電力負(fù)荷預(yù)測(cè)理論與方法

電力負(fù)荷預(yù)測(cè)理論與方法
電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)是電力系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃的重要組成部分，也是電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)。在當(dāng)前電力發(fā)展迅速和供應(yīng)緊張的情況下，合理地進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行極其重要。 
　　1　電力負(fù)荷的構(gòu)成與特點(diǎn) 
　　電力系統(tǒng)負(fù)荷一般可以分為城市民用負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、農(nóng)村負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷以及其他負(fù)荷等，不同類(lèi)型的負(fù)荷具有不同的特點(diǎn)和規(guī)律。 
　　城市民用負(fù)荷主要是城市居民的家用電器，它具有年年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，以及明顯的季節(jié)性波動(dòng)特點(diǎn)，而且民用負(fù)荷的特點(diǎn)還與居民的日常生活和工作的規(guī)律緊密相關(guān)。 
　　商業(yè)負(fù)荷，主要是指商業(yè)部門(mén)的照明、空調(diào)、動(dòng)力等用電負(fù)荷，覆蓋面積大，且用電增長(zhǎng)平穩(wěn)，商業(yè)負(fù)荷同樣具有季節(jié)性波動(dòng)的特性。雖然商業(yè)負(fù)荷在電力負(fù)荷中所占比重不及工業(yè)負(fù)荷和民用負(fù)荷，但商業(yè)負(fù)荷中的照明類(lèi)負(fù)荷占用電力系統(tǒng)高峰時(shí)段。此外，商業(yè)部門(mén)由于商業(yè)行為在節(jié)假日會(huì)增加營(yíng)業(yè)時(shí)間，從而成為節(jié)假日中影響電力負(fù)荷的重要因素之一。 
　　工業(yè)負(fù)荷是指用于工業(yè)生產(chǎn)的用電，一般工業(yè)負(fù)荷的比重在用電構(gòu)成中居于首位，它不僅取決于工業(yè)用戶(hù)的工作方式(包括設(shè)備利用情況、企業(yè)的工作班制等)，而且與各行業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)、季節(jié)因素都有緊密的聯(lián)系，一般負(fù)荷是比較恒定的。 
　　農(nóng)村負(fù)荷則是指農(nóng)村居民用電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電。此類(lèi)負(fù)荷與工業(yè)負(fù)荷相比，受氣候、季節(jié)等自然條件的影響很大，這是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)所決定的。農(nóng)業(yè)用電負(fù)荷也受農(nóng)作物種類(lèi)、耕作習(xí)慣的影響，但就電網(wǎng)而言，由于農(nóng)業(yè)用電負(fù)荷集中的時(shí)間與城市工業(yè)負(fù)荷高峰時(shí)間有差別，所以對(duì)提高電網(wǎng)負(fù)荷率有好處。  功率記錄儀 電流記錄儀 電壓記錄儀

　　從以上分析可知電力負(fù)荷的特點(diǎn)是經(jīng)常變化的，不但按小時(shí)變、按日變，而且按周變，按年變，同時(shí)負(fù)荷又是以天為單位不斷起伏的，具有較大的周期性，負(fù)荷變化是連續(xù)的過(guò)程，一般不會(huì)出現(xiàn)大的躍變，但電力負(fù)荷對(duì)季節(jié)、溫度、天氣等是敏感的，不同的季節(jié)，不同地區(qū)的氣候，以及溫度的變化都會(huì)對(duì)負(fù)荷造成明顯的影響。 
　　電力負(fù)荷的特點(diǎn)決定了電力總負(fù)荷由以下四部分組成：基本正常負(fù)荷分量、天氣敏感負(fù)荷分量、特別事件負(fù)荷分量和隨機(jī)負(fù)荷分量。 
　　2　負(fù)荷預(yù)測(cè)的內(nèi)容與分類(lèi) 
　　電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)包括最大負(fù)荷功率、負(fù)荷電量及負(fù)荷曲線的預(yù)測(cè)。最大負(fù)荷功率預(yù)測(cè)對(duì)于確定電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備及輸變電設(shè)備的容量是非常重要的。為了選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)組類(lèi)型和合理的電源結(jié)構(gòu)以及確定燃料計(jì)劃等，還必須預(yù)測(cè)負(fù)荷及電量。負(fù)荷曲線的預(yù)測(cè)可為研究電力系統(tǒng)的峰值、抽水蓄能電站的容量以及發(fā)輸電設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。 
　　負(fù)荷預(yù)測(cè)根據(jù)目的的不同可以分為超短期、短期、中期和長(zhǎng)期：①超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)是指未來(lái)1h以?xún)?nèi)的負(fù)荷預(yù)測(cè)，在安全監(jiān)視狀態(tài)下，需要5～10s或1～5min的預(yù)測(cè)值，預(yù)防性控制和緊急狀態(tài)處理需要10min至1h的預(yù)測(cè)值。②短期負(fù)荷預(yù)測(cè)是指日負(fù)荷預(yù)測(cè)和周負(fù)荷預(yù)測(cè)，分別用于安排日調(diào)度計(jì)劃和周調(diào)度計(jì)劃，包括確定機(jī)組起停、水火電協(xié)調(diào)、聯(lián)絡(luò)線交換功率、負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配、水庫(kù)調(diào)度和設(shè)備檢修等，對(duì)短期預(yù)測(cè)，需充分研究電網(wǎng)負(fù)荷變化規(guī)律，分析負(fù)荷變化相關(guān)因子，特別是天氣因素、日類(lèi)型等和短期負(fù)荷變化的關(guān)系。③中期負(fù)荷預(yù)測(cè)是指月至年的負(fù)荷預(yù)測(cè)，主要是確定機(jī)組運(yùn)行方式和設(shè)備大修計(jì)劃等。④長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)是指未來(lái)3～5年甚至更長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測(cè)，主要是電網(wǎng)規(guī)劃部門(mén)根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)電力負(fù)荷的需求，所作的電網(wǎng)改造和擴(kuò)建工作的遠(yuǎn)景規(guī)劃。對(duì)中、長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)，要特別研究國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家政策等的影響。 
　　3　負(fù)荷預(yù)測(cè)的基本過(guò)程 
　　負(fù)荷預(yù)測(cè)工作的關(guān)鍵在于收集大量的歷史數(shù)據(jù)，建立科學(xué)有效的預(yù)測(cè)模型，采用有效的算法，以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行大量試驗(yàn)性研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷修正模型和算法，以真正反映負(fù)荷變化規(guī)律。其基本過(guò)程如下。  電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀|
　　3.1　調(diào)查和選擇歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)資料 
　　多方面調(diào)查收集資料，包括電力企業(yè)內(nèi)部資料和外部資料，從眾多的資料中挑選出有用的一小部分，即把資料濃縮到最小量。挑選資料時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要直接、可靠并且是最新的資料。如果資料的收集和選擇得不好，會(huì)直接影響負(fù)荷預(yù)測(cè)的質(zhì)量。 
　　3.2　歷史資料的整理 
　　一般來(lái)說(shuō)，由于預(yù)測(cè)的質(zhì)量不會(huì)超過(guò)所用資料的質(zhì)量，所以要對(duì)所收集的與負(fù)荷有關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行審核和必要的加工整理，來(lái)保證資料的質(zhì)量，從而為保證預(yù)測(cè)質(zhì)量打下基礎(chǔ)，即要注意資料的完整無(wú)缺，數(shù)字準(zhǔn)確無(wú)誤，反映的都是正常狀態(tài)下的水平，資料中沒(méi)有異常的"分離項(xiàng)"，還要注意資料的補(bǔ)缺，并對(duì)不可靠的資料加以核實(shí)調(diào)整。 
　　3.3　對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)的預(yù)處理 
　　在經(jīng)過(guò)初步整理之后，還要對(duì)所用資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)處理，即對(duì)歷史資料中的異常值的平穩(wěn)化以及缺失數(shù)據(jù)的補(bǔ)遺，針對(duì)異常數(shù)據(jù)，主要采用水平處理、垂直處理方法。 
　　數(shù)據(jù)的水平處理即在進(jìn)行分析數(shù)據(jù)時(shí)，將前后兩個(gè)時(shí)間的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，設(shè)定待處理數(shù)據(jù)的最大變動(dòng)范圍，當(dāng)待處理數(shù)據(jù)超過(guò)這個(gè)范圍，就視為不良數(shù)據(jù)，采用平均值的方法平穩(wěn)其變化；數(shù)據(jù)的垂直處理即在負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)考慮其24h的小周期，即認(rèn)為不同日期的同一時(shí)刻的負(fù)荷應(yīng)該具有相似性，同時(shí)刻的負(fù)荷值應(yīng)維持在一定的范圍內(nèi)，對(duì)于超出范圍的不良數(shù)據(jù)修正，為待處理數(shù)據(jù)的最近幾天該時(shí)刻的負(fù)荷平均值。 
　　3.4　建立負(fù)荷預(yù)測(cè)模型 
　　負(fù)荷預(yù)測(cè)模型是統(tǒng)計(jì)資料軌跡的概括，預(yù)測(cè)模型是多種多樣的，因此，對(duì)于具體資料要選擇恰當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)模型，這是負(fù)荷預(yù)測(cè)過(guò)程中至關(guān)重要的一步。當(dāng)由于模型選擇不當(dāng)而造成預(yù)測(cè)誤差過(guò)大時(shí)，就需要改換模型，必要時(shí)，還可同時(shí)采用幾種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，以便對(duì)比、選擇。 
　　在選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)技術(shù)后，建立負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行預(yù)測(cè)工作。由于從已掌握的發(fā)展變化規(guī)律，并不能代表將來(lái)的變化規(guī)律，所以要對(duì)影響預(yù)測(cè)對(duì)象的新因素進(jìn)行分析，對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行恰當(dāng)?shù)男拚�后確定預(yù)測(cè)值。 
　　4　電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)介 
　　電力負(fù)荷預(yù)測(cè)分為經(jīng)典預(yù)測(cè)方法和現(xiàn)代預(yù)測(cè)方法。 
　　4.1　經(jīng)典預(yù)測(cè)方法 
　　4.1.1　指數(shù)平滑法 
　　該方法是常用的預(yù)測(cè)方法之一，指數(shù)平滑法的基本思想是加權(quán)平均，選取一組時(shí)間上有序的歷史數(shù)據(jù)，x1、x2、x3……xt，一次指數(shù)平滑預(yù)測(cè)的迭代公式為：
　　 
　　式中l(wèi)t+1—t+1時(shí)刻的負(fù)荷值 
　　　　n—所有數(shù)據(jù)記錄的個(gè)數(shù) 
　　對(duì)越近期的數(shù)據(jù)加權(quán)越大，這反映了近期數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)負(fù)荷影響更大這一實(shí)際情況，同時(shí)能通過(guò)平滑作用消除序列中的隨機(jī)波動(dòng)。 
　　4.1.2　趨勢(shì)外推法 
　　就是根據(jù)負(fù)荷的變化趨勢(shì)對(duì)未來(lái)負(fù)荷情況作出預(yù)測(cè)。電力負(fù)荷雖然具有隨機(jī)性和不確定性，但在一定條件下，仍存在著明顯的變化趨勢(shì)，例如農(nóng)業(yè)用電，在氣候條件變化較小的冬季，日用電量相對(duì)穩(wěn)定，表現(xiàn)為較平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。這種變化趨勢(shì)可為線性或非線性，周期性或非周期性等等。 
　　4.1.3　時(shí)間序列法 
　　時(shí)間序列法是一種最為常見(jiàn)的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，它是針對(duì)整個(gè)觀測(cè)序列呈現(xiàn)出的某種隨機(jī)過(guò)程的特性，去建立和估計(jì)產(chǎn)生實(shí)際序列的隨機(jī)過(guò)程的模型，然后用這些模型去進(jìn)行預(yù)測(cè)。它利用了電力負(fù)荷變動(dòng)的慣性特征和時(shí)間上的延續(xù)性，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)時(shí)間序列的分析處理，確定其基本特征和變化規(guī)律，預(yù)測(cè)未來(lái)負(fù)荷。 
　　時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法可分為確定型和隨機(jī)性?xún)深?lèi)，確定型時(shí)間序列作為模型殘差用于估計(jì)預(yù)測(cè)區(qū)間的大小。隨機(jī)型時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型可以看作一個(gè)線性濾波器。根據(jù)線性濾波器的特性，時(shí)間序列可劃為自回歸(ar)、動(dòng)平均(ma)、自回歸-動(dòng)平均(arma)、累計(jì)式自回歸-動(dòng)平均(arima)、傳遞函數(shù)(tf)幾類(lèi)模型，其負(fù)荷預(yù)測(cè)過(guò)程一般分為模型識(shí)別、模型參數(shù)估計(jì)、模型檢驗(yàn)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、精度檢驗(yàn)預(yù)測(cè)值修正5個(gè)階段。 
　　4.1.4　回歸分析法 
　　回歸分析法就是根據(jù)負(fù)荷過(guò)去的歷史資料，建立可以分析的數(shù)學(xué)模型，對(duì)未來(lái)的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析方法，通過(guò)對(duì)變量的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定變量之間的相互關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。 
　　4.2　現(xiàn)代負(fù)荷預(yù)測(cè)方法 
　　20世紀(jì)80年代后期，一些基于新興學(xué)科理論的現(xiàn)代預(yù)測(cè)方法逐漸得到了成功應(yīng)用。這其中主要有灰色數(shù)學(xué)理論、專(zhuān)家系統(tǒng)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊預(yù)測(cè)理論等。 
　　4.2.1　灰色數(shù)學(xué)理論 
　　灰色數(shù)學(xué)理論是把負(fù)荷序列看作一真實(shí)的系統(tǒng)輸出，它是眾多影響因子的綜合作用結(jié)果。這些眾多因子的未知性和不確定性，成為系統(tǒng)的灰色特性。灰色系統(tǒng)理論把負(fù)荷序列通過(guò)生成變換，使其變化為有規(guī)律的生成數(shù)列再建模，用于負(fù)荷預(yù)測(cè)。 
　　4.2.2　專(zhuān)家系統(tǒng)方法 
　　專(zhuān)家系統(tǒng)方法是對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)里存放的過(guò)去幾年的負(fù)荷數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)等進(jìn)行細(xì)致的分析，匯集有經(jīng)驗(yàn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)人員的知識(shí)，提取有關(guān)規(guī)則。借助專(zhuān)家系統(tǒng)，負(fù)荷預(yù)測(cè)人員能識(shí)別預(yù)測(cè)日所屬的類(lèi)型，考慮天氣因素對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響，按照一定的推理進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)。 
　　4.2.3　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論 
　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能，讓計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)包含在歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)中的映射關(guān)系，再利用這種映射關(guān)系預(yù)測(cè)未來(lái)負(fù)荷。由于該方法具有很強(qiáng)的魯棒性、記憶能力、非線性映射能力以及強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力，因此有很大的應(yīng)用市場(chǎng)，但其缺點(diǎn)是學(xué)習(xí)收斂速度慢，可能收斂到局部最小點(diǎn)；并且知識(shí)表達(dá)困難，難以充分利用調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)中存在的模糊知識(shí)。 
　　4.2.4　模糊負(fù)荷預(yù)測(cè) 
　　模糊負(fù)荷預(yù)測(cè)是近幾年比較熱門(mén)的研究方向。 
　　模糊控制是在所采用的控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)理論，使其進(jìn)行確定性的工作，對(duì)一些無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控過(guò)程進(jìn)行有效控制。模糊系統(tǒng)不管其是如何進(jìn)行計(jì)算的，從輸入輸出的角度講它是一個(gè)非線性函數(shù)。模糊系統(tǒng)對(duì)于任意一個(gè)非線性連續(xù)函數(shù)，就是找出一類(lèi)隸屬函數(shù)，一種推理規(guī)則，一個(gè)解模糊方法，使得設(shè)計(jì)出的模糊系統(tǒng)能夠任意逼近這個(gè)非線性函數(shù)。 
　　下面介紹模糊預(yù)測(cè)的一些基本方法。 
　　(1)表格查尋法： 
　　表格法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單明了的算法。這個(gè)方法的基本思想是從已知輸入--輸出數(shù)據(jù)對(duì)中產(chǎn)生模糊規(guī)則，形成一個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)，最終的模糊邏輯系統(tǒng)將從組合模糊規(guī)則庫(kù)中產(chǎn)生。 
　　這是一種簡(jiǎn)單易行的易于理解的算法，因?yàn)樗�是個(gè)順序生成過(guò)程，無(wú)需反復(fù)學(xué)習(xí)，因此，這個(gè)方法同樣具有模糊系統(tǒng)優(yōu)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)，即構(gòu)造起來(lái)既簡(jiǎn)單又快速。 
　　(2)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成的高木-關(guān)野模糊預(yù)測(cè)算法： 
　　它是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)求得條件部輸入變量的聯(lián)合隸屬函數(shù)。結(jié)論部的函數(shù)f(x)也可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均采用前向型的bp網(wǎng)絡(luò)。 
　　(3)改進(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的算法： 
　　模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即全局逼近器。模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)似乎有著天然的聯(lián)系，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在本質(zhì)上是模糊系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，就是將常規(guī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(如前向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))賦予模糊輸入信號(hào)和模糊權(quán)。 
　　對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)建模，已經(jīng)有了許多方法，并已取得良好的應(yīng)用效果。但主要缺點(diǎn)是模型精度不高，訓(xùn)練時(shí)間太長(zhǎng)。此種方法的模型物理意義明顯，精度高，收斂快，屬于改進(jìn)型算法。 
　　(4)反向傳播學(xué)習(xí)算法： 
　　模糊邏輯系統(tǒng)應(yīng)用主要在于它能夠作為非線性系統(tǒng)的模型，包括含有人工操作員的非線性系統(tǒng)的模型。因此，從函數(shù)逼近意義上考慮，研究模糊邏輯系統(tǒng)的非線性映射能力顯得非常重要。函數(shù)逼近就是模糊邏輯系統(tǒng)可以在任意精度上，一致逼近任何定義在一個(gè)致密集上的非線性函數(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于它有能夠系統(tǒng)而有效地利用語(yǔ)言信息的能力。萬(wàn)能逼近定理表明一定存在這樣一個(gè)可以在任意精度逼近任意給定函數(shù)的高斯型模糊邏輯系統(tǒng)。反向傳播bp學(xué)習(xí)算法用來(lái)確定高斯型模糊邏輯系統(tǒng)的參數(shù)，經(jīng)過(guò)辨識(shí)的模型能夠很好的逼近真實(shí)系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到提高預(yù)測(cè)精度的目的。 
　　5　結(jié)束語(yǔ) 
　　隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展，負(fù)荷預(yù)測(cè)的重要性日益顯現(xiàn)，并且對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法比較成熟，預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，但要進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度，就需要對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行一些改進(jìn)，同時(shí)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，理論研究的逐步深入，以灰色理論、專(zhuān)家系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)等為代表的新興交叉學(xué)科理論的出現(xiàn)，也為負(fù)荷預(yù)測(cè)的飛速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。相信負(fù)荷預(yù)測(cè)的理論會(huì)越來(lái)越成熟，預(yù)測(cè)的精度越來(lái)越高。