（管理科学与工程专业论文）地区电网负荷预测与优化模式理论及应用研究.pdf

辽宁工程技术大学博士学位论文 摘要 随着我国电力工业逐渐步入电力市场 发电厂的产权多元化 电力 供需矛盾不断突出 电力调度部门如何制定发电调度计划 实现电力生 产的经济调度确保电网获得最大的经济效益 对电力企业而言 负荷预 测已成为电力系统管理现代化的重要内容之一 对电网负荷预测问题的 研究已经成为现代电力系统科学中一个重要的领域 负荷预测受人口增长 经济发展速度 产业结构变化 气象条件等 因素的影响 除尽量选用可靠的分析方法外 预测精度还取决于预测者 的判断能力 对负荷进行预测已经有几十年的历史 因此用于解决负荷 预测问题的基础理论和实践方法很多 但随着电力系统的不断发展 电 网复杂性的加大和电力市场的建立都需要对负荷预测不断地进行研究 用新理论和新的数学手段去研究新的预测方法 因此论文的核心是用信 息处理中新的数学手段一一人工免疫模型建立精度更高的地区电网负荷 预测的新方法 在对电力系统构成 电力工业特点和电网负荷预测的应用现状进行 分析后 归纳总结出当前供电形势的变化特点 并系统全面地对现有电 网负荷预测的各种方法进行研究 分析和评价 在此基础上结合地区电 网负荷预测特点 确立基于人工免疫系统对电网负荷预测进行研究的新 方向 并进行了实地调研和具体实践 运用免疫系统生理学原理及信息 处理特征 采用对比的方法对免疫系统与a n n 和g a 进行技术区分 首 次建立基于人工免疫算法的电网负荷预测模型 分析误差产生的原因 针对阜新地区电网运行的实际情况 在电网负荷历史数据的基础上对阜 新市电力市场的电网负荷情况进行预测 包括未来5 年需求量和未来1 0 年社会用电量和最高负荷 以负荷预测为出发点对城区电网设备优化进 行优化设计 提出e t a e q u i p m e n t t a r g e ta s s i g n m e n t e t a 问题并给出 数学描述和解决方法 在此过程中对人工免疫算法进行有益的改进 免 疫系统在进化过程中能够提高搜索能力 因此可以设计一个特别的免疫 系统来提高蚂蚁算法在局部搜索时的效率 把上述的免疫思想引入到蚂 蚁算法中 构成改进人工免疫优化算法 这种算法综合了蚂蚁和免疫系 辽宁 二程技术大学博士学位论文 统的优点 蚂蚁算法是相互协同工作来寻找良好的解 同时能完成全局 的搜索并避免局部的最优化 为e t a 问题提供了合理求解的途径 运用所得地区电网负荷预测结论对电力市场的发展进了研究 系统 地分析了在电力市场开拓 负荷管理 配电网可靠性 发电能力和供电 水平 市场化竞争机制等多个方面电网负荷预测的作用 提出阜新电力 市场需求变化的规律 阜新市用电量保持一个较为平稳 快速的增长势 头 不可能出现象 九五 十五 期间的大起大落现象 用电量的增 长受其它能源行业竞争的影响较大 供电行业与其它能源行业从互不相 干到相互争夺终端市场份额 行业用电更加不平衡 随着三大产业比倒 的不断改变 相应的用电量也会改变 根据相关行业用电量的变化趋势 总体上认为第一产业用电量比例将会下降 第二 第三产业用电量比倒 不断上升 地区用电量发展不平衡 关键词 电网负荷预测 人工免疫系统 电力市场 地区电网 电 网优化 需求分析 辽宁工程技术大学博士学位论文 i i i a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ep o w e ri n d u s t r yh a sg r a d u a l l ye n t e r e dt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t t h e p r o p e r t yr i g h to fp o w e rp l a n t s i sb e c o m i n gd i v e r s i f i e d t h ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e n e l e c t r i c i t ys u p p l ya n dd e m a n dc o n t i n u o u s l yh i g h l i g h t h o wd o e st h ep o w e rc o n t r o ls e c t o r d e v e l o pp o w e rg e n e r a t i o nd i s p a t c hp l a na n dr e a l i z et h ee c o n o m i cd i s p a t c ho fe l e c t r i c i t y p r o d u c t i o nt oe n s u l em 揶 i m 啪e c o n o m i cb e n e f i t s f o rt h ee l e c t r i c i t ye n t e r p r i s e s i o a d f o r e c a s th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to ft h ep o w e rs y s t e mm a n a g e m e nm o d e r n i z a t i o n t h es t u d yf o rp o w e rn e t w o r kl o a df o r e c a s th a sb d 7 o m ea ni m p o r t a n ta r e ai nm o d e m p o w e rs y s t e ms c i e n c e l o a df o r e c a s tw i l lb ea f f e c t e db yp o p u l a t i o ng r o w t h e c o n o m i cd e v e l o p m e n tr a t e i n d u s t r i a ls t r u c t u r ec h a n g e w e a t h e rc o n d i t i o l l sa n do t h e rf a c t o r s i na d d i t i o nt ot h e s e l e c t i o no fr e l i a b l ea n a l y t i c a lm e t h o d s f o r e c a s ta c c u r a c ya l s od e p e n d so nj u d g m e n t a b i l i t yo ft h et i p s t e r l o a df o r e c a s t i n gh a sah i s t o r yo fs e v e r a ld e c a d e s a n dt h e r e f o r e t h e r ea l em a n yb a s i ct h e o r i e sa n dp r a c t i c em e t h o d st os o l v et h ep r o b l e mo fl o a df o r e c a s t b u tw i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m s i n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo fp o w e r n e t w o r ka n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t i ti sn e e d e dt os t u d yl o a d f o r e c a s tc o n t i n u o u s l ya n dt os t u d yn e wf o r e c a s t i n gm e t h o d sb yu s i n gn e wt h e o r i e sa n d n e wm a t h e m a t i c a lt o o l s t h e r c f o 佗t h ec o r eo ft h i sp a p e ri st oe s t a b l i s han e wh i g h e r a c c u r a c ym e t h o d o l o g yo fp o w e rn e t w o r kl o a df o r e c a s t i n gb yu s i n gan e wm a t h e m a t i c a l m e a n si ni n f o m m t i o np r o c e s s i n ga r e a a r t i f i c i a li m m u n i z a t i o nm o d e l a f t e rc a r r y i n go na n a l y s i so ne l e c t r i cp o w e rs y s t e mc o n s t i t u t i o n e l e c t r i cp o w e r i n d u s t r yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r e s e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fp o w e rn e t w o r kl o a d f o r e c a s t t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc u r r e n tp o w e rs u p p l y s i t u a t i o n a n di tc o n d u c t ss y s t e m i ca n dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c h a n a l y s i sa n da p p r a i s a lt o e a c hm e t h o do fe x i s t i n gp o w e rn e t w o r ki o a df o r e c a s t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o c a lp o w e rn e t w o r kl o a df o r e c a s t n e wr e s e a r c hd i r e c t i o no fp o w e rn e t w o r kl o a d f o r e c a s t i n gb a s e do na r t i f i c i a li m m u n i z a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d f i e l dr e s e a r c ha n d s p e c i f i cp r a c t i c ea r ea l s oc o n d u c t e d u s i n gp h y s i o l o g yp r i n c i p l eo fi m m u n i t ys y s t e ma n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c s i td i s t i n g u i s h e st h ei n l m u n es y s t e mw i t ha n na n d g ab yu s i n gc o n t r a c tm e t h o d 1 1 1 em o d e lo fp o w e rn e t w o r k1 0 a df o r e c a s tb a s e do n a r t i f i c i a li m m u n i z a t i o na l g o r i t h mi se s t a b l i s h e df o rt h ef i r s tt i m e a n dt h er e a s o n sw h i c h c a u s et h ee r r o r sa r ca n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fp o w e rn e t w o r k o p e r a t i n gi nf u x i nr e g i o na n db a s e do nh i s t o r i c a ld a t ao f p o w e rn e t w o r kl o a d t h i sp a p e r c a r r i e so nf o r e c a s tf o rp o w e rn e t w o r kl o a ds i t u a t i o ni nf u x i ne l e c t r i c i t ym a r k e t i n c l u d i n g t h ed e m a n di nt h en e x tf i v ey e a r sa n ds o c i a lc o n s u m p t i o na n dm a x i l n u n li o a dt h en e x t1 0 y e a r s s e l e c t i n g1 0 a df o r e c a s ta sas t a r t i n gp o i n t i tc a r r i e so no p t i m i z a t i o nd e s i g nf o r u r b a n p o w e r n e t w o r k e q u i p m e n td i s t r i b u t i o n a n dc r e a t i v e l yp r e s e n t s e t a e q u i p m e n t t a r g e ta s s i g n m e n t i s s u c sa n dp r o v i d e sam a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o na n d s o l v i n gm e t h o d i nt h i sp r o c e s ss o m eu s e f u l i m p r o v e m e n t s a r ea d d e dt oa r t i f i c i a l i v 辽宁工程技术大学博士学位论文 i m m u n i z a t i o na l g o r i t h m s t h ea n ta l g o r i t h ms e e k st h eg o o ds o l m i o nb ym u t u a lo p e r a t i o n a tt h e 鼢n l et i m ei tc a l lc o m p l e t et h eo v e r a l ls e a r c ha n da v o i dp a r t i a lo p t i m i z a t i o n w h i c h p r o v i d e s r e a s o n a b l es o l u t i o nt oe t a t h ei m m u n i t ys y s t e mc a n s h a r p e nt h es e a r c ha b i l i t y i nt h ee v o l u t i o np r o c e s s t h e r e f o r eas p e c i a li m m u n i t ys y s t e mc a nb ed e s i g n e dt oe n h a n c e t h ee f f i c i e n c yo fa n ta l g o r i t h mi nt h ep a r t i a ls e a r c h i n g i n t r o d u c i n gt h ea b o v ei m m u n i t y t h o u g h t i n t oa n t a l g o r i t h m i tc o n s t i t u t e s t h e i m p r o v e d a r t i f i c i a li m m u n i z a t i o n o p t i m i z a t i o na l g o r i t h r a t h i sa l g o r i t h ms y n t h e s i z e st h em e r i t so fb o t ha n ts y s t e ma n d i m m u n i t ys y s t e m b yu t i l i z i n gt h ec o n c l u s i o no fl o c a lp o w e rn e t w o r kl o a df o r e c a s t t h i sp a p e rs r i d i e s t h ee l e c t r i cp o w e rm a r k e td e v e l o p m e n t s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h ef u n c t i o n so fp o w e r n e t w o r kl o a df o r e c a s ti ne l e c t r i cp o w e rm a r k e td e v e l o p m e n t l o a dm a n a g e m e n t d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e l i a b i l i t y p o w e rc a p a c i t ya n dp o w e rs u p p l y l e v e l m a r k e t c o m p e t i t i v es y s t e me t e t h ed e m a n dc h a n g i n gr u l eo ff u x i ne l e c t r i cp o w e rm a r k e ti sp r o p o s e d t h e e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o ni nf u x i nm a i n t a i n sas t e a d i l y f a s tg r o w i n gt e n d e n c y t h e p h e n o m e n o no fs h a r pr i s e sa n df a l i si nt h ep e r i o do f n i n e f i v ea n dt e n f i v ep l a l lw i h b ei m p o s s i b l et oa p p e a r t h eg r o w t ho fe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nw i l lb ee a s i l yi n f l u e n c e d b yo t h e re n e r g yp r o f e s s i o nc o m p e t i t i o n s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o w e rs u p p l yp r o f e s s i o na n do t h e re n e r g yp r o f e s s i o n s h a sc h a n g e df l o r ab e i n gi r r e l e v a n tt oe a c ho t h e rt oc o m p e t i n gt h et e r m i n a lm a r k e ts h a r e m u t u a l l y t h ep r o f e s s i o ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nb e c o m e sm o r ei m b a l a n e e d w i t ht h e u n c e a s i n gp r o p o r t i o nc h a n g eo ft h et e r t i a r yi n d u s t r y t h ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o nc a na l s oc h a n g e a c c o r d i n gt o t h ec h a n g i n gt e n d e n c yo fe l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o ni nr e l a t e dp r o f e s s i o n s t h ep r i m a r yi n d u s t r ye l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n p r o p o r t i o nw i nd r o p s e c o n d t h et e r t i a r yi n d u s t r ye l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o np r o p o r t i o n w i l lr i s e u n c e a s i n g l y t h el o c a le l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nd e v e l o p m e n tw i l l n o tb e b a l a n c e d k e y w o r d s p o w e rn e t w o r kl o a df o r e c a s t a r t i f i c i a li m m u n i z a t i o ns y s t e m e l e c t r i c p o w e rm a r k e t l o c a lp o w e rn e t w o r k p o w e rn e t w o r ko p t i m i z a t i o n d e m a n da n a l y s i s 辽宁工程技术大学博士学位论文 第l 章绪论 1 1 研究背景 电力工业是国民经济的基础 电力工业的发展直接影响着其他行 业的发展 安全可靠的电力供应是其他行业实现稳定 快速发展的保 证 从而在一定程度上推动或抑制着国民经济的发展 同时 经济发 展对电力需求也有着重要影响 经济快速发展会拉动电网负荷的迅速 增长 通过精确的负荷预测 可以经济合理地安排发电机组启停 减 少旋转备用容量 合理安排检修计划 降低发电成本 提高经济效益 电网负荷预测是实现电力系统安全稳定经济运行的基础 参见第 2 章 对电力系统而言提高电网运行的安全性和经济性 改善电能 质量等都依赖于准确的负荷预测 此外 从发展来看电网负荷预测也 是我国实现电力市场的必备条件 参见第7 章 具有重要的理论意 义和实用价值1 然而 伴随着发电侧 供电公司 电网负荷的不断 发展及电力市场体制改革的不断深化 未来各种可能引起电网负荷变 化的因素并不能充分掌握 虽然知道一些复杂因素 如 经济发展 政治事件 气候天气等 会对电网系统负荷发生影响 因为复杂因素 关联的规律无法掌握或者无法拟合 会使得电网负荷预测更为复杂 如何定时定量准确判断是困难的 目前尚没有一种足够完善的理论方法能够达到电力发展所要求 的电网负荷预测的精度 准确及时的地区电网负荷预测对电网发电侧 出力要求提出预期计划并合理配置系统在要求的范围内 实现发电机 组出力的最优组合与经济运行 对用电量不大的地区 如 阜新等经 济欠发达的中小城市 地区电网负荷预测的意义更为突出 参见第5 章 依靠科学的负荷预测提供信息来实现经济调度 发电成本最低 城市区域供电网络和设备的最优化配置 以保证电网供电的稳定性 阮痒等 基于灰色系统和人工神经网络的中长期电罔负荷预测 首都师范大学学报 自然科学版 2 0 0 4 0 6 p 2 2 辽宁工程技术大学博士学位论文 提高供电质量 减少停电事故的发生 因此 立足地区电力系统和电网运行实际情况 研究更为准确的 预测方法 参见第3 4 章 解决电力系统在管理 运作 竟价和经 营方面的难题是当务之急 1 1 1 国外电力市场改革与运作模式 电力市场化是一个世界性的变革 是电力工业在经历了百余年平 稳发展之后 面l 临的一次历史性的大冲击 国际上 电力体制改革的 实践始于智利 1 9 8 6 年 之后 在2 0 世纪9 0 年代初期 以英国 为首的主要发达国家和一些发展中国家不同程度地开始着手进行电 力体制改革 影响比较大的有英国 1 9 9 0 年 新西兰 1 9 9 0 年 美国 1 9 9 2 年 澳大利亚 1 9 9 3 年 挪威 1 9 9 1 年 瑞典 1 9 9 2 年 等国家 到目前为止 已有众多的国家都在积极探索适合本国国 情的市场化电力改革之路 其间积累了不少的成功经验和失败教训 主要模式有电力联营体 p o o l 新电力交易规则 n e t a 和跨国 的北欧电力市场模式 n o r d p o o l 1 值得指出 美国加州电力市场改革时引入可中断负荷合同 由独 立系统运行人 i s o 和用户按月签订负荷中断协议 以实际的中断 电量和合同价格结算2 美国纽约电力市场使用可中断负荷管理更为 灵活 用户不仅可与i s o 签订可中断合同 还可参与日前现货市场或 运行备用市场 加拿大a l b e r t a 电力库 p o w e r p 0 0 1 贝l j 采用拍卖的方法 能提供l m v 和1 m v 以上负荷削减的用户上报削减负荷和价格 电 力库和报价成功的用户按月签订固定补偿价格合同 并根据运行情况 决定负荷削减方案 韩放等电力市场专业综述第二十八届中国电网调度运行会议论文选集p 4 9 6 d o u d n a j h o v e r v i w o f c a l i f o r n i a i s os u m m e r2 0 0 0 d e m a n d r e s p o n s e p r o g r a m s c p r o c e e d i n g s o f l e e e p o w f fe n g i n e e r i n gs o c i e t yw i n t e rm e e t i n g 2 0 0 1 1 1 2 2 8 2 3 3 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 1 2 国内电力市场改革进程与现状分析 目前我国电力市场的改革动态是 东北电力区域电力市场已启动 运营 按照国家电监会的规划将逐步在条件成熟的华东 华中建立区 域电力市场 最后逐步建立全国性电力市场 但以省级或区域级电力 市场为主 另一方面由于全国总体表现为电力紧张 全国各地掀起了 新建发电机组的高潮 这实际上也是发电市场重组的开始 在电力市场化改革以前 由于以往我国长期缺电 这就使得电网 运行 以发定用 忽视对电力负荷进行科学预测 导致了电力企业 对电力市场及其需求变化缺乏充分的了解 使得对电力市场预测理论 研究不够 到目前为止没有完善的预测方法及软件 1 9 9 8 年1 1 月 国务院下发国办发 1 9 9 8 1 4 6 号文 继续深化电 力体制改革 积极推进建立发电侧电力市场工作 以期打破垄断 形 成开放 有序的电力市场 并确定山东 上海 浙江 辽宁 吉林 黑龙江为网厂分开 竞价上网的试点单位 2 0 0 2 年3 月 国务院正式批准了 电力体制改革方案 电力体 制改革的总体目标是 打破垄断 引人竞争 提高效率 降低成本 健全电价机制 优化资源配置 促进电力发展 推进全国联网 构建 政府监管下的政企分开 公平竞争 开放有序 健康发展的电力市场 体系 电力体制改革的主要内容是 为在发电环节引入竞争机制 实 现 厂网分开 组建规模大致相当的五个全国性的独立发电公司 逐步实行 竞价上网 开展公平竞争 电网环节分别设立国家电网 公司和中国南方电网有限责任公司 国家电网公司主要负责各区域电 网之问的电力交易 调度 参与跨区域电网的投资与建设 区域电网 公司负责经营管理电网 保证供电安全 规划区域电网发展 培育区 域电力市场 管理电力调度交易中心 按市场规则进行电力调度 区 域内的省级电力公司可改组为区域电网公司的分公司或子公司 这标 志着我国电力体制改革的进一步深化与全面展开 电力工业是国家的基础工业 是社会经济发展的基本保障 电力 辽宁工程技术大学博士学位论文 工业的滞后发展将会阻碍国民经济的发展 电力工业的超前发展会产 生电力过剩 从国家整体利益出发其资源没有得到合理的配置 因此 电力工业发展必须与国民经济相适应 如何掌握并发展电力供需市 场是电力企业最为关注的问题 负荷预测对电力系统规划决策 营运策划 方式安排 调度运行 有着重大的影响 对电网安全 优质 经济运行以及国民经济发展 社会稳定都具有重要意义 负荷预测已成为电力系统自动化领域中的 重要研究方向之一 电力系统是一个强非线性 时变参数未确切可知 含有大量未建模动态特性的大系统 随着计算机在电力系统中的日益 普及和电力系统自动化水平的不断提高 负荷预测的精度也相应有所 改进 并逐步实用化 负荷预测的结果已成为经济调度和推行电力市 场的必要基础 在电力改革进一步深入 电力市场逐步形成 电力企业自主经营 和自负盈亏的今天电网负荷预测工作已变得越来越重要了 特别是短 期负荷预测是电网经济运行的前提和基础 准确的负荷预测结果 对 电力系统安全可靠运行具有重要意义 中国不少地区电力供应紧张 种种情况表明电力紧张正成为制约 中国经济增长的 瓶颈 电力供应每年因夏季降温和冬季采暖都会出现负荷有规律的变 化 上海的最高用电负荷在2 0 0 5 夏季某日午间攀升到了1 4 7 4 万千瓦 是一年第四次刷新历史记录 其中居民空调用电占到用电总负荷的近 一半 上海发电能力也达到了极限 与此同时 北京也出现了入夏以 来的第一次拉闸限电 当然也有华北电网电力输送减少等原因引起 的 2 0 0 4 年入冬后有7 省先后拉闸限电 其中以浙江省最为严重 1 1 月下旬平均每天拉闸限电3 0 0 万千瓦以上 福建 湖南1 5 0 万千 瓦左右 山西 四川1 0 0 万千瓦左右 河北1 0 0 万千瓦以下 内蒙古 也有小规模拉闸限电 电力缺口对企业生产和日常生活带来明显影 响 某些地区的企业不得不采取错峰 避峰生产 有统计显示 综合国民经济发展和用电新增容量等情况 2 0 0 5 辽宁工程技术大学博士学位论文 年全年用电量净增2 0 0 0 多亿千瓦时 加上年内投产的机组2 0 0 6 年的 电力缺口仍将在1 0 0 0 万千瓦以上 综合因素导致用电紧张 干旱少雨水电厂无法满负荷供电成为冬 季缺电的主要原因之一 火电是中国最大的一块电源 而煤炭与电力 行业价格之争导致部分省市发电厂用煤告急致使电力供给减少 冬季 居民采暖用电急剧增长形成冬季用电高峰 钢 钢材 有色金属 铝 材等高耗能工业产品产量增长速度超过2 0 拉动工业用电大幅上 升 2 0 0 5 年电力需求增长将达1 5 为2 5 年来用电增幅最快的一年 在综合因素作用下 继夏季缺电后冬季再拉响缺电警钟 2 0 0 4 年全 国用电量达到2 0 9 l o 亿千瓦时 比上年净增用电量约2 0 7 0 亿千瓦时 由于电力需求继续高速增长 同期电源投产容量又相对不足 而2 0 0 5 年中国总体电力供需形势比2 0 0 4 年更为严峻拉闸限电的地区有所增 加 电网负荷预测用以指导跨省跨地区输送电量 加强需求管理 做 好调峰 避峰工作 在目前缺电形势下尤为重要 1 2 国内外研究文献综述与评价 1 2 1 国内外研究文献综述 由于电网负荷具有复杂性 随机性 时变性等特点 很难确定其 精确的负荷模式类别 各种智能技术和优化策略的发展为模式分类问 题提供了诸多有效的措施1 现代负荷预测的核心问题是技术方法或是数学模型 随着现代科 学技术的快速发展 负荷预测技术的研究也在不断深化 各种负荷预 测技术不断涌现 从经典的外推预测技术 回归模型预测技术 到目 前的灰色预测技术等 现代智能化的预测技术有 专家系统法 神经 网络法 模糊逻辑技术等 表卜l 简要进行了比较和分析2 冯丽等 基于电力负荷模式分类的短期电同负荷预测 电同技术 2 0 0 2 0 2p 2 3 2 杨玲 浅谈短期负荷预测现状及发展方向p l i 1 2 6 一 辽宁工程技术大学博士学位论文 表1 1 电网负荷预测主要方法比较 分类方法模型评价 专家会议法综合专家判断意见 对专家依赖太强 经 单耗法单位产品电耗统计出结果需要大量细致工作 要对所有 验 产品进行分析 预 负荷密度法由地区平均耗电量来预测模型过分简单化 测 弹性系数法指数模型过分简单化 以 4 1 足 水平趋势外推 毫 i c 1 一口 毫 l 看成是在水平线上下随机波 法 动 线性趋势外推用直线逼近负荷值 外 法 毫 舀 b f l 推 多项式趋势外用多项式拟合负荷值次数难定 次数越高 公式越 预 推法繁 测 季节趋势外推 增长趋势与季节趋势复合可体现负荷按星期 按日的规 法律 增长趋势外推 或l n 毛 c a e 模型过分简单 不足以表述完 法全 元线性回归 多 a 缸 负荷看成仅与某一因素 时 法 问 成线性关系 回 多元线性回归 负荷被看作几个因素的简单 归 夕 b o 6 l 而 6 工 线性组合 法 法 非线性回归方幂 指数 对数 s 型函数等负荷被看作可线性化的一元 法非线性函数 自回归 a r y l x 9 t y a t 负荷被看作前若干时刻负荷 模型法值线性组合 时 滑动平均 m a y t a i 一 负荷被看作前若干时刻白噪 间 模型法声线性组合 序 自回归一滑动 y l x 仍 a t 一 a r 模型与m a 模型的结合 列 法 平均 a r m a 负荷被看作前若干时刻负荷 模型法 值与白噪声的线性组合 非平稳时序法积累式自回归一滑动平均模 a r i m a 砟 b v y t 岛 b 口f 型 智 灰色模型 g m 累加生成 构造方程 累减还原 样本少 不考虑变化趋势 但 能 预测法 灰度大效果差 预 专家系统预测运用专家知识 经推理作决策规则形成 知识库建立更新都 测 法 很复杂 辽宁工程技术大学博士学位论文 模糊逻辑系统模拟专家的推理判断作预测将数据和语言规则化 不计气 预测法 候日期等因素 神经网络预测 用a n n 非线性拟合特性预测算法简单 映射效果好 但网 法 络结构难选 小波分析预测 小波变换 p a r 模型 逆变换周期性 局部性好 处理 重 法 建信号简便 等权平均组合 几种方法等权相加作为结果在对各方法精度未知时是一 e w 法 种稳妥方法 组 方差 协方差组对较精确的预测值赋以较大权 理论上可得最佳组合权系数 a 预 合预测 m v 重 权重由方差计算得来 但不稳定 实际计算中常随时 测法 自适应调整权重 回归组合预测用加权最小二乘法计算权重 为使过去影响减弱 加权因子 法 r 法 考虑较复杂 1 外推预测技术 所谓外推法 就是根据己知的历史数据和资料 确定负荷的变化 趋势 按照该变化趋势对未来负荷情况做出判断 对趋势明显的电网 负荷数据 做递推计算外推或曲线拟合外推 使得曲线能够反映负荷 本身的增长趋势 然后按照这条增长趋势曲线 对于要求的未来某一 点 从曲线上估计出该时刻的负荷预测值 这种方法本身是一种确定 趋势的外推 因而不对其中的随机成分做统计处理 利用直线 抛物线 三阶曲线 四阶曲线 指数曲线 s 曲线等 函数拟合数据时 通过线性曲线或最小二乘法确定某些系数与参数 使得估计值与观测值之问的偏差为最小 2 回归模型预测技术 负荷回归模型预测技术是根据历史负荷资料 建立可以进行数据 分析的数学模型 对未来的负荷进行预测 从数学角度认为是用数理 统计的回归分析方法 即通过对变量的观测数据进行统计分析 确定 变量之间的互相关系 从而实现预测的目的 回归分析包括线性回归 和非线性回归 回归模型的特点是将预测目标作为因变量 而影响预 测的因素作为自变量 通常因变量是随机变量 自变量是可控变量 而在实际预测中往往碰到的是因变量和自变量都是随机变量 文献 1 0 9 1 和 9 6 中分析了电力系统负荷中的混沌 对于重构混沌相空间 辽宁工程技术大学博士学位论文 利用线性回归模型进行负荷预测 文献 1 0 2 针对常规回归预测法的 缺点分别研究了曲线参数的非线性直接估计法和基于 近大远小 原 则的线性加权回归预测法 并给出了一般性的非线性加权回归预测的 方法和步骤 改善了预测效果 3 随机时间序列模型 模型是通过差分处理负荷时间序列的线形趋势 将基本分量和周 期分量都清除掉 得到一个平稳序列 实质上是剩余随机波动分量 然后专门对这个波动分量进行预测 最后通过差分逆运算 求出实际 预测值 文献 1 4 3 将线性长a r 模型 线性a r 模型和神经网络预测 模型采用b a y e s i a n 方法进行组合 文献 1 2 5 采用一种组合神经网络 模型 将神经网络 模糊聚类分析和模式识别有机结合起来 文献 1 0 3 应用聚类分析方法描述由于相关因素的不同而导致的待预测日与历 史日之间的差异程度 实现了一种基于相关因素匹配的短期预测方 法 文献 1 3 9 针对不同的情形采用多个神经网络模型进行组合预测 文献 1 3 8 分别建立基于温度的神经网络负荷预a q 模型和基于历史负 荷数据的神经网络负荷预测模型进行组合预测 文献f 3 6 对灰色预测 模型和单指数平滑预测模型进行日负荷预测 文献 6 6 和 4 2 对组合 预测方法进行了较为详细的讨论 具体模型有 a r c p 自回归模型 m a q 滑动平均模型 a r m a p q 自回归渭动平均模型 实现随机 型时间序列预测技术包括以下几个步骤 a 原始数据平稳化 并进行平稳性检验 b 模型识别 通过原始数据的自相关函数 a c f 和偏相关函数 p a c f 确定使用模型类型 c 模型参数估计 建模预报 d 预测模型精度的检验和预测值的适当修正 4 灰色预测技术 电力系统中 由于各种原因 数据有限 难以满足大样本量的要 求 而且经济的起落以及拉闸限电 难以满足负荷比较有规律的分布 而灰色预测对样本多少没有过分要求 也不需要典型的分布规律 计 辽宁工程技术大学博士学位论文 算量少 灰色预测是用灰色模型g m o 1 或g m 1 n 进行的定量预测 通过灰色度生成数学模型的方法 将原始数据的随机性弱化 生成规 律性较强的新数列 电力系统中常用到的灰色系统生成方法为累加生 成 灰色模型g m 是用历史数据列生成后 再建立微分方程模型 灰 色预测必须知道原始数据的先验特征 对无规律的数列经生成后可变 成有规律的数列 灰色预测具有要求负荷数 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 易于检验等优点 因此得到广泛应 用 但仍然存在其局限性 数据离散程度越大 灰度越大则预测精度 越差 5 模糊逻辑系统 近年来 模糊建模技术的不断发展 推动了其在负荷预测方面的 研究和应用 事实上 负荷预测的主要工作是负荷建模 用模糊集理 论建立的负荷模型 具有本质的非线性 可以达到较高的预测精度 同时它还具有算法省时和可以利用人工经验的优势 模糊建模目前已经有多种方法 从负荷的样本数据中直接提取模 糊规律是一种自动化程度颇高的方法 整个模糊建模的过程分为三个部分 模糊化 模糊规律的产生 反模糊化 由于人们对负荷变动规律的认识在本质上是模糊的 借助 于f l s 研究利用人工经验提高负荷预测水平 成为自然而然的思路 目前应用f l s 进行负荷预测的研究相对来说较少 这与模糊模型的 建模技术 即从样本数据中对直接提取模糊规则以及规则的自调整办 法不够完善是分不开的 实际上 f l s 最大的优势在于自然语言的理 解能力 这使它可以利用人工经验 所以适用f l s 处理的数据应该 是带有模糊性的知识 经验等 非模糊的定量数据硬要将其模糊化 会带来刻画不精细的缺陷 所以单纯采用f l s 建模去处理所有类型 的数据是不合理的 起初是一种尝试性的研究 现在则迅速被f l s 与其他人工智能技术的结合所取代 其中就包括人工神经网络 文献 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 0 5 人工神经网络技术的主要优点在于它不需要任何负荷模型 但 其缺点是训练过程比较消耗时间 并且它并不能保证一定收敛 这在 一定程度上影响了人工神经网络负荷预测方法对特殊的负荷变化的 预测精度 6 基于知识的专家系统 这里强调e s 是基于知识的 这是e s 的基本特征 是它区别于 其他智能化预测技术的关键 早期的人工智能研究试图追求万能的 通用的智能系统 可以取代人类智能的作用 解决一切需要智能处理 的问题 人工智能早期的代表作通用问题求解程序g p s 就是这种思 路的产物 其实 g p s 的通用性受到严格限制 只有对具有相当小状 态集和良好定义形式规则的问题有效 而人脑求解这类问题是毫无困 难的 6 0 年代中后期 人工智能开始向研究专门领域的知识系统 通 用的解题策略与专门领域的专业知识和实际经验相结合 产生了以 e s 为代表的基于知识的人工智能系统 使人工智能技术走向社会 走向实用化 e s 并不试图发现强有力和很通用的问题求解办法 而 是把研究范围缩小在严格特定的狭小专业区域内 这是借鉴了人类专 家的特点 因为人类专家正是由于拥有解决自己专业领域内的大量专 门知识 包括各种有用的诀窍和经验才成为专家的 e s 实际上就是 在计算机上实现这种领域专家的模仿者 当今电力已作为现代社会的主要能源 与国民经济发展和人民生 活水平有着极为密切的关系 供电不稳定 特别是大面积停电事故所