（动力机械及工程专业论文）山东省电源扩容规划研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电力工业是国民经济发展战略中的重点和先行产业，电力工业的发展直接关系 到国民经济发展、人民生活水平提高、科学技术进步以及能源利用水平的高低。电 源规划是电力工业发展中十分重要且必不可少的前期工作，装机容量不足将导致电 力短缺，使国民经济其他部门中大量生产能力无法充分发挥作用，从而制约国民经 济的发展；装机过多，则使大量机组处于闲置状态，造成极大浪费因此，电源规 划研究具有重要意义。 长期以来，在计划经济的主导下，我国电力发展基本上还只是本着扩大生产的 原则，目的主要在于满足社会不同用户用电需求，对节能、环保等方面的重视程度 还远远不够改革开放以来，山东省电力工业发展迅速，电源建设在全国名列前茅， 但同时也存在着电源方式单一、发电机组结构不合理、初级能源消耗过度、环境污 染严重等问题，影响了人们的生存环境，浪费了宝贵的资源，并制约了经济的发展。 本文正是基于这样一种发展现状，在科学预测与理论分析的基础上，对山东省电源 发展规划进行研究，旨在为制定正确的电源发展决策提供理论依据。概括起来，本 文主要包括以下几部分内容： 1 建立了多种电力负荷预测模型回归分析预测模型、温特斯线性与季节性 指数平滑预测、灰色预测模型、模糊线性回归预测模型及模糊聚类预测模型。其中， 模糊线性回归预测模型和基于软分类空间的模糊i s o d a t a 聚类分析预测模型较传统 模型有改进，预测精度得到了进一步提高。 2 对山东省电力消费现状及未来发展趋势进行了分析。为电力需求的定量预测 提供参考和依据。结合山东省历史用电量和用电负荷对预测模型进行了选择，完成 了2 0 0 5 2 0 1 4 年山东省全社会用电量、电网网供电量，电网月最大负荷、月最小负荷 及夏、冬两季的典型日负荷的定量预测，为山东省电源规划提供了所需的数据。 3 阐述了电源规划问题的建模机理，重点阐述了电源投资决策和随机生产模拟 两个子问题。基于山东电力系统的特点并考虑了环境污染和能源消耗影响，建立了 单节点的电源动态规划模型 4 利用电源规划程序p l a r t e l e e - p r o 对山东省2 0 0 5 - 2 0 1 4 年电源发展进行了规划 计算，求出了对应于最小费用路径的电源容量扩展方案 关键词：负荷预测电源规划动态规划 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi st h ee m p h a s i sa n dv a n g u a r di nt h en a t i o n a le c o m o m i c d e v e l o p m e n ts t r a g e t y t oac o n s i d e r a b l ed e g r e e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e r i n d u s t r ya c c o u n t sf o rt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h ea d v a n c e m e n to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , t h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r da n dt h ee f f i c i e n c yo ft h e e n e r yu t i l i z a t i o n t h eg e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n gi sv e r yi m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l e t ot h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y o no n eh a n d ，i n a d e q u a t e c a p a c i t yw i l ll e a dt ot h es h o r t a g eo fe l e c t r i cp o w e r , a n dt h e r e b yc h e c kt h ed e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h eo v e r a b u n d a n c eo f c a p a c i t yw i l ll e a v em a n y g e n e r a t i n gu n i t si d l e ，t h u sr e s u l ti ne n o m o u sw a s t e s ot h eg e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n g h a sg r e a ts i g n i f i c a n c e h i s t o r i c a l l y , t h ee l e c t r i c i t yp r o d u c t i o ni nc h i n a , u n d e rt h eg u i d eo fp l a n n e de c o n o m y p o l i c y , h a ss i m p l ye x p a n d e dt h ep r o d u c t i o n , o f w h i c ht h es o l ep u r p o s ei st om e e tt h en e e d s o f v a r i o u sc o n s u m e r s ，b u tn e g l e c t e de n e r g ye f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s i n c e c h i n a sr e f o r ma n do p e n i n gu p ，t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi ns h a n d o n gh a sd e v e l o p e d r a p i d l ya n d t h ee l e c t r i cp o w e rs o u r c ec o n s t r u c t i o nh a sc o m eo u tt o p h o w e v e r , t h e e x i s t i n g p r o b l e m s ，s u c ha st h em o n o t y p i s mo ft h ee l e c t r i cp o w e rs o u r c e , t h eh i - m a t c h e ds t r u c t u r e o ft h e g e n e r a t i n gu n i t s ，i m m o d e r a t ep r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n , a n d s e v e r e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , h a v et h r e m e n e dt h ep e o p l e sl i v i n gs u r r o u n d i n g s ，w a s t e da n e x t r e m e l yl a r g ea m o u n to f r a r en a t u r a lr e s o u r c e sa n dh i n d e r e dt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t j u s td u et ot h es t a t u sq u o ，t h eo b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hi st oe x p l o r et h eg e n e r a t i o n e x p a n s i o np l a n n i n go fs h a n d o n g ，w h i c hc a l lp r o v i d et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rm a k i n g c o r r e c td e c i s i o n so ns h a n d o n ge l e c t r i cp o w e rd e v e l o p m e n t , o nt h eb a s i so ft h es c i e n t i f i c l o a df o r e c a s t i n ga n dt h e o r e t i ca n a l y s i s i ns u m m a r y , t h i st h e s i sc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n g ： 1 s o m ek i n d so fl o a df o r e c a s t i n gm o d e l s ，s u c ha sr e g r e s s i o na n a l y s i sm o d e l ， w i n t e r sl i n e a ra n ds e a s o n a l e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gm o d e l ，g r e ym o d e l ，f u z z yl i n e a r r e g r e s s i o nm o d e la n d 昀c l u s t e r i n gm o d e l ，a r eb u i l tt op r o v i d ep r e c i s ed a t af o r g e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n g b a s e do na n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lo n e s ，t h ei m p r o v e m e n t o ff u z z yl i n e a rr e g r e s s i o nm o d e li sp u tf o r w a r da n df u z z yi s o d a t a c l u s t e r i n ga n a l y s i s m o d e li sb u i l tf o rl o n g - t e r r al o a df o r e c a s t i n g 1 1 1 山东大学硕士学位论文 2 0 nt i l eb a s i so ft h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n tt r e n da n d t h ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o ni nt h ep a s t , t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n i ns h a n d o n gi s a n a l y z e dm a c r o s c o p i c a l l yt op r o v i d er e f e r e n c ef o rq u a n t i t a t i v el o a d f o r e c a s t i n g t h ef o r e c a s t i n go ft o t a le n e r g yd e m a n do fr h a n d o n g ，e n e r g ys e r v e db y s h a n d o n gp o w e rg r i d m o n t h l ym a x i m u ma n dm i n i m u ml o a do f s h a n d o n gp o w e rg r i d ，a n d s u m m e ra n dw i n t e rt y p i c a ld a i l yl o a do fs h a n d o n gp o w e rg r i do v e rt h ep l a n n i n gh o r i z o n f r o m2 0 0 5t o2 0 1 4 ，i sc o m p l e t e du s i n ga p p r o p f i a t ef o r e c a s t i n gm o d e l ，w h i c hi ss e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f h i s t o r i c a ld a t a 3 i n d e p t ha n a l y s e sa r em a d er e s p e c t i v e l yo ft h et w op a r t so ft h eg e n e r a t i o n e x p a n s i o np h n n i n gp r o b l e m t h eo p t i m a lc a p a c i t ye x p a n s i o ni n v e s t m e n t a n dt h e p r o b a b i l i s t i ep r o d u c t i o ns i m u l a t i o nn f i e ri n v e s t i g a t i n gt h em a d d i n gm e c h a n i s mo ft h e g e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n gp r o b l e m n eg e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n gm o d e l 。w h i c h t a k e se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n , i sb u i rb a s e d 0 nt h ec h a r a c t r i s t i co fs h a n d o n ge l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h ed y n a m i cp r o g r a m m i n g m e t h o di su s e dt os o l v et h ea b o v em o d e l 4 n i eo p t i m a lc a p a c i t ye x p a n s i o nc o n f i g u r a t i o no fs h a n d o n go v e rt h ep l a n n i n g h o r i z o nf r o m2 0 0 5t o2 0 1 4 ，w h i c hi sb a s e do nt h em i n i m u mt o t a lc o s t , i sf o u n du s i n gt h e p r o g r a mp l a n e l e c - p r o ， ， k e y w o r d s ：l o a df o r e c a s t i n g g e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n g ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：菹熊盘f 盘日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雄导师签名：哗日 期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出 能源是国民经济和社会发展的重要物质基础，而电力作为清洁的二次能源，具 有许多其他能源不可替代的优点，在整个能源系统中居主导地位电力工业是国民 经济的重要基础工业，是国家经济发展战略中的重点和先行产业，电力工业的发展 直接关系到科学技术的进步，关系到国民经济的发展和人民生活的提高，关系到能 源利用水平的高低。电力工业本身又是一个投资密集的部门，电力工业投资中有很 大一部分集中在电源建设上电力系统电源规划不但对整个国民经济发展，特别是 对电力工业的发展有重大影响，而且也涉及巨额投资支出装机容量不足将导致电 力短缺，以至使国民经济其它部门中大量生产能力无法发挥作用，从而严重制约着 国民经济的顺利发展；装机过多，则使大量机组处于闲置状态，造成浪费因此， 电源规划是电力工业发展中非常重要且必不可少的前期工作，电源规划的研究不仅 具有重大的理论意义，也具有重大的现实意义 2 l 世纪的新形势也对中国电力工业发展提出了新的要求。2 0 0 2 年国务院批准了 电力体制改革方案，正式拉开了我国电力体制市场化改革的序幕，打破垄断、引 入竞争是这次电力体制改革的首要问题随着国家电力体制改革逐步进入“竞价上 网”的阶段，各发供电企业必须开始考虑如何增强自身竞争力，其中，实现资源优 化配置、提高资源利用率，加强规划、。整体优化、技术创新等方面将越来越受到重 视1 1 - 3 1 另外，当今中国电能需求不断变化，呈现出许多新特点，例如第三产业用电 量持续上升、用电总负荷不断提高、峰谷差不断加大等。用电总负荷的增加要求装 机容量增加，而峰谷差的加大则使得在用电负荷较小时有较多的机组闲置，从而造 成了资源的浪费。因此，要协调用电总负荷增大与峰谷差加大两者之间的矛盾，也 需要从宏观上对电源的建设进行合理规划 3 , 4 1 同时，当今世界对环境问题的重视程 度越来越高。电力行业本身有两重性，既是能源生产行业也是能源和资源消耗行业； 既为清洁生产和生活提供基础和条件，本身又是一个污染大户要实现电力工业可 持续发展，必须有效控制电力工业环境污染 5 。6 1 。这些形势使得一种综合考虑环保性、 经济性等各方面因素的电源规划方法的研究迫在眉睫。 山东省是全国经济大省，拥有独立的省域电网，电力建设在全国名列前茅，但 是长期以来在计划经济的主导下，山东电力生产基本上还只是本着扩大生产的原则， 目的仅仅在于满足社会不同用户用电需求，而忽略了节能及环保等重要环节。回顾 山东大学硕士学位论文 山东电网的建设发展历程，有不少问题亟待解决，例如她区性电力失衡和时段性的 电力短缺、电源方式单一、发电机组结构不合理、初级能源消耗过度、环境污染严 重等【7 】，这些问题的存在威胁了人们的生存环境，极大地浪费了宝贵的资源，并制约 了经济的发展。本课题的提出正是基于这样一种现状，旨在科学预测与理论分析的 基础上，对山东省电源发展进行优化配置研究，为制定正确的电力发展决策提供理 论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 i 电力负荷预测方法研究现状 电力负荷预测工作既是电力系统电源规划工作的重要组成部分，也是电源规划 的基础。而且。负荷预测也是保证电力系统经济运行的重要前提，电力工业产、供、 销同时完成的特点要求电力负荷预测具有相当高的准确性。负荷预测的核心问题是 预测的技术方法，即数学模型随着现代科学技术的不断进步，负荷预测技术得到 了很大发展，理论研究逐步深入。 1 2 i i 传统的负荷预测方法【3 ， 1 5 】 1 单耗法 单耘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做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得其用电单耗。有时 考虑用国民生产总值或工农业生产总值，结合电量单耗( 产值单耗) ，计算用电量， 此为产值单耗法。 2 + 电力弹性系数法 电力弹性系数是用电量的相对变化率与国民生产总值的相对变化率之比由以 往用电量和国民生产总值可分别求出其平均增长率k y 和疋，从而求得电力弹性系数 ：。若用某种方法预测未来嬲年的弹性系数为童，国民生产总值的增长率为霞， j ， 可得电力需求增长率为t = 雪毫，可得第历年的用电量以= 4 ( 1 + t ) ”式中，4 为预测基准年的用电量。 3 回归分析法 回归分折法假定负荷同一个或多个独立变量存在因果关系，根据负荷的历史资 料，用数理统计中的回归分析方法，通过寻找因果关系的数学模型预测未来负荷值。 山东大学硕士学位论文 回归分析法的主要特点是：将预测对象的影响因素分解，考虑各因素的变化情况， 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。常用的回归分 析方法有：一元回归分析法、多元回归分析法及多变量回归分析法等。回归模型有 一元线性回归、多元线性回归、非线性回归等诸多模型。其中，线性回归可用于中 期负荷预测；一元回归分析法选取单个负荷为因变量，时间、温度等一个变量作为 自变量：多元回归分析法同样选取单个负荷为因变量，但选取多个变量作为自变量， 多元回归分析时，常常采用逐步回归的思想，从影响负荷的多个因素中，选择出最 有意义的因素建立了预测模型；多变量回归分析法选取多个负荷作为因变量，可同 时完成多个负荷的预测，并可方便处理负荷问的相关影响。 4 时间序列外推法 将负荷数据当作一个随时间变化的序列进行处理，寻找负荷历史数据序列中的 变化模式，并将该模式外推到未来进行预测实际问题中，多数预测目标的观测值 构成的序列表现为广义平稳的随机序列或可以转化为平稳的随机序列，依据这一规 律建立和估计产生实际序列的随机过程模型，并用它进行负荷预测。按照处理方法 的不同，该大类方法又可分为确定性时间序列分析法和随机时间序列分析法两类。 时间序列负荷预测方法有移动平均法、指数平滑法、自回归a r 、自回归与移动平均 a r m a 预测等。这些方法的优点是所需历史数据少、工作量少；缺点是没有考虑影 响负荷变化的因素，对短期预测效果比较好而不适合用于中长期负荷预测。 1 2 1 2 负荷预测方法发展动态 1 灰色预测技术 3 a 6 q 8 】 概率统计追求大样本量，必须先知道分布规律、发展趋势，而时间序列法只致 力于数据拟合、对规律性的处理不足以灰色系统理论为基础的灰色预测技术，可 在数据不多的情况下找出某个时期内起作用的规律，建立负荷预测的模型灰色系 统理论研究的是贫信息下建模，提供了贫信息下解决系统问题的新途径。它把一切 随机过程看作是在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程，对灰色量不是从统 计规律的角度应用大样本进行研究，而是采用数据主成的方法，将杂乱无章的原始 数据整理成规律性强的生成序列再作研究。灰色系统模型尤其是g m ( 1 ，i ) 模型及其改 进模型在电力系统负荷预测中得到了广泛的应用，并取得了一些成果灰色预测模 型是一个指数函数，如果待测量是以某一指数规律发展的，则可望得到高精的预测 结果，但多数情况下待测量的变化并不是按指数规律变化的，即便是也是短暂的， 因此g m ( i ，1 ) 模型适用于短期负荷预测。 山东大学硕士学位论文 2 优选组合预测法【9 1 9 , 2 0 l 优选组合预测有两类概念：一是指将几种预测方法所得的预测结果，选取适当 的权重进行加权平均的预测方法；二是指在几中预测方法中进行比较，选择拟合优 度最佳或标准离差最小的预测模型作为最优模型进行预测。组合预测法是建立在最 大信息利用的基础上，它集结多种单一模型所包含的信息，进行最优组合因此， 在大多数情况下，通过组合预测可以达到改善预测结果的目的 3 专家系统法 通过将规划人员的经验用计算机可识别的产生式规则等形式表达，从而可模拟 专家进行预测该方法可以将人的经验同统计方法相结合，对于异常负荷模式的预 测特别有效采用该方法的主要局限在于专家经验提炼困难专家系统预测技术总 结了目前城网中长期负荷预测中的可行模型，针对目前方法存在的片面性，首次尝 试把专家系统技术应用到负荷预测上，从而克服了单一算法的片面性，同时，全过 程的程序化，使本方法还具有快速决断的优点它将入工智能应用于负荷预测中， 及时将专家对预测的干预反应到系统中，使预测具有更强的适应性。由于负荷预测 是城网规划部门所面临的较难处理的基础工作，以及预测过程容易出现人为差错及 预测专家比较缺乏，使该方法具有较为广泛的应用前景。 4 模糊预测法【2 1 3 9 】 美国c a l i f o r n i a 大学控制论教授l a z a d e h 于1 9 6 5 年发表了开创性论文“f u z z y s e t s ，i n f o r m a t i o na n dc o n t r o l ”( 模糊集合) ，从而建立了模糊集合论【2 ”，近年来，模 糊数学已广泛地应用到国民经济的各个领域。电力需求的变化一方面可从其历史数 据中获得一定的趋势，另一方面还要受到其它诸多环境因素的影响( 如经济发展、 产业结构、气候、政策、人口等等) ，其中有些因素的变化存在着很大的不确定性， 如果考虑这些因素的话。传统预测方法的精度常常不能尽如人意，而模糊数学理论 则为此类问越的解决提供了相对自效的手段，凶此近年来基于模糊集蛙论的电力需 求预测模型不断发展应用常见的模糊预测模型有模糊回归预测 2 2 - 3 2 1 、模糊聚类分 析 3 3 - 3 8 1 及模糊综合评判嗍等。模糊线性回归最早由t a n a k a l 3 0 1 提出，在模糊回归分析 法中，认为观察值和估计值的离差是由系统的模糊性引起的。具体的说，回归系数 是模糊数，于是模型的拟合值与观测值之间的偏差就是由这种模糊性引起的，使得 结果带有一定的模糊幅度的模糊数。模糊线性回归预测法与普通回归预测的区别就 在于前者环境变量、预测变量及回归系数均为模糊数模糊聚类识别预测法是基于 模糊模式识别与模糊聚类理论的电力系统负荷预测方法，是通过对负荷历史数据进 4 山东大学硕士学位论文 行识别、隶属度计算和聚类分析，根据模糊聚类参数与预测因子的前期特征值，确 定相应的类别变量特征值，建立类别变量特征值与预测对象之间的相关关系，应用 这种确定的相关关系进行负荷预测。模糊综合评判作为模糊数学的一种应用方法， 由我国学者汪培庄提出、适用于对多因素多层次的问题的评判。它是应用模糊变换 原理和隶属度分析原理，考虑各个相关因素，作出综合的评价。模糊综合评判应用 在电力负荷预测中主要是用来确定组合预测的权重 5 神经网络法【9 舯4 2 l 通过对人脑神经系统的结构模拟实现负荷的预测技术，称a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ) ，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，有信息记忆、自主学习、知识推理和优化计算的特点，这些是常规算法和专 家系统技术所不具备的人工神经网络具有非线性、自组织、自适应、大规模并行 处理等优点长于非线性拟合的多层前馈神经网络，以及长于自学习的k o h o n e n 自 组织神经网络，是负荷预测中用得较多的两个神经网络模型。到目前为止，人工神 经网络主要用于短期负荷预测，短期的负荷变化可以认为是一个平稳的随机过程，： 而长期负荷预测与国家或地区的政治，经济政策密切相关，通常不是一个平稳过程。 所以，a n n 用于短期负荷预测更为合适。 6 小波分析预测技术 9 , 4 3 - 4 习 小波分析是2 0 世纪数学研究成果中最杰出的代表它是一种时域频域分析方 法，在时域和频域上同时具有良好的局部化性质。小波变换能将各种交织在一起的 不同频率混合组成的信号分解成不同频带上的块信息，对负荷序列进行正交小波变 换，投影到不同的尺度上，各个尺度上的子序列分别代表原序列中不同“频域”的 分量，可清楚地表现负荷序列的周期性，以此为基础，对不同的子负荷序列分别进 行预测。由于各子序列周期性显著，采用周期自回归模型会得到更为精确的预测结 果。最后，通过序列重组得到完整的负荷预测结果，它要比直接用原负荷序列进行 预测更为精确。 1 2 2 电源规划方法研究现状 国外从六十年代开始研究电源规划的最优化技术，并已研究出多种各具特色的 商用电源规划优化程序 4 6 - 5 ，其中应用较为广泛的是w a s p ( w i e n a u t o m a t i cs y s t e m p l a n n i n g p a c k a g e ) 软件包，由国际原子能机构( i a e a ) 委托美国田纳西流域工程管 理局( 刊a ) 与橡树岭国家实验室( 0 r n l ) 研制，后来i a e a 对之作了许多改进， 成为一个对电力系统容量扩建分析常用的软件包w a s p i i i ，世界银行用以对其贷款 山东大学硕士学位论文 的电力项目进行可行性分析和经济评估相对而言，此软件包更注重电力规划模型， 对于电力需求预测，则多采用季节性自回归滑动平均混合模型，模型中并未具体考 虑电力需求结构的实质影晌因素产业结构及居民生活。i a e a 在2 0 0 0 年发布了 基于w i n d o w s 操作系统的w a s p 一软件包，同w a s p i i i 软件包相比，w a s p 进行 了一些改进，包括抽水蓄能电站的处理及环境污染问题的考虑等。此外，还有通用 电气公司( g e ) 开发的最优发电规划程序包o g p ，以生产费用最低为目标，用静态 向前看的方法优化；美国麻省理工学院研制的电力系统发电容量扩建分析系统 ( e g e a s ) 模型，是采用随机生产模拟方法来计算生产费用，可用多种方法对扩建 方案进行优化：法国电力公司( e d f ) 研制的国家投资模型( m n i ) ，以热力发电设 备容量为变量，产生一个费用年值最小的最优投资计划，在优化中使用了最优控制 理论的庞特里亚金极值原理 由于节能与环保意识的相对薄弱，以往国内在电力规划领域内的研究基本上着 重于从投资及运行成本方面进行规划，而忽视了初级能源消耗及环境污染的严重性， 相应的规划思想和规划规模基本上局限于以经济成本为目标的单目标优化配置，例 如山东电网目前采用的筛选曲线分析法、电源优化规划法( 用g e s p i i 多区域发电 系统扩展优化软件) 等，前者可以比较清晰地说明在任一有效容量利用率时各类电 源在经济上的差异，后者则根据预测的负荷增长和可能建设的各类电源，以计算期 内电网总贴现费用最小为目标，优化得到各个周期的电源装机方案，从而得出各类 电源随负荷增长按时序的相应发展。这些方法均没有考虑经济成本以外其他指标的 优化。另外，国外的电源规划模型普遍是按发电机组优化的，它们忽略了系统中的 发电厂的地理分布，而我国幅员辽阔，一次能源和工业分布不均匀，因此不能简单 地应用此类电源规划模型目前国内开发有按发电厂优化的j a s p 软件包4 7 , 5 2 , 5 3 1 它的优化模型考虑了电源地理分布，能进行区域电力电量平衡，j a s p 的电源投资决 策设互分解为爪电优亿和发电优化两个子问题。火电优化采用摊序算法，而刈爪电优 化采用“爬山法” 由于电源规划问题本质上的复杂性。在各种优化模型中。都不得不进行某种简 化处理。根据简化方法、优化方法以及对某些问题的处理不同，就形成了不同的电 源规划模型。概括起来，目前的电源规划软件包中所采用的电源规划方法大致有以 下几种 4 6 4 0 , 斗5 3 l ： i 动态规划方法 该方法可以方便地考虑决策变量的整数性质，满足发电机组容量的离散性：反 6 山东大学硕士学位论文 映电源规划的非线性和动态性；结合各种复杂的生产模拟方法及系统可靠性计算方 法动态规划方法不仅可以提供一个最优方案，还可以提供几个费用较小的次优方 案，为最终决策提供了较多的信息这个优点是其它优化方法无法比拟的。但当规 划年限增加，待选机组类型较多时，则会出现方案的“组合爆炸”问题，计算量急 剧增加，常常出现“维数障碍”。为了减少计算量，实际计算中常给系统增加人工“隧 道约束”，仅允许状态变量在规定范围内变化，以减少可行方案的数目。如果优化过 程中发现人工“隧道约束”为紧约束，则放宽有关“隧道约束”后重新进行优化， 直到设置的“隧道约束”成为松约束为止。这一方法以国际原子能机构( i a e a ) 的 电源规划软件包w a s p 为代表。 2 逐年滚动优化方法 ， 该方法可以有效克服动态规划方法中因规模扩大而出现的“维数障碍”问题。 因为只考虑一年的优化方案，故只需对满足本年需求的可行方案中进行比较，即使 待选的电源类型较多，可行方案数目也是有限的。这一方法以美国通用电气公司的 o g p 软件包为代表，又分为静态逐年优化方法和动态逐年滚动优化方法 一 在静态逐年优化方法中，每次只对某一规划水平年进行优化，并假定以后各水 平年的负荷情况不变由于这种方法将动态高维数优化问题简化为逐年的静态优化 问题，大大减少了计算工作量及内存占用量，以牺牲解的最优性来换取计算的快速 性。逐年求得最优方案并不一定构成在整个时间序列上的整体最优方案。这种将规 划水平年与规划期内以后年份分离开来独立进行电源扩展优化，缺乏全面、统筹安 排。该改方法只适应于较短时期的电源投资决策计算，对较长时期的电源投资决策 问题，则可能带来较大的误差为了克服这些缺点，o g p 软件包还采用了动态逐年 滚动优化方法为某一年确定一小于规划期的计算期，先对计算期寻优，然后，对 下一水平年为起始年的计算期再度寻优，并逐年向后滚动，得到规划期各年的电源 投产方案。由于减小了动态寻优维数，计算速度可以大大提高，同时也在某种程度 上兼顾了解的最优性。但由该方法得到的电源投产次序也并非整个规划期的最优解， 而且该方法也不能直接处理水电优化问题。 3 线性规划方法及混合整数规划方法 线性规划方法计算速度快，可以很快地求解规模大、约束复杂的问题，是目前广 泛应用于许多领域的最优化方法，是一种完善的数学优化方法，有成熟的商用软件 包可供调用。用线性规划方法解决电力系统电源规划问题时，要将问题进行线性化 处理，即把电源规划问题中各变量之问及目标函数中的非线性关系简化为线性化， 7 山东大学硕士学位论文 还要将整数变量松弛为连续变量，并且不考虑电源规划问题的随机性这种线性化 描述难以反映电源投资的实际情况，该方法也无法描述水电站之间的补偿调节过程， 所以计算效益较差。 为了较为准确地描述电源优化规划问题，通常的办法是引入o l 整数变量如 对水电站引入o l 变量后，就可以较准确地描述大坝和水工设施的建设情况该变 量取0 表示大坝未完工，不能装机，取i 表示已经建成大坝和水工设施并可装机。 这样，大坝的投资可以通过0 一i 变量一次性投入，不必分摊到每单位千瓦。这种可 以处理整数变量的方法成为混合整数规划方法整数变量的引入可以提高对问题描 述的准确性，但也大大增加了相应的计算时间。 4 启发式方法 ， 电力系统电源规划是一个包含多变量、多制约因素的、复杂的非线性动态整数 规划问题，属于非良性结构问题，当直接套用严格的运筹学优化算法来处理时，难 以得到满意的效果。这时，与其偏离事实，忽略或修正某些重要的条件，勉强使用 某种标准模型而使问题得到简化而易于求解，还不如保持问题的本来面目，建立基 本符合问题实际情况的非标准模型。前者虽可用已有的标准算法求解，但由于问题 的模型失真，得到的解通常难以用来作为决策依据。而在后面这种情况下，为得到 可用的近似解，研究人员运用自己的经验和洞察力，从与其有关而较基本的模型和 算法中寻求其中的联系，从中得到启发，去发现可用于解决该问题的思路和途径， 这就是启发式方法。且前不少国内外的电源规划软件包在求解过程中采用了启发式 算法。如前面提到的w a s p 规划软件包中的“隧道”动态规划方法。我国西安交通 大学的j a s p 软件中投资决策算法也采用了启发式算法，该算法包括排序和爬山过程 两部分。其中火电优化采用了“排序算法”，水电优化则采用了“爬山法”各种电 源规划启发式算法都利用了电力系统的某些特点，计算速度快，占用内存少，易于 计算机实现，减少丁人量的计算工彳，# 量。但所有启发武力法的缺点是不能住数学上 严格证明其收敛性和最优性，得到的解有可能是局部最优解；尽管如此，对求解电 源规划这样一个复杂的非线性混合整数规划问题，启发式算法发挥了重要的作用， 且收到了很好的效果。 5 人工智能方法 最电源规划问题是一个复杂的非线性的混合整数规划问题。它具有高维数、非线 性及随机性等特点。此外，该问题还属于典型的非凸多峰问题，除了全局最优解外， 一般还存在若干局部最优解，因此利用上述经典优化算法求解这类问题，一般难以 山东大学硕士学位论文 获得全局优解近些年来，人工智能技术取得飞速发展，它可以处理离散、非凸的 非线性问题，随着人工智能技术的不断发展和日臻完善，以专家系统、神经网络、 模糊理论和遗传算法为代表的智能技术在电源规划中已经被越来越多地使用。这些 方法出现较晚，目前发展尚不是很成熟，但是具有很大的发展应用潜力。 1 3 本文的主要工作 随着山东省经济的迅速发展和人民生活水平的提高，电力需求将稳步增长，这必 然要求扩大电力生产的规模，增加电源建设；同时鉴于目前山东电网电源建设存在 的诸多问题，本文的主要任务是在对电力负荷进行科学预测与理论分析的基础上， 对山东省电源发展进行优化配置研究，为制定正确的电力发展决策提供理论依据。 主要工作包括： 1 定性分析了山东省产业结构、电力消费现状及发展趋势。 2 基于山东电网的特点，建立了用电量、用电负荷、典型日负荷变化曲线等预测模 型，并进行分析；同时，对于模糊线性回归模型进行了局部改进以提高预测精度， 建立了基于模糊i s o d a t a 聚类算法的预测模型用于中长期电力负荷预测。 3 编制程序对规划期内山东省电力需求定量预测，为山东省电源规划提供数据基 础。 4 分析山东省电源规划的建模机理，建立以总费用现值最小为规划目标的电源动态 规划数学模型；借助电源规划程序p l a n e l e c p r o 进行山东省未来十年电源规划。 9 山东大学硕士学位论文 第二章电力负荷预测模型的建立 电力负荷预测是电力系统电源规划的重要组成部分，它为电力发展规划和电力生 产运行计划的制定提供决策依据，因此，科学准确地对电力负荷进行定量预测是一 项十分重要的基础工作。负荷定量预测的核心问题是选择合适的预测方法，即数学 模型目前，电力负荷预测模型种类众多，一般而言，对于不同的数据资料应选择 不同的预测模型，以获得较高的预测精度。有时也采用优选组合预测方法，即同时 采用几种模型进行预测，然后对比分析选择拟合优度最佳或标准离差最小者或者将 预测结果加权平均进行预测。 本章分析并建立了几种负荷预测模型，对传统的模糊线性回归预测方法进行了改 进，并建立了基于软分类空间的模糊聚类方法用于长期电力负荷预测，进一步提高 了预测精度。 2 1 回归分析预测模型 回归分析预测法是一种从事物变化的因果关系出发进行预测的数理统计预测方 法。任何件事物的发展和变化往往受到许多因素的影响，这些因素影响程度的变 化也会使事物有不同的变化，也就是说，这些影响因素是事物发展变化的原因。回 归分析的即试图定量地描述这种因果关系较为常用的回归分析预测方法是：多元 线性回归预测法和多项式回归预测法。 2 1 1 多元线性回归预测模型 1 多元线性回归模型描述1 9 ，1 0 1 3 】 设待测量y 有m 个影响因素，分别记为毛，x ：，则线性回归模型就是： y = 风+ 届而+ 压x 2 + + 凡h + f ( 2 一1 ) 式中，屈( 扛o ，l ，2 ，神称为回归系数，占为随机误差项。对厅组样本观测值的 第均l ( m ；x i i ，x 2 ，x 。) ，模型又可表示为 弘= p o + 届x “4 - 屈】4 - + 凡z “4 - 毛，f = 1 , 2 ，刀 ( 2 2 ) 该模型基于如下的假设：随机误差毛的期望值为零，即e ( t ) = o ( i = 1 , 2 ，船) ； 方差的期望值为一常数，即e ( 0 ) = 盯2 ( f = 1 ，2 ，行) ；各随机误差项互不相关，即 ( 毛，f ，) = 0 ( i ，= 1 ，2 ，n ；i d 多元线性回归模型( 2 - 2 ) 可用矩阵形式表示为： r 睾x b 4 - u 山东大学硕士学位论文 式中 y = j ，1 儿 ： 儿 ，