電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法在配網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用

趙會(huì)茹，高婧瑤，殷商瑩

（華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

0 引言

電力系統(tǒng)以向各用戶提供安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的電能產(chǎn)品為宗旨。電力負(fù)荷受氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)假日等影響較大，因而用電消費(fèi)有隨機(jī)性。電能產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)是同時(shí)進(jìn)行的，電能無法大量貯存，這就要求電力系統(tǒng)供電出力與用電負(fù)荷時(shí)刻保持平衡［1-3］。因此，電力負(fù)荷預(yù)測(cè)分析對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電力生產(chǎn)都有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外在電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方面的研究較多。文獻(xiàn)［3］梳理了電力負(fù)荷總量預(yù)測(cè)與電力負(fù)荷空間預(yù)測(cè)的方法。文獻(xiàn)［4］采用回歸分析的方法預(yù)測(cè)未來5年區(qū)域負(fù)荷的發(fā)展?fàn)顩r，最后提出新的方法以提高未來負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［5-6］均介紹了負(fù)荷預(yù)測(cè)的幾種常用方法，并分析了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［7］總結(jié)了電力負(fù)荷預(yù)測(cè)的特點(diǎn)、內(nèi)容及方法，并對(duì)國內(nèi)外的預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了闡述。然而在目前的研究中，還缺少把多種預(yù)測(cè)方法與實(shí)際案例結(jié)合進(jìn)行比較的分析，在對(duì)預(yù)測(cè)方法的實(shí)際操作方面還略有欠缺。

以河北省為例，在對(duì)河北省電力消費(fèi)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用單耗法、趨勢(shì)擬合法和多元線性回歸法3種方法，對(duì)河北省2018—2022年的電力消費(fèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)3種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果及在配網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。在配網(wǎng)規(guī)劃中，負(fù)荷預(yù)測(cè)有著極為重要的作用，提出結(jié)合電力消費(fèi)的發(fā)展情況及影響負(fù)荷的因素進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過選取恰當(dāng)?shù)姆椒▉硖岣哳A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，為配網(wǎng)的建設(shè)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 河北省電力消費(fèi)現(xiàn)狀

1998—2016年河北省電力消費(fèi)情況如圖1所示?？芍?，1998—2016年河北省的電力消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)，平均年電力消費(fèi)增長(zhǎng)率為10.32%，保持在較高水平。其中，2003—2007年及2010年的電力消費(fèi)增長(zhǎng)較快，2003—2007年增長(zhǎng)率保持在 16%左右，2010年增長(zhǎng)率為14.83%。

圖1 1998—2016年河北省電力消費(fèi)情況

圖2 1998—2016年河北省電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)

1998—2016年河北省電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)如圖2所示。1998—2016年河北省的電力消費(fèi)總體呈較快增長(zhǎng)趨勢(shì)。第一產(chǎn)業(yè)用電量從1998年的47.54億kWh增長(zhǎng)到2010年的159.10億kWh，之后逐年下降。1998—2016年的第二產(chǎn)業(yè)用電量增長(zhǎng)幅度較快，從1998年的490.04億kWh增長(zhǎng)到2013年的2 522.9億kWh，增長(zhǎng)了5.15倍，之后增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)。較第二產(chǎn)業(yè)用電量而言，第三產(chǎn)業(yè)用電量和居民用電量總體均呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2 河北省電力負(fù)荷預(yù)測(cè)

選取1998—2016年共計(jì)19年的數(shù)據(jù)，根據(jù)近年來河北省的電力消費(fèi)的發(fā)展情況，采用單耗法、趨勢(shì)擬合法、多元線性回歸3種模型分別對(duì)河北省2018—2022年的電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 單耗法

根據(jù)河北省的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)定河北省2018—2022年的GDP年增長(zhǎng)率分為高、中、低3種不同的情況。預(yù)測(cè)出河北省2018—2022年GDP如表1所示。

表1 2018—2022年河北省GDP預(yù)測(cè)

根據(jù)河北省三大產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，預(yù)測(cè)2018—2022年河北省年均第一產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重為12%，河北省年均第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重為53%，河北省第三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重為35%。預(yù)測(cè)出的2018—2022年河北省三大產(chǎn)業(yè)增加值如表2所示。

根據(jù)對(duì)2018—2022年三大產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值耗電和居民生活年均增長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)，可計(jì)算出三大產(chǎn)業(yè)及居民生活用電量，進(jìn)而可以預(yù)測(cè)出全省用電消費(fèi)量，如表3所示。

2.2 趨勢(shì)擬合法

分別選用線性擬合、指數(shù)擬合和多項(xiàng)式擬合3種方法對(duì)河北省1998—2016年的電力消費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，線性擬合方法的R2為0.970 8，指數(shù)擬合方法的R2為0.968 7，多項(xiàng)式趨勢(shì)擬合方法的R2為0.979 3。R2為決定系數(shù)，它表示趨勢(shì)線的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，取值范圍為0到1。當(dāng)趨勢(shì)線的R2等于1或接近1時(shí)，其可靠性最高，因此利用可靠性最高的多項(xiàng)式擬合方法來對(duì)河北省2018—2022年的電力消費(fèi)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。多項(xiàng)式趨勢(shì)擬合曲線如圖3所示。

表2 2018—2022年河北省三大產(chǎn)業(yè)增加值預(yù)測(cè)

表3 2018—2022年電力消費(fèi)量預(yù)測(cè)

圖3 1998—2016年河北省電力消費(fèi)多項(xiàng)式趨勢(shì)擬合

最終的擬合公式為：

基于此公式可預(yù)測(cè)出2018—2022年河北省電力消費(fèi)量如表4所示。

表4 2018—2022年河北省電力消費(fèi)量預(yù)測(cè)

2.3 多元線性回歸分析法

選取河北省 1998—2016 年 GDP（x1）、工業(yè)化率（x2）和城鎮(zhèn)化率（x3）作為解釋變量，對(duì)河北省電力消費(fèi)量（y）進(jìn)行多元線性回歸分析，得到回歸方程為

在對(duì)電力消費(fèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)之前，需要先對(duì)2018—2022年河北省GDP、工業(yè)化率及城鎮(zhèn)化率進(jìn)行預(yù)測(cè)，如表1和表5所示。

表5 2018—2022年河北省工業(yè)化率及城鎮(zhèn)化率預(yù)測(cè)

根據(jù)表1和表5的GDP、工業(yè)化率及城鎮(zhèn)化率預(yù)測(cè)結(jié)果和得出的回歸方程，可以預(yù)測(cè)出2018—2022年河北省電力消費(fèi)量如表6所示。

表6 2018—2022年河北省電力消費(fèi)量預(yù)測(cè)

2.4 預(yù)測(cè)結(jié)果

在對(duì)河北省電力消費(fèi)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用單耗法、趨勢(shì)擬合法以及多元線性回歸分析法3種方法對(duì)2018—2022年河北省的電力消費(fèi)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表7所示。

表7 2018—2022年河北省電力消費(fèi)量預(yù)測(cè)對(duì)比

通過比較可以看出，用單耗法和趨勢(shì)擬合法預(yù)測(cè)出的電力消費(fèi)量較小，基于多元線性回歸法預(yù)測(cè)出的結(jié)果最大。

3 預(yù)測(cè)方法的對(duì)比

不同的電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法所需要的數(shù)據(jù)樣本、適用條件及建模思路都不相同，因此很難在同一評(píng)判尺度下對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。

單耗法主要通過預(yù)測(cè)三大產(chǎn)業(yè)增加值及其單位產(chǎn)值耗電以及預(yù)測(cè)居民生活用電量來計(jì)算出全省電力消費(fèi)，原理簡(jiǎn)單且易掌握，但通過原始數(shù)據(jù)計(jì)算出的三大產(chǎn)業(yè)增加值及其單位產(chǎn)值耗電以及居民生活用電量的準(zhǔn)確性并不能保障，所以得出的預(yù)測(cè)結(jié)果精度較差。在配網(wǎng)規(guī)劃中，單耗法可以用來預(yù)測(cè)有單耗指標(biāo)的工業(yè)和部分農(nóng)業(yè)的電力消費(fèi)量，且短期預(yù)測(cè)效果較好。

趨勢(shì)擬合法是通過觀察原始數(shù)據(jù)的分布情況來找出最合適的函數(shù)類型進(jìn)行擬合，運(yùn)用EXCEL工具可較快得出結(jié)果。趨勢(shì)擬合法只考慮了時(shí)間對(duì)電力消費(fèi)的影響，并沒有考慮地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口和社會(huì)等因素對(duì)電力消費(fèi)的作用，但相對(duì)單耗法來說，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。在配網(wǎng)規(guī)劃中，對(duì)于趨勢(shì)擬合法的選用，應(yīng)該考慮擬合過程中保障預(yù)測(cè)精度及擬合曲線的一致性，結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)近年的發(fā)展情況，選擇恰當(dāng)?shù)那€模型進(jìn)行擬合。

多元線性回歸分析法考慮了影響電力消費(fèi)的多種因素，并通過形成回歸方程來解釋各自變量與因變量之間的關(guān)系，是一種具有一定的可靠性的、行之有效的方法，預(yù)測(cè)精度較高。但在進(jìn)行回歸分析時(shí)，選擇的自變量和變量的表達(dá)方式都是一種推測(cè)，因此有時(shí)運(yùn)用回歸分析法會(huì)受到一定的限制。在配網(wǎng)規(guī)劃中，在預(yù)測(cè)前需對(duì)地區(qū)近年來的用電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)影響電力消費(fèi)的因素進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)，并確定電力消費(fèi)量與影響因素之間的關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)出電力負(fù)荷。

4 結(jié)語

在配網(wǎng)規(guī)劃中，電力負(fù)荷預(yù)測(cè)有著非常重要的作用。負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其精度直接影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，在進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)要注意：對(duì)于數(shù)據(jù)的選取并不是越多越好，要從歷史數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，通過觀察規(guī)律來預(yù)測(cè)出較為準(zhǔn)確的電力負(fù)荷；要考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素對(duì)電力負(fù)荷的影響，據(jù)此預(yù)測(cè)出的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)才能為電力調(diào)度和政策的實(shí)施提供有力的依據(jù)。