（电力系统及其自动化专业论文）连云港城区配电网规划研究.pdf

垒! ! ! 竺! a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e ri sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yt ot h ed e v e l o p m e n to fc i t y , s i n c ea l m o s ta l l a s p e c t so fp e o p l e sl i f ea r eg r e a t l yd e p e n d e n to nt h ee l e c t r i cp o w e rs u p p l y h o w e v e r , b e c a u s eo ft h eh u g en u m b e ro fd e v i c e sa n dl i n e s t h er e s e a r c ho fe l e c t r i cp o w e r s u p p l yn e t w o r kb e c o m e sc o m p l i c a t e d t h i sp a p e rm a i n l yp u tf o c u so no v e r l o a df o r e c a s t a n dn e t w o r ko p t i m i z a t i o n b ya n a l y z i n gt h er e a la p p l i c a t i o no fn e t w o r ki nx i nh a i d i s t r i c t ，l i a n y u n g a n gc i t y , w ep r o p o s en e wa l g o r i t h mt oi m p r o v et h ee x i s t i n gm e t h o d m a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 ) c o m b i n a t i o nf o r e c a s tm e t h o d ，w h i c hi sh i g h l yt h e o r e t i c a la n dg r e a t l y a p p l i c a b l e ，i sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gd i f f e r e n t f o r e c a s t i n gm e t h o d s 2 ) b a s e do nt h eo r i g i n a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o nm o d e l ，n e wt r e em o d e li sd e s i g n e d t os i m p l i f yt h er e s o l u t i o no ft r e er e s t r i c t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f s u p p l yn e t w o r kl a y o u t 3 ) u s i n gt h en e wp r o p o s e dm e t h o d ，p r e c i s ef o r e c a s ti sm a d et ot h eo v e r l o a do f l i a n y u n g a n gc i t yd u r i n g2 0 0 5 2 0 1 0 ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ef a c t k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ；l o a df o r e c a s t i n g ；n e t w o r ko p t i m i z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 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。 研究生签名： 姐日期：乒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本, k e g 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被套阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 掣 产 圭 第1 章概述 第1 章概述 1 1 配电网规划的重要性 在我国电力工业发展的过程中，长期以来存在着“重发轻供不管用”的倾向( 我国发输 配电投资为1 ：0 2 1 ：0 1 2 ，美国为i ：0 a 3 ：0 7 ) ，致使大多数配电系统网架薄弱。近年来，经济 的持续发展和人民生活水平的不断提高使得配电系统的问题更加严峻。具体表现为：1 ) 配 电系统建设明显滞后于城市建设和发输电系统的建设；2 ) 网架薄弱，供电不合理，有些地 方存在“有电送不出”的现象；3 ) 供电质量差，可靠性低，损耗高；4 ) 配电自动化程度低： 5 ) 电压等级低，致使变电站布点和馈线布线都存在困难。为了彻底改变这种局面，国家已 投资千余亿资金对城市和农村电网进行改造，使城市和农村配电网有了长足的发展，电网供 电能力、电能质量和供电可靠性有了很大的提高，基本满足了我国社会经济发展的需要，然 而要赶上和达到世界先进水平，彻底改善配电网的结构，还有许多问题尚未解决。党的十六 大确立了我国2 0 2 0 年实现全面建设小康社会的奋斗目标，绘就了我国在新世纪的发展蓝图。 未来2 0 年间，中国将实现由农村化向城市化杜会的大转型。国家经济的高速发展有赖于国 家城市化战略的顺利实施，而作为城市化建设的基础，如何做好配电网的规划和建设是当前 急需解决的问题【l 】。今后很长的一段时间，配电网将面临着适应社会经济持续快速发展及不 断自我更新改造的双重任务。由于资金的投入只有在科学合理的规划的指导下才能产生期望 的效果 2 1 ，配电系统规划在我国正面临着前所未有的机遇和挑战。 配电系统有两个明显的区别于发输电系统的特征：电压等级低和辐射状运行。只有同时 满足这两个条件的电力系统才称得上是配电系统。世界各国配电系统的电压等级差别很大， 即使同一个国家的不同地方也不尽相同。如美国采用2 4 k v ，加拿大2 0 k v ，意大利2 3 k v ， 葡萄牙1 5 k v 。在我国，中压配电系统的电压等级为1 0 k v ，2 0 k v 已经在苏州工业园得到应 用，并取得了丰富的经验。配电系统的范围如图1 1 。 东南大学工程硕士学位论文 配电系统设备量多面广，单个设备的容量和投资相对较小，但整个配电系统的投资、维 护和运行费用却很高。美国1 9 7 8 年的统计显示，配电系统的投资和运行维护费用高于输电 系统，仅次于发电系统。在网络结构和参数上，配电系统一般都具有闭环设计、开环运行， 电阻电抗比较大，三相不平衡的特点。另外，配电系统量测较少，网络的可观性较差。 图1 1 电力系统的需求一供应模型 我国的配电网系统按传统观念分为城市配电网和农村配电网，随着地区经济的发展， 相当多的地区城市配电网和农村配电网的差别越来越小，但是经济发达的程度差别还是存 在的。城市配电网供电负荷相对集中，供电环境好；而农村配电网供电范围较大，线路路 径较差，威胁供电的不安全因素多，故障率高。本文研究的是城市配电网规划问题。 城市配电网规划既是城市总体规划的一部分，也是整个电力系统规划的重要组成部分。 随着国民经济的不断发展，城市建设也进入一个日新月异的新阶段。因此，进行合理有效 的城市配电网优化规划工作显得十分重要。城市配电网规划较之高压输、配电系统规划而 言，其问题更为复杂多变，由于配电网是电力系统与用户关系最为密切的部份，其发展受 社会经济各方面的影响，特别是城市规划和政策的影响也是最大的，因此配电网的发展必 然是一个动态的过程，即配电网络必须适应负荷的增长，而负荷的发展又是随着经济的增 长而增长的。因此研究配网规划具有深远的现实意义。 1 2 配电网规划的主要内容 在具体规划当中，将对规划区的配电网进行规划，具体内容主要包括以下几个方面： 现状电网调查评估、负荷调查、城市道路、电缆管线调查，负荷及负荷分布预测，变电站 选址定容及供电范围计算，中压配电网规划原则制定，通过分析确定中压网规划方案、重 点区域过渡方案，对规划方案进行投资估算和经济效益评价等。 ( 1 ) 现状电网评估 根据现状电网调查，对l o k v 电网从技术合理性、运行安全性、供电质量、可靠性和 一2 一 第1 章概述 运行经济性等方面对现状网进行综合评价，评估结果从定性转变为定量，具有很高的可操 作性。具体分析内容包括：设备情况统计分析、网络结构分析、网络运行情况分析、供电 能力分析、对电网进行总体定量评价。 通过对现状电网的分析，找出电网存在的薄弱环节和存在的问题，以便提出的近期规 划方案具有针对性。 ( 2 ) 电力负荷预测 根据情况，把整个地区分为不同的规划区域，结合区域的实际特点，制定相适应的负 荷预测思路，确定对应的电力负荷预测方法。按照规划年限和规划范围要求，进行规划区 电量负荷的总量预测，并对预测结果进行决策支持分析。对预测结果进行校核与综合调整， 得到各规划年预测结果。 ( 3 ) 变电站站址及其供电范围计算 对高压网变电站规划结果进行优化计算，进行变电站供电范围计算。将规划区内的所 有l o k v 开闭所按供电关系划归不同的变电站。其中，既要考虑供电的经济性，又要考虑 供电半径的限制。 ( 4 ) 中低压配电网规划 结合规划目标和规划区的实际，制定中低压配电网的规划和建设原则。将整个规划区 内的中低压配电网络作为一个完整的系统，根据所计算出的新建站及增容站的情况，进行 网络规划。 电网规划方案中注重网络的优化，以远期城市的定位为指导目标：近期充分分析现状 电网情况，找出薄弱环节，逐步改造，理顺网络结构，从实际项目的角度，来分析如何增 强网络能力、如何加强网络结构、节省建设投入，同时考虑与远期的结合；规划方案既要 具有很强的指导性，又要具可实施性；同时，规划方案也需满足各种系统约束条件( 如： 短路容量限制、电压水平限制、线路过负荷限制及n i 安全性准则等) 。 ( 5 ) 确定无功补偿容量及其布局； ( 6 ) 确定调整度，通信及自动化等方面的规模和要求； ( 7 ) 工程项目编制及总体投资估算 包括规划中所涉及到的中低压各项设备的单位投资数据以及综合投资估算，并对项目 进行经济评价。 东南大学工程硕士学位论文 1 3 配电网规划研究的现状 搞好配电网规划工作，从长远看是最大的效益。通过几年的实践，尤其是面对当前情 况，普遍认识到城市配电网规划要以负荷预测【3 】为依据，以提高可靠性f 4 】为主要目标。对 规划中的城市中压配电网络结构进行优化设计，确定高压变电站中压出线回数、各个规划 阶段的网络结构以及所需投资等。 1 3 1 配电网规划负荷预测的研究现状 配电网规划负荷预测主要是针对规划区域的中长期( 5 - - 1 5 年) 负荷预测。目前电力系 统总量负荷预测的主要方法有统计预测方法和智能预测方法。其中统计预测方法包括回归 分析法和时间序列法。这两种方法基本上都是属于概率统计的方法。在实际应用上比较成 熟。但其不确定因素考虑不够的缺陷日益显著，要通过清晰的数学方程来表达输入与输出 的关系存在种种困难，因此，更能体现历史负荷及影响负荷变化相关环境的智能预测方法 逐渐发展起来。智能预测方法不需要事先知道规程模型的结构和参数的相关先验知识，也 不必通过复杂的系统辨识来建立过程的数学模型、非常适合于存在非线性、多变量、时变、 不确定性的电力负荷预测。智能负荷预测方法主要包括专家系统法【5 】、人工神经网络法、 模糊预测法 6 1 和灰色理论预测法。 由于各种模型的适应性各不相同，因此现在广泛采取的方法是用尽可能多的预测模型， 以适应不同地区、不同时段的预测需求；同时对多种预测模型进行有机的组合和比较，以 弥补单一预测方法的不足，从而得出更完备，更准确的预测结果。 在中长期负荷预测方法不断研究的同时m ，空间负荷预测的研究也在逐步深入进行 1 8 - i o 。1 9 7 5 1 9 7 9 年的e p r i 5 7 0 方案发展出两种不同的空间负荷预测方法：趋势法和多 变量法。但精度都不高。1 9 8 3 年，美国的l e ew i l l i s 等人提出了空间负荷预测的用地仿真 法。该方法具有较高的精度，是目前空间负荷预测主要采用的方法。 1 3 2 配电网网络优化设计研究现状 与高压系统相比，中压配电系统数据量相当庞大，因此一些常用的高效优化算法不能 直接应用于配电系统模型中，目前还没有有效可行的解决办法。一段时间来，人们在优化 过程中常进行一定程度的简化处理，忽略一些次要的影响因素，以求得满意可行的优化结 果。 在已有的各种优化模型中，可根据对负荷特征与系统构成情况的不同考虑来加以分类， 一4 一 第l 章概述 即有“静态”与“动态”、“整体”与“局部”之分。“静态”是指对系统负荷的考虑，是以 某一目标年为标准的特定负荷，由此只能得到对应于该年的系统优化情况；而“动态”则 是指考虑系统负荷为一个逐年变化的过程，根据各年的负荷情况来优化出一个系统的最优 发展过程。“局部”是指对系统进行优化时将对配电变电站的优化与对配电网络的优化分开 进行，即先得到配电变电站的位置，投入容量与供电范围数据，再进行配电网络的油画； 而“整体”则指同时进行对配电变电站与配电网络的优化。 在规划模型的表现形式上，依据是否考虑线路固定投资的影响又可分为两类，忽略固 定资产时，一般可将模型表示为线形费用的运输问题，这样可以利用一些现有的较成熟的 优化算法进行计算，能使解决问题的规模变得很大，具有计算灵活性强的特点，但由于没 有考虑固定投资的作用，势必影响到其解的最优性；当考虑固定投资时，模型又变为混合 整体规划问题，这是对原问题的较好表示，被广泛采用【1 1 1 。在对这一问题求解的过程中， 一般采用分枝定界算法或将非线性的网络费用逐步线性化，而利用网络流算法来进行求解。 此外也有一些其他方法用于这一闯题的计算，如：遗传算法f 1 2 、模拟退火法等。上述这 些方法各有优缺点：分枝定界算法一般可以找到系统的最优解。但是其计算的工作量与问 题的规模成指数关系增长，因而严重限制了它的使用性；而网络流算法虽然能够求解较大 规模的网络，但在线性化处理过程中而引入的“假想价格”，一般其初始值选择的不同要影 响到最终所得结果的最优与否，对于不同参数的网络要区别对待；遗传算法 1 1 、模拟退火 法等，一般只能得到原问题的一个较好解或接近最优解。 1 4 本文的主要内容 本文主要研究对象是城市中压配电网( 以下简称配电网) 规划。城市发展需要电力发 展的支撑，依靠城市中低压配电网直接为社会发展和人民生活提供电力保障。城市配电网 规划的基本思路是，以电力需求为导向，充分考虑城市中低压配电网建设的社会效益和经 济效益。规划安排的电网建设项且必须有利于电力市场的开拓和供售电量的增长，有利于 电网的安全稳定运行，有利于为城市的经济发展和人民生活水平的提高提供优质可靠的电 力供应。配电网规划应当充分发挥市场在电网资源配置中的基础性作用，充分体现规划的 宏观性和指导性，坚持电网的可持续发展战略，提高资源利用率，加快城市电网的技术创 新，以确保城市电网的安全经济运行。 本文抓住配电网规划研究中的几个重点方面：负荷预测、网络优化，通过在连云港新海 城区规划的实际应用，分析应用效果，对已有的一些方法从理论及算法上进一步完善，主 一5 一 东南大学工程硕士学位论文 要体现在以下几个方面： 1 针对目前配电网规划中不同的负荷预测方法存在的不足，应用组合预测的方法加以修 正，即具有严格的理论基础又有很好的可实施性。 2 在原有网络优化模型的基础上，探讨了在规划模型中考虑配电网树状运行方式要求的 新方法，以求简化树状约束的求解过程，提高配电网络规划的效率。 3 运用所发展的负荷预测方法对连云港市城区的负荷进行了预测，其结果与实际基本相 符。 一6 第2 章配电网负荷预测 第2 章配电网负荷预测 配电网负荷预测是对配电网未来一定时期内负荷的功率和用电量的预测。目的是为配 电网调度运行部门和规划设计部门提供制订工作计划和发展规划所需的数据和资料。负荷 预测之前所需收集数据的工作巨大，如规划年的地块发展规划，历史年的电量和负荷数据， 居民的用电状况，g p p 数据，工业企业的m d 值等都是必要的数据。 配电网负荷预测按预测期限的不同可分为短期、近期( 如5 年) 、中期( 如1 0 年) 和远期( 如 2 0 年) 的预测，其中近期、中期日和远期的负荷预测通常也统称为规划设计负荷预测。在电 网规划时，不仅要有总量预测，还要知道负荷分布，由于这种预测要确定负荷的地点，负 荷的大小和负荷的时间三个要素，故有人称它为空间负荷预测4 4 - 2 6 1 。 2 1 常规负荷预测方法 短期负荷预测一般用于配电网调度运行，以预测负荷的功率为主，据以制订电力生产 计划，决定配电网运行方式和安排设备检修及更换程序。短期负荷预测的方法很多，各国 的实践经验表明，以时间序列法较为成功。经常采用的数学模型有自回归模型( a r ) 、动平 均模型( m a ) 、自回归一动平均模型( a r 姒) 和累积式自回归一动平均模型( a r i 姒) 四种。 短期负荷预测的基本方法分为几个步骤： 1 确定要预测的量( 功率还是用电量) 以及预测量的时间间隔，并按这些要求取足够多的 历史记录资料； 2 分析负荷的历史资料，建立最适于描述这个负荷变化过程的模型； 3 根据模型本身的特性及已知负荷记录资料，对它进行辨识与参数粗估计； 4 进行参数的精确估计和模型使用合理性的检验； 5 建立预测模型，在连续预测过程中，对于在线预测，预测模型将不断调整本身的参数； 对于离线预测，应不断校正预测模型。 时间序列预测，就是根据到目前为止的历史资料数据，即时间序列，- 所呈现出来的发 展趋势和规律，用数学方法进行延伸外推，估计出未来各时期t + i ，t + 2 ，的指标预测值。 以时间t 作为自变量的回归分析法可算做一种时间序列法，指数平滑法和移动平均法也是 常用的方法。以下介绍在配电网规划中常用的负荷预测方法。 1 东南大学工程硕士学位论文 2 1 1 指数平滑法 指数平滑法也是一种曲线拟合法，以最近r l 期负荷资料的加权平均值作为下一期的预 测值。其基本思想就是对不同历史时刻的数据区别对待，也即对历史数据按照”重近轻远 的原则加以不同的权值进行叠加，以强化近期数据的作用，弱化远期数据的影响。这样， 离目前时刻越近，曲线拟合的越精确。指数平滑法需要保留的资料少，计算简便，近期预 测精度高，但无法计算置信区间。指数平滑预测法的适应性强，变动较大的时序也可以预 测，但平滑系数的选择带有主观性。 ( 一) 水平趋势的指数平滑 如果历史数据是比较平稳的，适合采用水平趋势的指数平滑法。选取平滑系数a ( o o 1 ) ，则递推计算公式为： 氛l = + ( 1 一口) 毫 ( 2 1 ) 其中，t 、。m 、分别是t 时刻和( t + 1 ) 时刻的预测值。t = l ，2 ，t 。 应用公式时，首先需要由预测者估计给出初值而。当数据点较多或平滑系数q 接近于1 时， 五的选取并不重要，可取五= 而。当数据较少且a 偏小时，初值的选取对预测结果的影响 较大，这时可采用最初若干时刻实际值的平均数做为初值。 在指数平滑中，平滑系数a 的选取非常重要，其大小体现了不同时刻的数据在预测值 中所起的作用，直接影响预测结果。a 接近1 时，各期历史数据的作用迅速衰减，近期数 据作用最大。a 取值越小，各期数据的作用缓慢减弱，呈比较平稳的状态。因而，当时序 变化较为平缓时，a 值可取的较小。水平趋势的指数平滑只能预测一期。 二) 线性趋势二次指数平滑 线性趋势二次指数平滑是对水平趋势的指数平滑值再进行一次平滑。水平趋势的指数 平滑直接利用一次指数平滑值作为预测值，而二次指数平滑是用平滑值对时序存在的线性 趋势进行修正。常用的是b r o w n 单参数线性指数平滑，其平滑公式为 = 口+ ( 1 一。i - 1 i ( 2 2 ) 砖2 = 斛”+ ( 1 一曲珊( 2 - 3 、 其中，砖”和2 分别为一次和二次的指数平滑值，a 是平滑系数，k 为各时刻实际值。由 此得到平滑模型的两个参数 一3 一 第2 章配电网负荷预测 口f - - 2 s ；”一2 岛= 击( 妒一帕 ( 2 - 5 ) 这样，用m 表示超前期数，曩+ 。表示( t + m ) 时刻的预测值，可得到线性平滑模型： r m2 q+岛m(2-6) 初值选取：研- ) = 研：) _ y ，q = 誓，岛= 史王蔓立妻蚴。 二次指数平滑可以预测未来几期的负荷值，但也不宜过长。当时间趋势为二次多项式 时，还需要进行三次平滑。三次指数平滑几乎适用于所有的问题。 ( 三) 三次指数平滑 三次指数平滑反映了曲线的非线性趋势，当时序过程有曲率变化时常被采用。三次指 数平滑与线性二次指数平滑一样，平滑值并不直接用于预测，而是用于建立预测模型。 仍以e + ，表示( t + m ) 时刻的预测值，l 表示各时刻实际值，建立三次指数平滑预测模 型： = q + 岛埘+ 吾c f 埘2 ( 2 _ 7 ) 其中： q = 3 毫”一3 霹2 + 砖” ( 2 8 ) 岛2 南【( 6 5 弘o o 一8 社( 4 嘲) 绷( 2 删 q = 志( 砖”一2 砖2 ) + ) ( 2 - t o ) q 2 i 可”。2 + 三次指数平滑值的计算公式为： 砖= 耐2 + ( 1 一力耀? ( 2 一i i ) 初雠取：1 ) - 2 3 q 岛= 学舻学。 ( 四) 指数平滑法预测流程图 二次指数平滑与三次指数平滑的预测步骤可由流程图2 1 表示。 一9 一 东南大学工程硕士学位论文 图2 1 指数平滑预测流程图 2 1 2 回归分析法 回归分析法是用时间、人口、工农业产值等相关因素作自变量，以用电量作因变量， 根据历史规律用数理统计方法建立适当的数学模型，通过模型校验，校验所求得的方程是 否具有使用价值和可行性；判断回归方程的可行性后，由自变量计算预测值和置信区间。 下面一元线形回归为例简述预测步骤： 在确定了自变量和因变量后，以x 表示硬性因素自变量、y 表示各时刻因变量负荷值， 建立一元线性回归负荷预测模型 咒= a + 玩+ s ( 2 1 2 ) 其中a ，b 为待求回归系数，设残差( i = l ，2 ，) 为各时刻负荷的估计值。 采用最小二乘法，按残差平方和最小求出a 和6 ，得到多= a + b x ，其中 1 0 第2 章配电网负荷预测 ( 2 - 1 3 ) a = 去喜_ b 善n 船( 2 - 1 4 ) 模型校验。求y 与x 的相关系数r ，并有“相关系数校验表”，判断r 是否大于起码值n ； 若校验通过，则由已知的自变量x 的预测值，按照多= a + 6 x 求出因变量的待测值多； 求出回归方程标准差s ； 根据要求的预测精度( 显著性水平a ) 决定预测值的上下限，得到置信区间 ( , p - - t ，a ： s , 印s ) 其中，为显著性水平为a ，自由度为n 一2 时的t 统计量，可查t 检验表得到a ( 1 ) 一元线性回归模型要求自变量和因变量尖存在着线性关系。虽然实际情况中往往不满足 这个条件，但可以通过适当的办法将他们转化为线性关系。 ( 2 ) 多元线性回归预测模型： 当预测对象y 受到多个因素影响时，如果各个影响因素与y 的相关关系可以同时近似 的线性表示，这是则可以建立多元线性回归模型来进行分析预测。 模型可表示为： y i = b o + 6 1 石l f + b 2 x 2 j4 - + 6 m x l + d ( 2 1 5 ) 式中，表示待求的回归系数。 其矩阵形式为y ；x b + e ，最小二乘法求解可得 占= 伍7 x ) - 1 x 7 ( 2 1 6 ) 由求得的回归系数，可以计算出历史数据的拟合值及规划年的预测结果力 夕i = 占o + 占l 工“+ 占2 x 2 ，+ + b 成一玎 采用多元线性回归有可能出现多重共线性现象，所谓多重共线性，是指自变量之间又 存在线性关系，或接近线性关系。应用最小二乘法估计参数的一个重要条件是自变量之间 不完全的线性相关，否则最小二乘法就失效了。若自变量间存在高度的相关性，即有严重 的多重共线性时，会出现参数估计精度降低、回归系数负荷不符物理意义等现象，最终可 东南大学工程硕士学位论文 能导致预测失败。因而必须予以消除。多重共线性的判断，可通过计算自变量之间的相关 系数或利用不包含某个变量的复相关系数来进行。消除方法有：剔除不必要的解释变量、 增加观测值、采用逐步回归法估计参数等。 ( 3 ) 非线性回归预测模型： 对回归方程可化为若干个函数相加形式的非线性回归问题，通过变量变换可以转化为 线性回归模型。如多= 蕊“可转化为少= 口+ b x ，其中y = ly 口= la ：夕= 口+ 缸+ 魏2 可转化为多= 4 + 嘲- i - c x 2 ，其中一= x , x 2 = x 2 对于一般的非 线性回归模型，一般采用高斯一牛顿迭代法求解 8 】 ( - - ) 自变量的选择 回归预测模型所选的自变量要与因变量密切相关，而自变量间不应有较强的线性关系。 常用的选择方法有逐步引入法、逐步剔除法和逐步回归分析法【”。自变量和因变量之间、 各自变量之间的关系可以通过相关性检验来验证，如r 检验、f 检验、肼检验。文献提出 了一种应用遗传规划法自动寻找与负荷变化密切相关因素，以其作为自变量，生成函数表 达式，建立负荷预测模型的方法。 ( 三) 模型检验 回归模型建立后，是否与实际数据有比较好的拟合度，其模型的线性相关性如何，能 否用于实际预测等，都必须进行数理统计和经济意义的检验。常用的统计检验有标准离差 s 检验，相关系数r 检验、显著性f 检验和随机性d w 检验。 ( i ) 标准离差s 检验 检验回归模型的精度，一般要求主三 ， 则检验通过。 矩阵计算公式 ( 2 2 1 ) ( i i i ) f 检验 判断全部自变量的整体作用与因变量的线性关系是否显著。取显著性水平a = 0 0 5 ，自 由度n - m l ，查f 检验表，得到f 临界值只。当f c 时，认为自变量和因变量在a 显 著水平下存在线性统计关系。检验通过：否则，所建模型无效。可能是漏选了有重要影响的 因素或自变量与因变量的关系非线性。 ，：亟二立2 ，开s 1 3 一 孵 甓 ! 筹 一 一 一酽一，藤孵 东南大学工程硕士学位论文 矩阵计算公式 i ，b 7 x 7 y ，= 。 历r ( i v ) t 检验 检验每一自变量与因变量关系是否显著。通过逐一检验回归系数岛，判断自变量t 是 否因6 ，= o 而必须删除。查检验表，若o 么，检验通过：否则，说明葺对y 影响不显 著，或自变量间存在多重共线性，应予以删除或做某种处自理 ：鱼：牟( 2 - 2 5 ) ( v ) 肼检验 d w 检验是序列相关检验，检验同一变量前后期间相关关系。在显著性水平a 下，查d w 检验表，得到样本个数为n ，变量个数为m 时的临界值吃和4 若吃 d w ( 4 - d 。) ， 则检验通过，同一变量前后无序列相关 ( 四) 计算流程图 ( 岛一印。) d 形= 点l 一 砰 ( 2 - 2 6 ) 图2 2 给出了回归分析预测的计算流程图，该流程是针对多元线性回归分析和一元非 线性回归分析的。 1 4 第2 章配电网负荷预测 2 1 3 电量预测法 图2 2 回归分析预测流程图 电量预测法是先预测年用电量，再除以最大负荷利用小时数从而得到最大负荷数值。 年最大负荷利用小时数可用年平均日负荷曲线的负荷率乘以时间8 7 6 0 h 求得。电量预测法 一般可按工业、农业、交通运输、市政生活等负荷分类进行，具体可采用的预测方法较多， 常用的有单耗法、综合用电水平法、外推法和弹性系数法四种： 墼堑洼i 即单位产品电耗法，是通过某一工业产品的平均单位产品用电量以及该产品的产 量，得到生产这种产品的总用电量，计算公式是 a - b g 式中 用电量 卜产品产量 r 产品的单位耗电量 一个地区的工业生产用电，可按照行业划分为若干部门，如煤炭、石油、冶金、机械、 建筑等，再对每个部门统计出主要产品的单位产品耗电量乎，知道了每种产品的产量西， 就可得到n 种工业产品总用电量 一1 5 一 东南大学工程硕士学位论文 a = 6 管 用于预测时，可以用未来某事端的产品产量预测值6 f 代替公式中的6 ，单位产品电耗 仍用现在值乎，用电量预测公式为 j ；i ：窆珏( 2 - 2 8 ) 1 - 1 如果单位产品电耗发生变化，先用某种方法( 如回归法) 对单位产品电耗作出预测宙， 再代入上式得 j ：窆硒( 2 - 2 9 ) i - 1 单耗法需要作大量细致的统计调查工作，近期预测效果较佳。但实际很难对所有产品 较准确地求出其用电单耗，即使作，工作量也太大，有时考虑用国民生产总值或工农业生 产总值b ，结合其电量单耗( 产值单耗) g ，计算出用电量a = b g ，这就是产值单耗法。 综合用电水平法 根据地区人口和每人平均年用电量来推算年用电量。适用于预测市政生活用电，其关 键在于依据充足、参数适当( 如先对典型小区进行调查分析) ，最好作出综合用电水平指标 的分项分析。计算公式是 a = s d( 2 - 3 0 ) 式中a - 某地区年( 月) 用电量 s 该地区人口数 d 平均每人用电量 作预测时，首先预测出未来某时期的人口数量，和人均用电量，未来用电预测公式。 外推法：运用历史资料和数据加以延伸，来推测未来各年的用电量。适用于历史资料 较为完整的现有配电网。常用的外推法为回归分析法和平均增长率法。 平均增长率法 根据历史规律和未来国民经济发展规划，估算出今后的用电量平均增长率，在一定时 期内可采用同一增长率来测算。也可采用分阶段的不同增长率来测算。 平均增长率法较简单，设第m 年的用电量为彳m ( h )，第n 年用电量为爿呱h ) ， 则从第n 年至第m 年( n ) 的用电量为 ( 2 3 1 ) 爿f = 爿一( 1 + k ) 。” ( 2 3 2 ) 弹性系数法 电力弹性系数是所考核地区的总用电量平均年增长率与工农业总产值平均年增长率的 比值。电力弹性系数应根据地区用电性质、各类用电比重发展趋势，再参考历史资料加以 分析后慎重确定。弹性系数法一般只适用于校核中期或远期的预测。设以往用电量和国民 生产总值平均增长率分别为母和觳，从而得出电力弹性系数 e ：堡( 2 3 3 ) k x 如果用某种方法预测未来m 年的弹性系数为k，国民生产总值的增长率为e x ，可 的电力需求增长率为的，_ e k x 这样就可按照上述外推法得出第m 年的用电量爿，= 鸽( 1 + k ，) ” 2 1 4 负荷密度法 将配电网供电范围分成若干功能区，由各分区现有负荷值计算现有负荷密度值，然后 根据地区规划中有关的分区规划( 如经济发展、产业结构、市政建设、人口、居民生活水 平等) 参考国内外类似分区的用电水平，估计规划期内各分区可能达到的负荷密度预测值。 该方法适用于地区内大量分散的用电负荷，至于少数集中用电的大负荷，可另作为点负荷 单独考虑。 2 1 5 分电压等级负荷预测 为了决定各级电压变电所的个数、容量以及箕地区分布，在预测配电网供电地区总负 荷的同时，尚需预测分电压等级负荷或分区负荷数值。可用地区最大负荷预测值乘以负荷 分散系数( 通常大于1 ) 后，再分配到各电压等级或各分区，得出相应的负荷分布情况。也 可用预测到的各电压等级或各分区负荷值之和，除以负荷分散系数，来求得总的地区负荷 预测值。 一1 7 一 东南大学工程硕士学位论文 2 2 空间负荷预测 近年来，负荷发展和变化的情况比较复杂，用传统的负荷预测方法得到负荷的大小和 地理分布都存在着较大的偏差。为了适应实际的需要，8 0 年代初w i l l i s h l e e 提出了空 间负荷预测理论( s p a t i a ll o a df o r e c a s t i n gt h e o r y ) ，该方法不仅能够预测未来的负荷 量的变化规律，而且对未来的负荷地理分布情况也作出了相应的预测。w i l l i s 在不少城市 的配电网规划时应用了空间负荷预测的方法，都取得了很好的结果。此后北卡莱罗纳大学 的m o - y u e nc h o w 和电科院进行了将空间负荷预测应用在实际的城市配电网规划中的研究， 也得到了较好的效果。目前应用较为广泛的空间负荷预测方法有：网格法、按单位用地的 电量进行的预测以及类比法等。 空间负荷预测优点 对于新开发的地区，本来就没有历史年的负荷数据，因此也就不能用趋势法来进行预 测，丽用空间负荷预测的方法就不存在这样的问题。由于电网中经常出现的负荷转移问题 也会对常规负荷预测方法的结果产生很大的影响，空间负荷预测方法可以不受它的影响。 常规负荷预测方法很难考虑到小区的用地类型发生变化的负荷发展情况，而空间负荷预测 方法可较容易的做到。空间负荷预测方法可与需求方管理( d s 抑软件一起使用。空间负荷 预测方法得到的结果不但有将来的负荷值，而且还有这些负荷在地理上的分布，这对于配 电网规划有很大的好处。 空阃负荷预测的一般过程 将要进行负荷预测的区域划分为一个个的小区，一般的划分方法是将预测区划分为规 整的一个个小区，这样可以对大多数情况的处理采取一致的方法，当然为了收集数据的方 便也可以用按功能块来划分。这一步和网格法一样，因为网格法可以认为是空间负荷预测 的早期应用，它是在已经划分好的各个小块中使用经济模型预测和时间序列预测等方法， 得到的结果误差比较大，而现在国内外主要的研究方向集中在提高模拟法的实用性。通过 向政府规划部门收集各预测小区未来的土地规划方案，并输入到g i s 系统中，通过g i s 系 统就可以得到各预测小区用地类型的分布情况和相应的面积大小。每- - , j , 区各类负荷和相 关因素的历史值和预澳0 值也可以从g i s 系统中得到。在用她类型的基础上对各小区负荷进 行预测，可以使用各种不确定性预测方法、模糊专家系统方法等各种方法，得到各小区的 负荷值。将各种负荷类型相加，可以用同时率的概念相加，也可以通过负荷的典型日负荷 曲线相加得到整个系统的负荷预测值，负荷的典型日负荷曲线由终端负荷分析得到。 一1 8 一 第2 章配电网负荷预测 空间负荷预测的难点 数据方面的困难。某些数据在供电部门的日常运行时，不进行收集，如各个规整小区 的历史负荷数据。有些数据要通过与当地的规划、统计部门协作才能得到，如当地的人口 和经济指标等。有些相关因素的预测值可能比负荷预测值更难得到，如各行业产值的预测 值。 方法处理方面的困难。某些系数要由专家的意见来确定，因此需要进行相当多的调研。 在数据有可能收集不全的情况下考虑用其它数据来替代。为处理数据方便，最好能和地理 信息系统( g i s ) 、数据库相结合。由于涉及的数据量大，因此对硬件的要求比较高，同时软 件的运行也时间较长。 可行的解决方法可在各小区应用各类不确定性的负荷预测方法，特别是应用了模糊概 念的不确定性负荷预测方法。同时建议利用g i s 系统来实现数据的整理工作。 2 。3 智能预测方法 智能预测方法包括灰色理论预测、模糊预测、神经网络方法等。本文着重讨论灰色理 论预测和模糊预测的方法。 2 3 1 灰色理论预测 2 0 世纪8 0 年代，我国邓聚龙教授首次提出了灰色系统理论灰色系统理论视不确定量 为灰色量。在预测问题中，把观测数据序列看作是随时间变化的灰色量或过程，而不是视 为一个随机过程，通过累加生成和累减生成逐步使灰色量自化，从而建立相应于微分方程 解的模型并做出预报。在负荷预测中常用的是g m ( 1 ，1 ) 模型。 2 3 2 模糊预测 模糊数学是用数学方法研究和处理具有“模糊”现象的- - n 科学，它创立于1 9 6 5 年， 由美国加利福尼亚大学z a d e h 教授在其发表的著名论文“模糊集合”中首次提出，并给出 了模糊概念的定量表示法。我国于7 0 年代开始了这方面的研究工作，模糊数学及其在各个 方面的应用，如模糊判断、模糊决策、模糊控制、模糊聚类等，都取得了迅速发展。因如 模糊数学的概念可以以内过来描述电力系统中的一些模糊现象。将模糊方法应用与负荷预 测可以更好处理负荷变化的不确定因素，作出更合理的预测。 一1 9 一 东南大学工程硕士学位论文 2 4 组合预测 负荷预测在电力系统规划中具有举足轻重的地位，因此众多学者在这个问题上投入了 大量的研究，提出了不少方法，如：时间序列方法、回归分析法、灰色理论预测、神经网络 方法、专家系统、模糊预测方法等。但预测结果的不稳定性、预测方法的适用范围及其效 率问题一直困扰着工作者。 为了解决上述问题，预测学者在已经获得的各种方法的基础上，提出了组合预测方法。 因为在预测实践中，常常可以对同一问题采用不同的预测方法。不同的预测方法提供不同 的有效信息，其预测精度往往也不同。如果简单的将预测误差较大的一些方法舍去，将会 丢失一些有用的信息，这种做法对信息是一种浪费，应予以避免。一种更为科学的做法是， 将不同的预测方法进行适当的组合，从而形成组合预测方法。其主要目的是综合利用各种 方法所提供的信息，尽可能的提高预测精度。只要组合适当，这一目的是完全可以实现的。 2 4 1 组合预测发展 自从j m b a t e s 和c 飘j g r a n g e r 首次提出组合预测方法1 2 7 1 以来，组合预测的研究 已经取得很大的进展。 1 9 8 9 年，国际预测领域的权威学术刊物 j o u r n a lo ff o r e c a s t i n g ) ) 还出版了组合预 测专辑，充分说明了组合预测在预测领域中的地位。近年来，我国在组合预测方法的研究 方面也取得了一系列的研究成果，其中以电子科技大学唐小我教授和重庆大学曹长修教授 等人的研究成果尤为突出，为促进我国组合预测的理论研究与应用做出了重要的贡献。组 合预测已经成为预测领域中的一个重要研究方向，引起了众多学者的浓厚兴趣。 2 4 2 组合预测模型 负荷预测的模型有许多种，不同的模型从不同的角度出发对系统进行模拟，各有特点。 但是每一种模型都是对实际系统的简化和抽象，其所包含的变量和参数都是有限的。采用 组合预测的目的就是要建立一个组合预测模型，把多种预测方法得到的预测结果综合起来， 充分利用各模型所包含的信息，同时减少单个预测模型过程中一些随机因素的影响，以达 到更好的预测效果。 组合预测一般可分为线性组合预测和非线性组合预测两大类。虽然线性组合预测只是 不同预测方法之间的值的一种凸组合，存在着很大的局限性，但是线性组合预测相对比较 简单。研究成果最多，也最为人们所常用。本文讨论常用的线性组合预测。 一2 0 第2 章配电网负荷预测 ( 一) 单项预测模型数目的选取 采用组合预测模型首先要选取适宜的单项预测模型。单项预测模型要求多样化，这样 各模型各自都包含了一些不同的有用的信息，得到的预测结果才会好。单项预测模型数目 的最优选取尚需进一步研究。 ( 二) 组合预测模型 组合预测模型是通过求各单项预测模型预测值的加权算术平均而得到其组合预测值 的。假设在某一时段的实际值为x t ( t = l ，2 ，n ) ，而对该问题有m 种预测方法，其中 利用第j 种方法对t 时段的预测值为勘( j = 1 ，2 ，m ) ，其相应的预测误差为 屯2 勃一，则组合预测的残差为勺2 而，一t 。如果各种预测方法的权重为 = ( q ，仍，y ，满足 q = l j = l 。组合预测模型可以表示为 或写成 气= q 气+ 哆毛+ 鸭是，+ + = 哆以 y - l ( 2 3 4 ) 爻、= 妇 其中，叠。，表示组合模型在各时刻t 的组合预测值，x o = 瓯- ，：，磊。) 7 j = ( 毛) 。 运用组合模型的关键是如何确定权系数哆。不同的方法有不同的导出权系数q 的优 化标准。在进行组合预测时，总是希望加权向量的选择使残差越小越好。为此应用最小 二乘法，要求组合预测误差平方和最小，即： r a i n j = 衫= ( 气一墨) 2 ( 三) 常用组合预测方法 ( 1 ) 最优组合预测模型： ( 2 - 3 6 ) 最优组合预测模型是根据“过去一段时间内组合预测误差最小”这一原则来求取各个 单项预测方法的权系数向量的。 一2 1 东南大学工程硕士学位论文 接受负权重时，最优组合预测模型可转化为线性规划问题： m i n j = w 7 s j 7 w = 1 ( 2 3 7 ) 其中矿= ( q ，o j 2 ，n k y ，e = ( 1 ，1 ，1 ) 7 ，h 是单项预测模型i 与j 的拟合方差( i ：j ) 和拟合协方差 - 0 的约束，即： n l i n j = w 7 h w j j e 7 矿= l w o( 2 - 3 8 ) c o ) ：( 土，三，与 解这个线性规划时，可以选取初始值 研t n m ，然后迭代求取精确解。 在精度要求不太严格时，考虑到两种不同单项预测