何文萱，唐海亮，孫健

（1.北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司第四分公司，北京 102600；2.太極計(jì)算機(jī)股份有限公司，北京 100102，3.國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司維搶修分公司，北京 100012）

在我國大力建設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)干線全面進(jìn)入“天然氣時(shí)代”的同時(shí)，同時(shí)存在著一些亟待解決的問題，如管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、購氣儲氣規(guī)劃、調(diào)峰策略等都是燃?xì)夤I(yè)發(fā)展面臨的問題。城市燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測不僅對燃?xì)庀到y(tǒng)的管理調(diào)度有著十分重要的意義，還影響著供氣公司和輸氣公司的效益，對于國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活和社會的穩(wěn)定有著非常重要的作用?？茖W(xué)準(zhǔn)確的燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測為燃?xì)馄髽I(yè)簽訂“燃?xì)夤╀N”合同提供參考依據(jù)，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，保障天然氣供應(yīng)。建設(shè)合適的燃?xì)夤芫W(wǎng)，最優(yōu)投資方案的決定提供基礎(chǔ)，而得到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)和社會效應(yīng)。

快速增長的工業(yè)、商業(yè)以及居民用氣對燃?xì)饽茉吹囊蕾嚦潭群托枨罅勘厝辉黾?，可能會?dǎo)致在冬季用氣高峰時(shí)末端用戶壓力過低，用戶無法用氣。準(zhǔn)確的燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測是燃?xì)鈨?yōu)化調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)控、計(jì)劃制定的基石，有助于安排管網(wǎng)運(yùn)行方式及機(jī)組維檢修計(jì)劃的制定。現(xiàn)有的燃?xì)夤芫W(wǎng)采用逐年建設(shè)的原則，對燃?xì)庳?fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，才能判斷燃?xì)夤芫W(wǎng)能否滿足城市的發(fā)展規(guī)劃，為燃?xì)夤芫W(wǎng)的發(fā)展和優(yōu)化提出合理的建議。

城市燃?xì)庾鳛槌鞘械幕A(chǔ)設(shè)施，既要為現(xiàn)代城市的生產(chǎn)生活和社會活動(dòng)提供高水平的能源，又是維系城市空間環(huán)境質(zhì)量的重要方面。燃?xì)庳?fù)荷是確定地下儲氣庫規(guī)模、決定輸氣管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和進(jìn)行長距離輸氣系統(tǒng)及地下儲氣庫優(yōu)化運(yùn)行的重要依據(jù)。

燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測對燃?xì)馍a(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)氣計(jì)劃具有指導(dǎo)作用，保證管網(wǎng)用氣量，并減少放散；輔助燃?xì)庀到y(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)安全生產(chǎn)、消除或降低系統(tǒng)故障的影響，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。隨著北京市城市化供氣規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行管理及調(diào)峰、儲氣等都提出了更高的要求，為了更好的履行“保總量、保高峰”的責(zé)任，對未來的用氣負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測是非常迫切的任務(wù)。隨著燃?xì)膺\(yùn)營管理企業(yè)的現(xiàn)代化正在不斷加快，過去被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)管理實(shí)際的基于經(jīng)驗(yàn)的人工預(yù)測已經(jīng)完全不能滿足燃?xì)夤┬璺治鲋兴璧木群退俣取，F(xiàn)代城市人口結(jié)構(gòu)改變和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大也使燃?xì)庳?fù)荷的變化情況趨向復(fù)雜，迫切使得燃?xì)馄髽I(yè)需要更加科學(xué)合理高效的做好燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測工作。

1 城市燃?xì)庥脷庳?fù)荷特征分析

城市燃?xì)庑枨蟠蠓鲩L，供需形勢較為嚴(yán)峻，“氣荒”和“保供”逐漸成為城市燃?xì)馄髽I(yè)的主題詞。在上游氣源指標(biāo)供應(yīng)不足的情況下為保障居民用戶和工業(yè)園區(qū)平穩(wěn)供氣，如何規(guī)劃未來城市燃?xì)馐袌霭l(fā)展方向，制定經(jīng)濟(jì)可靠的供氣方案成為城市燃?xì)馄髽I(yè)面臨的難題。燃?xì)馄髽I(yè)需要通過對所在城市的用氣量影響因素進(jìn)行分析來掌握城市燃?xì)庥脩舻挠脷馓攸c(diǎn)從而對用氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

城市燃?xì)庳?fù)荷受到社會經(jīng)濟(jì)、天氣因素、日期類型等多種復(fù)雜因素的影響，而多因素的共同作用則必然會導(dǎo)致燃?xì)庳?fù)荷序列變化趨勢具有很大的隨機(jī)性以及一定程度上的復(fù)雜性。

城市燃?xì)庳?fù)荷主要為居民生活用氣和采暖用氣，居民生活用氣具有較強(qiáng)的小時(shí)不均勻性，隨著季節(jié)、溫度等變化的特點(diǎn)；采暖用氣主要與溫度、濕度、風(fēng)速等氣候條件息息相關(guān)，溫差較大時(shí)更為明顯。

2 燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測

燃?xì)庳?fù)荷涉及供氣系統(tǒng)的可靠性及燃?xì)夤镜慕?jīng)濟(jì)效益等，而且關(guān)系到燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行。合理準(zhǔn)確的燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測為簽訂“燃?xì)夤╀N合同”提供基礎(chǔ)資料、管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)、儲氣設(shè)施設(shè)計(jì)的依據(jù)。

合理準(zhǔn)確的城市燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測對供氣計(jì)劃的制定、燃?xì)庠O(shè)備及管道的維檢修方案的制定、對提高城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)管理水平、城市燃?xì)獾膬?yōu)化調(diào)度和城市管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行都有十分重要的意義。

燃?xì)庳?fù)荷按日、月、年呈周期性波動(dòng)，又受季節(jié)、節(jié)假日等因素影響而變化，呈現(xiàn)多周期疊加特征。歷史積累的海量燃?xì)膺\(yùn)行數(shù)據(jù)由于來源廣泛、種類繁雜，不免出現(xiàn)由于儀表誤差等引起的數(shù)據(jù)失真、缺失等問題，為了更好的開展針對燃?xì)庳?fù)荷的預(yù)測，通過搭建預(yù)測流程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測處理，之后對模型進(jìn)行訓(xùn)練，最終實(shí)現(xiàn)對燃?xì)庳?fù)荷的預(yù)測，流程如圖1所示。

圖1 燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測

通過主成分分析的方法，確定影響城市燃?xì)庳?fù)荷的相關(guān)影響因素，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低數(shù)據(jù)的維度，將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行訓(xùn)練，挖掘數(shù)據(jù)間存在的潛在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對城市燃?xì)庳?fù)荷的預(yù)測，使用驗(yàn)證數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對城市燃?xì)庳?fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測。

2.1 燃?xì)庑r(shí)負(fù)荷預(yù)測

燃?xì)庑r(shí)燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測對應(yīng)急氣源調(diào)度采購工作、保障管網(wǎng)用氣量、儲氣設(shè)施建設(shè)、調(diào)節(jié)管道壓力、儲氣調(diào)峰工作和設(shè)備維修具有指導(dǎo)意義，有助于維持整個(gè)管道供應(yīng)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

北京市根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取燃?xì)庑r(shí)高峰系數(shù)為1.2來計(jì)算冬季高峰小時(shí)流量，由于用戶的多樣性，已經(jīng)不能滿足實(shí)際燃?xì)鈨?yōu)化調(diào)度的需要。對燃?xì)庑r(shí)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測是燃?xì)馄髽I(yè)合理調(diào)峰和優(yōu)化管理的基礎(chǔ)，根據(jù)小時(shí)負(fù)荷的變化規(guī)律，建立包含氣溫、時(shí)序的燃?xì)庑r(shí)負(fù)荷BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

2.2 燃?xì)馊肇?fù)荷預(yù)測

燃?xì)馊肇?fù)荷預(yù)測是利用現(xiàn)有的歷史數(shù)據(jù)，如天氣情況、風(fēng)向、最高溫度、最低溫度、平均溫度、溫度、風(fēng)力和季節(jié)等影響因素作為輸入?yún)?shù)，同時(shí)考慮該日是否為法定節(jié)假日，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)燃?xì)馊肇?fù)荷模型，通過一系列的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，得到未來某天或者一段時(shí)間的預(yù)測值。其中使用爬蟲抓取歷史日相關(guān)的溫度、濕度、天氣、風(fēng)向、風(fēng)力等天氣數(shù)據(jù)。

目前通常采用燃?xì)馊肇?fù)荷與平均氣溫或最高、最低氣溫之間的線性關(guān)系對燃?xì)庳?fù)荷進(jìn)行計(jì)算，即氣溫每下降1攝氏度，需要增加天然氣供應(yīng)250萬立方米/天，此種方式未考慮氣溫變化帶來的累積效應(yīng)。未考慮氣溫變化給人體帶來的感受變化，會造成①相同的日平均溫度下，燃?xì)庳?fù)荷相差較大，當(dāng)前幾日溫差較大時(shí)，更為顯著，冬季的日均天然氣供應(yīng)量是春秋季節(jié)的五倍以上；②氣溫驟降時(shí)可能出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，如北京市在2021年1月份日供氣量為1.1億立方米，而氣溫降低時(shí)達(dá)到1.29億立方米。通過引入氣溫累積效應(yīng)系數(shù)對實(shí)際氣溫進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)燃?xì)馊肇?fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測。

2.3 燃?xì)饽曦?fù)荷預(yù)測

科學(xué)準(zhǔn)確的城市燃?xì)饽曦?fù)荷預(yù)測對于“燃?xì)夤╀N合同”的制定、燃?xì)夤芫W(wǎng)的規(guī)劃等具有十分重要的意義。燃?xì)饽曦?fù)荷受國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化的影響，建立預(yù)測模型對城市燃?xì)饽曦?fù)荷進(jìn)行預(yù)測，為城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的發(fā)展和規(guī)劃提出建設(shè)性的建議。

3 城市燃?xì)庥脷庳?fù)荷特征分析

為了對燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測模型的預(yù)測效果進(jìn)行評價(jià)，采用均方根誤差、平均絕對百分比誤差、均方百分比誤差來進(jìn)行全方位的綜合衡量和評價(jià)，其中：

均方根誤差：

平均絕對百分比差：

均方百分比誤差：

其中，yi為負(fù)荷實(shí)際值，為負(fù)荷預(yù)測值，k為輸出數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

選取北京市近三年的天然氣用氣負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)模型均具有良好的預(yù)測結(jié)果。燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測誤差如表1所示，城市日負(fù)荷預(yù)測誤差如表2所示。其中一年中有305天的日負(fù)荷預(yù)測誤差低于3%，預(yù)測模型具有較高的可信度。

表1 燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測誤差

表2 城市日負(fù)荷預(yù)測誤差

利用燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測技術(shù)加上準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，可以為簽訂“燃?xì)夤╀N合同”提供基礎(chǔ)資料、管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、儲氣設(shè)施設(shè)計(jì)、合理建設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)、調(diào)度城市燃?xì)獾忍峁┯行Ъ夹g(shù)支撐。

4 結(jié)語

通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立城市燃?xì)庳?fù)荷的預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對城市燃?xì)庑r(shí)負(fù)荷、日負(fù)荷、年負(fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測，可為簽訂“燃?xì)夤╀N合同”提供基礎(chǔ)資料、管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、儲氣設(shè)施設(shè)計(jì)、合理建設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)、調(diào)度城市燃?xì)獾忍峁┯行Ъ夹g(shù)支撐。