李科，何茜，王璟，肖白，劉桐彤，房龍江

（1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州 450052；2.國網(wǎng)鄭州供電公司，鄭州 450000；3.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引 言

城市電網(wǎng)總量負(fù)荷年最大值預(yù)測(cè)是城市電網(wǎng)規(guī)劃的前提［1-3］，準(zhǔn)確有效的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)城市電網(wǎng)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義［4-6］。通過調(diào)研掌握翔實(shí)的資料數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)電力負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)做出科學(xué)合理的推斷是預(yù)測(cè)結(jié)果有效性的重要保證［7］。

當(dāng)前的預(yù)測(cè)方法主要有趨勢(shì)外推法、模糊理論法、專家系統(tǒng)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法、聚類分析法、小波分析法、混沌分形理論法、數(shù)據(jù)挖掘法，等［5］。其中，基于時(shí)間序列模型的趨勢(shì)外推方法是被認(rèn)為最經(jīng)典、最系統(tǒng)、最被廣泛采用的一類負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。

常用的趨勢(shì)外推方法有很多，如：線性回歸、指數(shù)平滑、灰色理論等［8-10］，近年來，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上做了大量的研究，并做出了相應(yīng)的改進(jìn)［11-16］。文獻(xiàn)［11-13］在不同的情況下，分別利用線性回歸、指數(shù)平滑、灰色理論三種方法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，但是文中考慮因素不全面，預(yù)測(cè)方法單一，沒能對(duì)歷史數(shù)據(jù)做出進(jìn)一步的分析利用。文獻(xiàn)［14-16］不局限于傳統(tǒng)方法的范疇，將更多地影響因素考慮在內(nèi)，但是沒有考慮到電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度與波動(dòng)性對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。在預(yù)測(cè)過程中，大多直接在原始電力負(fù)荷年最大值的歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較大且穩(wěn)定性差，預(yù)測(cè)精度仍有提升空間。

針對(duì)上述問題，提出一種城市電網(wǎng)總量負(fù)荷年最大值的雙向預(yù)測(cè)方法，通過分析用電量與負(fù)荷值的歷史數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出了負(fù)荷-用電比，由月度用電量數(shù)據(jù)得到月度電力負(fù)荷最大值數(shù)據(jù)，從而降低了電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的波動(dòng)性對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的不利影響。

1 雙向預(yù)測(cè)方法的基本原理

城市電網(wǎng)用電量與人們的生活生產(chǎn)規(guī)律息息相關(guān)，可以通過城市電網(wǎng)用電量求取對(duì)應(yīng)的電力負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)來得到城市電網(wǎng)電力負(fù)荷的發(fā)展規(guī)律，并由此可進(jìn)行其未來發(fā)展趨勢(shì)和狀況的預(yù)計(jì)或判斷。而且由于用電量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性較電力負(fù)荷數(shù)據(jù)相對(duì)較高，因此其預(yù)測(cè)效果優(yōu)于電力負(fù)荷數(shù)據(jù)。

圖1 基本原理圖Fig.1 Basic principle diagram

如圖1所示，首先通過分析用電量與電力負(fù)荷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)比兩者間的變化趨勢(shì)，觀察其中的一致性，描述內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出負(fù)荷-用電比的定義，從而可以將用電量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，得到歷史年各月的最大負(fù)荷值，最后通過分析各月最大負(fù)荷值，進(jìn)行目標(biāo)年總量負(fù)荷最大值的預(yù)測(cè)。

在負(fù)荷預(yù)測(cè)過程中，采用雙向預(yù)測(cè)的方法，由橫向與縱向分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中橫向預(yù)測(cè)方法是在時(shí)間連續(xù)性的基礎(chǔ)上，利用總量負(fù)荷最大值的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出目標(biāo)年的各月總量負(fù)荷最大值，預(yù)測(cè)過程中采用線性回歸、指數(shù)平滑、灰色理論三種傳統(tǒng)趨勢(shì)外推方法分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，避免了單一預(yù)測(cè)方法對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的不利影響；縱向預(yù)測(cè)方法是根據(jù)某月的整體特性，利用某一個(gè)月份的負(fù)荷在不同年份中的歷史值，來預(yù)測(cè)目標(biāo)年該月份的負(fù)荷值，同樣采取上述三種傳統(tǒng)趨勢(shì)外推方法，最后取加權(quán)平均值作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。

2 基于電量歷史數(shù)據(jù)求取電力負(fù)荷數(shù)據(jù)

在實(shí)際的電力負(fù)荷預(yù)測(cè)過程中，用電量數(shù)據(jù)的獲取途徑就比較廣泛，而且數(shù)據(jù)量相對(duì)充足準(zhǔn)確，對(duì)于預(yù)測(cè)來講更加可靠。

電力負(fù)荷實(shí)質(zhì)上是指電力的需求量即能量的時(shí)間變化率，也可以被定義為發(fā)電廠、供電地區(qū)或電網(wǎng)在某一瞬間所承擔(dān)的工作負(fù)荷。因此，電力負(fù)荷與用電量之間存在某種聯(lián)系，如果能把握住電力負(fù)荷與用電量之間的這種關(guān)系，就可以使得負(fù)荷預(yù)測(cè)的工作可以順利進(jìn)行。某市的全社會(huì)用電量數(shù)據(jù)與電力負(fù)荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 全市用電量以及最大負(fù)荷值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of consumption and the maximum load in the city

由于二者單位不同，在分析其關(guān)聯(lián)性時(shí)分別進(jìn)行歸一化，再分析它們之間的關(guān)系。經(jīng)歸一化后得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種指標(biāo)歸一化后的結(jié)果Fig.2 Normalized results of the two indicators

可以看出用電量與最大負(fù)荷值的變化趨勢(shì)相同，具有一致性。通過相關(guān)性計(jì)算分析，得到二者之間的相關(guān)系數(shù)為0.981 1，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)上認(rèn)為，相關(guān)系數(shù)大于0.8可以稱為高度相關(guān)，因此可以說明全市用電量和最大負(fù)荷在之間具有顯著相關(guān)關(guān)系。為此，可以利用全市用電量的數(shù)據(jù)和全市最大負(fù)荷值來分析其中的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

文中將全市年負(fù)荷最大值與全市年用電總量的比定義為負(fù)荷-用電比，計(jì)算公式為：

式中ki表示第i年的負(fù)荷-用電比，具有頻率的量綱，為 MW/億 kWh，即10-5Hz；Pi表示第i年的最大負(fù)荷值；Qi表示第i年的全市用電量。

由于用電量數(shù)據(jù)在一年當(dāng)中為累計(jì)值，因此利用用電量和電力負(fù)荷的關(guān)系計(jì)算各月最大負(fù)荷值時(shí)，應(yīng)首先找到電量數(shù)據(jù)與電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的各月的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

因?yàn)橛秒娏康睦塾?jì)值在第i年的12個(gè)月末為該年的用電量，一般年最大負(fù)荷出現(xiàn)在年末，所以假設(shè)各年最大負(fù)荷值就為該年12月的最大負(fù)荷值。根據(jù)各年12月份的用電量，可以求出各年12月份的負(fù)荷-用電比。再對(duì)它進(jìn)行曲線擬合，可以得到負(fù)荷-用電比曲線。通過得到的曲線公式可以通過插值法得到各月對(duì)應(yīng)的kij值，然后根據(jù)各月對(duì)應(yīng)的負(fù)荷-用電比，利用公式（2）求得各月的最大負(fù)荷值：

式中Pij表示第i年的第j月的全市最大負(fù)荷值；kij表示第i年的第j月的負(fù)荷-用電比；Qij表示第i年的第j月的全市用電量；i表示年份；j表示月份。

3 基于雙向預(yù)測(cè)的總量負(fù)荷預(yù)測(cè)

在進(jìn)行電力負(fù)荷預(yù)測(cè)的過程中，為了更好地把握電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的規(guī)律性，充分分析了各月的最大負(fù)荷值的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，利用雙向預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

雙向預(yù)測(cè)方法著力于實(shí)現(xiàn)兩方面內(nèi)容，一方面是通過縱向分析，得到特定月份負(fù)荷最大值數(shù)據(jù)的整體特性，進(jìn)而利用同一個(gè)月不同年份的歷史負(fù)荷值來預(yù)測(cè)目標(biāo)年該月的負(fù)荷值；另一方面是通過橫向分析，得到各月負(fù)荷最大值數(shù)據(jù)的時(shí)間連續(xù)性，并據(jù)此利用負(fù)荷最大值的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)出目標(biāo)年的各月總量負(fù)荷最大值。

在進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)時(shí)，橫向預(yù)測(cè)可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷最大值數(shù)據(jù)時(shí)間連續(xù)性的挖掘，縱向預(yù)測(cè)可實(shí)現(xiàn)單一月份負(fù)荷最大值數(shù)據(jù)整體性的分析。在預(yù)測(cè)過程中，為了增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，避免單一預(yù)測(cè)方法對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果的不利影響，采用線性回歸、指數(shù)平滑、灰色理論三種傳統(tǒng)趨勢(shì)外推預(yù)測(cè)方法分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將兩個(gè)方向三種方法得到的共六個(gè)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果取加權(quán)平均值作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。

4 工程實(shí)例

以鄭州市主城區(qū)為例，根據(jù)鄭州市統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2005年～2012年各年用電量情況如表2所示，單位：億kWh。

表2 2005年～2012年全市用電量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Power consumption statistics of the whole city from 2005 to 2012

通過全市用電量和全市最大負(fù)荷的歷史值，可以得到歷年的負(fù)荷-用電比，并通過曲線擬合得到月度負(fù)荷-用電比曲線，見公式（3）和圖3。

式中kij為月度變化的負(fù)荷-用電比；t為月份時(shí)間。

圖3 月度變化的負(fù)荷-用電比擬合曲線Fig.3 Fitting curve of the monthly changed load-electricity ratio

通過對(duì)擬合曲線的分析，可以利用插值法得到各月所對(duì)應(yīng)的kij的值，其結(jié)果見表3。

表3 月度變化的負(fù)荷-用電比Tab.3 Monthly changed load-electricity ratio

表4 各月負(fù)荷最大值的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of the maximum load in each month

利用得到的各月電力負(fù)荷最大值數(shù)據(jù)，采用雙向預(yù)測(cè)的方法來預(yù)測(cè)目標(biāo)年各月最大負(fù)荷值。其中，縱向預(yù)測(cè)方法是根據(jù)同一個(gè)月不同年份的歷史負(fù)荷值預(yù)測(cè)目標(biāo)年該月的負(fù)荷值，橫向預(yù)測(cè)方法是根據(jù)時(shí)間順序，預(yù)測(cè)出目標(biāo)年的各月最大值。本文采用線性回歸、指數(shù)平滑、灰色理論三種傳統(tǒng)趨勢(shì)外推方法分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到對(duì)應(yīng)的六個(gè)預(yù)測(cè)值，最后取加權(quán)平均值（即六個(gè)值的權(quán)重相等，且均為六分之一）作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。目標(biāo)年雙向預(yù)測(cè)結(jié)果見表5。

表5 目標(biāo)年雙向預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.5 Bi-directional prediction results of the objective years

由資料得知該年的實(shí)際負(fù)荷最大值為4 124 MW，若按照傳統(tǒng)方法對(duì)原始電力負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)直接進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與本文對(duì)比見表6。

表6 本文方法與傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison of the forecasting results between the bi-directional method and traditional methods

通過對(duì)比可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)方法直接對(duì)原始電力負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)外推，本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確有效。

5 結(jié)束語

文中提出了一種城市電網(wǎng)總量負(fù)荷的雙向預(yù)測(cè)方法，該方法根據(jù)用電量與電力負(fù)荷之間的相關(guān)關(guān)系，將歷史用電量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，并采用雙向預(yù)測(cè)的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。其特色在于：

（1）充分挖掘并利用用電量歷史數(shù)據(jù)，而不是直接在原始電力負(fù)荷年最大值的歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，降低了電力負(fù)荷年最大值數(shù)據(jù)的波動(dòng)性對(duì)預(yù)測(cè)的不利影響；

（2）采用雙向預(yù)測(cè)的方法并結(jié)合多種趨勢(shì)外推方法，而不是單一預(yù)測(cè)方法進(jìn)行電力負(fù)荷年最大值的預(yù)測(cè)，提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性、可信度，減少了單一預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性對(duì)預(yù)測(cè)的不利影響。