擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法的應(yīng)用

擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法的應(yīng)用
1引言
短期負(fù)荷猜測，負(fù)荷猜測是電力市場運(yùn)營中不可少的計(jì)算。短期負(fù)荷猜測，負(fù)荷猜測結(jié)果正確與否，對系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性有很大影響。
對于任何負(fù)荷猜測系統(tǒng)，要進(jìn)步猜測的正確度，需要具備兩個(gè)條件：第一，良好的猜測基礎(chǔ)；第二，充足的參考信息。在電力領(lǐng)域，對于常規(guī)的短期負(fù)荷猜測系統(tǒng)，這兩個(gè)條件體現(xiàn)為：首先，給負(fù)荷猜測系統(tǒng)提供充足的、完整而且正確的歷史數(shù)據(jù)樣本；其次，電阻測試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表在猜測過程中充分的引進(jìn)最新的負(fù)荷相關(guān)信息（包括負(fù)荷信息，負(fù)荷敏感因素的變化信息等。下同）�；�于當(dāng)前實(shí)際情況，需要解決的題目是：
（1）修正歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)中的壞數(shù)據(jù)；
（2）充分應(yīng)用猜測當(dāng)日已知的最新負(fù)荷信息參與越日的負(fù)荷猜測。
擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測的原理是[2]：在已知當(dāng)日部分負(fù)荷的條件下，引進(jìn)最新獲得的負(fù)荷相關(guān)信息，猜測當(dāng)日未知的多點(diǎn)負(fù)荷。它主要應(yīng)用于電力市場環(huán)境下調(diào)整當(dāng)日負(fù)荷計(jì)劃。該方法為解決短期負(fù)荷猜測的上述兩個(gè)題目提供了非常理想的實(shí)現(xiàn)方案，應(yīng)用效果非常明顯。
2擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法
擴(kuò)展短期猜測的基本思想是[3]：利用猜測時(shí)刻（例如11:00）以前的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，用幾種不同的方法做預(yù)猜測，可以猜測該時(shí)刻以前的系統(tǒng)負(fù)荷，根據(jù)各方法的猜測精度確定這些方法在綜合模型中的權(quán)重[3,4]；利用這一權(quán)重，使用昨天及以前的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，廣州市駿凱電子科技有限公司做今天猜測時(shí)刻后的全日未知負(fù)荷的猜測。由于利用了猜測時(shí)刻以前的最新的負(fù)荷信息，因此，用這種方法大大進(jìn)步了負(fù)荷猜測的精度。
擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法的關(guān)鍵是：以當(dāng)日已經(jīng)發(fā)生的負(fù)荷的變化模式作為全日未知負(fù)荷變化規(guī)律的參考，在此基礎(chǔ)上猜測出未知的負(fù)荷值。其隱含的原理是：對于同一日，在一天內(nèi)的天氣等負(fù)荷敏感因素不發(fā)生突變的情況下，其全日負(fù)荷的變化模式不會發(fā)生突變。
下面用這個(gè)方法解決限制短期負(fù)荷猜測正確度進(jìn)步的兩個(gè)題目。
3應(yīng)用1：修正歷史負(fù)荷壞數(shù)據(jù)
3.1概述
歷史實(shí)況負(fù)荷數(shù)據(jù)是負(fù)荷猜測系統(tǒng)（尤其短期負(fù)荷猜測系統(tǒng)）建立算法模型的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響負(fù)荷猜測正確度。歷史負(fù)荷中的壞數(shù)據(jù)需要處理。
傳統(tǒng)的短期負(fù)荷猜測方法一般憑靠人工經(jīng)驗(yàn)完成這些壞數(shù)據(jù)的修正，或采用簡單的辨識、平滑方式處理壞數(shù)據(jù)，這些方式均有很大的局限性，其效果也不理想。
采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法對歷史壞數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修正（補(bǔ)足），具有簡單有效、適應(yīng)性好、正確度高的特點(diǎn)。
3.2應(yīng)用背景
負(fù)荷猜測應(yīng)用中的歷史負(fù)荷壞數(shù)占有兩類。一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）采集設(shè)備或傳輸設(shè)備質(zhì)量不高，造成一些瞬時(shí)丟失的壞負(fù)荷數(shù)據(jù)點(diǎn)（稱為通道壞數(shù)據(jù)）；二是電力系統(tǒng)中，一些人為或非人為的突發(fā)事件（如重大事件、電網(wǎng)故障、停電檢驗(yàn)、大用戶不規(guī)律用電等）影響用電負(fù)荷，造成持續(xù)時(shí)間較長的畸變負(fù)荷數(shù)據(jù)點(diǎn)（稱為畸變壞數(shù)據(jù)），這是不可預(yù)見的負(fù)荷變化。廣州市駿凱電子科技有限公司圖1給出了這兩種壞數(shù)據(jù)的特征示例。這些壞數(shù)據(jù)點(diǎn)（包括通道壞數(shù)據(jù)、畸變壞數(shù)據(jù)，）若不作處理，直接作為數(shù)據(jù)樣本參與猜測，必然降低負(fù)荷猜測的正確度。
對于圖1左下方所示的瞬時(shí)通道壞數(shù)據(jù)點(diǎn)，傳統(tǒng)的負(fù)荷猜測系統(tǒng)處理的方法是：參考該點(diǎn)前后負(fù)荷點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用線性插值法或者3階或多階平滑法的方式完成該壞數(shù)據(jù)點(diǎn)的修正，其修正正確度通�？梢越邮�。然而，對于圖中右上方持續(xù)時(shí)間較長的畸變壞數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的修正方式則難以達(dá)到理想的修正效果。相反，采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法對壞數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修正卻簡單、實(shí)用、高效。
3.3實(shí)現(xiàn)方案
采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法對壞數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修正的原理是：辨識出歷史日中的正常數(shù)據(jù)點(diǎn)和可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)；以正常數(shù)據(jù)點(diǎn)為已知條件，采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法完成對可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)的猜測，用猜測結(jié)果修正這些可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)。其修正步驟如下：
（1）辨識可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)
壞數(shù)據(jù)點(diǎn)往往具有數(shù)值突變的特征。通過這個(gè)特征可以辨識出歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)中的可疑壞數(shù)據(jù)點(diǎn)（簡稱可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)）。實(shí)現(xiàn)辨識的方案并不唯一，筆者采用的方案為負(fù)荷數(shù)據(jù)突變辨識。
首先，對于某日負(fù)荷數(shù)據(jù)中的某點(diǎn)（第i點(diǎn)），計(jì)算它與其前面最近1個(gè)正常負(fù)荷數(shù)據(jù)點(diǎn)（第j點(diǎn)，參考點(diǎn)）的負(fù)荷變化率。

然后，統(tǒng)計(jì)歷史上各日的這兩時(shí)刻點(diǎn)間的負(fù)荷變化率（在概率意義上[5]）的正常范圍。對比待檢測日的這兩點(diǎn)的負(fù)荷變化率是否在該正常范圍，以認(rèn)定該點(diǎn)是否為可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)。
對于不同的電力系統(tǒng)，其負(fù)荷數(shù)據(jù)中存在的正常的隨機(jī)變化量幅度不同，通過進(jìn)步或降低判定標(biāo)準(zhǔn)，即可收緊或放寬對可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)的認(rèn)定。任何一種可疑數(shù)據(jù)判定機(jī)制都可能造成一定的誤差（誤判或漏判），但是，在采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測進(jìn)行壞數(shù)據(jù)修正時(shí)，由于依據(jù)的是有規(guī)律的猜測結(jié)果完成修正，所以所認(rèn)定的可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)多幾個(gè)點(diǎn)或少幾個(gè)點(diǎn)并不會對修正結(jié)果造成太大的影響。這正是這種修正方案獨(dú)特的上風(fēng)所在。
（2）修正可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)
修正歷史數(shù)據(jù)中的可疑數(shù)據(jù)是短期負(fù)荷猜測系統(tǒng)的要點(diǎn)和難點(diǎn)之一。正確的修正可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)要比辨識它難得多。因此，傳統(tǒng)的負(fù)荷猜測系統(tǒng)無法很好地處理壞數(shù)據(jù)修正題目，只能依靠猜測職員的人工經(jīng)驗(yàn)來解決。采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方案進(jìn)行壞數(shù)據(jù)修正則可代替人工修正方式，減少猜測職員的工作量，同時(shí)減少由于人工修正帶來的人的主觀因素影響。
負(fù)荷壞數(shù)據(jù)修正方案如下（以逐日采樣96點(diǎn)為例）：
首先，對某日負(fù)荷數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行逐一的辨識，記其正常負(fù)荷數(shù)據(jù)點(diǎn)的矢量為Xr=(xr1,xr2,…，xrm)，不正常數(shù)據(jù)點(diǎn)（即：可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)）的矢量為Xe=(xe1,xe2,…,xen)，m n=96。這里的下標(biāo)r1,r2,…,rm和e1,e2,…,en并不一定連續(xù)。
然后，依據(jù)前述的擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測實(shí)現(xiàn)方案，在已知Xr條件下，可以獲得Xe的估計(jì)值，采用估計(jì)結(jié)果替換原值Xe，即完成該日壞數(shù)據(jù)修正。
為了確保歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)曲線平滑，廣州市駿凱電子科技有限公司可以在修正后的可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)與其前后2點(diǎn)數(shù)據(jù)間作平滑處理，這樣得到的修正效果更好。
統(tǒng)計(jì)表明，實(shí)際電力系統(tǒng)中逐日壞數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)一般不超過10點(diǎn)，即：n<10，正常數(shù)據(jù)點(diǎn)m≥86。則上述修正方案相當(dāng)于，在以已知的（多于）86點(diǎn)數(shù)據(jù)為優(yōu)化目標(biāo)的情況下，對該日96點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測，統(tǒng)計(jì)表明，這樣條件下的猜測正確度高達(dá)98.42以上�？梢�，修正效果非常理想。
3.4應(yīng)用實(shí)例
采用上述歷史壞數(shù)據(jù)修正方案對我國某電力系統(tǒng)2002年1月11日歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬修正：在該日正常負(fù)荷數(shù)據(jù)（圖2中的虛線）基礎(chǔ)上，人為地模擬制造一些壞數(shù)據(jù)，包括通道壞數(shù)據(jù)及畸變壞數(shù)據(jù)，如圖2中的實(shí)線，以此模擬實(shí)際電力系統(tǒng)中的帶有壞數(shù)據(jù)的“實(shí)際負(fù)荷曲線”。然后，對這些壞數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，觀察其修正效果。
從圖2可見，該日的“實(shí)際負(fù)荷曲線”基本上失往了正常負(fù)荷數(shù)據(jù)具有的特征，即便一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的猜測職員也不可能正確地修正出正常的負(fù)荷數(shù)據(jù)。然而，采用上述擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方案進(jìn)行修正，其結(jié)果如圖2中的短劃線所示，它與正常負(fù)荷曲線非常貼近。
分別將修正后的猜測結(jié)果和“實(shí)際負(fù)荷曲線”與正常負(fù)荷曲線相對比，所得結(jié)果列于表1。從表1可知，采用上述壞數(shù)據(jù)修正方案對負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，將日負(fù)荷誤差均方差從9.32降低到0.77。該結(jié)果表明，采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測進(jìn)行歷史負(fù)荷壞數(shù)據(jù)的修正相當(dāng)有效。
該方案具備如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）算法簡單，正確度高，修正效果明顯；
（2）對畸變壞數(shù)占有很好的修正效果；
（3）對可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)的辨識要求不嚴(yán)。
實(shí)際應(yīng)用中，由于錯(cuò)判或漏判幾個(gè)壞數(shù)據(jù)點(diǎn)對修正結(jié)果無太大影響，因此，該方案尤其適用于正常負(fù)荷曲線比較平滑，而系統(tǒng)突發(fā)事件又比較頻繁的電力系統(tǒng)。
4應(yīng)用2：補(bǔ)足當(dāng)日未知多點(diǎn)負(fù)荷值
4.1概述
短期負(fù)荷猜測主要應(yīng)用于提前一天完成用電計(jì)劃的制定。傳統(tǒng)的負(fù)荷猜測系統(tǒng)往往只是依靠昨日以前的歷史數(shù)據(jù)樣本，及相關(guān)的負(fù)荷影響因素?cái)?shù)據(jù)，完成明日用電計(jì)劃負(fù)荷的猜測。這種猜測方案沒有利用最新的、含信息量非常豐富確當(dāng)日的已知負(fù)荷信息（及負(fù)荷相關(guān)信息），使得猜測正確度難以進(jìn)一步進(jìn)步。
如何利用最新獲得確當(dāng)日的負(fù)荷信息參與明日的用電猜測，是進(jìn)步短期負(fù)荷猜測的猜測精度的關(guān)鍵之一。采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測對當(dāng)日未知的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬補(bǔ)足，并利用這些數(shù)據(jù)和當(dāng)日已發(fā)生的負(fù)荷數(shù)據(jù)一起作為已知數(shù)據(jù)參與猜測，可以進(jìn)步第二日負(fù)荷的猜測精度。其應(yīng)用背景及實(shí)現(xiàn)方法如下所述。
4.2應(yīng)用背景
目前，國內(nèi)適用的短期負(fù)荷猜測系統(tǒng)盡大多數(shù)采用的是綜合模型猜測方案[4]。該方案的實(shí)現(xiàn)原理是：尋找出與猜測日各種影響因素相似的歷史日期（即相似日）；采用不同的猜測算法對其進(jìn)行虛擬猜測；比較該日實(shí)際歷史負(fù)荷與虛擬猜測結(jié)果的擬合正確度以確定各種算法的權(quán)重分配；應(yīng)用所得到的各算法的權(quán)重做第2日負(fù)荷猜測。
在這樣的猜測機(jī)制下，有一個(gè)矛盾需要解決，即在對尋找到的相似日（歷史日）進(jìn)行虛擬猜測時(shí)，該日前1日的負(fù)荷已經(jīng)知道，而且參與了對相似日負(fù)荷結(jié)果的猜測；然而，采用同樣的算法對猜測日（明日）進(jìn)行猜測時(shí)，其前一日（當(dāng)日）的負(fù)荷不全，例如。只有11時(shí)之前的負(fù)荷數(shù)據(jù)，缺少11時(shí)之后到24:00這段時(shí)間的負(fù)荷。因此，只能取昨天的負(fù)荷做猜測，影響猜測精度。廣州市駿凱電子科技有限公司為此，必須盡可能正確的補(bǔ)足這些缺失負(fù)荷，并用它們參與猜測。采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測實(shí)現(xiàn)對當(dāng)日負(fù)荷數(shù)據(jù)的補(bǔ)足是一個(gè)有效、公道的方案。
4.3實(shí)現(xiàn)方案
該方案原理是：以當(dāng)日及以前已知的實(shí)況信息（包括負(fù)荷信息、氣象信息）為已知條件，采用擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測對當(dāng)日未知負(fù)荷點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行猜測，并用猜測結(jié)果作為這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)的公道估計(jì)值，從而“彌補(bǔ)”上當(dāng)日缺失的負(fù)荷值。
假設(shè)當(dāng)日已知的前m點(diǎn)負(fù)荷值矢量為：Xr=(x1,x2,…,xm)T，未知的后96-m點(diǎn)負(fù)荷值矢量為：Xe=(xm 1,xm 2,…,x96)T。
參照前述擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測實(shí)現(xiàn)方案，以Xr為已知條件，確定綜合模型參數(shù)，再用昨日負(fù)荷猜測本日負(fù)荷，可以得到Xe的公道估計(jì)值。采用“補(bǔ)足”當(dāng)日缺失的Xe的負(fù)荷數(shù)據(jù)，即可虛擬的得到當(dāng)日全日的負(fù)荷數(shù)據(jù)。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在已知當(dāng)日1/3以上的負(fù)荷數(shù)據(jù)（比如已知該日0:00~11:00的負(fù)荷數(shù)據(jù)）的基礎(chǔ)上，對當(dāng)日進(jìn)行擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測，統(tǒng)計(jì)14:00后均勻猜測正確度可達(dá)96.08[2]；且全年半數(shù)以上的日期的擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測正確度在98以上，因此，用該結(jié)果作為虛擬實(shí)況負(fù)荷補(bǔ)足當(dāng)日負(fù)荷，參與明日的短期負(fù)荷猜測，可以進(jìn)步猜測精度。
4.4應(yīng)用效果
對國內(nèi)某電力系統(tǒng)利用近幾年的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行猜測，按上述方案補(bǔ)足當(dāng)日負(fù)荷數(shù)據(jù)，并應(yīng)用它參與越日的短期負(fù)荷猜測，與傳統(tǒng)的短期負(fù)荷猜測方法相比，其猜測正確度可進(jìn)步約2。而且，由于擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測充分應(yīng)用了當(dāng)日最新的負(fù)荷信息和氣象信息，對日負(fù)荷變化跟蹤迅速，因此，它尤其適用于負(fù)荷變化幅度大、日負(fù)荷影響因素多的電力系統(tǒng)。
5結(jié)論
要進(jìn)步短期負(fù)荷猜測的正確度，需要確保猜測系統(tǒng)積累有足夠的、正確的歷史參考樣本信息，并盡可能的利用最新的負(fù)荷（相關(guān)）信息。擴(kuò)展短期負(fù)荷猜測方法為這兩種需求提供了理想的實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)際應(yīng)用表明，該方法對進(jìn)步短期負(fù)荷猜測正確度的作用是明顯的。