（电力系统及其自动化专业论文）辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究.pdf

辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 s t u d y o nt h ea l g o r i t h ma n da p p l i c a t i o no fp o w e r s y s t e mb u sl o a d f o r e c a s t i n gf o rl i a o n i n gp o w e r g r i d a b s t r a c t l o a df o r e c a s t i n go fp o w e rs y s t e mi sa l li m p o r t a n te l e m e n to fe n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m s ( e m s ) a sa ni m p o r t a n tm o d u l e ，i st h ef o u n d a t i o na n dg u a r a n t e eo ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t b u s 1 p a df o r e c a s t i n go fp o w e rs y s t e mi st od e v e l o pa l li m p o r t a n tb a s i sf o ro p e r a t i o nm o d e 也eb u s l o a df o r e c a s t i n ga c c u r a c yi sr e a s o n a b l es c h e d u l i n ga r r a n g e m e n t sf o rt h ep r o d u c t i o np l a nt o e n s u r ep o w e rs y s t e ms e c u r i t y ，t h ee c o n o m ya n dt h ep r o t e c t i o no ft h ep r e m i s e b u sl p a di san o n s t a t i o n a r yr a n d o mp r o c e s s b yan u m b e ro fi n d e p e n d e n tc o m p o n e n t so f 廿1 er a n d o mc o m p o n e n t c o m p a r e dt ot h es y s t e ml o a df o r e c a s t i n g t h eb u sp o w e rs u p p l yi si na r e l a t i v es m a l lr e g i o n w h i c hc o n s t i t u t e sar e l a t i v e l ys i m p l el o a da n dr e l a t i v e l ys t a b l en a t u r eo f l o a d i nab i gr e g i o n 。t h el p a dc h a n g e si sr e l a t i v e l ys t a b l ew i t hs t r o n gr e g u l a r i t y ，w ec a nf i n da m o r ea c c u r a t et h ep r e d i c t i o nm o d e l b u sl p a df o r e c a s t i n go fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e ma i m st o e n h a n c et h ec a p a c i t yo fc o c o o r d i n a t i n ga r r a n g e m e n t sf o rt l l es y s t e mt o c r e a t et h eb a s i c c o n d i t i o n sf o rt h er e f i n e m e mo ft h es e c u r i t yc h e c k ，t h eb a l a l i c eo fp o w e rc o n s u m p t i o n ， m a i n t e n a n c es c h e d u l i n g ，p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ep r e p a r a t i o no fs u p p o r tp l a n st oa c h i e v et h e s c h e d u l i n gp r o c e s s t h er e f i n e m e n to fm a n a g e m e n t w i t hm o d e mc o m p u t e rs c i e n c e ， a u t o m a t i o n ，t 1 1 er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h es c h e d u l i n go f s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m sa r em a t u r i n g ，s h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t i n gt oi m p r o v et h e a c c u r a c ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ec r e a t i o no f 也ec o n d i t i o n s b u ta l s om a k eo n l i n eb u sl p a d f o r e c a s t i n go fp o w e rs y s t e mp o s s i b l e i nr e c e n ty e a r s s t a t eg r i dc o r p o r a t i o ni s s u e da ”g r i ds y s t e mb u sl o a df o r e c a s t i n gt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s ”a n d ”p o w e rb u s1 0 a df o r e c a s t i n gm a n a g e m e u tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ” m o r e o v e r ，t h ep r o v i n c i a lb u sc o m p a n i e sa r er e q u i r e dt oi m p r o v el o a df o r e c a s t i n ga c c u r a c y 蹦sp a p e rs t u d i e so nt h e b u sl p a df o r e c a s tb a s e do nt h i se n v i r o n m e n t f i r s to fa l lt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h es y s t e m sl o a da n db u sl p a di sa n a l y z e d ，s u m m e du p t h eb u s1 p a dc o m p o s i t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i 伍c u l t yo ff o r e c a s t i n ga r es u m m e d a n d t h e n d a t ap r e p r o c e s s i n gm e t h o d sa n de r r o ra n a l y s i so ft h e i n d i c a t o r s a r eg i v e n f i n a l l y ， b a s e do na p p r o p r i a t em o d e l sf o rl i a o n i n g g r i da n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s t e c h n o l o g yt h es y s t e mi sr e a l i z e d k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；b u sl o a df o r e c a s t i n g ；a l g o r i t h m i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垒鱼鱼塑堡垒望塑墅型堑主垫! 刍鱼垒! 叠虽超 作者签名：一舞毳照一一一日期：垮金月三日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 皇：l 垫日期：j 4 年乏月羔二日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 。1 母线负荷预测简介 电力系统负荷预测是根据电力负荷、经济、社会、气象等的历史数据，探索电力负 荷历史数据变化规律对未来负荷的影响，寻求电力负荷与各种相关因素之间的内在联 系，从而对未来的电力负荷进行科学的预测。 负荷预测对电力系统许多部门都起着重要的作用【1 。5 】。例如，一年以上的中长期负 荷预测是制定电力系统发展规划的前提，以日负荷曲线为预测对象的短期负荷预测则是 制定日前发电计划的基础。负荷预测问题涉及电力系统规划和设计，电力系统运行的经 济性、可靠性和安全性、电力市场交易等多个方面，它已成为现代化电力系统运行和管 理中的一个重要研究领域。电力系统的主要任务是为各类用户提供经济、可靠和高质量 的电能，应随时满足用户的负荷需求与负荷特性的要求。为此，在电力系统规划设计、 运行管理和电力市场交易中，必须对负荷需求量的变化与负荷特性有一个准确的预测。 这就是人们不断研究并发展电力系统负荷预测理论的重要原因。此外随着电力行业改革 进程的深入，电力市场的最终形成已成为必然。目前我国电力市场的改革趋向是“厂网 分家、竞价上网 ，因此，精确地预测电力负荷，对于合理制定电力系统的增加装机容 量、安排开停机组计划，正确、经济地安排制定电网生产计划，具有重要的理论意义和 实用价值。 所谓负荷预测就是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 精度的要求下，确定未来某时刻的负荷数值。电力负荷预测中经常按时间期限进行分类， 通常分为长期、中期、短期、超短期四种。长期负荷预测一般指年以上并以年为单位的 预测，中期指年左右并以年为单位的预测。它们的意义在于帮助决定新的发电机组的安 装包括装机容量大小、型式、地点和时间与电网的规划、增容和改建，是电力规划部门 的重要工作之一。短期预测则是指一年之内以月为单位的负荷预测，还指以周、天、小 时为单位的负荷预测，通常预测未来一个月度、未来一周、未来一天的负荷指标，也预 测未来一天中的负荷。其意义在于帮助确定燃料供应计划对运行中的电厂出力要求提出 预告，使对发电机组出力变化事先得以估计可以经济合理地安排本网各个机组的启停， 降低旋转储备容量可以保证正常用电的情况下合理安排机组检修计划。超短期负荷预测 指未来、未来甚至未来的预测。其意义在于可对电网进行计算机在线控制，实现发电容 量的合理调度，满足给定的运行要求，同时使发电成本最小。 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 无论是传统的预测方法还是现代的方法，它们都是在获得预测对象的历史变化规律 后，将这种规律延伸以预测未来。 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及其受 某些因素影响的关系。预测模型实际上是表述这种变化规律的数学函数。建立良好的数 学模型，减少负荷预测误差、提高预测精度，是预测人员关注的核心问题。 关于系统负荷预测的研究甚多，成果也较为显著f 纠，短期和超短期负荷预测的准 确率在其中尤为显著【l l - 1 3 】。相对于系统负荷，母线负荷的供电区域更小，是针对变电站 的主变压器负荷而言的。因此，母线负荷的构成比系统负荷简单，负荷的变化曲线更平 滑，可以找到较为准确的预测方法，随着现代计算机科学、自动化、通信技术的高速发 展，变电站的调度自动化系统日趋完善，为提高短期负荷预测的准确性和时效性创造了 条件，也使得在线预测电力系统母线负荷成为可能。各式系统符合预测的方式更可以提 供参考【1 9 。2 7 1 。 在电力系统中改变动态状态估计所关心的系统动态特性的实际上是母线负荷。它们 之间或多或少地相互独立并具有合理的规则模式，基于这一点，诞生了一种基于动态预 测母线负荷的状态估计模型，这种方法用节点的注入能量取代传统的状态过程模型，在 此基础上，将人工神经网络模型应用于母线负荷的极端性预测，提高了动态预测的精度， 从而使得动态状态估计模型也可以接近实用化的阶段。 总的来说，近年来国内外对母线负荷预测的专题研究仍鲜有报道，变电站母线负荷 预测方法及其应用这一极其有意义的课题已经越来越受到人们的重视。 1 2 预测技术简介 预测方法只是一种工具，几乎所有的预测都是基于这样一个假设即预测对象要受到 其他因素的影响。因此，预测工作的第一步是确定什么因素最可能影响预测对象。第二 步是决定如何在预测中使用这些因素。 一般的经济预测方法可划分为两类：主观预测方法和客观预测方法。主观预测方法 的优点是预测者能够考虑到大量的资料、信息和情报；其缺点是缺乏系统的方法去研究 以往的成功和失误，以提高预测的准确度，完全依赖于人员的经验和主观判断能力。客 观预测方法不同于主观预测方法，它是基于过去的数据和资料建立起来的反映预测对象 与其影响因素间的数学关系模型的预测方法。客观预测方法的优点在于不受主观愿望的 影响对预测模型的处理是根据过去的预测误差作出的，因而是科学的，比主观预测方法 所花的时间少，而且可以用计算机进行预测提供了评价预测准确度和测定预测的置信区 大连理工大学专业学位硕士学位论文 闻的基础。客观预测方法的缺点在于难以包括影响预测对象的全部因素。本节介绍的是 客观预测法。 客观预测法归纳起来大致可分为两类即外推法和相关法。电力负荷趋势外推预测技 术主要有水平趋势预测、线性趋势预测、多项式趋势预测、季节型趋势预测以及增长趋 势预测。长期以来，我国的电力负荷预测主要采用外推法。近年来，相关法也得到了较 为广泛地应用。 1 2 1 短期负荷预测技术 短期负荷预测技术从传统的多元回归法，时间序列预测法，到新兴的灰色预测技术， 人工神经网络方法，小波分析预测技术等，在最近几十年的研究工作中得到了很大的发 展。总结起来，这些方法主要可以分为两种类型：一种是仅利用负荷自身发展的规律的 方法，把电力负荷的历史资料作为一个时间序列来处理，并建立相关模型，如自回归模 型等；另一种是把负荷发展规律与气象因素相结合的方法，强调天气、温度、湿度、日 照等对负荷的影响，并找出相互的映射关系，如人工神经网络模型等。 本节介绍今年来应用较为广泛的几种短期负荷预测方法： ( 1 ) 回归模型预测技术 回归分析方法，即通过对变量的观测数据进行统计分析，确定变量之间的相关关系， 从而实现预测的目的，通过参数估计与模型检验后的回归模型，对于给定的预测点，可 以求出对预测点的预测值和预测置信区间。 对于实际负荷预测中自变量与因变量之间非线性相关关系的问题，可以通过适当的 变量代换，将转化为线性相关关系问题来处理。 线性回归模型的特点是将预测目标作为因变量，影响预测目标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，如何确定合适的回归方程是回归分析方法需 要解决的主要问题。 ( 2 ) 时间序列预测技术 随机时间序列预测方法，因变量和自变量均是随机变量，如因变量是现在待测的电 力负荷，自变量是负荷自身的过去值，比回归模型更适用于电力系统短期负荷预测。 电力系统是个随机变量，电力负荷的历史资料就是一个随机时间序列。时间序列 预测技术即是用这个序列对电力负荷变化的规律和特性进行分析并对未来负荷做出预 报。这种方法先识别与实际预测目标序列相符合的随机模型，并估计出随机模型中的未 知参数，再对随机模型进行考核，当确认该随机模型具有适用价值后，再在此基础上建 立预测表达式进行预报。 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 ( 3 ) 小波分析预测技术 小波分析是一种时域一频域分析方法，它在时域和频域上同时具有良好的局部化性 质，并且能根据信号频率高低自动调节采样的疏密，它容易捕捉和分析微弱信号以及信 号图像的任意微小部分。 电力系统中日负荷曲线具有特殊的周期性，负荷以天、周、年为周期发生的波动， 大周期中嵌套小周期，小波变换能将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解成 不同频带上的块信号，对负荷序列进行小波变换可以将负荷序列分别投影到不同的尺度 上，在负荷预测中使用正交二进小波变换，各个尺度可近似地看作各个不同的频带。这 样各个尺度上的子序列分别代表了原序列中不同频域的分量。更加清楚地表现了负荷序 列的周期性，在此基础上对不同的字符和序列分别进行预测，由于各个子序列的周期性 更为明显，显然采用周期自回归模型的预测结构更为精确。最后通过序列重组得到完整 的小时负荷预测结果，其精确性比直接用原负荷序列预测有一定改进。 1 2 ，2 母线负荷预测技术 母线负荷预测可应用于动态状态估计网、安全稳定分析、无功优化、厂站局部控制 等方面，应用中强调实时性。近年来，印度、台湾、美国的一些学者相继提出将短期负 荷预测的技术方法应用于母线负荷预测。 印度学者提出人工神经网络的方法在变电站作极短期的母线负荷预测。对于提前一 个小时的负荷预测来说，天气的影响已经隐含在先前几个小时的负荷值中，因此不必在 模型中引入明确的天气变量、温度、湿度、能见度、风速等。而是选取一组能反映负荷 的发展趋势，复合类型以及天气影响的历史数据作为神经网络的输入变量。 台湾学者应用变电站监控与数据采集系统，把获得的负荷数据作为节点短期负荷预 测的研究数据资料，并将研究重点放在用户类型对变电站负荷预测的影响上，他们指出 变电站的母线负荷与用户类型有很大的关系，在划分用户类型时就考虑到用户的环境温 度，即辨别变电的母线负荷对天气的敏感程度，研究了应用采样理论和统计分析理论区 分用户类型的方法，他们还比较了人工神经网络与传统的多变量线性回归模型对变电站 母线负荷的预测效果，指出人工神经网络的预测效果远远优于回归模型。 美国学者指出在负荷受天气影响较大的地区，将母线负荷分解为与天气无关的基本 负荷和受天气变化影响的天气敏感负荷两个分量，用人工神经网络模型预测相对稳定的 基本负荷分量，另外对天气敏感负荷分量则用三个模糊逻辑子系统建立预测模型，用实 际地区的历史负荷数据测试该模型表明这种预测方法可以得到与系统负荷预测精度相 当的结果。 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 本文要解决的问题 1 ) 、通过比较系统与母线负荷预测的不同，对母线负荷预测的特性有更加深刻的认识。 进而为建立合适的算法和负荷模型提供理论基础。 2 ) 、分析几种常用的负荷预测算法，比较各自的优越性，依据辽宁省网的特点建立合 适的算法以及模型。 3 ) 、建立辽宁省网母线负荷预测系统，并详细地加以介绍。 4 ) 、对母线符合预测的精度进行图形化分析。 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 2 系统与母线负荷预测的特点比较 本章分析了母线负荷的构成和特点，给出了母线负荷预测的模型，从动态状态估计、 安全运行和无功优化的角度阐明了开展母线负荷预测工作的必要性及其研究方向。 2 1 系统负荷预测的特点 系统负荷预测对电力系统许多部门都起着重要的作用。电力系统规划设计、运行管 理和电力市场交易中，必须对负荷需求量的变化与负荷特性有一个准确的预测【2 引。 2 1 1 系统负荷的定义 系统负荷是指各用电单位或用电设备使用和电量的具体数量，也可以说，负荷是指 发电厂、供电地区或电网在某一瞬间所承担的供电量。对用户来说，用电负荷是指连接 在电网的用户所有用电设备在某一瞬间所消耗的功率之和。 2 1 2 系统负荷的构成 系统负荷可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及其它负荷。 城市民用负荷主要是城市居民的家用负荷；商业负荷与工业负荷是各自为商业与工业服 务的负荷；在我国，农村负荷是指广大农村所有的负荷；而其它负荷则包括市政用电、 公用事业、政府办公、铁路与电车、军用以及其它等。 2 。1 ，3 系统负荷的内在规律 电力系统的负荷是经常变化的，但它的变化是有规律的：如在一天之内，电力负荷 曲线呈现出有规律的波动：在一周之内，周一到周五，负荷有其相似性，而每周的周六 或周日，又各自有它内在的规律；在一年之内，负荷又随着天气的不同，遵循一定的规 则变化着。电力负荷的内在规律主要包括两点：周期性和连续性。 ( 1 ) 周期性。 电力系统负荷的变化是有规律的，其规律性主要体现在负荷变化的周期性，究其原 因，人类的生产、生活具有规律性，而人是消费电能的主体，因此负荷变化也具有规律 性，这种周期性是负荷的一种内在规律，具体而言，在一定的时间内，负荷的变化具有 重复性。该周期性进一步细分为，负荷变化的年周期性、周周期性和日周期性。 ( 2 ) 连续性 电力负荷不但具有周期性，而且具有一定的连续性，即电力负荷的变化是连续的， 般不会出现大的跃变，这是指在负荷曲线上任意相邻两点之间的变化是连续的，不存 大连理工大学专业学位硕士学位论文 在奇点。从电力系统的稳定性要求可以找出负荷连续性的原因，为了保证系统稳定运行， 必须避免对系统造成大的冲击，无论是增加或是切除负荷时都要求负荷的变化大小在一 定的范围之内。因此，负荷总量就表现为一个连续变化的过程，负荷曲线一般不会出现 大的跃变。 2 1 4 系统负荷预测的特点 电力系统负荷是由无数个用电个体的用电总和组成，通常每个个体的用电目的和模 式各有不同，而且具有随机性，然而在整体上系统负荷又表现出一定的规律性，使得系 统负荷的预测成为可能【2 9 】。由于负荷预测是根据电力负荷的过去与现在来推测它的未来 数值，所以这一工作所研究的对象是不肯定事件，只有不确定事件、随机事件才需要人 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，这就使负荷预测具有 以下特点【3 0 l ： ( 1 ) 预测结果不准确性。电力负荷的未来发展是不确定的，而且要受到各种复杂因 素的影响，并且各种影响因素也是变化的，如社会经济发展、人口增长、全球气候变化、 新技术发展、能源产业政策等，人们对于这些发展变化有些能够预先估计，有些却很难 事先预见到，加上一些临时情况发生变化的影响，同时，科学的预测方法与理论的不断 更新，将影响到预测精度，因此就决定了预测结果的不准确性或不完全准确性。 ( 2 ) 预测的条件性。负荷预测的预测过程是一个由历史向未来递推的过程，是在一 定条件下做出的，对于条件而言，又可分为必然条件和假设条件两种。如果负荷人员真 正掌握了电力负荷的本质规律，那么预测条件就是必然条件，所做出的预测往往是比较 可靠的，然而在很多情况下，由于负荷未来发展的不确定性，所以就需要一些假设条件。 因此给预测结果加以一定的前提条件更有利于用电部门的使用。 ( 3 ) 预测结果的多方案性。由于负荷预测具有精度问题，并且由于预测的不准确性 和条件性，预测手段及理论数学模型必然会有多样性，有时要对负荷在各种情况下可能 的发展状况进行预测，这样就会得到各种条件下不同的负荷预测方案，使预测的结果并 非是唯一的。 ( 4 ) 预测的时间性。各种负荷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，往往需要确切地指明预测的时间。 ( 5 ) 负荷预测的地区效应。在不同负荷预测的范围内，负荷的构成比重不同，因此 影响负荷的因素有所不同。一般来说，大电网( 网、省级) 负荷变化有较强的统计规律 性，预测结果较准确，而地区级电网的预测精度则相对低一些。 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 2 1 5 负荷预测的基本原理 电力市场负荷预测原理是电力市场负荷预测的认识论基础，它阐明了人们之所以能 够运用各种预测方法对未来电力市场负荷发展趋势做出估计的道理。由于负荷预测具有 不确定性、条件性、时间性、地区效应性、多方案性等特点，必须科学地总结预测工作 的基本原理，指导预测工作1 3 。目前已经总结出的原理有以下几个： ( 1 ) 可知性原理。这是指事物的发展变化有内在的规律，这些规律是可以为人们所 认识的，也就是说预测未来负荷的发展规律、发展趋势和状况是可以为人们所知道的， 人们不但可以认识它的过去和现在，而且可以通过总结它的过去和现在来推测未来，这 是人们进行预测活动的基本依据。 ( 2 ) 可能性原理。电力负荷未来的发展是不确定的，它收到多种复杂因素的影响， 而且各种影响因素也是发展变化的，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i 临时变化的影响，因此就决定了预测结果的不确定性或不完全准 确性。 ( 3 ) 连续性原理。连续性原理又称为惯性原理，是指预测对象的发展是一个连续统 一的过程，其未来发展是这个过程的继续，它认为事物发展变化过程中会将某些原有的 特征保持下来，延续下去，这种惯性正是我们进行负荷预测的主要依据，因此，了解事 物的过去和现在，并掌握其变化规律就可以对其未来的发展情况利用连续性原理进行预 测。 ( 4 ) 相似性原理。尽管客观世界中各种事物的发展各不相同，但一些事物发展之间 还是存在着相似之处，人们就利用这种相似性进行预测，在很多情况下，作为预测对象 的一个事物，其现在的发展过程和发展状况可能与另一事物过去一定阶段的发展过程和 发展状况相类似，人们就根据后一事物的己知发展过程和状况来预测对象的未来发展过 程和状况，这就是相似原理。 ( 5 ) 反馈性原理。反馈性原理就是利用输出返回到输入端，再调节输出结果，预测 的反馈性原理实际上是为了不断提高预测的准确性而进行的反馈调节。反馈预测实质上 就是将预测理论值与实际值相结合，在实践中检验，然后进行修改、调整，使预测质量 进一步提高。 ( 6 ) 系统性原理。这个原理认为对象是一个完整的系统，它本身有内在的系统和外 部的联系，这便又形成它的外在系统，这些系统综合成一个完整的总系统，都要进行考 虑，即预测对象的未来发展是系统整体的动态发展，整个系统的各个组成部分密切相关， 它们之间相互作用和相互影响。 人连理i ：大学专业学位硕士学位论文 2 1 6 系统负荷预测的模型 短期负荷预测中，直观地想象可知，既可以按各方法的预测结构对全天各点取相同 的权重，也可以对全天各点取不同的权重【3 2 1 ，因此，可以考虑“全天统一权重”和“分 时段变权重”两个方案，建立两类综合预测模型体系。 ( 1 ) 全天统一权重的综合预测模型 顾名思义，“全天统一权重”就是对于每个单一预测方法，取一个确定的数值作为 全天的统一权重，该数值不随着时段变化而变化。显然，这种综合模型中，各权重的选 择只依赖于方法，不依赖于各日各点。当确定了各种单一预测方法在综合模型中的权重 后，在每个点均取这一权重进行加权。 ( 2 ) 分时段变权重的综合预测模型 “分时段变权重 的短期预测综合模型的出发点是区别“每天各点”，分别建立综 合模型，如此方式，使得各种方法的预测结构在每个时刻的权重均不同。这是一种比较 复杂的情况。这种思路的基本思想是：对于许多单一预测方法而言，可能在不同时段呈 现出不同的预测精度。 ( 3 ) 考虑“近大远小原则并引入相关因素后的短期负荷预测综合模型 在所有进行虚拟预测的n 天中，与待预测日的特征量相似程度较高的那些虚拟预测 日的预测误差应该在总体的虚拟预测残差平方和中占据较大的权重，而与待预测日的特 征量相似程度较低的虚拟预测同的预测误差应该在总体的虚拟预测残差平方和中占较 小的权重。如此处理之后，权重的优化自然地将更加看重与待预测日的特征量相似程度 较高的那些虚拟预测日的预测效果，这对于突出反应同类型日的思想、气象因素影响模 式等都有很好的体现。 2 2 母线负荷的定义 在我国电力行业中采用过的分类的方法有多种不同的分类方法用于不同的研究目 的【3 3 j 。按用电的部门属性划分，可分为工业用电、农业用电、交通运输用电和市政生活 用电；按使用电力的目的划分，可分为动力用电、照明用电、电热用电、各种电气设备 仪器的操作控制用电及通信用电；按用电用户的重要性划分，可分为一类、二类、三类 负荷；按负荷的大小划分，可分为最大负荷、平均负荷、最小负荷。不同类型的负荷具 有各自的特点和变化趋势，因此，我们对此进行分析并逐步掌握其规律，有助于准确地 进行负荷预测。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( 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) 。 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 2 3 母线负荷的构成和特点 电力母线负荷是系统负荷的组成部分。因此，母线负荷与系统负荷之间存在相互的 关联性。但是，母线负荷与系统负荷在构成和特性上又有所不同 3 4 】。 2 3 1 母线负荷的构成 母线负荷与用户类型有很大的关系。因为母线负荷是一个相对较小的区域内的供电 负荷。因此与系统负荷相比，母线负荷的组成较单一，往往只包括两种用户类型。 对于不同的地区和用途，有不同的划分用户类型的依据，母线负荷预测可将负荷类 型划分为城市民用负荷、工业负荷、商业负荷、办公负荷、农村负荷等。城市民用负荷 主要指城市居民的家用负荷，包括居民生活照明用电，家用电器等。商业负荷包括宾馆、 餐厅和餐饮业等，主要是照明、空调、动力等用电负荷。工业负荷指工业企业用于工业 生产的用电，办公负荷包括医院、学校和政府办公等。农村负荷包括农村民用电、生产 与排灌用电以及农村商业用电等。 工业用电有两大特点：一是用电量大，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，工业用电在行业间的差别，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。 农业用电在全社会电力消耗中的比重不大，但有一个突出的特点，就是季节性强， 农业用电在同内的变化相对较小，但在月内，尤其在季节和年度内，负荷变化很大，呈 现出很不平衡的特点。例如排灌用电，冬季负荷很小，而夏季负荷很大。 我国城乡居民用电占全社会用电量的比例远小于工业化国家，城乡居民生活用电的 特点之一是日变化较大，日负荷率较低，单月用电变化不大，城乡居民生活用电的主要 组成部分是照明用电和家用电器用电，其中照明用电占有相当重要的地位，照明负荷形 成的“灯峰”成为制约电力系统装机规模和电力系统运行方式的重要因素，随着居民生 活水平的不断提高，家用电器用电的比重在迅速增长，在一定程度上改善了居民用电的 负荷特性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 商业负荷与办公负荷中用以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。 2 3 2 母线负荷的特点 母线负荷的变化远大于系统负荷，但母线负荷与系统负荷有着相似的变化规律。母 线负荷与系统负荷一样，除具有日周期外，还具有典型的周周期、月周期和年周期。一 般情况下，公休日的母线负荷水平略低于工作日。母线负荷具有合理的规则模式，而月 变化曲线比系统负荷更平滑。可见，母线负荷与系统负荷有着相似的变化规律，可以将 系统负荷短期预测的某些方法用于预测变电站的母线负荷【3 引。 另外，母线负荷之间有着或多或少的相互独立的特点。母线负荷特性与用户类型、 环境温度等因素有着更直接的联系，可以在预测模型中间接反映这些因素对母线负荷的 影响，从而简化模型结构。 综合以上分析，可以得出结论，母线负荷的变化率远大于系统负荷，但负荷模式极 具规律性，可以将系统短期负荷预测的某些方法用于母线负荷预测。 2 3 3 母线负荷预测的特点 通过以上的分析可以看出母线负荷的一些特点。基于它与系统负荷的相似性，可以 运用系统负荷短期预测的方法进行母线负荷预测，并将母线负荷的特点加以充分考虑， 使之更符合实际。 电力系统负荷的不稳定性对母线负荷而言表现地尤其突出。造成这种不稳定的原因 很多，影响较大的因素如天气条件、大型工业负荷的生产运营调整、突发事件等。目前， 负荷预测中考虑较多的是天气因素，包括温度、降水量、湿度、风力风向等，都可能对 负荷造成较大的影响。其中温度因素的影响最为明显，如何确定母线负荷预测与温度之 间的关系，是实际工作的一大特点。 与短期负荷预测相类似，母线负荷预测也遵循“近大远小 的原则。由于预测是根 据已知的负荷历史数据对未来几天或几个小时的负荷进行预测，负荷点之间的距离越近 关系越密切，因此当预测时间距离历史数据较近时的预测误差相对较小，当预测日期离 历史数据较远时预测误差相对较大。当遇到周末或节假日时，由于必需提前完成负荷预 测的工作，就会造成历史数据和待测数据间的时间间隔较平时更大，预测数据产生较大 误差。如何提高周末或节假日的预测精度是预测工作中的另一大特点。 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 2 3 4 母线负荷预测的难点 电力系统的负荷是不稳定的，这一特性对母线负荷而言，比系统负荷表现得更为明 显，造成母线负荷不稳定的原因有很多，影响较大的因素如天气状况，社会事件和大型 工业负荷的生产运营调整等。目前在电力系统的母线负荷预测中，主要考虑对负荷变化 的影响占主导地位的温度因素。例如对于城市民用负荷，当天气剧烈变化时，所消耗的 负荷水平上升，而气温维持在一个舒适的温度附近时，民用负荷水平也较低，如何处理 母线负荷与温度之间的关系，是母线负荷预测工作的一大难点，近年来人工神经网络理 论在电力系统短期负荷预测领域的应用研究工作所取得的进展，为解决这一问题提供了 强有力的手段。 另外，预测母线负荷的应用方向对预测的时效性提出了更高的要求，如何使母线负 荷预测的结果更具实时性，是母线负荷预测工作的另一难点。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 母线负荷预测常用算法分析 3 1 基于同类型日思想的正常日负荷预测方法 3 1 1 同类型日预测方法的基本思想m 1 在进行日预测时，以基准日为起点，以7 天为周期，可对历史样本分出第l 周期、 第2 周期。每一周期中，必有一个与待预测日相同类型的负荷日( 即同为星期一， 或同为星期二) 。在不考虑气象等因素影响的情况下，这些同类型历史日应是待预 测日的相关程度最大的历史负荷。 若将历史日期计数的起点取为基准日，一次往前一天计数，设第d 日第t 时刻的负 荷为圪，这里d = l ，2 ，1 1 ，t = - i ，2 ，t ( t 为每天的采样点数) ，每日的负荷曲线以一 个向量表示如下： q 。 易。，乞：，】( 3 - 1 ) 所有e 的集合称为历史样本集合。 现在以同类型日作为优先顺序对所有历史样本进行排序，即第一周期中与待预测日 类型相同的负荷日排在首位，第二周期中的同类型日排在第2 为，依次类推：当同类型 日排序完毕后，剩余的历史负荷日按其离基准日的远近进行排序，由此，原来的1 1 天历 史负荷曲线c l ，c 2 ，g 被排序成为d 1 ，d 2 ，q 。显然，人一个q ( d _ 1 ，2 ，n ) 必 与某一个口( 滓1 ，2 ，n ) 相对应，且两者是一一对应的关系。因此，负荷曲线口 的集合中，下表i 越小，表示它与带预测目的相关程度越高。 所有口的集合成为相关负荷集合。以n = 1 4 为例，则只有两个周期，故，d l 为第一 周期中的同类型日的负荷，d 为第二周期中的同类型日的负荷，第一周期的不同类型 日的负荷依次为d 3 ，d 4 d 8 ，第二周期的不同类型日的负荷依次为b ，d 1 。，q 。 下面的各种预测方法均以d i 的集合( 相关负荷集合) 进行。 由于 d f = 露l ，2 ，7 】 ( 3 - 2 ) 令第i 天的特征参数为： 日最大负荷： # m 舣- - - m a x ( 只。，只2 ，岛) 日最小负荷： i l l i 。司n i n ( 鼻1 ，2 ，e 7 ) 日平均负荷： 只一= a v e r a g e ( 昂，z 2 ，只7 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 可以分别以只，。秣，只，m i n 和只胛为基值对该日负荷曲线标幺化处理。 3 1 2 点对点倍比法 _ 乡其基本思路是 一时刻的负荷值的一次 荷预测值可以偶那个其相关的近期各日同 所谓点对点，是指按逐时刻进行。 取n = 1 4 天的相关负荷，设预测t 时刻：取第一周期的不同类型日t 时刻的值作平滑， 得到： 4 ，= p g ，+ ( 1 一) 只，+ + ( 1 - f 1 ) 5 忍， ( 3 - 6 ) 取第二周期的不同类型日t 时刻的值作平滑，得到： 4 t = 与，+ ( 1 - ) 只o ，+ + ( 1 一) 5 墨4 ， ( 3 7 ) 这里为逐点负荷的平滑系数，( 0 ，1 ) 。 另取第一周期中同类型日t 时刻的值日，则有： 旦：互 邮) 一= 二二一 i1 - o 44 ， 、 7 于是：待遇次日t 时刻的值为： 多，：争鼻，( 3 - 9 ) 4 ， 如此对t = l ，2 ，t 一次进行，即得该日的预测曲线。 3 3 3 倍比平滑法 倍比平滑法的预测思路是：待遇测日的标幺负荷曲线可由相关负荷集合的标幺曲线 的逐点平滑结果得到，而相应的基值由其前一周的倍比关系预测。 取1 1 天的相关负荷d l ，砬，见，相关负荷集合中d j 的负荷曲线的标幺化基值设 为只，。可以是只m 戡，只，曲，只，铆之一，相应的标幺曲线记为互= 【厶，厶：，岛 ，这里： l i r = 只e , o ( 仁1 ，2 ，e o o 9t ) ( 3 - 1 0 ) 预测分三步进行： ( 1 ) 标幺曲线预测：取1 1 天的相关负荷( n 可以不等于1 4 ) ，待预测日t 时刻的曲 线标幺值是其相关负荷集合中各日同一时刻标幺值的一次指数平滑值，即，对于t = l ， 2 ，t ，有： l = a 厶，+ 口( 1 - 口) 厶，+ o r ( 1 一口) 2 厶，+ + 口( 1 一口) ”1 厶 ( 3 一lz ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 由此形成待预测日的标么曲线： e = 【厶，厶9 8o ，岛】 ( 3 - s 2 ) 这里口为标幺曲线预测的平滑系数，口( 0 ，1 ) ( 2 ) 基值预测：取n = 1 4 天的相关负荷，分别计算第一、二周期中不同类型日的 基值的平滑值： 4 ，。= b ，o + ( 1 一) 只，。+ + ( 1 一) 5 最，o ( 3 1 3 ) 4 0 2 - p g , 0 + ( 1 一) 互o ，o + + ( 1 一) 5 互4 i o ( 3 1 4 ) 这里为逐点基值预测的平滑系数，( o ，1 ) 其余周期依此类推，分别为4 ，。，4 ，。，。设第一、二周期中同类型目的基值分 别为互，。，罡，。，其余好走其分别为b 。，只o ，。于是，待遇测日近似成立如下关系： 土：生：鱼：叠： ( 3 1 5 ) = = 一= = 。 4 。o4 。o4 ，o以，o 、 现在只取第一个等式，于是得到： 全。= 孚鼻，。( 3 - 1 6 ) - h ，0 这是一种线性倍比的方式。如果有必要，可以考虑样条插值再做倍比。 ( 3 ) 预测曲线的有名化：由上述两步，得到待预测日的基值为p o ，标么曲线为 e = 厶，岛，岛】，则预测曲线为： p t = p 0 厶t = l ，t( 3 1 7 ) d = p s ，p 2 ，p r 】( 3 - 1 8 ) 由上述三步完成预测。按照基值的选取不同，本方法可以有三种情况：日最大负荷 方式、日最小负荷方式、日平均负荷方式。 3 2 基于时段相似性原理的简单推理法 正常日短期负荷预测的时序分析方法中，除了基于同类型日思想的预测方法外，还 可以根据各日负荷在时段上的对应关系和相似性，直接进行预测。 辽宁电网母线负荷预测的算法与应用研究 3 2 1 变化系数法 变化系数法所遵循的原理是，在各自负荷波动不大的情况下，待遇测目的各时段负 荷可以直接根据前期若干日负荷的某种平均效果而计算。 设第i 天第t 时刻的负荷为只( i = 1 ，r l ；t - - 1 ，t ) ，则预测步骤为： ( 1 ) 求历史各日各时的负荷均值： = 只( n t ) ( 3