（电气工程专业论文）吉首城市电网规划的研究.pdf

硕上学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rp l a y sak e yr o l ei nt h ec i t yd e v e l o p m e n ta n dar e a s o n a b l ep o w e r n e t w o r kp l a n n i n gc a na t t a i ng r e a ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s h o w e r v e r ，t h e e x i s t i n gc i t yp o w e rn e t w o r kt e e m sw e a k n e t w o r ks t r u c t u r e ，p o o rr e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l y ，a g i n go fp o w e re q u i p m e n t ，h i g hw a s t a g eo fl i n e s ，u n s t e a d yp o w e rq u a l i t y ，l o w l e v e lo fa u t o m a t i z a t i o na n ds oo n t h e s ea r ea w a yf r o mb u i l d i n gas t r o n gs m a r tg r i d p r o p o s e db yt h ec o u n t r y j s ot h er e b u 订d i n go fn e t w o r kp l a n n i n gi s i n e v i t a b l ea n d n e c e s s a r y 、 t h er e b u 订d i n g so fm a j o rn e t w o r ka n dh v m va n dl vn e t w o r ki s n o wi n p r o g r e s sw i t h i nt h ew h o l eh u n a np r o v i n c e ，t os o l v et h ep r o b l e m sd u r i n gt h ec i t y n e t w o r k ，o p t i m i z en e t w o r ks t r u c t u r e ，i m p r o v er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y ，a n dm e e t t h ee l e c t r i c i t yd e m a n do fs o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h ep a p e ri sb a s e do nt h e p l a n n i n go fj i s h o u “12 t hf i v e y e a r n e t w o r kt h a t _ ie v e rt o o kp a ni n 、 f i r s t l y ；t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec o n c e p to fn e t w o r kp l a n n i n ga n dt h ec u r r e n t r e s e a r c h ， a n ds e v e r a ll o a df o r e c a s t i n gm e t h o dc o m m o n l yu s e dt o s u m m a r i z e c l a s s i f i e d l a r g ep o w e rc u s t o m e rh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ep o w e rl o a da n d u n c e r t a i n t y ；c o n s i d i n go ft h el o a do fj i s h o uc i t y i sl o w ，p a p e rp r o p o s e sal o a d f o r e c a s tf o rn e wi d e a s l o a df o r e c a s t i n gm e t h o di sd i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，o n e p a r t t a k i n g i n t oa c c o u n tt h ei n l p a c to fl a r g ec u s t o m e rl o a d ，a n d t h eo t h e rn o t i n c l u d i n gi nl a r g ec u s t o m e rl o a dw h i c hi sc o n t i n u a t i o no f h i s t o r i c a lt l ? e n d st of o r e c a s t ， t h er e s u l t so b t a i n e dn o to n l yt a k ei n t oa c c o u n tt h el a r g et h ei m p a c to fc u s t o m e rl o a d ， b u ta l s ot a k ei n t oa c c o u n tt h ec o n t i n u i t yo fl o a dd e v e l o p m e n t c i t yv i s i o nl o a d f 0 r e c a s t i n gb a s e do n t h em e t h o do f l o a dd e n s i t y i n n o v a t i v ei d e a si n t ot h e s t r a t i f l c a t i o n a n dc l a s s i f i e s ， r e s p e c t i v e l y 1 0 a dc a l c u l a t i o nm o d e lf b r t h e e s t a b l i s h m e n to ft h el a y e r s ，t h u st h er e s u l t so b t a i n e di nl o a dd i s t r i b u t i o ni s m o r e i n f o n n a t i v e t h et e r r a i 矗o fj i s h o uc i t yi sn a r r o wa n dc o m p l e x ，t h i sa r t i c l es e td i s t r i b u t i o n n e t w o r kp l a n n i n gg o a l sa n dp r i n c i p l e sa d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to fj i s h o uc i t y ；a n d m e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kf o ru r b a np r o b l e m si nt h es 0 1 u t i o na r eg i v e n 。 j i s h o uc i t yh a sb e e nt h el a c ko fr a t i o n a lp l a n n i n gi nt h el o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o n ， u s e do fl o wv o l t a g ep t o b l e m so nt h er a t i o n a ld i s t r i b u t i o no ft h r e eo p t i o n s f o r e x a m p l e ，t h r o u g ht h r e ec o m p a r i s o n so ft e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d i c a t o r s ，r e d u c e 吉首城市电网规划的研究 t h ed i s t r i b u t i o nl i n el o s s a c c r o d i n g t ot h e m u l t i - d i s t r i b u t i o n ， s m a l l c a p a c i t y ；s h o r t r a d i u sd i s t r i b u t i o no ft h ep r i n c i p l ec a n ，i m p r o v e du s e rv o l t a g e1 e v e l ， a n da c q u i r e db e t t e rs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s f i n a l l yt h i sp a p e ra s s e s s e dt h e e f f b c t i v e n e s so ft h eo v e r a l lp l a n n i n gt e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l ly ，a n da n a l y s e dt h e t e c h n o l o g yi n d e xa n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t s ，f u l l yd e m o n s t r a t et h en e t w o r kp l a n p r o g r a mi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c i t yp o w e rn e t w o r kp l a n n i n g ；l o a df o r e c a s t ；l a r g ep o w e rc u s t o m e r l o a d ；r a t i o n a ld i s t r i b u t i o n ；t e c h n i c a la n de c o n o m i ca s s e s s m e n t 硕j ：学位论文 插图索引 图2 1 吉首城区供电分区电量预测流程图一1 6 图2 2 吉首城区远景负荷预测流程图1 7 图2 3 吉首城区最大负荷小时数历史变化图1 9 图2 4 住宅小区配电系统典型结构一2 l 图2 5 吉首城区功能小区划分情况2 2 图3 12 0 1 5 年吉首城区高压配网拓扑图3 l 图3 2 架空线路单辐射接线示意图3 3 图3 3 架空线路单联络接线示意图3 3 图3 4 架空线路多联络接线示意图3 4 图3 5 电缆线路单环网接线示意图3 4 图3 6 电缆线路三电源联络接线示意图3 4 图3 7 电缆线路双环网接线示意图3 5 图3 8 电缆线路井字型接线示意图一3 5 图3 9 城向i 线接线示意图3 7 图3 1 02 0 1 5 年吉首城区变电站供电范围划分4 l 图3 1 l2 0 1 5 年吉首市城区中压配电网络拓扑图4 6 硕一j j 学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 城市电网是电力系统的重要组成部分及主要负荷中心，又是城市现代化建设 的一项重要基础措施。所谓城市电网是指在城市范围内，向城市及其郊区分配和 供应电能的电力网【1 1 。它包括送电网( 2 2 0 k v 及以上) 、高压配电网( 3 5 、6 3 、1 1o k v ) 、 中压配电网( 1 0 、2 0 k v ) 、低压配电网( 0 3 8 k v ) 以及为其提供电源的变电站和网内 的发电厂。当前我国大、中城市电网一般由2 2 0 k v 输电网和1l0 k v 级以下配电网 构成，承担着8 0 左右的电力的送配任务。随着国家加大力度对城市电网建设与 改造，近几年城市电网在技术改造和技术进步方面取得了一定成效，但与此同时 。 电力需求也在迅速增长，用户对供电质量及可靠性要求在逐步提高，目前我国城 市电网仍存在着许多问题，主要表现为【2 ，3 】： 1 城市电网滞后于城市经济发展 受城市电网投资资金短缺、用电负荷增长迅速等多种因素的影响，城市电网 规划落后于城市经济发展的问题比较突出，主要表现为：网架结构薄弱、电源供 应不足、变电站布点不均、供电区域划分不清晰、导线截面小、部分线路重载老 化、无功补偿不足、输变电设备装备水平偏低等。 2 城市电网建设与城市规划不协调 目前我国只有少数城市的电网规划纳入城市规划，大多数城市电网规划和城 市规划有效衔接还远远不够，如线路走廊紧张、变电站选址困难、电网建设与市 政建设发生冲突等。 3 城市电网规划缺乏超前性 随着城市化进程的加快，不同城市之间发展阶段差异大，单一规程难以适应 我国各类型、各发展阶段城市电网发展的需要。部分地区为降低投资成本，只强 调解决当前问题按照低标准进行改造建设，导致一些城市电网刚建设改造不久， 又出现新的供电“卡脖子现象，只能再次进行改造，导致资金浪费严重。 1 2 城市电网的特点 现代城市电网主要有以下几个特点【4 】： ( 1 ) 拥有充足的电力。城市用电需求大，负荷密度高，第二、三产业用电量 占城市总用电量主要部分，城市电网必须根据城市经济社会发展进行规划，确保 满足城市规划对电力的需求。 ( 2 ) 电能质量及可靠性要求较高。城市电力负荷比较复杂，各级负荷对供电 吉首城市电网规划的研究 质量及可靠性要求不一，城市电网应能满足各种用户不同的电能质量及可靠性要 求。 ( 3 ) 有先进的设备和先进的管理理念及技术措施，实行对城网的管理和调 度，以确保城市电网运行安全稳定及社会经济效益。 ( 4 ) 城网设施与城市市容建设相匹配。在城市现代化建设中提出各项目标， 如文明城市、花园城市、古文化街等。对建筑物都有一定的要求，这要求电力设 施必须与之协调一致。 1 3 电网规划概述 1 3 1 电网规划的概念 电网规划是确定何时、何地投建何种类型的输变电设备及其回路数，以达到 规划周期内所需要的输电能力，在满足各项技术指标的前提下使得建设费用最 小。电网是电力系统的中枢和重要组成部分，一个良好的电网结构能便利地实现 电力的供需平衡，更好地使电源结构优化，实现区域电网之间的相互支援。 1 3 2 电网规划的分类 按规划期长短，电网规划分为远景规划( 2 0 3 0 年) 、中长期规划( 1 0 2 0 年) 和 近期规划( 5 年) 三种。 ( 1 ) 远景规划：以城市建设的长远规划为依据，制定城网建设的各项规划和 指标，逐步构成一个结构合理，运行可靠、灵活的电网结构。它能充分满足城市 经济社会发展所需的电力需求，供电设备应保证完善、先进、节能并与城市建设 环境相协调，其管理系统具有技术先进、高效、反应快捷的特点。 ( 2 ) 中长期规划：主要考虑城网长远发展目标以及电力市场的发展，做好饱 和负荷水平的预测，确定电源布局和规划网络，使之满足预测负荷水平的需要。 ( 3 ) 近期规划：着重解决城网当前存在的主要问题，逐步满足负荷需要，提 高供电质量和可靠性。要依据及其规划编制年度计划，提出逐年改造和新建的项 目。 按照问题划分，电网规划研究包括：， ( 1 ) 负荷预测：研究未来电网负荷的时间及空间分布； ( 2 ) 网架规划：确定网络最优的网架结构以满足有功负荷传输的需要； ( 3 ) 稳定性分析：验证系统发生正常扰动( 如负荷及发电机正常变化) 或严重 扰动( 如短路、断线等) 后能否保持静态或暂态稳定性； ( 4 ) 短路电流分析：分析由于短路电流增大所引起的变电站制约程度，并给 出解决问题的途径； ( 5 ) 无功规划：用于确定电容器、电抗器、静止补偿系统和发电机组调节器 硕上学位论文 等设备的决策； ( 6 ) 可靠性分析以及经济性分析和评估：作为规划方案提出后的详细分析、 校验手段。 1 3 3 电网规划的意义 电网是电力发展的关键环节。一个良好的电网规划必须满足电网稳定可靠的 供电能力要求，并使其留有一定裕度及应变能力，运行灵活经济，接线简明合理， 层次清晰。电网如果缺乏长远规划，往往在某地区负荷发展到一定阶段，将出现 运行上的问题和隐患，于是就在问题区域进行技术改进，这种应急建设方式容易 导致电网结构混乱、运行方式复杂、扩展性差、可靠性不高等多种问题。由此可 见电网规划意义重大，近几年国际上发生过多起重大停电事故已给了我们许多启 示【5 1 。当前各国为抢占未来经济、科技发展制高点，发达国家普遍加快了新能源、 新材料、信息网络技术、节能环保等高新技术产业和新兴产业的发展。电网是能 源供应的重要环节，大力推进智能电网建设将成为世界电网发展的新趋势【6 9 1 。 面对新形势新挑战，国家电网公司总经理刘振亚提出加快建设以特高压电网为骨 干网架，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网， 努力实现我国电网从传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代电网的升级和跨 越，为实现经济社会又好又快发展提供强大支撑。综上所述，在当前社会大环境 下，电网规划的意义主要有： ( 1 ) 电网规划可用来指导电网建设和发展，为电网安全运行及经营管理奠定 坚实的基础，它能使所规划设计的系统能灵活、稳定、可靠地运行，最有效地供 应电力并取得最经济的投资和运行费用。 ( 2 ) 深入开展电网规划研究能使电网发展满足社会发展的电力需求，对社会 的稳定、国民经济的持续、快速、健康发展起着举足轻重的作用，能创造出巨大 的社会经济效益。 ( 3 ) 电网规划是建设坚强智能电网的基础，因此电网规划的合理性直接决定 着我国智能电网建设目标能否实现，以应对当前经济能源危机等问题对我国电力 发展带来的挑战。 1 4 电网规划研究现状 1 4 1 电网规划的方法 电网网架规划方法主要分为两类，分别为启发式优化方法和数学优化方法。 1 启发式优化方法 启发式优化方法【1 0 1 是以直观分析为依据的算法，通常按照系统某一性能指 标对可行路径上一些线路参数进行灵敏度分析，根据一定的原则，逐步迭代直到 吉首城市电网规划的研究 得出满足要求的方案为止。具有直观、灵活、计算时间短、应用方便等特点，但 其难以选择计算简单又能真正反映规划问题实质的性能指标，并且当网络规模大 时难以优化选择。在城市配电网规划中常用的启发式方法有灵敏度分析法、模拟 退火算法、遗传算法、专家系统、t a b u 搜索法、蚂蚁算法等【l l o4 1 。 2 数学优化方法 数学优化方法是对电网规划问题作数学描述，并处理成有约束的极值问题， 再运用最优化理论进行求解。虽然这种方法理论上能保证解的最优性，但在电网 规划中考虑因素多，问题的阶数较大，导致建立模型复杂以及求解困难。此外实 际中的许多因素不能完全形式化，通常需对原问题的数学模型进行简化处理从而 可能丢失最优解，因此数学优化方法无法直接运用到实际应用中。由于该方法与 启发式优化方法相比在理论上更为优越，因此得以广泛研究和发展。数学优化的 主要方法有：线性规划、整数规划、多目标规划、混合整数规划和动态规划等方 法。 1 4 2 电网规划的计算机应用 城网电网规划工作是一项复杂的系统工程，具有规模大、不确定因素多、涉 及领域广等特点。它不仅需要大量有关城市发展的历史数据，对现状网进行深入 地分析，还要对城市未来发展情况有着全面了解，完全依靠规划者的经验已无法 满足现代城网规划的要求。在认识到这一点之后，以计算机作为辅助工具，采用 新技术、新方法对电网进行优化规划己成为未来主流发展趋势。目前我国研究机 构开发了部分电网规划软件并应用到实际电网规划中，取得了良好的效果。按照 电网规划工作包含的研究内容，用于城市电网规划工作的计算机软件系统主要分 为以下几种l ”，1 6 j ： ( 1 ) 负荷预测软件：嵌入了g i s 图形系统，着重对规划区内进行负荷总量预 测及负荷分布预测，预测的结果能以图形的形式展示。 ( 2 ) 配网现状分析软件：具有潮流计算、短路计算、n 1 分析等功能，旨在 对网络现状进行详细分析，为电网规划及改造提供参考性依据。 ( 3 ) 电网规划软件：该软件包括变电站的容量、位置、供电范围的优化规划， 线路走廊、导线型号、网络连接与运行方式的优化规划、无功电源的优化规划等。 ( 4 ) 经济分析类软件：目的是对电网规划结果进行详细的经济效益分析。 1 5 课题来源 随着吉首市社会经济的发展和人民生活水平的提高，电力需求在不断增长变 化，吉首城市配电网存在配网结构薄弱、供电能力不足、装备水平不高等问题， 为更好地适应吉首城市建设和各行各业用电发展的需要，深入贯彻落实国网公司 硕上学位论文 和湖南省公司会议精神，2 0 0 9 年，湘西吉首城区供电局委托湖南大学开展吉首城 市配电网“十二五”规划编制工作，本人作为主研人员参与了此次规划的编制， 论文的研究即来源于此。 1 6 主要内容及创新点 本文的目的是解决吉首城区网络存在的问题，优化网络结构，提高供电可靠 性，以满足人民生活水平日益增长对配网供电能力的要求，支持城市总体规划的 顺利实现。论文的主要内容安排如下： 第一章：绪论。介绍了城市电网规划的研究背景，阐述了电网规划的概念和 意义，并对电网规划目前的研究现状进行了概括，最后说明了本文主要内容及创 新之处。 第二章：电力负荷预测。首先对负荷预测进行了综述，说明负荷预测的作用。 接着总结出负荷预测常用的几种方法，结合具体情况对吉首城区进行了目标年及 远景年的电力负荷预测。 第三章：吉首城市配网规划。制定了吉首城市配网规划目标，结合负荷预测 结果、城区配网现状，给出城区配网规划原则，针对目前高压配网及中压配网存 在的问题，综合城区电力发展需求，提出十二五配网建设方案。 第四章：规划成效评估。分别从技术指标、投资规模、经济效益分析三个方 面对吉首城区十二五电网规划实施成效进行了评估，论证规划方案的可行性。 论文最后对全文进行归纳总结，对下一步研究工作提出了建议。 纵观全文，主要有以下几个创新点： ( 1 ) 提出一种新的电量预测权重分配方案。大用户具有用电负荷大、发展不 确定的特点。吉首城区当前负荷基数小，大用户用电发展对城区负荷发展的影响 尤为明显。针对城区未来几年大用户发展具体情况，文中电量预测方法分为两部 分，第一部分采用大用户+ 自然增长法，充分考虑到大用户用电对结果产生的影 响。第二部分延续电量历史发展趋势，不计入大用户用电产生的影响。关于权重 分配问题，第一部分通过与专家讨论形式，利用人为经验获取。第二部分采用组 合预测法分配各方法结果权重，最后加权得到的预测结果既考虑到大用户用电产 生的影响，又兼顾了电量发展的延续性。 ( 2 ) 提出了一种远景负荷预测新思路。常归负荷分布预测是直接将预测区域 按照用地性质划不同，对各用地面积与负荷密度乘积累加，仅能得出全区负荷分 布结果。论文中的远景年负荷预测融入分区分层思想，首先将吉首城区空间划分 为供电分区、功能小区及街区三层，分别对应着负荷分层中的变电站层、馈线层 和配变层，对街区负荷按照用地性质进行分类，考虑了用地需用系数及不同层之 间的负荷同时率，分别建立了各层负荷计算模型，由此既能得出负荷分布预测结 吉首城市电网规划的研究 果，又能得到各层之间的负荷结果，对指导中压配网规模更具参考价值。 ( 3 ) 制定了满足吉首城区发展需求的十二五配网改造建设的规划原则。常规 电网规划中，各城市规划原则往往照搬城市电力网设计导则的标准，未考虑。 到不同城市在不同的发展阶段对电力发展的要求不同。本次规划原则的制定结合 了吉首城区的地形结构、城市规划、配网现状、电力市场等因素，以远景年配网 规模为引导，注重远近结合，制定的规划原则有着较强的实用性及适应性。 ( 4 ) 对中低压布局提出了实质性建议。吉首城区规划一直未对中低压布局问 题引起重视，往常是依靠主观因素人为地选择配变容量及布点位置，由此导致台 区供电范围不清晰、供电半径偏长、线损高等问题。论文就某条中压线路采用三 种不同配变布点方案进行举例说明，比较了各方案的技术指标和经济指标，充分 说明进行合理中低压布局的必要性。 硕：l 学位论文 2 1 负荷预测的综述 第2 章电力负荷预测 电力负荷预测【1 7 2 1 1 是城市电网规划设计的基础，它是确定供电方案、选择 电气设备的主要依据。准确的负荷预测，有利于准确制定未来的新的发电机组的 安装，决定装机容量的大小、地点和时间，合理安排电网的增容和改建规模，使 电网能够稳定健康地发展，进而提高经济效益和社会效益。 负荷预测按照周期分为： ( 1 ) 近期预测( 1 5 年) ：对配电网的增容、规划极为重要； ( 2 ) 中期预测( 5 1o 年) ：主要应用于电力系统中期规划； ( 3 ) 长期预测( 1 0 3 5 年) ：主要应用于电力系统远景规划。 负荷预测按照作用的不同分为系统电力负荷预测( 电量、负荷预测) 和空间电 力负荷预测( 负荷分布预测) 。系统电力负荷预测属于战略预测，它决定了未来城 市对电力的需求量和未来城市电网的供电容量，对城市供电电源点的确定和发电 规划具有重要的指导意义。空间电力负荷预测是对负荷分布的地理位置、时间和 数量进行的预测，它是高压变电站选址定容的基础，其准确性决定了城市电网规 划方案的可操作性和适应性。 2 2 负荷预测常用方法 电力负荷预测要求具有很强的科学性，需要大量反映客观规律性的科学数 据，采用适应发展规律的科学方法，选用符合实际的科学参数，以现状水平年为 基础，预测未来水平，下面介绍几种负荷预测常用方法。 2 2 1 经济相关类模型 经济相关类模型指试图分析某个决定被测量的特征因素，给出待测方程，并 通过测量未来某时刻的因素状态得到预测值。该特征因素主要是由现状及当地政 府制定的经济发展目标得到，如g d p 增长率、产业结构调整指标等。 2 2 1 1 单耗法 根据预测年( 或规划年) 分产业产值单耗指标和各行业的国民生产总值目标， 分别预测出各产业预测年( 或规划年) 的需电量，然后与居民生活需电量的预测值 叠加，便得到需预测的全社会的需电量。设总共分为所行业，目标年第f 行业的 用电单耗玑由下式求出： 吉首城市电网规划的研究 g f ：鲁 ( 3 1 ) q 彳= 吼q + 尸 ( 3 2 ) 式中：彬、g f 分别表示目标年第f 行业的用电量和产值，4 表示目标年电量， p 表示居民生活用电量目标年预测值。 2 2 1 2 弹性系数法 电力弹性系数e 是反映电力消费的年均增长率k ，和国内生产总值年均增长 率e 之间的关系的宏观指标。电力弹性系数用式( 3 3 ) 表示： e = 叁 ( 3 3 ) 爿= 4 ( 1 + 积) ” ( 3 4 ) 式中：彳表示预测期末用电量( 或负荷值) ，4 表示预测起始年用电量( 或负荷 值) ，尺表示国内生产总值年均增长速度，拧表示预测期年数，弹性系数法适于中、 远期负荷预测。 2 2 1 3 人均用电法 人均用电法是指选取一个与预测地区的人口地理、经济发展及用电结构等方 面相似的国内外地区作为比较对象，分析两地区之间过去和现在的人均电量指 标，得出本地区的人均电量预测值，再结合人口预测得到总用电量的预测值。选 取对比地区时应选取社会规划中产业结构与本规划区相同或相似的地区。 以= 如 ( 3 5 ) 式中：以为第所年的预测需电量；g 。为第聊年的人均电量指标；k 。为第m 年的预测人口。 2 2 1 4 最大负荷利用小时法 在已知某规划年的预测用电量后，可用年最大负荷利用小时数来预测年 最大负荷，在某一特定的历史发展阶段，k 按照一定的惯性趋势变化，只需预 测出其变化的趋势，在已知用电量么。的情况，就可以用来预测年最大负荷只一。 只一= 争 ( 3 6 ) 各电力系统的年最大负荷利用小时数的变化趋势，可根据历史统计资料及今 后用电结构变化情况分析确定。一般情况下随着第三产业在国民经济中的比重越 来越大，有递减的趋势。 硕七学位论文 2 2 1 5 负荷密度预测法 负荷密度预测法【2 2 ，2 3 】是根据城市规划中各功能分区的用地性质不同，建立负 荷密度模型，预测供电区的用电负荷。负荷密度模模型中用地性质的分类和不同 性质的用地面积的确定由城市规划中的用地平衡表给定。负荷密度模型如下式： p = 群q s ( 3 7 ) 式中：p 为供电区域内总的负荷，k 。为负荷同时率，m 为地块分类总数，q 为第f 类用地的单位建设用地面积负荷指标，s 为第f 类用地面积。 2 2 2 时间动态类模型 时间动态类指不管决定因素与变量结构，仅仅通过被测量历史数据总结得出 其依时间推移的变动规律，从而预测变量在未来某时刻的状态。当前时间动态类 预测模型的发展非常迅速，预测方法很多，不过其中很多模型并不适合中长期负 荷预测，如神经网络预测模型等，以下四种预测方法是中长期预测中常用的几种 预测方法。 2 2 2 1 回归分析法 回归分析模型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，对未来的负荷进行预测。从数学上看，就是通过对变量的观测数据进行统计 分析，确定变量之间的相互关系，从而实现预测的目的。按照自变量与因变量之 间的回归方程的类型可分为线性回归分析和非线性回归分析。确定回归方程的函 数表达式中未知参数最常用的方法是最小二乘法。 1 一元线性回归 一元线性回归用于预测的基本思想是：根据相关量和预测量的观测数据，把 相关量、预测量当作已知数，寻求合理的回归系数口和6 的值，从而确定回归方 程。利用求出的回归方程，把口和6 当作已知数根据相关量的未来变化计算预测 量的值。当忽略随机误差时，则y = 必+ 6 ，根据样本( 玉，以) ，则残差平方和为 q ( 口，6 ) = ( 乃一口一魄) 2 ( 3 8 ) 按最小二乘法，使q 最小，令 警q 喜( 胛训= 。 ( 3 9 ) 等= 七喜( 圳删 ( 3 1 0 ) 可以解得： 吉首城市电网规划的研究 行五乃一( t ) ( 咒) ( 玉一z ) ( 咒一y ) 6 = j 生- j 生- 旦_ = 旦一 ( 3 1 1 ) nh 一 、 ，z # 一#( 五一功2 从而确定回归方程】，= 口x + 6 。 2 多元线性回归 多元线性回归用于预测的基本思想是：根据相关量和预测量的观测数据，把 相关量、预测量当作已知数，寻求合理的回归矩阵口和6 的值，从而确定回归方 程。利用求出的回归方程，把口和6 当作已知数根据相关量的未来变化计算预测 量的值。 3 非线性回归 对于一些典型的难于变换为线性回归问题的非线性函数，可采用其他的参数 估算的方法，如三段和值法、模型参数的直接非线性估计法等等。 下面总结了常用的回归分析模型【2 4 】： 线性模型：y = 口+ 缸 抛物线模型：j ，= 口+ h + “2 6 指数模型：j ，= 口p ， 对数模型：y = 口+ 6 l n x 非线性指数模型：y = 口+ 抛a 双曲线模型：y = 年 口十似 幂函数模型：y = 烈6 龚帕兹模型：j ，= g c + 扩 l 。g i s t i c 模型：夕2 东 2 2 2 2 趋势外推法 电力负荷在一定条件下，存在着明显的变化趋势，但又有其不确定性的一面， 如气候的变化、意外事故等造成对电力负荷的随机性干扰。某些时段表现为较平 、稳的变化趋势，某些时段内又表现为线性和非线性趋势，通常可用描散点图的方 法定性地确定变化趋势类型，一旦找到了负荷的变化趋势，按照该变化趋势就能 对未来负荷情况作出判断，这就是趋势外推预测技术。它包括水平、线性、季节 型、多项式及增长趋势预测技术。 硕士学位论文 通常年度用电量呈递增的变化趋势。模型曲线可分为三个部分，先是缓慢增 加，然后快速增加，后又逐渐趋于稳定，曲线似“s ”形，故称s 曲线或生长曲 线2 5 1 。简单的s 曲线的方程为： 1 以。万 ( 3 j 2 ) 式中f 为时段，弗指f 时段的负荷，彳、6 、c 是按已知数据确定的常数。 应用曲线拟合有两个假设条件：( 1 ) 假设负荷没有跳跃式变化；( 2 ) 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。选择合适的模型 是应用曲线拟合法的重要环节。 2 2 2 3 时间序列法 时间序列预测方法把电力负荷看作是一组随时间变化的数列，目前被广泛使 用的时间序列负荷预测方法有：一阶自回归、n 阶自回归和白回归与移动平均。 这类方法可用于短期和中长期负荷预测，一般适用于负荷变化比较均匀的情况， 所需历史数据越多越好，当阶数增加时，工作量比较大。 1 移动平均法 在数理统计中，如果要处理一组数据，常常取其算术平均值代表这一总体取 值水平。算术平均值只能说明一般情况，看不出数据中的高点和低点，也不能反 映发展过程和趋势。如果对一组数据分段平均，并且分段平均法不是固定在某一 段上，而是在每段间距保持不变的情况下，逐次后移一位求其平均值，则效果显 著好转。移动平均法的关键是，仅取最近几个数据点取其平均值，并令参与计算 移动平均值的各点权数相等，即均等于1 n ，再以前的数据点的权数为零。 移动平均法是对一组时间序列进行某种意义的平均值计算，为了补偿一次滑 动所造成的滞后，通常采用二次滑动平均。设时间序列为五，恐，毛，移动平均 数为n ，要求2 n 1 n ，则移动平均法可按以下步骤进行： ( 1 ) 对原始序列计算一次动平均值： 1 一1 z = 寺“，f 甩 ( 3 1 3 ) vf = 0 ( 2 ) 对一次动平均系列计算二次动平均值： z ：二y 屯，2 一1 f 玎( 3 1 4 ) 誓2 丽己一l ， z v l s f s 玎 【j l 珥j vf ；o ( 3 ) 对最末一期数据，计算系数： ( 4 ) 建立预测公式： 铲2 t z ，包= 击( t 一) ( 3 1 5 ) 吉首城市电网规划的研究 + f = 4 。+ 吃f ，f l ( 3 1 6 ) 2 指数平滑法 指数平滑法式一种序列分析法，其拟合值或预测值是对历史数据的加权算术 平均值，且近期数据权重大，远期权重小，对接近目前时刻的数据拟合较为准确。 一次指数平滑只适用于下一步的预测，一般用于预测的是二次指数平滑。设时间 序列为五，墨，以，取平滑系数为以( o 口1 ) 。指数平滑的方法、模型较多，一 般采用b r o w n 单一参数线性二次指数平滑法，其步骤为： ( 1 ) 对原始序列进行一次指数平滑： z = 口墨+ ( 1 一口) 一l ，2 f 甩 ( 3 1 7 ) 其中可取“= 乃 ( 2 ) 对一次平滑序列作二次指数平滑： z = n + ( i 一口) j 0 i ，2 f ，l ( 3 18 ) ( 3 ) 对最末一期数据，计算两个系数： 4 = 2 z z ( 3 19 ) 色= 圭( z z ) ( 3 2 0 ) l 一“ ( 4 ) 建立如下的预测公式： 以+ ，= 4 + e ( 3 2 1 ) 其中，f 1 为疗以后的时间序号。 2 2 3 灰色预测法 在灰色理论研究中，将各类系统划分为白、黑和灰色系统。“白 指信息完 全已知，“黑 指信息完全未知，“灰指信息不完全。灰色模型( g r e ym o d e l ) 简 称g m 模型，是灰色系统理论的基础模型。 灰色系统理论将随机量当作是在一定范围内变化的灰色量，将随机过程当作 是在一定范围、一定时区内变化的灰色过程。对灰色量不是从找统计规律的角度， 通过大样本量进行研究，而是用数据处理即数据生成的方法，将杂乱无章的原始 数据整理成规律性较强的生成数列再做研究。基于灰色模型g m ( 1 ，n ) 进行的定 量预测称为灰色预测2 6 2 8 1 。灰色预测一般不需要大量的时间数据和空间数据， 而是根据实际情况选择适量的数据，进行累加生成、建模和预测。灰色系统既适 用于近期预测，又适用于于远期预测。灰色理论预测模型一阶微分方程可描述为： 冬+ 似：“( 3 2 2 )_ + 似= “【3 z 2 ) 口f 其中，x 为以时间为序的原始数据，具体是 硕一f j 学位论文 x o ( f ) = ( z o ( 1 ) ，x o ( 2 ) ，x o ( ，z ) ) 为弱化原始数据的随机性，将石o ( f ) 作一次累加，生成数列一1 ( f ) ， 工1 ( f ) = ( x 1 ( 1 ) ，工1 ( 2 ) ，x 1 ( 疗) ) 其中 。 一( 1 ) = x o ( 1 ) x 1 ( 2 ) = x o ( 1 ) + x o ( 2 ) x 1 ( ，1 ) = x o ( ，l 1 ) + x o ( 刀) 通式x 1 ( 七) 的表达式为： r x 1 ( 尼) = x 。1 ( f ) f = i 将x 1 ( 后) 代入式( 3 2 2 ) 得： 坐+ 似：“ d t 其中口，“为待定参数，记 r = ： = c 召r 曰，一b r 】， 式中，曰，y 为下述矩阵 曰= 一三( 1 ) 榭1 ) ( 2 ) ) 一三一( 2 ) + ) ( 3 ) ) 一圭b 1 ) + 1 ( 3 2 3 ) 即 ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) y = x ( 。( 2 ) x ( 。( 3 ) x ( 。( ，1 ) r ( 3 3 2 ) 依据上述方法求出口，“后将其值代入方程害兰+ 甜( 1 ) ： 口f 求出方程的解可得如下形式 量i ( 尼+ 1 ) ： x ( 1 ( 1 ) 一兰】p 一越+ 兰( 3 3 3 ) 口 口 2 2 4 组合预测法 组合预测法2 9 3 2 】是将几种预测方法所得预测结果，选取适当的权重进行加 权平均的方法，关键在于确定各种预测方法的权重系数。下面介绍几种经典组合 吉首城市电网规划的研究 预测方法。 2 2 4 1 等权平均组合预测法 等权平均组合预测法( e w ) 是种常用的组合预测方法。设咒( 汪1 ，2 ，刀) 为第f 个模型的预测值，y 代表组合预测值，则e w 法得到的组合预测值为： j ，2 吉善m ( 3 3 4 ) j ，2 2 l m l j j 斗j 万百 该方法不需了解单一预测模型的预测精度及误差之间的相互关系。它是组合 预测方法中最简单的一种，但也是在对各预测方法的精度完全未知的情况下所采 用的一种较为稳妥的方法，适合各类空间静态类预测方法的组合。 2 2 4 2 方差协方差组合预测法 设以个预测值分别为y 。，儿，咒，各自预测误差的方差为，则刀个预测值的组 合预测结果为： y = q 只 ( 3 3 5 ) y 2z 一蛾y i j j 3 式中q 一， f = i 组合预测误差的方差为： 砌，( 巳) = 缈b ( 3 3 6 ) 关于q ( f = 1 ，2 ，刀) 对砌，( 巳) 求极小值，在哆= 1 的条件下，得出： f = l ( 忙l ，2 ，玎)( 3 3 7 ) 当聆种预测方法各自的预测误差分别为q ，乞，巳，且服从零均值正态分布， 方差估计吒o = 1 ，2 ，玎) 可以用下式表示： 6 沪! 争p ： “七智 ( 3 3 8 ) 式中：七为历史数据数目，由此可得q ( f = 1 ，2 ，刀) 的估计式： 王nt 畦= ( e y ( p y 】。1 ( 3 3 9 ) f = l ，= l i = l 对于，1 种方法，也有玩，( 巳) m i n 1 1 1 i n ( q 。，吼：，吒。) ，可见，方差- 协方差算法、 ( m v ) 优于各单一算法，如果权重能保持稳定的话该方法也优于e w 算法。 2 2 4 3 模型群优选预测法 模型群优选预测法将几种预测方法结果进行比较，选择拟合优度最佳或标准 硕t 学位论文 离差最小的预测模型作为最优模型进行预测。首先选择所个可用的预测模型分 别进行预测，得出朋个预测结果，根据标准离差、拟合优度、关联度和相对误 差等来比较这脚个模型的优劣，选择一个最优的模型作为最终的优选模型。 设从聊个预测模型z ，以，厶都可用于实际负荷的预测设为最终的优选 模型，且有s ，j ：，j 。分别为这聊个模型的标准离差，则 y = 厂im i n ( s f ) )o = 1 ，2 ，聊) ( 3 4 0 ) 该方法优点是可以避免漏掉最优的预测模型，当预测指标时常变换时，变化 规律也不断变化，此时方法有好的自适应性。 2 3 吉首市电力负荷预测