（技术经济及管理专业论文）基于粗集支持向量机的电力供需预警研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力供需预警研究首先要分析电力供需影响因素，在此基础上建立起一套能够 灵敏地反映电力供需状况的预警指标体系，同时根据上述指标采集我国不同时期的 历史数据；其次选择合适的数学方法、模型对预警指标进行测算；再次结合不同时 期我国电力供需状况，确定警情指标的警限值，并以此划分出不同的警度：最后根 据警限值将预测值转化为警度并进行预报。 本文运用基于粗集的属性归约方法对不同时期的历史数据进行预处理，并用支 持向量机预测模型对2 0 0 5 - 2 0 0 8 年电力供需警情指标进行测算，最后根据警度对电 力供需形势迸行预测。 关键词：电力供需，预警，粗集，属性归约，支持向量机 a b s t r a c t r e s e a r c ho np o w e rs u p p l y d e m a n de a r l yw a r n i n gi nc h i n a ，f i r s t l ya n a l y z et h e i n f l u e n c i n gf a c t o ro fp o w e rs u p p l y d e m a n d ，s e tu pa ne a r l yw a r n i n gi n d e xs y s t e m w h i c hc a nr e f l e c tt h es i t u a t i o no fp o w e rs u p p l y d e m a n ds e n s i t i v e l yb a s e do nt h e a n a l y s e ，a n d c o l l e c tt h eh i s t o r i c a ld a t ao fv a r i o u s p e r i o d s e c o n d ly ，s e l e c t a p p r o p r i a t em a t h e m e t i c sm o d e lt oc a l c u l a t et h e s ei n d i c e s t h i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h e s i t u a t i o no fp o w e rs u p p l y - d e m a n da tv a r i o u sp e r i o d si nc h i n a ，s e tl i m i t sf o rw a r n i n g s t a t u s ，a n dt h e nd e t e r m i n et h ed i f f e r e n tw a r n i n gd e g r e e f i n a l l y ，c h a n g et h ef o r e c a s t i n t ow a r n i n gd e g r e ea c c o r d i n gt ow a r n i n gl i m i t sp r e e s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e r ，a t t r i b u t er e d u c t i o nm e t h o db a s e do nr o u g hs e ti su s e dt op r e t r e a t t h eh i s t o r i c a ld a t ao fv a r i o u sp e r i o d ，a n dt h ef o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do ns u p p o r t v e c t o rm a c h i n ei su s e dt oc a l c u l a t et h ep o w e rs u p p l y - d e m a n di n d e xo fw a r n i n g s t a t u sf r o m 2 0 0 5t o2 0 0 8 ，t h e nf o r e c a s tt h es i t u a t i o no fp o w e rs u p p l y d e m a n d a c c o r d i n gt ow a r n i n gd e g r e e h u a n gc h e n f e n g ( t e c h n o l o g i c a le c o n o m i c s & m a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f y a n gs h u x i a k e yw o r d s ：p o w e rs u p p l y d e m a n d ，e a r l yw a r n i n g ，r o u g hs e t ，a t t r i b u t er e d u c t i o n ， s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e 华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力供需预警研究首先要分析电力供需影响因素，在此基础上建立起一套能够 灵敏地反映电力供需状况的预警指标体系，同时根据上述指标采集我国不同时期的 历史数据；其次选择合适的数学方法、模型对预警指标进行测算；再次结合不同时 期我国电力供需状况，确定警情指标的警限值，并以此划分出不同的警度：最后根 据警限值将预测值转化为警度并进行预报。 本文运用基于粗集的属性归约方法对不同时期的历史数据进行预处理，并用支 持向量机预测模型对2 0 0 5 - 2 0 0 8 年电力供需警情指标进行测算，最后根据警度对电 力供需形势迸行预测。 关键词：电力供需，预警，粗集，属性归约，支持向量机 a b s t r a c t r e s e a r c ho np o w e rs u p p l y d e m a n de a r l yw a r n i n gi nc h i n a ，f i r s t l ya n a l y z et h e i n f l u e n c i n gf a c t o ro fp o w e rs u p p l y d e m a n d ，s e tu pa ne a r l yw a r n i n gi n d e xs y s t e m w h i c hc a nr e f l e c tt h es i t u a t i o no fp o w e rs u p p l y d e m a n ds e n s i t i v e l yb a s e do nt h e a n a l y s e ，a n d c o l l e c tt h eh i s t o r i c a ld a t ao fv a r i o u s p e r i o d s e c o n d ly ，s e l e c t a p p r o p r i a t em a t h e m e t i c sm o d e lt oc a l c u l a t et h e s ei n d i c e s t h i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h e s i t u a t i o no fp o w e rs u p p l y - d e m a n da tv a r i o u sp e r i o d si nc h i n a ，s e tl i m i t sf o rw a r n i n g s t a t u s ，a n dt h e nd e t e r m i n et h ed i f f e r e n tw a r n i n gd e g r e e f i n a l l y ，c h a n g et h ef o r e c a s t i n t ow a r n i n gd e g r e ea c c o r d i n gt ow a r n i n gl i m i t sp r e e s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e r ，a t t r i b u t er e d u c t i o nm e t h o db a s e do nr o u g hs e ti su s e dt op r e t r e a t t h eh i s t o r i c a ld a t ao fv a r i o u sp e r i o d ，a n dt h ef o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do ns u p p o r t v e c t o rm a c h i n ei su s e dt oc a l c u l a t et h ep o w e rs u p p l y - d e m a n di n d e xo fw a r n i n g s t a t u sf r o m 2 0 0 5t o2 0 0 8 ，t h e nf o r e c a s tt h es i t u a t i o no fp o w e rs u p p l y d e m a n d a c c o r d i n gt ow a r n i n gd e g r e e h u a n gc h e n f e n g ( t e c h n o l o g i c a le c o n o m i c s & m a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f y a n gs h u x i a k e yw o r d s ：p o w e rs u p p l y d e m a n d ，e a r l yw a r n i n g ，r o u g hs e t ，a t t r i b u t er e d u c t i o n ， s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于粗集一支持向量机的电力供需预 警研究，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：塑丝 、 日期：型! 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：麴盈 日 期：乡一，；t o 导师签名：翌f 盏篮 日 期：西三：i ； 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文的选题背景及意义 1 1 1 选题背景 第一章引言 保证电力供需的长期均衡是中国电力工业可持续发展的重要前提。然而从1 9 9 7 年至2 0 0 4 年短短的几年间，我国电力供需平衡出现了一次大幅度的振荡”。1 ：1 9 9 7 年受亚洲金融危机和国家经济结构调整影响，我国全社会用电量增长缓慢、电力供 给开始出现富余，1 9 9 9 年，电力过剩了约1 0 ：2 0 0 2 年以来，在我国国民经济快速 增长的拉动下，电力需求增长强劲，电力供需矛盾突现，2 0 0 2 年，1 2 个省( 直辖市、 自治区) 的电网经历了小规模的电力短缺，在夏季用电高峰期以及冬季枯水期限制 或中断过电力供给；2 0 0 3 年，电力短缺愈加严重，1 9 个省( 直辖市、自治区) 的电网 出现了拉闸限电现象；2 0 0 4 年缺电范围进一步扩大到2 4 个省，全国电力缺口高达 3 5 0 0 万k w ，“电荒”波及范围广，使原来的局部性缺电变为全年性缺电、全国性缺 电。 高速增长的中国经济以及缺乏科学合理的电力建设规划，是造成目前中国电力 短缺的主要原因。电力短缺的政治和社会压力有可能造成电力投资的过度反应，从 而引发新一轮的电力过剩。当电力投资超过了资源和环境的承受能力，必然会带来 重要的原材料价格上涨与煤电油运的紧张，目前我国电煤的运输及价格波动已成为 影响电力供给的两大不稳定因素。电力消费与投资失衡，将会使投资失去最终需求 的支撑，电力的发展也将受到很大影响。电力过剩将造成资源闲置；而电力短缺， 则会给中国经济发展和人民生活带来严重的影响。 针对电力供给的紧张局面，国家有关部门加快了电力建设的步伐。2 0 0 3 年全国 电力项目投产、新开工和在建规模均创历史最高水平“1 。在2 0 0 1 、2 0 0 2 两年新开 工电站仅4 4 7 0 万千瓦的基础上，2 0 0 3 年达到3 1 1 l 万千瓦，2 0 0 4 年达到4 0 0 0 万千 瓦。2 0 0 4 年新投产装机容量4 9 0 0 万千瓦，同比增长9 ；到2 0 0 5 年底全国电力装 机总量将突破5 亿千瓦，到2 0 0 6 年底时，将达到5 8 亿千瓦，有望实现全国电力 供需基本平衡，并且有可能出现潜在的电力过剩。 这种大幅的电力供需平衡振荡将给中国电力工业和国民经济带来重大的经济 损失。因此进行电力供需预警的研究就显得十分必要。通过预测未来电力供需形势 并发布预警信号，将有助于发现影响电力工业发展的原因，及时纠正不完善的产业 发展政策并提出相应的调整措施，推动我国电力工业持续健康发展。 华北电力大学硕士学位论文 1 1 2 选题意义 国民经济建设与电力的开发利用息息相关。一方面，国民经济发展拉动电力需 求增长；另一方面，电力供需的波动变化，又会影响和制约国民经济的发展。电力 供需预警是以保障国民经济持续快速发展为出发点，研究社会主义市场经济体制下 的电力供给与需求的动态变化，及时监控、分析当前和未来电力供需形势与发展趋 势，并对电力的短缺程度和可能的失衡危害及时地发出警报的系统活动。进行电力 供需预警研究的理论和社会意义主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 现有的电力需求研究仅仅是对未来的电力需求进行测算，并不能很好的反 映未来的电力供需状况。而电力供需预警研究则是通过建立能够灵敏地反映电力供 需状况的预警指标体系，对供求之间的关系及变化趋势进行分析，能够更准确的预 测和判断未来的电力供需形势。因此电力供需预警研究是对电力需求预测理论的有 益补充。 ( 2 ) 进行电力供需预警研究对于政府主管部门科学地进行电力系统远景规划， 合理地配置资源、防止电力投资过热等方面都具有重要的指导意义。 ( 3 ) 通过电力供需预警研究，电力企业能够准确掌握电力市场供需状况及和 发展趋势，合理地安排电网运行方式和机组检修计划，有利于降低发电及运行成本， 有利于提高企业的经济效益和社会效益，同时对未来电力供需形势做出准确判断也 是电力企业经营和制定未来发展战略的基础。 ( 4 ) 对于其他行业来说，及时掌握未来电力供需形势有利于企业迅速调整生 产计划，尽可能地避免因电力短缺给企业带来的影响，减少企业的经济损失。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国内外预警理论研究综述 国外对经济监测预警的研究最早可以追溯到1 9 世纪末期”3 。1 8 8 8 年法国经济 学家福里利在巴黎统计学会上发表了社会和经济的气象研究，运用气象预报方 法来测定法国1 8 7 7 1 8 8 7 年的经济波动。二十世纪初，针对频繁发生的经济危机， 西方统计学界开始对建立景气指标系统进行研究，这一方面是经济发展的客观要 求，另一方面，也是由于各国大量经济统计资料的积累以及统计分析方法的进步。 经济统计学家大量地借鉴了数量统计分析等方法，显著地提高了处理大量经济统计 资料的效果。 宏观经济监测预警研究的重大进展是在战后5 0 年代取得的”1 “。1 9 5 0 年，美国 经济研究所的经济统计学家穆尔主持了在3 0 年代监测指标体系基础上进行新的景 气监测系统的建立工作，这个系统由先行、同步和滞后三类指标构成，以宏观经济 华北电力大学硕十学位论文 综合状况为测度对象，采用了新的多指标信息综合方法扩散指数( d i ) 。6 0 年 代美国商务部经济分析局的首席经济统计学家希斯金提出了合成指数法( c i ) ，用于 综合多指标信息监测预警。1 9 6 1 年，美国商务部正式将美国国家经济研究所景气监 测系统的输出信息在其刊物经济循环发展上逐月发表，以数据和图表两种形式 提供宏观景气动向的信号。至此，宏观经济监测预警已走向实际应用阶段。 八十年代中期，亚洲各国也分别开展了宏观经济监测预警研究“，同本经济研 究所于1 9 8 4 年进行了名为s e p i a 的科研项目，研究区域景气变动。该项目以亚洲 各国和地区景气循环的研究和预测为目的，其研究课题包括循环机制的研究、景气 的国际影响分析、景气指数编制的统计方法开发研究、设计和开发s e p i a 项目的计 算机软件等等。该研究较好地配合了宏观经济的管理与调控，使“预警系统”的概 念得以逐步完善。 我国对经济预警问题的研究始于2 0 世纪6 0 年代“3 。”。刘国光等关于社会主义 经济波浪式发展的分析是涉及这方面研究的一次率先尝试，但在相当长一段时间 内，并没有得到足够的重视。直到八十年代中期，尤其是当1 9 8 4 年国内出现投资 失控、消费膨胀等问题后，我国加快了对国民经济运行进行监控预警的研究。国家 级的研究最早是由国家经委委托吉林大学系统工程研究所进行，其研究的初步报告 是我国经济循环的测定和预测。1 9 8 7 年4 月国家科委中国科技促进发展研究中 心发表了我国宏观经济增长波动的动态分析与宏观调节问题探讨的报告。在九 十年代初期，由国家统计局主持建立了宏观经济监测与预警系统，至此之后，预警 研究更加深入，并涉及到具体的产业部门，如：中国社会科学院进行了“经济周期 与预警系统”研究；该院生态环境研究中心进行了“中国资源、生态环境预警研究”； 中国人民大学进行了“中国工农业经济预警”研究等等，均取得了较大的成绩。 1 2 2 电力供需预警研究现状 一 目| j 针对电力供需进行的研究大多是从电力需求函数、电力需求与负荷预测、 电力与经济增长之间的关系、电力需求周期波动等角度展开“8 3 “，而对于电力供 需预警研究尚未见成熟的理论和方法。 但是对电力供需进行监测预警已引起了国家有关部门、电力企业的高度重视。 中国电力企业联合会和国电动力经济研究中心每年、季都会发布全国及各地区的电 力供需监测预警分析报告，对电力供给能力、电力需求情况、负荷水平、电力电量 跨省( 网) 交易、电力技术经济指标等相关内容的变化趋势进行分析和预测。国家 电网公司于2 0 0 2 年针对局部地区或高峰时段电力供给短缺的现象组织设计了全国 及重点地区电力供需形势监测预警系统，并运用该系统对电力供需和负荷变化情况 进行监测。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 论文研究的主要内容 本论文借鉴经济脏测预警分析的基本原理和方法，充分考虑我国电力行业的具 体情况和特点，建立起一套较为完善的电力供需预警研究的体系和方法。本文的研 究是基于现有的资源环境能够满足电力生产的条件下进行的，对于电煤等原材料价 格及供应对电力供给产生的冲击由于目前在数据采集及分析等方面存在较大的困 难，在本文中暂不考虑其对电力供需预警的影响。 论文从体系上共分为六章。第一章简要地分析了本选题的背景及意义，并对国 内外预警研究的现状进行综述；第二章首先介绍了电力供需预警研究的理论基础， 然后分析了电力供需预警的功能，并对已有的电力供需预测算法进行了对比分析； 第三章首先提出了建立预警指标体系的基本原则，其次建立了电力供需预警的警情 指标，并对影响警情指标的因素进行了分析，最后将我国电力供需形势划分为五种 警度，并根据我国历年的统计数据及电力供需形势确定了各自的警限值；第四章首 先运用粗集方法对电力供需预警指标进行筛选，然后运用支持向量机模型对电力供 需预测进行建模，并对粗集理论和支持向量机的原理进行了简要论述；第五章首先 简要分析了2 0 0 5 年上半年我国电力供需形势，然后根据我国近2 0 年的统计资料， 运用基于粗集一支持向量机模型对未来几年的电力供需形势进行了预测，并通过设 定的警限值将其转换为警度，对未来的电力供需形势进行预报。第六章对本文所得 结论进行总结，并分析了下一步进行电力供需预警研究的内容。 1 4 论文采用的主要方法和创新之处 本论文借鉴经济预警理论的研究成果，根据历年的统计数据及对应的供需状况 确定电力供需预警的警限值，运用粗集和支持向量机方法对未来电力供需形势进行 预测，并将预测结果转换为警度。所运用的方法能够较为精确地预测未来电力需求， 从而为准确预报未来的电力供需形势提供依据。论文的创新之处主要体现在以下几 个方面： ( 1 ) 通过对历史数据的分析，建立了包括警情指标选择、影响因素分析和筛 选、警度划分、警限值确定、电力供需预测和电力供需形势预报的较为完善的电力 供需预警体系，这是本文的贡献之一。 ( 2 ) 运用粗集属性归约方法对电力供需预警指标数据进行了筛选，消除了冗 余信息的影响，并由此揭示出影响电力供需的最主要因素。 ( 3 ) 提出了基于支持向量机的预测模型对我国未来的电力供需进行预测，并 与b p 神经网络方法的预测结果进行对比，证明该模型能够提高预测的精度。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力供需预警的基本理论体系 电力供需预警是以保障国民经济和电力工业的持续健康发展、提高电力企业的 经济效益为基本出发点，根据我国的具体情况和特点，借鉴国内外各类监测预警方 法，通过及时采集重点地区、重点行业具有典型性和代表性的信息，采用系统、科 学、定量化的方法研究在市场经济体制下我国电力供给与需求的动态变化，及时监 测、分析当前和未来的电力供需形势与发展趋势，并对供求失衡的程度及供求失衡 可能带来的危害及时发出警报的系统活动。 电力供需预警从广义上讲是一种预测分析，但它与以往所进行的电力需求预测 又有所不同。预测与预警相比，预测侧重于方法的确定；而预警侧重予在分析问题 的基础上建立指标体系，通过指标体系来反映各种关系与联系。预测立足于当前的 认识，把未来发展趋势一次性刻画清楚，但是随着社会经济、电力供需形势的变化， 预测所做的未来规模、结构、速度、效益的评价必然会发生变化，因而也就失去了 参考意义。而电力供需预警研究的立足点是“监控”，研究随着供需形势的变化， 通过各类结构与参数的变化及波动分析，完成监测功能，达到预报的目的，及时、 准确地提供决策依据。 2 1 电力供需预警研究的理论基础 进行电力供需预警研究的基本理论依据主要有：电力需求周期波动理论、可持 续发展理论、相关性理论、系统性原理等“”“1 。本论文研究的出发点是建立在电力 资源的稀缺性和资源优化配置原理之上的。 2 1 1 电力需求周期波动原理 电力需求周期波动是指电力需求周期性扩张与收缩的波动现象，电力需求在其 发展过程中客观存在着周期波动的现象。经济系统是随时间不断变化的复杂时变系 统，其发展过程中经济增长的周期性波动现象普遍存在，即增长趋势与周期性波动 始终紧密伴随，互相依存。而电力经济是一种依附经济，电力需求与国民经济发展 紧密联系，研究证明在g d p 与电力需求之间存在着显著且稳定的正相关关系n ”3 ”， 因此进行电力供需预警研究不能避开电力需求周期波动现象。 2 1 2 可持续发展理论 可持续发展的基本特征主要有：一是以经济增长为前提，不仅重视增长的数量， 更追求质量和效益的提高：二是以保护自然为基础，使人类的发展与资源及环境的 华北电力大学硕士学位论文 承载力相协调；三是以提高人类的生活质量为目的。电力可持续发展应重视与生态 环境、经济发展和社会进步的关系，这四者相互依存，相互促进，形成“电力、生态、 经济、社会”的良性循环与和谐发展。电力供需预警研究必须以电力的可持续发展 作为前提。 2 1 3 相关性理论 电力的开发利用受国民经济发展、产业结构调整、国家经济和能源政策、电力 及替代能源价格、人口、气候等诸多因素的影响。电力供需预警研究实质上就是电 力需求与上述影响因素的关系分析。国民经济的发展被认为是电力需求最重要的影 响因素，因此在进行电力供需预警研究时需要进行电力需求与经济发展之间的动态 仿真，同时要对其它影响因素进行模拟分析，从而在电力发展与各影响要素因果分 析的基础上，进行电力需求预测，以便更好地进行电力资源的开发和利用。 2 1 4 系统性原理 电力系统本身就是一个完整的系统，有其自身的特点，同时它与外部环境的联 系又形成了它的外在系统，这些系统形成个完整的总系统，在进行电力供需预警 研究时应综合进行考虑。电力供需形势的变化是系统整体的动态发展，而且系统动 态发展与它的各个组成部分和影响因素之间的相互影响密切相关。系统性原理强调 系统整体最优，因此电力供需预警不仅要提供高质量的预警信号，还要在资源优化 配置的基础上提出最优的解决方案。 2 2 电力供需预警的功能 电力供需预警作为一个完整的体系具有的重要功能主要体现在以下四个方面 参照功能、纠偏功能、动态管理功能和超前调控功能。”1 。 2 2 1 参照功能 电力供需预警是通过建立一套能够灵敏地反映电力供需状况的指标体系及预 先设定的警限值进行运作。指标体系的建立使我们在研究电力供需形势、判断行业 发展状况、预测未来趋势时有个统一的参照系。同时通过指标体系的量化将有助 于正确分析我国电力工业的发展轨迹，并预测其发展态势。参照系不同，人们就会 对我国电力行业的现状和未来做出不同的判断：而有了统一的参照系，人们对电力 供需形势的认识会更加统一，对未来发展趋势的预测也会更加准确，制定的政策措 施才能更加有效。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 纠偏功能 电力供需预警是以我国电力工业发展过程中曾经出现、现在已有或将来可能出 现的问题作为研究对象。电力供需预警通过及时发布电力供需预警信号，分析电力 行业发展波动的原因，帮助人们尽早地发现问题，同时针对电力警情，及时纠正原 来不完善的产业发展政策并提出相应的调整措施，解决现实出现的问题，使我国电 力工业持续健康发展。 2 2 3 动态管理功能 电力供需预警是对电力工业的发展进行动态管理的过程，其指标体系应随着宏 观经济环境和行业发展的变化而不断调整。当电力行业的内外部环境发生变化时， 影响行业发展的因素可能会发生变更，有的可能不再是影响行业发展的因素，或者 影响作用已经减弱；有的转变成行业发展的决定性因素。影响因素发生变化则衡量 的指标也要相应调整，设定的临界值也要重新界定。电力供需预警就是通过对及时 调整后的预警指标的监测预报来实现对电力工业的动态管理。 2 2 4 超前调控功能 电力供需预警通过对预警指标异常变化的分析来帮助人们及早发现问题，并把 问题解决在萌芽状态，以减少不必要的损失。电力供需预警强调的是面向未来的控 制，即通过情况的观察、信息的获得、规律的掌握、趋势的分析，预测未来电力供 需状况及可能出现的问题，并在其发展偏离正常轨道之前就进行“微调”，从而实 现对电力行业发展的超前调控。 2 3 电力供需预测算法分析 一个完整的电力供需预警过程包括采集并分析对电力供需产生影响的地区及 行业信息，运用科学的预测方法对未来供需形势进行预测，并根据预先设定的预警 警限对未来的供需形势发出预警信号。其中，预测算法是整个电力供需预警过程的 核心，而且预测结果的精度将对预警结果产生重要影响。目前使用的预测算法主要 有：回归分析法、时间序列分析法、灰色预测模型、专家系统法、模糊预测法、人 工神经网络模型、支持向量机模型等 “2 + “ 。 2 3 1 回归分析法 回归预测是根据历史数据的变化规律，寻找自变量与因变量之间的回归方程 式，确定模型参数，据此做出预测“3 2 ”。按自变量的个数可将回归问题分为一元和 多元回归；按照回归方程的类型可分为线性回归和非线性回归。回归分析法将预测 华北电力大学硕十学位论文 对象的影响因素进行分解，通过考察各因素的变化情况，从而估计预测对象未来的 数量状态，技术比较成熟，预测过程简单。但是回归模型误差较大，外推特性差， 当影响因素错综复杂或相关因素数据资料无法得到时，即使增加计算量和复杂程 度，也无法修正回归模型的误差。 2 3 2 时间序列分析法 时问序列分析法是将电量或负荷数据当作一个随时间变化的序列进行处理，通 过寻找历史数据序列中的变化模式，并将该模式外推到未来进行预测。时间序列分 析法包括自回归( a r ) 模型、移动平均( m a ) 模型、自回归移动平均( a r m a ) 模型等模型“4 。2 ”2 ”。一般来说，若负荷环境和社会因素不发生突变，利用时间序列 方法能得到良好的效果，若这些因素发生突变，时间序列法的预测结果将受到一定 的影响。 2 3 3 灰色预测模型 灰色预测方法是一种不严格的系统方法。“2 ，它避开系统结构分析环节，直接通 过对原始数据的累加构建指数增长模型，寻找系统的整体规律。灰色预测由原始数 据生成指数型序列建模，所需样本数较少，而其它模型往往需要大量的样本数据。 同时它采用微分方程模型，能够描述内部变化的本质。当历史数据列呈严格指数规 律增长时，此方法具有预测精度高、所需样本少、计算简便且便于检验等优点。然 而实际数据列不一定严格按指数规律增长，对于具有波动性交化的电力负荷，其预 测精度往往不能令人满意，适用范围受到很大限制。 2 3 4 专家系统法 基于专家系统的负荷预测是采用启发推理的方法，对经验丰富的负荷预测专家 的知识和方法进行提取，用于特殊事件下的负荷预测，从而形成一种可用于多种复 杂因素干扰下的电力系统负荷预测方法“3 ”1 。但是，这种专家系统的专家经验的全 面获取是极其困难的，而且，运算速度不够快成为其在线应用的一大障碍。但专家 系统是对人类的不可量化的经验进行转化的一种较好的方法，若能将它与其他方法 有机地结合起来，构成预测系统，将可得到满意的结果。 2 3 5 模糊预测法 电力系统中存在着大量的模糊信息“，如负荷预测中的关键因素气象状况的评 判、负荷的日期类型的划分等信息，都是模糊的。常规方法就是采用统计和经验相 结合的方法予以处理，这给负荷预测引入了不科学因素，并且与自动化要求相矛盾， 而模糊预测法正是破解这些模糊信息的钥匙。从实际应用来看，单纯的模糊预测法 华北电力大学硕士学位论文 对于负荷预测，精度往往是不尽人意的，这主要是因为预测没有学习能力，这一点 对于不断变化的电力系统而言，是极为不利的。 2 3 6 人工神经网络模型 人工神经网络模型是近几年来在电力系统负荷预测中广泛采用的一种预测方 法”，它是由大量类似于神经元的处理单元相互联结而成的非线性复杂网络系统。 其优点是可以模仿人脑的智能化处理，对大量非结构性、非精确性规律具有自适应 功能，具有信息记忆、自主学习、知识推理和优化计算的特点。人工神经网络的另 一个优点是a n n 具有很强的非线性映射功能，可以把学习到的复杂的数学关系，建 成具有丰富内涵的网络模型。常用的a n n 模型是误差反向传播算法，即b p 算法， 该模型的特点是利用误差的反向传输，实现网络的自学习功能。 2 3 ，7 支持向量机模型 贝尔实验室的v a p n i k 等提出的一种被称为支持向量机( s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e s ， s v m ) 的机器学习算法。“，它与传统的神经网络学习方法不同，实现了结构风险最 小化原理，它同时最小化经验风险与v c 维的界，这就取得了较小的实际风险，对 未来样本有较好的泛化性能。s v m 的另一个优点是它的训练等价于解决一个线性约 束的二次规划问题，存在唯一解。s v m 最初用来解决模式识别问题，目的是发现泛 化性能好的决策规则。另外，随着s 不敏感损失函数的引入，s v m 已经扩展为解决 非线性回归估计问题，而且与神经网络方法相比，有着显著的优越性，被认为是人 工神经网络方法的替代算法。 2 3 ，8 粗集一支持向量机模型 s v m 算法是建立在二次规划基础之上的，在大数据量的模式分类和时间序列预 测等方面，如何提高其处理数据的实时性，缩短样本的训练时间，仍是亟待解决的问 题。而由波兰科学家z p a w l a k 提出的粗集理论( r o u g hs e t ，r s ) 在不改变原有决 策规则的前提下，通过对原始数据进行属性约简，能够消除冗余信息，减少s v m 训练数据，从而提高s v m 算法的运算速度。 因此，本论文在分析r s 和s v m 各自的特点后，对粗集与支持向量机这两种方 法进行优势互补，提出基于粗集数据预处理的支持向量机电力供需预测算法，关于 该方法的理论及具体应用将在以后的章节中做深入系统地讨论。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电力供需预警指标体系的建立与分析 预警依赖于监测，监测离不开指标。电力供需预警指标应能够度量电力供需的 变动情况，其指标选取的恰当与否不仅关系着预警结果的好坏，也关系着国家宏观 政策的制定是否能够及时准确，因此指标体系的建立是进行电力供需预警的基础。 本章首先分析了建立电力供需预警指标体系的基本原则，其次建立了电力供需预警 的警情指标，并对影响警情指标的因素进行了分析，最后将我国电力供需形势划分 为过剩、富裕、平衡、紧张、缺电等五种警度”1 1 ，并根据我国历年的电力统计数据 及电力供需形势确定了各自的警限值。 3 1 建立电力供需预警指标体系的基本原则 电力供需预警指标体系的建立应立足于现有的统计指标，同时为了使指标体系 能够系统她反映和度量电力供需状况，必须遵循以下基本原则o “”1 ： ( 1 ) 科学性原则：选取的各项指标应有代表性，具有明确的经济意义，能够度 量电力供给能力和需求状况，能够满足实现电力供需安全预警的目标。 ( 2 ) 系统性原则：指标体系应能全面地反映电力供需状况。 ( 3 ) 时效性原则：预警指标应选择那些能够及时获得当前统计数据的指标。 ( 4 ) 关联性和独立性的统一：关联性是指选取的每项指标都能从某一角度反映 电力供需状况，各指标最终形成相互联系的有机整体；独立性是指设计指标时应尽 量减少各指标之间的重叠部分。 ( 5 ) 可重构和可扩充性原则：预警指标体系的设置要有可操作性，具体应用时 可以根据形势的变化及不同要求对指标体系进行修改和扩充。 3 2 电力供需预警指标体系 电力供需预警指标体系的构成要素主要包括警情指标、警情指标影响因素、警 度及警限等四个方面。 3 2 1 警情指标 电力供需预警研究的对象是未来电力供需的发展趋势。电力供需警情的确定分 为两个方面：一是明确警情的含义，对警情做出定性描述，二是确定警限，对警情做 出定量界定。电力供需警情是指电力发展过程中出现的供求不平衡的状况，本论文 采用电力供需指数来衡量电力供需形势，其中电力供需指数包括电力平衡指数和电 量平衡指数”1 1 ，电力供需指数由电力平衡指数和电量平衡指数加权计算得出，考虑 华北电力大学硕士学位论文 到当前的电力供需形势，主要是缺电力而非电量，因此本文将二者比例设为3 ：1 ， 以此来计算电力供需指数。 在实际计算中，用电力系统容量备用率来代表电力平衡情况，计算电力平衡指 数；用发电设备利用小时数来代表电量平衡情况，计算电量平衡指数o 。5 “”“3 。 ( 1 ) 发电设备利用小时数是指发电设备在一年内平均满负荷运行的时间，即发 电设备利用小时数= 年发电量系统内平均发电设备容量，其中： 系统平均发电设备容量= 上期末发电设备容量+ 本期净投产机组装机容量k ，k 为净投产机组的折算系数，0 k 。电力需 求与燃料价格指数之间应该存在着负相关关系。 另外，新出台的电价政策都会对电力需求产生较大的影响，如两改一同价、峰 谷分时电价、以及些优惠电价的取消、差别电价的执行都对电力需求产生了影响。 3 2 2 6 技术进步与能源效率改进 能源效率改进被认为是影响电力消费的个重要的因素，随着新技术与节能措 施被引入各个产业，同样的电力消耗可以获得更多的产出。本文用g d p 与消费的电 力之比来表示能源效率的改进，这个比率与电力消费之间的关系是负相关的。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 7 替代能源价格 电力与其他能源之间具有相互替代的特性，电价与其他能源价格的涨跌都会对 电力需求产生影响。但是替代的程度要取决于电力与替代能源的比价，同时替代效 果还与电能利用技术的成熟程度，其他能源的来源以及供给的稳定性有关。 3 2 2 8 气候因素 气候对电力需求的影响主要体现在气温和降水两个方面。气温的变化将影响夏 季的空调负荷、冬季的采暖负荷的大小，而降水则会对农业的抗旱和排涝用电产生 影响。 3 2 2 9 节假日及社会重大事件的影响 在节假r 或发生社会重大事件时人们对电力的需求往往要大于平常时期对电 力的需求。 3 2 3 警度划分 预报警度是预警的目的，通过建立关于警情的模型，并用预警方法对未来警情 指标做出预测，最后根据警限转化为警度。本文将电力供需形势分为以下五种状况， ( 1 ) 过剩，系统电力、电量均有过剩；( 2 ) 富裕，系统电力基本平衡，但电量有一定 富裕，火电机组利用小时数较低；( 3 ) 平衡，系统备用在合理范围之内，电力电量 基本维持平衡：( 4 ) 紧张，系统电量基本平衡，但负荷备用不足，主要表现为电力 不足；( 5 ) 缺电，系统不仅缺电力而且缺电量。电力供需状况对应的分值如表3 - l 所示： 表3 1 电力供需指数表 l 评分02 04 06 0 80 il o o i 状况 过剩富余 平衡 紧张 缺电 将电力平衡指数和电量平衡指数进行加权平均，得到电力供需指数，考虑到目前国 内电力供需形势，主要是缺电力而非电量，因此本论文将电力平衡指数和电量平衡指数 的权值比设为3 ：1 ，并以此计算电力供需指数。 3 2 4 确定警限 测定警度的关键则是确定警限。警限是反映警情的严重程度的等级界限。警限 是划分有警、无警的临界值或划分不同警度的临界值，表现为某一预警指标在一警 度下变化的最大可能允许的振幅，通常以数量形式表现出来，预警区间的上下限称 为预警线。 华北电力大学硕士学位论文 电力平衡指数和电量平衡指数的警限值的确定主要根据电力系统技术导则 中对备用容量的相关规定及中国电力企业联合会和国电动力经济研究中心对上述 指标的划分标准，并结合我国历年各电网的历史数据和电力供需形势进行划分。同 时考虑到水电机组受季节和来水的影响比较严重，它与火电机组在备用容量和利用 小时数等方面存在着较大差异，将电力系统分为火电系统和水电系统。电力平衡指 数和电量平衡指数的警限值及对应分数如表3 2 和3 - 3 所示 表3 2 电力平衡指数换算表 评分 o2 0 4 0 i6 0 l 80 i1 0 0 状况过剩富余平衡紧张缺电 火电系统 4 5 3 5 3 0 2 5 2 0 4 h o l 水电系统5 0 4 0 3 5 3 0 2 5 1 5 其中，火电系统是指火电装机容量占总装机容量的7 0 以上的系统；水电系统 是指水电装机容量占总装机容量的3 0 以上的系统。 表3 - 2 中，用系统容量备用率来反映电力平衡情况，运用插值法可将系统容量 备用率换算成电力平衡指数。如对于一个火电系统来说，如果进行电力平衡后，系 统的容量备用率为2 2 ，则系统的电力平衡指数= 6 0 + ( 8 0 一6 0 ) x 篡= 7 2 ，该 系统处于电力紧张状态。水电系统也可照此方法进行换算。 表3 - 3 电量平衡指数换算表 评分 02 0 4 06 08 01 0 0 状况过剩富余平衡紧张缺电 火电系统1 2 0 0k 5 。o4 7 0 05 0 0 05 4 0 05 8 0 0 水电系统3 8 0 0 1 0 04 4 0 4 4 7 0 c5 0 0 0 5 4 0 0 表3 - 3 中，用发电设备年利用小时数来反映系统内电量平衡情况，运用插值法 将发电设备年利用小时数换算成电量平衡指数。如对于一个火电系统来说，如果进 行电力平衡后，发电设备年利用小时数为5 2 5 0 小时，则该系统的电量平衡指数 = 6 0 + ( 8 。一6 0 ) 黼= 7 2 5 ，该系统处于电量紧张状态。水电系统也可照此 方法进行换算。 华北电力大学硕士学位论文 第四章基于r s 理论数据预处理的s v m 预测模型 在建立起一套能够灵敏地反映电力供需状况的预警指标体系后，需要选择合适的数 学模型对预警指标进行测算，对未来电力供需形势进行预测，然而影响电力供需因素众 多、预测指标规律各异、变化趋势随机性强，难以确定统一的数学模型。 本章首先分析了粗集( r s ) 和支持向量机( s v m ) 的基本原理，由此得出粗集和支 持向量机各自的优势和互补性后，探讨了两者相结合的方法，提出了一种基于r s 理论数 据预处理的s v m 预测模型，即利用r s 理论在处理大数据量，消除冗余信息等方面的优势， 对电力供需预警指标进行筛选，减少s v m 训练数据，从而提高s v m 算法在处理大数据量 的速度，然后运用支持向量机模型对电力供需形势进行预测建模，最后利用m a t l a b 6 5 进行程序设计及计算。 4 1 电力供需预警指标筛选 本文第三章中分析了电力供需警情的影响因素，然而各因素的变化及相互影响 难以确定，而且其对电力供需警情指标的影响各不相同，作用也不一致。因此需要 对这些影响因素指标进行初步筛选，消除对电力供需警情影响不大的因素，从而提 高下一步预测工作的效率和精度。 在对众多预警指标数据进行分析时，识别冗余指标信息是建模的关键“”4 “。这 是因为，在数据收集阶段，很难确切知道对于学习任务哪些属性是相关的，哪些属 性是不重要的。如果所有的属性都被认为是重要的，并全部存入数据库，将大大增 加信息存储量和处理量。而实际上，我们往往只对属性集的