基于智能電表的住宅短期電力負(fù)載預(yù)測(cè)

楊繼革， 嚴(yán) 俊， 陳麗春， 賀樂(lè)華， 余圣彬

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 a. 衢州供電公司， b. 龍游縣供電有限公司， c. 江山市供電有限公司， 浙江 衢州 324400)

居民用電的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)在電力系統(tǒng)運(yùn)行中具有重要意義，準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)有利于電力市場(chǎng)各方進(jìn)行交易獲利，也便于市場(chǎng)資產(chǎn)的所有者安排生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)[1-3].經(jīng)典的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法主要通過(guò)時(shí)間序列建?；蚰Ｊ阶R(shí)別技術(shù)完成[4-5].其他算法還包括但不局限于將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊專家系統(tǒng)相結(jié)合，形成短期負(fù)荷預(yù)測(cè)混合模型[6].算法首先通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供臨時(shí)預(yù)測(cè)，然后由模糊專家系統(tǒng)進(jìn)行修正[7-8].

近些年，相關(guān)研究對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行了改進(jìn)，一方面?zhèn)戎赜趯?duì)多種預(yù)測(cè)方法的融合，例如Jelena[9]結(jié)合3種不同模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)評(píng)估其負(fù)荷預(yù)測(cè)性能；Wang等[10]結(jié)合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短期負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習(xí)性能，縮短網(wǎng)絡(luò)的整體訓(xùn)練時(shí)間，克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法容易陷入局部最優(yōu)解的弊端.另一方面，學(xué)者依靠先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施，例如通過(guò)智能電表進(jìn)行雙向通信和實(shí)時(shí)電力分析[11-12]，從用戶的智能儀表端獲取實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，從而提供更準(zhǔn)確的負(fù)載預(yù)測(cè).然而，大量數(shù)據(jù)的獲取、傳輸及計(jì)算也增加了負(fù)荷預(yù)測(cè)的成本，因此，必須選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量采樣率，以便在合適的數(shù)據(jù)量下得到所需的預(yù)測(cè)精度.

本文研究了智能電表的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，使用成型濾波和卡爾曼濾波相結(jié)合的算法對(duì)居民用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析測(cè)量采樣率對(duì)預(yù)測(cè)誤差的影響.

1 預(yù)測(cè)方法

將住宅負(fù)荷分為兩個(gè)獨(dú)立分量：天氣相關(guān)分量和生活方式分量.計(jì)算方式借鑒了將電力負(fù)荷分解為氣象敏感和非氣象敏感兩部分的處理想法[13].生活方式分量部分是負(fù)荷的決定性部分，主要取決于居民日常生活的能量消耗.天氣相關(guān)分量是高斯噪聲信號(hào)，主要影響空調(diào)、新風(fēng)等負(fù)荷.從測(cè)量的歷史消耗數(shù)據(jù)中減去住宅負(fù)荷的確定性部分，留下一個(gè)零均值隨機(jī)信號(hào)，依據(jù)后續(xù)提及的頻譜確定成型濾波器.

1.1 譜分析

(1)

Y=αX+V(t)

(2)

式中：α和β為常數(shù)；U為單位白噪聲輸入；X為狀態(tài)向量；Y為測(cè)量值；V為單位高斯白噪聲測(cè)量值.

1.2 卡爾曼濾波

隨機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為由簡(jiǎn)化狀態(tài)向量和輸出向量描述，即

X(t+1)=ΦX(t)+V1(t)

(3)

Y(t)=AX(t)+V2(t)

(4)

式中，Φ、A為狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣.噪聲變量V1(t)與V2(t)是獨(dú)立的零均值高斯噪聲及其協(xié)方差矩陣，進(jìn)一步可得

(5)

式中：δ(k，l)為克羅內(nèi)克符號(hào)；Q為過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣；R為測(cè)量噪聲協(xié)方差矩陣.

K(t)=P(t)CT[CP(t)CT+R]-1

(6)

更新后估計(jì)的誤差協(xié)方差矩陣為

[I-K(t)C]P(t)[I-K(t)C]T+

K(t)RKT(t)

(7)

使用狀態(tài)方程預(yù)測(cè)下一個(gè)狀態(tài)，即

(8)

預(yù)測(cè)狀態(tài)的誤差協(xié)方差矩陣為

P(t+1)=ΦP(t)ΦT+Q(t)

(9)

重復(fù)校正和預(yù)測(cè)以產(chǎn)生一系列狀態(tài)估計(jì)，這種漸進(jìn)分析預(yù)測(cè)的方法實(shí)際上屬于一種依據(jù)不同階段進(jìn)行預(yù)測(cè)分析的技巧.已有學(xué)者提出基于混合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷預(yù)測(cè)器，方法分為3個(gè)階段：1)利用增長(zhǎng)趨勢(shì)和必要的補(bǔ)償，將歷史負(fù)荷更新為當(dāng)前負(fù)荷需求；2)使用Kohonen自組織映射來(lái)映射負(fù)載配置文件；3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊并行處理器利用輸入變量(如日類(lèi)型、天氣和假日接近度)來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前日的負(fù)荷.該更新調(diào)整的方式與卡爾曼濾波較為相似，本文算法通過(guò)卡爾曼濾波更新預(yù)測(cè)居民用電數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與討論

本文通過(guò)某電網(wǎng)公司提供的居民負(fù)荷數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)方法的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)性能，采集了某電網(wǎng)公司所屬供電公司2019年春季500戶居民的用電數(shù)據(jù).圖1實(shí)線顯示了2019年4月15日一個(gè)住宅客戶的15 min間隔負(fù)載分布圖.負(fù)載數(shù)據(jù)被認(rèn)為是確定性部分與隨機(jī)部分之和，用一個(gè)10階多項(xiàng)式擬合負(fù)荷曲線.采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔為15 min，采樣點(diǎn)數(shù)為96，其擬合曲線如圖1虛線所示.

圖1 實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)Fig.1 Measured load data and fitting data

圖2 15 min間隔下測(cè)量負(fù)載與預(yù)測(cè)負(fù)載對(duì)比Fig.2 Comparison between measured and predicted loads at intervals of 15 min

智能電表的通信能力使實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取成為可能，為評(píng)價(jià)所提出的預(yù)測(cè)方法在不同采樣周期和預(yù)測(cè)水平下的性能提供了機(jī)會(huì).除了15 min的采樣周期外，還需考慮更大的30 min和1 h采樣周期.圖3、4分別展示了30 min和1 h采樣周期的住宅測(cè)量負(fù)載與預(yù)測(cè)負(fù)載對(duì)比情況.

圖3 30 min間隔下測(cè)量負(fù)載與預(yù)測(cè)負(fù)載對(duì)比Fig.3 Comparison between measured and predicted loads at intervals of 30 min

圖4 60 min間隔下測(cè)量負(fù)載與預(yù)測(cè)負(fù)載對(duì)比Fig.4 Comparison between measured and predicted loads at intervals of 60 min

本文利用計(jì)算平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)精度，表1顯示了不同采樣周期和預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)的MAPE情況.

表1 不同采樣周期和預(yù)測(cè)時(shí)段下的MAPETab.1 MAPE at different sampling periods and prediction levels %

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在采樣周期和預(yù)測(cè)時(shí)段均為1 h的情況下，負(fù)荷預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，MAPE為26.024 7%.縮短從客戶智能電表接收實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，可以提高方法的準(zhǔn)確性，降低MAPE.在30 min、15 min的采樣周期內(nèi)，MAPE分別降低到16.558 3%和12.705 8%.然而，采樣周期較短(15 min、30 min)會(huì)增加預(yù)測(cè)的計(jì)算負(fù)荷，因此，采樣率的選擇必須在精度與計(jì)算量之間進(jìn)行權(quán)衡.

采樣率對(duì)500戶配電饋線預(yù)測(cè)精度和計(jì)算負(fù)荷的影響如圖5所示.計(jì)算負(fù)荷是按順序處理500個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)所需的總時(shí)間.由圖5可以看出，當(dāng)采樣間隔為32 min時(shí)，計(jì)算效能和精度能夠達(dá)到最優(yōu)解.

圖5 采樣率對(duì)預(yù)測(cè)精度和計(jì)算負(fù)荷的影響Fig.5 Influence of sampling rate on prediction accuracy and calculation loads

3 結(jié) 論

隨著智能電表的普及，住宅用戶的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)可以逐步實(shí)現(xiàn).利用電網(wǎng)公司提供的數(shù)據(jù)，本文將一個(gè)住宅負(fù)荷表示為確定性分量和隨機(jī)高斯擾動(dòng)的總和，然后，利用卡爾曼濾波器對(duì)不同采樣周期的住宅負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估了不同采樣周期下負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然更快的采樣率可以提供更多的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，并能大幅度提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，但額外的計(jì)算成本可能較高.因此，在限制用于預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)量同時(shí)，也需要達(dá)到預(yù)測(cè)精度，選擇恰當(dāng)?shù)牟蓸勇驶蛑芷?