（管理科学与工程专业论文）中长期电力负荷预测及预警系统的分析与设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文在对中长期电力负荷预测及预警基本理论进行介绍的基础上，详细阐述了 中长期电力负荷预测及预警系统的系统分析和系统设计。电力负荷预测模块中，在 借鉴该领域研究成果的基础上，建立了包含有多种预测模型的预测模型库，并提出 了较为合理的预测策略：数据的预处理、历史数据源的选取、最优模型的确定等一 系列的方法。供需监测及预警模块中，合理利用现有指标，建立可以对电力供需形 势进行监测和识别的预警指标体系和标准平衡值，通过计算机的处理以简单明了、 形象直观的方式显示给用户。统计分析模块中，系统提供多角度、多层次的数据比 较和分析功能。系统还集成了数据录入、数据导出、数据查询、数据维护和安全管 理等功能。系统运行结果证明：中长期电力负荷预测及预警系统的预测、预警结果 精度比较高，并且有较强的适应能力和组合能力。 关键词：电力系统，负荷预测，预警，系统分析，系统设计 a b s r r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r ya b o u tt h el o n g - t e r me l e c t r i cl o a df o r e c a s t i n g a n dp r e w a r n i n g ，t h e ne l a b o r a t et h es y s t e ma n a l y z i n ga n ds y s t e md e s i g n i n gi nd e t a i l a f t e rl e a r n i n gt h ee x i t e dr e s e a r c hr e s u l t si nt h i sf i e l d ，e s t a b l i s haf o r e c a s t i n gm o d e l s y s t e mw h i c hi n c l u d i n gs e v e r a lf o r e c a s t i n gm o d e l sa n dp u tf o r w a r dar e a s o n a b l e f o r e c a s t i n gs t r a t e g y ：i n c l u d i n gp r e t r e a t i n gd a t a ，s e l e c t i n gh i s t o r yd a t as o u r c e ，o b t a i n i n g t h eo p t i m i z e dm o d e la n ds oo n i nt h ed e m a n d s u p p l ym o n i t o ra n dp r e w a r n i n gm o d e l ，b y u s i n gt h ee x i s t e di n d e x ，e s t a b l i s hap r e w a r n i n gi n d e xs y s t e ma n ds t a n d a r db a l a n c ev a l u e ， t h r o u g hc o m p u t e rp r o c e s s i n gc u s t o m e rc a ns e et h e s ei nas i m p l e ，b r i g h t ，d i r e c t - v i e w i n gw a y i nt h es t a t i s t i c a la n d a n a l y s i sm o d e l ，t h es y s t e mp r o v i d e st h em u l t i - a n g l e s , m u l t i - l e v e ld a t a c o m p a r i s o na n da n a l y s i sf u n c t i o n t h es y s t e ma l s oi n t e g r a t e dt h ef e l l o w i n gf u n c t i o n ， i n c l u d i n gt h ed a t ai n p u t , d a t ad e r i v e s ，d a t ai n q u i r y , d a t am a i n t e n a n c ea n ds a f e t yc o n t r 0 1 t h e r e s u l to fs y s t e mm o v e m e n tp r o v e st h a tt h el o n g t e r mp o w e rl o a df o r e c a s ta n dt h ee a r l y w a r n i n gs y s t e mf o r e c a s tr e s u l ti sq u i t ea c c u r a t e ，a n dh a st h es t r o n g e ra d a p t i v e n e s sa n d t h ec o m b i n a t i o na b i l i t y p e n gx i a o p i n g ( m a n a g e m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) 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 ：e l e c t r i cs y s t e m ，l o a df o r e c a s t i n g ，p r e w a r n 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中长期电力负荷预测及预警系统的分 析与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，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：二扭日 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。 c 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：二量笠竺互 e t 期：业 导师签名 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 电力系统的主要任务是向各类用户尽可能经济地提供安全、可靠和优质的电 能，满足其需求。由于电力工业和一般其它产业不同，其产品无法储存，电力的生 产、输送、分配和消费必须在同一瞬间进行，所以，系统内的可用发电容量，在正 常运行条件下，应当在任何时候都能满足系统内负荷的要求。若发电容量不够，则 应当采取必要的措施，来增加发电机组或从邻网输入必要的功率；反之，若发电容 量过剩，也应当采取必要的措施，比如，有选择的停机或向邻网输出多余的功率。 因此，对未来本电网内负荷变化的趋势与特点的预测，是一个电网调度部门和规划 部门所必须具有的基本信息之一。电力负荷预测是实时控制、运行计划和发展规划 的前提。 。 电力负荷，一方面是指电力工业的服务对象，即电力用户，另一方面是指上述 服务对象使用电力和电量的具体数量。电力负荷预测中的负荷概念，是指国民经济 整体或部门或地区对电力和电量消费的历史情况和未来的变化发展趋势。负荷预测 是指在充分考虑一些重要的系统运行特性、增容决策、自然条件和社会影响的条件 下，研究或利用一套能系统地处理过去与未来负荷的数学方法，在满足一定精度要 求的前提下，确定某特定时刻的负荷数值。它包括两方面的含义：对未来需求量( 功 率) 的预测和未来用电量( 能量) 的预测。对功率的预测用来决定发电设备的容量， 以及相应的输电和配电的容量。对电量( 能量) 的预测则决定了应当安装何种类型的 发电容量，也关系到能源资源的需求与平衡。电力负荷预测是一种被动型预测，受 不确定因素影响较大。 预警是在负荷预测的结果数据上，在了解电网规划后的基础上，进行电能供应 和需求的比较分析，得出预警时段的供需形势，并通过设计好的预警指标进行量化 计算。 1 1 中长期负荷预测与预警系统的研究背景及意义 电站建设耗资大，建设周期长，电能对于国民经济各个行业和人民生活的重要 性，尤其是在一个相当时期内的供需矛盾，这一切使电力负荷预测尤其重要，电力 负荷预测已成为电力系统调度、用电、计划、规划等管理部门的重要工作之一。负 荷预测可以为满足和保证这一平衡提前做好准备，系统就是在负荷预测的基础上进 行负荷的调整和管理，并通过预警体系对调整后的电力系统的供需形势进行量化， 最终以数据、图表的形式表现出来。 据统计，截至2 0 0 4 年5 月底，我国发电装机容量己经突破4 亿千瓦，达到4 0 0 6 0 华北电力大学硕士学位论文 万千瓦。在全国电力供需矛盾紧张的背景下，我国电力建设从去年起己进入历史上 发展最快时期，同时也成了目前世界上惟一每年投产2 0 0 0 万千瓦大中型发电机组 的国家。据有关部门预测，未来1 5 年我国还须新增5 亿千瓦以上的发电装机才能 满足全面建设小康社会的需要。这意味着未来十几年内，我国电源建设仍将保持高 速发展。 2 0 0 4 年受连续高温高湿天气影响，中国电力需求迅猛增长，电力紧缺的局面 进一步加剧，全国共有2 4 个省级电网拉闸限电，全国高峰缺电约3 0 0 0 万千瓦。这 使得负荷预测的重要性更加突出。而要求进一步改进系统负荷预测工作的一个原因 是，这几年我国开始推行电力市场的工作对负荷预测提出了更高的要求，因为中长 期负荷预测和预警作为电力市场中的一项经济信息，是各级电力市场的重要组成部 分，对于建立电量计费系统、实行峰谷分时电价和建立模拟电力市场等均有深刻影 响。具体体现在： ( 1 ) 中长期负荷预测及预警对电力系统规划、运行的影响 中长期负荷预测及预警的结果有利于合理制定电力系统增加装机容量、安排开 停机组计划，安排系统的供电、用电及设备检修，保持电网运行的安全稳定性，减 少不必要的旋转储备容量。 ( 2 ) 中长期负荷预测及预警对转运业务的影响 中长期负荷预测及预警有利于正确、经济地安排制定电网生产计划，适应“厂 网分开，竞价上网”的需要，发挥出转运业务的最大效率。转运业务是电力市场中 电网的一项基本功能，转运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，将根据负荷预测的数据及各发电机的运行参数， 制定发电计划和调度计划，所以准确的负荷预测将促进供、运、用电三方的协调。 ( 3 ) 中长期负荷预测及预警对制定实时电价的影响 电价是电力市场的杠杆和核心内容，体现了电力市场的竞争性和开放性，而电 价的制定是在未来给定电价计算期的负荷预测的基础上完成的。因此，发电企业要 保证其电价的竞争能力并且盈利，就必须获得较精确的负荷预测，才能定出既有竞 争力又保证盈利的电价。同时，由于电价的不同，可以鼓励用户将高峰期的负荷移 至低谷期。 ( 4 ) 中长期负荷预测及预警对能源的影响 中长期负荷预测及预警的结果有利于合理的利用能源，节煤、节油和降低发电 成本，有利于制定合理的电源建设规划，有利于提高电力系统的经济效益和社会效 益。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 中长期电力负荷预测与预警系统的解析 电力系统中长期负荷预测与预警是日前深受关注的研究课题，它在系统规划、 新建发电厂和发配电系统的建立上有着重要的地位( 文献 1 9 ) 。由于建立一个发 电厂或变电站需要很长的时间及大量的费用，因此对于一个电力公司来说，进行有 效的中长期负荷预测是十分必要的。它对电力系统( 如机组最优组合、经济调度) 优 化调度而言，是非常有用的基础工具。此外，中长期负荷预测及预警对电力系统的 安全性也有着不可低估的作用，这中间包括对电网故障的分析处理，以及对负荷的 管理等。 电力系统负荷预测是指从已知的经济、社会发展和电力系统需求情况出发，通 过对历史数据的分析和研究，探索事物之间的内在联系和发展规律，以未来年份经 济、社会发展情况的预测结果为依据，对电力需求做出预先的估计和预测；电力系 统负荷预警是指在准确预测的基础上，通过一套科学、合理、系统的预警指标对未 来一个时段的电力供需形势进行定量化分析、计算，并根据电力电量平衡结果，发 布电力供需形势预警信号。中长期电力负荷预测与预警综合预测和预警的概念和功 能，并且其时间长度约定在中长期，最终达到： ( 1 ) 提高对未来电力供需形势分析预测的科学性和准确性，发布电力供需形 势预警信号，引导电力规划和投资更加符合国民经济发展对电力的实际需求； ( 2 ) 建立电力指标、电量指标、综合指标及相关影响因素的数据库，为实时 及未来对电力供需情况的分析保存管理宝贵的历史数据。 中长期电力负荷预测及预警系统就是基于以上思路，结合科学理论和计算机技 术使之成为一个完整的计算机应用系统。 1 3 国内外研究及应用现状 目前对于电力中长期负荷的预测，国内外都有了比较系统的研究，对各种预测 方法的研究已经比较深入( 文献 1 、 7 卜 1 8 ) ，但在预警方面能够真正应用于实 际的系统并不多( 文献 3 2 、 3 3 也仅对预警模型进行了讨论) ，如文献 2 1 利用 天气参数在神经网络中预测未来l 到1 0 天负荷。天气预测变量是神经网络用于负 荷预测的关键输入量，由于神经网络能够在很大程度上模拟负荷和天气变量之间不 确定的非线性关系，该文重点比较天气预测结果对负荷预测的影响，提出将天气整 体预侧方法应用于神经网络预测模型中，指出将这种整体天气预测方法应用于神经 网络模型比常规天气预测方法更能实现准确的负荷预测；文献 2 4 用三个神经网络 对来自两个不同的电力系统负荷数据进行实验，得出神经网络预测模型应是依靠电 华北电力大学硕士学位论文 力系统的具体情况来设计的结论，即神经网络必须根据特定的电力系统来量体裁 衣，而不存在通用的神经网络预测模型；文献 2 是根据电力市场中长期负荷预测 系统的特性，从技术的角度全面论述了系统所需实现的功能、数据库需要包含的内 容及界面的设计。 国外在电力系统方面的应用，还是比较成熟的( 文献 2 2 卜 3 0 ) ，但是在预测 与预警方面，特别是预警这部分，还是没有很成功的例子。美国是世界上拥有规模 最大的电力工业的国家，但是在预测与预警系统的研发，特别是预警的处理上，也 没有完整的指标体系进行定量的分析，如美国加州的电力系统里，也没有提出很好 的解决方案。而国内在电力中长期负荷预测及预警系统的开发及使用上，清华大学 电机系研发的电力市场需求分析预测管理系统可以说是国内最先进的、使用最广的 系统之一。此系统现已在近十个网省级电力公司、8 0 余个地市级供电公司推广使 用，如江苏省、福建省、甘肃省、山东省、天津市、重庆市、河北省、浙江省电力 公司及其下属供电分公司。另外，国内还有湖大华龙h d h l 研发的智能式负荷预测 系统、北京超思华科研发的电力负荷需求预报系统在投入使用。但是，这些系统并 没有对预测的结果进行全面的分析，更没有根据电量电力系统的指标实现预警的功 能。 长期以来，我国电力系统负荷预测大都采用人工经验预测的方法，预测工作量 大，自动化程度低，并对预测人员提出了很高的要求，而且预测精度不够准确。因 此，在对电力中长期负荷进行准确预测的情况下，采用顸警机制提供直接有效的信 息，使之成为管理人员决策的主要依据，能使企业和用户达到一种双赢的局面。 1 4 本文所做的工作 本文主要围绕不同的预测模型在负荷预测中的应用问题、及根据预测结果对未 来时段的电力负荷供需形势如何进行定量化分析展开研究。中长期电力负荷及预警 系统的设计是从数据的录入、电力负荷的预测到预警等整个过程建立一个完善的应 用系统，其系统的大致内容如下： 1 数据录入 电力负荷预测主要是在基于大量数据的基础上实现的，因而系统在采用数据库 的基础上，使系统对大量的数据进行录入，使操作变得简单、方便。 2 预处理 由于影响用电负荷的因素较多，如严重缺电时，大量拉路限电，会造成负荷水 平减小，因此对不良的伪数据进行预处理时一项重要的问题。 3 建立预测模型方法库 预测实践表明：任何一种方法只是数学上的一种理想的模型，只能对某一种负 4 华北电力大学硕士学位论文 荷的发展规律有较好的拟合和预测效果。不同地区、时间、行业的负荷变化规律是 不同的，很难用一种或几种预测模型描述所有的负荷变化规律，必须建立负荷预测 的方法库，以尽可能多的预测模型满足负荷发展规律多样性的需求，考虑系统具体 包括： ( 1 ) 神经网络预测模型 电力系统负荷预测，是一项极为复杂的工程。由于未来负荷的变化要受到诸多 因素的影响，而这种影响往往又不能准确、定量地加以描述，在使用以上预测模型 的同时，采用神经网络和模糊概念相结合的方法，试图弥补传统方法预测时在计入 影响负荷变化因素方面的不足，从而使预测更为科学合理。 ( 2 ) 交叉式自适应优选组合预测模型 由于预测涉及到大量具有不同变化趋势的负荷指标，即使是同一指标在不同的 时期也可能有不同的发展趋势，因此单一式固定模型或经验公式难以适应发展变化 的需要，难以取得较高的预测精度。交叉式自适应优选组合预测模型在模型的选择 上，考虑到电力负荷的各种发展趋势，采用灰色模型、线性回归、幂函数回归和多 项式回归。在进行预测时，通过逐步对数据进行平稳化处理，可以减小伪数据对预 测精度的影响。 ( 3 ) 负荷预测的经典技术模型、传统的预测模型、现代预测技术 对于电力系统的负荷预测模型的研究，在过去的十几年中得到很大的发展，各 种预测方法和模型被引入负荷预测中，而每种预测模型均有其自身的优点和适应场 合，所以在模型的选择中，还添加了单耗法、弹性系数法、一元线性回归，多元线 性回归，非线性回归、趋势外推法、神经网络、灰色系统理论。 4 预测及预警 通过设计的预测模型可以很方便地针对不同地区域、指标( 电量类、电力类等) 选择相应地预测策略( 如同期数据或环比数据、系统自动择优或自主选择预测模型) 进行预测；并在预测地结果上，根据设计好地预警指标体系对未来时段的电力供需 形势进行分析。 5 统计分析 预测预警是一个需要大量数据支撑的应用系统，系统除了提供对应的预测预警 功能外，还提供了对数据进行多方面统计分析的功能( 纵向对比、横向对比和网间 电量交换) ，使用户可以参考统计分析功能对预测预警的结果进行人为的修改。 6 数据查询 系统对大量的数据提供了全面、方便的条件组合查询。 7 数据维护 系统还提供有强大的数据维护功能( 大批量数据导入和导出、数据删除和修改 等) 。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章中长期电力负荷预测与预警系统基本理论 2 1 电力负荷预测的基本理论 负荷预测是从已知的用电需求出发，考虑政治、经济、气候等相关因素，对未 来的用电需求做出的预测。负荷预测包括两方面的含义：对未来需求量( 功率) 的预 测和未来用电量( 能量) 的预测。电力需求量的预测决定发电、输电、配电系统新增 容量的大小；电能预测决定发电设备的类型( 如调峰机组、基荷机组等) 。 2 1 1 负荷预测的目的及分类 2 1 1 1 负荷预测的目的 近几年来，由于经济结构调整，我国用电市场出现了缓和，一些地区电力设备 出现了部分闲置，发电机组平均运行小时逐年下降，直接影响电力企业的经济效益。 特别是厂网分开，采取合约电量加上竞价上网模式运作，各类用户构成的各种各类 负荷，分别呈现出不同的特性和大小。由于电能不能大量存储，要求发电功率时时 刻刻跟踪负荷变化，做到供需平衡。因而科学的预测被称为决策的依据和保证，电 力负荷预测是企业制订基建计划、发供电计划、燃料计划、财务收支计划等各项重 要经营计划的基础，也是计划、规划工作的重要组成部分，其目的是为了合理安排 电源和电网的建设进度，提供宏观决策的依据，使电力建设满足国民经济增长和人 民生活水平提高的需要；同时提供负荷发展状况及水平，并确定各供电区、各规划 年供用电量、供用电最大负荷和规划地区总的负荷发展水平，确定各规划年用电负 荷构成。 中长期负荷预测主要是用于制定电力系统的扩建规划，包括装机容量的大小、 形式、地点、时间和电网的增容扩建上。它为所在区域或电网的电力发展速度，电 力建设规模，电力工业布局，能源资源平衡，地区间的电力余缺调剂，以及电网资 金和人力资源的需求平衡提供了可靠的依据。 2 1 1 2 负荷预测的分类 按照预测时间的长短和应用场合的不同，电力系统负荷预测可以分为长期、中 期、短期及超短期负荷预测。 1 、长期负荷预测 长期预测覆盖时间从未来数年到数十年不等，主要用于电源发展规划及网络发 展规划； 6 华北电力大学硕士学位论文 2 、中期负荷预测 中期预测是指未来一年( 1 2 个月) 之内的用电负荷预测，用于安排大修计划以及 水库的经济运行： 3 、短期负荷预测 短期负荷预测( s t l f - s h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t i n g ) 通常是指未来2 4 小时的日 负荷预测和未来1 6 8 小时的周负荷预测，目的是给各个电厂安排日、周发电计划， 包括确定机组起停、火水电协调、燃料采供、联络线交换功率、负荷经济分配、水 库调度和设备检修等； 4 、超短期负荷预测 超短期预测是指未来1 小时、未来0 5 小时甚至未来1 0 分钟的预测，主要用于 安全监视、预防性控制和紧急状态处理。 2 1 2 负荷预测原理 由于负荷预测是根据电力负荷的过去和现在推测它饷未来数值，所以，负荷预 测研究的对象不是确定事件。只有不确定事件、随机事件，才需要人们采取适当的 预测技术，推知电力负荷的发展趋势和可能达到的状况。电力负荷未来的发展是不 确定的，它要受到多种多样复杂因素的影响，我们很难把握这些因素在未来某一时 刻的状态，只能在一定条件下，进行一定简化并做出若干假设得到预测结果。通常 我们需要做出多种假设和简化，选用不同的预测方法，所以负荷预测具有不确定性、 多条件性和多方案性的特点。 虽然负荷预测有以上特点，但是负荷预测也是有一定的规律，通过对历史数据 的分析，找出其内在规律，按照一定的科学原理，可以保证负荷预测工作尽可能地 接近实际情况，尤其中长期负荷预测存在如下的普遍规律：首先电力负荷的发展是 有一定规律的，这是我们进行预测的基础；其次，电力负荷的发展是一个连续统一 的过程，其未来发展是这个过程的连续；再次，各区域、各时段电力负荷的发展具 有一定的可比性、相似性；最后，电力工业的发展与整个社会有着直接的联系，通 过分析国民经济发展水平和趋势，可以对电力负荷的发展做出相应的估计。 2 1 3 负荷预测模型 负荷预测的核心问题是预测的技术方法，或者说是预测的数学模型( 文献 1 对各种预测模型进行比较详尽的描述) 。随着现代科学技术的快速发展，负荷预测 技术的研究也在不断深化，各种各样的负荷预测方法不断涌现，如从经典的单耗法、 弹性系数法、统计分析法，到目前的灰色预测法、专家系统法和模糊数学法、神经 网络法、优选组合法和小波分析法，但它们都有各自的研究特点和适用条件，下面 7 华北电力大学硕士学位论文 对电力负荷预测的常用模型及其优缺点、适用情况进行介绍： 2 1 3 1 单耗法 单耗法即单位产品电耗法，是通过某一工业产品的平均单位产品用电量以及该 产品的产量，得到生产这种产品的总用电量。单耗法需要作大量细致的统计调查工 作，近期预测效果较佳。但实际中很难对所有产品较准确地求出其用电单耗。因而 考虑用国民生产总值或工农业生产总值，结合其电量单耗( 产值单耗) 。采用单耗 法的两种形式( 产品单耗法和产值单耗法) 的关键是确定适当的产品单耗或产值单 耗，系统中采用的是“产值单耗法”。从我国的实际情况来看，一般规律是产品单 耗逐年上升，产值单耗逐年下降。单耗法的优点是：方法简单，对近期负荷预测效 果较好。缺点是：需做大量细致的调研工作，比较笼统，很难反映现代经济、政治、 气候等条件的影响。 2 1 3 2 弹性系数法 弹性系数是电量平均增长率与国内生产总值之间的比值，根据国内生产总值的 增长速度结合弹性系数得到规划期末的总用电量。弹性系数法是从宏观上确定电力 发展同国民经济发展的相对速度，它是衡量国民经济发展和用电需求的重要参数。 该方法的优点是：方法简单，易于计算。缺点是：需做大量细致的调研工作。 2 1 3 3 回归分析法 电力负荷回归模型预测是根据负荷过去的历史资料，建立可以进行数学分析的 数学模型。采用数理统计中的回归分析方法对变量的历史数据进行统计分析，确定 变量之间的关系，从而实现对未来的负荷进行预测。回归模型有一元线性回归、多 元线性回归、非线性回归等回归预测模型。下面列出一些常用的回归分析模型： ( 1 ) 一元线性回归：y = a + b x x ( 2 ) 指数曲线回归：y = a x e “ ( 3 ) 双曲线回归：i y = a + b x ( 4 ) 倒指数曲线回归：y = a e ”1 ( 5 ) 幂函数曲线回归：y = a x x ( 6 ) 对数曲线回归：y = a + b x i g x ( 7 ) s 曲线回归：y = l ( a + b e - x ) 其中：自变量( 影响因素) x 为时间变量t ，因变量y 为电力负荷。 ( 8 ) 多元线性回归：y ：a o + a l x l + a 2 x 2 + + a l i x x 。 其中：自变量( 影响因素) x 。为时间变量t ，x ( i = 2 n ) 为对应的经济指标， 因变量y 为电力负荷。 8 华北电力大学硕士学位论文 回归分析方法的优点是：预测精度较高，适用于在中、短期预测使用。缺点是： 用回归分析法只能测算出综合用电负荷的发展水平，无法测算出各供电区的负荷发 展水平，也就无法进行具体的电网建设规划。 2 1 3 4 二次多项式转折曲线模型 二次多项式转折曲线模型是在一元线性回归的基础上，引入二次项，其模型为： y = a + b x x + c x x x x公式( 2 1 ) 其中影响因素( 自变量) x 为时间变量t ，此模型也是用数理统计的回归方法( 即 把x x x 看成为一变量，相当于多元线性回归) 对模型中的参数( a 、b 、c ) 进行估 算，进而进行预测。 转换后的多元线性回归方程为： y = a + b x x i + c x x 2公式( 2 - 2 ) 其中：x 。为时间序列t ，x ：为时间序列t 的平方，y 为电力负荷。 2 1 3 5 趋势外推法 当电力负荷依时间变化呈现某种上升或下降的趋势，并且无明显的季节波动， 又能找到一条合适的函数曲线反映这种变化趋势时，就可以用时间t 为自变量，时 序数值y 为因变量，建立趋势模型y = f ( t ) 。当有理由相信这种趋势能够延伸到未 来时，赋予变量t 所需要的值，可以得到相应时刻的时间序列未来值。这就是趋势 外推法。 应用趋势外推法有两个假设条件：假设负荷没有跳跃式变化；假定负荷的 发展因素也决定负荷未来的发展，其条件是不变或变化不大。选择合适的趋势模型 是应用趋势外推法的重要环节，图形识别法和差分法是选择趋势模型的两种基本方 法。 外推法有水平趋势预测法、线性趋势预测法、多项式趋势预测法、季节型趋势 预测法、和增长趋势预测法。预测模块中主要采用了水平趋势预测法中的一阶自适 应系数预测法和线性趋势预测法中的二阶自适应系数法。趋势外推法的优点是：只 需要历史数据、所需的数据量较少。缺点是：如果负荷出现变动，会引起较大的误 差。如图2 - 1 给出了一阶自适应计算过程： 9 华北电力大学硕士学位论文 开始 图2 1 一阶自适应计算过程图 2 1 3 6 交叉式自适应优选组合模型 优选组合有两类概念：一是从几种预测方法得到的结果中选取适当的权重加权 平均；二是指在几种预测方法中进行比较，选择拟合度最佳或标准偏差最小的预测 模型进行预测。 交叉式自适应优选组合模型包含两部分的处理： 1 自适应优选组合模型 选取纵向历史数据建模，即取同一指标的纵向历史数据。这样建模包含了明显 的历史发展趋势合同一时期的特点。由于历史数据中可能存在着不良数据，而破坏 了内在规律，模型将其数据进行了平稳化处理，其比例系数可由预测结果的可行性 做自适应校正，其算法如下： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算均值：y ( 2 )自适应校正 厂( 1 + e ) x yx i ( 1 + ) x y x l = j x i( 1 一) x y = x i = ( 1 + ) x y l ( 卜e ) x yx ( 卜e ) x y ( 3 )构造模型，计算标准离差 ( 4 )选择标准离差最小的，并计算最近三个历史数据的平均误差a ( 5 ) 若a 设立原始数据列：x 0 ( 1 ) 、x ( 2 ) 、x ”( n ) ( 2 ) 计算原始数据的累加生成值： x ”( 1 ) = x o ( 1 ) x ”( 2 ) = x ”( 1 ) + x 。( 2 ) x n ( n ) = x 1 ( n 一1 ) + x o ) ( n ) ( 3 ) 计算数据矩阵b 和数据向量y n 华北电力大学硕士学位论文 b = y 。= 一1 2 x “( 1 ) + x m ( 2 ) 1 1 2 x “( 2 ) + x o ( 3 ) 1 x 0 ( 2 ) 、 x 佃( 3 )i ； l x 0 ( n )j ( 4 ) 利用数理统计方法计算g m ( 1 ，1 ) 的参数a 和u ( 5 ) 建立灰色预测模型 x ”( k + 1 ) = ( 1 一e 1 ) ( x 。( 1 ) - u a ) e 4 。公式( 2 - 4 ) 灰色预测的优点：要求负荷数据少、不考虑分布规律、不考虑变化趋势、运算 方便、预测精度较高、易于检验。缺点：一是当数据离散程度越大，即数据灰度越 大，预测精度越差；二是不太适合于电力系统的长期后推若干年的预测。 2 1 3 8 神经网络法 神经网络( a n n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 预测技术，可以模仿人脑做智能 化处理，对大量非结构性、非确定性规律具有自适应功能。a n n 应用于短期负荷预 测比应用于中长期负荷预测更为适宜。因为，短期负荷变化可以认为是一个平稳随 机过程。而长期负荷预测可能会因政治、经济等大的转折导致其模型的数学基础的 破坏。 系统采用误差反向传播算法又称b p 法，提出一个简单的三层人工神经网络模 型，能实现从输入到输出间非线性映射任何复杂函数关系。由于在b p 算法中加入 了隐含层，使输入到输出间可以映射任何函数关系。b p 网络的学习，由四个过程组 成，输入模式由输入层经中间层向输出层方向“模式顺序传播”，网络的希望输出 与网络实际输出之差的误差信号，由输出层经中间层向输入层逐层进行修正连接权 的“误差逆序传播”，由“模式顺序传播”和“误差逆序传播”的反复交替进行的 网络“学习记忆”训练过程，使网络趋向收敛，即全局误差趋向极小值的“学习收 敛”过程，直至实际输出值与希望输出值较好吻合为止。b p 网络不需要知道描述这 种映射的具体数学表达式，只是在所选网络的拓扑结构下，通过学习算法调整各神 经元的阀值和连接权值，使误差信号最小。 华北电力大学硕士学位论文 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。缺点是： 初始值的确定无法利用已有的系统信息，易陷于局部极小的状态：神经网络的 学习过程通常较慢，对突发事件的适应性差。 2 1 3 9 小波分析预测技术 小波分析是一种时域一频域分析法，它在时域和频域上同时具有良好的局部化 性质，并且能根据信号频率高低自动调节采样的疏密，它容易捕捉和分析微弱信号 以及信号、图像的任意细小部分。其优点是：能对不同的频率成分采用逐渐精细的 采样步长，从而可以聚集到信号的任意细节，尤其是对奇异信号很敏感，能很好的 处理微弱或突变的信号，其目标是将一个信号的信息转化成小波系数，从而能够方 便地加以处理、储存、传递、分析或被用于重建原始信号。这些优点决定了小波分 析可以有效地应用于负荷预测问题的研究。 2 1 3 1 0 专家系统法 专家系统预测法是对数据库里存放的过去几年甚至几十年的，每小时的负荷和 天气数据进行分析，从而汇集有经验的负荷预测人员的知识，提取有关规则，按照 一定的规则进行负荷预测。实践证明，精确的负荷预测不仅需要高新技术的支撑， 同时也需要融合人类自身的经验和智慧。因此，就会需要专家系统这样的技术。专 家系统法，是对人类的不可量化的经验进行转化的一种较好的方法。但专家系统分 析本身就是一个耗时的过程，并且某些复杂的因素( 如天气因素) ，即使知道其对负 荷的影响，但要准确定量地确定他们对负荷地区的影响也是很难的。此法的优点是： 能汇集多个专家的知识和经验，最大限度地利用专家的能力；占有的资料、信 息多，考虑的因素也比较全面，有利于得出较为正确的结论。缺点是：不具有自 学习能力，受数据库里存放的知识总量的限制；对突发性事件和不断变化的条件 适应性差。 2 1 3 1 1 德尔菲法( 专家调查法) 德尔菲法是根据有专门知识的人的直接经验，对研究的问题进行判断、预测的 一种方法，也称专家调查法。德尔菲法具有反馈性、匿名性和统计性的特点。德尔 菲法的优点是：可以加快预测速度和节约预测费用：可以获得各种不同但有价 值的观点和意见；适用于长期预测，在历史资料不足或不可预测因素较多尤为适 用。缺点是：对于分地区的负荷预测则可能不可靠；专家的意见有时可能不完 整或不切实际。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 1 2 时间序列法 就是根据负荷的历史资料，设法建立一个数学模型，用这个数学模型一方面来 描述电力负荷这个随机变量变化过程的统计规律性；另一方面在该数学模型的基础 上再确立负荷预测的数学表达式，对未来的负荷进行预测。时间序列法主要有自回 归a r ( p ) 、滑动平均l i a ( q ) 和自回归与滑动平均a r m a ( p ，q ) 等。这些方法的优点是： 所需历史数据少、工作量少。缺点是：没有考虑负荷变化的因素，只致力于数据的 拟合，对规律性的处理不足，只适用于负荷变化比较均匀的短期预测的情况。 2 1 4 中长期电力负荷预测的分析步骤 中长期电力负荷预测通过对大量历史数据的分析计算来建立模型，并未来时段 的电力需求进行估算。基本步骤： 1 收集数据资料 收集数据资料是保障预测质量和预测工作顺利进行的基础性程序，并对数据的 真实性和可靠性进行核实。 2 明确预测指标 预测内容分为两类：电力类和电量类；明确预测指标是指在预测前明确预测对 象( 电力类或电量类) ，预测工作根据选择的预测对象确定不同的模型库进行分析 计算。 3 选择适当的预测方法 预测方法的适当与否，对预测结果和预测质量有重要影响。系统通过多方的拟 合比较，选择最优预测方法。 4 预测计算 通过系统对所设定条件下的指标进行预测计算，并提供给用户很好的人机交互 界面，充分发挥用户的主观性。 2 2 中长期电力供需预警的基本理论 电力供需预警是分析计算电力市场上供应电力和需求电力之问的关系，并根据 电力电量平衡结果，发布电力供需形势的预警信号。 电力负荷预警的基本思路是根据负荷预测的结果和后阶段的电力规划，运用定 量与定性相结合的方法，首先建立一套由各个不同层次的预警指标体系及相应预警 标准值( 根据各区域的水、火电装机容量和其对应的设备利用小时等具体情况，进 行动态分析所确定的风险程度的划分范围) ；然后对电力负荷状况进行量化，并计 算出不同层次指标体系中指标所对应的数值，并与预先设定的预警标准值比较，将 1 5 华北电力大学硕士学位论文 量化后的得到的预警值传递给决策者以进行定性分析，并反馈回预警系统，如果计 算得到的预警值超过预警标准值，则认为需要采取有效措施防范下阶段的电力供应 和需求。而其中最基本的就是必须建立一个特别的电力负荷预警评价指标体系，否 则，电力负荷预警系统的工作将处于经验性、随机性、不统一的过程。 2 2 1 建立预警指标体系的原则 电力负荷预警描述预警时段电力负荷在供应侧和需求侧是否达到平衡，并以简 单明了的方式给出预警时段的电力供需形势。系统构建预警指标体系应遵循以下原 则： ( 1 ) 系统性原则 负荷预警指标体系应当是一个完整的系统。要求预警必须具有完整性和全面 性，即要求预警应对影响供需平衡的各个因素都予以充分考虑，并且考虑指标之间 是否具有关联性，因此在设计时要充分考虑各个指标之间的内在联系，不能顾此失 彼，也不应使各指标所评价的内容相互重复，做到预警指标不重复、不遗漏，使预 警指标体系能够全面真实反映负荷的供需平衡程度。 ( 2 ) 动态性原则 即预警监测应是一种动态的分析监测，而不是一种静态的反映。它应在分析过 去的基础土，把握供需双方未来的发展趋势。动态性还应体现在预警监测系统必须 根据社会经济的发展，用电需求结构及电力规划的变化而不断调整监测的内容，确 保电力负荷预警监测系统的先进性。 ( 3 ) 灵敏性原则 所选择的预警指标能够及时、准确、科学地反映供需形势的变化情况。 ( 4 ) 直观实用原则 “预警”是一种预报，即在用电需求紧张之前，就能够及时地发出警报。这要 求所设计的预警指标体系应非常直观，使管理者一看就懂，就能理解和掌握；实用 性要求所选择的预警指标应能反应供需形势，即预报的信号要明确，判断要简单， 不能把指标搞得过于复杂。 2 2 2 电力监测预警指标体系的一般设计方案 衡量电力供需平衡的宏观判断指标有很多，文献 3 3 3 提出衡量供需平衡较为直 观的指标有三个： ( 1 ) 发电设备特别是火电设备利用小时数是否在合理区间 研究表明，尽管我国各电网由于最大负荷利用小时数( 即电网最高用电负荷除 电网用电量所得的商) 各不相同，设备利用小时数的合理区间也大不相同，但就全 1 6 华北电力大学硕士学位论文 国而言，维持电力供需平衡，我国发电设备年利用小时数应为4 5 0 0 4 8 0 0 小时，其 中火电设备利用小时数在5 0 0 0 5 5 0 0 小时。高于两项上限值，就可能出现拉限电。 2 0 0 2 年两项指标分别为4 8 6 0 小时和5 2 7 2 小时，尽管有1 2 个省市区电网出现了拉 限电，但同时有东北、福建、安徽、江西和海南等电网尚有一定过剩，全国处于电 力供需总体平衡状态，出现紧张迹象。 ( 2 ) 新增发电装机与新增用电量的比率 在正常情况下，维持电力供需基本平衡，新增1 亿千瓦时用电量，发电装机需 要新增2 2 万千瓦左右，不宜低于2 1 万千瓦。比率低于2 1 ，就可能造成缺电。 1 9 8 8 年到1 9 9 7 年间，全国用电量新增6 1 3 6 亿千瓦时，同期发电装机新增1 5 1 3 4 万千瓦，其比率高达2 4 7 ，故使过去严重缺电局面逐年缓解，到1 9 9 7 年实现供需 平衡。而1 9 9 8 年到2 0 0 2 年间，全国用电量新增5 3 4 7 亿千瓦时，同期发电装机新 增1 0 2 3 3 万千瓦，其比率仅为1 9 1 ，致使电力供需状况从基本平衡到出现紧张迹象。 ( 3 ) 发电装机增长与用电量增长的对比 该指标反映了电力供应弹性系数和电力消费弹性系数的关系，在正常情况下， 电力供应弹性系数不宣低于电力消费弹性系数，亦即发电装机增长率不宜低于甩电 量增长率。1 9 8 8 年到1 9 9 7 年间，发电装机年均增长7 o ，全社会用电量年均增长 8 2 ，用电增长高出发电装机1 2 个百分点。1 9 9 9 年发电装机增长7 9 ，高出用 电量增长t 3 个百分点，而从2 0 0 0 年开始连续三年装机容量增长速度低于用电增 长速度；2 0 0 0 年发电装机增长6 9 ，用电量增长“7 ，发电装机低于用电增长 4 8 个百分点；2 0 0 t 年发电装机增长6 o ，用电量增长8 7 ，发电装机低于用电 增长2 7 个百分点；2 0 0 2 年发电装机增长5 3 ，用电量增长1 1 6 ，发电装机低于 用电增长6 3 个百分点。 2 2 3 中长期电力监测预警的分析步骤 在设定预警指标的基础上，根据预测的结果对未来时段的电力供需形势进行评 估，并以明了、直观的形式呈现给用户。基本步骤： ( 1 ) 获取供应侧的数据 供应侧的装机容量和设备利用小时数在电力规划或技术提升后，跟前一阶段的 数据会存在很大的不同，获取预警时段准确的数据对电力供需形势有直接的影响。 ( 2 ) 预警计算 根据预测结果、历史数据和预警指标体系进行预警计算，并图形化的形式显示 预警结果。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章中长期电力负荷预测与预警系统分析 系统分析的主要任务是分析系统功能、信息的流动、信息的处理方式及新的需 求信息。系统分析是一个由实际的业务流程到信息处理流程的抽象过程，最终建立 起所需要的信息系统的逻辑模型。这是信息系统开发所有后续工作的基础。信息系 统分析阶段常借助很多图形工具使得分析过程可视化，便于分析和与用户进行交 流。信息系统的逻辑模型表达主要包括： ( 1 ) 功能模型：用于描述新系统的功能： ( 2 ) 数据流程图：用于描述信息和信息的流动； ( 3 ) 信息模型：用于数据字典等。 3 1 中长期电力负荷预测及预警系统的开发方法 对于一个信息系统的开发，常用的开发方法有四种，即生命周期法、原型法、 面向对象法和计算机辅助软件工程法(