（电机与电器专业论文）基于灰色理论的中长期电力负荷的预测.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 m i d l o n g1 e 咖p o w e rl o a df o r e c a s t i n gb 嬲e do ng r c y1 1 l e o a b s t r a c t l o a d 白r a s 吐n gi s 锄i n i p o 咖l to o n 咖to f p o w 盯s y s 劬p 1 锄n i i l g 锄da 1 m eb 勰i so f p c f w e r 鞠f c 姐de c o n o m i c a l 棚n l l i n g m i d 1 0 n g 锄mp o w c rl o a df o r e c a s t i n gt a k e s50 fl o y e a 鸺船a n m l i t f o r 如f e c a s d n g 锄d i s u d t o w o r ko l i ta p l a n f b rc ) 【p 锄d i n gp i ms y s t 呱 p v i d e l i a b l er e f e r e n c ef o rc o n | i r 】 i i i l l gt l l ef 咖p o w 盯s i i p p l y i i l gs i t 鹳，p o w 盯c o n s 劬l c t i o n a l e ，p o w 盯i n d l l s t r i e sl a y o l i t ，锄df o rb a l a n c i n gp o w 盯鲥df i i n d s 锄dh 啪a n s o u r c e si l lt t l e l o c a la 乱b e c 踟鹏地i i l i d 1 0 n gt e l _ i np o w e r1 0 a df o r e c a s t i n gi s 胡硫t e db yi m n yu n c “n f h c t 0 璐，印t o w ，n o em o d e l 啪o b t a i nt l l es a t i s 匆i n gf o r e c a s t i n gr c s u l 乜瑚d c rd i 位r e n t c o i l d 雌。船o f t i t 】觚da r e 鹊。ni sn 鲫s s a r yt o 锄a l y z ct h el o c a ll o a dc h 柚g c ，t h i l l l 【a _ b o u tm e p r t i c a ls i t i l a t i o 玛锄dt 0c h o o p m p e r m e t h o d 1 1 1 i sm c s i sf i 璐n yi n 臼o d u c c s 圮i m p o r t 锄c co fp o w 口l o a df o r e c a s c i n g ，垂v e sab r i e f 锄a l y s i s c h 嬲埘e f i s t i c so fd i 腩瑚tp o w c rl o a d 锄dm a ：k e sa a r yo fp o w 髓l o a d f o r e c a s t i n g 觚e rt l l o r o u g hr c s e a r c hi n t og r e yl o a df o r e c a s t i n gm e c t l a i l i s m ，t h ei o c a l i 蒯o no f g yf o r e c 枷n gm o d e li sf o l l n d 锄dt l 圮i i n p r o v e dm e t l l o di sd c r i v c d c o n 优t i o nt og m ( 1 ，1 ) 1 】v i t l la b l u t ee 椭rg r e ym o d e li sp r e s e m e d a f 渤p r c 一骶砒m e mo nl l i s t o f i c a ld a l a ，恤 a p p l i c a b i er a n g e 柚dp 佗c i s i o fg yf o f c c 硒t i i l gm o d e li se n h a l l c c d e q u a l l yd i i i l e l l s i o n a l n 蹦i i l f 0 瑚a t i o ng ym o d c lf o c 嬲t i n gm e l ：b o dn o to l l l yo v e r c o m e sn l e 曲【o r t c o m i n gt l l a tt h e m a t h e m a l i c a l 啪d e li sc h 锄g e l e 嚣i ns i m p l eg r e yf o r e c a s t i n gm c t i l o d ，b u ta l m a | r e su 辩o f i 协a d 硼n t a g eo f h i g l lp r e c i s i o ni ns h o r tt 锄l o a df o l 优碰i l g s oi ts a t i s 矗e st h er e q u e s tf o rt l l e m i d 1 gt 锄l o a df o l _ e c a s t i i l g p e r i o de q u a id i v i s i o n r i e sm c t 圭l o dc l l a n g e sp 黜e t e r si l i d i 矗b r e n t i a t ee q u a t i o ni n t ot i m ev a r i a b l e s ，t h es h o n c o n l i n go fc s 锄tp a r 锄e t e 培i l l g m ( 1 ，1 ) i sr 锄o 、，耐t h c r c f o ，g m ( 1 ，1 ) i sm 哦印p l i c a b kf o rt h em i d - l o n g 蜘nl o a d f o r e c a s t i n g t h em c t l l o di su s e df o rf o r e c a s t i n gp o w 盯l o a do fa i l s h a na 陀a ，t l l er 瞄i i l t ss h o w s t h a tm ei m p r o v e dg m ( 1 ，1 ) m c l 】h o di sv a l i d k e ，w o r d s ；p o w 盯i o a d ，g r 町m r y a b s o l u t ee r m bn e wi n f o m a t i o na n de q 岫l j y n i 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 d i m e 聪i o n a lm o d e l p e r i o de q u a id i v i s i 如s e r i e s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：叁豳日期：丝孥乏：! 关于论文使用授权的说明 本入完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：兰隘导师签名； 丝日期：避弓出 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景和重要性 改革开放以来，我国的国民经济快速迅猛发展，各行各业对电力供应的需求也在快 速增长，使得电力系统的规模日益扩大。电力系统的作用是对各类用户尽可能性提供 可靠性高和质量良好的电能。负荷需求的大小，无论是对电力系统规划设计还是运行 研究，都是非常重要的因素。对未来负荷的变化有一个事先的预测，是电力系统发展 和运行研究的重要课题。 电能的特点之一就是不能大量储存，生产、输送、分配和消费者同时进行了的， 这就要求系统发电应该随时都和系统负荷的变化保持动态平衡，否则，轻则会影响供 用电的质量，重则会危及系统的安全与稳定，所以负荷预测是保证系统可靠供电、经 济运行的前提【l j 。 负荷预测也是电力系统规划的依据。随着工农业的发展、人民生活水平的日益提 高，社会对电力的需求量越来越大。为了满足日益增大的电力需求量，必须不断扩大 电力系统的规模。由于电力工业的发展需要巨大的投资和一次能源，而且对国民经济 其它部门有巨大的影响，合理的电力系统规划不仅可以获得巨大的经济效益，也能获 得巨大的社会效益。相反，电力系统规划的失误会给国家建设带来不可弥补的损失。 所以对电力规划进行分析研究，以求得最大限度提高规划质量，具有重大的意义，而 实现这一目标的第一步就是作好电力负荷预测。电力负荷预测的准确程度直接影响到 投资、网络布局和运行的合理性。 中长期电力负荷预测的意义在于：新的发电机组的安装( 包括装机容量的大小、 型式、地点和时间) 与电网的增容和改建，决定于对未来若干年后的负荷预测，因此 中长期负荷预测是用来做电力系统近期和远景规划的1 2 】。 准确的电力负荷预测，是电力企业电网管理现代化、科学化提供依据，电力系统 负荷预测对电力系统控制、运行起着十分重要的作用，也是电网规划的前提与基础。 准确可靠的负荷预测能保证电力系统运行的安全性，又可提高电力运行的经济性。 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 1 2 中长期负荷预测的现状和发展趋势 电力负荷，一方面是指电力工业的服务对象，即电力用户，另一方面是指上述服 务对象使用电力和电量的具体数据，即电力需求量或者用电量，而需求量是指能量的 时间变化率，即功率。电力负荷预测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，在满足一定精度要求的意义下，确定未来某特定时刻的负荷数值。包括对未 来需求量的预测和未来用电量的预测。 电力负荷预测主要的四种。 第一种是长期负荷预测。电力系统长期负荷预测是指对1 0 年以上( 可长达3 0 年) 的电力负荷的发展变化所做的预测，主要是用于制定电力系统远景规划，研究确定电 源布局和规划网络，使之满足远期负荷预测水平的需要。 第二种是中期负荷预测。中期负荷预测通常是对5 年左右的电力负荷的发展变化 情况所做的预测。主要是就着重将电网的结构及设施有步骤的过渡到规划网络，用制 定电力系统的扩建、增容和改建规划，安排电力系统长期运行方式等。 第三种是短期负荷预测。短期负荷预测是指对1 年以内的电力负荷变化情况的预 测，通常预测未来1 个月度、未来l 周、未来1 天的负荷指标。主要是解决电网存在 的主要问题，逐步满足负荷的需要，提高供电质量和电网的可靠性，用于电力生产检 修计划，安排电力系统短期运行方式等 第四种是超短期负荷预测指对未来l 小时、未来o 5 小时甚至未来1 0 分钟的电力 负荷变化情况的预测。主要用于对电网进行计算机的在线监控，实现发电容量的合理 调度，满足运行要求，使发电成本最小等。 由于负荷预测是根据电力负荷的过去和现在推测它的未来数值，所以负荷预测工 作所研究的对象是不肯定的事件。只有不肯定的事件、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【2 棚。 负荷预测的核心问题是预测的技术方法，或者说是预测的数学模型，随着现代科 学技术的不断进步，负荷预测理论技术得到很大发展，理论研究逐步深入，适合本地 特点的预测程序、软件开始出现。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 为了找到使用方便、准确度高、计算快的中长期负荷预测方法，许多人在理论和 实践上进行了广泛的研究和探讨。文献 3 中刘双和文献 4 中张毅都指出，目前中长 期电力负荷预测的方法有可分为1 ) 经典技术，包括单耗法、弹性系数法负荷密度法、 人均电量指标换算法、分部门法；2 ) 传统预测技术，包括时间序列法、相关分析法、 回归分析法、趋势外推法；3 ) 现代预测技术，包括基于动力学的预测方法、模糊预测 法、灰色预测法、专家系统法、人工神经网络法、概率预测法以及组合预测方法等等【5 1 。 对于具体的负荷类型要用具体的方法。电力负荷的中期预测和长期预测的研究手 段和方法大致相同，因此，这两者可以合在一起进行研究。中长期负荷预测主要需要考虑 社会经济的发展、人口总量的变化和地理气候的变迁。这些因素与各种社会、政策因素 有着较紧密的联系，具有一定的不可预料性。中长期负荷预测的研究已有很长历史，国 内外的许多专家、学者在预测理论和方法方面做了大量的研究工作，取得了很多卓有成 效的进展。 1 3 负荷预测的新特点 1 3 1 市场性 传统的电网运行是“以发定用”，负荷预测仅仅是由以往的负荷记录作大致地推测。 在发电市场中，电力也成为一种特殊的商品，负荷预测就是电力的市场预测，从而使负 荷预测带有市场性，负荷预测的含义与内容较之以前相比也有所延伸和扩大f 4 】。 负荷预测主要包括电力负荷的市场需求预测、市场需求弹性预测、电力生产的资源 供应预测、电力供求平衡预测、电网发展预测、国民经济发展与产业结构变化预测、经 济效益预测、新技术发展与投资方向预测等方面。在进行负荷预测时，是否要进行这些 方面的预测，要根据预测的目标，视实际需要和具体情况而定。 3 2 综合性 综合性有三层含义嘲：首先，综合性指负荷预测要综合考虑发电市场的发展规律： 其次，指负荷预测要在应用历史负荷数据的基础上，综合考虑各种影响市场的因素；最 后，必须综合运用各种预测方法和先进的计算机技术才能得到合理、精确的预测结果。 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 1 3 3 负荷预测的新功能 负荷预测具有许多新的功能，不仅用于电力系统规划和制定发电计划，还可以用于 进行系统充裕性评估、发电合同制定、合同电量分配、电价预测、预调度和实时调度等 工作嗍。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 2 电力负荷特点分析及预测的基本原理 不同的用电单位或部门，以及不同的用电设备，它们对电力的需要量、用电方式有 着明显的差别。在电力规划中作电力负荷预测时，以及在综合用电统计时，不可能也没 有必要对每一个个别的用电单位的用电特点及用电需求进行分析预测，而是采用不同的 分类方法，将规划区域范围内的电力负荷分成若干类别，然后分门别类地进行分析研究 和预测其可能的变化趋势，最后，在分类研究及预测的基础上，采用某些综合技术进行 综合研究和预测，便可得到电力规划中所需要的有关负荷资料。 2 1 电力负荷的分类及特点分析 分析掌握各主要用户的用电特点及其变化趋势，有助于进行准确的负荷预测工作。 2 1 1 工业用电特点分析 工业用电有两大特点，一是用电量大，在目前我国的用电构成中，工业用电量的比 重占全社会用电量的7 5 左右：二是工业用电比较稳定。但是在工业内部的各行业之间， 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，而机械制造业和 食品加工业的用电量相对就小些，负荷较低。工业用电在行业中的差别，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，且负荷高；三班制生产企业又比二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。由于工业用电量大，且比较稳定，就为电力负荷的预测提供了方便。只要 准确地预测出工业用电量和用电负荷，就能比较准确地预狈9 出系统的总的电量需求量和 综合电力负荷嘲。 2 1 2 农业用电特点分析 农业用电在全社会电力消耗中的比重不大，目前大约为4 2 。农业用电有一个突出 5 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 的特点，就是季节性很强。从负荷特性上看，农业用电在同内的变化相对较小，但在月 内，尤其在季度内和年度内，负荷变化很大，呈现出很不均衡的特点。例如排灌用电， 冬季负荷很小，负荷率低达0 1 ，而夏季负荷很大，负荷率高达o 9 以上，差别很大。在 目前农业用电构成中，排灌用电占6 4 7 ，而农副业用电只占3 4 4 。因此，准确地预 测农业排灌负荷有重要意义嘲。 2 1 3 城乡居民生活用电特点分析 目前我国的城乡居民用电水平虽有较大提高，但用电比重仍然不大，大约只占全社 会用电量的1 0 左右，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，大约在0 4 左右，但 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 照明用占用相当重要的地位。照明用电在日内变化不大，但照明负荷间的时差较小，同 时率较高。照明负荷是在夜间的凌晨出现，形成所谓的灯峰。灯峰的大小，成了制约电 力系统装机规模和电力系统运行方式的重要因素。家用电器用电在居民生活用电中的比 重增长较快，已经成了居民生活用电的主要组成部分，尤其在城市，家用电器的用电比 重已经超过了照明用电的比重，成了居民生活用电的主要部分。随着居民空调拥有率的 不断提高，全年最高负荷逐步由冬季转向夏季，气温对负荷的影响越来越大，导致年最 高负荷增长的波动性增大。 在电力规划中应给予居民生活用电以极大的关注。随着居民生活水平的提高，居住 条件的改善，我国的居民生活用电将保持较快的增长势头，其年增长速度要高于其他用 电部门的增长速度。 2 1 4 交通运输业用电特点分析 交通运输业的用电比重较小，目前只占全社会用电量的1 5 左右。其中电气化铁 路的负荷比较稳定，同内、月内、季内及年内的变化比较小，负荷可达o 7 左右。其他 交通运输的用电，日内均不稳定，负荷率一般小于o 4 ，但月内及年内用电特性比较稳 定。今后，随着电气化铁路运输及其他运输事业的发展，交通运输用电量会有较大的增 长，但交通运输用电的比重不会有多大变化。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 5 商业用电的特点分析 商业负荷是要是指商业部门里的照明、空调、动力等用电负荷覆盖面积大，用电增 长平稳，具有季节性波动的特点。虽然商业负荷在电力系统中所占的比例不及工业和民 用负荷，但商业负荷中的照明类负荷占用电力系统的高峰时段。 2 1 6 动力用电特点分析 动力负荷的大小等于相应计算范围内的动力设备装机容量与同时系数的乘积。随着 生产的机械化、自动化水平的提高，动力用电的数量及其在电力消耗总量中的比重是逐 步增加的。 2 2 电力负荷预测的分类和特点 2 2 1 电力负荷预测的分类 负荷预测用于预测未来电网负荷的时间分布和空间分布。预测内容为用电量、最大 负荷、负荷曲线、负荷分布等。从预测的时间来分，可分为长、中、短及超短期负荷预 测。短期负荷预测是指一年以内的预测：中期负荷预测一般是指1 5 年以内的预测； 而长期负荷预测是指5 年以上的预测。中长期预测主要用于规划：中短期预测用于运行 计划；超短期预测用于在线控制1 5 】。 负荷预测按行业分类可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及 其它负荷预测。另外负荷预测按特性分类又可以分为最高负荷、最低负荷、平均负荷、 负荷峰谷差、高峰平均负荷、低谷平均负荷、全网负荷、母线负荷、负荷率等类型的负 荷预测，以满足供电、用电部门的管理工作的需要。 2 2 2 电力负荷预测的特点 电力系统的任务是为各类用户尽可能经济地提供可靠的符合标准的电能，要求其能 满足各种负荷需要，所以负荷的大小和特性对电力系统设计和运行都极为重要。因此， 电力系统，特别是供电部门总是希望得到科学而精确的负荷预测来指导其制定计划和决 7 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 策。然而，精确的负荷预测并不是容易做到的。由于负荷预测是根据电力负荷的过去推 测它的未来数值，所以负荷预测工作所研究的对象是不确定事件。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明显的特点【2 】： ( 1 ) 可知性原理 也就是说预测对象的发展规律，其对未来的发展趋势和状况是可以为人们所知道 的，客观世界是可以被认识的，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 ) 不确定性 因为电力负荷未来的发展是不确定的，它受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，有些却很难见到，加 上一些临时变化的影响，因此就决定了预测结果的不确定性或不完全准确性。 ( 3 ) 条件性 各种负荷预测都是在一定的条件下做出的，对于条件而言，又可分为必然条件和假 设条件两种 ( 4 ) 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，往往需要指明预测的时间。 ( 5 ) 多方案性 由于预测的不确定性和条件性，所以有时要对负荷在各种可能发展情况下进行预 测，就会得到各种条件下不同负荷预测方案。 ( 6 ) 连续性原理 连续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 连续。电力系统的发展存在惯性，这种惯性正是我们进行负荷预测的主要依据。 ( 7 ) 相似性原理 客观世界中有一些事物发展之间存在相似之处，人们可以利用这种相似性进行预 测。例如：当我们预测一个新的经济开发区的用电量的时候没有历史数据可用，这时可 以参考个早己建成、规模和条件具有可比性的其他经济开发区，以其发展时期相对应 沈阳工业大学硕士学位论文 的用电量作为预挟4 新区的参考。 ( 8 ) 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 上是为了提高预测的准确佳而进行的反馈调节；当预测结果和经过一段实践所得到的实 际值存在差距的时候，可以利用这个差距，对远期预测值进行反馈调节以提高预测的准 确性。 ( 9 ) 系统性原理 系统性原理认为预测对象是一个完整的系统，它本身有内在的系统，它与外部的联 系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，而且整个系统的动态发展和它的各个组成部分和 影响因素之间的相互作用和相互影响密切相关。系统性原理强调整体最佳才是高质量的 预测。 2 2 3 影响负荷预测的因素 ( 1 ) 用电结构因素 在负荷预测中，要考虑用电结构的变化。当然用电结构的变化和经济结构的变化有 必然的联系的。因此对用电结构变化的把握首先要从对经济结构的把握开始。通常，如 果大工业用电比重出现上升趋势，则系统的负荷率可能出现上升或趋于平稳；峰谷差可 能减小或者峰谷差增大的速度会得到抑制：最大负荷的增长速度有可能低于用电量的增 长速度。相反，如果三产或居民生活用电比重上升速度加快，则系统的负荷将可能出现 下降趋势，蜂谷差增大的速度也会加快。 ( 2 ) 气温气候因素 随着我国经济实力的增强以及人民生活水平的提高，系统最大负荷的变化受气温的 影响更加明显，尤其是当空调负荷在系统负荷中的比重超过3 0 以后，夏季最高温度每 增加一度都会产生非常明显的负荷增长。在9 5 年以前，我国大部分地区的年最大负荷 基本上都出现在冬季，系统的年最大负荷主要由工业生产负荷主导。9 5 年以后，我国许 多鲍区的年最大负荷逐渐从冬季转移到夏季，系统年最大负荷由制冷负荷主导。在气候 方面，农业灌溉负荷受降雨影响明显；水电站的出力受来水影响明显，并可能对负荷的 9 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 交化产生制约。由于气温气候因素非常不确定，预测中若要充分考虑气温气候因素就必 须增加情景方案的数量。 ( 3 ) 用户用电方式因素 用户的用电方式改交可能对负荷特性产生影响，例如可能导致最大负荷出现时间的 前移或后移，甚至可能会使系统峰谷出现的时间产生根本改变。用户用电方式的变化受 价格、系统供应能力等多方面因素的影响。对居民用电而言。用户的用电方式也可能受 经济状况和生活习惯的变化影响。在预测中需要结合广泛的调研来把握用户用电方式变 化的趋势，也可以采取对比的方法来定性分户用电方式的变化趋势。 ( 4 ) 其他影响因素 除以上三个主要因素外，还存在许多影响系统负荷变化的其他因素，例如管理、技 术进步、电价、用户的竞争能力、地区的综合实力等。这些因素有的具有随机性，有的 因素可能在某个历史时期会上升为因素，有的因素在某个历史时期可能弱化甚至不产生 影响；具体的地区也出现其他地区没有的影响因素，这都需要预测人员在预测中根据实 际情况选择和取舍。 2 3 电力负荷预测的基本原理和方法 2 3 1 电力负荷预测的基本要求 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，建立数学模型来表达其发展变化规律。因此，要做好负荷预测，需要满足以 下几方面的要求【2 】： ( 1 ) 基础资料的合理性 搜集和掌握大量全面、准确的资料是进行电力系统负荷预测的基础。要对历史数据 进行合理性的分析与取舍，去“伪”存“真”。 ( 2 ) 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，本着实事求是的原则，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。 l o 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 预测手段的先进性 预测手段的先进性包括两层意思：其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：其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。 ( 4 ) 预测方法的适应性 由于电力系统负荷预测是在一定的假设条件下进行的，其中包括许多不确定的因 素，因此要求预测方法要有适应性。预测方法要能适应电网发展及用电构成的变化，使 预测模型能够跟踪历史负荷的变化规律，做出更精确的预测。 2 3 2 电力负荷预测的原理 无论是传统的预测方法还是现代的预测方法，都是在获得预测对象的历史变化规律 后，将这种规律外推预测未来。外推法仅仅是根据预测对象本身的历史数据求其变化规 律，而相关法则是研究预测对象与其他因素的相互关系，并将这种关系外推到未来，根 据其他因素的未来变化，计算出预测对象的预测值。 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。预测 模型实际上是表述这种变化规律的数学函数。不同地区不同时段负荷的变化规律都不一 样。因此，这就要求一个好的预测软件给用户提供尽可能多的预测模型。电力负荷发展 的自然规律很难用单一的、一成不变的数学模型加以描述，必须用可自适应的、不断变 化的预测模型加以描述。预测软件的工作在于：用历史的数据计算出预测模型的各参数， 调整预测模型的结构，从而更准确地反映电力负荷的变化特征，做出正确的预测，并对 预测结果的可信度进行评价。 2 3 3 电力负荷预测的步骤 电力系统负荷预测一般分为以下几个步骤嘲： ( 1 ) 基础资料的分析 经过搜集的基础资料整理后，要对基础资料进行分析。第一可通过数据的动态折线 图或散点图，观察资料变动的轨迹，研究它们是否正常，不正常时原因何在：第二查明 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 异常值后，采用合理的数学方法加以处理，尽可能保持历史数据反映的实际情况而进 行负荷分析，找出其变化规律。在对大量的资料进行了全面分析之后，选择其中有代表 性的、真实程度和可用程度高的有关资料作为预测的基础资料。对资料中的异常数据进 行分析，做出取舍或修正。 ( 2 ) 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模型。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 准备滚动负荷预测 在负荷预测报告完成后，要根据主客观条件的变化及预测应用的反馈信息进行检 验，并通过积累资料，为下一个年度的滚动负荷预测做好准备工作。 2 4 电力负荷预测的基本方法 为了找到使用方便、准确度高、计算快的中长期电力负荷预测方法，许多入在理 论和实践上进行了广泛的研究和探讨。目前中长期电力负荷预测的方法有可分为1 ) 经 典技术，包括单耗法、弹性系数法负荷密度法，人均电量指标换算法、分部门法；2 ) 传统预测技术，包括时间序列法、相关分析法、回归分析法、趋势外推法；3 ) 现代预 测技术，包括基于动力学的预测方法、模糊预测法、灰色预测法、专家系统法、人工 神经网络法、概率预测法以及组合预测方法等等【2 】。 对于具体的负荷类型要用具体的方法。电力负荷的中期预测和长期预测的研究手 段和方法大致相同，因此，这两者可以合在一起进行研究。中长期负荷预测主要需要考虑 社会经济的发展、人口总量的变化和地理气候的变迁。这些因素与各种社会、政策因 沈阳工业大学硕士学位论文 素有着较紧密的联系，具有一定的不可预料性。中长期负荷预测的研究已有很长历史， 国内外的许多专家、学者在预测理论和方法方面做了大量的研究工作，取得了很多卓 有成效的进展。下面简要介绍几种常见的中长期负荷预测方法 2 4 1 灰色预测方法 灰色系统理论是中国邓聚龙教授八十年代初首先提出的。部分信息已知，部分信息 未知，即信息不完全，这样的系统称为灰色系统。任何随机过程都是在一定的幅值范围、 一定时区内变化的灰色量，随机过程就是灰色过程。在处理技术上，灰色过程是通过原 始数据的整理来寻找数的规律的，即数的生成，对生成数据加以研究。灰色理论认为， 系统的行为现象尽管是朦胧的，原始数据是杂乱无章的，但它的本质上是有序的，有整 体功能的，因此任何系统必然存在某种内在的规律r ”。 对于电力系统，影响负荷的供电机组、电网容量、生产能力、大用户情况、某些主 要产品的耗电情况等信息是已知的，但是影响负荷的其它因素，如天气情况、行政与管 理政策变化、地区经济活动等等是难以确切知道的，因此电力系统具有灰色模型的基本 特征，而且电力负荷是一个非负递增数列，符合灰色预测的基本条件【s j 。 灰色预测是将系统行为特征量的变化过程作为一个灰色系统，利用灰色理论的微分 方程模型( g r e ym o d e l ) 进行预测1 9 】。g m ( 1 ，1 ) 表示1 阶的、1 个变量的微分方程模型。 灰色理论认为，适合于预测的模型应该是单变量的模型，也就是预测数据本身的模型。 灰色预测从功用与特征上可分为：数列预测、灾变预测、拓扑预测、季节灾变预测 和系统综合预测等。一般说来，电力系统负荷预测属于数列预测【l o 】。 灰色预测具有要求原始数据少、原理简单、不考虑分布规律、运算方便、可检验等 优点，因此灰色系统模型尤其是g m ( 1 ，1 ) 模型及其改进模型在电力系统负荷预测领域 得到了广泛应用，并取得一些研究成果【2 】。但是，虽然灰色预测有许多改进方法，但并 不存在一种通用的改进模型，要提高预测精度，还需要针对实际问题的特点进一步改进 和完善嘲。 2 4 2 模糊预测法 模糊理论在中长期负荷预测中也得到了广泛应用【l l 】。 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 模糊预测的是用模糊理论及方法综合分析电力负荷与各种因素之问的关系，化众多 不确定信息为确定信息，以相就的模糊理论矩阵来描述电力负荷需求量，用模糊集合论 的原理求解负荷变化规律。 用模糊理论迸行中长期负荷预测的方法的数学模型，主要有模糊指数平滑法、模糊 线性回归法和模糊聚类预测法。 模糊指数平滑法是在指数平滑模型基础上，将平滑指数口模糊化，根据口隶属关系， 确定一个阙值五( 0 1 ) ，再把隶属度似，旯的口值选出来，得到模糊集的一个五 水平截集丘，作为预测的平滑指数集，用指数平滑模型进行负荷预测，得到一组较为可 能是的预测值。 模糊线性回归法是假定负荷同一个或多个独立变量存在因果关系，通过寻找因果关 系的数学模型，所此预测将来负荷值。回归法为了避免数据处理过于复杂，常常假定变 量闯的关系为线性的，认为回归系数是模糊数，模型的拟合值与观测值之间的偏差是由 系统的模糊性引起的，使得预测的结果带有一定的模糊幅度的模糊数1 2 彤】。 模糊聚类预测法的根本思想是把由待测量和影响待测量的因素与历史值所构成的 样本按一定的方法进行分类，形成各类环境因素和待测量的变化模式。在已知待测时段 的环境状态时，通过该环境与各历史环境特性比较，判断这种环境与哪个历史类量最为 接近，视为受环境影响的待测量与该历史所对应的预测变量及变化模式，达到预测目标 迄今为止，模糊数学在预测方面还没有形成完整而深刻的理论和系统的方法，有 待予进一步研究和探索。 2 4 3 回归分析预测法 回归预测模型的基本原理是通过分析预测变量和因变量之间的相互关系，拟合出 反映预测变量对因变量的相关方程，然后根据因变量的估计值计算预测变量的估计值。 回归模型的种类有线性回归模型或非线性回归模型【1 6 1 ，有一元回归预测模型和多 元预测模型【17 】。 回归模型是否可靠，要依赖于回归模型的拟合优度，这就必须对回归模型及其参 数做出假设检验，并给出置信区间，做出区间预测，并给出可靠程度。 回归分析法的特点是原理、结构简单；预测速度快；外推特性好，对历史上未出 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 现过的情况有较好的预测值。 回归分析方法存在的不足是历史数据要求较高；用线性方法描述比较复杂的情况 过于简单；无法详细考虑各种影响负荷的因素；模型初始化难度较大，需要丰富的经 验和较高的技巧。 2 4 4 人工神经网络方法 人工神经网络在中长期负荷预测中得到广泛应用。大部分常用中长期负荷预测方 法都衍生于传统的线形统计理论，在解决中长负荷预测这种典型的非线性问题时。结果 往往难以达到工程要求的精度。而人工神经网络所具有的非线性影射和函数逼近功能 恰恰能弥补现有预测方法的不足，将人工神经网络技术应用于中长期的电力负荷预测， 对提高预测精度将有所增益。并通过该文所提出的实例结果表明检验的结果表明，该 预测方法具有较高的准确度，己经达到实际应用所需要的标准【1 8 - 2 0 】。 人工神经网络具有很强的学习和映射能力，可方便地拟合出任意复杂的非线性关 系，很适合于电力系统的负荷预测问题，但人工神经网络本身存在不能直接处理模糊 化信息的缺点，使得天气、特殊事件和专家经验无法应用，虽然训练样本中已经隐含 了天气和特殊事件的信息，但由于训练样本中隐含的信息太多，可能导致训练不好， 收敛速度慢或不收敛的问题。虽然人工神经网络存在一定的缺陷，但它的优点同样明 显，所以它仍是电力系统负荷预测中最成功的一种方法。特别是近年来许多业界学者 都在人工神经网络方法的基础上进行改进和优化，来提高预测的准确性。在预测过程 中权值按最近负荷进行自适应调整，使神经网络具有良好的自学习功制2 1 彩】。 人工神经网络方法的特点是原理新颖、思路明确；可以考虑比较多的影响因素， 预测精度高；引入非线性模拟概念，接近客观实际。 人工神经网络方法的不足是样本数据要求高，样本选择困难；网络收敛慢，有时 陷入局部最小值出现不收敛情况。 2 4 5 专家系统预测法 专家系统预测法刚是对数据库里存放的过去几年甚至几十年的，每小时的负荷和天 气数据进行分析，从而汇集有经验的负荷预测人员的知识，提取有关规则，按照一定的 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 规则进行负荷预测。实践证明，精确的负荷预测不仅需要高新技术的支撑，同时也需要 融合人类自身的经验和智慧。因此，就会需要专家系统这样的技术。专家系统法，是对 人类的不可量化的经验进行转化的一种较好的方法。但专家系统分析本身就是一个耗时 的过程，并且某些复杂的因素( 如天气因素) ，即使知道其对负荷的影响，但要准确定量 地确定他们对负荷地区的影响也是很难的。专家系统预测法适用于中、长期负荷预测。 此法的优点是：能汇集多个专家的知识和经验，最大限度地利用专家的能力；占有 的资料，信息多，考虑的因素也比较全面，有利于得出较为正确的结论。缺点是：不 具有自学习能力，受数据库里存放的知识总量的限制；对突发性事件和不断变化的条 件适应性差。 2 4 6 优选组合预测法 优选组合有两层含义f 2 】：一是从几种预测方法得到的结果中选取适当的权重加权平 均：二是指在几种预测方法中进行比较，选择拟合度最佳或标准偏差最小的预测模型进 行预测。对于组合预测方法也必需注意到，组合预测是在单个预测模型不能完全正确地 描述预测量的变化规律时发挥作用。一个能够完全反映实际发展规律的模型进行预测完 全可能比用组合预测方法预测效果好。该方法的优点是：优选组合了多种单一预测模型 的信息，考虑的影响信息也比较全面，因而能够有效地改善预测效果。缺点是：权重 的确定比较困难：不可能将所有在未来起作用的因素都包含在模型中，在一定程度上 限制了预测精度的提高。 从以上的分析，我们可以看到各种预测方法从研究的角度、建模的出发点到数据 的形式、数据样本大小以及适用条件等都有所不同，因而要想将各种方法摆在同一尺度 规范下进行比较是相当困难和不科学的。从适用条件看，回归分析法和趋势分析法致力 于统计规律的研究与描述，适用于大样本，且过去、现在和未来发展模式一致的预测； 指数平滑法是利用惯性原理对增长趋势外推，实现“重近轻远”的预测原则；单耗法一 般根据历史统计数据，在分析影响单耗的诸因素的变化趋势基础上，确定单耗指标，然 后依据国民经济和社会发展规划指标预测电力需求；灰色模型法是通过对原始数据的整 理来寻求规律，致力于少数据所表现出来的现实规律的研究，它适用于贫信息条件下的 分析和预测。从采用的数据形式看，灰色系统理论是采用生成数序列建模；回归分析法、 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 趋势分析法均是采用原始数据建模；而指数平滑法是通过对原始数据进行指数加权组合 直接预测未来值。从计算复杂程度看，相对简单的是回归分析法和趋势分析法。从适用 的时间分类看，单耗法、指数平滑法、灰色模型法较适宜短期预测；对中、长期预测， 采用回归法、趋势分析法和改进型灰色模型较为合适洲。 2 5 负荷预测误差的分析 由于负荷预测是一种对未来负荷的估算，因此，它与客观实际存在着一定的差距， 即预测误差。预测误差越大，预测准确性越低。分析计算误差的大小，不仅可以认识预 测结果准确的程度，从而利用预测资料进行决策，同时，有利于改进负荷预测工作，检 验和选用恰当的预测方法1 2 】。 2 5 1 产生误差的原因 产生误差的原因很多，主要有【5 】： ( 1 ) 进行预测往往要用到数学模型，而数学模型大多只包括所研究现象的某些主 要因素，很多次要的因素都被略去了。对于错综复杂的电力负荷变化来说，这样的模型 只是一种经过单化了的负荷状况的反映，与实际负荷之间存在差距，用它来进行预测， 也就无可避免地与实际负荷产生误差。 ( 2 ) 负荷所受影响是千变万化的，进行预测的目的和要求又各种各样，因而就有 一个如何从许多预测方法中正确选用一个合适的预测方法的问题。如果选择不当的话， 也就随之而生误差。 ( 3 ) 进行负荷预测要用到大量资料，而各项资料并不能保证都是准确可靠，这就 必然会带来预测误差。 ( 4 ) 某种意外事件的发生或情况的突然变化，也会造成预测误差。此外，由于计 算或判断上的错误，如平滑常数的选择不妥，也会产生不同程度的误差。 以上各种不同原因引起的误差是混合在一起表现出来的，因此，当发现误差很大、 预测结果严重失实时，必须针对以上各种原因逐一进行审查，寻找根源，加以改进。 1 7 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 2 5 2 预测误差的分析 计算和分析预测误差的方法和指标很多，但主要有以下几种【2 l ： ( 1 ) 绝对误差和相对误差 设z 为实际值，为预测值，则称算一一为绝对误差，称三二羔为相对误差，有时相 对误差用百分数三二堑1 0 0 来表示。这是一种直观的误差表示方法，在电力系统中作为 一种考核指标经常使用。 ( 2 ) 平均绝对误差 刎e = 去翱= 丢弘叫i t ， 其中砌e 平均绝对误差； 蜀第f 个预测值与实际值的绝对误差。 孔第f 个实际负荷值； z 第j 个预测负荷值。 由于误差有正、负之分，为了避免正负抵消，所以取误差的绝对值进行综合并计算 其平均数，这是误差分析的综合指标法之一。 ( 3 ) 均方误差 脚= 吉喜曰= 丢喜( 矿 晓z ， 其中地距均方差。 均方误差是预测误差平方之和的平均数，它避免了正负误差不能相加的问题，是误 差分析的综合指标法之一。 ( 4 ) 均方根误差 麟e = 爵= 酾 ( 2 3 ) 其中鼢l 疆均方根误差。 均方根误差是均方误差的平方根，由于对误差e 迸行了平方，加强了数值大的误差 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 在指标中的作用，提高了这个指标的灵敏度，是一大优点，它也是误差分析的综合指标 法之一。 ( 5 ) 标准误差 s ：属孚 ( f = 1 ，2 ，厅) 其中昌预测标准误差； 疗历史负荷数据个数； 拼自由度，也就是变量的个数，即自变量和因变量的个数的总和。 ( 2 4 ) ( 6 ) 关联度误差分析 关联度是灰色系统理论提出的一种技术方法，是分析系统中各因素关联程度的方 法，或者说是关联程度量化的方法。 关联度的基本思想，是根据曲线间相似程度来判断关联程度，实质上是几种曲线问 几何开头的分析比较，即认为几何形状越接近，则发展态势越接近，关联程度越大。用 此方法可以比较几种预测模型对应的几条预测曲线与一条实际曲线的拟合程度，关联度 越大，则说明对应的预测模型越优，拟合误差就越小。 1 9 基于灰色理论的中长期电力负荷的预测 3 灰色