（电力系统及其自动化专业论文）基于地理信息系统平台的城市电网空间负荷预测.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o to n l ym a g n i t u d e so fl o a d sf o r e c a s t i n g ，b u ta l s ol o c a t i o no fl o a d ss h o u l db e d o n ef o rt h el o a df o r e c a s t i n go ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ，w h i c ha l s om e a n s l o a d ss p a t i a ld i s t r i b u t i o n t h en o d e sa n dl i n e sp l a n n i n gc o u l db ed o n eo n l ya f t e r d e t e r m i n et h es p a t i a ll o a d sd i s t r i b u t i o nc o r r e c t l y i ti n t r o d u c e st h ee l e c t r i c p o w e rl o a df o r e c a s t i n gt h e o r ys y s t e m a t i c a l l y a n d i m p o r t a n tv a l u e so f t h ew o r kf i r s t l y ； s e c o n d l nt h ep r e s e n tl o a df o r e c a s t i n gm e t h o ds h o u l db es t u d i e da n dd i v i d e dt o m a n yk i n d st h a tc o u l db ed i s c u s s e da n da n a l y s i s ； t h i r d l y , i t i n t r o d u c e st h e p r e s e n tg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) d e v e l o p m e n tp l a t f o r m i nb r i e f , a n dt h em a p i n f oi ss e l e c t e dt og i sd e v e l o p m e n t s y s t e mo ft h i st a s k t h ef o l l o w sa r ct h e i m p o r t a n c e o ft h et e x t b a s e d0 1 1t h eg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e ms p a t i a li n f o r m a t i o na n a l y s i sf u n c t i o n ，i ts t u d i e so nt h es l f i t p r o p o s e s ac o m b i n e ds l fm e t h o dt oe x t r a p o l a t ef e e d e rl o a dg r o x t hb yu s i n g f e e d e r sh i s t o r yp e a kv a l u ea n dt h em e r i t so fg r a yt h e o r ya n dg e n e t i cp r o g r a m m i n g ( g p ) a tf i r s t ，i tg e t st h er e a lp o w e r - s u p p l ya r e ab yu s i n gl a y e ro v e r l a pa n a l y s i s ， b a s e do np r a c t i c a lf e e d e rp a t ha n dd i s t r i b u t i o ng i sm a pl a y e r s e c o n d l ni ta d o p t s g r a yi n c i d e n c ed e g r e em e t h o dt oc l u s t e rt h ef e e d e rl o a dg r o w t hc u r v e a tl a s t ，i tg e t s t h eo p t i m i z e dc u r v ef i t t i n go fe v e r yc l u s t e rb yu s i n gg pm e t h o dt op r o c e s st h eg r a y c l u s t e rr e s u l t s t h er e a li n s t a n c es h o w st h a tt h i sm e t h o dh a st h eb e t t e rr e s u l tt h a no t h e rt r e n d i n g m e t h o d s k e y w o r d s d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，s p a t i a ll o a d f o r e c a s t i n g ，g r a yt h e o r y ，g e n e t i cp r o g r a m m i n g 附录3 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导f 本人独立完成的研究成果。文 中依法引用他人的成果，均己做山明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意 义e 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论 文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，剥因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉： 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：l l 煎歪 r 期： 塑年月上r 附录4 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的耳只务作品，知识产权归属学校。学 校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然 为东北电力大学。 论文作者签名：童! 鱼垂日期：2 盟年垒月上几 导师签名 鍪丕日期：垫年生月卫日 1 1 引言 1 1 1 配电网络简介 第1 章绪论 在现代电力系统中，大型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能， 一般要通过高压或超高压输电网络输送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等 级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网络中主要起分 配电能作用的网络就称为配电网络。 配电网按电压等级来分类，可以分为高压配电网( 3 5 1l o k v ) 、中压配电网 ( 6 一i o k v ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ：按供电区的功能来分，可以分为城市配电 网、农村配电网和工厂配电网等”1 。 直接供电给用户的配电网络拥有占整个供电系统6 0 的投资及2 0 的运行成 本的极大数量的电力设备，其町靠性与质量直接关系到国民经济和人们的日常 生活“。 1 1 2 空间负荷预测简介 科学的预测是正确决策的依据和保证。负荷预测是电力系统领域的一个传 统研究问题，其是指从已知的电力系统、经济、社会、气象等情况出发，通过 对历史数据的分析和研究，探索事物之问的内在联系和发展变化规律，对负荷 发展做出预先估计和推测。负荷预测是电力系统规划、计划、用电、调度等部 门的基础工作。 配电网规划主要有两个方面的任务”1 ：一是确定电网未来安装设备规格，如 导线电源等级及型号、变压器规格等；二是确定配电网中增加新设备的地点及 时间。也即配电网规划需要确定规划年配电设备的容量和地理分布。因而负荷 预测不仅要进行规划地区规划年的总量预测，还需要确定负荷增长在地理上的 分布，也称为空间负荷预测”。 空间负荷预测概念最早是在1 9 8 3 年由美国的w i l l i s 提出并完善的1 。其定 义为在未来电力部门的供电范围内，根据规划的城市电网屯压水平不同，将城 市用地按照一定的原则划分成相应大小的规则( 网格) 或不规则( 变电站、馈 线供电区域) 的小区( 小到o 1 k m 2 ) ，通过分析、预测舰划年城市小区土地利用 的特征和发展规律，来进一步预测相应小区中电力用户和负荷分布的位置、数 量和产生的时间。 电力负荷预测可分为负荷总量预测和空问负荷预测。1 。负荷总量预测属于战 略预测，是将整个规划地区的电量和负荷作为预测对象，它的结果决定了未来 供电地区对电力的需求量和未来供电区域的供电容量。空间负荷预测是对规划 区域内负荷的地理位置和数值大小等进行的预测，它提供未来负荷的空间分布 信息。空间负荷预测与负荷总量预测存在着密切的关系，空间预测的结果必须 与负荷总量预测结果协调一致。 1 1 3 课题的背景及意义 电力负荷预测是研究在规划区规划年内负荷的时空分布，配电网规划的重 要组成部分，也是配电刚规划的基础”1 。s l f 是目前配电网规划巾的一个研究热 点”1 。配电网负荷预测的结果，为地区电力发展速度、电力建设规模、电力工业 向局、能源资源平衡以及地区电网闯的电力余缺调剂提供了可靠的依据。负荷 预测的准确性直接影响到配电系统投资及运行的合理性、经济性。因此，提高 电力负荷的预测精度，尤其是提高空恻负荷预测的精度，对配电网规划具有重 要的意义。 目前，我国的配电网建设不能适应社会经济发展的需要“”。夏季全国大范 围的持续高温天气使得供用电矛盾更加突出，导致全国各地不断出现拉闸限电 的情况，严重影响了人们的工作生活和社会经济的持续发展。究其原因：电网 建设的发展缓慢，设备陈旧、供电量不足、电网结构不合理，远远不能适应社 第1 章绪论 会经济的快速增长。为了缓解这一矛盾，国家投入了大量资金进行城市和农村 电网的建设和改造，其目的就是要构建一个安全可靠、适应性强、结构合理、 能满足城乡经济社会发展和生活用电需要的电网结构。而合理准确的负荷预测 则是实现这一目标的首要工作。因此，对配电网规划中负荷预测算法及模型的 研究具有重要的意义和价值。 在负荷预测时，若只是数值大小上有误差，则供电部门可以在设备安装的 时间上进行调整，就可以改变。但是若是在负荷地理分布上有误差，则这时的 损失就比较大了。只有确定了配电网供电区域内各小区的未来负荷，才能对变 电站选址、容量，馈线的型号、路径，开关设备的装设以及它们的投入时问等 决策变量进行规划。 因此，研究配网空间负荷预测方法对于提高配网规划的水平及供电的可靠 性，具有重要的学术和实用意义。 1 2空间负荷预测技术的国内外研究现状 地理信息系统因其强大的数据分析功能、空间分析功能已被广泛应用于 电力系统中与空间信息有密切关系的各个方面。由于配网包括有众多地理位置 各异的设备、网络、用户等，使得配网g i s 研究成为电力g i s 研究中的重点。 按照预测算法类型，采用规则格网或不规则区域类型和在预测过程中是否 分析历史数据的不同，将s l f 方法分为分析( a n a l y t i c ) 预测方法和直观 ( n o n a n a l y t i c ) 预测方法。 1 2 1 直观预测方法 直观预测方法利用计算机存储数据，凭用户直觉生成未来负荷的预测值。 涂色法( c o l o r i n gb o o k ) 是直观预测法的代表。直观法简单方便，数据需求量 小，但也存在结果粗糙等缺点，于8 0 年代已逐步淘汰“。 1 2 2 分析预测方法 分析预测方法首先分析过去或现在的负荷数据，确认未来负荷的发展趋势 和发展模式来生成未来负荷的预测值“3 。分析法主要包括趋势法( t r e n d i n g ) 、多 变量( m u l t i v a r i a t e ) 法和用地仿真( l a n d u s eb a s e d ) 法”1 。 1 2 2 1 趋势预测法 趋势预测法是以划分的小区为基础，采用曲线拟合或其它推断方法来预测 规划年的峰值负荷。“。趋势预测法根据每个小区的负荷历史数据进行外推。显 然，这种方法需要每个小区的负荷历史数据。 趋势预测法简单方便，数据需求量小，但存在以下弊端”： ( 1 ) 小区负荷通常在几年内增长到饱和，即呈s 型增长，负荷增长曲线的平 滑性和连续性都比较差； ( 2 ) 要估计未来的小区可能的历史数据，町能是一片空地难以进行趋势外推。 ( 3 ) 小区历史负荷数据常包含倒供电产生的馈线或变电站间的负荷转移量， 不能正确地反映小区负荷的增长。 1 2 2 2 多变量法 多变量法是以每个小区的年负荷峰值历史数据和其它多个变量为基础来预 测规划年的峰值负荷”。13 1 ，每个小区的变量个数介于1 6 0 之间。这些变量构成 了每个小区的“数据向量”( d a t av e c t o r ) ，其中有些变量是负荷数据。与趋势 法不同，多变量法通过在时问序列上的一系列迭代来预测水平年的负荷，可以 看出，多变量法是经济计量模型预测法在小区负荷预测中的应用，对数据质和 量的要求比较高，于8 0 年代已逐步淘汰。 1 22 3 用地仿真法 用地仿真法以划分的小区为基础，通过预计每个小区未来的用户类型和相 应负荷密度来计算水平年负荷” 1 ”。图i - i 是用地仿真法的总体结构图，由图l l 可以看出，用地仿真法是一种自上而下的预测法，它通过建立用地仿真模型来 模拟小区的未来发展情况，最终将系统负荷预测结果分配给每个小区。 系境鱼 待艇猫 憋链 崎瓣小随j f j 地控m 数据 雕地侨翅 蕊型 im 地需骥廿辑 2j ；l 地辽心忭分槭 小i 嚏拳艇 l 珏地相蒯 3 负菏援掇 h l f 班证1 6 | i 转卓懿 l 兰兰璺塑堡型i 图l l 用地仿真空问负荷预测总体结构图 与趋势法、多变量法相比，用地仿真法具有三个优点： ( 1 ) 由于系统负荷预测的方法较多，精度也较好，而且城市的接入电网( 输 电系统和子输电系统) 都是根据系统负荷预测规划的，所以用地仿真法充分利 用了系统负荷预测的结果，在此基础上束预测未来配电网的负荷分布。 ( 2 ) 用地仿真法采用两个因素( 用地仿真模型和负荷模型) 来详细分析影响 负荷增长的原因。其中用地仿真模型描述由于用户数目及位置发生变化而引起 的电力负荷分布变化：负荷模型描述了每个用户的电力负荷变化。 ( 3 ) 用地仿真法适应于进行多方案研究。 东北电力人学硕十学位论文 由于用地仿真法模拟了每个小区的未来发展，预测精度较高，能满足长期 规划的目的，目前已得到厂泛应用“。2 。显然，用地仿真法需要大量的空日j 数据， 计算工作量大。 通过对这三种常用方法的分析、比较，可以看出仿真法精度高，但需大量 数据和充足的计算资源；而趋势法简单方便，但精度较低。在实际应用中，应 根据问题规模、类型恰当选择不同的方法解决问题，当采用趋势法进行预测时， 为保证精度就必须考虑消除趋势法存在的三个缺点。 1 3 课题的研究目标 ( i ) 在对吉林市电网现状和吉林市发展规划进行综合分析的基础上，指出影 响负荷预测结果正确性的各种因素，结合相关的负荷预测理论，提出适合于吉 林市特点的空间负荷预测的分析方法和研究方案。并达到所提出的分析方法机 理清晰，研究方案易于实现且行之有效，预测结果能够满足实际运行需要。 ( 2 ) 通过该课题的研究，能够为吉林市城市电网的科学、合理发展提供可靠、 l f 确的参考信息。 ( 3 ) 针对目前国内、外普遍存在的用于空间负荷预测和城市电网规划的数据 和信息严重不足的问题，建立专用数据库，做好相关数据、信息的搜集和积累， 为将来预测的更加准确、规划的更加优化打下坚实基础。 ( 4 ) 研究成果能够推广到其他地区使用。 1 4 本课题空间负荷预测的技术路线 本课题研究基于地理信息系统的城市电网空间负荷预测的理论及其应用。 首先，考虑到配网包括有众多地理位置各异的设备、网络、用户等，同时 g i s 具有强大的数据分析功能、空间分析功能，完全适用于电力系统中与空间信 第l 帝绪论 息有密切关系的各个方面。所以，将g f s 引入到本课题的空间负荷预测分析中 来。 其次，通过对国内外研究现状的分析，决定抛开“直观预测方法”这一类， 在“分析预测方法”大类的范围内想办法，然而其中“多变量法”对数据质和 量的要求比较高，“用地仿真法”也需大量数据和充足的计算资源，这与运行中 普遍缺乏相关需要的数据和信息的现实形成了严重冲突，可见这两种方法在实 际应用中均不容易实现，“趋势预测法”又有三个明显的缺点，所以对“趋势预 测法”进行深入研究，并引对这三个缺点给出相应的改进措施来逐一解决，从 而实现基于送电线路和变电所的空间负荷预测。 再次，对所选定的地理信息系统平台进行二次开发，真征做到了预测结果 及相关信息与地理位置直观对应。 最后，增设配套的管理模块( 例如：专用数据库管理模块，规划信息管理 模块) ，做到了对预测所需的数据及信息的搜集和积累工作。 1 5 本文主要研究工作 配电网规划中的负荷预测是一项复杂繁琐的基础性工作，不确定因素多， 而且涉及领域广泛。这就决定了没有一种方法能适合所有地区的预测，也没有 一种方法能适合一个地区所有发展阶段的预测。只有结合地区的实际情况，运 用适当的预测方法，才能得到令人满意的结果。因此，针对电力部门实际工作 对负荷预测的实际需要，本文展开了对配电网规划中负荷预测工作的研究。 本文的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 研究中短期负荷预测的各种常规算法和智能算法，从中筛选出适于配电 网规划的负荷预测算法； ( 2 ) 系统的阐述配电网规划负荷预测的理论和各种预测方法，并将通过算例 分析比较各种模型的优缺点，以及其对于不同负荷变化趋势的适应性： ( 3 ) 鉴于近几年地理信息系统的发展和其在电力系统中的广泛应用，本文结 东北电力大学硕上学位论文 合将吉林市电网的具体情况和电力地理信息系统在配电网空间负荷预测的应 用，重点研究基于g i s 系统的几种窀问负荷预测方法，主要以分类估计馈线h 年负荷的方法为主： ( 4 ) 开发一套应用于配电网规划负荷预测的软件，该软件具有丰富的总量预 测模型库，并应用本文提出的算法实现空阃负荷预测。 第2 章地理信息系统开发平台的选择 配电系统和输电系统的规划设计有很大的不同，输电系统规划影响大、投 资大，但周期长：而配电系统规划则与此相反。配电系统的合理分割变电站负 荷、调整馈电线路负荷以及增设配电变电站、开关站、联络线和馈电线路，直 趸配电网改造、发展规划等，设计任务比较繁琐。 随着用电需求量大幅度增长，供电部门承担着设备台帐，电力线路设计、 旋工管理等诺多任务越来越繁杂，而在配电系统中，网络节点与沿线设备种类 和数目日益繁多，这样，传统的人工管理或传统的数据库管理数据信息的做法 已经很难满足配电网的建设和安全经济运行要求。将地理信息系统成功地与配 电网管理系统( d i s t r i b u t i o nm a n a g es y s t e m ，d m s ) 中其他功能模块集成，可以 实现以往无法实现的一些特色功能，提高整个d m s 的性能和生命力，增强d m s 的竞争力。 同样，由于空恻负荷预测涉及大量的空问信息，地理信息系统可以为空间 负荷预测的数据收集、处理和预测结果的表示提供。一个良好的平台。将g i s 引 入空间负荷预测，可以极大地减少数据收集量，可以利用单位地理图上所提供 的设备管理和用电管理信息及数据，并结合小区负荷预报，共同来构成配电网 设计和计算的基础。g i s 是空间负荷预测方法实用化的必要步骤，使得空间负 倚预测取得更好的效果。 2 1地理信息系统的概念及构成 地理信息系统是集计算机科学、地理学、测绘学、环境科学、经济学、城 市学、空间科学、信息和管理科学与一体的- t l 新兴交叉学科，它是以地理空 间数据库为基础，在计算机硬软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、 管理、操作、分析、模拟和显示，适时提供空间和动态的地理信息，为决策服 东北电力大学硕十学位论文 务的一类信息系统。 g i s 是在2 0 世纪6 0 年代随着计算机辅助制图及空间数据分析等技术发展 而提出的，是为了获取、存取、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算 机数据库管理系统。它是以地理空i 刈数据库为基础，采用地理模型分析方法， 适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机 技术系统。在配网管理中引入地理信息系统是当前技术发展的方向。地理信息 系统基本结构见图2 l 。 图2 - 1 地理信息系统基本结构图 2 2 地理信息系统的功能 一般把g i s 要处理的信息分为两类：第一类是反映事物地理空间位置的信 息，成为空闯位置数据，也称地图数据或图形数据；第二类是与事物的地理位 置有关的且反映事物其他特征的信息，通常称为专题属性信息，也称为文字数 据图形数据。 第2 章地理信息系统开发平台的选择 地理信息系统处理地理信息的功能强大，贯穿数据采集分析应用 的全过程。g i s 的基本功能包括以下几个方面： ( 1 ) 采集、检验与编辑。主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的 数据在内容和空间上的完整性、数据值逻辑一致、无错等。 ( 2 ) 数据操作。实现数据的格式化、转换和概化；数据的格式化是指不同的 数据结构的数据间交换，是一种耗时、易错、需要大量计算的工作。数据转换 包括数据格式转化、数据比例尺的变换。在数据格式的转化方式上，矢量到栅 格的转换要比其他运算快速、方便。数据比例尺的变换涉及到数据比例尺的缩 放、评议、旋转等方面，其中最重要的是投影变换。数据概化包括数据平滑、 特征集结等。目前地理信息系统提供这方面的功能极弱，需要进一步发展。 ( 3 ) 数据的存储与组织。这是一个数据集成过程，也是建立地理信息系统的 关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型和栅格矢 量模型的混合模型是常用的空间数据组织方法。属性数据的组织方式有层次结 构、网络结构和关系数据库管理系统等，最常用的是关系型数据库系统。 大多现行的系统中，空间数据和属性数据是分开存储的，通过公共项( 一般 定义为地物标示码) 来连接。 ( 4 ) 查询、检索、统计和计算功能。查询、统计、计算是地理信息系统及其 它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的功能。 ( 5 ) 空间分析是地理信息系统的核心功能。也是地理信息系统与其它计算机 系统的根本区别。 ( 6 ) 显示。地理信息系统为用户提供了许多用于显示地理数据的工具，其表 达形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是报告、表格、地图等硬拷贝图件， 尤其要强调的是它的地图输出功能。 地理信息系统的空间分析可以分为三个不同各层次。第是空间检索，包 括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。第二是空 间拓扑叠加分析，空间拓扑叠加实现了输入特征的属性合并以及特征属性在空 间上的连接。第三是空阳j 模拟分析，空| 1 日j 模拟分析刚刚起步，目前多数研究工 作着重于如何将地理信息系统与空间模型分析相结合。 东北电力大学硕士学位论文 2 3 地理信息系统平台的选择 在配电系统规划中，g i s 既可以作为原始数掘的输入接口，又可以作为结 果显示的工具，还可以作为用户操作的界面，因此用g i s 系统作为配电系统规 划软件的支撑平台是十分合适的，从而使地理信息系统在配电系统规划中得到 了广泛的应用。选用成功的g i s 平台来构架电力g i s 应用是建设城市电网空间 负荷预测系统的一种快速解决方案，对商用g i s 平台的选型主要需要考虑以下 几个因素： ( 1 ) 开放性：涉及与其它应用的互操作和开发舰范； ( 2 ) 性能：包括图形刷新速度、数据存储速度等； ( 3 ) 空间分析能力：衡量专业g i s 平台优劣的标准： ( 4 ) 可移植性：涉及系统的多平台运行和扩展等； ( 5 ) 可扩展性：适合于不同系统应用的不同解决方案。 目前，不仅国际上的g i s 系统开发已进入专业化、商业化的阶段，而且随 着g i s 系统技术产业化发展，各种g i s 系统层出不穷。据不完全统计，能够提 供市场的商业化g i s 系统和有关软件已达2 0 0 多种，世界范围内用户众多、知 名度较高的有七、八种软件，其中大部分已进入中国市场。主要有e s r i 公司的 a r c i n f o 、b e n t l e y 公司的m i c r os t a t i o n 、m a p i n f o 公司的m a p i n f o 、i n t e rg r a p h 公司的g e o m e d i a 和北京超图公司的s u p e m a a p 等。综观国内外市场，其应用归 纳概括起来有两种情况：_ 是利用g i s 系统来处理用户的数据；二是在g i s 系 统的基础上，利用它的丌发函数库二次开发用户的专用g i s 软件。 对于大中城市做空间负荷预测，选择m a p i n f o 作为丌发的基础平台有定 优势。m a p i n f o 的最大特点是数据统计分析功能强，用户界面友好，它将数据与 地图有机地结合实现数据的可视化、思维的可视化，为用户提供了一个崭新的 决策支持方式。同时基于w i n d o w s 的二次开发语言m a p b a s i c 为编写用户界面和 开发应用系统提供了可能。m a p i n f o 是一个开发性的系统，可方便的组网，与其 他系统构成c l i e n t s e r v e r 体系结构，满足用户大型系统的需求。该系统还 具有简单易学、可与普通的关系数据库连接的优点。所以，在应用中选择了 m 印i n f o 作为开发平台。 m a p i n f op r o f e s s i o n a l6 5 是美国m a p i n f o 软件公司推出的一套桌面地理信息 系统，它具有g i s 的基本功能，包括强大的地图数据显示、地图编辑、地图分 析和地图输出功能。而且由于其具有用户界面友好，与w i n d o w s 兼容性强、操 作方便、价格便宜等优点，使其在同类产品中脱颖而出，已被广泛应用于金融、 保险、交通、市政、军事等领域，使现代化管理水平大大提高。 m a p i n f o 具有以下几个主要技术特点： ( 1 ) 提供了丰富的图形元素、图形编辑1 具箱和图形分层技术，便于用户对 地图进行编辑和管理。 ( 2 ) 强大的数据库管理功能，使数据库中的数据与地图上相对应的图形元素 一一对应起来，实现在图形基础上对数据库进行管理。 ( 3 ) 提供了m a p b a s i c 作为与m a p i n f o 配套的用户开发工具，用户可以修改、 定制所需的菜单、工具栏、对话框等，以及增强对数据库的操作能力。 ( 4 ) 具有对象连接与嵌入功能( 简称o l e ) ，允许v b ，v c 十+ 等应用程序把 m a p l n f o 地图作为对象加以调用，也可以嵌入到w o r d ，e x c e l 等环境中。 2 4 本章小结 在配电系统规划中，g i s 既可以作为原始数据的输入接口，又可以作为结 果显示的工具，还可以作为用户操作的界面，因此，用g i s 系统作为配电系统 规划软件的支撑平台是十分合适的，从而使地理信息系统在配电系统规划中得 到了广泛的应用。本章首先介绍了地理信息系统的定义，其次具体介绍了地理 信息系统的基本功能以及空间分析功能和在配电网规划中的应用，最后针对本 课题的实际要求与实际情况，选择m a p i n f o 作为地理信息系统的开发软件。 东北电力大学领上学位论文 第3 章配电网空间负荷短期组合预测法 空间负荷预测是配电网规划的基础，也是g i s 空间信息分析功能应用的热 点研究问题。在配电网规划中，不仅要预测负荷的量，还要预测负荷的位置， 即负荷的空间分布，其目的是将各级电压的变电所建在负荷中心。只有在确定 负荷空问分布的基础上，才能进行配电网的布点和布线规划。本章提出了一种 根据馈线的历史峰值负萄进行外推的组合s l f 法，实际算例表明该方法优于其 它推断法。考虑到仿真法需要大量的数据和计算资源，该方法在短期负荷预测 中( 5 年) ，具有一定的优越性。 3 1 配电网空间负荷预测的常用方法 配网规划人员常使用仿真预测法和趋势预测法。 仿真法将供电区域划分成一系列大小相等的规则格网，然后预测每个小区 的将来负荷。它常用到多维模式识别、终端用户电力负荷模型以及表征工业、 商业、居民等不同用户类型之间相互作用、相互影响的城市模型。该方法可包 括很多方面，例如：可使用“交通流量”( t r a f f i cl o a df l o w ) 米确定由于大城 市不同位置交通情况对负荷增长的影响。就长期( i 0 2 0 年) 负荷预测而言，仿 真法精度最高，精度甚至比最好的趋势法都要高一个数量级。基于这个原因， 许多学者认为仿真法最适于配网的长期规划。然而，仿真法需要大量有关用户、 土地使用、土地分区、终端用户、人v 1 等数据( 通常电力公司很难快速获得这 些数据) 。 趋势法利用历史年峰值负荷外推来预测将来的峰值负荷，常采用多项式曲 线来拟合馈线的历史年峰值负荷，并将其外推到将来。除了曲线拟合外，还可 用模板法来作趋势外推，例如：利用每条馈线的历史年峰值负荷预测其本身的 将来峰值负荷。这正是趋势法优于仿真法的地方，即只需馈线或变电站的历史 第3 章配电网空间负荷短期纽合f ! l | 测法 年峰值负荷，而这些数据很容易得到。由于在长期预测中，趋势法不能仿真那 些引起负荷变化的原因( 如：就业引起的区域经济变化、市政分区引起的变化、 经济因素引起的变化等) ，而仅仅利用历吏负荷数据是不能推断这些变化的。所 以w i l l i s 已证明趋势法仅适用于1 - 4 年的短期负荷预测，他认为：只有正确描 述这些变化，才能得到较传的长期负荷预测。然而，在1 4 年的短期负荷预测 中，尽管实验表明趋势法精度较低，通常仍可忽略这些因素的影响。 趋势法通常采用二阶多项式进行曲线拟合，采用h 年负荷估计方法( 通常h = ，+ 2 0 ，7 1 为最后历史数据年份) 能提高该方法的精度。使用的二阶多项式如 下式 砸) = a + b t + c t 2 = ( if ，2 ) 0 6 c ) 。 ( 3 1 ) 式中，一历史负荷年份。 定义3 1 ：矩阵f 9 i 1 1 , 2 ，a ，j 为馈线总数，其中向量f 表示为 f = 【f ，( 1 ) f ，( 2 ) f ，( 3 ) f ，( 4 ) f ，( 5 ) f ，( 6 ) f ，( 7 ) f ，( 2 7 ) f ，( 2 9 ) j 。 ( 3 - 2 ) 式中，。( j ) 一f 馈线，年历史负荷值，= 1 , 2 ，a ，7 ：，( ，) f 馈线 年负荷估计值， j = 2 7 ， 2 9 。 矩阵e 。的含义为：一条馈线过去七年的历史负荷值以及未来第2 0 年、第 2 2 年的负荷估计值所构成的9 行1 列的矩阵。 定义3 2 ：参数矩阵只。， p = 只，i = 1 ，a ，9 ；，= 1 , 2 ，3 。可以看出，矩阵p 的元素 ( 3 3 ) 。o，m撕撕钾渤州 2 3 4 5 6 7 ”扣i 东北电力大学坝上学位论文 j f 川 f - 1 ，a ，7 只= ( j + 1 9 ) ” i = 8 + a o ) 川 f 1 9 定义3 3 ：二次多项式系数矢量矩阵c 。：其中矢量c ，表示为 c ，= k ，6 le ，f 则式( 3 一1 ) 可化为 f i = p n x c i ( 3 - 4 ) ( i = 1 a i ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中，f 、只已知，求c 。 根据最小二乘法原理，有 c ：k7 # 】- 1 p 7 f ( 3 7 ) 求出e 后，代入式( 3 7 ) 即可求出砸) ，f = 8 ，人，2 6 ，即可得出将来卜1 9 年的负荷数据。 3 2 基于馈线和变电所的空间负荷预测方法 3 2 1分类估计馈线( 或变电所) 水平年负荷 d 拟台抽线一束果 图3 - 1 水平年负荷估计法改善馈线负荷预测 由于馈线负荷增氏不平滑，通常是在短短几年内达到饱和，即呈s 型增长 第3 章配电削空间负荷短期组合预测法 的，所以尽管整个系统可能平滑、连续增长，但这种平滑、连续增长是不同馈 线的s 型增长综合作用的结果。如图3 一l 中虚线所示利用不同的历史数据外推 的情况可以看出，这种s 型增长很难进行趋势外推。为此，有学者提出“水平 年负荷估计”方法来改善预测精度，认为采用水平年负荷估计的目的主要在于 消除图3 - 1 中不同时刻趋势外推的影响，而非提高长期负荷预测的精度。 通常根据经验来估计水平年负衙，这种方法简单方便，但精度难以保证， 且没有充分利用馈线本身的信息。所以本课题中给出分类估计馈线( 或变电所) 水平年负荷的方法。 由于不同馈线的实际供电范围大小不同，以及其负荷增长速度也大相径庭， 为合理估计馈线h 年负荷，提出根据馈线的实际供电范围及其负荷增长速度将 馈线分类，然后分类估计馈线h 年负荷。基本步骤如下： 步骤1 ：馈线f 的供电区域 首先将研究区域划分成规则格网，存储为格网层；然后与实际馈线层进行 叠加，如果某个网格，有馈线i 穿过就认为至少馈线i 的供电区域包含网格对 应的区域，将所有满足条件的网格相加，就得到馈线i 的供电区域 爿，= 爿g + b ( 3 8 ) g = i 其中：a f 一网格对应的区域大小； k 一馈线i 包含的完整网格数； b 馈线f 包含的非完整刚格所对应的区域大小。 即如果某刚格，有, 条馈线穿过，则将该网格平分”等份 口，：生( 3 9 ) 门 这”条馈线对应区域应分另| j ) j hlb 。 步骤2 ：根据供电范围大小将馈线分成大( l ) 、中( m ) 、小( s ) 三组，每组 各占总馈线数的1 3 。 步骤3 ：对大( l ) 、中( m ) 、小( s ) 三组馈线，根据其近4 年负荷发展速度 再次分类。例如：对大( l ) 组中的每条馈线，求出其近4 年负荷增长平均值为 g = ( 3 1 0 ) m 式中瓯一l 组近4 年负荷平均增长率；吼一l 组馈线数；m 一l 组馈线f 的t 年负荷。 其标准误差为 s ，= 去c g “州= j 击c 攀也 式中：g ，一组中馈线i 的近4 年负荷增长率。 对于v i ，ie 行，有g i ， g l + s ，9 j 为一类：高速发展： 对于v i i ，有g 。，g ，+ s ，归为一类：低速发展： 对m 组( s 组) 做类似处理，分别将其分成高、低速发展的类别。 至此，已将馈线分成如表3 一l 所示的6 类，其中：高速发展的小供电区域 ( s f ) 、低中速发展的小供电区域( s s ) 、高速发展的中等供电区域( m f ) 、低 中速发展的中等供电区域( m s ) 、高速发展的大供电区域( l f ) 、低中速发展的 大供电区域( l s ) 。那么，在接下来的步骤中，可利用不同馈线分类的特点分别 预测水平年估计值。 表3 一l 馈线分类表 供电区域 增长率 小中大 高 s fm fl f 中、低 s sm sl s 步骤4 ：生成h 年估计值 n “ 对l s 类，有 s ，= m 。( f ) 仁l 式中，t = 1 ，“，7 ；h s - - l s 类馈线总数。 ( 3 - 1 2 ) 采用二次多项式拟合式( 3 1 2 ) 得到的7 年数据，采用公式 s = a + b t + c f 2 ( 3 1 3 ) 在得到系数a 、6 、c 后，计算水平年负荷，有h = 7 + 2 0 ：2 7 ，即有 筇3 章配电州空间负荷短期组合预测法 m9 0 = m ( 2 7 ) = d + b h + c 话 从而得h 年平均负荷密度：h 。= m ( h 、d + b t + c r 2 艺4兰4 罡ll = i 则对l s 类和l f 类馈线而言，其h 年负荷估计值为 f ，= a f h l s 同理可得日。和日。 日+ 6 r + “2 n 、“ a j ；1 目+ b t + c ，2 豇 ( 3 1 4 ) ( 3 一1 5 ) ( 3 一1 6 ) 如下式所示 ( 3 一1 7 ) ( 3 1 8 ) 式中盯。一s s 类馈线总数。 类似公式( 3 1 6 ) ，分别利用公式( 3 - 1 7 ) 、( 3 - 1 8 ) 的结果来确定m f 、m s 类和s f 、s s 类馈线的h 年负荷估计值 ? = a i x h l j = a ? x h 3 2 2 对馈线负荷增长分类的灰色关联度聚类方法 3 22 1 灰色理论分析法 ( 3 一1 9 ) ( 32 0 ) 针对不同的馈线负荷增长曲线特征，考虑样本曲线之间的相近程度和样本 曲线之问的形状的相似程度，提出采用灰色关联度聚类方法对馈线负荷增长曲 线进行聚类分析。 灰色系统这一新兴横断学科属于系统科学学科群，它的产生和迅速发展成 为当代科学发展的一大景观。灰色系统指的是信息不完全的系统。信息不完全 鲎静 r o i i 幻 演铋 百 总 = 徽如 类 sm 一 心 中式 东北电力大学硕士学位论文 是指系统因素、因素关系、系统结构及系统作用原理这四个方面的信息缺乏， 它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统 为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值的信息， 实现对系统运行行为的正确认识和有效控制。灰色理论将一切随机变量看作是 在一定范围内变化的灰色量，将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，对灰色量的处理采用数据处理的方法，即数据生成，将杂乱 无章的原始数据整理成规律性较强的生成数列进行研究。它着重研究概率统计、 模糊数学所不能解决的“小样本、贫信息、不确定”问题，并依据信息覆盖， 通过序列生成寻求现实规律。其特点是“少数据建模”。与模糊数学不同的是， 灰色系统理论着重研究“外延明确、内涵不明确”的对象。短短十几年，灰色 系统理论不仅在理论上迅速发展，r 臻完善，而且在社会、经济、科技等各方 面得到日益广泛和深入的应用，成功地解决了生产、生活和科学研究中的大量 实际问题，取得了一系列重大成果。目前，英国、美国、德国、r 本、澳大利 、亚、加拿大、奥地利、俄罗斯、台湾、香港地区及国际组织等有许多知名学者 从事灰色系统的研究和应用；海内外8 4 所高校开设了灰色系统课程，数百名博 士、硕士研究生运用灰色系统的思想方法开展科学研究，撰写学位论文；国际、 国内2 0 0 多种学术期刊发表灰色系统论文，许多国际会议把灰色系统列为讨论 专题。 现有的灰色系统方法有灰色关联分析、狄色聚类评估、灰色预测、灰色组 合模型、灰色决策、狄色规划、灰色控制等，并在电力系统的预测、自然灾害 预测、模式识别、故障渗断等中得到了应用”。有文献 3 0 对灰色预测模型 g m ( 1 ，1 ) 进行了修正，对背景值的偏重进行修改，最终采用一维搜索迭代的方 法使预测误差达到最小，成功预测了2 0 0 5 年最大峰谷差。文献 3 1 在传统振动 诊断技术的基础上，结合灰色系统理论，提出了内燃机灰色故障诊断系统，并 运用灰色关联度对样本进行聚类分析，实现对设备运行状况的监测与诊断，实 例表明该方法简单实用，具有一定的工程应用价值。 尽管所有变电站( 馈线) 的负荷增长曲线可用s 型曲线表示( 图3 2 ) ，但 不同馈线实际的负荷增长曲线有非常大的差异。针对不同的负荷曲线特征，可 第3 章配电网空间负荷短期组合预测法 以使用聚类法来自动确定不同馈线的不同负荷增长特性。聚类是指将数据集分 成几组，每组数据具有相似的特征。日前，有很多种聚类算法，如a n n 法、模 糊聚类法、k 均值聚类法等。在馈线负荷预测中应用最为广泛的是k 均值法，即 可将所有馈线分组，每组由历史负荷增长曲线相似的馈线组成，并以这一组的 平均增长曲线作为该组的“模板”，如图3 3 所示，图中有一组具有相似增长速 度的负荷曲线( 细实线) 属于一个负荷模板( 粗实线) ，呵以用负荷模板来进行 预测具有相似增长特性的馈线负荷增长。 辖 螺 g 图3 - 2 典型s 型曲线圈3 - 3 负荷曲线组、负荷模板关系图 3 2 2 2 k 一均值法 k 一均值法可得到使误差平方和准则取得极小值时的聚类结果，其误差平 方和准则函数为 女 2 ，= p 叫0 ( 3 2 1 ) j = ipe i t 式中w ，一类足的聚类中心；x ，一样本。 由于样本代表馈线负荷的实际增长曲线，而采用k 一均值法时实际上仅仅 通过考虑馈线上的一些点的相近程度来近似认为样本曲线之间的相近程度，并 没有真正考虑样本曲线之间的相近程度和样本曲线之i 日j 的形状的相似程度；再 加上我国的馈线负荷数据有限，而且现有数据灰度较大，考虑认为因素影响， 这样处理必然导致聚类结果误差较大。 赢 沪 东北电力人学硕上学位论文 3 2 23 灰色关联度聚类法 灰色关联分析方法对样本数量的多少和样本有无规律都1 司样适用，而且计 算量小，十分方便，基于此提出采用灰色关联度聚类法来处理不同馈线不同负 荷增长情况。 灰色关联度是分析系统中各个因素关联程度的方法，是灰色系统理论提出 的一种技术方法。关联度的基本思想是根据曲线间相似程度来判断关联程度， 实际上是几种曲线间几何形