（电力系统及其自动化专业论文）基于神经网络的短期电价预测.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s tr a c t w i t ht h e d e r e g u l a t i o n o f p o w e ri n d u s t r y a l l o v e r t h e w o r l d ， e s t a b l i s h i n ge l e c t r i c i t ym a r k e t st oo p t i m i z ed i s t r i b u t i o no fr e s o u r c e si s t h et r e n do fp o w e ri n d u s t r y e l e c t r i c i t yp r i c ei s s u e sa r et h ek e yp r o b l e m s i nt h em a r k e t sa n dh o wt op r i c et h es p e c i a l c o m m o d i t y - e l e c t r i c i t y i s e s s e n t i a lf o rt h es m o o t hm a r k e to p e r a t i o n s ou s i n gt h er e l a t i v eh i s t o r i c d a t at op r e d i c tt h ef u t u r ee l e c t r i c i t yp r i c ei sav e r ym e a n i n g f u lw o r kf o r e v e r yp a r t i c i p a t o ri nt h ep o w e rm a r k e t a f t e r i n t r o d u c i n g t h ec o n s t i t u e n t s 。t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i n f l u e n c ef a c t o r so ft h ee l e c t r i c i t yp r i c ei n p o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h em e r i t sa n d s h o r t c o m i n g s o fs o m ec u r r e n t f o r e c a s t i n g m e t h o d s b a s e do ns o m eb a s i ct h e o r e t i c a la s p e c t so fn e u r a ln e t w o r k s ，i t s a d v a n t a g e si nt h ee l e c t r i c i t yp r i c ef o r e c a s t i n ga r ea n a l y z e d ，t h em e t h o d s o fn e u r a ln e t w o r k - b a s e ds h o r t - t e r m e l e c t r i c i t yp r i c ef o r e c a s t i n g a r e d e s c r i b e d t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fp r i c ef o r e c a s t i n g ，t h r e ea s p e c t so f a m e l i o r a t i o n sa r ep r o p o s e d ：1 s e l e c t i n gt h ef a c t o r sw h i c hc a ns h o wt h e c h a n g eo ft h ep r i c es e q u e n c ea c c u r a t e l y ；2 t h ep r e t r e a t m e n to ft h ei n p u t v a r i a b l e s ；3 a m e l i o r a t i o n st ot h ec o n f i g u r a t i o no fn e u r a ln e t w o r k a p r i c ef o r e c a s t i n gm o d e lu s i n gr b fn e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e d m o r e o v e r ，s i m i l a r i t ys e a r c h i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e dt ob u i l dt h et r a i n i n g s q u a d r o na n di n p u tv a r i a b l e s t h ee l e c t r i c i t yp r i c eo fn e x td a y i s f o r e c a s t e ds u c c e s s f u l l yb yt h i sm o d e l t h er e s u l to ff o r e c a s t i n gs h o w s t h a tr b fn e u r a ln e t w o r ki sm o r es t e a d ya n da c c u r a t et h a nb pn e u r a l n e t w o r k t h ep r e c i s i o no ff o r e c a s t i n gb ys i m i l a r i t ys e a r c h i n gt e c h n i q u ei s h i g h e rt h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d s f i n a l l y ，t h i sp a p e rp o i n t so u tt h a ti no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c y ， b a s e do nt h eg i v e np o w e rm a r k e tt h ec o n s t i t u e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee l e c t r i c i t yp r i c em u s tb ea n a l y z e df i r s t t od e a lt h ec h o i c eo ft h ei n p u t v a r i a b l e sw e l la n dt od e s i g nt h em o d e lm a t c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e e l e c t r i c i t yp r i c ea r ea l s oi m p o r t a n t t h ed a t au s e di nt h i sp a p e rc o m ef r o m a u s t r a l i ap o w e rm a r k e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 k e yw o r d sp o w e rm a r k e t ；e l e c t r i c i t y p r i c e f o r e c a s t i n g ；b p n e u r a l n e t w o r k ；r b fn e u r a ln e t w o r k ；s i m i l a r i t ys e a r c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力市场概述 1 1 1 电力市场的出现 随着全球经济的迅速增长，电力工业面临着前所未有的挑战，电 力工业高度垄断经济的负面影响逐步体现出来，比如：对新建电厂和 输电网和配电网等基础设施的巨大投资，为政府带来巨大的经济负担， 电费居高不下，服务质量不好等闯题，严重阻碍了电力工业的进一步 发展。为增加电力工业的活力，提高效益、降低电价，许多国家相继 进行了电力工业改革，打破了电力行业垄断，建立有利于公平竞争的 电力市场。 智利和英国早在八十年代就开始了电力工业改革，是世界上最早 进行电力工业市场化的国家。随后阿根廷等拉丁美洲国家也加入这个 行列，实施电力工业改革。到九十年代电力市场得到了更加广泛和迅 速的发展，美国、澳大利亚、北欧等国家和亚训一些国家都分别建立 不同模式的电力市场【。 。 ， 在世界电力工业改革浪潮的背景下，我国也放松了对电力工业的 管制，逐步建立起了适应有中国特色社会主义市场经济的电力市场。 电力市场无疑能给垄断的电力工业带来竞争、活力和巨大的经济 与社会效益，因此发展电力市场是我国电力工业改革的必然趋势。考 虑到我国电力系统管理和调度的实际情况，以及市场的孕育和发展规 律，我国电力工业全面走向电力市场还存在一定的困难。目前，我国 电力工业正处于“厂网分开、竞价上网”的改革阶段1 1 】，以期通过发 电侧引入市场机制，竞价上网，并积累经验，逐步向完善的电力市场 过渡。 1 1 2 电力市场的内涵与基本概念 1 。1 2 1 电力市场的定义与基本特征 市场是商品交易关系的总和。换句话说，市场是进行商品交易的 场所，是商品交易的全过程。就经济学意义而言，市场是由供给和需 求两个基本要素构成，供求双方相互作用、相互协调，使市场趋于均 衡1 1 1 。健康市场的共同特征应该是：价格随需求变化，价格变化影响 需求量：买卖市场机制，买方或卖方无垄断行为。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电力市场是电力的买方和卖方相互作用以决定其电价和电量的过 程。更具体地来讲，电力市场是采用经济等手段，本着公平竞争、自 愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、配电、用户等各成员组织 协调运行的管理机制和执行系统的总和。 电力市场的基本特征是：开放性、竞争性、计划性和协调性。与 传统的垄断电力系统相比，电力市场具有开放性和竞争性；与普通的 商品市场相比，电力市场具有计划性和协调性【2 1 。 1 1 2 2 电力市场的基本要素 1 市场主体。与其他商品市场一样，电力市场的市场主体也是由 商品生产者、消费者、经营者和市场管理者组成。在传统电力系统中， 用户始终处于被动的“负荷”地位，而在电力市场中，用户侧具有一 定的选择性和能动性。 2 市场客体。电力市场客体是指在市场中买、卖双方交易的对象， 或市场上各种待售的商品。电力市场的客体与市场本身的发达程度有 关，主要包括电力( 电量) 、辅助服务和期权等。电力市场有别于其他 商品市场之处，就在于电力生产、输送、消费必须同时完成，具有供 需动态平衡的特殊性。 3 市场载体。市场载体是市场交易活动的物质基础，是市场主体、 客体借以进行交易活动的物质条件。普通商品市场的载体通常是指网 点设施、仓储设施、运输设施、通讯设旌、交易场所等。电力市场的 载体就是覆盖营业区内的电网。由于电网具有自然垄断的属性，常常 由国家或其委托的公司统一管理，为了保证电力市场的公平和公正， 电网必须对所有成员无条件地开放。 4 市场电价。电力商品的价格就是电价，电价是电力商品的货币 表现。价格机制历来是市场机制的核心内容，各种市场机制总是通过 价格机制来起调节作用。同时，价格机制又是市场调节机制，是传输 供求关系变化最敏感最直接的信号，电价是电力生产经营者与广大电 力用户利益的调节者，是供求双方十分关心的焦点。因此，合理的电 价机制对于电力市场规范化运作至关重要。 5 市场规则。运行规则是市场主体参加市场交易活动的行为规范， 是维持市场正常运作的约束条件，也是市场运作的先决条件和保证。 电力市场运行规则通常由政府制定，由政府监督或授权某组织机构代 行监督和管制职能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 6 市场监管。电力市场监管是指交易双方以外的组织或个人，按 照市场管理和运行规则，对从事交易活动的市场主体的行为所进行的 监察、督导和管制活动。 1 1 2 3 电力市场的总体目标 建立电力市场的目的，是在满足人们生活、经济和社会发展的电 力需求的前提下，实现资源的合理配置和有效利用，以最少的投入获 得最大的经济利益，促进电力工业与社会、经济、环境的协调发展， 获得更好的经济效益和社会效益。建立电力市场的实质是营造商业化 的运营环境，提高电力工业的整体效益，建立市场的竞争机制和用户 的选择机制。 电力市场的总体目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低 成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网， 构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力 市场体系1 2 i 。 在电力市场改革的过程中，不同的市场成员或利益主体对改革目 标的理解和界定也是不同的，这些目标之间常常出现矛盾。例如，政 府的目标是保障资源优化配置和国民经济可持续性发展的宏观战略计 划的制订和实施；电力公司的目标是利润最大化，并力图通过各种手 段保持在市场竞争中的有利地位；股东的目标是获得较高的投资回报； 企业员工的目标是工作有保障、高收入和自身价值的实现；消费者的 目标是能够买到价格低廉、安全、稳定、可靠的电力，同时能够获得 优质的服务；燃料供应商的目标是保证其能源供应市场的份额和相关 投资；环境保护组织的目标是控制电力企业造成的环境污染，保持生 态平衡；电力监管机构的目标是通过竞争实现最优选择和市场均衡， 通过监管实现整体利益和价值的最大化。 在电力市场的不同阶段，必须明确改革的主要目标和次要目标。 在任何时期，都必须首先保证电力系统的安全，可靠和稳定运行。在 初期电力市场中，应更多地关注电力投资和融资，以适当超前国民经 济发展速度的思路建设各类电厂，扩大发电规模，加强电网和基础设 施建设，构建先进、实用的电力市场技术支持系统。在成熟和比较发 达的电力市场中，买方电力市场的格局已经形成，发电侧和零售侧市 场的参与者为数众多，市场力受到监督、制约和控制，改革的焦点应 该集中在提高竞争力度、降低电价和成本、提高电力系统运行和交易 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 市场运营的效率和效益，为国民经济的发展提供一个可靠的、低成本 的能源供应平台。 1 1 3 电力市场的结构及运营模式 英国电力市场是将垄断的电力工业全面解除管制、引入竞争形成 的，而美国的电力市场则是在全面私有化基础上进行的，它们是最具 代表性的两种电力市场结构模式。英国的强制型电力库( p o w e r p 0 0 1 ) 模 式及近年来推出的市场新模式广受关注。美国加州的市场化改革虽然 起步较晚，但却独树一帜，改革伊始就力图设计一种完美、超前和具 有表率作用的市场模式。在2 0 0 1 年加州电力危机出现之前，这种模式 一度受到许多学者的推崇。然而加州电力市场仅仅运营了两年多的 时间便出现了严重的电力危机，并导致惨重失败，这种结果出乎人们 的意料，促使人们仔细地思考改革中可能遇到的各种因素和困难，更 加稳妥地进行市场化改革。加州电力危机的教训和英国电力市场的经 验，将对我国电力市场结构和运营模式的设计产生深远影响。 目前，许多国家和地区都在相继进行电力体制改革，结构重组， 建立电力市场，以此提高运营效率和效益。世界上主要的电力市场有 英国电力市场，美国加州、p j m 和n e p o o l 电力市场，澳大利亚电力 市场，新西兰电力市场，阿根廷电力市场，北欧电力市场等。 不同国家电力市场的运营模式可以归纳为两大类：1 发、供、用 电沿用垂直一体化管理，只是进行有限和局部的改革。采用这种模式 的国家有法国、日本、印度、苏格兰、巴基斯坦，以及美国的一些州。 2 发、供、用电环节解除或放松管制。采用这种市场模式的国家和地 区有英国、美国加州、新西兰、澳大利亚、挪威、阿根廷、秘鲁、智 利等【2 1 。虽然各国电力市场的结构互不相同，改革所处阶段和遇到的 问题也不同，但它们都有一些共同的特点： 1 电价改革是关键。 2 规模效益日渐消失。垄断导致规模效益越来越低，已无法补偿 因低效益带来的损失。同时。规模效益的下降和非增性质，已经影响 到了输电电价的经济学理论基础。 3 发电侧首先引入竞争，现货与合同交易并举。 4 供电领域逐步开放，先从大用户再到所有用户均可自由选择供 电商。 5 输电网垄断经营，挖掘和发挥其自然垄断的潜力。输电网的自 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 然垄断特性说明，电网不能重复建设，应该组建国家电网公司实行开 放式的垄断经营。 6 用经济和法律手段管理市场， 分发挥市场经济这只“看不见的手”， 力市场。 避免简单命令式的调度方式。充 充分运用经济手段调节和平衡电 7 实施有限但严格的监管。监管必不可少，且应具备实时反馈和 灵活的调节功能。为了保护公众的利益，必须对具有垄断性质的环节 实行有限的管制，其最终目的是用法律手段规范市场保证市场竞争 的公平和公正。 我国已经明确了分阶段实施电力市场的战略，确定了首先实行“厂 网分开、竟价上网”的方针。早在1 9 9 8 年就开始了电力市场的试点， 先后指定山东、浙江、上海、辽宁、吉林和黑龙江6 家电力公司作为 模拟试点单位，由此迈出了市场化运营的第一步。经过几年的市场培 育和探索，国务院和原国家经贸委于2 0 0 2 年将最初确定的“省为实体” 的改革方向调整为：完善现实的省级电力市场，加快发展区域电力市 场，逐步培育国家电力市场；形成以区域电力市场为主，国家电力市 场和省级电力市场为辅，统一开放、协调联动的电力市场体系。同时， 围绕四个核心进行改革：厂网分开；竞价上网；建立科学合理的电价 形成机制；建立国家级电力监督委员会i “。 1 1 4 电力市场中电价的核心作用 电价是电力市场的支点，无论对供应电力的一方还是需求电力的一 方，电价都是直接关系到各市场参与者的最直接和最敏感的因素。电 价作为电力市场的指针能够自动引导资源的配置，它的导向力是直接 和有力的。 电价对电力商品的生产、供应和消费各方面都有很重要的作用，是 电力企业获取资金维持简单再生产或扩大再生产的手段。由市场决定 电价，可以促进电价在商品交换中趋于合理，能正确反映电力在生产 和流通过程中的实际价值，调整电力的供求关系，提高电力企业的经 济效益，调动各方面的投资办电的积极性。促进电力企业的健康发展。 具体来说，可以起到如下作用： ( 1 ) 能吸引社会资金向电力工业流动。促迸电力工业的发展。这 对于像我国这种发展中国家，电力建设普遍比较落后的条件下有重要 意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 2 ) 能使电能生产结构更合理。可以避免重复投资，充分开发和 利用各种再生能源和新能源，降低电力成本，节约资源。 ( 3 ) 增强企业活力、加快电力工业的发展。由市场决定电价，能 促进电力企业之间的竞争，促使电力企业不断提高自我积累、自我改 造、自我发展的能力。 ( 4 ) 促进节约用电。由市场决定电价，可促使电力消费者采用调 荷节电措施，自动地削峰填谷，使电力消费结构趋于合理，减少浪费。 1 2 本课题的研究背景及意义 我国从1 9 9 2 年开始引入电力市场的概念以后，迅速展开了电力市 场相关理论的研究和模拟电力市场的实践和探索。近年来的电力体制 改革可以概括为四个阶段：1 9 8 5 年至2 0 世纪9 0 年代初期的集资办电 阶段，目的在于根除缺电和拉闸限电现象，解决最基本的电力短缺问 题；9 0 年代初至1 9 9 7 年，成立国家电力公司，实行企业改制和现代 企业管理；1 9 9 8 年撤销电力工业部至2 0 0 1 年，实行“厂网分开、竞 价上网”试点；2 0 0 2 年，中国电力组建并成立了1 1 家公司和国家电力 监管委员会，标志着中国初级电力市场正式启动和实施1 2 j 。 如前一节所述，电价是整个电力市场的杠杆和支点，在整个电力 市场中发挥着核心的作用。电力价格形成机制是否合理、电力价格体 系结构是否健全关系到电力市场是否能够健康、平稳地运行。电价不 仅仅是整个电力市场的指挥棒，而且对于每一个市场参与者来说，也 是最为重要的。 在电力市场中，各个参与者之间发生的交易和关系都是以电价为 基础的，所以，如果市场参与者能够事先较为准确地预测到电力价格， 那么他就在激烈的市场竞争中处于有利地位，能够谋取更多的利益。 对发电商来说，可以利用电价预测制定报价策略、优化报价，以 期能够中标和获得最大的利润；对电力用户来说，可以利用电价预测 制定合理的用电计划，比如可以在电价较低的时段多用电，尤其是工 厂这些用电量大的用户，可以通过改变生产计划，将电价较高时段的 负荷转移到电价较低的时段，这样就可以降低生产成本，增加产品的 竞争力并获得更多的利润；对系统调度员来说可以利用电价预测进行 安全经济的系统调度，确保电力市场的正常运行；对政府来说，可以 根据电网未来一段时间的电价及其波动情况的预测进行宏观预测、监 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 控电力市场的运营、及时发现和解决市场存在的问题；对于电力投资 者，可以利用长期电价预测辅助投资决策，以减少投资风险。 由上述可见，无论是短期电价预测还是长期电价预测都有着重要 的意义。本文所研究的是短期电价预测。 1 3 课题的国内外研究现状 1 3 1 电价预测研究现状 1 3 1 1 电价预测的分类 根据分类标准的不同，电价预测有不同的分类方法。 1 按预测周期分类 按预测周期，电价预测可分为短期电价预测和长期电价预测。短 期电价预测的周期一般为1 5 m i n 、3 0 m i n 、l h 到一周，短期电价预测主 要是用来帮助发电商制定报价策略，准确的短期电价预测有助于减少 由对售电收入估计的偏差所带来的风险，可以提供更好的风险管理。 长期电价预测的周期一般为几个月到几年，通常用来进行系统投资和 规划，比如用来决定欲建电站的位置等。精确的长期电价预测将使电 力市场经纪商和电力公司在不稳定的环境中做出合理的决策。 2 按预测点分类 根据预测点的类型，可以将电价预测分为市场清算电价( m a r k e t c l e a r i n gp r i c e ，m c p ) 预测、区域市场清除电价( z o n a lm a r k e tc l e a r i n g p r i c e ，z m c p ) 预测和区位边际电价( l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ，l m p ) 预测。 3 按预测主体分类 根据预测主体类型，可以将电价预测分为l s o ( 独立系统运行商) 进行的电价预测和发电商等进行的电价预测。i s 0 进行的电价预测实 际上并不是真正意义上的电价预测，因为它可以从各个供应商和用户 的报价曲线中计算出电力交易价格来1 2 】。发电商等进行的电价预测是 基于市场上公开的数据和自身的信息而进行的预测，他们根据预测结 果就可以制定合理的报价策略，以及是否能使用市场力，以获取更多 的利润。 1 3 1 2 电价预测的方法 自一些国家相继实行电力市场以来，各国学者提出了多种电价预 测方法。这些方法大致可分为统计学方法( 包括时间序列法和回归分 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 析法) 、模糊建模法、运行仿真法、市场均衡分析法和神经网络法。随 着预测技术的发展，灰色理论、遗传算法、混沌理论以及小波分析等 理论被应用于电价预测，使电价预测技术有了快速发展。本文第二章 将对这些方法作简单介绍。 1 3 2 基于神经网络的电价预测研究现状 神经网络用于短期电价预测方面已有了大量的研究。文献【4 】利用 相似搜索来生成神经网络的训练集和输入矩阵，用负荷相似日的负荷 和电价以及邻近日的负荷和电价作为输入；文献【5 】基于s o m 神经网 络的自组织特征，对样本数据进行特征分类与筛选，将处理后的数据 用于b p 神经网络进行训练；文献【6 】采用b p 神经网络的方法对浙江发 电市场的m c p 进行了预测，针对不同的时段采用了不同的短期预测模 型；文献f 7 1 利用径向基函数( r b f ) 神经网络模型对市场清算电价进 行预测，训练速度快，并且不存在局部极小问题和过拟合现象；文献 【8 】通过引入市场供求指数作为输入因素之一，改善了预测效果。从这 些文献所用方法的预测结果看，大部分的预测效果还是很好的，特别 是对一般负荷日( 工作日) ，但对于周末或者节假日( 尤其是高峰负荷 时段) 的预测误差较大。文献f 9 】针对周末边际电价的特殊性，采用相 似搜索和人工神经网络对美国加州电力市场的周末电价进行了预测； 文献1 1 0 l 建立了基于遗传算法的小波神经网络电价预测模型，取得了较 好的预测效果，并且在周末的电价预测也取得了很好的效果。 由上述文献的研究可以发现，神经网络用于电价预测存在以下几 点缺陷：1 电价历史数据量大导致输入和输出数据量大，运算时间长； 2 在神经网络的级数和隐含节点数的选取上有一定的困难，网络拓扑 结构很难确定；3 电价大幅度波动时，预测效果不稳定，尤其在那些 电价突变点处，预测精度较差。 1 3 3 基于神经网络的电价预测方法的改进 在众多文献中，对利用神经网络的方法做了很多的改进，但归纳 起来，主要是基于以下三个方面的改进：1 在输入因素的选取上，选 取更能表征或影响电价变化的因素作为输入向量；2 在输入因素预处 理上，通过各种方法对输入向量进行处理使其更有规律性，更能表征 电价的变化；3 改进神经网络的结构，克服网络结构的缺陷。 在输入因素的选取上，文献【5 1 采用相邻时段的电价和负荷、前几 日的同时段电价和负荷以及预测日负荷作为网络输入；文献【4 】和文献 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 【9 】都采用楣似日的电价和负荷以及预测日负荷作为网络输入。为了提 高预测精度，可以在神经网络的输入层增加特殊的输入向量，使网络 能够更好地反映电价的波动情况。文献【6 】和文献【8 】就分别引进了竞价 空间和市场供求指数作为网络的输入向量之一。文献 1 1 1 以负荷率取代 负荷作为网络输入，取得了较好的预测效果。在输入因素的选取上， 还应考虑各因素间的相互冗余问题，例如，文献【1 1 】认为气温因素与电 价的相关系数很小，认为气温因素己融入负荷中，不用单独考虑，并 且认为当影响电价的因素不是很明确或者该因素自身预测误差较大 时，仅用历史电价作为输入可以得到更好的电价预测精度，结论与文 献【1 2 卜一致。 为了提高预测精度并使网络训练速度加快，可以对网络的输入向 量进行预处理。文献f 1 3 l 利用小波分解技术去除细节后的电价序列作为 网络的输入，更加突出了电价序列的规律，预测精度得到了提高；文 献f 1 4 】采用混沌法将电价及其相关因素重构成多变量时间序列，用递归 神经网络( r n n ) 跟踪相空间相邻相点问的演化行为从而建立电价预 测模型；文献 1 5 1 采用数据平滑技术去除电价的增长趋势，引入星期指 数去除电价的星期趋势，再将去除趋势后的数据作为网络的输入，取 得了较好的效果；文献【1 6 】和文献【1 7 1 通过模糊聚类法把电价进行分类 处理。 为了提高预测精度，可以对神经网络的结构作适当改进。如应用 递归神经网络( r n n ) 【1 7 j 、小脑模型关节控翩器( c m a c ) 神经网络 【1 引、多元回归神经网络( g r n n ) 1 9 l 、模糊神经网络【2 0 l 等模型，改善 了传统神经网络模型学习速度慢和容易陷入局部极小点等问题。也可 以提出新的学习算法，改进神经网络结构，如采用遗传算法优化b p 神经网络【1 0 , 1 2 , 2 1 1 。 由上述的文献可以发现，在对神经网络进行电价预测时主要在输 入因素的选取、输入因素的预处理及网络结构三个方面进行改进，并 且在后两个方面目前以有了较大的发展，提出了比较成熟的技术。但 对输入因素的选取上，一直没有成熟的技术作为依据，各个文献上也 只是依靠经验、相似程度大小1 4 , 9 1 或者依靠相关系数1 1 4 , 1 5 j 的大小来进行 输入因素的选取。文献f 1 1 】提出电价预测中输入因素的选择比神经网络 的选择更重要，因此，如何合理地选取输入因素对电价预测的精度就 显得尤为重要。鉴于关于选取输入因素的方法尚不是很成熟，因此在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 这方面有待进一步的研究。 1 4 本文研究的主要内容 人工神经网络是新近兴起的由大量简单计算单元广泛相连而组成 的具有高度并行处理能力的一个非线性动力学系统，它对于非线性映 射具有较强的逼近，且具有自组织及自学习和联想记忆能力。在电力 系统负荷预测中，神经网络已得到广泛应用，其处理多变量和非线性 的能力逐渐得到人们的认同。由于电价预测同负荷预测间有较大的相 似性，因此神经网络也被广泛地应用于电价预测中。 本文简单介绍了电力系统电价的组成、特点及其影响因素，对当 前较常用的预测方法的优缺点进行了探讨。在对神经网络理论，及其 在电价预测方面的优势进行分析的基础上，提出采用神经网络方法进 行电价预测。本文采用径向基函数( r a d i a lb a s i s f u n c t i o n ，r b f ) 神经网络 建立预测模型，并利用相似搜索技术来生成训练集和输入变量，并对 次日电价进行实例预测，取得了较好的效果。 1 5 本文的组织结构 本文共分五部分。第一章是绪论，介绍了电力市场的发展以及本 课题的研究意义及研究现状。第二章介绍了电价的形成、基本功能、 影响电价的因素以及电价预测的基本概念和方法。第三章主要介绍了 人工神经网络的基本理论，以及学习算法和网络结构的一些改进措旋， 并介绍了m a t l a b 7 0 神经网络工具箱函数。第四章讨论基于神经网 络的电价预测方法，提出基于相似搜索与r b f 神经网络相结合的电价 预测方法，并利用神经网络工具箱进行实例预测。同时采用传统方法 与一些文献方法对同样数据进行实例预测比较，验证本文方法的有效 性。最后部分是本文的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章电价与电价预测 2 1 电价的形成与基本功能 2 1 1 电价的形成 电力作为商品，既有它的一般商品属性，又有它的特殊性。作为 一般商品，电力在市场交易中，必然与其他商品一样，要服从价值规 律，按照等价交换的原则，公平、公正地进行1 2 j 。 电力与一般商品的不同之处在于：首先，电力行业是公用性服务 行业，中断供电或供给不足会给国民经济和广大用户造成巨大的损失， 因此，实行电力市场化，必须以安全、可靠供电为前提，除保持电力 供需平衡外，还必须留有足够的发电备用容量；其次，电力的发、输、 配、用同时进行，这就需要信息反馈迅速，市场预测准确，电网调度 统一；再者，电力是看不见、摸不着的商品，不能像其他有形商品一 样，买主可以一边观察商品，一边向卖主讨价还价，现买现卖。这就 要求电力的交易具有前提性，要求电力市场的情报公开，透明度高， 对所有的买者和卖者真正做到公平、公正、公开。 电价作为电力商品的货币表现，应该说电价的形成贯穿于电力系 统的始终。电价的形成有广义和狭义之分，广义的电价形成包括以下 过程：电力需求的中长期预测、电源规划、电网规划、投资与融资计 划、用户用电负荷分析、电价计算与设计等。狭义的电价形成仅包括 电价计算与设计。以下从狭义的角度阐述电价的形成。 电价作为行业价格，具有一般价格的共性，但作为重要的基础产 业，电能的生产和消费又具有不同于一般商品的特点，两种因素相互 作用，使电价的形成具有一般价格形成的共性也具有特殊性。电价形 成过程概括如下： 1 对电源项目进行投、融资的综合结果反映于发电机组( 项目) 单位综合造价，以此为基础形成上网电价。 2 以为电源输送电能的输配电资产为基础形成输配电价。 3 上网电价加输配电价形成销售电价水平。 4 根据用户用电负荷特性及负荷曲线设计销售电价结构。 5 进行财务平衡，据次此调整销售电价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 这一形成过程的基本要素有电力成本、税金和合理收益。电力成 本是电力企业正常生产、经营过程中发生的燃料费、折旧费、水费、 材料费、员工工资和福利费、维修费以及合理的管理费用、销售费用 和财务费用；税金是指电力企业按国家税法应该缴纳，并可计入电价 的税费；合理收益是指电力企业正常生产、经营应获得的收益。 2 1 2 电价的基本功能 1 正确反映生产成本，以维持简单再生产 首先。电价应当正确地反映生产成本，以维持简单再生产。这在 一般商品的成本计算中不是很困难的问题，但对于电力工业来讲却有 些麻烦。例如由于机组设备的建设周期和运行寿命都很长，它的投资 环境受到政治、社会和经济大环境的直接影响，因此其巨额的固定资 产在会计帐面上，即便是用折现方法折到同一年，也缺乏可比性，亦 即在电力资源利用的坐标系上，不能简单相加求和，因此它的总的固 定成本是严重畸变了的，这对于发展中国家特别突出。例如我国各大 电力系统，均由大量发电机组，其固定资产已折旧完了，而仅存有残 值，亦即其经济寿命已完结而超期服役，在会计帐面上，它的固定成 本已近于零，然而它还在服役，说明它的容量是有价值的。因为如果 令其退役，势必要求投入相应的新机组，进而要求相应的投资。按经 济学的电价理论，其容量价值应当被合理评价，并计入电价，以便筹 集必要的资金，一旦其退役后，有相应的新机组投入。推而广之，所 有现存的电力资源，包括超期服役的老机组，其资源价值都有必要重 新评价【2 1 。 2 具有筹资和投资功能，以扩大再生产，满足用户发展的需要 电价和电费不仅应当满足短期电能简单再生产的需要，而且应当 满足长期电能扩大生产的资金需要，以便保证电力工业持续、稳定地 发展。 3 具有调节功能 电价应当具有调节功能，特别是在缓解系统调峰填谷的压力，其 中包括引导用户合理用电和引导发电厂顶峰压谷等方面。电力系统在 峰负荷时段，电力负荷危险地逼近电力容量的极限，由于必须开出高 燃料成本和利用小时数很低的调峰机组，故其电力生产成本可能成倍 增加；另一方面，在电力系统低谷时段，往往需要压火停机，同样危 及系统的经济性和安全性。由于这些理由，在峰时段应有高电价，以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 便一方面抑制用电负荷，另一方面鼓励发电顶峰，而在谷时段应有低 电价，以便一方面鼓励用电，另一方面引导发电厂压负荷，从而更有 效地利用电力资源，降低系统的峰容量要求，并改善系统的负荷率。 因此电价在电能生产消费和交换的各个环节中都能起到间接调控的作 用，以达到电力资源的充分利用。 上述三个基本功能归根到底是一个电能生产消费的价值规律，即 电价不能偏离其价值太远，否则必将受到相应的惩罚。例如电力发展 资金不足，长期的电力短缺，与此同时电力及其资源又被大量浪费。 又如调峰容量严重不足，非调峰机组被迫作调蜂运行，电网频率难以 保持合格，等等。 2 2 电价的制定方式及影响因素 2 2 1 电价的制定方式 1 政府定价。鉴于电力工业在技术上的生产系统性和经济上的规 模经营性，电力工业总体看具有垄断性质。但是电力企业的垄断经营 是受约束的，约束的主要方式是价格管制，即政府以成本为基础定价， 其目的是限制电力企业获得超额垄断利润。政府的定价主要有两种方 式：成本加成方式和最高限价方式。成本加成方式是以实际发生的运 营成本为基础，加上一定的回报来制定电价，我国目前电价制定基本 上采用这种方式。最高限价方式是指将电价限制在一定的价格水平之 下，其方法是按照上年度电量或收入来决定下年度的电价。 2 协议电价。协议电价是指买卖双方通过签订购销协议，在合同 中通过双方协商一致后确定的电价。采用协议定价方式确定电价具有 一定的适用范围，并不是所有的电价均可采取协议定价方式。一般来 说，对用电大户或对用电有一定特殊要求的用户可采取协议定价的方 式。协议定价不仅可以有效反映电力商品的真实价值，而且可以很好 地反映电力商品的供求关系，具有公平性和灵活性。协议定价方式还 可以保持电价的平稳性，防止电价的大幅波动。采取协议定价必须双 方同意才行，如果达不成协议，则此定价方式无效，只能采取其他方 式。 3 市场竞价。市场竞价也称竞争形成价格，即通过翎定一定规则， 在市场上由买卖双方竞争形成价格。从价格是否一致看，可分为同价 竞争和报价竞争。同价竞争可以是买方给出一个可以接受的价格，多 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 个卖方在相同的价格条件下竞争；也可以是卖方给出个可以接受的 价格，多个买方在相同的价格条件下竞争；还可以是第三方( 如政府 部门) 规定买卖双方的交易价格，多个买方或多个卖方在相同的价格 条件下竞争。报价竞争是利用价格优势来竞争，可以是多个卖方报出 价格，买方根据价格商低，实行低价先调；也可以是多个买方报出价 格，卖方根据报价高低，实行高价先供。报价竞争一般适用于多个卖 方或多个买方的交易市场。 2 2 2 电价的影响因素 电价的高低受到多种因素的制约和影响，这些因素概括起来可以 分为三大类，一是外部因素，包括政府政策、税收、社会费用、市场 与需求的性质等；二是内部因素，包括经营目标、成本等；三是气象、 突发事件等其他因素。 2 2 2 1 外部因素 1 政府政策。电力是一个相对垄断的行业，因此电力企业在向用 户提供电能时，电价受政府政策的影响特别大，同时也因为电力行业 是基础性的行业，电价对其他行业产品的价格具有拉动效应。如果电 价太高，势必引起其他行业产品价格上扬或使用户承受不起。因此电 价不可能像有些产品的价格那样完全可以由市场给予调节，政府往往 从宏观经济角度给电力企业确定适当的电价。 2 税收。无论是发电厂的上网电价还是供电企业的供电电价均有 税收问题。根据目前的税收政策，发电厂发电上网，要征收电力生产 增值税，当进入销售环节时，也要征收电力产品增值税，还包括其他 税种。 3 社会费用。常常终端用户支付的电费中，不仅包括了供电局的 供电电费、政府核定的电价，而且还包括了其他增量费用。这是非电 力企业( 用电管理中间机构) 在电价外收取的其他费用。通常包括人 工费、管理费、设备维护费、线路费、相应的机构的利润，以及政府 规定的其他费用，如三蛱基金、电量资金、重点电量资金、价格调节 资金、路灯附加费、工业附加费等i 。 4 市场与需求的性质。在不同市场结构条件下，企业定价的自由 度不同。目前，对发电市场而言，逐步要过渡到“厂网分开，竞价上 网”，也就是说不同的发电厂均要竟价上网。上网的竞争者比较多，不 是垄断性质的，这时发电企业在定价时既要考虑成本，考虑负荷曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 及其导向，又要考虑利润和竞争，从而实时确定上网电价。从需求的 角度讲，最终评判电价是否合理的是用户。因此电力企业在定价时必 须考虑用户对价格的理解和承受能力。 2 2 2 2 内部因素 1 电力企业的经营目标。对发电企业而言，由于其建设的年限、 设备的先进程度、历史原因均不相同，在竞价上网时的经营目标也不 同。发电企业的经营目标主要有：维持企业的生存、争取当期的利润 最大化，争取最大限度的市场占有率等。 2 成本。无论是发电市场、供电市场合一，还是分开，在定价时 均应考虑成本。发电成本分为固定成本、可变成本。固定成本包括折 旧费、房地租用费、办公费、管理人员工资等不随发电量变动而变动 的成本。可变成本是指燃料、其他材料、生产工人工资、运营费用等 随发电量变动而变动的成本。竟价上网时，电价的变化主要是可变成 本在起作用。供电成本成本也可分为固定成本和可变成本。供电固定 成本通常不随供电量( 用电量) 的变化而变化，可变成本随着供电量 ( 用电量) 变化而变化。在固定成本中，与容量有关的折旧费占较大 比重，因此简单地把与固定成本有关、与容量有关的电价称为容量电 价，而把与可变成本、与供电量( 用电量) 有关的电价称为电量电价。 2 2 2 3 其他因素 上述电价的影响因素着重于各因素对电价总体水平的宏观的、较 长期的影响，而影响电价波动的因素则是指那些在较短时间内，甚至 是每一个结算时段，造成电价短期变化的因素。影响电价波动的因素 是多方面的，但电价的短期波动实质上是受负荷的引导的。一般情况 是系统负荷大时，电价就会高些，反之亦然。所以，引起负荷短期波 动的因素，也就会使影响电价的短期波动。影响电价短期变化的因素 有：日分类( 正常日、节假日等) 、星期类型( 星期一一星期日) 、日天 气类型、日最高温度、日平均温度、日最低温度、日降雨量、湿度、 风速等。另外一些突发事件，比如发电厂事故、大用电量的活动等也 会影响电价。用户对电价变化信号的心理反应以及其用电行为的调整 也会影响电价。 2 3 电价预测 2 3 1 电价预测基本概念 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 在电力系统中，负荷预测是大家较为熟悉的，而电价预测则是市 场化以后才出现的新的研究方向，相对负荷预测来说就比较陌生，研 究得也较负荷预测少。电价在电力市场化之前是由政府主管部门指导 定价的，不存在预测的问题。在电力市场化之后，电力是以商品的形 式出现的，它可以像普通商品那样在电力市场上买卖，其价格应该由 市场决定。由于市场的多变性，电力商品的价格也随时都随供需状况 不同在发生变化。而另一方面，我们前面已经提到过，预先知道电力 交易的价格，可以使系统调度人员更好地安排系统的运行计划，可以 使发电商制定合理的投标策略，可以使电力用户更经济地安排生产， 以降低成本。因此，有必要对电价预测傲深入的研究。 所谓电价预测，就是利用一些己知信息，通过各种数学方法对未 来电力市场中的电力交易价格进行预测。 2 3 2 电价预测的方法 在第一章中已经提到电价预测的方法大致可分为统计学方法( 包 括时间序列法和回归分析法) 、模糊建模法、运行仿真法、市场均衡 分析法和神经网络法，下面简单介绍这几种方法。 2 3 2 1 统计学方法 统计学方法主要有时间序列法和回归分析法。由于统计学方法只 是对历史数据的统计分析，预测效果不佳，一般多与其他方法结合使 用。 1 时问序列法 由于报价的保密性，任何一个发电厂都不可能获取其他发电厂的 报价