（电力系统及其自动化专业论文）气象因素对电网负荷特性影响的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rs y s t e ml o a df o r e c a s t i n ga n dl o a dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa r ev e r yi m p o r t a n t j o b sf o rt h em a n a g e m e n tp a r to fp o w e rs y s t e m t h el e v e lo fl o a df o r e c a s t i n gi s d i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sf o rp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n w i t h t h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d so fu r b a nr e s i d e n t s ，al o to fa i r - c o n d i t i o n i n ga n d h e a t i n ga p p l i a n c e sg oi n t ot h ef a m i l y ，c o o l i n gl o a di si m p a c t e db ym a n yr a n d o m f a c t o r s ，i np a r t i c u l a r l yt h ec l i m a t i cf a c t o r s c o m eu p 、i t l lt h es e n s i t i v i t yo fm a j o r f a c t o r si sc r i t i c a lf o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fl o a df o r e c a s t i n g t h es t u d yo fl o a d c h a r a c t e r i s t i ch a sa c q u i r e ds o m ea p p l i e de f f e c ti nr e c e n ty e a r s b u tt h e r ea r eo n l yt h e r e l a t i o n sb e t w e e nl o a da n dt h em a xo rm i n i m u mt e m p e r a t u r ei nm o s to fs t u d yo fl o a d c h a r a c t e r i s t i c t h es h o r t c o m i n g so ft h i s s t u d yi s ，i tc a nn o t r e f l e c ta l lt h e m e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，i tm a yl e a d e r r o r sf o ra n a l y s i s t h i sp a p e rc a r r i e do u ti n - d e p t ha n a l y s i so ft h ea f f e c to fw e a t h e rf a c t o r sf o rp o w e r g r i d i n t r o d u c e st h es t u d yo nt h i ss t a t u sa th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h ee l e c t r i c l o a dd a t aa n dm e t e o r o l o g i c a le l e m e n to b s e r v a t i o n sf o rh a n g z h o ud u r i n gt h ep e r i o do f 1j a n u a r y2 0 0 6 - 10s e p t e m b e r2 0 0 7 ，t h el o a d sm o d e l sw a se s t a b l i s h e db yu s eo fs c a t t e r d i a g r a ma n dr e g r e s s i o nt h e o r yb e t w e e ns u m m e rw e a t h e rs e n s i t i v el o a d sa n dw e a t h e r f a c t o r s ，i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y , a i rp r e s s u r e ，r a d i a t i o na n dv e l o c i t y o fw i n d t h eo b t a i n e df e a t u r e sa n dr e g u l a rp a t t e r n so nt h ei n f l u e n c e so fw e a t h e r f a c t o r so nl o a dc o u l do f f e ru s e f u lr e f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o rt h ep e r s o n n e li np o w e r s u p p l ya n dd i s p a t c h i n gd e p a r t m e n t s c o m p l e t et h es e l e c ts i m i l a rd a y sm e t h o df o r s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t i n gb a s e do nf u z z yc l a s s i f i c a t i o n af u z z ys t e p p e dm a t c hi s s u p p o r t e d p r e p a r e da s i m i l a rf m d i n go nt h ep r o c e d u r e s k e yw o r d s ：w e a t h e rs e n s i t i v el o a d ；r e g r e s s i o nt h e o r y ；s h o r t - t i m el o a df o r e c a s t i n g ； c h a r a c t e r i s t i co fl o a d ；w e a t h e rf a c t o r s ；s e n s i t i v i t y ；i n t e g r a t e dm o d e l ；s i m i l a rd a y 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力负荷特性研究的背景和意义 电力负荷预测与负荷特性的研究一直是研究电力市场的一个重要课题。近几 年来电力市场的需求发生了极大变化，从原来计划经济下的供不应求到市场经济 下的供需总体趋缓，再到目前新一轮经济启动下又趋紧张，电力负荷特性已经发 生了重大的变化。电网的最高负荷持续增长，峰谷差进一步加大，电网的负荷率 及利用小时数呈现逐步下降趋势，给电网安全，经济运行带来了困难。做好电力 负荷特性的研究将为开拓电力市场、调整电源结构、跨区联网实现资源优化等提 供决策依据【l 】。 电力负荷预测和负荷特性分析是电力管理部门的重要工作，预测的水平直接 关系到电力系统运行的经济效益和社会效益。电力负荷受各种随机因素尤其是气 候因素的影响剧烈，英国的一项研究结果表明，短期负荷预测的误差每增加1 将导致每年运行成本增加约1 7 7 0 万英镑。在挪威，每增加1 的短期负荷预测误 差将导致4 5 5 万9 1 0 万欧元的附加运行成本。导致负荷预测误差的一个重要原 因就是影响负荷的各种随机因素与电力负荷关系的不确定性和难预测性。 从以上的分析可以看出进行电网负荷特性分析的重要性，而且负荷特性分析 是进行需求侧管理的必要准备工作，因此做好负荷特性分析工作，建立一个科学 的负荷特性分析体系，研究出杭州地区电力负荷各主要影响因素的灵敏度，对杭 州地区的电力负荷特性的系统分析有以下意义： 一、对电力系统有利： ( 1 ) 大大提高电力系统负荷预测的精度； ( 2 ) 为短期负荷预测中的人工干预提供理论依据； ( 3 )以便新老工作人员更好地掌握杭州地区的负荷变化规律； ( 4 ) 节约国家对电力工业的基建投资； ( 5 ) 提高发电设备的热效率，降低燃料消耗，降低发电成本； ( 6 ) 增加电力系统运行的安全稳定性和提高供电质量； ( 7 ) 有利于电力设备的检修工作。 二、 对广大用户有利： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 可以节省国家对用户设备的投资； ( 2 )由于削峰填谷，将高峰时段用电改在低谷时段用电，减少了电费 支出，从而也降低了生产成本； ( 3 ) 对城乡居民生活有利。由于采取调整负荷的措施，各工厂企业职 工轮休，并错开上下班时间，从而使地方服务性行业的负荷都实 现均衡化。 1 2 电力负荷变化的影响因素 在各种因素影响下，不同行业将显现不同的变化特性，因而必须重点研究各 种相关因素对各行业变化的影响。其相关因素包括：气象因素、电价、需求侧管 理、投资规模、环保制约、人口变化、家用电器普及率等等2 1 。 ( 1 )政治因素。诸如军事冲突等，这类情况出现的概率很小，一旦出现 对负荷的影响非常大。 ( 2 )经济因素。经济环境的好坏和经济发展状况对负荷的影响。如果经 济发展速度快，负荷水平也提升得快；经济萧条，负荷水平下降。另外行业景气 指数能在一定程度上衡量负荷的水平。 ( 3 ) 气象因素。由于空调负荷、农业灌溉负荷都与气象因素有关，所以 气象因素是影响系统负荷大小的重要因素，气象因素对负荷大小的影响主要表现 为负荷的突然变化。气温是对负荷影响最大的气象因素，随着人们更多地使用空 调，气温对负荷的影响越来越大。同时天气类型、相对湿度、气压、风速、降雨 量、辐射等都对负荷产生一定程度的影响。 ( 4 ) 时间因素。时间的季节性变化、周期性变化、节假口等时间因素对 负荷特性也产生较大的影响，使得负荷曲线在不同的时间范围内呈现出不同的特 征。 ( 5 )电价的影响。电力市场经济情况下执行峰谷分时电价，用户对电价 的响应使负荷曲线形状在一定程度上产生影响。 ( 6 ) 其他因素。有些突发事件，如拉闸限电、冲击负荷、停电检修和重 大活动等可能对系统负荷产生很大的影响，如浙江省在2 0 0 3 年夏天和2 0 0 5 年夏 天大部分时间都采取了错峰限电措施，因而负荷曲线被严重拉直，基本上失去了 2 浙江大学硕士学位论文 原来的特性。 1 3 问题的提出 近年来浙江电力紧缺日益加剧，尤其是夏季，高温进一步加剧了电力供应的 紧张状况。浙江电网自2 0 0 3 年6 月出现了较大范围的拉闸限电、错避峰情况。 政府有关部门认为造成“电荒”【3 】的主要原因是季节、气候变化和国民经济增长 过快等。而根据浙江省统计年鉴显示，浙江省每百户空调拥有量19 9 2 年为 1 7 9 台，2 0 0 3 年则增至1 0 5 2 3 台，随着人民生活水平的提高，采暖降温负荷在 总用电负荷中所占比重越来越大，直接影响电网安全经济运行。其中影响最明显 的是夏季防暑降温负荷和冬季取暖负荷，即气象因素的变化导致增加的用电负 荷。也就是说，气象因素对电网负荷特性的影响越来越大，因而必须研究负荷随 气象变化的规律，为提高电力系统负荷的预测精度打下基础，为电力系统的安全、 经济运行服务。 气象包含的因素较多，有温度、湿度、气压、降雨量、日照情况、天气情况 等。电力负荷的变化，经受着各种气象要素的综合作用，尽管人们通常用气温的 高低来表示环境冷热，但是气象对电力负荷的影响，不能仅仅根据气温或者其他 单一的气象因素来评价。通常人的皮肤温度比体温略低一些，大约是3 2 度左右， 理论上讲，当气温高压3 2 度时，人体就应该产生炎热的感觉，然而事实并非如 此。例如，气温3 5 度的环境中，如果空气的相对湿度在4 0 5 0 左右，风速在 3 m s 以上，人们就不会感到很热，空调负荷不会太高；但是同样的温度环境下， 湿度若达到7 0 以上，风速很小时，就会产生闷热难熬的感觉，甚至出现中暑现 象，空调负荷会迅速增高。同样的道理，在低温环境下，不同的湿度和风速也会 人们带来不同的寒冷感受，从而引起不同电力负荷变化，也就是说温度、相对湿 度、气压、辐射、风力等气象因素都会对电力负荷造成不同程度的影响。 在气象因素中，温度对负荷的影响最大，如何分别考察各个气象因素对电力 负荷的影响以及如何综合考察这些因素对电力负荷的影响，是当前负荷特性分析 以及负荷预测工作中迫切需要解决的问题，另外，随着气象部分预测手段的完善 和技术的发展，实时气象资料的获取越来越方便，如何考察实时气象因素对电力 负荷的影响是一个全新的课题。本文以杭州市为例，分时段对夏季每日9 6 点气 浙江大学硕士学位论文 象敏感负荷与温度、湿度、气压、辐射、风速的关系分别进行了分析和建立模型。 来探讨夏季电力负荷随气象变化的规律，从而为今后更准确地预报夏季电力负荷 和建立合理、实用的数学模型进行必要的理论准备。 1 4 国内外研究现状 电力负荷特性分析一直是电力科研人员重要课题，在国内外受到普遍重视。 1 9 5 2 年，日本成立了由日本九大电力公司、电源开发公司等企业联合组成的“日 本电力调查委员会，负责定期对日本电力负荷进行调查，对负荷特性进行分析， 对电力需求进行预测。主要采用最大负荷、最大3 日平均负荷、平均电力负荷、 负荷率、负荷曲线等指标对负荷特性进行分析。我国也很早就开展了对电力负荷 特性的研究，1 9 8 9 年由原能源部颁布的电力工业生产统计指标解释，其中对 电力负荷特性分析的指标进行了规定，主要有最高负荷、最低负荷、平均负荷等 1 4 项指标。由于各地区经济发展的不平衡，各地区历史资料积累有一定的差距， 因此各地区对负荷特性研究的广度和深度存在一定的差距，采用的负荷特性分析 指标不完全一致。2 0 0 0 年国家电力公司开展了负荷特性调研及分析预测，对重 点地区采用的主要负荷特性指标和负荷特性曲线进行了汇总i 。 目前负荷特性分析的主要方法有： 1 负荷曲线分析：通过绘制图表来分析负荷特性，包括年、月、口的负荷 指标分析等等； 2 相关性分析：主要包括分析时间因素、气象因素、经济因素等与负荷之 间的关系；比如夏季、冬季典型日的负荷特性分析，敏感负荷分析等等。 3 回归分析：是根据历史数据以及一些影响负荷变化的外部因素来建立不 同的回归模型来分析及预测负荷特性。 由于各地区电力用电特性存在差异，针对不同的地区，必须根据自己的具体 情况、需求侧管理，通过研究、了解地区负荷特性来指导需求侧管理。 目前，国内外在电力系统负荷特性分析与负荷预测模的研究中，不少模型考 虑到了天气对电力负荷的影响，但是这些模型大都只考虑了温度这个单一的气象 因素【4 8 j ，忽略了湿度、风力、气压、辐射、降水等其它对系统负荷影响也很大 的因素。就国内而言，文献【2 7 】从上海市市区供电范围电力负荷变化趋势、季节 4 浙江大学硕士学位论文 性负荷变化的来源以及气温对季节性负荷的影响等方面，系统分析了该供电范围 内1 9 9 2 1 9 9 8 年季节性负荷的特征；文献【7 】分析了南京市1 9 9 6 - 1 9 9 9 年夏天典 型日负荷曲线、夏季日峰荷与温度因子的相关性，并对温度因子的热积累效应进 行了研究；文献 1 0 l 对北京地区1 9 9 7 - 2 0 0 0 年夏季负荷的变化状况及其与气温的 变化关系进行了分析，同时采用相关与回归的理论，建立了关于夏季上升段与下 降段单位温升负荷效应模型；文献【2 8 】引入了生物气象学中的实感温度、温湿指 数、寒湿指数、舒适度指数4 个指标来综合衡量气象因素对电力负荷的影响，不 过都是简单的定性分析，没有得出具体的模型。国外在这方面的研究只限于电力 负荷与气温的关系，文献 2 3 、2 4 分析了电力系统日峰荷与最高温度的关系，并 在此基础上给出了最高日峰荷的预测模型 另外在目前所研究的绝大多数预测方法都之处理每日的特征气象因素【4 9 】， 包括日平均温度、日最高温度、日最低温度、日天气类型、湿度等。这些方法在 负荷预测中发挥了重要作用，然而仅仅考虑日特征气象因素，显然无法更准确的 分析负荷对气象因素的敏感性。随着气象部门预测手段的完善和技术的发展，为 电力部门或其他行业提供实时( 本文的“实时”意思是分时段) 气象因素的历史 信息和预测结果已经成为可能。这些宝贵的实时资料和信息为电力部门提高负荷 预测精度奠定了基础。 1 5 本文的主要工作 本文研究所针对的电力负荷主要是指，用电用户的负荷，即电能用户的用电 设备在某一时刻向电力系统取用的电功率总和，是电力总负荷中的主要部分；不 包括线路损失负荷( 电能在发电厂到用户的输配电过程中所发生的损失，即线路 损失所对应的电功率) 、厂用电负荷( 发电厂在发电过程中自身的许多用电设备 运行所消耗的电功率) 等。 针对当前负荷特性研究中出现的问题，本文提出了用散点图和相关性理论分 时段对夏季每日9 6 点气象敏感负荷与温度、湿度、气压、辐射、风速的关系分 别进行了分析，在相关性分析的基础上，利用回归理论建立了各时段气象敏感负 荷分别与各气象因素的关系模型，得出了各时段气象敏感负荷对气象因素的敏感 度，从而为实时的定量的掌握负荷与气象因素的关系，提供了充分的理论依据； 浙江大学硕士学位论文 分时段建立了杭州地区夏季气象敏感负荷与各种气象因素的综合模型；初步建立 了考虑气象因素的电力系统负荷预测模型和考虑温度积累效应的误差修正策略， 使预测精度有了明显提高；为供电部门和调度部门的工作人员提供有用的参考信 息。 本文的结构安排如下： 第一章介绍了电力负荷特性研究的背景和意义、电力负荷变化影响的因素、 国内外电力负荷特性研究的现状以及本文的主要工作。 第二章介绍了气象因素的基本知识、电力负荷的特点；对杭州市的常规负荷 特性进行了分析，研究了气象因素作用于电力负荷的分析思路和方法以及从供应 侧和需求侧对气象因素对负荷的影响进行了深入分析。 第三章讨论了考虑实时气象因素对负荷影响的必要性；介绍了负荷数据获取 和处理的基本方法；建立了电力系统负荷的基本模型：得出了气象对电力负荷特 性影响分析的流程图；提出了用散点图和相关性理论分时段对夏季每日9 6 点气 象敏感负荷与温度、湿度、气压、辐射、风速的关系分别进行了分析，在相关性 分析的基础上，利用回归理论建立了各时段气象敏感负荷分别与各气象因素的关 系模型研究杭州地区负荷随温度、相对湿度、气压、辐射、风力等主要影响因素 的变化规律，为短期负荷预测提供了理论依据。 第四章讨论了考虑相关因素的短期负荷预测的基本方法；建立了考虑实时气 象因素的多元非线性回归的气象敏感负荷模型；得出了考虑实时气象因素的短期 负荷预测模型；根据温度的积累效应和延迟效应对预测结果进行了修正改进。 第五章完成了基于模糊分类方法的相似日选择方法，提出了模糊阶梯形匹配 的方法，编写了寻找相似e j 的程序，结果表明达到了较高精度 第六章对全文进行总结，对后续要进行的工作提出建议，并对整篇论文进行 了简短回顾和评价。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章气象因素对电网负荷的影响分析 2 1 对气象因素的认识 气象是指大气中所发生的物理现象和物理过程，它主要是研究空气压力的垂 直变化和水平变化，空气的水平运动和垂直运动，空气温度的变化，辐射能和热 能在大气中的传递、吸收过程以及大气中水的相变过程【3 0 3 1 1 。从电力气候学角度 来看，在进行电力规划、电力工程设计( 如发电厂、变电所选址) 、电力生产调 度等工作时，必须要考虑气候因素。 一个地区在某一段时间内的气象要素( 即大气物理状况，如温度、湿度等) 的综合就是该地区的天气。天气预报【3 0 , 3 1 1 是根据气象观察资料，应用天气学、动 力气象学、统计学原理与方法对某地区和某地点未来一定时间段内的天气状况进 行定性和电量的分析与判断后作出的。用数学方程式描写大气中发生的力学和热 学过程，从而研究这些力学和热学状况的发展变化，称之为动力气象学，根据动 力气象学的研究成果，才可以进行数值天气预报。我国气象科学研究发展非常快， 目前的状况是用气象卫星遥测广大地区的状况，用雷达检测局部地区的天气变 化，各地观测到的气象资料借助于现代通信技术经过传递处理，用大规模计算机 求解描述天气变化，各地观测到的气象资料借助于现代通信技术经过传递处理， 用大规模计算机求解描述天气温度发展的流体力学、热力学方程，对天气状况做 出了客观的预报。随着计算机技术的应用，我国气象预报系统已经逐步地形成了 完整的城乡观测网络，积累了大量的数据，能对天气状况进行比较精确的预测， 并将信息服务于社会。 研究表明，气象因素是影响短期负荷的主要因素1 3 2 】。为了得出电嗍负荷受 气象因素影响的规律，做好电力负荷预测，保证电力供需平衡，必须在分析电力 负荷变化特点的基础上，结合季节性气候变化的特征，定量的分析电网负荷与各 种气象因素之间的关系。 2 2 电力系统负荷的特点 电力系统负荷一般可以分为居民用电负荷、商业用电负荷、农、林、牧、渔 用电负荷、工业用电负荷以及其它用电负荷等，不同类型的负荷具有不同的特点 7 浙江大学硕士学位论文 和规律。但受电力特点( 电能无法大量储存，电力的生产和消费必须在同瞬间 进行) 的影响，电力负荷呈现出如下的共同点： ( 1 ) 电力系统的负荷是经常变化的，不但按小时变、按日变、而其按周变、 按年变。但是对电力系统负荷曲线从每周来分析，负荷的变化是具有周期规律的， 但是电力负荷并非简单的重复一个周期，而是存在一个随即分量使每隔周期的数 值发生改变，电力负荷不但具有天周期，还具有周周期、月周期和年周期。一般 来说，负荷的周周期是比较明显的，在周末的负荷水平较低，工作日的负荷水平 较高，这与人们的生产、生活和学习都是以周为单位安排计划有关，而且在工作 日用于生产的负荷较多，而在休息日所用的生产负荷较少。同样的，电力负荷的 月周期和年周期业余人们的生活工作规律息息相关。 ( 2 ) 电力负荷同时又是连续的，这是指在负荷曲线上任意相邻两点之间的 变化是连续的，不存在奇点，从电力系统的稳定性要求可以找出负荷的连续性的 原因。为了保证稳定运行，必须避免对系统造成大的冲击，无论是增加或是切除 负荷时都要求负荷的变化大小控制在一定的范围之内。由于这个限制，负荷总量 就表现为一个连续变化的过程，负荷曲线一般不会出现大的跃变。 另外，由电力负荷的构成分析中可以看出电力负荷还具有明显的季节性特 点。在比较温和的春、秋季节，由于温度、天气状况适合人们的工作和生活，这 两季的负荷受天气影响程度较低。夏季和冬季受气温因素的影响较大，天气的变 化将带来降温和取暖的大量增加或减少，呈现出比较明显的季节性特点。因此， 如果不考虑经济发展的影响，夏季和冬季的负荷一般来说要高于春秋季的用电负 荷，夏季的用电负荷又要高于冬季的用电负荷，这与各类用电负荷的季节性相关。 所以我们常常讨论的是有典型意义的夏季与冬季的负荷情况。 2 3 杭州市常规负荷特性分析 2 3 1 年负荷特性分析 作为浙江省的省会城市，杭州市的用电负荷特性与气温密切相关。全年平均 气温为1 6 。c 左右，7 、8 月份气温最高，月平均约2 8 。c ；1 月份最低，月平均约 5 。c 。但是随着全球气候的变化，近年来杭州夏季持续高温天数明显增多，平均 气温接近3 0 。 8 浙江大学硕士学位论文 誉 至 挺 露 r r r 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 o 日期 图2 - 1 杭州电网电力负荷季节变化曲线 由于从2 0 0 3 年7 月中旬开始到2 0 0 5 年秋季浙江省全省受到电源性缺点影 响，电网用电受到控制，本文只研究2 0 0 6 年1 月1 日到2 0 0 7 年9 月1 日的负荷 变化规律，研究全时段内电力负荷变化特点，由图2 1 可知，电力负荷呈逐年增加 趋势，说明随着经济的增长和人民生活水平的提高，全社会用电负荷不断提高； 负荷有很好的季节变化，夏季( 6 、7 、8 、9 月) 、冬季( 1 2 、l 、2 月) 偏高，尤 其是夏季，负荷值大大高于其它季节。这是由于夏季是生产旺季，用电量自然多， 特别是气温较高时，各种制冷设备被大量使用，用电量大幅度增加；冬季负荷主 要为生产负荷与取暖负荷。 9 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 6 年分月负荷率 l 彩：簪。，+ 4 舻”二” y” i j “。：。i 。，7 。：j 尹+ | 2 ：。；。! 。8 ，_ “w ：l ：l 。4 ”7i ，、“纭1 o 9 5 嘉 蘩 ， _ 一 _ ， 0 9 爹 笔 一 墨 ： _ - _ _ 7 j j 一 。 ? ： e ： 蠢 一 j ：y t ! ： 。 ， i _ ： j j 二 彩 i 一 ， 沥 锄l | 貔 ： p *， ： ： 一 “ 雾 隧澎：磊，彩 笏 - 0 8 5 = _ 0 8 。 _ 0 7 5：f 弭一 j j 翻。 ：j 荔， 冬冬冬冬 月份 图2 - 2 杭州市2 0 0 6 年各月负荷率 由图2 2 可知，2 0 0 6 年杭州市全年负荷率平均在9 0 左右，春秋季相对负 荷率较高，而夏季和冬季两个用电高峰负荷率较低。 2 3 2 周负荷特性分析 周负荷曲线反映一周内口最大负荷的变化规律。由于存在周末与工作日用电 负荷的差别，这是由于双休日工业用电负荷减少的原因，虽然这个时候第三产业 居民用电量增加，但是毕竟工业用电量比重较大。日最高负荷存在以周为周期的 波动。但是，由于负荷还受气象因素的影响，特别是近年来夏季空调负荷的增加， 气温的变化对负荷的影响更大了，超过了周末与工作日用电负荷的差别，使电网 在夏季周负荷波动规律不明显了。 图2 3 、2 _ 4 列出杭州市2 0 0 6 年8 月、1 1 月的月负荷曲线。8 月份口最大负 荷变化非常大，主要是气象因素的影响，以周为周期的变化不明显。1 1 月份日 最大负荷变化不大，可以看出负荷以周为周期的变化。 l o 浙江大学硕士学位论文 图2 - 3 杭州市2 0 0 6 年8 月份负荷曲线图 图2 4 杭州市2 0 0 6 年1 1 月负荷曲线图 2 3 3 节假日负荷特性分析 由图2 1 可知，所研究时段的“五一”、“十一 ，“春节等节假日负荷与平 常日相比明显偏低，这是由于节假日的工业用电大幅减少造成的。 2 3 4 典型日负荷特性分析 由图2 5 杭州电网2 0 0 6 年夏季、冬季典型日负荷曲线可以发现，杭州电网 夏季典型日的负荷曲线特点基本是三峰三谷，分别是早高峰、下午高峰、晚高峰、 夜间低谷、午间低谷、傍晚下班低谷。杭州电网冬季典型日负荷曲线特点是两峰 一腰两谷，分别是早高峰、晚高峰、下午腰荷、夜晚低谷、午间休息低谷。冬季 浙江大学硕士学位论文 典型日负荷曲线与夏季典型日负荷曲线差别较大，主要原因是冬季昼短，傍晚下 班的时候天已黑，照明负荷及晚餐用电负荷已经出现，使下午1 7 ：0 0 左右的负荷 呈现较高的状态，而居民取暖负荷较少，晚间2 1 ：0 0 左右负荷开始走低。另外， 无论夏季还是冬季晚高峰都出现在2 2 ：1 5 左右，这是因为2 0 0 3 年以后杭州电网 实行了峰谷值电价政策，夜晚空调使用率大大上升的缘故。 o旧ooi ooo旧oo o叫ho寸ho寸ho 寸 - oh 旧卜。don寸卜hn hhhhdhnc q 时间 图2 5 杭州电网2 0 0 6 年夏季、冬季典型日负荷曲线 2 4 气象因素作用于电网负荷的分析思路 我们认为，气象因素作用于电网负荷的分析思路，可以分为以下4 个层次【3 习： ( 1 ) 首先认为各个气象因素独立作用于电力负荷，分析其影响，包括两类： 单因素分析( 即单个气象因素与单个电力指标的关系分析) 和多因素分析( 即多 个气象因素与单个电力指标的关系分析，但是各个气象因素之间不产生耦合结 果) 。 ( 2 ) 考虑气象因素对负荷影响的多日积累效应。例如，对某日的负荷而言， 连续几天高温与当日突然高温这样的两种情况下，当e l 负荷会有明显差别。同时， 以自动辨识的方法识别主要的若干影响因素，称为特征选择。 1 2 o 0 o o o 0 o o 0 0 0 0 o 0 o o 0 o 0 5 0 5 o 5 0 5 o 6 5 5 4 4 3 3 2 2 熏挺斌 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 在分析气象因素独立作用于电力负荷的基础上，进一步认为多个气象 因素产生某种耦合效果后才作用于电力负荷，分析其影响，这种耦合效果可称为 综合气象指数。 ( 4 ) 在分析当日综合气象指数对电力负荷影响的基础上，进一步考虑综合 气象指数的多日积累效应。 四个层次的关系如图2 - 6 所示。 图2 - 6 气象因素作用于电力负荷的分析思路及其相互关系 图2 7 气象因素对供应侧和需求侧的影响 1 3 浙江大学硕士学位论文 2 5 从供应侧和需求侧分析气象因素的影响 2 5 1 气象因素对供应侧和需求侧的影响 根据我国现行的调度体制，网省电网需要预测的是“统调负荷”，实际上就 是需要由省电网调度部门统一调度来满足的负荷；而地市电力部门作为省级电网 的下级单位，需要预测“网供负荷并上报给省级电网。虽然人们认为气象因素 会影响电力负荷，但从机理上分析，气象因素并不是直接影响“统调负荷 ，而 是首先对总用电负荷和非统调负荷产生影响，而后由“总用电负荷= 网供统调负 荷+ 非统调负荷这样的关系式，对“统调负荷产生作用。这个过程可表示为 图2 7 。 那么，气象因素究竟如何对总用电负荷和非统调负荷产生影响的呢? 这需要 分别从供应侧和需求侧角度来分析气象因素的影响，可以表示为图2 8 图2 - 8 气象因素对供应侧和需求侧的影响 从图2 8 中可以看出： 1 4 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 从需求侧来看，负荷波动的原因主要有：气象因素造成的负荷变化( 冬 季采暖负荷、夏季降温负荷最为突出) ；大用户用电的非计划性造成负荷的变化 等。此时，气象因素直接影响了总用电负荷中的某些部分，从而将间接地由“总 用电负荷= 网供统调负荷+ 非统调负荷 这样的关系式，对“统调负荷”或“网 供负荷”产生影响。 ( 2 ) 从供应侧来看，小水电、小火电、自备电厂等类型发电资源对电网造 成的影响较大。例如，小电厂非计划性开停机或发电上网的随意性，直接导致“统 调负荷”或“网供负荷”的大幅度波动；又如，地方小水电靠天吃饭，有了降雨， 就可以发电上网，没有来水就不发电。此时，天气突然变化而产生的降雨量直接 影响了小水电的发电出力，从而将间接地由“总用电负荷= 网供统调负荷+ 非统 调负荷这样的关系式，对“统调负荷一或“网供负荷”产生影响。 通过电力系统供需平衡分析，我们可以设计关于气象因素处理的两大类处 理方式： ( 1 ) 隐性考虑影响因素的方式：直接建立网供统调负荷关于影响因素的相 关关系，进行分析。 ( 2 ) 显性考虑影响因素的方式：首先分别建立总用电负荷关于影响因素的 相关关系；其次建立非统调负荷关于影响因素的相关关系；然后，按照“总用电 负荷= 网供统调负荷+ 非统调负荷 的关系式，分析网供统调负荷的变化规律。 如果采用第2 种处理方式，为了更好地提高预测精度，还可以采取针对大用 户情况分析的如下措施： 1 ) 深入大用户，了解用户生产过程，收集大用户用电计划； 2 ) 对于用电峰值负荷较大的用户，对其用电负荷曲线进行监视，分析异动 情况； 3 ) 从负荷控制系统获取大用户用电特性； 4 ) 统计其规律性，生成大用户用电修正曲线。 2 5 2 不同级别电网对气象因素的处理策略 根据以上分析，我们认为，网省电网和地市电力部门处理气象因素及其他因 素的策略将有所区别。 可以将网省电网和地市电力部门在负荷预测方面的特点进行对比，比如表 1 5 浙江大学硕士学位论文 2 1 所示 表2 - 1 网省电网和地市电网在负荷预测方面的特点对比表 比较的内容网省电网 地市电网 负荷规模大中小 可预料的规律性中强弱中 气象等凶素的影响程度不定，需综合考虑，下属各地气象影响突出，特别是小水电 市可能差别较大较多的地区 负荷特征曲线稳定度强弱中 大用户用电的影响度弱中大用户影响突出，特别是钢铁 等冲击负荷 地市电力部门在负荷预测中应重点分析如下的几个特点： ( 1 ) 系统中一般有若干个负荷容量相对交大的用户，其用电行为极大地影 响总负荷。 ( 2 ) 地区电力系统通常是一个容量较小、波动较大的电力系统，有上级电 网和地区内小电厂这样的两类电源供电，满足“总用电负荷= 网供负荷+ 地区内 发电负荷”这样的关系式，运行调度人员所关心的是网供负荷的大小。 ( 3 ) 多变的气象条件对小水电的发电行为影响很大，从而影响网供负荷； 在雨量不足时，地方小水电发电不足，主要依靠上级电网供电；而雨量充沛时， 地方小水电发电大增，甚至会出现网供负荷为负的情况，这是因为地方小水电发 电出力已经高于地区总用电负荷，造成地方小水电发电出力倒送到上级电网的情 况出现。 ( 4 ) 以上特点对地市负荷预测提出了特殊的要求，必须建立针对性强的负 荷预测方法，特别是妥善处理小水电等因素对地方负荷的影响。 网省电力部门在负荷预测中应重点分析如下特点： ( 1 ) 根据负荷的构成规律，可以考虑两类途径，一类途径是网省电力部门 直接根据自身的负荷规律进行预测，另一类途径是嘲省电力部门直接汇总下级电 网的预测结果，并且在适当考虑负荷同时率的情况下进行修正。 ( 2 ) 嘲省电力部门如果要考虑气象因素，一定要注意气象因素的获取方式。 1 6 浙江大学硕士学位论文 因为天气预报一般是针对地市范围而做出的，没有直接针对网省的天气预报，所 以，可以考虑以下级电网的最高负荷作为权重，对下级电网对应地区的气象因素 进行加权平均，然后再按照各种气象因素的处理策略进行分析预测。 2 6 本章小结 本章介绍了气象因素的基本知识、电力负荷的特点；对杭州市的常规负荷特 性进行了分析；研究了气象因素作用于电力负荷的分析思路和方法；从供应侧和 需求侧对气象因素对负荷的影响进行了深入分析。 1 7 浙江大学硕士学位论文 第三章电网负荷对实时气象因素的灵敏度分析 3 1 考虑实时气象因素的必要性 随着经济和社会的发展，人民生活水平的提高，空调的拥有率和使用率不断 提高。并且电力体制改革和电力市场开拓发展，超短期和短期负荷预测的作用越 来越重要。而杭州市的地理气候条件决定了夏季气象是影响其负荷的重要因素。 近年来电网供电最高负荷逐年上升创新高，构成用电的峰荷。它们对气象变化非 常敏感，对短期电力负荷的影响越来越大【l 。这无疑给负荷预测工作带来了很大 的困难，使得负荷预测精度难以上升到更高层次。虽然在电力系统负荷预测模型 及方法的研究中，不少模型考虑到了天气对电力负荷的影响，但是这些模型大都 只考虑了温度这个单一的气象因素【4 8 l 。然而相对湿度、气压，风速，辐射等气 象因素也会对电力负荷的产生很大影响。 本文提出一种分析计算气象敏感负荷对实时气象因素灵敏度的方法。众多研 究者提出了许多短期负荷预测方法，最为流行的是人工神经网络法，人工神经网 络具有很强的鲁棒性、记忆能力、非线性映射能力及强大的自学能力，但是也有 固有的缺点：收敛速度慢和可能收敛到局部最小点；无法写出具体的模型表达式， 而且难以充分利用调度人员的经验知测6 】；难以精确分析神经网络的各项性能指 标：体系结构的通用性差【4 0 】；因此迫切需要建立一个科学的体系实现电力负荷 特性的系统分析，以便新老工作人员更好的掌握负荷变化规律；同时，研究出杭 州地区电力负荷各主要影响因素的灵敏度，为短期负荷预测中的人工干预提供理 论依据。 基于以上问题，本文提出了用散点图和相关性理论分时段对夏季每日9 6 点 气象敏感负荷与温度、湿度、气压、辐射、风速的关系分别进行了分析；在相关 性分析的基础上，利用回归理论建立了各时段气象敏感负荷分别与各气象因素的 关系模型，从而为实时的定量的掌握负荷与气象因素的关系，提供了充分的理论 依据。 浙江大学硕士学位论文 3 2 数据获取和初步处理 3 2 1 数据来源 由于自2 0 0 3 年7 月中旬至2 0 0 5 秋季浙江省全省受到电源性缺电的影响，电 网受到控制，用电负荷数据出现严重失真，因此根据杭州市2 0 0 6 年1 月1 日至 2 0 0 7 年9 月1 0 日每日9 6 点负荷数据和同期每小时温度、相对湿度、气压、辐 射和风速等气象要素资料进行分析研究，每日9 6 点气象数据由已知2 4 点数据用 插值法得到。主要利用相关性分析和回归分析的方法，得出夏季气象敏感负荷与 气象因素的关系模型。 3 2 2 数据处理的重要性 目前，在我国各级电力调度中心，历史负荷数据采集系统多为s c a d a 系统， 在电力系统实际运行时，数据采集系统中的量测、记录、转换、传输过程中的任 意环节都有可能出现故障而导致观测数据的反常态势，以致与大多数观测值不一 致；另一方面，当数据采集系统正常，由于特殊事件( 如切负荷停电，线路检修 停电，大用户、大事件冲击等) 引起负荷的异常变化，也会导致观测数据的违背 常规。所有这些非正常的观测数据统称为异常值。如果这些异常数据得不到有效 的校正，它们将以伪信息、伪变化规律的方式提供给负荷预测作为参考，必然误 导负荷预测模型的建立，影响分析预测结果的精确度及可靠性。 3 2 3 异常负荷数据的处理 在实际负荷数据系统中，异常数据的产生往往是随机的，以多种类型存在于 数据库中。可以统分为两大类： ( 一) 坏数据。这类数据通常是由于s c a d a 系统的故障引起的。主要表现 为如下类型： a 缺失值。这类异常数据在数据库中的表格单元中表现为空值； b 极大极小值。这类异常数据在数值上表现为在非负荷峰、谷时刻超出当 日负荷的峰值或者低于谷值。亦或在峰、谷时刻的负荷值大量超出相邻日峰、谷 时刻负荷值； c 负荷毛刺。这类异常数据在数值上表现为在相邻时段数据间的突然增大或 减小。 1 9 浙江大学硕士学位论文 誉 至 挺 露 r r r 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 o 日期 图2 - 1 杭州电网电力负荷季节变化曲线 由于从2 0 0 3 年7 月中旬开始到2 0 0 5 年秋季浙江省全省受到电源性缺点影 响，电网用电受到控制，本文只研究2 0 0 6 年1 月1 日到2 0 0 7 年9 月1 日的负荷 变化规律，研究全时段内电力负荷变化特点，由图2 1 可知，电力负荷呈逐年增加 趋势，说明随着经济的增长和人民生活水平的提高，全社会用电负荷不断提高； 负荷有很好的季节变化，夏季( 6 、7 、8 、9 月) 、冬季( 1 2 、l 、2 月) 偏高，尤 其是夏季，负荷值大大高于其它季节。这是由于夏季是生产旺季，用电量自然多， 特别是气温较高时，各种制冷设备被大量使用，用电量大幅度增加；冬季负荷主 要为生产负荷与取暖负荷。 9 浙江大学硕士学位论文 3 2 数据获取和初步处理 3 2 1 数据来源 由于自2 0 0 3 年7 月中旬至2 0 0 5 秋季浙江省全省受到电源性缺电的影响，电 网受到控制，用电负荷数据出现严重失真，因此根据杭州市2 0 0 6 年1 月1 日至 2 0 0 7 年9 月1 0 日每日9 6 点负荷数据和同期每小时温度、相对湿度、气压、辐 射和风速等气象要素资料进行分析研究，每日9 6 点气象数据由已知2 4 点数据用 插值法得到。主要利用相关性分析和回归分析的方法，得出夏季气象敏感负荷与 气象因素的关系模型。 3 2 2 数据处理的重要性 目前，在我国各级电力调度中心，历史负荷数据采集系统多为s c a d a 系统， 在电力系统实际运行时，数据采集系统中的量测、记录、转换、传输过程中的任 意环节都有可能出现故障而导致观测数据的反常态势，以致与大多数观测值不一 致；另一方面，当数据采集系统正常，由于特殊事件( 如切负荷停电，线路检修 停电，大用户、大事件冲击等) 引起负荷的异常变化，也会导致观测数据的违背 常规。所有这些非正常的观测数据统称为异常值。如果这些异常数据得不到有效 的校正，它们将以伪信息、伪变化规律的方式提供给负荷预测作为参考，必然误 导负荷预测模型的建立，影响分析预测结果的精确度及可靠性。 3 2 3 异常负荷数据的处理 在实际负荷数据系统中，异常数据的产生往往是随机的，以多种类型存在于 数据库中。可以统分为两大类： ( 一) 坏数据。这类数据通常是由于s c a d a 系统的故障引起的。主要表现 为如下类型： a 缺失值。这类异常数据在数据库中的表格单元中表现为空值； b 极大极小值。这类异常数据在数值上表现为在非负荷峰、谷时刻超出当 日负荷的峰值或者低于谷值。亦或在峰、谷时刻的负荷值大量超出相邻日峰、谷 时刻负荷值； c 负荷毛刺。这类异常数据在数值上表现为在相邻时段数据间的突然增大或 减小。 1 9 浙江大学硕士学位论文 ( - - ) 畸变数据。这类数据通常是在量测系统正常情况下由于特殊事件的发 生造成的。表现为自然正常数据叠加随机时间引起的负荷波动而产生的负荷畸 变。表现为： a 待补足数据。这类数据主要是由于线路检修，某用电大户设备停电检修， 或者某些变电所在一段事件内测量标记损坏等预知因素造成。 b 含冲击负荷数据。这类