基于灰色理论的农网负荷预测毕业论文.doc

目录目录 摘要 1 ABSTRACT 2 前言 3 1概述 3 1 1负荷预测的研究背景及其意义 3 1 2农村电网简介 3 1 3电力负荷的分类及其特点 4 1 4负荷预测的分类及其特点 7 1 5负荷预测的准备工作 7 2负荷预测的一般方法 8 2 1负荷预测的一般过程 8 2 2负荷预测的基本要求 9 2 3几种常用的负荷预测方法 9 2 4中长期负荷预测的问题描述 10 2 4 1年度预测问题 10 2 4 2月度预测问题 11 2 5灰色预测法 12 3基于灰色理论的预测模型建立 12 3 1灰色预测理论的概念 12 3 2灰色预测基本原理 13 3 3灰色预测模型的建模 14 4算例分析 15 4 1实例建模 15 4 2负荷的预测 18 4 2 1模型精度检验 18 4 2 2还原检验 18 4 2 3未来负荷预测 19 5结论 19 参考文献 21 致 谢 22 沈阳农业大学学士学位论文 1 毕业论文 设计 原创性声明毕业论文 设计 原创性声明 本人所呈交的毕业论文 设计 是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成本人所呈交的毕业论文 设计 是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 据我所知 除文中已经注明引用的内容外 本论文 设计 不包含其他个人已经发表或撰果 据我所知 除文中已经注明引用的内容外 本论文 设计 不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果 对本论文 设计 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中作了明确写过的研究成果 对本论文 设计 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中作了明确 说明并表示谢意 说明并表示谢意 作者签名 作者签名 日期 日期 毕业论文 设计 授权使用说明毕业论文 设计 授权使用说明 本论文 设计 作者完全了解本论文 设计 作者完全了解 学院有关保留 使用毕业论文 设计 学院有关保留 使用毕业论文 设计 的规定 学校有权保留论文 设计 并向相关部门送交论文 设计 的电的规定 学校有权保留论文 设计 并向相关部门送交论文 设计 的电 子版和纸质版 有权将论文 设计 用于非赢利目的的少量复制并允许论子版和纸质版 有权将论文 设计 用于非赢利目的的少量复制并允许论 文 设计 进入学校图书馆被查阅 学校可以公布论文 设计 的全部或文 设计 进入学校图书馆被查阅 学校可以公布论文 设计 的全部或 部分内容 保密的论文 设计 在解密后适用本规定 部分内容 保密的论文 设计 在解密后适用本规定 作者签名 作者签名 指导教师签名 指导教师签名 日期 日期 日期 日期 基于灰色预测法的农网负荷预测 2 注 意 事 项 1 设计 论文 的内容包括 1 封面 按教务处制定的标准封面格式制作 2 原创性声明 3 中文摘要 300 字左右 关键词 4 外文摘要 关键词 5 目次页 附件不统一编入 6 论文主体部分 引言 或绪论 正文 结论 7 参考文献 8 致谢 9 附录 对论文支持必要时 2 论文字数要求 理工类设计 论文 正文字数不少于 1 万字 不包括图纸 程序清单等 文科 类论文正文字数不少于 1 2 万字 3 附件包括 任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 4 文字 图表要求 1 文字通顺 语言流畅 书写字迹工整 打印字体及大小符合要求 无错别字 不准请他人 代写 2 工程设计类题目的图纸 要求部分用尺规绘制 部分用计算机绘制 所有图纸应符合国家 技术标准规范 图表整洁 布局合理 文字注释必须使用工程字书写 不准用徒手画 3 毕业论文须用 A4 单面打印 论文 50 页以上的双面打印 4 图表应绘制于无格子的页面上 5 软件工程类课题应有程序清单 并提供电子文档 5 装订顺序 1 设计 论文 2 附件 按照任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 次序装订 3 其它 沈阳农业大学学士学位论文 3 摘要摘要 随着社会主义新农村的建设进一步加快 农村正发生着翻天覆地的变化 乡镇企业的兴起 农 民生活的不断提高 农业的用电量在不断增加 对农村供电的质量也提出了更高的要求 因此对农 网的负荷预测是必要的 农村电力负荷预测是供电部门的重要工作之一 负荷预测的结果准确 就 可以根据预测结果合理地安排农网变压器的启动和运行状态 保持农村电网运行的安全稳定 减少 不必要的变压器投入量 合理安排电网的检修计划 保证农业的正常生产和农民的正常生活 有效 地降低农业生产生活成本 提高用电质量 提高农村经济效益和社会效益 20 世纪 80 年代后期 全球出现了许多新型的负荷预测方法和模型 与经典的预测方法相比 他们具有精度高 自学习能力强等优点 但是也有一些缺点 比如收敛速度慢 只是表达困难等 对于负荷预测来说 并不是单一的方法和模型能解决的问题 因此必须用两种甚至更多的方法互相 配合方可达到预期的效果 本文介绍了农村电网的一些特点 并针对农村电网自身的特点 采用了 灰色预测模型和线性回归法对农村电网未来负荷进行预测 关键词 关键词 农村电网 负荷预测 灰色模型 基于灰色预测法的农网负荷预测 4 Abstract With the construction of socialist new countryside and further acceleration of rural earth shaking changes are taking place The rise of township enterprises farmers living rising agricultural consumption is increasing the quality of rural power supply put forward higher requirements therefore rural power grid load forecasting is necessary Rural electric power load forecasting is one of the important work of the electricity sector the load forecast is accurate we can arrange a reasonable prediction Rural transformer and running the state to maintain security and stability of the rural power grid reduce unnecessary transformer input maintenance scheduling grid reasonable arrangements to ensure the normal agricultural production and farmers live a normal life and effectively reduce agricultural production and living costs improve power quality enhance rural economic and social benefits The late 20th century 80 appeared in a number of new global load forecasting methods and models Compared with the classical prediction they have high accuracy the advantages of self learning ability but also some disadvantages such as slow convergence but the expression of difficulties The load forecast is not a single method and model can solve the problem it is necessary in two or more co ordinated approach to accomplish the desired results This article describes some characteristics of the rural power grid and its characteristics for rural power grid using the gray model and linear regression on the future of rural power load forecasting Keywords Rural power network Load forecasting 沈阳农业大学学士学位论文 5 前言前言 随着用电量的不断增加 对新建变电所来说 不仅仅要满足当时社会对电量的需 求 还因考虑到满足今后若干年内用电量的增加 这就要求在新建变电所时必须对未 来负荷进行预测 本文将采用灰色模型的方法建立负荷预测模型 并对辽宁省营口市 熊岳镇进行负荷预测实例操作 以指导对原来变电所的改造工作 1概述概述 1 1 负荷预测的研究背景及其意义负荷预测的研究背景及其意义 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 用户的负荷需求量与负荷特性的要求 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 因此各国电力系 统研究人员都在不断研究并发展电力系统负荷预测理论 负荷预测对电力系统许多部 门都起着重要作用 例如 5 年以上的长期负荷预测是制定变电所建设规划的基础 年 负荷预测为变电所内变压器的运行状态提供依据 目前 负荷预测已经成为现代化电 力系统运行和管理的一个重要研究领域 做好电力负荷预测工作是实现电网安全 经 济运行的重要保障 1 2 农村电网简介农村电网简介 随着国家支农惠农政策的相继出台 农村经济得到迅猛发展 农民生活逐年改善 至 2007 年 农业生产总值达到 28910 亿元 粮食总产量达到 10030 亿斤 农民的人均 纯收入 2007 年达到了 4140 元 增幅扣除了物价指数之后和 2006 年相比农民人均纯收 入增长了 9 5 随着全面实现城乡同网同价 机械化生产 电气化生活在农村逐步推 广 电视机 电冰箱 洗衣机 电磁炉 电饭煲 空调等家用电器得到迅速普及 农 村的用电量日益增大 以每年约 10 15 的速度持续递增 以下是 1998 年至 2005 年辽宁省全社会用电量数据 基于灰色预测法的农网负荷预测 6 图一 辽宁省全社会用电量走向图图一 辽宁省全社会用电量走向图 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 19981999200020012002200320042005 年份 历史数据 亿kWh 系列1 农村经济发展和农民生活水平的提高 离不开作为基础产业的电力的支持 农村 电网的坚强对建设社会主义新农村有着至关重要的意义 我国农村电网覆盖面积大 农村电网在改造以前 存在不少问题 如配电线路上负荷点多且分散 配电变压器距 离供电点离负荷中心较远 超半径供电 迂回和 卡脖子 供电线路多 用户端电压 偏低 导线截面选择与负荷不匹配 变压器在用电高峰时期过载严重 线路跳闸次数 较多 线损率高达 20 30 用电设备陈旧 农村用电人员缺乏安全用电常识 安全 用电问题突出等 为尽快适应农村经济突飞猛进的发展步伐 近几年来 通过实施农 村电网改造工程 完善工程 维护工程及户户通电工程 农村电网结构得到明显改善 变电所 配变布点更趋合理 供电质量和可靠性得到显著提高 线损率下降到 12 以 下 农村安全用电水平提高 农村电网较以往明显坚强 1 3 电力负荷的电力负荷的分类及其特点分类及其特点 电力负荷最大的特点是多变性 同一系统的负荷情况 不仅每年每月的不同 而 且每周每天甚至每个小时的都不一样 图二显示的是一天内负荷的变化 同时电力负 荷在每天的不同时刻起伏 具有较大的周期性 图二显示的是一天内负荷的变化 沈阳农业大学学士学位论文 7 图二 一天内不同时刻负荷的变化曲线图二 一天内不同时刻负荷的变化曲线 负荷的变化是一个连续的过程 一般不会出现大的跃变 由于农村的生产 生活 与季节直接相关 季节不同 人们的生产和生活方式也不同 因而农村电力负荷具有 明显的季节性 电力负荷对季节 温度 天气等气象条件比较敏感 季节的更替 气 候的变化 以及温度的升降都会对负荷造成明显的影响 农村电力负荷是指农村居民 用电和农业生产用电 此类负荷与工业负荷相比 受气候 季节等自然条件的影响很 大 这是由农业生产的特点所决定的 农业用电负荷也受农作物种类 耕作习惯的影 响 但就电网而言 由于农业用电负荷集中的时间与城市工业负荷高峰时间有差别 所以对提高电网负荷率有好处 图三 电力负荷的季节性变化图三 电力负荷的季节性变化 基于灰色预测法的农网负荷预测 8 一般电力负荷可以分为民用负荷 商业负荷 工业负荷以及其他负荷 以下对各 种不同的电力负荷及其特性进行分析和说明 1 民用负荷 它主要是居民用电负荷 具有经常的年增长以及明显的季节性波动 特点 特别是随着空调装置 电冰箱等敏感于气候的家用电器日益广泛的使用 居民负荷变化对系统峰值负荷变化的影响越来越大 2 商业负荷 它也具有季节性变动的特征 这种变化主要是由于商业部门越来越 广泛地采用空调 电风扇 制冷设备等敏感于气候的电器所致 并且这种变化 趋势正在增长 3 工业负荷 一般将它看作是受气候影响较小的基础负荷 即使是对气候因素较 敏感的工业也可以事先掌握 工业负荷具有两个特点 一是用电量大 二是用 电比较稳定 4 其他符合 主要是市政生活用电和交通运输业用电负荷等 其中交通运输用电 比较稳定 而市政生活用电的月不均衡率较高 而且在我国由于经济的快速增 长 其用电量将有比较大的增长 电力负荷分类还有其他方法 按照使用电力的负荷划分为动力用电 照明用电 电热用电 通信用电 按用户的重要性划分为一级负荷 二级负荷 三级负荷 按负荷 的大小划分为最大负荷 平均负荷 最小负荷 按负荷预测其的时间长短划分为近期 负荷 中期负荷 长期负荷 在实际环境中影响电力负荷变化的因素很多 对于这些因素可以分为以下几种类 型 1 经济因素 工业生产水平 政策发展趋势变化 电力系统的管理政策以及经济 发展趋势都会对电网负荷变化趋势生产不同程度的影响 在季节变化及年度变 化时 根据这些因素对负荷预测值进行相应的修正时十分重要的 2 时间因素 季节变化 周循环 法定假日及传统假日 常见的季节时间有日照 时间变化 季节需求比率结构的变化 学校学年开始 假期生产大幅度减少等 负荷周循环是供电区域人口工作 休息模式作用的结果 对于不同的典型季节 周 其相应的典型负荷模式也是不同的 法定及传统节日的影响体现在这些日 负荷水平比正常值低 而假日前或后的一些天中 由于趋向于一个长周末 电 力需求模式也要发生明显变化 3 气候因素 气候条件 包括温度 降雨量 云遮或日照强度等 对负荷模式变 化有着十分显著地影响 如电热器 空调及农业灌溉等 4 随机干扰 由于系统负荷是有大量分散的单独需求组合而成 系统负荷不断受 到随机干扰的影响 而这些干扰的发生事不可预知的 它们对负荷的影响也是 未知的 沈阳农业大学学士学位论文 9 1 4 负荷预测的分类及其特点负荷预测的分类及其特点 按照负荷预测的周期来分可以将其分为调度预测 短期预测 中期预测和长期预 测四种 应用于电网络规划的负荷预测主要是有短 中 长期三种 1 短期预测 其预测周期为 1 5 年 主要是为电力系统规划 特别是配电网规划 服务的 对配电网的增容 规划极为重要 同时由于短期负荷预测的时间较短 与电力系统的近短期发展直接相关 因此短期负荷预测的准确与否对于电力系 统而言是十分重要的 2 中期预测 期预测周期 6 15 年 主要用于电力系统规划 包括发电设备及输 变电设备的扩建计划 退役计划 和改建计划 同时也影响电力系统网络的规 划 中期负荷预测主要是为系统的增容 规划服务的 它是电力负荷预测中一 个重要的领域研究 特别是在进行电力网络规划时其重要性更加明显 3 长期预测 其预测未来的 16 35 年 主要用于制定电力工业战略规划 包括燃 料需求量 一次能源平衡 系统最终发展目标以及必要的技术更新 科研规划 等 但是长期负荷预测的涉及面相当广 因为他涉及到国民经济计划制定与实 际发展的各个方面 而这种预测常常不是一个电力系统只依赖本身的信息与资 料就能完成的 一般应用于对某些大型的电力建设项目进行效益论证或是进行 电力系统远景规划等情况 以上的划分方法并不绝对 应用于规划的负荷预测之间也没有明显的界限 由于 不同电压等级设备的建设周期长短不同使负荷预测的周期也要相应的变化 与一般的经济预测或需求预测相比 电力负荷预测有以下的特点 1 既要做短期预测 更应做长期预测 2 既要做电力预测 也要做电量预测 3 既要有全国的负荷预测 也要有分地区的负荷预测 4 电力负荷预测是 被动型 预测 电力负荷预测受不确定性因素影响较大 1 5 负荷预测的负荷预测的准备工作准备工作 做好负荷预测是正确选择变压器容量的前提 主要有以下几个方面 1 了解当前实际的用电负荷 首先确定新建 35kV 变电所的供电范围 从县电力公司了解供电范围内近几年的供 用电情况 其主要数据资料有 年用电量 kW h 年最大负荷 kW 年用电增长率 由于农村用电环境的制约 供电质量差 电费高等 实际发生的用电负荷小于实际用 电需求 基于灰色预测法的农网负荷预测 10 2 了解乡镇近期 远期经济发展规划 对有些有特色资源 特色产业的乡镇 应多考虑用电对山区开发所造成的瓶颈 应考虑潜在的用电负荷的增长 了解乡镇近期 远期经济发展规划 满足负荷正常发 展的要求 是考虑变压器容量的重要依据 3 考虑同网同价后农村用电正常负荷的需求 由于众所周知的原因 农民用电难 严重制约了农民用电的积极性 因此同网同 价后 农民对用电的需求将会有较大的增长 一是家电普及 二是农村加工用电 2负荷预测的一般方法负荷预测的一般方法 2 1 负荷预测的一般过程负荷预测的一般过程 负荷预测就是根据过去电网的发展状况 以及气候和国家政策等因素来对未来的 负荷情况做出判断 因此负荷预测关键就在于在于收集大量的历史数据 了解现阶段 社会的发展状况以及国家政策 建立科学有效的预测模型 采用可行实用的算法 以 历史数据为基础 进行大量试验性研究 总结经验 不断修正模型和算法 以真正反 映负荷变化规律 其基本过程如下 1 收集资料 调查收集电力企业的资料 例如发展规划 年用电量 年负荷波动情况等 收集 的资料要尽可能直接 从电力部门直接获得 和保持时新 这步工作的成果 会直接 影响负荷预测的质量 2 整理资料 一般来说 收集来的资料比较多而且乱 不便于使用 因此要对资料进行整理 包括审核资料的完整性和准确性 删掉对工作无用的资料 补充缺失数据 对不可靠 的资料加以核实调整 这样既可以保证预测质量准确 又可以减少预测阻力 使预测 周期缩短 提高工作效率 3 负荷数据的预处理 在经过初步整理之后 还要对所用资料进行数据分析预处理 根据实际情况 对 有明显差错的数据进行修正 这些数据主要是由于当时记录的原因或缺失 或出现与 实际值的重大偏差 4 建立负荷预测模型 这是整个预测过程中的核心部分 预测模型是多种多样的 要根据数据情况选择 恰当的模型 模型选择的不好 会使预测值出现错误 这就需要改换模型 实际应用 中往往同时采用几种不同的模型进行互补 减小预测值误差 之后要对影响预测对象 沈阳农业大学学士学位论文 11 的新因素进行分析 对预测模型进行恰当的修正后确定预测值 2 2 负荷预测的基本要求负荷预测的基本要求 要做好负荷预测 需要做好以下几方面的要求 1 基础资料的合理性 负荷预测的目的是得到合理可信的预测结果 负荷预测的 核心是根据预测对象的历史资料 建立数学模型来表述其发展变化规律 因此 要做好负荷预测 需要搜集和掌握大量全面 准确的资料 并且进行必要的分 析和整理 这是进行电力系统负荷预测的基础 2 历史数据的可用性 如果各种渠道所取得的数据相互矛盾 就要对历史数据进 行合理性分析与取舍 去伪存真 3 统计分析的全面性 对于大量的历史资料 要进行客观而全面的统计分析 预 测工作者应该从客观情况出发 本着实事求是的态度 反复研究和分析历史发 展的内在规律性 为预测工作打好基础 4 预测手段的先进性 包含两层含义 一是预测工具的先进性 由于数据量很大 可采用计算机进行各种统计分析及预测工作 预测人员可以从繁杂的大量计算 中解脱出来 二是预测理论的先进性 可以不断发展和应用新的预测理论与方 法 借鉴其他领域预测工作中的成功经验 使电力系统负荷预测达到一个较高 的水平 5 预测方法的适应性 预测量发展变化的自然规律复杂多样 因此要求预测方法 具有较强的适应性 2 3 几种常用的负荷预测方法几种常用的负荷预测方法 长期以来 国内外专家学者和电力系统负荷预测的研究人员进行不断地探索 形 成了一系列行之有效地预测方法 比较经典的有趋势外推法 时间序列法 线性回归 法 最小二乘法等 20 世纪 80 年代后期 一些基于新兴学科理论的现代预测方法逐渐 得到了成功应用 这其中主要有灰色数学理论 专家系统方法 神经网络理论 模糊 预测理论等 1 趋势外推法 趋势外推法是运用历年的时间系列数据加以延伸 来推算各目标年的电量 具体 做法是以各分类电量为因变量 以工农业产值 人均收入为自变量 用回归分析 建 立数学模型 反复计算 进行预测 外推法适用于 1 3 年的中期预测 在用于长期预测 其推移趋势常因出现饱和情 况而引起较大的误差 基于灰色预测法的农网负荷预测 12 2 回归分析法 回归分析法就是根据负荷过去的历史资料 建立可以分析的数学模型 对未来的 负荷进行预测 利用数理统计中的回归分析方法 通过对变量的观测数据进行分析 确定变量之间的相互关系 从而实现预测 3 灰色预测 灰色预测是建立在灰色系统理论基础上的 中长期负荷预测出了可以应用 GM 1 1 进 行常规的灰色预测外 还可以进行等维递补灰色预测 等维递补灰色预测是一种滚动预测 其原理是 以 1 n 时刻的值所构成的序列对 n 1 时刻作出预测 然后以 2 n 时刻的值以及 n 1 时刻的预测值所构成的序列对 n 2 时刻做出预测 以此类推 显然 等维递补灰色预测均以某 n 个值所构成的序列对下一时刻做出预测 即用 作预测的原始序列的长度始终固定 这也是 等维递补 名称的由来 4 神经网络理论 神经网络理论是利用神经网络的学习功能 让计算机学习包含在历史负荷数据中 的映射关系 再利用这种映射关系预测未来负荷 由于该方法具有很强的鲁棒性 记 忆能力 非线性映射能力以及强大的自学习能力 因此有很大的应用市场 但其缺点 是学习收敛速度慢 可能收敛到局部最小点 并且知识表达困难 难以充分利用调度 人员经验中存在的模糊知识 5 模糊负荷预测 模糊负荷预测是近几年比较热门的研究方向 模糊控制是在所采用的控制方法上 应用了模糊数学理论 使其进行确定性的工作 对一些无法构造数学模型的被控过程 进行有效控制 模糊系统不管其是如何进行计算的 从输入输出的角度讲它是一个非 线性函数 模糊系统对于任意一个非线性连续函数 就是找出一类隶属函数 一种推 理规则 一个解模糊方法 使得设计出的模糊系统能够任意逼近这个非线性函数 2 4 中长期负荷预测的问题描述中长期负荷预测的问题描述 2 4 1年度预测问题年度预测问题 年度预测问题中 最为常见的是年度物理的序列预测 可用图四示意这种预测 沈阳农业大学学士学位论文 13 图四 某地区的年度物理量预测图四 某地区的年度物理量预测 其中 实际值 曲线的数据采集截至 2006 年底 因此 可用 2000 2006 年的数 据对未来的 2007 2010 年连续 4 年作出预测 并得到 预测值 曲线 年负荷曲线的预测是电力系统规划中一个重要的内容 图五表示了东北电网 1998 2005 年负荷曲线 图五 东北电网图五 东北电网 1998 2005 年负荷曲线年负荷曲线 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 19981999200020012002200320042005 年份 历史数据 亿kWh 系列1 其中 每年的年负荷曲线由 12 个月的最高负荷依次连接而成 在进行预测时 就 是用历史年份的年负荷曲线数据对未来年份的年负荷曲线进行预测 年度预测中 还有年负荷持续曲线 年典型日负荷曲线的预测问题 2 4 2月度预测问题月度预测问题 基于灰色预测法的农网负荷预测 14 月度预测问题中 最为常见的是月度物理量的预测 可用图六示意月度数据 该 图描述了连续 3 年的数据 从中可以看出两个特点 一是数据明显呈现出 12 月为单元 的周期性 二是相邻年份呈现递增态势 由此可产生几类关于月度量的预测方法 月 度预测问题中 还有一类重要问题是月典型日负荷曲线的预测 图六 某地区的月度物理量图六 某地区的月度物理量 2 5 灰色预测法灰色预测法 灰色系统建模预测是近年来发展起来的一种新型预测方法 灰色理论认为 一切 随机样本量是在一定范围内变化的灰色量 将随机过程看作是在一定幅区间和一定时 间变化的灰色过程 对灰色量不是从找统计规律的角度通过大样本进行研究 而是根 据过去及现在已知或非确知的信息 把负荷序列通过生成变换 使其变化为有规律的 生成数列再建模 用于负荷预测 可在原始数据较少的情况下 通过累加在一定程度 上相对增强确定性和相对减弱不确定性 使灰色精度达到相当高的程度 灰色系统理论是现代化控制论中的一个新领域 包括已知的信息的系统为白色系 统 包含未知信息的系统为黑色系统 灰色系统既包含已知信息的白色系统 又包含 未知信息的黑色系统 我国农村用电量是多种因素的综合体现 这些因素部分是已知 的 部分是未知的或不确定的 因此可以看作是一个灰色系统 用灰色理论预测农村 用电量的方法就称为灰色预测 3基于灰色基于灰色理论的预测模型建立理论的预测模型建立 3 1 灰色预测理论的概念灰色预测理论的概念 沈阳农业大学学士学位论文 15 灰色系统理论是由邓聚龙教授于 1982 年在国际上首先提出的 长期以来普遍应用 于国民经济的工业控制 经济预测 产量预测等硬科学领域和软科学领域 成为这些 领域预测 决策 分析 控制的有利工具 灰色系统理论认为客观世界是物质的世界 也是信息的世界 根据对客观系统所 了解的信息量的多少 灰色系统理论把客观系统分为 信息完全已知的系统白色系统 信息完全未知的系统黑色系统 以及信息部分已知 部分未知的系统灰色系统 对灰 色系统的研究的主要目的在于对灰色系统建模 也就是根据已知信息建立灰色系统的 数学模型 从而预测灰色系统的未知信息 灰色系统理论把任何随机过程都看作在一 定时空区域中变化的灰色过程 而随机变量则被看作为灰色量 灰色量所表现的无规 律的离散时空数列是潜在的规律性的表现 灰色系统理论首先通过数据灰色生成把原 始数据数列处理成适合于灰色建模的有规律的数列 在得到预测值数列以后 同样还 要进行数据还原得到实际系统的预测数据 所以可以说灰色过程实质上是对生成数列 建模 在处理技术上 灰色过程是通过对原始数据的整理来找数的规律的 而其他的 一些处理方法则是按统计规律和先验规律来处理数据的 按统计规律和先验规律处理 数据的方法是建立在大样本量的基础上 而且要求数据规律是典型的规律 而对于非 典型的规律 如非平稳 非高斯分布 非白噪声 则是难以处理的 而灰色过程却没 有这样限制 灰色模型通常只需 4 个以上的数据就可以建模 而且不必知道原始数据 具有的先验特征 3 2 灰色预测灰色预测基本原理基本原理 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后再重新建模 由生成模 型得到的数据再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 灰色模型是预测工作的基础模型 以灰色系统理论的 GM 1 1 模型为基础 的预测 叫灰色预测 它可以分为以下 7 类 1 数列预测 对某一事物发展变化趋势的预测 2 灾变预测 即灾变出现时间的预测 灾变有多种 如洪水 干旱 涝等灾害 3 季节灾变预测 指对灾害出现在一年内的某个特定时区的预测 4 系统预测 指对系统的综合研究所进行的综合预测 5 包络 GM 1 1 灰色区间预测 参考数列分布趋势构造一个上 下包络线为 边界的灰色预测带 建立上 下 2 个包络模型 6 激励阻尼预测 将激励 阻尼因数以量化形式反映在 GM 1 1 模型中的预 测 叫激励阻尼预测 7 拓扑预测 也叫波形预测 整体预测 是用 GM 1 1 模型来预测未来发展 基于灰色预测法的农网负荷预测 16 变化的整个波形 3 3 灰色预测模型的建模灰色预测模型的建模 灰色理论是运用灰数建立微分方程 这种微分方程模型称为 GM Grey Model GM 1 N 表示 N 个变量的一阶微分方程 在负荷预测中常用 GM 1 1 模型 其实质 是对原始序列作一次累加生成 使生成序列呈一定规律 并用典型曲线拟合 从而建 立数学模型 xGM 1 0 令为 1 建模序列 xxxxxn 0 0 0 0 0 1 2 3 1 xx 1 0 令为的一阶累加生成序列 xxxxxn 1 1 1 1 1 1 2 3 2 xx 1 0 1 1 3 j i 1 xjxij 2 3n 1 0 1 4 xixixii2 3n 1 1 0 显然有 1 5 建立相应的微分方程为 dx axb dt 1 1 6 的微商用差商代替 ab式中为发展灰数 为内生控制灰数 采用等时距 将式中 并用两点的平均值代替 有 x 1 1 1 1 1 1 1 1 1 21 2 xixiaxixib in 7 1 1 0 1 1 1 2 xixiabxi 即 8 引入常量 0 0 0 2 3 n TYxxx 及矩阵 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 2 xx a b b xnxn B 9 沈阳农业大学学士学位论文 17 VYB b 则残差为 10 T V Vab显然应使取极小 由此作参数 最小二乘估计 1 TT a B BB Y b 11 得到时间响应函数 预测模型为 1 0 1 bb 1 1 aa a i xixei 12 1 n1 ixi 据此可得时的预测值 累减还原 0 1 1 1 2xixixii 13 0 1 0 1 1 xxix 14 至此得到原始序列的历史拟合值 xii 2n 0 1 及未来预测值 x ii 2n 0 1 x iin 1 0 建立 GM 1 1 模型一般要通过一系列检验 如建立的 GM 1 1 模型检验不 合格或精度不理想 则要对模型进行残差修正 4算例分析算例分析 4 1 实例建模实例建模 灰色预测及适用于近期预测 又是用于远期预测 为指导变电站扩容改造 现对 辽宁省营口市熊岳镇未来全社会用电量作如预测 表一是熊岳镇各年的负荷数据 表一 熊岳镇各年负荷数据表一 熊岳镇各年负荷数据 年份 项目 2006200720082009 负荷 kW 2 552 893 313 52 电量 kWh1 161 341 551 7 一式 x2 55 2 893 313 52 0 基于灰色预测法的农网负荷预测 18 xx 1 0 为的一阶累加生成序列 二式 xx xxx2 552 895 44 xxxx xxxxx 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 2 55 2 1 2 3 1 2 3 5 44 3 31 8 75 4 1 2 3 4 8 75 3 52 12 27 三式 建立相应的微分方程为 dx axb dt 1 1 其中 a b 为待定参数 记 xi 5 8 1 1 2 55 44 75 2 27 四式 1 TT a bB BB Y b 五式 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 2 0 5 2 555 44 1 0 5 5 448 75 1 0 5 8 75 12 27 1 3 9951 7 0951 10 51 1 xx xnxn B 六式 T T 3 9951 3 9957 09510 51 B7 0951 111 10 51 1 设 则 G T B B 沈阳农业大学学士学位论文 19 七式 3 9951 3 9957 09510 51 G7 0951 111 10 51 1 176 7621 6 21 61 T B B 于是 八式 22 11 22 321 6 176 76 321 6176 76 321 6 G 21 6176 76 176 76 321 6176 76 321 6 0 04710 3390 0 33902 7740 T B B 因为矩阵 九式 0 0 0 2 3 n TYxxx 十式 T 2 89 3 9957 09510 51 MB Y 3 31 111 3 52 72 025 9 72 则 如此 R 阵为 十一式 1 0 04710 339072 025 RG M 0 33902 77409 72 0 097 2 547 系数 a 0 097 b 2 547 于是三式变成 基于灰色预测法的农网负荷预测 20 dx 0 097x2 547 dt 1 1 有两个解 特解 1 2 547 X26 26 0 097 1 K 1 通解 0 097 2 X k e 1 K 1 其中为待定常数 故得 0 097 1 X 26 26 k e 1 K 1 当 K 0 11 XX 1 1 K 1 0 1 2 55 28 81 代入值于十一式 有 十二式 0 097 1 X28 81 26 26 k e 1 K 1 十二式便是灰色预测的数学模型 利用该模型可以预测未来负荷 4 2 负荷的预测负荷的预测 4 2 1模型精度检验模型精度检验 模型精度的检验是利用十二式的计算值与实际累加值进行比较 以检验模型的精 度 表二 精度检验表表二 精度检验表 序号 1 X 1 K 1 计算值累加值误差百分值 K 1 1 X 1 2 5 4855 440 0450 82 K 2 1 X 1 3 8 7188 75 0 032 0 36 K 3 1 X 1 4 12 28112 270 0110 09 沈阳农业大学学士学位论文 21 4 2 2还原检验还原检验 精度检验 检查的累加值 而还原检查的是各年的计算负荷值于实际负荷值的差 别 还原结果如表三所示 表三 还原检验表表三 还原检验表 计算值实际值误差百分值 20072 9392 890 0491 70 20083 2263 31 0 084 2 54 20093 5733 520 0531 51 4 2 3未来负荷预测未来负荷预测 2010 年 K 4 16 207kW 3 926 kW 1 X 1 5 0 X 1 5 2011 年 K 5 20 532 kW 4 326kW 1 X 1 6 0 X 1 6 2012 年 K 6 25 299 kW 4 776 kW 1 X 1 7 0 X 1 7 2013 年 K 7 30 551 kW 5 252kW 1 X 1 8 0 X 1 8 5结论结论 负荷预测本身就是一种不确定预测 因此误差在所难免 通过分析上述例子可以 看出 灰色模型在应用到负荷预测时其精度还是比较理想的 在实际应用中还应运用 多种模型来进行负荷的预测 以求达到更高的精度 通过提高负荷预测的准确性 提 高规划的可行性和可操作性 提高规划布点的科学合理性 缩短了供电半径 改善了 电能质量 改善了投资环境 加快了地方经济的发展 吸引了外来资金的投入 带动 了相关产业的发展 增加了地方税收 提高了人民生活水平 由于电力供应环境得到 改善后 2002 年至今 熊岳地区仅东坡区和彭山县就吸引了新来的外来投资企业厂家 约 70 家 相继成立开发区 3 个 近两年地区国内生产总值都以两位数的增长率增长 人民生活水平得到了大幅度提高 因此 建立高精度的负荷预测系统 提高电力负荷 的准确性 是一项十分重要的工作 它不仅能保证电力行业自身的健康发展 同时对 整个国民经济发展也将起到巨大的促进作用 其社会效益是十分显著的 随着社会主 义新农村的建设 农村电力市场正飞速发展 负荷预测的重要性也越来越受到关注 名 称 年 份 基于灰色预测法的农网负荷预测 22 并且对负荷预测精度的要求越来越高 传统的预测方法比较成熟 预测结果具有一定 的参考价值 但是预测精度不高 因此需要对传统方法进行一些改进 同时现代科学 技术的不断进步 理论研究的逐步深入 以灰色理论 专家系统理论 模糊理论等为 代表的新兴交叉学科理论相继出现 这些都为负荷预测的飞速发展提供了坚实的理论 依据和数学基础 相信负荷预测的理论会越来越成熟 预测的精度越来越高 沈阳农业大学学士学位论文 23 参考文献参考文献 1 丁毓山 杨勇主编 农村电网规划与改造 M 北京 中国电力出版社 2001 2 安鸿志 时间序列分析 M 华东师范大学出版社 1992 3 杜松怀 负荷预测方法及其影响因素明细 J 农村电气化 2001 4 17 18 4 康重庆 夏清 刘梅等 电力系统负荷预测 M 中国电力出版社 2007 5 H Lee Willis Linda A Frdey Senior Forecasting Electric Demand of Distribution System Planning in Rural and Sparsely Populated Regions J IEEE Transactions on Po