考慮季節(jié)性氣候因子的配電網(wǎng)可中斷負荷預(yù)測方法探析

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng)；可中斷負荷；季節(jié)性氣候因子；支持向量機；最優(yōu)函數(shù)

引言

可中斷負荷作為一種靈活的電力需求側(cè)管理措施，可以在系統(tǒng)負荷高峰時段通過中斷部分非關(guān)鍵負荷供電[1-2]，緩解電網(wǎng)供電壓力，保障重要負荷的供電需求。因此，對配電網(wǎng)可中斷負荷進行優(yōu)化研究，能夠為電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度和能源管理提供支持。

劉佳等（2023）提出考慮停電損失及可中斷負荷的有源配網(wǎng)魯棒孤島劃分策略[3]，但是，該方法未考慮季節(jié)性氣候因子對分布式能源出力的影響。趙智忠等（2022）提出考慮可中斷負荷接入的主動配電網(wǎng)魯棒優(yōu)化模型[4]，但是，該方法模型求解過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余。Sajjad等（2023）基于負荷控制需求響應(yīng)的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃，構(gòu)建主動配電系統(tǒng)規(guī)劃模型，并采用多目標優(yōu)化算法進行求解[5]。

季節(jié)性氣候因子是指隨著季節(jié)變化而變化的氣候要素，如溫度、濕度、日照時間等。不同季節(jié)的氣候條件會直接影響用戶用電行為，同時還會影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導致供電中斷風險增加。因此，通過考慮季節(jié)性氣候因子進行可中斷負荷預(yù)測，能夠有效保障供電系統(tǒng)穩(wěn)定性?；诖耍疚囊爰竟?jié)性氣候因子，提出一種新的配電網(wǎng)可中斷負荷預(yù)測方法。

一、配電網(wǎng)可中斷負荷預(yù)測方法

（一）季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

假設(shè)t時刻的歷史配電網(wǎng)可中斷負荷序列為Y（t），計算第p種日類型t時刻的平均負荷如式（1）所示：

式（1）中，m為第p種日類型的總數(shù)量，Yp（j，t）為第j日中t時刻的可中斷負荷值。

將可中斷負荷數(shù)據(jù)維度固定在［0，1］之間，設(shè)定歸一化過程中原始可中斷負荷數(shù)據(jù)為Ays，歸一化處理如式（2）所示[6]：

式（2）中，Amin和Amax分別為原始可中斷負荷數(shù)據(jù)最小值和最大值。

依據(jù)可中斷負荷數(shù)據(jù)的歸一化結(jié)果，建立可中斷負荷特征向量集Bi，獲取第i個可中斷負荷數(shù)據(jù)的第j個季節(jié)性氣候因子對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)值，如式（3）所示：

式（3）中，Y為季節(jié)性氣候因子的時間序列平均值，rj為第j個季節(jié)性氣候因子的權(quán)重，Hpq負荷影響系數(shù)，n為季節(jié)性氣候因子的總數(shù)。

使用降序排列法對不同季節(jié)性氣候因子Bij實施排列處理，選擇1ijB≥的數(shù)據(jù)作為季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)集。

使用最小二乘算法推斷季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)集中殘缺數(shù)據(jù)，如式（4）所示：

式（4）中，Di為平均日照率，w為氣溫季節(jié)性變動系數(shù)，b為逼近不確定缺失值的偏差值。

利用二次指數(shù)平滑法修正季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)，消除數(shù)據(jù)中的異常值，如式（5）所示：

式（5）中，α為平均氣溫，St1為原始季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)序列中的t1項，St2為原始季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)序列中的t2項。

（二）季節(jié)性氣候因子特征提取

根據(jù)修正后的季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)，研究選擇與配電網(wǎng)可中斷負荷預(yù)測相關(guān)性較高的氣候因子作為特征，分析每個季節(jié)性氣候因子對應(yīng)的時間序列F，如式（6）所示：

二、測試與分析

（一）測試環(huán)境

甘肅武威位于我國西北地區(qū)，不同季節(jié)的用電行為存在明顯差異：夏季空調(diào)、制冷設(shè)備使用頻次較多，容易增加電力負荷；冬季取暖設(shè)備再次增加地區(qū)用電量。因此，研究利用PSCAD仿真軟件構(gòu)建包含架空線路、纜線混合線路和電纜線路的110 kV配電網(wǎng)仿真模型。

（二）測試數(shù)據(jù)

訓練樣本數(shù)據(jù)為國網(wǎng)武威供電公司電力調(diào)度中心2022年1月至12月的實際電力數(shù)據(jù)記錄。選擇50組可中斷負荷數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)集包括2000個電力數(shù)據(jù)，共計100，000個，采樣頻率為1 M/s，共獲得測試數(shù)據(jù)約35 GB。

（三）測試結(jié)果與分析

將劉佳等（2023）方法（考慮停電損失及可中斷負荷的有源配網(wǎng)魯棒孤島劃分策略）、趙智忠等（2022）方法（考慮可中斷負荷接入的主動配電網(wǎng)魯棒優(yōu)化模型）和Sajjad等（2023）方法（基于負荷控制需求響應(yīng)的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃）作為對照方法，與本文方法在相同測試環(huán)境和測試數(shù)據(jù)條件下進行對比測試。

1.可中斷負荷裕度測試

可中斷負荷裕度是指在一定時間段內(nèi)，配電網(wǎng)系統(tǒng)能夠承受的最大負荷波動范圍；即電力系統(tǒng)在承擔某一時段內(nèi)的最大負荷時，與該最大負荷之間的剩余能力比例。在負荷高峰或突發(fā)情況下，可中斷負荷裕度不足，可能會導致配電網(wǎng)無法及時響應(yīng)。較高的可中斷負荷裕度表明配電網(wǎng)具有更大的備用容量和靈活性，可以更好地應(yīng)對可中斷負荷波動?？芍袛嘭摵深A(yù)測的準確性直接影響可中斷負荷裕度計算，若可中斷負荷裕度計算結(jié)果與實際結(jié)果吻合，表明算法對可中斷負荷預(yù)測的精度較高。不同方法的可中斷負荷裕度結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)測試結(jié)果，本文方法的可中斷負荷裕度與實際結(jié)果基本吻合，而對照方法的可中斷負荷裕度均低于實際值。這是因為本文方法使用最小二乘算法推斷季節(jié)性氣候因子的數(shù)據(jù)集中殘缺數(shù)據(jù)；通過映射函數(shù)將已知數(shù)據(jù)與缺失季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，補充缺失值，提高數(shù)據(jù)集的準確性和可靠性；利用二次指數(shù)平滑法對季節(jié)性氣候因子數(shù)據(jù)進行平滑處理，消除數(shù)據(jù)中的異常值，使數(shù)據(jù)更加平滑和穩(wěn)定，進而提高可中斷負荷預(yù)測準確性。

2.可中斷負荷誤差測試

平均相對誤差是各個預(yù)測值與實際值之差的絕對值的平均數(shù)，反映了模型預(yù)測值與實際值之間的平均偏差程度。均方根誤差是各個預(yù)測值與實際值之差的平方值的平均數(shù)的平方根，能衡量模型預(yù)測值與實際值之間的離散程度。研究選擇平均相對誤差和均方根誤差作為測試指標，衡量不同方法的可中斷負荷預(yù)測性能，具體測試結(jié)果如圖2所示。

通過分析圖2可以看出，在相同測試次數(shù)下，不同方法的平均相對誤差和均方根誤差均存在明顯差異，所提方法的誤差結(jié)果明顯低于對照方法。這是因為本文方法通過整合不同季節(jié)性氣候因子相似度，更全面地捕捉與可中斷負荷相關(guān)的季節(jié)性變化規(guī)律；同時，對季節(jié)性氣候因子相似度進行降維，去除冗余信息后提取季節(jié)性氣候因子特征，使模型更專注于最重要特征，提高模型泛化能力。由此證明，采用本文方法可以獲取高精度的可中斷負荷預(yù)測結(jié)果。

結(jié)語

本文提出的考慮季節(jié)性氣候因子的配電網(wǎng)可中斷負荷預(yù)測方法，通過一系列數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化手段，有效提升了可中斷負荷預(yù)測的準確性。該方法不僅為配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供了保障，也為電力市場的供需平衡和資源配置優(yōu)化提供了有力支持。