（制冷及低温工程专业论文）城市燃气管网负荷预测的研究.pdf

中文摘要 城市燃气负荷预测是一项非常重要的研究课题，准确的负荷预测有利于保障 供气需求，提高燃气部门经济效益。可靠的短期负荷预测对保证管网运行安全， 进行管网的优化调度，都具有重要的意义：可靠的中长期预测便于合理安排后期 工程，确定生产能力，安排设备的更新维修，与卖方签订协议等。 本文针对短期负荷预测问题，根据燃气负荷特性的变化规律，考虑了日期类 型、平均温度、最高温度、天气变化等影响负荷预测的因素，分析了短期负荷的 影响因素，提出了采用模糊逻辑和l 强f 神经网络相结合的预测方法。应用模糊一 r b f 神经网络模型对天津市的实际情况进行了预测。实际计算结果得到：单纯 r b f 神经网络预测平均绝对误差为2 9 9 ，而模糊一r b f 神经网络预测平均绝对误 差为2 2 5 ，预测结果表明，所建立的模糊逻辑一i 国f 神经网络模型充分发挥了模 糊逻辑系统和r b f 神经网络系统各自的优点，在预测的精度上模糊一r b f 神经网 络相对于单纯的r b f 神经网络有了很大的提高，能够更加准确地预测出城市燃气 短期负荷。预测结果基本能够满足工程需要，可以为调度人员提供有益的帮助。 对燃气管网中长期负荷的影响因素进行分析和讨论，全面考虑后，认为影响 燃气负荷最主要的因素有城市人口和经济发展状况，因此以这两个因子作为综合 反映城市燃气负荷变化的灰变量，即作为g m ( 1 n ) 模型的变量，建立燃气负荷预 测g m ( 1 ，n ) 模型，预测未来城市燃气负荷的变化趋势。应用g m ( 1 ，n ) 模型对广州 市和西安市的实际情况进行了预测。实际计算得到：广州市和西安市g m ( 1 ，n ) 模 型的预测绝对平均误差分别为1 7 9 、3 3 7 , 对应的广州市和西安市g m ( 1 ，1 ) 模型的 预测误差分别为7 2 3 、6 6 4 。用实际运行的数据检验了所建立的g m ( 1 ，n ) 模型， 证明了该模型加入其他一些输入因子进一步提高模型的精度，使得模型更加符合 实际，在预测的准确度上相对于g m ( 1 ，1 ) 模型有了很大的提高，预测结果也基本 上能满足工程要求，对城市燃气规划设计具有重要的指导意义。 最后还建立了城市燃气管网风险评估指标体系，提出了用管道指数评分法对 管网进行危险性评估。应用管道指数评分法对天津的实际管段进行了风险评估， 并对这些管段进行了危险性排序。 关键词：城市燃气，负荷预测，模糊逻辑，径向基神经网络，灰色理论，g m ( 1 , n ) 模型，风险评估 a b s t r a c t c i t yg a sl o a df o r e c a s t i n gi sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i tc a nh e l pt oe n s u r et h e s u p p l yd e m a n da n di m p r o v ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo fg a ss e c t o r a c c u r a t es h o r t t e r m l o a df o r e c a s t i n gi sa d v a n t a g e o u st oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o no f s c h e d u l i n g o fp i p e l i n en e t w o r k s a n da c c u r a t e l o n g t e r m l o a d f o r e c a s t i n gi s f u n d a m e n t a lt og a ss y s t e mp l a n n i n ga n do p e r a t i o na n dc o n v e n i e n tf o rs e r v i c i n g e q u i p m e n ta n ds i g n i n ga c o n t r a c tw i t ht h es e l l e r a c c o r d i n gt ot h er u l eo fl o a dc h a r a c t e r i s t i c ，a f t e rc a l c u l a t i n gt h ef a c t o r ss u c h 嬲 d a t et y p e ，a v e r a g et e m p e r a t u r e ，m a x i m u mt e m p e r a t u r ea n dt h ec h a n g eo ft h ew e a t h e r w h i c hi n f l u e n c i n gt h el o a df o r e c a s t i n g ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ef a c t o r so fs h o r t t e r m l o a df o r e c a s t i n ga n df o r e c a s t e ds h o r t - t e r ml o a du s i n gt h em e t h o do ff u z z yl o g i c s y s t e mi n t e g r a t i n gw i t ht h er a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k t h ef u z z y r b f n e u r a ln e t w o r km o d e lw a sa p p l i e df o rt h ea c t u a ll o a dv a l u eo ft i a n j i nn a t u r a lg a s c o m p a n y t op r e d i c t f r o mt h ee x a m p l e , w ec a nf i n dt h a tt h ea v e r a g ea b s o l u t ee r r o ro f s i m p l er b fn e u r a ln e t w o r ki s2 9 9 w h i l et h ea v e r a g ea b s o l u t ee r r o ro ff u z z y r b f n e u r a ln e t w o r ki s2 2 5 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e lh a dt a k e nf u l la d v a n t a g eo f t h ef u z z ys y s t e ma n dt h er b fn e u r a ln e t w o r ks y s t e m , a n dt h em o d e lc a ni m p r o v et h e f o r e c a s t i n ga c c u r a c ye f f e c t i v e l y , g e tt h ea c c u r a c yr e q u e s t e d t h er e s u l t so fp r e d i c t i o n a r eb a s i c a l l ya b l et om e e tt h ee n g i n e e r i n gn e e d sa n dc a np r o v i d eu s e f u lh e l pf o r s c h e d u l i n gs t a f f t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fg a sp i p e l i n e n e t w o r k , a f t e rt h ef u l lc o n s i d e r a t i o n , w ec o n s i d e rt h a tt h em o s ti m p o r t a n ti m p a c to f g a sl o a df a c t o r sa r et h eu r b a np o p u l a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h e r e f o r e ， t h i sp a p e ru s e dt h e s et w of a c t o r sa sac o m p r e h e n s i v er e f l e c t i o no fc h a n g e si nc i t yg a s l o a d , a n da st h eg r a yv a r i a b l e so f g m ( 1 ，n ) m o d e l ，t oe s t a b l i s hg m ( 1 ，n ) m o d e lt o p r e d i c tt h ef u t u r eo fc i t yg a sl o a d t h eg m ( 1 ，m o d e lw a sa p p l i e df o rt h ea c t u a l l o a dv a l u eo ft i a n j i na n dx i a nt op r e d i c t ，w ec a nf u n dt h a tt h ea v e r a g ea b s o l u t ee r r o r o f g m ( 1 ，n ) m o d e la r e1 7 9a n d3 3 7 ，w h i l et h ea v e r a g ea b s o l u t ee r r o ro f g m ( 1 ，1 ) a r e7 2 3a n d6 6 4 t h ea c t u a lo p e r a t i o nd a t ao ft h et e s te s t a b l i s h e db yg m ( 1 ，n ) m o d e ls h o w e dt h a tt h em o d e lb ya d d i n gan u m b e ro fo t h e ri n p u tf a c t o r si m p r o v e st h e f o r e c a s ta c c u r a c yo ft h em o d e l ，m a k e dt h em o d e lm o r ei nl i n ew i t ht h er e a l i t y t h e r e s u l t so fp r e d i c t i o na l s oc a nm e e tt h ee n g i n e e r i n gn e e d sa n dh a sa l li m p o r t a n tg u i d i n g s i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g no fc i t yg a s f i n a l l y , t h es y s t e mo fc i t yg a sp i p e l i n en e t w o r kv e n t u r ee v a l u a t ew a se s t a b l i s h e d t h i sp a p e rb r o u g h tf o r w a r dt h em e t h o do fi n d e xr i s ka s s e s s m e n tu s e df o rp i p e l i n e n e t w o r kv e n t u r ee v a l u a t e t h i sm e t h o dw a sa p p l i e df o rt h ea c t u a lt u b es e c t i o n so f t i a n j i n , a n dt h e s es e c t i o n sw e r el i n e db a s e do l ld a n g e r o u s k e yw o r d s ：c i t y g a s ，l o a df o r e c a s t i n g ，f u z z yl o g i c ，r b fn e u r a ln e t w o r k , g r e y t h e o r y , g m ( 1 ，n ) m o d e l ，v e n t u r ee v a l u a t e 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，也不包含为获得墨鲞盘鲎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：穿疆 签字睨1 年否月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎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： 签字脯：妒了年 新签名：纺哆 签字嗍一年f 月y 日 日 ，辽 日 月牟6 第一章绪论 第一章绪论 天然气是一种清洁、高效的优质能源，不论作为原料还是燃料，它在工业与 民用各个领域都有着广泛的应用。随着全球经济的发展与人类生存环境的恶化， 使世人对天然气的发展更为关注。天然气的需求逐年增加，2 0 0 6 年天然气在世界 能源消费构成中的比重达2 6 3 。目前在发达国家能源消费结构中天然气所占的 比例已相当高。如美国，天然气占能源消费比重的2 7 ，在三大能源中仅次于石 油，俄罗斯的天然气占能源消费的比重更高达n 5 2 6 ，超过了石油和煤。2 1 世 纪可以称为“天然气的世纪 1 1 】。 1 1 课题背景及其意义 天然气作为现代化城市的燃气气源，更显现出它能减少空气污染，有利环境 保护的优势，而这也是天然气主要应用之一。进入2 1 世纪社会，人们对生活质量 和生存环境的要求日益提高，天然气作为优质、洁净、节能的理想能源，越来越 引起我国的重视【2 】。我国天然气占一次能源消费结构的比例远远低于世界平均水 平，只有2 7 。我国要实现可持续发展的战略，必须大力发展天然气工业，它对 拉动国民经济增长，提高人民的生活质量，推进城市的基础设施建设，都有着重 要的经济效益和社会效益。近几年我国开始大力改造现有能源结构，逐步提高天 然气等洁净能源在城市居民及工业用能源结构中的比重。随着“西气东输”工程的 开展，天然气将成为城市气体燃料的主导，加快天然气工业的发展已经成为当今 世界的趋势p j 。城市燃气系统负荷预测不仅关系到城市燃气管网规划，还关系到 整个天然气长输管线的投资效益和可靠性，对将来连接各城市的天然气局域网络 的优化调度和城市燃气管网的优化运行都有十分重要的意义。在我国燃气工程项 目的建设过程中，已形成了一套实用的传统燃气负荷表述和计算方法，随着城市 燃气进入天然气发展阶段，有必要引入新的方法对燃气负荷进行描述与预测。城 市燃气负荷预测的研究正是基于这样目的的一个基础性应用研究，也是国内目前 迫切需要解决的十分有意义的重要课题。 1 1 1 燃气负荷预测的选题背景 ( 1 ) 时代背景 由于21 世纪农村城镇化进程和城市现代化进程都极大地依靠优质能源的应 用，所以这两大进程也就极大的促进了能源应用市场的开发【4 】。据1 9 9 7 年统计， 第一章绪论 全国已有6 0 0 多个城市建有城市燃气，随着我国城市化水平的大幅提高，城市燃 气作为重要的能源，必将迎来新的发展；作为国家十五规划四大工程之一的“西 气东输”工程，将极大地促进城市和城市燃气的发展，我国城市燃气的能源结构 将发生很大的变化，天然气将逐步成为城市的主导气源。因此，进行城市燃气系 统负荷预测是适应时代的需求。 ( 2 ) 技术背景 随着天然气的广泛使用和应用技术与设备的改造，用户会越来越多，用户种 类也会越来越多。城市燃气负荷就是燃气用户用气量的总和，而各类燃气用户的 用气量受到各自因素的影响，是不断变化的。但城市气源的供应是相对均匀连续 的，不能按照城市用气负荷的变化而随时调节，因此常采用以下手段来平衡气源 与城市用气，并储存事故储备用气量：设置机动气源；利用缓冲用户；建设容量 足够大的储气设施。当管网发生事故时又正值用户用气高峰，可考虑仅供民用最 低负荷。在规划设计好整个输配系统后，日常生产管理中的一个很重要的工作就 是输配调度，安全运行，这必须根据用气负荷的变化适时地开启机动气源或者使 用缓冲用户。因此，必须要求掌握用气负荷的规律，通过比较准确的用气预测来 适时调整生产检修计划。用气负荷预测的准确程度直接关系到整个系统是否可优 先调度、可靠运行。 随着社会的日益信息化，计算机和网络技术越来越成为社会各行各业不断进 步的工具和基础，紧跟新技术的发展，不断探索、不断尝试它的实际应用领域， 既具有非常实际的意义，也为负荷预测提高精度提供了科技基础。 1 1 2 研究燃气负荷预测的意义 在燃气供应系统中，燃气负荷数据对项目规划、工程设计中设施和设备容量 的确定、运行与调度以及工程经济技术分析都有着根本意义。 1 、燃气负荷预测是提供城市燃气规划、设计的基础依据，是确定工程系统 配置规模大小、设备选型、计算项目经济性和确定建设资金的依据；科学、准确 地预测负荷，可实现科学、经济、合理地规划设计。 2 、生产运行中各时段的负荷预测，可提供气源生产计划，是实现管网检修 计划、输配调度的基础。准确及时的负荷预测，可优化输配调度，提高运行效率， 节约能源，降低成本。燃气负荷的准确预测是实现科学调度、精细调度不可缺少 的工具，对城市输配系统运行的经济性和可靠性具有重要意义。 3 、准确的燃气负荷预测对燃气市场开发投资者的经营管理和利润分配提供 参考，为财务计划进度的控制提供参考，准确预测市场价值，决定其投资效益的 风险程度，可降低经营成本。 第一章绪论 4 、燃气负荷预测对于天然气买卖双方签订“照付不议”销售合同有着极大的 影响。按照国际惯例，“照付不议”是指在某一合同年内，若买方没有提足该合同 年的照付不议量，对这部分的未提量，买方也应支付气款。这就要求买方既要做 好近期照付不议负荷量的预测，也要做好远期照付不议负荷量预测。若预测值偏 大，则白白流失气款，若偏小，又不能满足用户用气量需求和进一步的市场开发， 不利于燃气事业的健康发展。该合同中对关于某一合同年负荷值，日、月、季负 荷波动值等的条款一旦签订，无论买方有无市场，是否销售出合同中的负荷值， 均必须按照合同中的负荷值每周或每月付款，即买方承担起落实用气市场的责任 风险。 综上所述，准确的负荷预测在燃气的规划设计、经营管理、优化调度上起着 极其重要的意义，它对燃气供应系统经济、安全可靠地运行也具有非常重要的意 义。因此，它是燃气供应系统发展与运行研究的重要内容，也是输配管网调度部 门和规划设计部门必须具有的基本信息之一，有必要对其进行研究。 1 2 国内外研究状况 国外早期的燃气负荷预测以传统方法为主。主要是小时负荷和日负荷预测， 通常也进行整个输配系统的未来数日的燃气总需求量的预测。一般的预测方法 是：线性回归、非线性回归以及时间序列法，例如：回归综合位移平均模型 ( a r i m o ) 和传递函数分析( b o x j e n k i n s ) 。近些年，人工神经网络( a n n ) 悄然兴起， 许多学者用其非线性逼近的特性来做电力短期负荷预测。也有人用a n n 做过中 长期负荷预测。由于电力负荷系统与城市燃气负荷系统具有极其相似的特点，因 此可以将其方法引入到城市燃气短期负荷预测之中。1 9 9 1 年，p a r k d c 首次提出 用人工神经网络进行短期负荷预测，采用的是b p 模型。2 0 0 1 年1 0 月在美国犹他 州盐湖城年举行p s i g 会议，介绍了威廉斯燃气管道负荷预测。英国e s i 能源集团 开发了g a sl 0 a df o r e c a s t e r 。在德国进行的2 0 0 3 - - 2 0 1 0 年的电力等能源的负荷预 测规划中也包括了天然气负荷预测方法的介绍。总之，发达国家对燃气管网负荷 预测的研究已达到了较高水平，并取得了成功的应用 5 - 8 】。 我国对用气负荷的研究是从2 0 世纪6 0 年代开始的。金志刚1 9 “年首先在国内 对燃气负荷问题进行了综述，分析了月和日用气工况、高峰系数和同时工作系数， 推荐数理统计方法应用于燃气负荷研究。进入2 0 世纪8 0 年代以来，仍有许多学者 致力于对各类用户的高峰系数和城市年用气量进行研究，1 9 8 2 年杜元顺运用多元 线性回归法对日用气负荷的变化作预测，依据上海1 9 8 0 年数据得出多元线性回归 方程，同时指出了这种方法的局限性【9 】。1 9 9 8 年，田一梅等讨论了用三角函数模 第一章绪论 型进行日负荷预测的问题【l o 】。1 9 9 9 年，汪玉春等采用现代控制理论中的多层递阶 方法，建立适合动态预测的时变参数预测模型，把它用于天然气预测中，并且和 多元现行预测模型、多元几何预测模型相比较，通过计算结果分析，多元几何模 型多层递阶预测方法预测精度最高【l 。2 0 0 1 年，焦文玲、严铭卿等采用指数平滑 法建立日负荷预测模型【1 2 1 。对于中长期范围的年负荷预测，焦文玲、严明卿针对 非突变类型的年负荷建立动态等维灰色递补预测模型【l3 1 。2 0 0 2 年，肖文辉、刘亚 斌、王思存采用改进的模糊神经网络预测燃气小时负荷，实验结果表明预测方法 可以满足调度工作的要求，是一种精度较高的方法 1 4 1 。 近期对于燃气负荷的预测国内许多学者致力于组合预测方法的研究上来。 1 3 预测的概念、特点及预测方法的分类 预测学是一门研究预测理论、方法、评价及应用的新兴学科，是软科学中的 重要分支【1 5 】。所谓预测，是指预测者根据有关的历史资料和最新情报，运用适当 的方法和技巧，对研究对象的未来状态进行科学分析、估算和推断，并对预测结 果进行验证、评价和应用的活动过程。 预测活动普遍存在于人类社会的各个领域，与社会科学和自然科学紧密联 系。预测研究是一种跨学科、跨领域、跨部门的研究。一般来讲，预测具有以下 三个特点： ( 1 ) 科学性 预测是根据过去的统计数据和经验等信息，运用一定的程序、方法和模型， 分析预测对象与有关因素的相互联系，从而揭示和总结出预测对象的特性和变化 规律。 ( 2 ) 近似性 预测是在事物发生之前对其状态的估计和推测。然而事物的发展不是简单的 重复，总要受到各种不断变化的因素的影响，因此，事前的预测和实际的结果往 往会出现一定的偏差，只能是一个近似值。 ( 3 ) 局限性 由于掌握的数据和统计数据不够准确和完整，或建立的模型简化了某些因素 等，导致预测的分析不够全面。 预测是一门实用性很强的学科，从不同的角度，有许多分类方法，但根据预 测方法的特征可分为两大类。一类是定性预测，也称为直观性预测；另一类是定 量预测，它采用数学、数理统计或智能的方法进行预测。 定性预测本质上是属于质的分析预测。它主要是依靠熟悉专业业务知识，具 第一章绪论 有丰富实践经验和综合分析能力的有关人员，根据已经掌握的历史资料和直观材 料，运用个人的经验和分析判断能力，对事物的未来发展做出趋势或程度上的判 断，然后，通过一定的方式综合各方面意见，作为预测未来的主要依据。 实践证明，定性预测是种十分实用的预测方法，特别在对预测对象所掌握 的历史资料不多，或影响因素复杂难以分清主次，对主要影响因素难以进行定量 分析等情况下，定性预测将是实用性很强的预测方法。 定量预测是用数学、数理统计或智能的方法对历史数据进行处理的过程。定 量预测一般分为两类。一是统计预测，它是基于数学、概率论与数理统计，认为 将来是过去和现在的自然延伸，常用的方法有时间序列法和回归分析法等；二是 智能预测，它是将现代智能方法运用于预测领域的结果，主要有神经网络法等。 无论是定性预测还是定量预测，各有其长处和局限性。在实际应用中往往需 要把定量预测和定性预测相互结合，即定量预测以定性分析为基础，定性预测也 要结合定量分析方法，以此提高预测结果的准确性，从而使定性预测和定量预测 互相补充和修正。一般来说，在现有资料比较完备的情况下，应该首先采用一定 的数学方法进行加工处理，找出有关变量之间联系的规律性，建立预测的数学模 型进行预测，并将其作为预测未来的一个重要依据。但是任何数学方法的应用， 都是以过去的信息资料为基础的，如果在预测期内，情况发生了较大变化或出现 了新的重大影响因素，如政府方针、政策有重大变化，企业的市场经营战略或市 场经营组合有重大改变，市场上出现了强大的竞争对手，或出现了过去的信息资 料所没有反映的其他重要情况时，则对定量预测方法所得到的结果还要根据以上 新产生因素加以修正。这就需要依靠熟悉情况的有关人员和精通业务的有关专 家，通过定性分析提出修正意见。另一方面，在使用定性预测方法的同时，也要 尽可能地采用数学方法，对事物发展变化的趋势、方向、程度、转折点出现的时 间等进行定量的预测，以进一步提高预测结果的精确度。可见，在实际预测工作 中，只有把定性预测方法和定量预测方法正确地结合起来，相互补充，相互检验 和修正，才能取得较好的预测效果。 1 4 本文研究的内容及章节安排 本文主要研究径向基( r s f ) 神经网络与模糊逻辑相结合的负荷预测法在城市 燃气管网短期负荷预测中的应用，以及灰色理论g m ( i ，n ) 模型预测法在城市燃气 管网中长期负荷预测中的应用。结果表明，模糊一r b f 神经网络和灰色理论 g m ( i ，n ) 模型预测城市燃气负荷能得到较为满意的结果，该方法是提高燃气负荷 预测精度的有效方法，能实现负荷预测的意义。本文主要完成以下几方面的研究 第一章绪论 工作：神经网络应用于燃气短期负荷日预测，采用径向基( r b f ) 神经网络和模糊 逻辑相结合的预测模型进行短期燃气负荷预测；灰色理论方法应用于燃气管网中 长期负荷月、季度和年预测，采用灰色理论g m ( i n ) 模型进行中长期燃气负荷预 测。最后，建立了城市燃气管网风险评估指标体系。 本文章节安排如下： 第一章阐述进行燃气负荷预测的时代背景、技术背景及意义，介绍了国内 外研究状况，概述了预测的概念、特点及预测方法的分类。 第二章对燃气负荷预测进行综述阐述了城市燃气负荷的概念、分类和特 征以及燃气负荷预测原理及其特点，并简要介绍城市燃气系统负荷预测的常用的 方法及模型。 第三章着重介绍了径向基( r b f ) 人工神经网络和模糊逻辑相结合的预测理 论，包括a n n 的概念、特点、建模的理论基础、r b f 神经网络预测步骤及算法实 现，以及模糊逻辑的基本理论，该模糊理论在预测模型中的实现步骤和意义。并 建立了本次研究采用的模糊一i m f 神经网络模型，并对模型的每一个模块的实现 都进行了详细的阐述。预测实例说明，所建立的模糊逻辑一i m f 神经网络模型充 分发挥了模糊系统和r b f 神经网络系统各自的优点，在预测的精度上模糊一l m f 相对于单纯的r b f 神经网络有了很大的提高，能够更加准确地预测出城市燃气的 短期负荷。 第四章着重介绍了灰色理论g m ( i ，n ) 模型，包括灰色理论的概念、特点并 建立了灰色理论g m ( i n ) 模型，指出了灰色理论g m ( i ，1 ) 模型的局限性，经过分 析把城市人口和城市生产总值作为灰色理论g m ( i ，n ) 模型的变量。预测实例说 明，灰色理论g m ( i ，1 ) 模型可以有效地提高负荷预测精度，达到比g m ( i ，1 ) 模型更 好地预测效果。 第五章重点介绍了城市燃气管网风险评估指标体系的建立过程，详细叙述 了第三方破坏、腐蚀、设计、误操作等因素。还对管道指数评分法具体过程进行 了详细阐述，对燃气事故预防措施提出了一些建议。最后应用管道指数评分法对 天津的实际管道进行了风险评估，并对这些管道进行了危险性排序。 第六章结论和展望。对本研究进行结论，提出后续工作。 1 5 本章小结 阐述了燃气负荷预测的背景、意义以及国内外研究状况，还简要的概述了预 测的概念、特点及预测方法的分类，最后还指出了本文的研究内容以及章节的安 排。 第二章燃气负荷预测基本原理 第二章燃气负荷预测基本原理 2 1 燃气负荷 2 1 1 燃气负荷的概念及其分类 任何工程中，负荷都是最基本的数据。在燃气行业，燃气负荷也一样是各种 计算的基础。燃气终端用户在一段时间内对燃气的需用即形成燃气负荷，但往往 将需用量也称为燃气负荷。燃气负荷的因次是 体积】 时间】。燃气负荷包括了用 气量与需用工况两大部分内容，燃气负荷和时间一般都以离散形式取值。燃气负 荷在一个时段内随时间的变化称为燃气需用工况，表明了用气不均匀性。在一段 时间内燃气负荷的累积值即用气量，用气量大小的原始表述就是用气量指标( 常 采用热量单位) 。最常用的燃气负荷数据是其总量、幅值和时间序列变化【1 6 】。 燃气负荷可以按使用性质划分为作为燃料的广义城镇燃气负荷( 包括居民生 活用气、商业用气、工业企业生产用气、建筑物采暖及制冷用气、燃气汽车用气 及发电动力燃料用气) 和作为化工原料在内的全系统燃气负荷 1 7 】。其中，化工原 料用气负荷基本不变；城市燃气负荷也可分为中长期负荷和短期负荷，其中中长 期负荷一般指年负荷，短期负荷指日负荷及时负荷；燃气负荷也可分为常年性负 荷和季节性负荷，前者指居民生活用气、商业用气和工业用气，后者主要是采暖 和制冷用气【l 剐。 2 1 2 燃气负荷的特点【1 8 】 随着西气东输的实施，n 2 0 1 5 年我国将建立遍及全国的城市燃气管网，上游 是负责天然气开采、净化的中石油公司等，中游是高压长输管线公司，下游是各 地城市燃气公司，负责各自地区内输配和销售。上中下游紧密一体化，其负荷特 点会有较大的变化。城市燃气用户结构将不断发展变化，城市燃气不仅用于居民 生活，如4 0 用于工业燃料，3 0 用于化工原料，3 0 用于居民和商业用户、汽 车等。管网愈庞大，用户种类愈多，供气负荷愈稳定。 1 、城市燃气负荷的一般特点 在城市燃气系统中，有各种各样的用户，它们对用气的要求彼此不一定相关， 在某个时候可能有某种因素使负荷增加，而在另一个时候则可能存在另一原因使 负荷下降。负荷的变动具有随机性，从本质上来说，城市燃气系统负荷是不可控 第二章燃气负荷预测基本原理 的。但因大部分城市的用气目的和用户类型相似，而显现出下列一般特性【1 9 1 。 时序性：是建立在时间序列上的数据集，与时间相关； 时变性：负荷随年度、季节、星期、日而变化； 随机性：负荷值虽在一定区间内，但仍有较强的随机性； 分散性：冬夏季负荷相差较大，数据分散； 周期性：有很强的以年、周、日为周期的周期性波动； 非线性：在短期内负荷呈现高度非线性； 突然性：由于影响因素复杂，某一时段的负荷会发生突变、异常情况； 连续性：负荷不是离散的，而是随时间的一般连续变量。 2 、短期城市燃气负荷的特点 短期负荷分为日负荷和时负荷。大量的用气资料表明短期负荷具有如下特 点： 时负荷呈现较强的随机性和以每日2 4 h 为周期的周期性变化规律； 日负荷呈现较强随机性的变化规律： 月负荷呈现趋势性、较强的以1 2 个月为周期的月周期性变化规律。 3 、中长期城市燃气负荷的特点 由于城市燃气事业在逐步发展，在相当长的时间内城市燃气使用量将不 断增长( 不排除局部时期下降) ，所以中长期负荷的显著特点是增长性，但其影 响因素与短期负荷明显不同，与季节、天气等因素的关联度很小，主要受城市经 济发展、政府政策、燃气价格、地理位置、能源结构调整中与其他替代能源的竞 争性等多种不确定因素影响。 中长期负荷历史数据较少。城市燃气大规模发展的时间并不长，并且初 期的历史数据记录不完整或保存不完善、缺失，加大了预测的困难。 中长期负荷通常是以每年度或5 a ( 与国家五年计划有关) 为单位进行预测， 负荷是经每日每月累加后的负荷，通过累加弱化了不确定性，消耗部分影响因素， 表现出较强的趋势性。 与短期负荷相比，长期负荷少了周期性，弱了随机性，多了趋势性。 2 2 燃气负荷预测 2 2 1 燃气负荷预测的概念 在充分考虑一些重要的系统运行特性、增容决策、自然条件与社会影响的条 件下，研究或利用一套系统地处理过去与未来负荷的数学方法，在满足一定精度 要求条件下，决定未来某特定时刻的负荷数值，称为负荷预测。燃气负荷预测就 第二章燃气负荷预测基本原理 是根据历史燃气负荷值，在满足定精度的情况下决定未来某特定时刻的燃气负 荷值【2 0 1 。 2 2 2 燃气负荷预测的分类 1 、燃气负荷预测按时间长短分类 城市燃气系统负荷预测通常按预测的周期可分为以下四类：长期负荷预测、 中期负荷预测、短期负荷预测和超短期负荷预测。 长期负荷预测：指以年为单位的预测； 中期负荷预测：指以月或季度为单位的预测； 短期负荷预测：指一个月以内以日为单位的负荷预测，包括周、天、小 时的负荷预测，通常预测未来一周、一天或一小时的负荷，也包括预测未来一天 2 4 d , 时的负荷； 超短期负荷预测：指小于一个小时的负荷预测，可能是预测未来几分钟 的负荷。 相对来说，短期负荷预测的精度较中、长期的要求要高。 2 、燃气负荷预测按行业分类 负荷预测可以分为城市民用负荷、商业负荷、工业负荷以及其它负荷的负荷 预测。 3 、燃气负荷预测按照预测机制分类 燃气负荷预测按照预测机制可分为经验预测和客观预测两大类别。经验预测 即根据人的经验，运用对过去的、现在及未来与燃气负荷有关的数据的掌握对规 律性的一般认识，对燃气负荷的未来做出预测，具有一定的随意性。客观预测要 求用一定的方法对过去及现在的燃气负荷数据进行分析和归纳，揭示其变化规 律，并由规律性的运用得到预测数据。客观预测是客观数据驱动进行的，但在模 式选择、数据序列的采用、某些参数的选定、模型精度上都有人为的介入。 4 、燃气负荷预测按照预测模型的形式分类 离线预测：指进行按天、周、月的负荷预测。它是指在一定的预测区间 内，需要进行逐步预测，并不是步步改变预测模型。所以，要求在一定的预测区 间内，给定一个通用的预测模型。 在线预测：指进行按分、小时的负荷预测，为了能使模型在任何时候都 能精确的反映过程特性，可以按照预测误差随时地、连续地调整模型的参数甚至 改变模型阶数，而在必要的时候甚至可以转化模型的形式。 第二章燃气负荷预测基本原理 2 2 3 燃气负荷预测的特点 由于负荷预测是根据负荷的过去和现在推测未来数据，所以负荷预测工作所 研究的对象是不肯定事件、随机事件，需要人们采用适当的预测技术，推知负荷 的发展趋势和可能达到的状况。这使得负荷预测具有以下特点【2 l 、不完全准确性 燃气负荷未来的发展要受到多种多样复杂因素的影响，而且各种影响因素是 发展变化的。人们对于这些发展变化有些能够预先估计，有些却很难预见到，加 上一些临时情况发生变化的影响，这就决定了预测结果的不完全准确性。 2 、条件性 各种负荷预测都是在一定条件下做出来的。对于条件而言，又可分为必然条 件和假设条件两种，如果预测人员真正掌握了燃气负荷的本质规律，那么预测条 件就是必然条件，所做出的预测往往比较可靠。而在很多情况下，由于负荷未来 发展的不确定性，所以就需要一些假设条件。 3 、时间性 各种预测都有一定的时间范围，因为负荷预测属于科学预测的范畴，因此， 要求有比较确切的数量概念。 4 、多方案性 由于预测的不准确性和条件性，所以有时要求对负荷在各种情况下可能的发 展状况进行预测，就会得到各种条件下不同的预测方案。 2 2 4 燃气负荷预测的基本步骤2 2 】 1 、确定负荷预测的目的，制定预测计划 在预测计划中需要考虑的问题很多，主要有：准备预测的日期，所需的历史 资料( 按年、按月、按日或按小时) ，需要多少数据，数据的来源和收集数据的 方法，预测方法、用时等。对于所需历史数据项数的多少，说法不一，但可以根 据各地不同的数据情况具体分析。 2 、调查数据和选择数据 本次研究中预测所需要的数据主要包括历史负荷数据，历史天气数据以及经 济和人口数据等，随计算机应用的深入，这部分工作的任务主要是进行各类数据 格式的转换。 3 、预测模型的选择 根据所确定的预测内容，对预测对象进行客观、详细的分析，根据历史数据 的发展情况，并考虑本地区实际情况和资料的可利用程度，选择建立合理的数学 第二章燃气负荷预测基本原理 模型。负荷预测模型是统计数据轨迹的概括，它反映的是经验数据内部结构的一 般特征。模型的具体化就是负荷预测公式。 4 、模型参数的辨识 预测模型一旦建立，即可根据实际数据求取预测模型的参数。 5 、应用模型预测 根据求取的模型参数，应用该模型对未来时段的负荷进行预测。 6 、预测结果评价 对预测结果的可信度进行比较和综合分析，通过预测人的经验判断预测结果 是否合理，对结果进行适当修正，得到最终的预测结果。 2 3 燃气负荷预测方法及模型 燃气预测的理论基础主要是惯性原理、类推原理和相关原理。预测的方法繁 多。目前，国际上已有2 0 多种预测方法，其中有2 0 多种方法在不同领域中已得到 广泛应用，每种预测方法都有其功能和适用条件，不同预测方法所预测的精确度 和可靠性也不相同。根据城市燃气用户的用气特性、预测条件和精度要求，常用 的预测方法主要有回归分析预测法、指数平滑预测法、模糊理论预测法、专家系 统预测法、时间序列分析预测法、灰色理论预测法、人工神经网络预测法、小波 分析预测法等。 ( 1 ) 回归分析预测法 2 3 , 2 4 回归分析预测方法是一种应用广泛、理论性较强的定量预测方法。它的基本 思路是根据历史数据及一些影响负荷变化的外来因素来推断将来时刻的负荷值。 回归分析预测方法不仅方法简单，而且预测速度快；它能够研究预测对象与相关 因素的相互关系，研究预测对象变化的实质原因，结果比较可靠，外推性好，对 于历史上未出现的情况有较好的预测性；它还能给出预测结果的置信区间和置信 度，使得预测结果完整、客观。但它也存在一定的缺陷，即认为每一个实际数据 对预测对象的影响程度相同；对数据的要求较高，特别是在历史数据残缺或存在 较大误差的情况下，预测效果较差；计算工作量较大，出现新数据时，要重新估 计回归方程和进行相关分析；主、次要因素的选取在实际建模时较难把握，并且 无法比较详细地考虑各种影响负荷的因素。 ( 2 ) 指数平滑预测法 2 4 2 5 指数平滑预测法是采取渐消记忆的方式，利用逐步衰减的不等权平均办法进 行数据处理的一种预测方法。其基本思想是在预测过程中，越近期的数据越能反 映当前的情况，对考虑今后的发展就越有直接意义。这样，对以往数据不应同等 第二章燃气负荷预测基本原理 看待，对近期的数据应给以较高的加权，只有采取具体逐步衰减性质的加权处理 更符合实际。该方法简单实用，能通过平滑作用，自动清除数据序列中的随机波 动，尤其是那些不符合统计规律的偶然性波动，但对数据的趋势性转折点鉴别能 力不够。 ( 3 ) 时间序列预测法【2 够。7 】 时间序列就是按时间先后次序观测、统计、记录下来的某种指标的数列。时 间可以是年、季度、月份、日、小时、分等。作为现代数据处理方法之一的时间 序列分析方法是在2 0 世纪2 0 年代后期开始出现的。时间序列预测法的一般思路是 先识别与所研究的预测目标序列相符合的一个随机模型，并估计出随机模型中的 未知参数，当确认该随机模型具有适用价值后，再在此基础上进行预测。该方法 不仅成熟，并且简单实用。它主要是根据过去的负荷值及干扰值来推算未来的负 荷，不需要相关因素的资料，因此在一些相关因素的预测值和某些常数难以得到 时，不失为一种可行的方法。但其对数据的要求较高，并且无法刻画负荷与各影 响因素之间更为复杂的关系。 在传统方法中，时间序列分析方法是比较成功和应用最广泛的方法。采用的 主要有燃型、m a 模型和a r m a 模型。 ( 4 ) 灰色预测理论预测法 2 4 , 2 8 灰色系统理论是我国学者邓聚龙教授于1 9 8 3 年3 月首先提出的。该理论是将 一般系统论、信息论和控制论的观点与方法延伸到社会、经济、生态等抽象系统， 结合运用数学方法，来解决信息不完备系统即灰色系统问题的理论方法。 灰色系统是指既含有已知信息又含有未知或非确知信息的系统。基于灰色系 统理论的g m ( 1 ，1 ) 模型的预测称为灰色预测。灰色预测是灰色系统理论的一个重 要方面，可分为以下五类，即数列预测、灾变预测、季节灾变预测、拓扑预测和 系统综合预测。由于灰色预测模型能够根据现有的少量信息进行计算和推测，因 而在人口、经济、能源、气象等许多领域都得到了广泛的应用，取得了较好的效 果。 采用灰色系统进行预测的一般步骤为：将城市燃气管网负荷系统看作灰色系 统，采用累加生成法将历史负荷数据进行累加生成，建立g m ( 1 ，1 ) 模型进行求解， 之后再采用累减还原法得到预测值。该方法具有原理简单、所需样本数据少( 不 少于四个即可) 、计算方便、预测精度高和可检验性强等优点，但是由于其本身 模型的缺陷，使其适用的场合具有很大的局限性。当其原始数据序列不按指数规 律变化并且变化速度很快时，其g m ( 1 ，1 ) 模型所建立的系统预测模型精度就差。 ( 5 ) 模糊理论预测法1 2 9 3 0 模糊理论是解决不确定、不完全信息问题的一种有效方法。2 0 世纪9 0 年代以 第二章燃气负荷预测基本原理 来