗差檢驗[13]，具體步驟如下。

調(diào)研收集到的歷史負荷和預(yù)測值序列分別為

表1 小誤差概率和后驗差比值評價預(yù)測精度的標準

3 算例分析

3.1 預(yù)測過程與實現(xiàn)

本節(jié)以廣州市十三五用電量預(yù)測為算例，以此說明軟件的通用性，廣州歷史用電量數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件如圖8所示。

圖8 廣州市歷史用電量原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入

利用plot函數(shù)對原始數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果對比分析，如圖9所示。

圖9 歷史數(shù)據(jù)和4種預(yù)測方法預(yù)測數(shù)據(jù)的對比截圖

3.2 誤差計算和精度評估

本文開發(fā)的軟件設(shè)計了誤差計算模塊，主要通過“誤差計算”按鈕計算平均絕對誤差和平均相對誤差并顯示。運行界面如圖10所示。

圖10 誤差計算模塊運行界面

同時軟件還設(shè)計了預(yù)測精度等級評估模塊，該模塊主要通過“預(yù)測精度計算”按鈕計算后驗差比值和小誤差概率兩個具體指標的值，反映預(yù)測精度的高低并顯示，同時附上評價標準的說明，運行界面如圖11所示。

圖11 預(yù)測精度計算模塊運行界面

3.3 預(yù)測方法比較

表2結(jié)合算例情況，對比分析了幾種預(yù)測方法的特點。

表2 電力負荷預(yù)測方法特點匯總

3.4 預(yù)測應(yīng)用

表4是基于GM(1,1)灰色預(yù)測模型和改進GM(1,1)灰色預(yù)測模型的廣州市用電量預(yù)測結(jié)果和精度等級評估情況。各算法的建模數(shù)據(jù)采用的是2001年至2010年，檢驗數(shù)據(jù)用的是2011年至2014年，預(yù)測期為2015年至2020年。

由表3可看出，預(yù)測精度等級都在合格范圍內(nèi)，但2011年后的預(yù)測誤差增大，原因在于2011年后廣州市全社會用電量的增長速度放緩。再對比該兩種算法，改進后的灰色GM(1,1)預(yù)測法的預(yù)測精度提高了2%，各數(shù)據(jù)誤差被平均，大誤差有所減小，小誤差有所提高，基本符合預(yù)期改進效果。

4 結(jié)論

本文基于灰色預(yù)測方法、改進灰色預(yù)測方法和趨勢外推法（滑動平均法和指數(shù)平滑法）完成地區(qū)“十三五”期間電力負荷預(yù)測，并編制出基于Matlab GUI電力負荷預(yù)測軟件，軟件具有比較豐富的預(yù)測分析功能，能實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、修改，能利用單種或多種預(yù)測方法進行預(yù)測，對預(yù)測結(jié)果能良好顯示和誤差精度評估，同時解決了軟件的通用性問題，滿足電力系統(tǒng)規(guī)劃人員的實際需要，能應(yīng)用于地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃實際電力負荷預(yù)測工作，進而可以為地區(qū)電力規(guī)劃提供重要參考。

[1] 程浩忠, 張焰, 等. 電力系統(tǒng)規(guī)劃[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2] 黃玉龍, 劉明波, 鄭文杰, 等. 基于可信區(qū)間的模糊線性回歸動態(tài)負荷參數(shù)預(yù)測[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(24): 196-205.

[3] 萬昆, 柳瑞禹. 區(qū)間時間序列向量自回歸模型在短期電力負荷預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(11): 77-81.

[4] 李濱, 覃芳璐, 吳茵, 等. 基于模糊信息?；c多策略靈敏度的短期日負荷曲線預(yù)測[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(9): 149-159.

[5] 蔣燕, 王少楊, 封蕓. 基于遞歸等權(quán)組合模型的中長期電力負荷預(yù)測[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2012, 24(1): 151-155.

[6] 羅華飛. Matlab GUI設(shè)計學(xué)習(xí)手記[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2014.

[7] 侯偉, 肖健, 牛利勇. 基于灰色理論的光伏發(fā)電系統(tǒng)出力預(yù)測方法[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(4): 53-58.

[8] 韓富堯, 劉亞偉. 基于計量經(jīng)濟-灰色理論的多變量電力負荷預(yù)測方法[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(7): 37-40.

[9] 周國鵬, 傅軍, 李雪梅, 等. 灰色預(yù)測GM(1,1)模型的改進及應(yīng)用[J]. 數(shù)學(xué)的實踐與認識, 2011, 41(23): 39-46.

[10] 袁鐵江, 袁建黨, 晁勤, 等. 電力系統(tǒng)中長期負荷預(yù)測綜合模型研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2012, 40(14): 143-146.

[11] 陳武, 張山江, 侯春華, 等. 二次指數(shù)平滑預(yù)測模型回歸系數(shù)計算方法探討[J]. 統(tǒng)計與決策, 2016(19): 11-12.

[12] 谷云東, 張素杰, 馮君淑. 大用戶電力負荷的多模型模糊綜合預(yù)測[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(23): 110-115.

[13] 楊琳, 徐慧英, 王艷潔. 基于貝葉斯最大化后驗估計方法的圖片合成模型研究[J]. 計算機科學(xué), 2016, 43(6): 321-324.

Application and development of power load forecasting software based on Matlab GUI

Du Ting1Zhao Shousheng1Li Yongqi2Chen Lidan3

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company Jinhua Power Supply Company, Jinhua, Zhejiang 321000; 2. China Southern Power Grid Guangzhou Power Supply Co., Ltd, Guangzhou 515223;3. Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800)

Load forecasting is the basis of grid planning, take the electricity consumption of the whole society as an example, this paper predicted the load during the planning period of the 13th five-year grid by trend extrapolation model, grey model and its improved model. Then, the power load forecasting software with lots of functions was developed based on Matlab GUI, the software can implement importing, modifying and saving of the survey data. A variety of prediction models can be used to predict the power load based on the software, and the results can be analyzed and evaluated in the forecasting system, and it has universality and practicability, which can be used by grid planning staff.

load forecasting; Matlab GUI; posteriori error; grey model; trend extrapolation

2017-10-26

杜 挺（1985-），男，漢，浙江東陽人，碩士，工程師，主要研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃及配電網(wǎng)工程管理。