（电力系统及其自动化专业论文）电力系统运行方式预测及其应用.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统运行方式预测及其应用， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名：硷i 盘过日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丛避砖 e t 期：碑：i 导师签名：翻主数 日 期：坡：三 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本课题研究的目的和意义 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，电力已成为国民经济建设和 人民生活中不可缺少的重要能源。随着社会的不断进步，电能在国民经济生活中的 地位越来越重要，社会对电力供应的依赖性日益增强，用户对供电的安全的要求也 逐步提高。现代社会的不断发展，促使用电需求急速增长，电力系统的规模日益扩 大：高压电网的发展，超高压设备、大容量机组、远方大容量电厂以及新技术产品 等不断引入电力系统；而大区电网互联工程因其能够实现更大范围内资源的合理开 发与配置，进一步提高电力的使用效率，缓解环保及运输压力，从而可以取得最大 的社会经济效益逐渐成为目前电网发展的必然趋势。但是，新型设备的应用、大区 电网的互联和电力市场机制的引进在给人们带来巨大利益的同时，也带来了潜在的 威胁，给电网的运行增加了更多的不可预知性，电网运行在稳定极限边缘的可能性也 大为增加。 自6 0 年代以来，在世界范围内已发生了多起灾变性的重大电力系统事故，造成了 巨大的经济损失和社会影响。仔细考察过去发生的多起重大电力系统灾变事故，可 以发现导致事故扩大的原因大体可分为以下几种：a 输电线路过负荷或故障跳闸， 引起大量负荷转移，最终造成一系列线路和电源的连锁反应跳闸。1 9 6 1 年英国东北 部、1 9 6 5 年美国东北部和1 9 6 7 年美国东部的大停电等事故均是由上述原因引起。 b 负荷增长过快，系统无功不足而导致电压崩溃。1 9 7 8 年法国和1 9 8 7 年日本大停电 事故便是由这一原因造成的。c 系统元件的保护或自动装置拒动或误动。d 线路多 重多次故障，导致一系列跳闸，最终发展成稳定破坏事故。c 大机组跳闸，引起连锁反 应，最终发展成稳定破坏事故。f - 不可抗拒的自然灾害或人为因素( 如地震、战争等) 。 从上面的分析可以发现，由于不合理运行方式或者是由于运行方式没有及时得到调 整而引发事故所占比例很大，运行方式的不合理已经成为电力系统发生安全事故的 重要隐患j 。 近几年，随着国家电网改造工程的实施，电网的网架结构越来越完善，大多数 变电站由过去的单电源供电改为双电源互为备用的模式，供电可靠性大大提高，同 时也为灵活地调整电网地运行方式提供了物质基础。电网在保证持续可靠供电的基 础上，其运行的经济性和提高供电的质量问题显得尤为突出。建设坚强电网、加强 电网稳定管理工作、充分发挥技术进步和创新的作用以提高电网的控制运行水平、 华北电力大学硕士学位论文 坚持统一调度和分级管理的调度原则，是保证电网安全稳定的四项重要工作。坚强 合理的电网结构是电网安全稳定运行的物质基础，建设坚强电网，就是要加快建设 以特高压为骨干网架、结构合理、各电压等级电网协调发展的坚强的电网；重视和 加强稳定管理工作是保证电网安全稳定的有效手段。加强电网稳定管理工作，就是 要建立健全稳定的工作管理机制，制定和完善电网的安全稳定标准体系，建立共同 维护电网安全稳定的新秩序；技术是电网安全稳定运行的重要支撑，提高电网运行 水平就是要全面提升电网一、二次技术水平，提高电网的分析和检测水平，加强计 算分析，在电网运行控制中发挥积极作用，在此基础上建立有效的电网安全稳定控 制和防御体系，为电网安全稳定运行提供强有力的支撑；统一调度、分级管理，建 立体现电网运行的客观需要、符合我国国情的完善的调度体系是电网安全稳定运行 的重要保障。 如果我们能够对未来2 4 小时内的运行方式进行预测，那么运行人员在根据电网 实际运行情况对预测结果进行修正后，便可以针对预测出的运行方式对电网的运行 情况进行一系列的分析计算，通过分析计算，大致了解电网次日的运行情况，找出 电网运行中的薄弱环节以及电网中存在的安全隐患，在此基础上，对第二日的运行 方式及时做出调整，制定出事故预案，这样一采，不仅可以最低限度的降低事故发 生的概率，而且一旦事故出现，也可以参考事先制定好的事故处理预案对事故进行 处理，减少事故发生后的反应时间，在最短时间内排除故障，恢复电网正常供电， 从而在最大程度上保证电网的安全稳定运行。 “十一五”期间，国民经济将继续保持平稳迅速发展，面对电力负荷增长压力 和电力体制改革的新形势，保证电网安全稳定运行成为电力系统的首要任务。在这 个时候，对电网运行方式的预测进行研究具有十分重要的现实意义，而且有着广阔 的发展前景和较好的发展空间。 1 2 国内外研究动态 运行方式预测的过程实际上就是制定未来几日内系统的运行方式，给出合理的 运行方案，保证系统在未来几天内可以安全稳定的运行。电网运行的安全性是电力 系统运行对必须考虑的首要目标。从电力系统运行调度的角度看，当系统正常运行 时，应该预先知道系统是否存在隐患，以便及早采取相应措施防患于未然。电网运 行的经济性是电力系统运行时应该考虑的另一个目标。对于省调等较大的电网，考 虑的目标主要有上网电价最低、有功网损最小和系统有功调节量最小等。 基于以上因素，目前在运行方式预测的过程中主要考虑以下几个方面的问题： 对过去几天电力系统的运行方式进行分析，预测电力系统下一个短计划周期即一日 2 华北电力大学硕士学位论文 或一周的日负荷曲线；结合运行单位申请，合理安排发电厂和电网设备等设备运行 和备用检修；确定在考虑设备组合、供热、气象因素、设备运行状态及发电厂运行 条件时电厂的最大工作容量与最小功率；结合实际水利资源状况及气象情况确定梯 级水电厂的发电出力；当发电功率和电能出现缺额时，确定必须限制的联合系统用 户负荷的范围和时间，及时调整联络线输送功率；根据电网实际情况，对有关接线 的改变、运行方式的准备工作、联络线功率极限值的修正以及监视点电压曲线的改 变进行记录并及时做出相应调整等等。 目前运行方式的制定工作基本上都是由调度人员手动编制的，对于运行方式预 测的自动实现，目前国内外还鲜有报道，这方面的文献也相对较少。但是，对于运 行方式预测中两个关键问题母线负荷预测和机组发电计划制定国内外都有相 关的研究和报道，下面分别对其进行简单的介绍。 母线负荷预测可以说是运行方式预测中的第一步。所谓母线负荷是指由变电站 的主变压器供给一个相对较小的供电区域的终端负荷的总和1 2 l 。通常一个地区的母 线负荷性质比较固定，负荷类型较为单一( 如均为居民用电负荷或均为工业负荷) 对于母线负荷预测，目前采取的方法主要有两种，一种是针对某个变电站的母 线负荷变化趋势，应用系统短期负荷预测的方法来进行预测；另外一种是针对某个 系统的所有母线进行的，主要采取的方法是先对系统负荷进行预测，然后总结出合 理的母线分配系数，最后根据系统负荷和母线分配系数得出母线负荷预测。 由此可见，母线负荷预测与系统负荷预测是密不可分的，适用于系统负荷预测 尤其是短期负荷预测的很多方法都可以用于母线负荷预测。目前对于系统负荷方法 的研究已经较为成熟，预测方法也有很多，经典的有趋势外推法、回归分析法、时 间序列法等，近几年，随着科技的进步，一些新的预测方法也得到了越来越多的应 用，主要有灰色预测法、人工神经网络法、小波预测法等等1 4 1 发电计划也称火电系统经济调度，即在已知系统负荷、机组组合、水电计划、 交换计划、备用监视计划、机组经济特性、网络损失特性和运行限制等条件下，编 制火电机组发电计划，使整个系统发电费用为最低，它是运行方式预测中不可缺少 的步骤之一。 发电计划的制定通常包括机组组合和经济功率分配两个部分。根据相应的负荷 曲线，在满足负荷需求和一定的约束条件下，在计算周期内确定机组的开停机计划 使得计算周期内的总费用为最小，这就是机组最优组合，合理的机组组合计划能节 省一次能源，延长机组使用寿命，带来可观的经济效益，同时它也是包括经济功率 分配在内的其它经济型优化的基础。 目前应用与发电计划编制的算法主要有有限排序法、线性规划法、网络流法、 拉格朗日松弛法、动态规划法等方法。这些优化算法计算速度快，能更好的处理约 束条件，一些优化效果明显的算法已经得到了广泛的应用。但是任何一种算法都有 3 华北电力大学硕士学位论文 其局限性，因此为使问题得到更好的解决，优化算法的研究出现两个重要的特点： 算法的改进和不同算法的组合使用。 由于是短期运行方式的预测，因此系统的网架结构一般不会发生太大的变化， 结合由母线负荷预测确定的未来预测曰的负荷水平和通过发电计划的制定确定的 各发电机组的出力情况，将这些数据进行拟合，并对预测的电网状态进行潮流计算， 根据运算结果不断对数据进行调整，最终便可以得到未来预测日的电网运行方式。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 本文完成的工作 耳前，对于电力系统的运行方式，根据系统基础数据获取时间上的差别，可以 将其分为历史、实时和准实时等不同的形态，分别对应于历史数据、实时数据、准 实时数据。本文在此基础上，对电力系统的运行方式进行了深入研究，提出了运行 方式的另外一种形态，即预测态。这种形态对应的系统基础数据大部分都是通过预 测得出的，因而命名为预测数据。 本文从电网安全防御的角度出发，研究了电网运行方式预测的相关问题，并将 其应用于甘肃省电力公司的实际项目“甘肃电网安全预警系统”中，主要完成了以 下工作： 1 、母线负荷预测方法的研究。参阅国内外文献，研究负荷预测的各种算法和 母线负荷模型的种类，并结合实际项目对负荷预测算法进行了实用化研究。 2 、发电计划制定方式研究。从发电计划的基本概念开始，对与其相关的水电 计划、联络线计划、检修计划等都作了研究，着重分析了发电机组经济组合的各种 优化算法，如动态规划法。 3 、运行方式的研究。介绍构建合理网架结构，实现运行方式的预测的方法和 意义，研究了运行方式的预测过程和修正方法； 4 、算法的程序实现。结合甘肃电网实际情况，开发了可视化的次日运行方式 预测软件包，集母线负荷预测、次日发电计划制定、次日网架结构拟合于一体，实 现了甘肃电网次日运行方式的预测。 5 、算法的应用结果研究。比较甘肃电网实际负荷值和由程序计算得出的预测 值进行比较，给出预测误差并进行分析；对由母线负荷预测、发电计划制定、网架 结构拟合等步骤预测出的运行方式进行潮流计算，分析其潮流收敛率，利用静态安 全分析、暂态稳定计算等计算工具分析预测运行方式的安全性并对系统存在的安全 隐患进行调整，帮助调度人员制定更合理的运行方式。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 本软件改进之处 本软件的最大改进之处是实现了运行方式的自动预测，主要流程如下：采用负 荷预测的数据，考虑多种约束条件，自动计算和编制次日2 4 小时的发电计划，并 能与当前网架结构自动拟合，生成次日2 4 点电网预测数据。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力系统母线负荷预测分析 对电网运行方式进行预测，首先要了解预测日系统的负荷情况，郎系统每一条 母线带负荷的情况，因此，母线负荷预测是进行电网运行方式预测的首要环节。 2 1 母线负荷的定义及构成 母线负荷可以定义为由变电站的主变压器供给一个相对较小的供电区域的终端 负荷的总和。 电力系统的系统负荷是数个个性各异的母线负荷的综合，但不同于简单的集中， 它们之间既有相互关联的成分，又在结构和特性上存在差异。与系统负荷一样，母 线负荷可以分为城乡居民用电负荷、工业负荷、商业负荷、农业负荷、办公负荷等。 城市居民用电负荷主要是城市人口的用电负荷，具体包括居民家中的空调、微 波炉、电冰箱、电视、电炉以及其它的家用电器设备等。其特点是，具有经常性的 年增长以及明显的随季节转变而变化的特点，而且与人们的日常工作、生活的规律 密切相关。与城市居民负荷的年增长特性相对应的是人们生活水平的逐渐提高，各 种电器设备的广泛使用，使得民用负荷占电力系统的比例越来越大。而其季节性交 化的特点在大多数情况下，将直接影响电力系统峰值负荷的季节型变化，但其影响 程度则取决于城市居民负荷在电力系统负荷中所占的比例情况。特别是在我国经济 高速发展的今天，许多先进家用电器逐渐广泛地使用，使城市居民负荷在电力系统 中所占的比重逐渐加大，而其季节性变动，特别是在夏季和冬季对峰值负荷季节性 交动的影响都会越来越大。以上居民负荷的特点，在我国大中城市的用电负荷调查 中表现的尤为明显。u u 工业负荷是指工业企业用于工业生产的用电，在我国公民经济结构中，除个别 地区外，工业负荷的比重在用电构成中居于首位。工业用电有两大特点，一是用电 量大，在我国的用电构成中占全社会用电量的7 0 左右【9 j ；二是负荷较为稳定。但 在各行业之间，这两大特点也是不平衡的。冶炼工业用电量大，负荷稳定，负荷率 高；而机械工业制造业和食品加工业的用电量相对较小，负荷率较低。工业用电在 行业问的差别，主要是生产工艺特点和生产班次不同所造成的。同样的用电设备容 量下连续生产企业比三班制企业用电量大，且负荷率高；三班制生产企业又比两班 制生产企业的用电量大，负荷率高。但是，无论是重工业还是轻工业，无论是冶炼 工业还是加工业，电力负荷在月内、季度内的变化是不大的，比较均衡。除少数季 节性生产的工厂外，大部分工业的生产用电受季节性变化的影响小。 商业负荷主要是为从事商业经营或围绕商业的其它的一些服务行业例如餐饮、 6 华北电力大学硕士学位论文 娱乐部门等提供照明、动力、通风和空调等用电负荷。其特点是具有季节性和易受 天气变化的影响。随着人们物质生活的日益丰富，生活质量的大大提高，加快了商 业、餐饮和娱乐等部门的发展，其用电负荷也随之加大。当然，商业负荷在电力系 统负荷中所占的比例是远远不及民用负荷和工业负荷，但是必须注意在电力系统每 天晚高峰负荷中商业负荷的影响也是相当大的。另外，在节假日时，其它用电负荷 基本上处于较低水平，而商业负荷却是处于最高用电阶段，所以在节假日负荷预测 中必须给予商业负荷以足够的重视。 农业负荷则是指农村居民用电和农业生产用电。此类负荷与工业负荷相比，受 气候、季节等自然条件的影响很大，这是由农业生产的特点所决定的。我国地域广 阔，由于地理位置的原因，各地降雨季节有很大差异，一场大雨对北方而言可造成 农业负荷骤降，但却可能造成南方地区排涝用电负荷剧增。此外，农业的农村电气 化水平和经济发展程度也决定用电量的大小，就电力而言，农业用电负荷也受农作 物种类、耕作习惯的影响；就电网而言，由于农业用电负荷几种的时间与城市工业 负荷高峰时间有差别，所以对提高电网负荷率有好处。在用电构成中，农业用电所 占的比重不大。 办公负荷与商业负荷类似，用于维持室内温度的空调负荷比重较大，因此受天 气的影响很大。当气温发生骤变时，负荷波动较大。一年中，随季节变化的趋势也 较为明显。 其它负荷例如市政用电、公用事业、交通运输、通信信号、军事用途等，其负 荷水平一般较低，对负荷预测影响也较小。 2 2 母线负荷的特点 在负荷预测工作中，负荷特性的变化可以通过一些指标数据进行量化，量化的 结果有助于正确描述负荷的变化特点，从而为正确地估计负荷的变化趋势提供有力 的依据。 反映负荷曲线特性的指标主要有负荷率y 和最小负荷系数b ，下面以日负荷率 y 和日最小负荷系数b 对母线负荷和系统负荷进行对比分析。 y = p a y p m a x 1 3 = p m i n p m a x 其中，p a y 为日平均负荷，p m a x 为日最大负荷，p m i n 为h 最小负荷。 母线负荷的特点主要有以下几点：首先，母线负荷大体上也可以总结出一定程 度的日周期性，日周期为2 4 小时。实际上，母线负荷与系统负荷一样，除了具有 日周期性以外，还具有典型的周周期、月周期和年周期，并且也遵守“近大远小” 的原则；其次，一周中，母线负荷在周末公休日的水平略低于工作日；再次，即母 7 华北电力大学硕士学位论文 线负荷的变化远大于系统负荷，而且会出现负荷转移的情况，因此，母线负荷的变 化率比系统负荷要大。 因此，在母线负荷预测中，影响负荷预测精度的因素更多，不仅仅要考虑历史 负荷的变化规律，还要考虑天气因素、大型工业负荷的生产运营调整、检修计划等 因素，因此预测难度更大。 2 3 负荷预测方法 2 3 1 系统负荷预测方法 2 3 1 线性外推预测法 电力负荷虽有随机、不确定的一面，但却有明显的变化和发展趋势。根据各行 业负荷变化的规律，运用趋势外推预测技术进行负荷预测能够得到较为理想的结 果。外推法有线性趋势预测、对数趋势预测、二次曲线趋势预测、多项式趋势预测、 季节型预测和累计预测等方法。 外推法的优点是，只需要历史数据，所需的数据较少；缺点是如果负荷出现变 动，会引起较大的误差。 2 3 1 2 回归分析预测法 一般来讲，电力网络负荷同其所在地区的经济、政治、气候等因素存在某种因 果关系。这种因果关系往往无法用精确的数学表达式来描述，只有通过对大量观察 数据的统计处理，才能找到它们之间的关系和规律。回归分析法就是通过对观察数 据的统计分析和处理，寻找负荷与影响因素之间的因果关系，建立回归模型进行预 测的方法。其特点是：将影响预测对象的因素分解，在考察各个因素的变动中，估 计预测对象未来的数量状态。 回归分析法的优点是：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 1 3 时间序列预测法 回归分析法是从研究负荷与相关因素的因果关系入手，建立负荷回归模型进行 预测的，但有时影响负荷的因素错综复杂或相关因素数据资料无法得到，回归分析 就无能为力了。而采用时间序列分析法用时间综合替代这些因素却能达到预测目 的时间序列分析法是针对整个观测序列呈现出的某种随机过程的特性，去建立和 估计产生实际序列的随机过程的模型，然后用这些模型去进行预测。它利用了电力 r 华北电力大学硕士学位论文 负荷变动的惯性特征和时间上的延续性，通过对历史数据时间序列的分析处理，确 定其基本特征和变化规律，预测未来负荷。 时间序列预测方法可分为确定型和随机型两类，确定型时间序列作为模型残差 用于估计预测区间的大小。随机型时间序列预测模型可以看作一个线性滤波器。根 据线性滤波器的特性，时间序列可划为自回归c a r ) 、动平均( 姒) 、自回归一动 平均( a r m a ) 、累计式自回归动平均( a r i m a ) 、传递函数( t f ) 几类模型，其负荷 预测过程一般分为模型识别、模型参数估计、模型检验、负荷预测、精度检验预测 值修正5 个阶段。 2 3 1 4 神经网络预测法 随着人工智能的飞速发展，它也给负荷预测的研究开创了一个全新的天地。人 工神经网络方法是九十年代以来发展起来的新方法，1 9 9 1 年d c p a r k 等人首次将人 工神经网络( a n n ) 方法引入负荷预测。人工神经网由于能不断学习新知识，能处 理非常复杂的非线性映射及具有高度的鲁棒性，因而被认为是最有希望的短期负 荷预测的新方法。目前应用最多的是前向多层a n n ，并采用b p 学习算法进行网络训 练。 a n n 适于解决时间序列预测问题( 尤其是平稳随机过程的预测) ，运用人工神经 网络技术进行电力系统短期负荷预测，其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，特别地，其自学习和自适应功能是常规算法和专家系统技术所 不具备的。但是它也存在着难以科学确定网络结构、学习速度慢、存在局部极小点 等固有缺陷。 如何确定神经网络结构，加快计算速度，使之具有更通用的性能，是其应用于 短期负荷预测的主要研究方向。另外，针对人工神经网络自身的缺陷，在将其应用 于负荷预测的过程中，不仅对人工神经网络自身算法进行了改进，又产生了人工神 经网络与遗传算法结合、人工神经网络与模糊专家系统结合等算法，在一定程度上 提高了预测的精度。 2 3 i 5 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。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。缺点：一是当数据离散程度越大， 即数据灰度越大，预测精度越差；二是不太适合于电力系统的长期后推若干年的预 测。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 8 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，选择拟和度最佳或标准偏差最小的预测 模型进行预测。该方法的优点是：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 3 2 母线负荷模型 预测出系统负荷后，接下来就要解决从系统负荷向母线负荷转化的问题。下面 先介绍几种母线负荷模型【针。 ( 1 ) 树状常数负荷模型 将对应于预测计划的系统负荷分配到每一母线负荷，一般采用多层树状结构的 模型，负荷对应于树干，母线负荷对应于各枝条上的末端最简单的模型就是将上 一级负荷按比例( 在各时段为常数) 分配到下一级负荷。它只适用于上下级负荷曲 线变化一致的情况如图2 - 1 所示。 ( 2 ) 负荷区域不一致的模型 当不同区域之间负荷曲线形状有较大差别时，可采用此模型，在这一模型中， 最高层为系统负荷p d ，f ，第二层为区域负荷p v ，j ，第三层为母线负荷p d ，k ，p d ，f 与p v ，j 之间采用随时间变化的分配系数，p v ，j 与p d ，k 之间仍可采用常数型的分配 系数。如图2 - 2 所示。 ( 3 ) 负荷类型不一致的模型 系统中不同负荷类型都有自己的变化规律，与地区无关，这时可采用按负荷类 型划分的树状模型，在这一模型中，最高层为系统负荷p d ，f ，第二层为区域负荷 p t ，i ，第三层为母线负荷p d ，k ，p d ，f 与p t ，i 之间采用随时间变化的分配系数，p t ，i 与p d ，k 之间仍可采用常数型的分配系数。如图2 3 所示。 ( 4 ) 混合负荷模型 对一个大电力系统可能需要考虑负荷类型和地区两种不一致性，可以将以上三 种模型混和构成复杂树状模型。在这一模型树中，第一层为系统负荷，第二层为负 荷类型，第三层为地域划分，第四层为母线负荷。p d ，f 与p t ，i 之间采用随时间变 化的分配系数；p t ，i 与p v ，j 之间采用随时问变化的分配系数，也可采用常数；p v ，j 与p d ，k 之间仍可采用常数型的分配系数。如图2 4 所示。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 加广1 2 - 加肋 。 一 厂一r m 。宙，。嘲。靠， 图2 - 1 树状常数负荷模型图2 - 2 负荷区域不一致的模型 1 d 。f p t ，1 p t ：2p t , j m 厂- 厂 p d 1p d 2 即。3p 玑4r d 5i - 卫b 即t 图2 - 3 负荷类型不一致的模型 如，系统负荷 h r l 1 z 一 黜吩 p t r i j “2 “。“ 厂h p y j lr v , 2 p t 3 广hr l l 现1 如2p d j 3p d , 41 1 1 ，5 观6 耽t m r 上 5 麟嬲 p v 4 p e i 邑端兄竹 广 广h p 嗣9i d 广1 0 褫1 2 母线负荷p d ，8 即 p d ，l l p d ，1 2 母线负衙 图2 - 4 混合负荷模型 2 4 预测方法的实现及修正 2 4 1 数据的预处理 本文所采用的负荷数据是从s c a d a 实时数据库和历史数据库中获取的已经经 过状态估计的数据。但是当电力系统出现拉闸限电、设备故障以及由于通信等原因 而出现干扰时，历史负荷数据中会夹杂着许多不良数据。这些不良数据对负荷预测 的精度影响很大，为确保作为负荷预测的样本真实性和可靠性，需要对所用的资料 华北电力大学硕士学位论文 数据分析并进行适当的预处理，使异常数据平稳化，并及时对缺损数据进行修补， 从而达到提高预测精度的目的。文中用到的数据预处理方法主要有以下几种“钉“”： 1 、不良数据的水平处理 在实际应用中，同一天某一时间段的数据可能会有负荷跃变的情况发生，而跃 变点负荷属于非正常值，这种情况下如果直接利用跃变点的负荷值进行预测，势必 会影响预测的精度，因此本文对不良数据首先进行了水平处理。 在进行数据分析时，将前后两个时间数据的负荷数据作为基准，设定待处理的 最大变动范围，如果待处理数据超过这个范围就视为不良数据，并采用平均值的方 法平稳其变化，计算公式如下： 当满足： 艘，t 、) - l ( = dt-。1)ia(t!(2-1)-l l 陋似，f ) ，t + 叫，户( f ) 则；l ( d ，t ) - 【u d ，t - 1 ) + “d ，t + i ) 2 ( 2 - 2 ) 其中，t ( d ，n 为第d 天t 时刻的负荷，a ( t ) ，1 3 “) 为阀值，文中取两点负荷平 均值的2 0 。 2 、不良数据的垂直处理 数据的垂直处理是根据电力负荷周期性变化的这一特点，认为不同日期的同一 时刻的负荷应该具有相似性，并且同时刻的负荷值应维持在一定范围内，如超出这 个范围就判断为不良数据，并对其进行修正，计算公式如下： 如果 i p ( d ，t ) 一e ( ol 0 ( t ) ( 2 - 3 ) 则p ( d ，t ) = j p ( f ) + p ( f ) p ，) p ( f ( 2 4 ) i p ( f ) 一一o ) p ( d ，f ) p q ) 其中，p ( t ) 为待处理数据最近几天t 时刻的负荷平均值；0 ( t ) 为阀值。 3 、缺失数据的修补 在数据传输的过程中因为通信中断等原因可能会导致某点或某一时间段的历 史负荷数据缺失，若是直接利用这样的历史数据进行预测，势必影响预测的精度。 因此，在预测前，应该先对历史数据进行修补。 若一天内某些时刻数据缺失，则可以用相邻的几个正常数据来补齐；若某一天 的数据出现大量缺失或不良数据，即认为这天的数据缺失，缺失的数据可以用前 后几天的正常数据进行修补，并同时注意使用相同日期类型的数据。如用工作日的 数据修补缺损工作日数据，用节假日数据修补节假日数据。其处理方法如下： l ( d ，t ) = 霄l ( d 一1 ，t ) 十霄2 l ( d + l ，t )( 2 5 ) 其中，假设d 天的数据缺损，d - 1 ，d + l 天的数据正常，霄。、- ：为权重。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 负荷预测的实现 对母线负荷预测方法进行分析并结合甘肃电网历史负荷数据的实际情况，采取 先对系统负荷进行预测，然后结合母线分配系数进行每一条母线负荷预测的思路完 成对母线负荷的预测“九。 2 4 2 1 系统负荷预测的实现 系统负荷预测按照预测时间的不同，可以分为长期、中长期、短期、超短期负 荷预测，这里我们用到的主要是短期负荷预测技术。短期负荷预测的方法有很多， 在对甘肃电网负荷规律进行分析和总结后，选取了线性外推、回归分析、时间序列 三种模型对正常日的系统负荷进行预测，另外，根据节假日负荷的特点，提出了一 种新的节假日预测算法由于线性外推和回归分析模型原理相对简单，文中仅就时 问序列和节假日预测模型进行介绍。 l 、时间序列模型预测技术 一个随着变量t 变化的量y ( t ) ，在t t t z 4 0 0 ，模型认别和参数估计都将比较理 想。n 取定后，计算估值n 时，由于上式中k 越大，估计误差就越大，所以一般应 满足m n 4 ，常取m 的值在n i o 左右。 当算得估计九后，依自相关函数得定义，可用下式计算自相关函数风的估值 一 t 胪咖。蓍y 肌7 荟y ? 他卸1 ，2 k ( 2 - 7 ) 偏相关函数的估值口。可由下式求出： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 a 1 1 。n 口t + 耻+ - 。( 户“- t 一再九+ “，口) 口“j 。口口一a k + i k + i 。口t j + l ( 2 8 ) ( j = 1 ，2 ，k ) 判定p 。和口。是否具有“截尾”性，相当与检验它们与零无显著差异，即检验 假设h o ：p k o 或日o ：口- 0 。 b o x l c n l k i n s 提出并证明了在1 1 0 成立下，p i 和口k 的渐近分布都是正态分布。 当有限时间序列n 取得充分大时，自相关函数和偏相关函数渐近于正态n ( 0 ，1 n ) ， 由此可以依据正态分布的3o 原则来判断。在实际工作中，通常检验满足不等式 l p 。i t 2 扫的个数是否在9 5 以上，如果是，则认为自相关函数是“截尾”的；同 样检验i 口。it2 ，的个数是否在9 5 以上，如果是，则认为偏相关函数是“截尾” 的。至手阶教p 和q 的确定，只需对q ( 或p ) 从小到大逐个进行检查，当观察到k = m 后，所有的l p 。l ( 或口。) 的值都小于2 , 万，则可以认为自相关函数( 或偏相关函 数) 在k = m l l 处“截尾”，取模型阶数为m - 1 。 综合对各模型自相关函数和偏相关函数及其特性的分析，可得出以下结论： ( 1 ) 如果以具有“截尾”性，则认为序列是m a 序列； ( 2 ) 如果a 。具有“截尾”性，则认为序列是a r 序列； ( 3 ) 如果p i 和口。具有“拖尾”性，则认为序列是a r m a 序列； ( 4 ) 如果p 。和口。既不具有“截尾”性，也不具有“拖尾”性，则认为序列不属 于三类模型中的任何一种。 按照前面所述的方法对甘肃电网近年来的历史负荷进行分析，可以判定该省的 负荷符合a r 模型，迸一步对阶数进行估计，得出阶数g - - 5 。 ( 3 ) 参数估计 下面就来看一下模型a r ( p ) 模型的参数估计。这里的未知参数是砚，仍， 和盯：。本文采取矩估计法，将其自相关函数及参数都换成它们的估计值，进行模 型参数的推导。 p l p 2 ： p p 1 n ： p ，- l n 1 p p 一2 妒l 妒2 ： 驴p ( 2 9 ) 利用这个矩阵方程，可以求出a r ( p ) 模型中的未知参数妒。，伊，的估计值 誓： p p 华北电力大学硕士学位论文 z 2 死( 卜p _ 。妒j 卢，) 利用这个式子便可以求出盯：的估计值 2 、节假日模型预测技术 在国家法定节假日( 元旦、春节、五一和国庆) 期间负荷与平时相比明显降低， 尤其是春节更是持续长时间、大幅度的曲线下降和变形，其主要原因是节假日期间 工业用电大量减少，而商业用电和居民负荷所占比重相对增加。节假日负荷与正常 日负荷存在着一定的差别，因此在预测方法的选择上也不能一概而论“”“耵“”。 本文针对节假日负荷变化的特点，在充分考虑影响节假日负荷变化的各种因素 的基础上，提出了节假日的负荷预测模型。该模型假设历年节假日期间负荷变动的 模式密切相关，并假设节假日期间负荷的年平均增长趋势与节假日前期负荷的年平 均增长趋势一致，所以我们在考虑历年节假日变化趋势的基础上，利用历年节假日 前一段时期平均负荷每年的变化情况确定一个增长系数作为预测出的负荷的修正 系数，使预测出来的负荷值更能充分反映节假日负荷的变化情况，以达到提高节假 日负荷预测精确度的目的。另外，由于公历和农历的差别，与其他节假日不同，春 节在每年的公历时间是不固定的，因此在春节预测时应首先采用一定的算法判断出 每年春节在公历中的准确时间。 根据以上所述，具体的预测步骤如下： 1 、建立历年节假日以及节前一段时期各时刻( 只取每个整点) 的历史负荷的 数据库； 2 、要预测的节假日前一段时期各时刻的负荷值，针对节假日预测时间跨度较 长的特殊情况，一般取距离节假日最近的一段时期各时刻的负荷值即可。据此计算 这段时间各时刻负荷的平均值，记为a i v i j ，其中i 是指整点值，如a v r _ l 表示1 点整负荷的平均值； 3 、取历年节假日前一段时间各时刻的历史负荷值，所选时间和上步中所选时 间段要一致，取其各时刻负荷平均值，记为a v r _ i j ，其中j 指j 年前的历史值，如 a v r _ 1 2 就表示所取的是两年前的历史值； 4 、比较选取的节前同一时间段内的历年负荷的平均值与预测年平均值，得出 与j 年前相比，预测年节前负荷的增长系数，记为晚，其中 b i i = a v r _ i j a v r _ i ； 5 、根据“近大远小”的原则，并考虑影响负荷变化的各种规律，确定增长系 数的时间权重，记为p j ； 6 、将历年的增长系数乘以权重p j ，然后相加，得出负荷年增长系数的加权平 ， 均值t e m p j = 亨峨p i 。指所取的年数，把它作为负荷预测的修正值； 华北电力大学硕士学位论文 7 、取历年节假日当天各时刻的负荷历史值e ，同理取一个权重，记为q i ； ， 8 、由以上所得的值，计算今年节假日负荷的预测值为x ，- 蔓( x ；q f ) t e m p f ， 镯 k = l j 2 4 2 1 母线负荷预测的实现 本文所做的预测是针对甘肃整个电网所有母线，在这里，我们把整个甘肃省看 成是一个大的区域，并假定该区域内不存在由于区域问题引起的负荷曲线变化情 况。基于该假设，我们不考虑负荷区域不一致的母线负荷模型。 在这样一个区域中，各种负荷类型都有自己的变化规律，与地区无关。本文将 该地区负荷划分为以下三种类型；工业负荷、商业负荷、民用负荷。在上面给出的 模型中，从系统负荷到地区负荷之间采用的是常数型的分配系数。但是考虑到在实 际系统中。虽然在短时期内这几种负荷类型之间的负荷比例关系也许相对不变，但 是我们也不能排除负荷类型发生突变的可能性，在这种情况下，如果还是继续采用 常数型的分配系数，势必会影响预测的精度，因此，本文在这过程中选用可以随 时间变化的分配系数，即整体模型的结构不变，仅仅将p n 与p d t 之间分配系数也 改为可随时间变化的变量f in ，而从区域负荷到母线负荷之间的关系与上述模型中 相同，即p d , f 与p t j 之间仍采用随时问变化的分配系数f i 嘶。示意图如2 5 所示。 p 日j f 图2 - 5 母线模型示意图 2 4 2 3 母线负荷预测结果的修正 由于电网中影响母线负荷的因素众多，可能导致母线负荷发生突变，在这种情 况下预测出来的母线负荷显然与实际系统中的母线负荷值有一定的差异。基于这种 考虑，在初步预测后为了得到更为精确的预测值，本文提供了两种方法对预测值进 1 7 华北电力大学硕士学位论文 行修正，以期得到更为合理的母线负荷预测值。 1 、根据负荷特性进行修正 所谓负荷特性是指负荷功率随负荷端电压或系统频率变化而变化的规律，因而 有电压特性和频率特性之分。它们又都可以迸一步分为静态特性和动态特性两类， 在电力系统的潮流分析、静态稳定分析以及负荷以静态成分为主( 如商业、民用负 荷) 的情况下，一般考虑负荷的静态特性，本文的分析也是主要针对这种特性展开。 静态特性是指电压或频率变化后进入稳态时负荷功率与电压或频率的关系，静 态特性可以是静态电压特性和静态频率特性，也可以是综合考虑这两种因素影响下 构成的负荷特性。负荷特性可以用超越函数或多项式表示，如下所示： p 。晶【4 ，+ ) + c ，) 2 + 】( 1 + ，。钧 q _ q 卜 ，) + ) 2 + p 甲钟 ( 2 1 0 ) p 、q 、a p 、a q 、b p 、b q 、c p 、c q k p 、k q - - 为待定系数，它们的数值可 p - 晶p ，) + c ，r 1 ( 1 “，警) 1 ( 2 m ) q - q 卜一+ b u ，) + c ，) 2 】( 1 + k q 销j ：i p n ( 1 + o 一锐 ( 2 1 2 ) q - q s ( 1 + k 。，销f “1 “ 卜驴弘也髦l ( 2 - 1 3 ) q q k q 销f 卜 ? r 黧l ( 2 - 1 4 ) q 。q ，产( 1 + k q 甲钧f “ 华北电力大学硕士学位论文 率变化影响，与系统电压无关；对于恒阻抗型负荷，其功率变化不仅与系统频率变 化有关，还与系统电压成正比关系；对于恒阻抗型负荷，其功率变化不仅与系统频 率变化有关，还与系统电压的平方成正比关系。 2 、对电网中较为重要的母线，根据母线的历史负荷值进行修正 前面提到，母线负荷预测与短期负荷预测有很多相似之处，对单个母线来说， 这种相似之处就更多了，因此，对于单个的母线，完全可以采用系统负荷预测的方 法进行预测。对电网中较为重要的母线，可以建立独立的数据库，存储该母线负荷 的历史数据，然后根据这些历史负荷，从系统短期负荷预测的方法中选择适当的方 法进行二次预测，从而对初步预测出的负荷值进行修正。 2 5 预测结果分析 由于母线负荷预测是一种对未来负荷的估算，因此，它与客观实际还是存在一 定的差距，这个差距就是预测误差【钔计算和分析误差的方法和指标有很多种，本 文主要用到了以下几种。 l 、绝对误差与相对误差 设y 表示实际值，x 表示预测值，则称y _ 誓为绝对误差，称( y - l = ；) y 为相对 误差。有时相对误差也用百分数( y - z ) y * l o o 表示这是一种直观的误差表示方 法。在电力系统中通常作为一种考核指标而经常使用。 2 、平均绝对误差 姒盼1 ，矿善i 巨i = i n * 善眵一e l ( 2 - 1 5 ) 式中，m a e 为平均绝对误差o e 。为第i 个预测值与实际值的绝对误差： y 。为第i 个实际负荷值； e 为第i 个预测负荷值。 由于预测误差有正有负，为了避免正负相抵消，故取误差的绝对值进行综合并 计算其平均数，这是误差分析的综合指标法之一。 3 、均方误差 m s e = l n * 善砰5 l n * 善一k ) 2 ( 2 1 6 ) 式中，m s e 为均方差，其它符号同前。 均方误差是预测误差平方之和的平均数，它避免了正负误差不能相加的问题。 是误差分析的综合指标法之一。 华北电力大学硕士学位论文 4 、均方根误差 厂i 一厂了_ 一 跚距5 1 | f l i n * 善砰。伊血善 一k ) 2 ( 2 - 1 7 ) 式中，跚s e 为均方根误差，其它符号同前。 这是均方误差的平方根。由于对误差e 进行了平方，加强了数值大的误差在指 标中的作用，从而提高了这个指标的灵敏性，是一大优点，这也是误差分析的综合 指标之一 5 、标准误差 r ? 一 s y = 、瓴一x ) 2 似一m ) ( i = 1 ，2 ，n )( 2 一1 8 ) 式中，s ，为预测标准误差； n 为历史负荷数据个数； m 为自由度，也就是变量的个数，即自变量和因变量的个数的总和。 6 、日负荷预测准确率 厂i 一厂j - _ 一 a i = ( 1 - - 小胁+ 善霹) 木1 0 0 = ( 1 一铲砌+ 善 一x ) 2 h 1 0 0 式中，a i 为日负荷准确率； e 。为第i 个预测值与实际值的绝对误差； y 。为第i 个实际负荷值； x 为第i 个预测负荷值。 7 、月负荷预测准确率 a = xa n * 1 0 0 ( 2 1 9 ) 何 式中，a 为月负荷预测准确率； 舡为日负荷预测准确率； n 为全月日历天数。 2 6 本章小结 本章对母线负荷预测的实现过程进行了详细介绍。首先介绍了母线负荷的定义和特 点，在此基础上对母线负荷预测的实现过程迸行了详细说明，并在理论上分析了母线负 荷预测结果的修正方法，最后介绍了预测结果的分析方法。 华北电力大学硕士学位论文 第三章发电计划的制定 确定了次日的系统负荷值和母线负荷值之后，接下来要做的就是制定发电计 划。根据负荷预测生成发电计划的过程中，应该考虑联络线功率约束、水电约束、 经济效益等约束条件。 3 1 概述 电力生产的特点之一就是电力的不可储存，所以就必须实现发电与用电的平 衡，当负荷变化时，电力生产也要随之发生相应的变化。当负荷变化范围较小时， 调节各发电机组的发电功率就可以了；而负荷变化范围较大时，只有起停机组才能 跟的上；当然对于负荷的逐年增长只有适时投产新的机组才不至于拉闸限电。系统 发电出力随时紧跟系统负荷的变化是电力系统运行的基本要求。 广义发电计划内容较多，有火电、水电、机组、交换和燃料等，总体优化的技 术难度大。发电计划是e m s 中发电级的核心应用软件，对电力系统经济调度起着 关键作用。 从市场的角度以及电力系统本身的特点来看，衡量发电计划制定的好坏，一定 要兼顾经济性和安全性，即在保证电网安全运行的基础上，还要考虑降低全网的购 电费用。由于机组的上网