（农业电气化与自动化专业论文）农村电网状态评估方法研究与系统设计.pdf

沈m 农业大学硕j 。学位论文 农村电网状态评估方法研究与系统设计摘要 研究生：王娜导师：杨涛副教授 近年来，为了加速农村经济发展，国家投入了几千亿的资金，进行了大规模的农村 电网建设和改造工程，大大的改善了农村电力设备严重落后的状况。农村电网的基础设 施得到了较大幅度的改善，主要设备进行了更新换代。农电企业的工作重点逐渐向内部 挖潜、降损节能、保证供电质量、提高供电可靠性方面转移。目前，故障停电是影响农 村电网供电可靠性的主要问题，有资料显示，大约有8 0 的停电是由故障停电造成的。 通过对农网设备状态评估方法的研究与应用，及时发现故障和故障隐患，对提高农村电 网的供电质量及供电可靠性具有重要的实际意义。 本文通过对负荷预测方法的研究，选择适于农网特征的组合预测法对农网主变压器 负荷进行中长期预测，根据其预测结果判断主变压器负荷状况，做好预先安排。从而提 高供电可靠性。通过对国内外电力设备运行状态评估的发展趋势及现状的调研，根据预 防性试验数据和历史运行状况数据，分析了影响设备运行状态的相关因素，确定不同设 备的状态影响因子，提出了电力设备状态评估的新算法，建立了设备状态评估模型，对 设备状态进行了评估。基于以上研究完成了农村电网设备状态评估系统的设计与开发工 作。系统实际运行结果表明：本文的设备状态算法可对设备的潜伏性故障做出准确预测， 随着该系统的实际应用和不断完善，它必将为实现状态检修，提高供电可靠性发挥重要 作用。 关键词：农村电网，状态评估，系统设计 英文摘要 a b s t r a c t c a n d i d a t e ：w 抽gn as u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y h n gt 幻 i no r d e rt oa c c e l e r a t ed e v e l o p m e n to ft l l em m le c o n o m y ，o u rc o u i l n yh a si n v e s t e d s e v e r a lh u n d r e db i l l i o n 缸n d si n 订锄s f o m 枷o na i l dc o n s t 兀l c t i o np r o j e c to ft l l em r a le l e c m c n e t w o r k ，t 1 1 es i m a t i o no f m r a lp o w e re q u i p m e n t sh a si m p r o v e d t h ei n f h s 仇l m 鹏o f t h em r a l e l e c t r i cn e 柳o r kh a sb e e ni m p r o v e d 伊c a t l y ，a i l dt h e 埘m a r ye q u i p m e n t sh a v eb e e nr e n e w e d t h ee m p h a s i so fn l r a lp o w e rc o l p o r a t i o n sh a v es h i n e dt oe n h a n c et h ee l e c t r i cs u p p l yq u a l 咄 e s p e c i a l l yd e c r e a s el o s i n g 锄ds a v i n ge n c r g y ，趴di m p r o v ce l e c t r i cs u p p l yr e l i a b i l i t y t h e m a t e r i a l ss h o w e dt h a t8 0 p o w e rc u t 种晡b u t e dt of 孤l t s t h es t u d ya n da p p l i c a t i o no ft h e m e t h o do fe q u i p m e ms t a t ee v a l u a t i o nh e l pt of l n d 廿0 u b l ea i l dp o t e m i a l 廿o u b l ei nt i m e i th a s i m p o n a i l c es i 驴i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gp o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i 够 b a s e do nt l l el o a df o r e c a s t i n gm e m o d sr e s e a r c h ，t h ec o m b m a t i o nl o a df b r e c 剃n gm e t h o d i sc h o o s et of o r e c a s tt l l em r a le l e c t r i ci l 酿v o r km e d & l o n gt e r i i ll o a d a c c o r d i n gt ot h e f o r e c a s t i n gr e s u l t ，t h em a i nt r 蛐s f o m e r s s 诅t ei sj u d g e d ，t e c h n i c a lm e a 叫ei su s c di na d v a n c e ， t 1 1 u sp o w e rs u p p l yr e l i a b i l 时i se i l l l 锄c e d t h r o u 曲t h ei n v e s t i g a t i o na n d 咖d yo nd o m e s t i c a n df o r c i 印p o w e re q u i p m e m 舢1 n i n gs 诅t ee v a l u a t i o nd e v e l o p m e mt e n d e n c y 蛆dp r e s e n t s i t u a t i o n ，p r e v e n t i v et e n t a t i v ed a t u ma n dh i s t o r i c a lr u 衄i n gd a t 眦i su s et 0a i l a l y z e t l l e i n n u e n c ef 她t o rt h a ta 鼠c te q u i p m e n tm i l i l i n gs 诅t u s an e wm e m o do ft l l ep o w e re q u i p m e n t s s t a t ee v a l u a t i o ni sp m p o s e d ，t l l ee q u i p m e ms t a t ee v a l u a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d b a d0 n a b o v em e m o d sa n dm o d e l s ，t h er u r “n e t w o r ke q u i p m e n ts t a t ee va _ i u a ：t i o ns y s t e mi sd e s i 掣嶂d 1 1 l ep r a c t i c a l 兀l 皿i n gr c s u l ti n d i c a t e st h a tt h ee q u i p m e n ts t a t ec v a l u a t i o na l g o r i m mi sa b l ct 0 f o r e c a s tt 1 1 ee q l l i p m e n th i d d e nf 犯1 t sa c c u r a t e l y ，i tw i l lc e r t a i n l yh e l p f u lf b rt h er e a l i z a t i o no f m a i m e n a i l c eb a s e do nc o n d i t i o na 1 1 di m p r o v e m e n to f t h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i 够 k e y w o r d s ：r i l r a ln e 时o r i 【s t a t ee v a l u a t i o n ，s y s t e md e s i 印 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它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。 研究生签名：元期f时间：7 秒多年胡，妇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 研究生签名：2 最时间：矽年严月钼 导师签名：劫1 考时间：彬 年，月膳日 沈阳农业大学硕士学证论文 第一章前言 1 1 研究目的及意义 随着经济的发展和生活水平的提高，人们对电的需求和依赖程度越来越高。配网作 为向用户供电的直接手段，它的安全可靠和经济运行已成为电力部门和用户共同关心的 主要问题( 郭永基。2 0 0 3 ) 。目前“供电可靠率”已经成为考核供电企业的一项重要指 标，提高供电可靠率既是电力企业自身利益所在，又是用户对供电企业的迫切要求。 电力部门有关统计资料表明，故障停电是影响农村电网可靠性的关键问题( 杨晓东， 栗然等，2 0 0 2 ) 。以辽宁省辽阳县为例，辽阳县农电局肩负着2 8 册平方公里范围内工农 业生产和人民生活供电任务。年负荷电量引乙矗聊，。拥有固定资产j ? 4 亿元，酏w p 变电 所? 0 座，容量4 j j 8 0 0 k 删；6 饿隧电线路j 6 4 魁峨j o k p 配电线路2 2 2 9 肼；配电变压器 j 4 台，容量钉w 6 8 芷删；n 维州氐压线路4 o 黝以居民用电户，6 万户。由于受地理环 境的影响，辽阳县各个乡镇的经挤产业和负荷特点有很大差异，小北河变电所属典型平 原地区，主要以居民用电和农业用电为主，没有大负荷的工业用电；小张变电所为典型 的工业集中负荷，其辖范围内主要为轧钢厂：麻屯变电所为山区，用户分散，线路较长， 维护和检修都比较困难，供电可靠性难以达到理想的标准。下表为小龙线停电统计表。 采卜1 小龙境停电境计襄 一j 坠韭生曼_ 墅垫旦竖土地曼墅塑蔓竺垡塾! _ 一 配电设备作业变电垒停影响 d j s b m i o n 白b i l h i e s w 町k c 硼p l n e p o w 盯c u l i 耐i u f n c e 计划临时事故小计计划临时事故小计 p l 皿 t e m p o m r ya c c i d c n t t 0 t a l p 1 如 t e m p o r 町 a c c i 如n tt 0 脚 由上表可得，小龙线的供电可靠率为她j p ，用户平均故障停电次数达到了口8 ( 次 户) ，故障停电是影响供电可靠率的重要因素。农村电网是电力系统联系电源与用户的 重要环节，其供电可靠性水平的高低与用户有直接关系，提高供电可靠率已成为农村电 网的迫切任务，对农网可靠性的评估方法也提出了新要求( 韩亮，2 0 0 2 ) 。 过负荷是更换电力变压器的主要原因，准确的负荷预测能够合理地选择主变容量， 可以提高主变的利用率，减少必要的备用容量，降低能源损耗，保证电能质量( 孙陈敏， 可以提高主变的利用率，减少必要的备用容量，降低能源损耗，保证电能质量( 孙陈敏， 1 蚴 ， 哪 一 一 一 一一一一一 一 ， 瞄 卿 旭 u m 删 ； o 犯 吼 2 拼 。 虬 刚 ， 瞄 憎 数 数 时 耕 扶 卢 户 第一章前言 2 0 0 3 ) 。通过主变负荷预测，判断主变何时需要增容，可以减少不必要的停电时间，提 高供电可靠率。因此对主变进行负荷预测是农网状态评估的重要部分。 不同设备，应采用不同的评估方法。对于不同设备，影响运行状况的因素不同。本 文根据设备的实际运行情况，分析影响其运行状况的所有因素，把这些因素综合起来， 定义为设备的状态影响因子。通过模拟电力设备寿命的实际情况，根据设备寿命的概率 分布建立评估模型对该设备的运行状态进行评估。通过对农网的状态评估，判断设备的 运行状态，找出设备缺陷及时发现故障隐患上报调度，根据其结果合理地安排停电检修 时间，可以有效地缩短停电时间，提高农村电网的供电质量及供电可靠性，对农电企业 与电力用户具有重要的经济效益与社会效益。 1 2 国内外研究现状 2 d 世纪卯年代，人们开始研究电力系统可靠性。由于发电设备与配电设备相比， 相对比较集中，设备一次性投资额大，建设周期长，发电容量不足造成的停电给社会 及环境可能带来后果的严重性和广泛性容易引起人们的注意，因此人们着重强调发电 系统的可靠性，而忽视了配电系统可靠性的重要性。随着统计工作的不断完善和数据 资料的不断积累，人们发现配电系统的故障对用户供电可靠性的影响很大。长期以来， 美国、英国、加拿大、日本以及法国等国都投入大量资金对配电系统可靠性进行专门 研究，相关研究成果已经用于生产实践。在发达国家，可靠性评估已成为配电系统规 划决策中的一项常规性工作。把停电损失列入规划方案的比较，将可靠性与经济性统 一协调，使可靠性技术的应用发展到了一个新的层次。自从9 酊年该领域的一系列学 术论文问世以来，配电系统可靠性无论是在数据统计方面，还是在评估模型和算法方 面都形成了较为成熟的方法。 我国的农网供电可靠性工作起步较晚， 户可靠性评价规程( 暂行) 。随后中电联、 j 9 粥年国家电力公司颁发了供电系统用 国电公司联合研制了供电系统用户供电 可靠性管理信息系统，给农电企业规划了供电可靠性的统计办法和评价指标体系，从 此农电企业开始了对用户可靠性进行统计、计算、分析和评价工作。但是农村电网供 电可靠性工作仅仅是在离线状态下对用户供电可靠性的统计，其分析评价不能进行在 线的、实时的数据分析，更不能做到根据分析结果进行提前预防。近年来，为了向用 户提供高质量的电能，改善电网的标准化管理水平，加强计划用电、调度、检修，提 2 沈阳农业大学硕士学位论文 高供电可靠率，农村配电网可靠性研究越来越受到人们的重视。国内的电力系统可靠 性评估研究发展很快，例如，清华大学研究开发的d 豫点盘h 应用软件等，取得了很 好的效果。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要研究以下内容： 第一、主变负荷预测方法研究。根据农网主变负荷特点，比较多种预测方法，结合 现有历史数据建立离散程度最小、拟合优度最佳的预测模型。 第二、设备评估方法研究。根据国内外设备评估发展现状，分析影响不同设备运行 状况的各种因素；根据生产实际确定不同设备的影响因予，建立不同设备的评估模型对 其进行状态评估。 第三、农村电网设备状态评估系统设计。确立系统的设计目标并进行代码设计，基 于前面研究设计系统所需数据库及功能模块，并进行界面设计。 第二章农村电网负荷预测方法的研究 第二章农村电网负荷预测方法的研究 2 1 引言 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) 。负荷预测的目的就是提供负 荷发展状况及水平，同时确定各供电区、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，确定各规戈 j 年用电负荷构成( 滕俊，卫志农等，2 0 0 3 ) 。 农网中很多设备如主变压器、配电变压器等的故障是由于长期过负荷引起：根据准 确的负荷预测，可以预测变压器何时需要增容，大约增容多少，进而可以科学地安排时 间停电增容，从而缩短停电时间，提高供电可靠性。因此，负荷预测是农网运行状态评 估的关键部分，怎样才能获得科学、准确的负荷预测结果是本课题研究的重点。 2 2 负荷预测的分类 负荷预测分为超短期负荷预测、短期负荷预测和中、长期负荷预测( 滕菲，王宁， 2 0 0 2 ) 。 一般说来，而以内的负荷预测为超短期负荷预测，用于安全监视、预防性控制和紧 急状态处理。特点是：口预测时间短，由于温度等因素变化比较缓慢，预测中可以不 考虑温度的影响，但对一些特别天气，要根据经验考虑；6 要求模型预测速度快，模型 本身必须有在线预测功能；c 预测精度要求高。主要算法是：口线性外推方法；6 神 经网络预测法。 日负荷和周负荷预测为短期负荷预测。分别用于安排日调度计划和周调度计划，包 括确定机组的起停调峰、水火电的协调、联络线交换功率、调度等。特点是：口周期 性强，l 天或1 周的负荷具有很强的规律性：6 天气影响很大，模型必须能够考虑各种 天气因素的影响；c 受节假日重大事件的影响，必须与正常的负荷区分开。主要算法： 口指数分析法；6 回归分析法：c 灰色模型法；d b p 人工神经网络预测法；p 组 合预测法。 月至年的负荷预测为中期负荷预测，主要确定电力系统的运行方式、机组的发电安 4 沈阳农业大学硕士学位论文 排和大修计划等。特点是：口预测时间长，计算速度没有特殊要求；6 规律性强。一 年1 2 个月负荷具有很强的规律性( 季节性、趋势性、周期性) ；c 气温、气候影响很大， 模型必须9 9 够考虑这些因素的影响；未用电量和预铡区域负荷构成、工农业构成比例 有关。主要算法：口分解法 6 组合预测法；f 人工神经元网络预测法；d 多元变 量法；p 专家系统预测法。 电源发展规划，需要数年至数十年的长期负荷预测，包括电量和电力的预测。主要 算法；口计量经济分析法；6 单耗法；c 时间序列法；d 灰色预测法；b 趋势分 析法。 由于历史数据有限，本文对负荷进行中长期预测。 2 3 负荷预测方法简介 2 3 1 单耗法 按照国家安排的产品产量、产值计划和用电单耗确定需电量的单耗法分“产品单耗 法”和“产值单耗法”两种。采用“单耗法”预测负荷前的关键是确定适当的产品单耗 或产值单耗。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：方法筒单，对短期负萄预测效果较好。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 。3 2 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f 为自变量，时序数值y 为 因变量，建立趋势模型n 露砂。当有理由相信这种趋势能够延伸到未来时，赋予变量f 所需要的值，可以得到相应对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 势外推法的重蚕环节，图形识另4 法帮差分法是选择趋势模型的两种基本方法。 外推法有线性趋势预测法、对数趋势预测法、二次曲线趋势预测法、指数曲线趋势 预测法、生长曲线趋势具有明显的经济效益，负荷预测实质上是对电力市场需求，并指 出做好负荷预测已成为实现电力系统管理现代化的预测法。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。 第二章农村电网负荷预测方法的研究 2 3 3 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垂。弹性系数法是从宏蕊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 3 4 回归分析法 回归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。用数理 统计中的回归分析方法对变量的观测数据统计分析，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；其中，线性回 归用于中期负荷预测。优点是：预测精度较高，适用于在中、短期预测使用。缺点是： 规划水平年的工农业总产值很难详细统计；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 3 5 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。时问序列法主要有自回归4 丑西砂、滑 动平均a 纠例和自回归与滑动平均一r 埘囟，圳等。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 3 6 灰色预测法 灰色预测是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法。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a 分为普通灰色系统模型和最优化灰色模型两种。普通灰色预测模型是一种指数 增长模型，当电力负荷严格按指数规律持续增长时，此法有预测精度高、所需样本数据 少、计算简便、可检验等优点；缺点是对于具有波动性变化的电力负荷，其预测误差较 大，不符合实际需要。而最优化灰色模型可以把有起伏的原始数据序列变换成规律性增 强的成指数递增变化的序列，大大提高预测精度和灰色模型法的适用范围。灰色模型法 适用于短期负荷预测。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、短期预测精度高、易于检验。 6 沈阳农业大学硕士学位论文 2 3 7 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。专家系统预测法适用于中、长期负荷预测。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 3 8 神经网络法 神经网络g 4 朋n4 ，蛳c 硒，肌删腑f w d 棚预测技术，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。爿 w 应用于短期负荷预测比应用予中 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。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 3 9 小波分析预测技术 小波分析是一种时域频域分析法，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纽的采样步长， 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。 第二章农村电两负荷预涮方法的研究 2 3 1 0 优选组合预测法 优选组合有两层含义；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，选择拉和废最佳或标准偏差最小的预测模型进 行预测。对于组合预测方法也必须注意到，组合预铡是在单个预测模型不能完全正礁墟 描述预测蠡的变化规律时发挥作用。一个能够完全反映实际发展规律的模型进行预测完 全可能比用组合预测方法预测效果好。该方法的优点是一优选组合了多种单一预测模型 的信息，考虑的影响信息也比较全面。因而能够有效地改善预测效果。缺点是：权重 的确定比较困难；不可能将所有在未来起作用的因素全包含在模型中，在一定程度上 限制了预测精度的提高。 2 4 主变负荷预测方法及实倒分析 本课题在对农村电网负荷特征及负荷预测方法研究的基础上结合国内外先进的负 荷预测经验，研究以下内容： 第一，建立主变负荷预测模型。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，很难用一种预测模型描述所有的负荷变化规律。必须建 立尽可能多的预测模型满足负荷发展规律多样性的需求； 第二，预测策略确定。其实质是研究如何将各种预测方法的预测结果进行最佳的组 合，包含了三方面的内容：其一是选择哪几种预测模型，进行预测结果的组合：其二是 如何优化各种模型的权重，使预测精度达到最高；其三是如何确定预测样本的历史可信 度，使预测模型尽可能反应近期负荷变化的规律； 第三，进行预测方法评价。对于不同的预测结果可以通过系统自动评估出结果的精 确级别，并推荐出多个预测结果让用户选择，根据预测结果自动生成多个预测曲线，让 用户从中选取标准离差最小、拟合优度最佳的预测模型。 2 4 1 灰色预测法 灰色系统理论是我国华中理工大学邓聚龙教授于纷8 2 年在国际上首创的一门新兴 边缘科学，自诞生之日起就引起了广大学者的关注。它是控制论的观点和方法延伸的产 物，既可用于社会经济，也可用于工业控制。经过几年实践，已在工业、农业、社会经 济等众多领域的应用中取得了显著效益。灰色系统理论的众多优点，使得它已在电力负 沈阳农业大学硕士学位论文 荷预测这一领域中被广泛研究。g 懈7 ，d 模型是目前最常用的灰色预测模型，在g m 7 ， 砂的研究中，提高拟合优度和精度是关键，也是最困难的问题。目前，对于g 卅，矽 模型的改进方法主要有对原始序列进行平滑、局部残差修正及等维新息模型、无偏灰色 模型和灰色递阶模型等几种。( 李伟，韩力，2 0 0 4 ) 。本文提出的二次迭代拟合方法， 将迭代的思想引入g 卸l ，圳模型中，对模型中的参数进行迭代拟合，在拟合中使用加权 最小二乘法，并进行预测结果的修正，因此可提高g ! 卅，d 模型的精度，经算例验证分 析，效果很好。 2 4 1 1 基本灰色预测法 灰色系统分析实质上是将一些己知的数据序列。通过一定的方法处理，使其由散乱 状态转向规律化，然后利用微分方程拟合，并由外延进行预测。其中己知的数据称为白 色，需要预测的数据称为灰色，而处理过程称为白化，也就是对数据序列的随机性弱化。 设原始序列 z ( o ) = 扛。( 1 ) ，x ( o ( 2 ) ，x ( o ( 阼) ( 2 1 ) 进行一次累加后生成 x 1 = p ( 1 ) ，x 1 ( 2 ) ，x ( 1 ( 嚣) 其中， 丝+ 硝( 1 ) ：“ 斑 利用最小二乘法求解o ，” 阱埘巩 其中嚣： 一抄( 2 ) ( 1 ) ( 1 ) 】 一妒( 3 ) 一( 2 ) 】 i 一妒一( 川) 】 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 9 、， 之 q x 。随 = 、j 程方分微 立 建 第二章农村电网负荷预测方法的研究 y = b ( 2 ) ，x ( o ( 3 ) ，x ( o o ) j r 求出模型的时间响应方程 幸( 1 ( 七+ 1 ) = ix ( o ( 1 ) 一兰k 一靠+ 兰 ( j j = o ，1 ，2 ，)( 2 5 ) i口i a 还原成原始序列的预测模型 舅( 0 ) ( 膏+ 1 ) = 6 一e 。： x ( 0 ( 1 ) 一詈 e 一础 ( 七= o ，1 ，2 ，。 ( 2 。6 ) 从上述公式中可见，灰色方法中建立的微分方程用以拟台累加生成的序列，即使参 数口、“的精度很高，也只能达到累加序列的模型最优，但还原成原始序列，并不能保证 参数盯，”的精度，因此用于预测时精度也不能保证。本文在原有翎“，印模型的基础上， 对原始序列再次进行二次迭代拟合，使得模型参数对原始序列的拟合优度达到最高。 2 4 1 2 二次迭代拟合方法 二次迭代拟合方法的原理是利用灰色g 卵，模型的预测时间响应方程与原始序 列，重新确定描述时间响应方程的特性参数，使参数对原始序列的拟合优度提高。灰色 g 卅， 模型的预测公式为： 咒川) = o p ( 1 ) 一羽e 埘( _ i - 0 ，1 2 ，) 式中；参数口、村都己使用最小二乘法估计确定，可见预测公式的最终表达形式实质是一 个指数函数。如何使这个指数函数与原始序列的拟合效果最好，才能保证此模型用于预 测原始序列的精度达到最高，由于预测公式是非线性的，很难直接对模型进行参数估计， 因此对原模型进行变形，采用迭代的思想进行参数估计定义参数彳： x ( 町( 1 ) 一竺 ，口为 口l 迭代参数反。) ，当m ；d 时，反。) = 口公式( 2 6 ) 变形为迭代公式； 工( 。( 七十1 ) = 0 一p b e 氓w 。 根据原始序列和g 疵? ， 的已知参数口、“， 拟合迭代的思路： ( 七= o ，1 ，2 ，胛一1 )( 2 - 7 ) 对参数彳和进行二次估计。以下给出二次 一和口的初值分别为lz ( o ( 1 ) 一兰l 和口，将公式( 2 6 ) 进行自然对数变换 l口j 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 l n k ( 1 ( 七+ 1 ) 】= l n l p 属”j + l n ( 4 ) + ( 一反1 ) 七) ( 2 8 ) 写成矩阵形式 黝 ， 其中 】，：i n x ( ( 1 ) 一l n ( 1 一p a 。，) ，l n x ( 2 ) 一l n ( 1 一g 且。，) ，l n x ( ( 帕一1 n o g 最”) j 7 g = o 一1 2 分别对参数4 和鼻进行估计，本文采用最小二乘法，参数估计结果为 酗= 时守， ( 2 1 0 ) 将计算出的卢新值芦( 1 ) 与旧值芦( o ) 作差，作为收敛判据e ，= i 卢( i ) 一反o ) l 如e ， 8 ( 占为预先给定的小正数) ，则结束迭代，将计算出的新参数带入预测方程( 2 1 3 ) ： y z l = x ( o ( 七+ 1 ) = ( 1 一p 卢) 彳p 一辟( 七= o ，l ，2 ，)( 2 - 1 1 ) 如p 。占，则将计算出的新值代替旧值，m 自增l ，继续迭代，直到收敛。 用经过二次迭代估计，参数彳和口对原始序列的拟合优度提高了，因此采用重新估 计后的参数进行预测，比直接用6 m 一，圳模型预测的精度高很多( 刘敏华，2 0 0 3 ) 。 2 4 1 3 算例及其分析 本文应用改进的灰色算法对辽阳县农电局小北河变电所2 # 主变的负荷进行验证性 预测。为了比较不同模型的糟度，采用常规灰色预测法与改进算法进行比较。已知该主 变1 9 9 9 2 0 0 4 年的负荷数据建立模型，对未来几年的负荷进行预测。 z ( o ) = 1 0 7 3 4 9 2 ，1 1 4 3 8 9 7 ，1 2 4 4 _ 3 0 1 ，1 4 2 2 3 3 8 ，1 6 5 6 5 8 7 ，2 5 7 1 5 3 7 由基本灰色预测法得其数学模型为 z ( 1 ) ( 七+ 1 ) = 8 1 8 9 4 0 4 7 p 0 1 2 7 6 3 5 n 一7 1 1 5 9 1 2 7( 2 1 2 ) 第二章农村电嘲负荷预测方法的研究 x ( o ( _ i + 1 ) = ( 1 一p _ o j 2 7 6 3 卯) 8 1 8 9 4 0 4 7 p n l 2 7 6 3 5 7 膏( 2 1 3 ) 得：4 - - ) 一目瑚阻4 啪，= 口一o - z ，6 s s ， 由二次迭代拟合法，取占= o o o o o l ，当挪= 3 时，占= o 。o 0 1 。满足迭代要求， 爿= x ) ( 1 ) 一羽= 6 5 4 9 9 4 5 ，反，) = - 0 1 6 。3 6 。5 ，得改进后的预测模型为： x o ( 七+ 1 ) = ( 1 一e - 0 _ 1 6 0 3 6 0 5 ) 6 5 4 9 9 4 5 口o - 1 6 0 3 6 0 5 ( 2 1 4 ) 根据负荷预测模型预测出未来4 年的负荷，生成灰色预测和改进灰色负荷预测曲线 如图2 1 所示： 由结果可见，改进的灰色预测法精度比原 先的g 懈， 模型有较大提高。因为迭代计 算中的初值是g 们，圳预测模型中的参数， 且此方法的收敛性很好，一般在三次迭代后就 可收敛。另外，迭代中收敛判据可根据实际情 况自由变动，加权最小二乘估计和预测结果二 次修正使模型对近期数据有更好的拟合，进一一期黜i 一钢材旗瓒翻一载黻哟酿蠢翻 步提高了预测精度。该算法预测精度高，预测 圈2 1 灰色预涮结果比较 效果好，是一种具有应用前景的好方法。f 1 9 2 1c 。唧_ r i o r 岫e b 蚰如r e c t i n g m u l 矗 2 4 ，2 一元线性回归法 2 4 2 1 一元线性回归模型 在电力系统用电量及负荷预测计算中，两个随机变量之间的关系通常是线性关系， 常用一元线性回归模型来描述，若以x 和y 表示两个随机变量，自变量x 的统计值x j ，地一： 因变量y 为y ，勘- ：，一元线性回归模型为：j ，= h + 口+ e ( 陈梅英，2 0 0 2 ) 。 其中斜率6 为回归系数，口为截距，占为随机误差求解这个模型，就是根据历史观 测统计数据确定参数6 及口，常用单方向最小二乘法这种方法计算简单，使用者较多， 所得成果较为客观，但所求方程为回归方程，并非相关方程，它要求相关的两个变量一 个为因变量，另一个为自变量，且假设自变量为固定变量，没有随机误差，在许多情况 下这种假设不能成立线性方程的误差估算采用下式： 沈阳农业大学硕士学位论文 q ( 6 一口) = 一允) 2 = ( y ，一船一口) 2 ，允= k j + 口，f = l ，2 ，珂 虫为y 的估算值，n 为历史观测统计点的数目令9 m 印取最小值，求得 卜紫 岱 【口= 夕一城 式中 i = 吉而萝= 去y ， 根据历史观测统计数据，由( 2 1 5 ) 式可估算出参数6 及d ，从而确定y 倚工的回归方 程此方程只能用于由x 预钡崎，且要求x 没有误差；若x 有误差，则此方程的结果可靠性 较差若需根据y 预测x ，则要重新确定r 侮y 的回归方程，且也要求y 没有误差只要相关 系数不为l ，两个回归方程就不能相互转换，现分析如下 设y 倚柏q 回归方程为 y = b l x + n 设x 倚y 的回归方程为 苫：y 一口2 或 y ：6 2 x + 口2 轳i y i 口2 飘 y 劬2 口2 根据同一组数据，由最小二乘法得到回归方程的系数如下： 相关系数用下式计算： ( 一一习一夕) 压百鬲忑丽 f 1 ( t 一夏) ( 乃一刃 6 2( n 一夕) 2 ( 2 _ 1 6 ) 【口2 = y d 2 x ( 2 - 1 7 ) 于是可得两个回归方程斜率的关系如下 叁：菩簋票# 骘一，即6 。6 2 6 2 ( x ；一i ) 2 ( 1 y ；一歹) 2 。1 “。 因为，所以有6 ，巩当，= n 9 时，6 ，n 8 幻；当，= n 8 时，6 ，= 0 1 6 4 幻由此可 见，根据同一组资料用不同方法所求得的回归方程的斜率，在相关关系不是非常好的情 鬻 篁三妻奎塾皇曼墨煎鎏翼盔羹塑堕塞 况下差别较大在电力系统用电量预测中，很难确定自变量和因变量如居民每户平均 用电量与当地的总用电量的关系是统计相关关系，两个变量均为随机变量，并非因果关 系，很难确定自变量和因变量， 2 4 2 2 实例分析 为方便比较，这里仍以辽阳县农电局小北河变电所2 # 主变的负荷为例。以年份为自 变量，负荷值为因变量，因此保证了自变量无误差。 经计算得t 卜紫谢s 御， 【4 = 罗一西霄= 5 9 9 。0 5 s 6 5 一元回归预测模型为 y = 2 6 3 8 3 8 l x + 5 8 9 ，0 5 8 6 s 此模型为一元线性回归模型，考虑因素较少，只适用于具有较平稳历史趋势的预测。 因此预测精度不高，有较大误差。 2 4 3 多元线性回归法 多元线性回归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。用数理统计中的回归分析方法对变量的观测数据统计分析，从而实现对未来的负荷 进行预测( 李艳梅，孙薇，2 0 0 3 ) 。多元线性回归一般只用于中期负荷预测。 2 4 3 1 多元线性回归模型 y = 6 0 + 6 l x i 十6 2 x 2 十+ 6 尸芹p + f 一( o ，c r 2 ) ( 2 - 1 8 ) 其中6 0 ，6 ，b ，“称为回归系数，s 是随机误差。 在负荷预测中。根据历史数据代入( 2 1 8 ) 式可得 y i = 6 0 + 6 l x l l + 6 2 硝2 + + 西p 而卢+ q ! ：i 6 。+ 6 1 x 2 i + 6 2 x 2 2 + + 6 一晚，+ s z ( 2 1 9 ) y 聋蠢0 + 矗l x 。i + 屯x 2 十+ 6 p 矿+ f _ 为了数学处理的方便。将( 2 t 1 9 ) 式用矩阵形式来表示。记 y = y l y 2 x = b = 6 0 轨 1 6 p q 吃 ： 占h 于是，( 2 1 9 ) 式可写为y = 船+ 占，用最小二乘法求未知参数，6 ，如，的估 计量，代入( 2 1 8 ) 式得回归方程： 萝= 6 0 + 6 1 x l + 如x 2 + + 6 芦x p 2 4 3 2 实例分析 表2 1 列出1 9 9 9 2 0 0 4 这6 年间小北河变电所2 # 主变负荷以及小北河总人口，农业 总产值、工业总产值的情况。可以看出，负荷随人口、工农业产值的变化而变化。 寰2 - 1 负荷奠人口、工农业产僵的变化 ! 业! ! ! 二! 圣盟壁! 女! 翌壁! ! ! 苎竺! ! 肥巳! ! ! 墅跫! 宴丝! ! ! 坚! 巳坚! ! ! 竖2 11 鲤! ! 啦! 鲤苎g ! i 些! 塑! ! 年份总人口( 万人)农业总产值( 万元)工业总产值( 万元)总负荷( 千瓦) y e a r p o p u l a t i o nj n d u 蛐_ y 乒o s so 哪l tv a l u e a 掣i c u l t u 佗g r o 锝o u q u tv 毗u e l 0 8 d 最小二乘法计算流程图如下： 田2 - 2 量小二鬃法洼程田 p i 9 2 一zt h e 日o wm g r _ mo f w e g h te dl e 4 s t - 。q u m sm h h o d 嘞 砘 讯锄 ；1 ，。一。，。一，一一。，璧i 墨蠢塑皇塑墨塑垄曼壅鎏塑塑壅 一 一一一一 表2 1 中数据经最小二乘法计算得， 5 杏0 + 2 7 。o g 岛+ 1 4 3 9 1 如+ 1 7 1 5 矗3 = 9 l1 2 。1 5 2 2 7 0 8 + 1 2 3 5 3 6 l + 6 7 4 0 3 0 9 6 2 + 8 1 2 8 4 6 1 6 3 ；4 2 3 5 7 6 1 4 3 8 1 + 6 7 4 0 3 0 9 6 1 + 3 9 9 1 9 2 1 如+ 4 9 7 6 8 5 ，6 毛= 2 4 5 6 4 2 9 1 7 1 5 6 0 + 8 1 2 8 4 6 1 6 l + 4 9 7 6 8 5 。6 6 2 + 6 3 6 0 9 2 s 酶= 3 0 7 6 3 1 2 由约当消去法解方程组，解得， b 萨一2 ”ib l - 2 3 l ，4 6 2lb 尹。9 0 9 两严4 粥5 得多元回归预测模型为， y ；屯9 7 + 2 3 l ，4 6 3 x 1 3 ，9 0 9 # 3 + 4 。9 4 5 x 3 从以上的分析可以看出，通过计算建立总人口、工农业产值与主变负荷的回归模型， 回归方程通过f 检验证明回归效果显著，所碍的回归方程能够用来预测且精度较高。 2 4 4 缀合负荷预测方法 2 ，4 4 1 组