（电力系统及其自动化专业论文）城网规划负荷预测方法研究与应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n ta n dr a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m ya n df a s t u r b a n i z a t i o n , h o wt op r o c e s st h ea s s o r t e dp o w e rp l a n n i n g a l s or e c e i v e s g r e a t r e c o g n i t i o nf r o mu r b a np l a n n i n ga sw e l la sp o w e ri n d u s t r yd e p a r t m e n t s l o a d f o r e c a s t i n gf o ru r b a nd i s t r i b u t i o np l a n n i n gi n c l u d e st h ep e a kl o a df o r e c a s t i n g ，p o w e r c o n s u m p t i o nf o r e c a s t i n g ，a n dl o a dd i s t r i b u t i o nf o r e c a s t i n gw h i c hi sm o r ei m p o r t a n t t h e r ei sa l s oal o to fs t u d yo nm e t h o d so fl o a df o r e c a s t i n gf o ru r b a nd i s t r i b u t i o n p l a n n i n g ，b u tf o rt h ee n g i n e e ri na c t u a lw o r k , w h a t t on e e di sas e to fc o m p l e t ea n d v i a b l el o a df o r e c a s t i n gm e t h o d i nt h i sp a p e r , c u r r e n tm e t h o d so fl o a df o r e c a s t i n ga r ea n a l y z e da n da tt h es a m e t i m e ，c o m b i n i n gw i t hm a n yy e a r sa c t u a lw o r k i n ge x p e r i e n c eo ft h ew r i t e r , as e to f v i a b l ec o m p r e h e n s i v el o a df o r e c a s t i n gm e t h o da r ep r o p o s e d 。t h em a i ni d e ai sa s f e l l o w s ： ( 1 ) f r o mt h eb a s i cn e e d ，f o r e c a s t i n gi sd o n ew i t hs e v e r a la p p r o a c h e s ，a n d t h er e s u l t sm u s tb ec h e c k e db ye a c ho t h e r ； ( 2 ) i ne a c ha p p r o a c h , s e v e r a lm o d e l sa l eu s e da n dd e c i s i o ni sm a d eb y e x p e r t ； ( 3 ) p a y a t t e n t i o nt ol o n g - t e r me s t i m a t e ，p u s hr e t u r nt h er e s u l t so ft h en e a r f u t u r e ，p r o m i s et h ew h o l er a t i o n a l i t yo f t h ef o r e c a s t i n g ； ( 4 )f u l l ye x e r t i v et h ep e r s o n sp r e d o m i n a n tf u n c t i o n , m a k ea ne n d r e s u l tb y e x p e r t se x p e r i e n c e o nt h em a i ni d e af o u n d a t i o n , av i a b l ej o bs t e pa n dw o r k f l o wi sa l s op r o p o s e di n t h i sp a p e r b u tt h em o r ei m p o r t a n ti st or e s o l v et h ep r o b l e mb yo p e n i n gw a yo f t h i n k i n gi na c t u a lw o r k i n g o n l yc o m ec l o s ew e l lp h y s i c a l l ya n dc o m b i n ep h y s i c a l l y , t h e nc a ng e tas a t i s f i e df o r e c a s t i n gr e s u l t k e yw o r d s ：u r b a nd i s t r i b u t i o np l a n n i n g ，l o a df o r e c a s t i n g ，l o a dd i s t r i b u t i o nf o r e c a s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨鎏叁堂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：痧l 蔓签字日期：2 。口矿年，月，岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨姿态兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：2 文年7 导师签名： 签字日期：2 7 年 ，月，；日留哆如 、7 月 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 城市电网是城市基础设施的重要组成部分，其建设、改造及运行的经济性和 安全性既影响到电力部门的经济效益和广大电力用户的供电质量，又影响到城市 整体功能的正常发挥。由于电网设备投资需求大，并且设备寿命长达数十年导致 电力系统强烈的受到“过去权重”制约，因此，寻求最佳的电网投资决策及安全 性以保证电力系统的长期发展，是电网建设前期最为重要的工作。 城市电网规划( 简称城网规划) 是电力系统规划和城市规划的重要组成部分， 合理进行城网规划是实现未来城市电网经济性和安全性的先决条件，可以获得很 大的经济和社会效益：相反，城网规划的失误则会给国家的经济建设和人民生活 带来不可弥补的损失。 城网规划应建立在科学决策的基础之上，而电力负荷预测则是其中最为重要 的基础性工作之一( 简称负荷预测，本文主要指城市中、长期电力负荷预测) 。 负荷预测的合理性与准确性直接影响着城网规划的质量。电力负荷预测按预测对 象可分为电力负荷总量预测和空间电力负荷预测。 电力负荷总量预测( 简称负荷总量预测或总量预测) 属于战略预测，是将整 个规划地区的电量或负荷作为预测对象，它的结果直接反映未来城市对电力的需 求量，同时将决定未来城市电网的供电容量。负荷总量预测结果对城市供电电源 点的确定和发电规划具有重要的指导意义，是城网规划的重要依据之一，同时也 是空间电力负荷预测必不可少的基础数据。 空间电力负荷预测( 简称空间负荷预测) 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。只有确定了配电网供 电区域内未来负荷的空间分布，才能对变电站的位置和容量、主干线的型号和路 径，开关设备的装设以及它们的投入时间等决策变量进行规划。因此，空间负荷 预测的准确性决定了城网规划方案的可操作性和适应性。目前，它是城网规划领 域中一个极为重要的研究课题。 负荷预测本身是一项规模大、不确定因素多且涉及领域广的系统工作。这项 工作所要处理的数据量以及相应的计算量都非常大，现今高速发展的计算机信息 技术，为保证其准确性和时效性提供了可靠的保障，同时，预测工作又具有很强 的认知性质，必须充分考虑专业人员的长期工作中形成的感性认识，综合计算分 第一章概述 析与专家经验才能将负荷预测工作做好。 1 2 电力负荷总量预测 按预测指标分类，电力系统负荷预测的内容可分为电量预测( 如全社会电量、 网供电量、各行业电量、各产业电量等) 和电力预测( 如最大电力、最小电力、 峰谷差、负荷率等) 两部分，其中电力预测包括峰值负荷、负荷曲线的预测。 针对电力负荷总量预测的方法很多，这些方法有些是直接从包括经济计划部 门在内的其他领域的专业预测方法中借鉴而来的，有些则是电力系统预测的专用 方法，例如：对于全社会需电量，由于它与国民经济的发展密切相关，可以采用 弹性系数法、g n p 综合电耗法和人均用电法进行预测；对于各产业电量，又可 以用产值单耗法进行预测；最大负荷的预测还可以采用电量折算法，其中最常用 的是最大负荷利用小时数法，等等。 而通用序列预测方法是指由预测量的历史值构成数据序列进行预测，包括的 模型有：回归分析模型、相关分析模型、趋势外推模型、灰色系统模型、神经网 络模型等等。 无论是传统的预测模型还是现代的模型，它们都是在获得预测对象的历史变 化规律后，将这种规律外推以预测未来。外推法仅仅是根据预测对象本身的历史 数据需求其变化规律，而相关法则是研究预测对象与其他因素之间的相互关系， 并将这种关系外推到未来，根据其它因素的未来变化，计算出预测对象的预测值。 理论上讲，负荷预测的数学理论的核心是如何获得预测对象的历史变化规 律。预测模型实际上是表述这种变化规律的数学函数。不同地区不同时段负荷的 变化规律都不一样。因此，这就要求以更丰富的模型适合不同地区不同时段的需 要。另一方面，数学模型是理想抽象，负荷发展的自然规律很难用单一数学模型 加以描述，必须用许多预测模型的有机组合，即综合预测模型，才能形成对负荷 发展自然规律的更贴切或完备地描述。 另外，在电网规划工程实际中进行负荷预测，往往还会受到基础数据完整性、 准确性、一致性等方面的制约，所以还需要因具体情况而制定具体的预测策略， 例如，采用不同的预测方法、预测模型相互校核；引入专家经验对最终的预测结 果人工干预；长短结合、高低结合以区间范围形式预测未来电力负荷，对电网建 设过程优化更具指导意义。 所以，真正能适应电网规划工作需要的负荷预测不是仅靠某一数学模型或某 一种方法就能获得的，而需要一套完整的系统的解决方案。本文将在后面章节就 此进行详细论述。 第一章概述 1 3 空间电力负荷预测 对负荷空间分布特性的研究有着较长的历史。早在2 0 世纪5 0 年代中期，西 方学者就已经认识到负荷的空间分布和城市土地的使用之间可能存在着某种关 系。1 9 6 2 年至1 9 6 5 年间，美国的a l a z z a r i 等人发现了负荷密度分布和城市用 地分布之间呈现“钟形曲线的特征，首次揭示了负荷分布和变化的空间特性。 2 0 世纪8 0 年代，美国学者h l w i l l i s 明确提出了空间电力负荷预测( 也称小区 负荷预测) 的概念( s p a t i me l e c t r i cl o a df o r e c a s t i n g ) 。w i l l i s 设想的空间负荷预 测的工作模式是：在未来电力部门的供电范围内，根据城市电网电压水平的不同， 将城市用地按照一定的原则划分为相应大小的规则网格状或不规则形状的小区， 然后预测每个小区中电力用户负荷的数量和产生的时间。 给空间负荷预测方法分类，可以参考以下几方面因素：( 1 ) 预测年限；( 2 ) 与总量预测的关系；( 3 ) 历史数据；( 4 ) 计算方法等。 从预测年限角度看，空间负荷预测可分为短期预测、中期预测和长期预测。 通常中、长期预测是指5 到1 5 年的预测，这种预测是城网规划的基础，也是本 文将要介绍的负荷预测系统的核心任务之一。 从与总量预测的关系角度看，空间负荷预测方法可分为自下而上的方法和自 上而下的方法。自下而上的方法是先预测负荷分布，再将其累加为负荷总量；与 之相反，自上而下的方法是先预测负荷总量，再将其“分摊”到各小区，得到负 荷的分布。本文将要介绍的分类分区法吸取了这两类方法的思想，将其转化为同 一预测过程的两个阶段，从而提高了预测的准确性。 从历史数据和计算方法的角度看，h l w i l l i s 认为，目前的空间负荷预测方 法主要分为两大类解析方法( a n a l y t i cm e t h o d s ) 和非解析方法( n o n a n a l y t i c m e t h o d s ) 。解析方法运用数学工具分析小区的各项原始数据( 如：历史负荷、相 关经济指标和用地数据等) ，进而预测小区负荷的发展趋势。解析方法可分为趋 势法、多元变量法、基于土地利用的方法等。非解析方法则更多地依靠规划人员 的经验和主观判断来决定负荷的大小和分布，虽然在一定程度上缺乏必要的科学 性，但可作为解析方法的辅助手段。 要完成城市电网规划的各项内容，必须对负荷分布情况进行详尽预测，才能 为电源及电网的空间规划提供充分的依据。然而，空间电力负荷需求预测也是一 项复杂的系统性工作，在实际工程中，如何取得大量的原始数据，如何选择适宜 的方法才可行且有效都是值得探讨的问题。 第一章概述 1 4 本文工作 虽然，可用的方法和模型有很多，但是在目前国内中长期电力规划专项技术 工作中，负荷预测仍然是一个难点。这主要是由负荷预测自身特点所决定的，它 包含着复杂的不确定性和有条件性，不是某一种方法或模型就可以完全贴切的解 决的。然而，对于整个电网规划工作而言，负荷预测又是必不可缺的，因为负荷 的发展是电网建设最为基础的需求。 本文将以笔者多年从事电网规划工作的实践为基础，总结提炼针对城市电力 专项规划的综合负荷预测方法，进行深入研究，主要开展如下工作： 1 归纳总结城市电力专项规划的综合负荷预测方法所涉及到的各种负荷预 测模型，对这些模型的原理、特点及适应性进行了简要分析。 2 根据多年实践，提出一套完整的城市电力专项规划的综合负荷预测基本方 法，其中包含电网规划所需的总量及空间负荷预测方法，能够满足电网规划后续 工作的基础需求，具有良好灵活性和适用性。 3 有了基本的方法，要想做好负荷预测工作，笔者认为还需要技术人员具有 开放的解决问题的思路，懂得因时因地灵活的应用，而不是死抠教条，因此，笔 者在此总结实际工作中经常遇到的若干问题及解决方法。 4 展示负荷预测工作实例，阐明基本方法的应用。 第二章电力负荷预测常用方法 第二章电力负荷预测常用方法 从服务于城市电网规划的角度出发，适应规划需求，电力负荷预测可以按照 总量负荷预测与空间负荷预测进行分类。下面分别就负荷的特性，常用的负荷预 测方法及其基本原理进行简要介绍。 2 1 负荷的时间特性和空间特性 虽然城市电力负荷受着大量随机性因素的影响，但其仍呈现出明显的特性。 负荷的时间特性是指负荷随时间变化发展的规律性。比如，城市电力负荷具 有年间负荷不断增长及年内周期性变化两种特征。而年内周期性负荷波动又可划 分为以年为周期的波动、以周为周期的波动、以日为周期的波动。而不同负荷， 随用电性质的差别，相应特性也有显著区别。比如，住宅负荷、商业负荷具有经 常的年增长以及明显的季节性波动特点；而工业负荷季节性波动不大，一般可看 作基础负荷。对这种规律性的掌握直接决定着负荷预测准确与否。 负荷的空间特性是指未来负荷发生发展的位置，也就是说在什么地点，有多 大负荷。就城市电力负荷而言，由于预测结果的位置相关性，使得预测结果不是 简单取决于负荷发展的本身特征，还与城市的土地利用性质密切相关。城市用地 性质的改变，直接影响着负荷在空间上的分布特性。 2 2 总量负荷预测 2 2 1 基本概念 电力系统负荷预测是指从已知的经济、社会发展和电力需求情况出发，通过 对历史数据的分析和研究，探索事物之间的内在联系和发展变化规律，以未来年 份经济、社会发展情况的预测结果为依据，对电力需求做出预先的估计和推测。 所谓总量预测，这里主要是指对于电量的预测( 包括全社会电量、网供电量、 各行业电量、各产业电量等等) 以及电力预测( 如最大电力、最小电力、峰谷差、 负荷率等) 两部分，其中电力预测主要指峰值负荷的预测。 2 2 2 几种常用预测方法介绍 对于系统电力负荷预测的方法，目前人们已经进行了比较深入、细致的研究， 第二章电力负荷预测常用方法 提出了适应不同环境的预测方法，概括起来，这些方法主要分为两大类：一类属 于确定性的预测方法，即通过建立确定性的数学表达式，来进行规划年电量和电 力的预测，如单耗法、电力弹性系数法、计量经济分析法【1 1 、时间序列法【1 】【2 】、 回归分析法【2 j 【引、神经网络预测法【4 】等；另一类属于不确定性的预测方法，众所 周知，由于负荷预测( 特别是中长期负荷预测) 中有很多不确定的因素，如政策 的变化、气候条件、经济的发展水平等，这些因素很难用确定性的数学模型来描 述，因而人们又提出了考虑这些因素影响的预测模型和方法，如专家系统预测【5 】、 灰色预测法【1 】【锄】、模糊预测法 9 - 1 1 ，近年来又出现了模糊神经网络预测法 1 2 - 1 4 】、 灰色系统+ 遗传算法的预测方法【15 1 、基于证据理论的预测法【1 6 】等。 一、确定性的负荷预测方法 1 计量经济分析法【l 】 计量经济分析法是用于经济预测的方法，由于国民经济的各种经济活动之间 存在着相互联系，相互制约的关系，通过建立电力消费与国民经济其它部门的经 济活动的投入产出模型，可以分析电力工业的发展与其它经济部门间的关系，从 而预测电力负荷的发展趋势。 由于计量经济模型的相关因素的辨识和城市经济发展特点紧密相关，因此， 在建立模型之前，必须先进行相关因素的辨识，即确定和电力负荷发展密切相关 的主要因素，排除次要的因素，然后才能建立比较合适的模型。在大量规划经验 的基础上，可以建立了如下的计量经济模型： y = c l x l + c 2 x 2 + c 3 其中，y 为行业电量，石。和x ：为因变量，它们分别对应：( i ) 劳动生产率 和固定资产原值；( i i ) 固定资产净值和从业人数。 2 时间序列法【1 】【2 】 时间序列法是指一定时期内根据观测到的一组按时间顺序离散的有序数据 集合，推断数据所符合的统计规律，预测该时间序列的未来数据。时间序列法由 于所需数据量少，在时间序列数据满足一定的统计规律性( 平稳性假设) 的条件 下，可以拟合出合理的模型。时间序列法中应用最广泛的是自回归滑动平均模型 灿r m a ( p ，q ) ( a u t o r e g r e s s i v e - - m o v i n ga v e r a g e ) ，其中当q = 0 时，a r m a 0 ，o ) 模 型变为自回归a r 0 ) 序列模型；当p = 0 时，a r m a ( o ，g ) 变为滑动平均m ( g ) 序 列模型。 3 回归分析法【2 】【3 】 回归分析法是根据事物之间随时间变化的因果关系寻找事物之间发展变化 的统计规律，通过参数的估计，建立定量的模型，根据相关变量的变化趋势，预 第二章电力负荷预测常用方法 测相应变量的变化规律。由于系统电力负荷预测受社会、经济、环境和气候等众 多因素的影响，采用回归预测模型比较容易观测这些因素的变化对电力负荷的影 响，因此，它也是目前最为广泛用于电力系统规划的负荷预测方法。回归分析模 型分为线性和非线性两大类。 4 人工神经网络预测法 4 1 人工神经网络是近年来应用领域研究比较广泛的一种新的理论，在电力系统 领域，目前已应用n - ( 1 ) 电力负荷预测；( 2 ) 静态和动态安全分析；( 3 ) 故障 诊断；( 4 ) 保护和智能控制；( 5 ) 经济运行和调度；( 6 ) 机组启停的最优组合； ( 7 ) 配电网线损计算；( 8 ) 电力系统动态负荷建模等几个方面。 电力负荷预测是神经网络研究最早最活跃的领域，在短期负荷预测方面已取 得了相当大的成功，特别是同模糊逻辑推理方法结合之后，短期负荷预测的精度 得到很大提高。在电力系统规划的中长期负荷预测领域，国内外许多学者也进行 了许多研究，取得了一定的成果。目前，大多数的基于人工神经网络的中长期负 荷预测方法都是基于前向b p 网络或基于改进b p 算法的网络，以负荷预测的相 关分析法为基础，预测负荷的变化趋势。由于相关分析法预测精度和相关因素的 预测有密切的关系，因此，必须在准确收集和预测相关因素变化趋势的基础上， 才能有效的预测电力负荷的变化趋势。 二、不确定性的负荷预测方法 1 灰色预测法 1 】【6 - 8 】 灰色预测法是我国学者邓聚龙先生首先建立和发展起来的，目前灰色系统理 论已广泛应用于控制和预测的许多领域。灰色系统是指部分信息已知、部分信息 未知的系统。灰色系统理论的实质是将无规律的原始数据进行累加生成，得到规 律性较强的生成数列再重新建模。由生成模型得到的数据通过累加生成的逆运算 累减生成得到还原模型，由还原模型作为预测模型。 很多研究已经对各种灰色预测模型在城市年用电量预测方面的特性进行了 详细的研究和比较，总结出了各种g m 模型的特点及其适用范围，为规划人员 从中选择适合的灰色预测模型提供了参考依据。对于g m ( 1 ，1 ) 不适合长期负 荷预测的缺点，也提出了改进的分段预测模型，用于解决负荷预测的不同时段增 长速度不同的问题。而且通过将参数( a ，u ) 视为随时间变化的参数，先预测a 和u 随时间变化的数值，然后再应用灰色模型的方法，使得该模型可以用于短期 和中长期负荷预测。 2 模糊预测法1 】 由于外界环境影响的不确定性使得负荷预测本身具有模糊性，因此采用模糊 第二章电力负荷预测常用方法 集合理论和模糊方法进行短期和中长期负荷预测是目前解决负荷预测不确定性 的主要研究方向之一。一种模糊预测方法是采用模糊聚类算法c 一平均算法通过 对不同电力用户的聚类分析，确定其所属的模糊负荷类别，最后得到整个系统对 应不同时刻的模糊负荷曲线。还可以将聚类技术应用到模糊回归分析中，提高模 糊回归分析的精度。此外基于确定性输入和模糊数输出以及模糊输入和模糊数输 出的模糊回归预测模型的理论研究也取得了一定的进展。 尽管国内外众多的学者对系统电力负荷预测的方法进行了比较细致的研究， 但由于影响中长期负荷的因素众多且难以定量把握，因而很难评价未来电力负荷 预测的准确与否，这也是中长期系统电力负荷预测离不开专家经验和决策的根本 原因。只有研究系统电力负荷如何在城市不同地区分布，才是提高目前系统电力 负荷预测精度的最有效途径之一，这已被近年来城市电网规划方法的发展趋势所 证实。 2 3 空间负荷预测 2 3 1 基本概念 对规划区内负荷分布情况进行预测是配电网规划的基础性工作，也是规划工 作中要求数据量最大，最为繁复的一件工作，这种涉及负荷发展位置信息的负荷 预测又称空间负荷预测。 由于配电网尤其是中压以下的配电网直接为用户供电。而用户未来的负荷水 平将直接影响配电网规划方案的合理性，所以面向配电网的空间负荷预测要求十 分详细。空间负荷预测与常规总量负荷预测的关键区别就是要考虑到负荷的空间 分布特征。 2 3 2 几种预测方法简介 空间电力负荷预测方法主要分为两大类，解析方法和非解析的方法。解析方 法通过分析小区历史和当前的数据，辨识它们的发展趋势和模式，从而预测未来 的电力负荷变化。解析预测方法根据预测变量和预测方法的不同主要可分为趋势 法和用地仿真法。非解析的方法主要依靠规划人员所积累的知识凭直觉对不同地 块不同时间上的负荷大小进行推断，由于该方法所提供信息的贫乏，只能作为解 析法的一种辅助手段。解析的空间电力负荷预测方法能够为电网规划提供更为丰 富和可靠的信息，这里首先简要介绍几种解析的空间电力负荷预测方法。 第二章电力负荷预测常用方法 一、趋势预测法 趋势法是所有基于负荷历史数据外推负荷发展趋势的方法的总称，其含义为 根据预测区域的历史峰值负荷的变化趋势，外推区域的各预测年份的峰值负荷。 趋势预测方法实际上是很多领域最为常用的预测方法，也是系统负荷或系统 用电量预测中采用的典型方法。基本趋势预测方法是在获得预测对象的历史变化 规律后，将这种规律外推以预测未来的方法。这类方法包括很多，如时间序列法、 相关分析法、灰色系统方法等。本文在上一节已经进行介绍，这里不再赘述。 空间负荷基本趋势预测方法就是在对规划区采用适当的方法加以分区的基 础上，逐一对每个小区选择合适的曲线拟和其历史年数据，并外推未来年的负荷 值。 趋势法的研究历史可追溯到本世纪五十年代中期，直至1 9 6 5 年，美国的 a l a z z a r i 等人，在对十几种负荷预测方法进行研究的过程中，发现了负荷密度 分布和城市用地分布之间呈现“钟形”曲线的特征，成为空间电力负荷预测研究 史上一个重要的里程碑。 六十年代初至八十年代中期，随着计算机技术的应用，空间电力负荷预测的 技术有了巨大的变化，趋势法的研究也日臻成熟。初期的预测多是单个小区的负 荷外推，即对每个小区，根据其历史负荷的变化趋势，选择合适的曲线进行拟合， 其预测的工作量是相当大的。为了减少拟合曲线的数目，a e s c h a u e 一1 。7 】等人首 次提出了预测小区负荷的聚类模板方法。该方法虽然减少了拟合曲线的工作，但 仍然存在模板多和难以选择的问题。h l w i l l i s 1 8 】等人通过对负荷发展趋势聚类 的方法，采用同一模板预测未来的负荷发展趋势，并通过指定水平年的“饱和” 负荷预测值，解决了模板选择难的问题。 但以上趋势预测模型均要求小区的划分不能太小，且小区的历史负荷不能为 零。1 9 8 2 年，h l w i l l i s 和j e d n o r t h c o t e g r e e n ”】针对历史年小区负荷为零的 空地预测首次提出了分层多小区回归分析的方法。 1 9 8 3 - - 1 9 8 4 年，h l w i l l i s 和h t r a m 2 0 】【2 1 】以聚类模板的方法为基础，通过给 定目标年模板的饱和趋势，进一步提出了改进的包含空地的聚类模板预测方法。 同期h l w i l l i s 和r w p o w e l l 等人口】又提出了一种称为负荷传输耦合法 ( l t c ) 的预测方法，其主要研究在变电站和馈电线记录的负荷数据受供电范围 变化而被“污染”的情况下，如何外推给定水平年负荷水平的负荷的发展趋势。 进入九十年代，v h q u i n t a n a 和h k t e m r a z 等人【2 3 】又提出了预测未来负荷发 展趋势的分解法，即收集小区的历史年每个月( 季度) 的负荷数据，并将其分解 为三个部分一趋势( t r e n d ) 部分、周期( c y c l e ) 部分和季节( s e a s o n a l i t y ) 部分。 其中，趋势部分的预测采用曲线拟合的方法完成，周期部分的预测采用相关预测 第二章电力负荷预测常用方法 法预测，季节部分是和气候、降雨以及季节有关的负荷预测。分解法来自于系统 电力负荷的预测思想，因此，其准确性依赖于对预测小区的划分和收集的基础数 据的准确性。 多元变量法，该方法因采用多元变量的预测程序而得名，它是所有利用小区 的峰值负荷数据和其它相关变量外推或仿真负荷变化方法的总称。该方法采用了 计量经济的建模方式，通过收集每个小区( 城市规划分区) 影响负荷变化的几十 种相关数据的变化情况，建立相应的外推模型，同时外推这些数据的变化和小区 负荷的变化。 趋势法的优点是方法简单、直观、所需数据量少，适合于1 - - 5 年的短期的 城市电网规划研究。然而趋势预测方法本身存在着明显的不足： ( 1 ) 要对每个小区都要进行曲线拟合，其预测的工作量是相当大的； ( 2 ) 要求小区的划分不能太小，保证收集历史负荷数据的可行性和规律性； ( 3 ) 规划范围内出现众多空地，则趋势预测方法难于适用； ( 4 ) 当规划区域按变电站或主干线分区时，很难考虑小区间负荷的转移特 性。 ( 5 ) 不太适用小区面积较小而预测年限又较长的预测，且不能考虑土地使 用性质变更时的负荷发展趋势。 以问题限制了趋势法只能适合于小区划分较大( 实际为城市规划的功能分 区) 和预测周期较短的情况下，这种方法显然不适合于小区划分要求较小，且位 置信息要求具体的配电网中长期规划问题。 二、用地仿真预测法 如何保留多元变量法预测准确的优点，克服其缺点是众多规划人员的研究重 点，相应的基于土地利用的方法逐渐发展起来。该方法，又称用地仿真法，是通 过分析、预测规划年城市土地利用的特性和发展规律来预测相应的城市电力负荷 的位置、数量和时间分布的方法的总称。 用地仿真法是一种自上而下的方法，它通过建立用地仿真模型来模拟小区的 未来发展情况，最终将负荷总量预测的结果分摊到各小区。用地仿真法具有较高 的精度，尤其适用于长期预测。由于早期的仿真法要求收集小区用地的历史资料， 为了获得这些基础数据，1 9 7 7 年出现了利用土地卫星摄影照片获取历史年和现 状年城市土地资料的方法，为土地资料的获取和仿真方法的使用奠定了基础。 用地仿真法的预测思路可以用下述几个关键步骤描述： ( 1 ) 规划区负荷用地分类 第二章电力负荷预测常用方法 对规划区内的负荷进行详细分类，用地仿真法可以实现小区划分很细条件下 的负荷预测，负荷的分类也可以比较详细一些。在实际预测中，包含哪些具体的 负荷类应根据规划区用电负荷情况来确定。 ( 2 ) 基础年各类负荷用地调查、小区划分、各类负荷用地面积统计 借助电子地图来表达预测起始年( 简称基础年) 的各类土地应用情况，可以 采用网格式划分方法对规划区进行小区划分，并标明各类负荷用地情况。 ( 3 ) 确定各类负荷未来预测年份单位用地的负荷( 负荷密度指标) 针对各类负荷计算出相应的单位面积上的峰值负荷值，并分析出该值在未来 预测年份内的变化趋势，确定未来年的相应指标。 ( 4 ) 确定未来预测年份各类负荷用地面积 通过对未来各类负荷用户数变化的研究，确定未来预测年份各类负荷用地总 量。同时，在上一步确定了各预测年份各类负荷密度指标基础上，可以直接获得 各类负荷在预测年份的年负荷最大值。 ( 5 ) 各类电力用户用地的空间分布预测 预测规划区域内未来各年份的土地使用情况在基础年份或前一预测年份的 基础上都会发生变化。而各类负荷用地的变化量已经在上一步中求出，所以本步 的关键是如何把各类负荷用地的变化量在整个规划区内进行分配，得到各类变化 的具体位置。 ( 6 ) 完成空间负荷预测 根据预测年份各类负荷的负荷密度计算结果，结合各类负荷用地分布结果， 将小区中某类负荷的用地面积乘以相应类负荷的负荷密度，即可得到相应类负荷 在小区中的负荷值。在考虑到负荷峰值时间分散性的条件下，将小区中各类负荷 进行叠加，则可得到小区负荷预测结果。 用地仿真法预测过程可以主要归结为两个关键量的计算，一项是各类负荷在 预测年份的负荷密度指标，也就是单位面积的峰值负荷值。另一项是各类负荷在 预测年份的用地空间分布，也就是电力用户的空间位置分布。 用地仿真法预测要求获取每类用户的年最大峰值负荷数据和每个小区的用 户用地等历史数据，能较好地考虑负荷转移特性，对空地的负荷预测相关性较好， 对短、中和长期预测都较适合。在市场经济完善的国家里，土地交易的自由度比 较大，土地的使用主要由市场来决定，容易得到用地性质的变化规律，应用这些 规律来预测土地的使用比较合理。但在中国这样的发展中国家，土地的使用受人 为因素影响较大，预测未来的土地利用情况是十分困难的。因此，这类方法近年 内尚无法真正发挥作用，若采用用地仿真法进行空间负荷预测，还必须开发适合 中国情况的分析方法。 第二章电力负荷预测常用方法 2 3 3 空间电力负荷综合预测 上述典型的空间电力负荷预测方法，可以为我们进行该项工作提供有益的参 考，但是发展中国家在进行城市空间负荷预测时不同于发达国家的现实情况： ( 1 ) 空间负荷预测相关的历史数据缺乏； ( 2 ) 城市建设速度快、用地性质的变化很大； ( 3 ) 城市的整体负荷水平处于发展比较快的阶段； ( 4 ) 小区用地性质的确定完全由特定的政府部门负责，受人为因素主导； 针对目前空间负荷预测工作中存在的一些困难，解决的办法就是在尽可能加 强数据收集整理的条件下，发展适合国情的好的空间负荷预测方法。 本文将在下一章结合城市电网规划的完整需求，详细介绍综合的电网负荷预 测方法，其中就包含了完成空间电力负荷预测的可行方法。 2 4 小结 本章从电力负荷的最基本特性开始，介绍了电力负荷预测及空间负荷预测的 基本概念，并用较大篇幅介绍了电力负荷预测及分布预测的常用模型和理论方 法。总量预测的基本方法，可大致划分为确定性的负荷预测和不确定性的负荷预 测；空间负荷分布预测常用方法包括趋势法和用地仿真法两大类。 电力负荷预测所能够用到的基本方法无外乎如上所述的基本方法，关键是由 于实际工程中各种情况不可预测，而我国又有着特殊的国情，应该建立一套完整 的负荷预测方法体系，适合于我国工程技术人员的应用。本章最后引出了空间电 力负荷综合预测的概念，在下一章节详细讨论。 第三章城网规划综合负荷预测 第三章城网规划综合负荷预测 3 1 城网规划中的负荷预测需求 3 1 1 城网规划思路与基本原则简介 在详细讨论城网规划中的负荷预测需求之前，我们先简单阐述与负荷预测需 求相关的城网规划的方法与思路。 依据多年来城网规划工作的研究与工程实践，城网规划工作所遵循的总体思 路【2 4 】为：“以认知科学的理论为指导，充分利用“城市电网规划计算机辅助决策系 统”的自动分析计算、数据处理和图形处理能力，发挥人在城网规划中的主导作 用，协调规划相关的各方面意见，结合规划专家和计算机软件各自的特点，进行 高水平的城网规划工作。 城市电网规划工作还应该具体按照如下原则进行。 ( 1 ) 城市电网规划应保证满足负荷发展需求，电网运行安全、可靠、经济。 ( 2 ) 城市电网规划应以社会总体发展规划为依据，满足多部门、多方面利 益的要求。 ( 3 ) 城市电网规划应着眼电力网络全局，上级电网相互支持、相互配合， 形成层次分明、配置得当的电网结构，减少结构性缺陷，保证可持续发展。 ( 4 ) 在满足负荷增长需求的前提下，城市电网规划建设的规模、容量、设 备配置应适当超前，做到电力先行。 ( 5 ) 注重整体和长期的和理性及适应性，远景、中期和近期相结合，长远 规划，分步实施，避免重复建设、投资浪费。 此外，就电网规划工作而言应在开展前期先行参考“城市电力网规划设计导 则”及各省市电力公司的相关技术导则来详细制定技术原则和规划工作原则。 3 1 2 城网规划负荷预测需求 根据城网规划的实际需求，通常城网负荷预测通常包含总电量、总负荷、分 类电量、分类负荷、空间负荷分布等项内容。下面逐一就其各自概念、预测方法、 预测结果，以及在电网规划中的作用进行介绍。 第三章城网规划综合负荷预测 一、总电量预测 总电量预测指规划区域范围内总的电量预测值，其结果应包含规划所涉及的 各个年份的总电量预测值，以反映地区内总的用电发展形势。对于电力企业来讲， 售电是经济效益的直接来源，地区总电量的发展决定着企业未来在电网建设、运 营方面的宏观决策。总电量预测的常用模型和方法在本文第二章中已经详细介 绍，这里就不再赘述。 这里需要说明一下的是，在总电量预测中原始数据的完整、准确是关键。从 规划需求的角度讲，总电量指地区的实际用电量，而非输电与配电之间的关口处 供电量。而在生产实际中规划区域内总用电量的统计往往会存在“统计口径 上 的误差，通常体现在地域范围和时间范围两个方面。 在地域范围上，用电量的统计往往需要累加各售电关口的数据，而这些售电 关口所辖范围与规划地域范围会有一定的误差。 在时间范围上，由于电力企业的统计周期变化、售电政策调整等方面的影响， 往往使其统计周期难以与一个自然年份完全吻合而造成误差；而且各个售电关口 统计数据累加，它们的周期一般情况下不可能是完全同期的，也会造成统计误差。 二、总负荷预测 总负荷指规划区域范围内全年总的负荷峰值预测值，其结果应包含规划所涉 及的各个年份的总负荷预测值。该指标是了解规划区域内负荷总体发展水平的重 要指标，在电网规划中，最基本的原则就是满足负荷发展需要。所以，规划中各 级变电站、电网的建设规模和建设进度将以总负荷预测值及其发展趋势作为根本 的依据，由此可见该指标的预测的重要性。负荷总量的预测同样可以按照本文第 二章中介绍的模型和方法直接预测。 在实际电力生产中，负荷峰值发生在瞬时，所以对其原始数据的统计较总电 量更为困难。一种相对简单的方法是直接应用总电量的预测结果来预测总负荷。 随着电力企业信息管理水平的提高，在多数调度自动化管理平台中包含区域总负 荷数据，其往往取自于输电配电之间关口处的瞬时负荷叠加数据。该数据作为区 域负荷预测的原始数据，可以反映地区负荷的变化规律，但须注意地域口径与规 划区是否一致。 三、分类电量预测 由于不同类型的电力用户其用电规律不同，按照典型的分类办法进行分类电 量预测是更好地了解规划区内电力发展规律的必要途径，同时也可以积累数据， 在同类区域间建立横向比较，从而提高预测准确性。用电分类的方法很多，常用 第三章城网规划综合负荷预测 的有电力部门分类法、国民经济分类法以及规划部门按用地性质分类法等。对各 分类皆可以采用前述预测模型进行预测，其结果应该包含各分类规划各年份的预 测值。各分类电量预测值的叠加也是预测总电量的方法之一。 为了使总量预测与分布预测相协调，预测中各分类应综合考虑历史分类电量 收集的可行性和规划部门对规划用地的分类，并做到相互对应。 四、分类负荷预测 与分类电量预测的目的类似，分类负荷的预测是为了反映不同类型负荷的发 展规律，更好的了解区域总负荷的组成及其规律。对各分类皆可以采用前述预测 模型进行预测，其结果应该包含各分类规划各年份的预测值。而分类负荷的原始 数据一般情况下比分类电量更难取得。一种比较简单的方法是采用分类电量预测 的结果直接预测各分类负荷。 负荷的分类原则与电量是一致的，同样应与负荷分布预测相协调。 五、负荷分布预测 负荷分布预测又称为空间电力负荷预测，是指将城市用地按照一定的原则划 分成相应大小的规则或不规则的区块( 网格) ，作为用地小区，然后预测每个小 区中电力用户和负荷分布的位置、数量和产生时间。进行城市配电网络规划，需 要以足够详细的负荷分布情况作为基础。一般来讲，需要将城市的全部用地范围 按照街道或不同性质的用地功能块进行分解，取得每一个用地小区的预测负荷 值，形成的空间负荷分布才能够满足要求。 3 2 各项预测内容之间的关系 3 2 1 几个重要参数 在探索城网规划中各项负荷预测内容之间关系之间必须先对最大负荷利用 小时数、负荷特性曲线、同时率及负荷密度指标等几个概念进行简单介绍。 一、最大负荷利用小时数 在年持续负荷曲线中，以最大负荷p m 缸连续运行时间t ，它所消耗的电量正 好与年负荷曲线中实际消耗的电量相等，则时间t 称为最大负荷利用小时数。 最大负荷利用小时数的大小反映了实际负荷一年内变化的程度，如果负荷曲 线平坦，如工业类用电负荷，则最大负荷利用小时数就偏大；如果负荷曲线起伏 第三章城网规划综合负荷预测 较大，如居民用电，则该值就偏小。从社会用电的宏观角度来看，总的最大负荷 利用小时数高低也反映着城市中各类用电产业或行业所占的比例高低，其变化也 反映着城市产业结构的变化。通常工业城市由于其工业负荷所占比例大，最大负 荷利用小时数会偏大，而居民用电、第三产业用电所占比例较大则会导致总的最 大负荷利用小时数偏小。 在规划中往往需要对最大负荷利用小时数进行取值，一般是根据历史资料分 析、类比，最终判断决定，所以在规划工作当中，分行业的典型用户最大负荷利 用小时数调查非常必要。在数据充足的情况下，也可对历史统计数据进行回归分 析，找出负荷结构与年最大负荷利用小时数的关系，再由预测的负荷结构计算出 年最大负荷利用小时数。下表是南方某城市若干调查结果可供参考。 表3 - i 最大负荷利用小时数典型用户调查 射 最大负荷利用小时数i 典型雳户年用电量( k 髓)最高负荷( a ) 瓣 南坑养殖场1 5 2 6 4 0 1 7 02 6 2 4 农林牧渔 淡水养殖场 1 3 1 6 4 01 3 02 9 6 1 联翅t q k3 4 2 1 7 6 8 02 0 0 0 05 0 0 2 工业 锦利印染 1 4 3 5 6 3 2 05 5 0 07 6 3 2 旺岗村 8 1 2 0 08 02 9 6 8 居民生活 陈涌村 4 6 4 1 05 02 7 1 4 龙江中学 3 1 8 0 0 02 5 03 7 1 9 文教卫生 旺岗小学 2 0 9 7 05 01 2 2 7 志达酒店1 0 7 1 0 0 0 6 0 05 2 1 9 商业仓储 商业广场5 0 7 3 0 03 8 0 3 9 0 3 龙山路邮电局 3 0 8 5 6 02 5 03 6 0 9 邮电交通 龙江路邮电局 4 8 0 0 0 03 6 03 8 9 9 行政办公镇政府 8 3 2 0 0 08 5 22 8 5 6 二、负荷特性曲线 即时负荷是时间的函数，其变化规律可用负荷曲线来描述。常用的负荷曲线 有日负荷曲