（企业管理专业论文）地市级短期电力负荷预测及特性分析系统的研究与开发.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 短期负荷预测是电力系统调度的一个重要组成部分，是电力市场交易的主要数据 源，尤其是短期负荷预测己经成为电网控制、分析和优化的基本工具之一，因此，提 高短期负荷预测的精度己成为当务之急。我国现阶段短期电力负荷预测的理论和方法 已经比较成熟，不过并未真正实现计算机化，即使开发出的一些程序和软件，也是比 较简单化的，因此开发出一套针对地市级短期电力负荷预测及其特性分析的系统，以 便满足全国地市级供电企业这种特殊的需求具有很重要的研究意义。本文在阐述电力 负荷预测理论的基础上，研究了短期电力负荷预测的模型和方法，论述了短期电力负 荷预测系统的系统分析和系统设计，开发完成了一个相对完整的短期电力负荷预测系 统。 关键词：短期电力负荷，负荷预测，系统开发，系统设计 a b s 。i r a c l s h o r t - t e r mp o w e rl o a df o r e c a s t i n gi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ep o w e ro fs c h e d u l i n g s y s t e m ，a n di ti st h em a i ns o l u c co ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e tt r a n s a c t i o n s d a t a s h o r t - t e r mp o w e r l o a df o r e c a s t i n gh a sb e c o m eo n eo f t h eb a s i ct o o l sf o rt h eg r i dc o n t r o la n a l y s i s a n do p t i m i z a t i o n h e n c e , i th a sb e c o m ei m p e r a t i v et oi m p r o v et h es h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t i n ga c c u r a c y t h e p r e s e n tt h e o r ya n dm e t h o do fs h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t i n gi no u rc o u n t r yh a sa l r e a d yb e e r i r e l a t i v e l ym a t u r e ，h o w e v e r , i t ss t i l lal i t t l ed i f f i c u rt oi m p l e m e n tt h e mb yc o m p u t e rp r o g r a m t h ep r o c e d u r ea n ds o f h v a r et h a th a v eb e e nd e v e l o p e dm i g h tb er a t h e rs i m p l e t h e r e f o r e i t so f g r e a tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c et od e v e l o pap r o v i n c i a l l e v e ls h o r t - t e r mp o w e rl o a df o r e c a s t i n ga n d a n a l y z i n gs y s t e m ，i no r d e rt om e e tt h en e e d so f n a t i o n w i d ep o w e rs u p p l yc o m p a n y b a s e d0 1 1t h e t h e o r yo fp o w e rl o a df o r e c a s t i n gt h i sp a p e rs t u d i e dt h em o d a la n dm e t h o da b o u ts h o r t - t e r m p o w e rl o a df o r e c a s t i n g , e l a b o r a t e dt h es y s t e m i ca n a l y s ta n ds y s t e m i cd e s i g no ft h es h o r t - t e r m p o w e rl o a df o r e c a s t i n gm e t h o d s a tl a s td e v e l o pas h o r t - t e r mp o w e r l o a df o r e c a s t i n gs y s t e m d o n gx i a n g ( e n t e r p r i s em a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i c h e n g k e yw o r d s ：s h o r t - t e r mp o w e rl o a d ，l o a df o r e c a s t i n g ，s y s t e ma n a l y z i n g ，s y s t e m d e s i g n i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文地市级短期电力负荷预测及特性分 析系统的研究与开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：董趁j 日期：翌翌：竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：耋弛 e t 期：迎：塑 翩躲，盖l 料导师签名： 堑l 蝌 e t 期：强司。b ，= i 矽 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本论文的研究背景 第一章引言 电力负荷预测是电力市场的重要组成部分，实质是对电力市场需求的预测，它 主要是指在考虑系统运行特性、自然条件、社会条件和地区经济状况等重要因素影 响的条件下，利用历史负荷值经过一系列的数学计算，在满足一定精度和速度的情 况下，决定未来某特定时刻的负荷。 长期以来，负荷预测在实际生产运行中并没有得到应有的重视。近几年，随着 电力市场化的发展，负荷预测问题越来越得到人们的关注，目前在包括电力市场关 键技术、电网规划在内的许多项目中，都是针对电力负荷预测、市场需求预测等来 研究的。可见，如何充分利用现有的数据资料，建立正确的预测理论和方法，建立 相应的预测模型，提高预测速度和精度，以满足电力市场对负荷预测的要求，已成 为电力系统不容忽视的研究课题。 短期负荷预测技术经过几十年的发展，随着数学统计理论和人工智能技术的相 继引入，人们对电力系统短期负荷预测进行了广泛而深入的研究，提出了各种各样 的预测方法，现有的预测方法多达十几种，其中较为典型的方法有多元线性回归法、 指数平滑法、人工神经网络法、专家系统法、模糊推理法、灰色模型法等。预测的 方法越多，预测人员的选择余地就越大，预测的结果也越准确，但这些预测方法均 有各自的优缺点，各种预测方法考虑的侧重点各不相同，每一种预测方法都代表了 一种发展规律，而不同地区的负荷的发展规律相异，针对不同的地区和应用，预测 方法的选择和组合也不同”1 。 随着国家经济的发展，电力企业走向市场的形势，对电力负荷预测也提出了新 的要求，如何使预测手段及预测结果满足市场经济化的电力发展，这为预测人员提 出了新课题。因此，为了适应电网管理现代化、科学化的要求，必须深入研究新形 势下负荷预测的理论与方法，必须开发功能齐全、预测精度高、可靠性好、运行速 度快、人机界面友好、操作方便的负荷预测软件，使计算机技术在电力系统负荷预 测中发挥重要作用o ， 某市供电公司在为了准确把握本市负荷变化发展趋势以及逐步建立负荷特性调 研常态机制这样的情况下，以往仅凭经验的负荷预测与实际数据相差较大，已经不 能满足实际需要，所以急需运用科学的方法与计算机相结合，以便能对负荷进行较 为准确的预测。 l 华北电力大学硕士学位论文 本论文以某市实际负荷数据为研究对象，针对客户的实际需要和电力行业发展 的需要，研究并开发了一套功能较完善的基于地区级的短期电力负荷预测系统 1 2 本论文的研究意义 随着电力的商品化和市场化，电力负荷预测的准确性对电力系统安全、经济运 行和国民经济发展具有重要的意义预测负荷不足，可能会导致用电紧张、用电质 量和系统安全性下降，需要由费用高的峰值机组来补偿负荷不足或者从相邻电网买 入较高价的电量，相反，预测负荷过量，则可能导致过多的旋转各用，使得运行费 用增加，造成投资浪费和资金效益低下“1 。 短期负荷预测最主要的应用是为发电计划程序提供数据，用来确定最经济的满 足安全要求、运行约束，以及自然的、环境的和设备限制的运行方案，它是电网经 济运行和安全控制中必不可少的基础，对电网运行的安全性、可靠性和经济性起着 重要作用。总体来讲，短期负荷预测的重要意义可以归纳为： ( 1 ) 短期负荷预测是电力系统优化调度的基础工具，是电力企业日常经营管 理工作的重要组成部分。准确的短期负荷预测是电网调度机构制定发供电计划和做 好电网供需平衡的关键，它有助于系统运行人员高效地预估电能的生产、输送、分 配以及消费情况，制定出经济、合理的发电方案。 ( 2 ) 短期负荷预测对实时电价制定的影响。实时电价即动态电价，是电力市 场的重要表现，也是电力市场的杠杆和核心内容，它会直接决定供电企业和发电厂 的经济效益，只有在参考短期负荷预测的基础上，才能制定出适宜的实时电价，取 得市场竞争的主动权，而不是消极地、被动地接受，这样才能保证企业i 电力市场 健康地发展。 ( 3 ) 短期负荷预测对广大用户的影响。实时电价是建立在负荷预测的基础上， 每日不同的时段对应不同的电价，所以用户从用电价格考虑，特别是大、中用户， 总是希望尽可能地了解负荷高峰和低谷出现的时间，以便合理安排用电情况，而且 用户可以相应地对电价做出响应，选择低电价时段用电，从而减少电费支出，达到 降低生产成本、提高经济效益的目的。 ( 4 ) 短期负荷预测对转运业务的影响。提供转运业务既是电力市场中电网的 项基本功能，又是电力市场平等竞争的必要条件，可以给电网带来巨大的效益， 而电网在执行转运业务时是根据短期负荷预测的数据及各发电机的运行参数来制 定发电计划和调度计划，所以准确的短期负荷预测才能有效地促进供、运、用电三 方的协调。 ( 5 ) 短期负荷预测对合同电量分配的影响。由于在初级发电市场，所有电量 2 华北电力大学硕士学位论文 统一进行竞价，只在电费结算时考虑合同电量，按照差价合约结算，由于电费结算 按时段进行，需将合同电量按负荷预测曲线分配至各时段，在最后是按短期负荷预 测曲线将日合同电量分到各时段，所以不准确的短期负荷预测将导致违约，甚至引 起电量分配的不合理，造成电量不足等问题。 ( 6 ) 短期负荷预测对系统充裕性评估的影响。系统充裕性评估由电力调度中 心负责，主要内容是分析和预测中、短期系统供需平衡和系统安全情况，及时向市 场公布，使市场成员尤其是发电公司能够提前了解市场一周乃至一年的负荷预测、 发电计划、用电计划、检修计划及电网安全约束条件等，在此基础上，进行投资和 发电报价的决策，从而减少发电公司生产的盲目性。 综上所述，随着我国社会主义市场经济的不断完善，电力企业逐步走向市场， 电力系统的经营方式从垄断转变为市场竞争将成为必然，短期负荷预测是电力市场 的基础工作，随着电力市场改革的深入开展，其作用日益重要 1 3 国内外的研究现状 国内在9 0 年代以前也有关于负荷预测的研究，但是大都侧重电力需求的中长 期预测，主要是用于电力规划。随着我国社会主义市场经济的不断完善，电力企业 逐步走向市场，电力系统的经营方式从垄断转变为市场竞争将成为必然，而且短期 负荷预测是电力市场的基础工作，随着电力市场改革的深入开展，其作用日益重要， 国内的学者也从9 0 年代中期开始纷纷展开对短期负荷预测领域的研究“1 。 朱向阳在电力系统短期负荷预测及其应用系统中，针对短期负荷预测的特 点，将人工神经网络模型引入到短期负荷预测，提出了基于资源分配网络的预测模 型，该模型应用于电力系统负荷预测领域，并选用面向对象的可视化的c + + b u i l d e r 开发出运行程序”1 。 刘凯在基于改进b p 神经网络的短期负荷预测研究中，从电力负荷与负荷 预测特性研究入手，分析负荷组成与分类以及负荷的周期性变化规律，通过对徐州 市历史负荷数据的分析，应用改进的b p 神经网络，应用m a t l a b6 5 软件，利用其 神经网络工具箱编程实现了短期负荷预测”1 。 贺媛嫒在基于支持向量机的电力系统短期负荷预测模型研究中，在云南电 网机组检修、运行优化项目的基础上，以云南电网总网的平均负荷为研究对象，研 究了基于支持向量机预测方法的短期负荷预测模型，最终设计出一个简单的运行程 序。 赵敏在基于模糊神经网络的短期负荷预测系统地研究及实现中，通过对电 力系统负荷特性的分析，开发了一个基于模糊神经网络的短期负荷预测系统软件， 华北电力大学硕士学位论文 不过该软件在处理历史数据上存在一定的缺陷叫。 张国华在基于神经网络的短期负荷预测中，通过对吉林省和沈阳地区的历 史负荷数据分析，结合神经网络的预测算法，建立了相应的短期负荷预测模型，并 在此基础上，利用面向对象的编程方法实现短期负荷预测程序“”。 陈明在基于短期网络服务的电网短期负荷预测系统研究中，通过分析影响 电力负荷的各种重要因素，构建了一个三层结构的b p 网络，并用历史负荷数据进 行训练，进行了电力系统的短期负荷预测，预测结果的精度相对传统方法有了一定 程度的提高，证明了人工神经网络在电力短期负荷预测领域的有效性，并在建立了 基于人工神经网络的电力短期负荷预测模型之后，以面向对象的分析与设计方法为 指导，采用j a v a 语言开发了一个简单的神经网络负荷预测系统原型“”。 国外对于短期负荷预测的研究开展较早，美国华盛顿大学的d c p a r k 等人最 早将神经网络应用于短期负荷的预测，并且得到了神经网络负荷预测模型比传统预 测模型预测精度高的结论，但是d c p a r k 的模型中没有考虑到日类型、节日等其 他因素，部分预测结果误差较大“幻 在应用上。国外的电力企业大都使用特定的负荷预测软件包。近年来，这些软 件包更是将神经网络方法纳入其中，如美国的r e g i o n a le c o n o m i cr e s e a r c h ， i n c ( 简称r e r ) 开发的软件包m e t r i x n d 综合了神经网络方法、时间序列及指数平滑 技术等。而国内仍处于试验阶段，实际应用较少，相关的专门针对地市级供电企业 的软件也比较少n 町。 总的来说，我国现阶段短期电力负荷预测的理论和方法已经比较成熟，不过并 为真正的实现计算机化，即使开发出的一些程序和软件，也是比较简单化的，主要 存在三方面的不足：( 1 ) 很少有人使用专门的开发软件的语言开发短期电力负荷预 测系统软件；( 2 ) 即使开发出了软件，通常是针对某一特定方法而开发的，并为建 立真正的模型库；( 3 ) 对历史数据的处理存在缺陷；( 4 ) 大部分软件并为把天气因 素在负荷预测系统中得到实现。因此我们开发出一套针对地市级短期电力负荷预测 及其特性分析的系统，以便满足全国地市级供电企业这种特殊的需求。 1 4 本论文的主要工作 本文的具体工作主要分为两部分：短期电力负荷预测的理论研究和短期电力负 荷预测系统软件的开发。 短期电力负荷预测的理论研究中较为详细地介绍了短期负荷预测的概念、特 点、原理和影响负荷预测的因素，其中重点介绍了几种短期负荷预测的方法和模型： 指数平滑法、回归预测法、灰色系统理论、人工神经网络、专家系统法、组合优选 4 华北电力大学硕士学位论文 法等，并将他们应用于短期电力负荷预测系统软件中 短期负荷预测系统软件的开发是本文的重点部分，系统的开发过程按如下步骤 进行： ( 1 ) 系统分析针对用户的具体要求对系统进行详细的需求分析和可行性分 析 ( 2 ) 原始数据搜集。收集的数据主要包括历史负荷数据和历史电量数据，历 史负荷数据从s c a d a 系统导出，历史电量数据从e m s 系统导出。 ( 3 ) 数据的整理和录入。收集到的数据难免有错误和缺漏，需对收集到的数 据进行整理和校核，首先根据一定原则对负荷数据进行处理，剔除或更正错误数据， 对缺漏的数据进行弥补。 ( 4 ) 短期负荷预测建模。对获取的历史数据进行分折，比较各预测方法的适 用性，依据各方法的特点进行建模，建立系统的模型库。 ( 5 ) 系统总体设计。根据用户的要求和系统分析的结果，按照不同的功能将 系统分为不同的功能模块，并考虑各个模块之间的联系，设计出全局变量、公用函 数等。 ( 6 ) 数据库设计。根据系统的数据流程、总体结构以及各个功能模块，同时 考虑数据闻的联系及程序对数据的存储特点，进行合理细致的数据库规划设计，设 计出运行效率高、操作方便的数据库结构。 ( 7 ) 系统的详细设计。编写代码，分别完成各个功能模块的详细设计。 ( 8 ) 系统测试。进行本地调试和联机调试，同时进一步完善系统的功能和各 方面的性能。 ( 9 ) 编写文档，交付使用。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力负荷预测的理论基础 2 1 电力负荷的概念、分类和特性 2 1 1 电力负荷的概念和分类 电力负荷是指各用电单位或用电设备使用电力和电量的具体数量，也可以说， 负荷是指发电厂、供电地区或电网在某一瞬间所承担的供电量。对用户来说，用电 负荷是指连接在电网的用户所有用电设备在某一瞬间所消耗的功率之和。 把负荷分类是为了说明国民经济各部门用电情况和变化规律，它是反映电气化 的发展水平和趋势的指标，用于分析研究经济增长与电力生产增长、社会产品增长 与电力消耗量增长的相互关系，是负荷预测和电力分配的依据。电力系统负荷一般 可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及其他负荷等，不同类 型的负荷具有不同的特点和规律“”。 ( 1 ) 城市民用负荷主要是城市居民的家用负荷，具体包括居民家中的空调、 微波炉、电冰箱、电视、电炉以及其它的家用电器设备等。它具有明显的年增长与 季节性波动特点，而且民用负荷的特点还与居民的日常生活和工作的规律紧密相 关，各种电器设备的广泛使用，使得民用负荷占整个电力系统负荷的比例越来越大。 而其季节性变化的特点在大多数情况下，将直接影响系统峰值负荷的季节性变化， 而其影响程度则取决于城市居民负荷在系统总负荷中所占的比例。 ( 2 ) 商业负荷主要是指从事商业经营或围绕商业的其它的一些服务行业，如 餐饮、娱乐部门等提供照明、动力、通风和空调等用电负荷。它的特点是用电增长 平稳，具有季节性和易受天气变化的影啊。商业负荷在电力系统负荷中所占的比例 是远远不及民用负荷和工业负荷，但是必须注意在电力系统每天晚高峰负荷中商业 负荷的影响也是相当大的。另外，在节假e l 时，其他用电负荷基本上处于较低水平， 而商业负荷却正是处于最高用电阶段，所以商业负荷在节假日必须引起充分重视。 ( 3 ) 工业负荷是指工业企业用于工业生产的用电，在我国国民经济结构中， 除个别地区外，工业负荷的比重在用电构成中居于首位。一方面由于工业负荷本身 基础很大，另一方面由于三班连续生产，因此这类负荷变动较小。相对来说，工业 负荷占总负荷比重较大，且一般可视为受气候影响较小的负荷，但这并不是说它一 点也不受气候的影响，例如高温季节，工业负荷也将含有为降温和防暑所必须消耗 6 华北电力大学硕士学位论文 的电能 ( 4 ) 农村负荷则是指农村居民生活用电和从事农业生产相关的用电，在用电 构成中，农业用电所占的比重不大此类负荷与工业负荷相比，受地理、气候、季 节等自然条件的影响很大，这是由于农业生产的特点所决定的我国地域广阔，由 于地理位置的原因，各地降雨季节有较大差异，天气干燥、降水少的地方，农业生 产用电较多，而气候适宜、降水较多的地方相对来说，农业用电则较少此外，农 业的农村电气化水平和经济发展程度也决定用电量的大小。 ( 5 ) 其他负荷则是包括市政用电，公用事业、政府办公、交通运输、通信信 号、军事用途等，此类负荷所占比重较小，虽然也都有各自的不同特点，但对整个 系统负荷影响不大。 2 1 2 电力负荷的内在规律 电力系统的负荷是经常变化的，但它的变化是有规律的：如在一天之内，电力 负荷曲线呈现出有规律的波动；在一周之内，周一到周五，负荷有其相似性，而每 周的周六或周天，又各自有它内在的规律；在一年之内，负荷又随着天气的不同， 遵循一定的规则变化着。电力负荷的内在规律主要包括两点，及周期性和连续性“”。 ( 1 ) 周期性 电力系统负荷的变化是有规律的，其规律性主要体现在负荷变化的周期性，究 其原因，人类的生产、生活具有规律性，而人是消费电能的主体，因此负荷变化也 具有规律性，这种周期性是负荷的一种内在规律，具体而言，在一定的时间内，负 荷的变化具有重复性。该周期性进一步细分为，负荷变化的年周期性、周周期性和 日周期性“”。 负荷变化的年周期性是指以一年为周期的负荷变化中体现出的规律，这种周期 性与季节关系极大，由于人们的生产、生活与季节直接相关，季节不同，决定了人 们生产和生活方式的不同。在冬季，由于气温较低，人们的室内活动较多，室外活 动较少，从而取暖负荷明显高于其它季节；而夏季，由于温度较高，人们的室内活 动较少，室外活动相对冬季明显增多，因此从全年来看，负荷相对于冬季明显减少； 春秋季负荷的特性介于冬夏之间，负荷的变化特性不是很明显。 负荷变化的周周期性是指以从七天为一周期的负荷变化中体现出来的规律性。 这种周期性分为两种负荷交化类型的规律：一类是从周一到周五的工作日日期类型 的负荷变化特点；另一类是周六和周日的周末日期类型的负荷变化特点。工作日e t 期类型的负荷的变化具有相同的规律，周末e l 期类型的负荷的变化规律具有相似 性，这一特点与人们的日常生产、生活习惯紧密相连的一般工作日期间，负荷的 主要组成为工业负荷，这些工业负荷在工作e l 期间通常处于稳定的运转之中，因此 7 华北电力大学硕士学位论文 工作日的负荷变化具有相似性；而周末期间，工业负荷所占比重大幅度下降，而居 民生活用电、餐饮业等服务性的行业所占比重明显上升，因此周末日期类型的负荷 具有相似性，但周末类型负荷明显较工作日类型负荷低负荷变化的周周期性是分 析、掌握典型日负荷预测和日负荷预测的关键，也是进行典型日负荷预测和日负荷 预测的基础。 负荷变化的日周期性是指以一天二十四小时为周期的负荷变化所体现出的规 律性。在实际系统中，通常根据负荷变化规律的不同将每日内的负荷又分为峰荷、 谷荷、腰荷三个时段的负荷，从本质上说，在这三个时段负荷的组成是不同的，因 此，它们的变化规律不同。在低谷期间，对应的时间是在夜间，在这个时间段中， 大多数人都处于休息的状态，负荷组成主要是那些必须运行的不间断的负荷，它们 长期运行，组成了负荷的基础部分，是一天负荷的较低部分；在峰荷期问，对应的 时间是在白天，人们的活动较多，负荷的种类也体现出多样性，作为总体负荷其幅 值也明显高于其它时段的负荷；而在腰荷期间，负荷变化处于过渡过程中，负荷的 组成正发生变化，因此这个阶段的负荷处于一种上升状态或处于一种下降状态。负 荷变化的日周期性是分析掌握日负荷预测、超短期负荷预测的关键，也是进行日负 荷预测、超短期负荷预测的依据和基础“”。 正是因为负荷具有周期性这样的可以为人们所利用的内在规律，所以才使负荷 预测成为一种可能，它为人们进行负荷预测提供了依据。 ( 2 ) 连续性 电力负荷不但具有周期性，而且具有一定的连续性，即电力负荷的变化是连续 的，一般不会出现大的跃变，这是指在负荷曲线上任意相邻两点之间的变化是连续 的，不存在奇点。从电力系统的稳定性要求可以找出负荷的连续性的原因，为了保 证系统稳定运行，必须避免对系统造成大的冲击，无论是增加或是切除负荷时都要 求负荷的变化大小在一定的范围之内，因此，负荷总量就表现为一个连续变化的过 程，负荷曲线一般不会出现大的跃变“”。 2 1 3 电力负荷的外在特性 负荷的外在特性是指负荷在外部社会、经济、政治、气象等因素的影响下所呈 现出来的特性，这些因素对负荷变化规律的影响是不相同的，这就是负荷变化的随 机性。但是外在因素对负荷的影响并不都是无章可循的，其中，随外在因素影响具 有规律性的波动，称之为负荷变化的外在特性。电力负荷的外在特性主要有四个部 分：温度对负荷的影响、降雨量对负荷的影响、节假日对负荷的影响、分时电价对 负荷的影响。 ( 1 ) 温度对负荷特性的影晌 华北电力大学硕士学位论文 温度是影响负荷的主要因素之一，宏观的体现在负荷的季节性变动，微观的则 具体体现在相邻几日内温度变动时，相应的负荷也出现相应的变化因此，研究日 负荷随温度的变化情况，是掌握负荷与温度关系的重要途径n 叮。 当前很多负荷预测模型都将温度作为负荷影响因素之一考虑到负荷预测模型 中，而且通过验证的都是考虑了温度影响的模型预测效果较好。一般温度与当天的 负荷有着直接关系，不会影响第二天的负荷，所以一般都将温度作为负荷模型的一 个重要因素。在对历史数据的分析中，发现温度对负荷的影响通常若当天的温度较 前一天有较大差异的话，负荷便会随之出现较大的波动，特别是对当日峰值负荷的 影响较大。 温度影响的另一体现在季节不同，负荷的特性也不同，温度对负荷的影响效应 也不同。冬季的负荷与温度的变化呈相反趋势变化，这是因为供热负荷是冬季的波 动负荷的主要组成成份，而供热负荷的变化与温度成相反趋势变化：夏季日负荷与 温度具有相同的变化趋势，这种相同的变化趋势是因为夏季的波动负荷主要由制冷 负荷组成，这部份负荷与温度呈现相同的变化趋势；春季日负荷与温度的关系较为 复杂，春季是冬季向夏季的过渡阶段，温度随着时间的移动而升高，负荷的组成成 份从由供热负荷为主，逐步转为以制冷负荷为主；秋季正好与春季的日负荷与温度 的关系相反，处于夏季向冬季的过渡阶段3 。 ( 2 ) 降雨量对负荷特性的影响 在众多影响因素中，除了温度对负荷的影响大之外，降雨量对负荷的变化也起 着不可忽视的作用。长期以来，由于降雨量与负荷关系的复杂性，使得人们难以针 对降雨量对负荷的影响程度进行详尽的定量的分析。其中，有一点就需要特别注意， 存在降雨的情况下，温度与降雨对负荷的影响是并存的。例如，降温可以使民用负 荷等呈现下降的变化趋势，而降雨也能使负荷出现相同的变化。那么，对于此时的 负荷的下降的相应，温度与降雨哪一个是主要影响因素，这一点将影响到负荷预测 模型的建立。根据经验，我们可以得到这样的降雨对负荷的影响信息：如果当天一 直下小雨的话，那么负荷不会出现波动；若出现较大降雨，则负荷会陡降，原因一 部分在于下雨时刻降温负荷会下降；另外，如果处于灌溉季节，农业灌溉的负荷会 减小，这一部分负荷在整个农业范围内来讲是占了较大的比例的，所以对电力负荷 的影响较强烈，一般这种影响会持续影响往后两三天的负荷，影响的程度与降雨量 大小有关“” ( 3 ) 节假日对负荷特性的影响 国家法定节假日( 元旦、春节、五一和国庆) 期间的负荷与平时的负荷相比，由 于工业负荷减少，商业负荷的明显增加，负荷出现不同于工作日和正常休息日的特 点，但总体来讲负荷是明显降低了 节假日负荷的变化规律和正常工作日情况显著不同，受干扰因素众多“五一” 9 华北电力大学硕士学位论文 和“十一”因为在春秋季节，受温度影响相对较小，这些在预测时需要建立独立的 预测模型。“元旦”和“春节”由于处于温度较为敏感的冬季，在一些地区，温度 的突然降低会导致采暖设备的开启，从而造成负荷增加，因此天气是需要考虑的重 要因素m 1 ( 4 ) 分时电价对负荷特性的影响 电价也是影响负荷的一个主要因素，随着电力市场化的不断深入，我国实施了 电价体制改革，国家推出了“分时电价”的政策，负荷变化在短期内也会对电价进 行响应，用户将会将用电计划安排在电价较低的时段，这不但对本时段负荷的影响， 也会影响其它时段负荷，起到转移峰荷的作用矧。 电价对负荷特性的影响包括电价水平的影响和电价结构的影响两个方面。电价 水平影响设计因素较为复杂，如经济发展水平、全社会物价上涨指数、各类用户对 电价的承受能力等等，从电价水平和负荷特性指标的数量关系看，目前我国有呈正 相关，也有里负相关的，没有明显的规律性；从电价结构对负荷特性的影响看，主 要在峰谷电价方面，峰谷电价的执行，一方面抑止高峰负荷的增长，同时起到较明 显的拉高负荷率的作用“” 2 1 4 负荷特性指标 随着我国电力市场的发展和电力技术水平的不断提高，负荷特性分析作为电力 市场分析的一项基础工作，对于电力企业的经营和规划发展越来越重要，需要大力 加强。对电力系统的负荷进行预测，首先就要对负荷的特性深入分析，把握负荷特 性变化的规律和发展趋势是合理进行负荷预测的前提和基础，对提高负荷预测的精 度有至关重要的意义，尤其是对精度要求较高的短期负荷预测汹1 关于负荷特性的指标一共有三十多个，为了把握负荷特性的变化规律和发展趋 势，根据用户的要求和负荷预测的需要，我们设立了如下一些负荷特性指标： ( 1 ) 典型日指标 每年的4 月、7 月、1 2 月第三周第三个工作日的二十四个整点的用电负荷及其 对应的最大负荷、最小负荷、峰谷差和平均负荷。 ( 2 ) 季、月不均衡系数指标 年平均月负荷率a ：又称月不均衡系数，一年内1 2 个月各月平均负荷之和与各 月最大负荷日平均负荷之和的比值，即： 1 2 1 2 o r = 蹬l 班 ( 2 一1 ) 扣l i - i 季负荷率p ：又称季不均衡系数，一年内1 2 个月各月最大负荷日之和的平均值 l o 华北电力大学硕士学位论文 与年最大负荷的比值，即： 1 2 户= 只2 1 2 p 眦 ( 2 2 ) i - i ( 3 ) 最大负荷与最小负荷指标 根据用户的要求，我们设立了如下一些关于最大负荷与最小负荷的指标；m a x 最大负荷，a v e 最大负荷，m i i l 最小负荷，a v e 最小负荷 m a x 最大负荷是指每月内，每日二十四个整点负荷值中最高负荷的最大值：a v e 最大负荷是指每月内，每日二十四个整点负荷值中最高负荷的平均值；m i n 最小负 荷是指每月内，每日二十四个整点负荷值中最低负荷的最小值；a v e 最小负荷是指 每月内，每日二十四个整点负荷值中最低负荷的平均值。 ( 4 ) 日负荷率t 与日最小负荷率p 指标 根据用户的要求，我们设立了如下一些关于丫与p 的指标：_ r 最大值，丫平均值， 丫最小值，p 最大值，p 平均值，p 最小值。 _ r 最大值是指每月内，每日二十四个整点值中平均值与最大值比值的最大值；t 平均值是指每月内，每日二十四个整点值中平均值与最大值比值的平均值；t 最小 值是指每月内，每日二十四个整点值中平均值与最大值比值的最小值；b 最大值是 指每月内，每日二十四个整点值中最小值与最大值比值的最大值；b 平均值是指每 月内，每日二十四个整点值中最小值与最大值比值的平均值；b 最小值是指每月内， 每日二十四个整点值中最小值与最大值比值的最小值。 ( 5 ) 峰谷差指标 根据用户的要求，我们设立了如下一些关于峰谷差的指标：峰谷差最大值，峰 谷差平均值，峰谷差最小值 峰谷差最大值是指每月内，每日最大负荷与最小负荷差值的最大值；峰谷差平 均值是指每月内，每日最大负荷与最小负荷差值的平均值；峰谷差最小值是指每月 内，每日最大负荷与最小负荷差值的最小值。 ( 6 ) 月电量、月平均负荷、月平均负荷率指标 月电量是指该地区每月内总的用电量；月平均负荷是指该地区每月内每日平均 负荷的平均值；月平均负荷率是指月平均负荷与m a x 最大负荷的比值。 2 2 负荷预测的概念、分类和特点 2 2 1 负荷预测的概念和分类 电力系统负荷预测是在充分考虑一些重要的系统运行特性、增容决策、自然条 华北电力大学硕士学位论文 件及社会影响等条件下，并考虑天气状况等客观因素的影响，研究和应用一套系统 处理过去负荷与未来负荷的数学方法，利用负荷预铡软件，在满足一定精度要求的 前提下，根据历史数据确定未来某特定时刻的电力负荷值，并根据这些预测结果， 有针对性地采取技术措施啪1 电力系统负荷预测按预测周期可分为长期、中期、短期和超短期负荷预测，它 们各有不同的目的和要求 ( 1 ) 长期负荷预测一般是指对五至十年的系统负荷增长和变化进行预测，使 用对象是从事规划的工程技术人员其主要用于电源发展规划和网络发展规划，包 括能源利用、大容量电厂和变电站的建设，以及高一级电压等级的发展等。长期负 荷预测受到地区的社会经济、人口、气候等多因素影响，涉及不确定问题较多，难 度较大。 ( 2 ) 中期负荷预测一般是指对未来数月或一年的负荷情况进行预测，使用对 象是编制中长期运行计划的工程技术人员。中期负荷预测主要用于水库调度、机组 检修、交换计划和燃料计划，制订电力系统的扩建计划和安排制定长期运行方式， 对于燃料供应计划、机组维修计划、能量交易、发电厂税额估计等也是必需的。中 期负荷预测比短期负荷预测考虑的因素要多一些，特别是一些未来的因素及气候条 件1 。 ( 3 ) 短期负荷预测主要预测未来一天或一周内的负荷，使用对象是编制调度 计划的工程技术人员。主要用于火电分配、水火电协调、机组经济组合和交换功率 计划，制定系统的生产计划，安排系统的短期运行方式、进行经济调度以及离线安 全分析等短期负荷预测模型中主要考虑负荷的周期性变化规律及天气影响因素。 ( 4 ) 超短期负荷预测是指未来一个小时以内的负荷预测，使用对象是调度员。 主要用于电能质量控制、系统运行状态的实时监控、在线安全分析、控制和紧急状 态处理等在正常情况下一般不考虑气象条件的影响，因为天气因素中最主要的影 响因素温度己体现在负荷的历史数据中了，但是对于天气的突变和其他一些对负荷 影响的突发事件必须考虑在内”。 本文着重讨论短期负荷预测。 2 2 2 负荷预测的特点 电力系统负荷是由无数个用电个体的用电总和组成，通常每个个体的用电目的 和模式各有不同，而且具有随即性，然而在整体上系统负荷又表现出一定的规律性， 使得系统负荷的预测成为可能汹1 。 由于负荷预测是根据电力负荷的过去与现在来推测它的未来数值，所以这一工 作所研究的对象是不肯定事件，只有不确定事件、随机事件、才需要人们采用适当 华北电力大学硕士学位论文 的预测技术，推知负荷的发展趋势和可能达到的状况，这就使负荷预测具有以下特 点： ( 1 ) 预测结果不准确性。电力负荷的未来发展是不确定的，而且要受到各种 复杂因素的影响，并且各种影响因素也是变化的，如社会经济发展、人口增长、全 球气候变化、新技术发展、能源产业政策等，人们对于这些发展变化有些能够预先 估计，有些却很难事先预见到，加上一些临时情况发生变化的影响，同时，科学的 预测方法与理论的不断更新，将影响到预测精度，因此就决定了预测结果的不准确 性或不完全准确性。 ( 2 ) 预测的条件性。负荷预测的预测过程是一个由历史向未来递推的过程， 是在一定条件下做出的，对于条件而言，又可分为必然条件和假设条件两种。如果 负荷人员真正掌握了电力负荷的本质规律，那么预测条件就是必然条件，所做出的 预测往往是比较可靠的，然而在很多情况下，由于负荷未来发展的不确定性，所以 就需要一些假设条件。因此给预测结果加以一定的前提条件，更有利于用电部门的 使用口町。 ( 3 ) 预测结果的多方案性。由于负荷预测具有精度问题，并且由于预测的不 准确性和条件性，预测手段及理论数学模型必然会有多样性，有时要对负荷在各种 情况下可能的发展状况进行预测，这样就会得到各种条件下不同的负荷预测方案， 使预测的结果并非是唯一的。 ( 4 ) 预测的时间性。各种负荷预测都有一定的时间范围，因为负荷预测属于 科学预测的范畴，因此，要求有比较确切的数量概念，往往需要确切地指明预测的 时间。 ( 5 ) 负荷预测的地区效应。在不同负荷预测的范围内，负荷的构成比重不同， 因此影响负荷的因素有所不同。一般来说，大电网( 网、省级) 负荷变化有较强的统 计规律性，预测结果较准确，而地区级电网的预测精度则相对低一些n ”。 2 3 负荷预测的基本原理 电力市场负荷预测原理是电力市场负荷预测的认识论基础，它阐明了人们之所 以能够运用各种预测方法对未来电力市场负荷发展趋势做出估计的道理。由于负荷 预测具有不确定性、条件性、时间性、地区效应性、多方案性等特点，必须科学地 总结预测工作的基本原理，指导预测工作。目前已经总结出的原理有以下几个： ( 1 ) 可知性原理。这是指事物的发展变化有内在的规律，这些规律是可以为 人们所认识的，也就是说预测未来负荷的发展规律、发展趋势和状况是可以为人们 所知道的，人们不但可以认识它的过去和现在，而且可以通过总结它的过去和现在 华北电力大学硕士学位论文 来推测未来，这是人们进行预测活动的基本依据。 ( 2 ) 可能性原理。电力负荷未来的发展是不确定的，它收到多种复杂因素的 影响，而且各种影响因素也是发展变化的，人们对于这些发展变化有些能够预先估 计，有些却很难预见到，加上一些临时变化的影响，因此就决定了预测结果的不确 定性或不完全准确性 ( 3 ) 连续性原理。连续性原理又称为惯性原理，是指预测对象的发展是一个 连续统一的过程，其未来发展是这个过程的继续，它认为事物发展变化过程中会将 某些原有的特征保持下来，延续下去，这种惯性正是我们进行负荷预测的主要依据， 因此，了解事物的过去和现在，并掌握其变化规律就可以对其未来的发展情况利用 连续性原理进行预测o ”。 ( 4 ) 相似性原理。尽管客观世界中各种事物的发展各不相同，但一些事物发 展之间还是存在着相似之处，人们就利用这种相似性进行预测，在很多情况下，作 为预测对象的一个事物，其现在的发展过程和发展状况可能与另一事物过去一定阶 段的发展过程和发展状况相类似，人们就根据后一事物的己知发展过程和状况来预 测对象的未来发展过程和状况，这就是相似原理。 ( 5 ) 反馈性原理。反馈性原理就是利用输出返回到输入端，再调节输出结果， 预测的反馈性原理实际上是为了不断提高预测的准确性而进行的反馈调节。反馈预 测实质上就是将预测理论值与实际值相结合，在实践中检验，然后进行修改、调整， 使预测质量进一步提高。 ( 6 ) 系统性原理。这个原理认为对象是一个完整的系统，它本身有内在的系 统和外部的联系，这便又形成它的外在系统，这些系统综合成一个完整的总系统， 都要进行考虑，即预测对象的未来发展是系统整体的动态发展，整个系统的各个组 成部分密切相关，它们之间相互作用和相互影响o “。 2 4 小结 电力工业与一般的其它产业不同，其产品即电能无法大量储存，电力的生产和 消费必须在同一时间保持平衡，另外，由于我国市场经济的发展，电力需求量猛增， 在今后一个相当时期内会存在电力的供需矛盾，这一切使电力负荷预测工作尤显重 要，这就要求我们首先要对于电力负荷的特点有一定的了解，才能针对负荷的特性 采用恰当的预测方法，得到符合精度要求的预测负荷值，更好地为电力系统的调度 和运行提供依据。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章短期电力负荷预测的模型与方法 对于电力系统的短期负荷预测，由于影响负荷变化的因素的复杂性，使得建立 负荷预测模型时，不可能考虑所有的影响因素，各种预测方法所考虑的因素也各异。 因此进行负荷预测时，预测人员就必须依据影响因素的不同，选择相应的算法，甚 至运用多种不同的算法进行预测。下面介绍构成本文方法库的几种短期负荷预测方 法； 3 1 指数平滑法 指数平滑法是用过去数周的同类型日的相同时间的负荷组成一组时间上有序 的数组y ( t ) 、y ( t - 1 ) ，y ( t - 2 ) ，对该数组加权平均，最后得出待预测时段的负 荷值，迭代的公式如下： l | 十i = 戊r r + o 一口皿，i = c 匕t + 口( 1 一口工t l + 口( 1 一口) 上。k 2 + ( 3 - 1 ) 其中l 。为t + l 时刻的负荷值，口= 1 n ，n 为所有数据积累的个数。 指数平滑法的基本思想是加权平均，计算时应该加大新近数据的权系数，减小 陈旧数据的权系数，以体现过程的时变性，这反映了近期数据对未来负荷影响更大 这一实际情况，同时能通过平滑作用消除序列中的随机波动。 指数平滑发的特点是将电力需求作为一个整体，根据某个单一的指标进行预 测，方法虽然简单，但比较笼统，且很难反映现代经济、政治、气候等条件的影响。 该方法在传统的人工预测时应用较多1 。 3 2 回归预测法 回归预测是根据历史数据的变化规律以及一些影响负荷变化的外来因素，寻找 自变量与因变量之问的回归方程式，确定模型参数，据此推断将来时刻的负荷值。 它分为一元线性回归，多元线性回归，一元非线性回归和多元非线性回归。其基本 模型如下： y ( f ) = 6 b + 6 l x ( ，) + + 以爿j ( f ) + 口o ) ( 3 2 ) 式中y ( t ) 是t 时刻对应的预测负荷值，是非随机变量，x ( t ) 是自变量，是影 响系统负荷的各种因素，如社会经济、人1 3 、气候等，自变量是随机变量，b i ( i = 0 ， l ，2 - n ) 为回归方程中的回归系数，o ( t ) 是随机干扰项，服从正态分布n ( 0 ，o2 ) 华北电力大学硕士学位论文 回归预测法作为经典的预测方法，有着许多优点：方法简单，预测速度快，预 测精度