多層分區(qū)空間負荷預測方法在城網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用

徐偉星，蔡彥濤，李志勇

（廣東電網(wǎng)公司河源供電局，廣東 河源 517300）

0 引言

隨著城市化進程不斷加快，城網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)已成為電力部門一項迫切任務(wù)，而負荷預測準確性與否則直接影響著電網(wǎng)建設(shè)科學性[1]。由于城市功能綜合化的發(fā)展趨勢，城區(qū)負荷的發(fā)展和變化規(guī)律較以往變得更加復雜，這使得在預測城區(qū)負荷的分布和規(guī)模上沿用傳統(tǒng)的預測方法難以達到理想的效果。但是基于多層分區(qū)的空間負荷預測方法（Spatial Load Forecasting簡稱SLF）通過收集空間信息，確定土地未來使用決策權(quán)，然后根據(jù)城市發(fā)展定位通過分類處理各種用地得到相應(yīng)的負荷密度能克服這一缺點。它不僅可以預測負荷的變化規(guī)律，還可以揭示負荷空間分布，從而為準確進行變電站選址和輸電線路走廊規(guī)劃的提前控制提供先進的方法。

基于多層分區(qū)空間負荷預測的基本思想是將規(guī)劃區(qū)劃分成若干個大區(qū)，然后將大區(qū)從地理位置和主要負荷構(gòu)成上劃分為多個中區(qū)和小區(qū)。小區(qū)劃分的解析度對預測結(jié)果和負荷分布有著至關(guān)重要的影響。解析度又稱分辨率（Resolution），表示預測區(qū)域的劃分精度。在進行城網(wǎng)規(guī)劃工作時，不同的土地分區(qū)方式存在著明顯的矛盾：一方面，從滿足電網(wǎng)規(guī)劃要求的角度則需要供電區(qū)域劃分具有較高的解析度；另一方面，數(shù)據(jù)收集積累及預測準確性傾向于在較低解析度下按功能區(qū)進行小區(qū)劃分。解析度越高，劃分小區(qū)數(shù)量就越多，負荷數(shù)據(jù)收集維護的工作量就越大，解析度過低將對電力規(guī)劃的精度產(chǎn)生負面的影響[2]。小區(qū)負荷發(fā)展歷史規(guī)律表明，如果對按照較低解析度對土地劃分時，小區(qū)負荷則呈現(xiàn)為較平緩S型曲線發(fā)展，受不確定性因素的影響小，規(guī)律性強。國外學者通過研究表明當小區(qū)面積大于10.356平方千米（4平方英里）時，其增長趨勢與整個系統(tǒng)負荷增長狀況相似[3]。這表明低解析度下較粗糙分區(qū)可對總體的預測結(jié)果有一定的參考作用。我國目前數(shù)據(jù)收集還處于起步階段，更應(yīng)該控制數(shù)據(jù)收集和維護的工作量，特別是按照城市功能分區(qū)時，將具有更加穩(wěn)定的負荷發(fā)展規(guī)律。在數(shù)據(jù)逐漸積累較豐富的基礎(chǔ)上利用趨勢法得到的預測結(jié)果，具有較高可信度。

在制定城市電網(wǎng)長期發(fā)展規(guī)劃時，城區(qū)負荷發(fā)展至飽和的具體時間存在不確定性，無法利用時間序列法和其他傳統(tǒng)預測方法預測。另外，第三產(chǎn)業(yè)的快速增長及高新技術(shù)影響下用電單耗的持續(xù)下降，因此負荷達到飽和時，國民生產(chǎn)總值卻還在增長，國民生產(chǎn)總值和飽和負荷時的彈性系數(shù)之間關(guān)聯(lián)度無法準確確定，用以上其他方法無法對規(guī)劃區(qū)域進行飽和負荷預測。

為解決傳統(tǒng)規(guī)劃中出現(xiàn)的問題，本文在傳統(tǒng)空間負荷預測預測方法基礎(chǔ)上提出了多層分區(qū)的思路和方法，并在河源城網(wǎng)遠景規(guī)劃中進行了驗證，結(jié)果表明所提方案的可行性與正確性。

1 多層分區(qū)空間負荷預測法

空間負荷預測的根本任務(wù)是對預測區(qū)域內(nèi)負荷的數(shù)值大小和負荷特性、地理位置等進行的預測，是整個規(guī)劃的最為基礎(chǔ)性工作之一，主要分為仿真法（Simulation）和趨勢法（Trending）兩類[2]。首先對預測區(qū)域負荷特性相同或相近的用戶歸并成同一負荷類別用戶，假定這些用戶的負荷特性具有相同，據(jù)此這些負荷一并進行分析和處理。

多層分區(qū)將規(guī)劃區(qū)由上至下分為三層，然后根據(jù)地理位置將中區(qū)劃分成許多小區(qū)，當劃分的小區(qū)數(shù)目足夠多時預測結(jié)果將逼近負荷分布的真實狀況。主要的分區(qū)方法有按則網(wǎng)格狀和不規(guī)則多邊形。一般來說按照街道和負荷性質(zhì)劃分計算量則較小。

空間負荷預測是將系統(tǒng)負荷總量預測首先分配到中區(qū)，然后再由中區(qū)分配到小區(qū)的過程，過程主要分為以下三個階段[4]。

（1）空間信息收集。規(guī)劃區(qū)域地理、交通、社區(qū)、市政和城市規(guī)劃方面信息可利用地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺對預測區(qū)域的空間信息進行處理來完成。

（2）土地使用決策。根據(jù)城市用地總體規(guī)劃和城市預設(shè)發(fā)展規(guī)模，對預測區(qū)域內(nèi)準備開發(fā)的各類負荷用地進行適應(yīng)度評價，在整個決策過程中，土地的使用要滿足總量、分類負荷預測以及新增用地總面積等約束。

（3）負荷增長預測。按照城市適度發(fā)展規(guī)劃，對城市發(fā)展程度給與適當定位，選取各類用地適宜負荷密度，就可以得到該區(qū)域負荷增長情況。空間負荷預測流程如圖1所示。

圖1 空間負荷預測流程圖

2 多層分區(qū)空間負荷預測法結(jié)構(gòu)模型

2.1 多層分區(qū)結(jié)構(gòu)建立

分層是在規(guī)劃區(qū)土地劃分時綜合小區(qū)形狀和解析度，建立三個劃分層次，包括總量層、數(shù)據(jù)收集層和仿真層。

（1）總量層。負荷總量預測結(jié)果是預測的最頂層（簡稱總量層），包括分類負荷、總負荷等預測結(jié)果。在中小規(guī)模的城網(wǎng)規(guī)劃中，大區(qū)一般按照行政區(qū)域劃分，數(shù)目一般5～10個左右為宜，大區(qū)劃分的平均面積一般在10～20平方公里左右。盡管大區(qū)的劃分是以地理為標準進行的，但仍認為大區(qū)負荷與系統(tǒng)總量負荷都屬于同一范疇即總量預測的范疇。

（2）數(shù)據(jù)收集層。在總量層之下建立空間負荷數(shù)據(jù)收集層（即中區(qū)），中區(qū)一般按照城市規(guī)劃功能塊或主要街道劃分，按負荷性質(zhì)主要分為工業(yè)園區(qū)、住宅區(qū)或者中心商務(wù)區(qū)（CBD）等。一個功能地塊包括主要負荷用地及其與配套的用地類型。中區(qū)是負荷數(shù)據(jù)收集積累主干渠道，中區(qū)劃分應(yīng)在大區(qū)邊界內(nèi)進行，不能跨越所屬的大區(qū)范圍，中區(qū)編碼以城市規(guī)劃為依據(jù)，應(yīng)該嚴格按照用地規(guī)劃進行，并保持土地劃分邊界相對穩(wěn)定，為了減少工作量，較小規(guī)模城市中中區(qū)的數(shù)目建議控制在50～100個左右。

（3）仿真層。在最底層采用以小區(qū)為基本單元進行負荷預測。小區(qū)具有較高的解析度，負荷性質(zhì)較為單一，預測的數(shù)據(jù)較為精確。采用仿真法預測小區(qū)負荷時，往往還需要類似小區(qū)的歷史和現(xiàn)狀負荷數(shù)據(jù)，再通過與GIS系統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)銜接，提供對仿真的數(shù)據(jù)支持來預測其負荷發(fā)展模式。為盡量準確的預測小區(qū)的負荷發(fā)展狀況，需要在每個中區(qū)內(nèi)部按負荷類別和位置確定少量的“支撐點小區(qū)”作為負荷調(diào)查的對象。研究表明，小區(qū)負荷歷史發(fā)展規(guī)律受附近小區(qū)的影響較大。因此結(jié)合“支撐點小區(qū)”負荷數(shù)據(jù)就比較容易估計“支撐點”周邊小區(qū)的負荷。

對于規(guī)劃區(qū)域中空地和已開發(fā)土地，可分為正常發(fā)展、重建和置換3種情況[5]。為簡化問題，本文僅考慮正常發(fā)展模式，小區(qū)的負荷按一定的規(guī)律增長直到飽和。已開發(fā)的土地則按照現(xiàn)有的增長模式進行預測；對于空地，則需要確定當前年份最大負荷值及其初次增長比例。應(yīng)用重力模型[2]、“鐘形”模型[5]和模糊近似推理方法[6-7]等方法都可得到新開發(fā)負荷發(fā)展的優(yōu)先性評價。

2.2 多層分區(qū)空間負荷預測法數(shù)學模型

在根據(jù)城市規(guī)劃中明確的各分區(qū)各類用地性質(zhì)，根據(jù)區(qū)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、用地規(guī)劃等經(jīng)濟指標，功能區(qū)選擇負荷密度時可參照國內(nèi)外類似地區(qū)的負荷水平，從數(shù)學角度來講，計算規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的空間負荷分布存在如下三種映射：

式 （1） 中 f1將分區(qū) （x，y） 的特征 F （x，y）映射為土地使用面積S（x，y），f2將土地使用面積映射成分區(qū)負荷L（x，y）

式（2）中m為規(guī)劃區(qū)域的負荷分類，第i類負荷密度為SCi，分區(qū)的（x，y）中的第i類土地使用面積和負荷分別表示和

3 多層分區(qū)空間負荷預測法計算流程

空間負荷預測方法分為自上而下和自下而上兩種。自下而上的空間負荷分布算法多用于規(guī)劃區(qū)域進行遠景飽和預測或各種原始數(shù)據(jù)缺乏的新區(qū)負荷預測。在多層分區(qū)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用自下而上方法，首先應(yīng)用仿真法預測仿真層的小區(qū)負荷，然后再把用仿真法預測得到的小區(qū)預測匯總，最后通過計算得出收集層和總量層的負荷數(shù)據(jù)。

3.1 計算流程

在實際的計算中僅已知仿真層負荷，而收集層和總量層負荷未知，中區(qū)和大區(qū)負荷上下各層負荷根據(jù)小區(qū)負荷計算得到，具體計算步驟及計算方法如下[8-9]：

（1） 中區(qū)記作MA(m)，m∈{1，2，…n}，中區(qū)內(nèi)所有小區(qū)SA的集合為：

SAMA(m)={sa|sa∈SA AND sa.MA=m}

SAMA(m)中第 t類負荷小區(qū)數(shù)目為 SAMA(m)，t.Cnt，構(gòu)成的集合為：

SAMA(m),t={sa|sa∈SA AND sa.MA=m AND sa.T=t}

中區(qū)內(nèi)第t類小區(qū)負荷相加時的同時率：asa-MA(m)，t=Ct(SAMA(m)，t.Cnt)

（2）MA(m)中第t類小區(qū)負荷之和記為∑SA?MA(m)，t.L，計算方法如下：

∑ SAMA(m)，t.L=(∑ sa.L|sa∈SAAND sa.MA=m AND sa.T=t)*αsa-MA(m)，t

（3）按上式對中區(qū)內(nèi)每類小區(qū)求和得到{∑SAMA(m),1.L，∑SAMA(m)，2.L，…∑SAMA(m)，T.L}，記為{∑SAMA(m),t.L}，然后對中區(qū)內(nèi)的每個小區(qū)負荷求和。

3.2 負荷密度指標的獲取途徑

為保證空間負荷密度法預測的準確性，首先要保證功能塊的劃分層次性、合理性，其次不同功能塊的負荷密度數(shù)據(jù)選取要有代表性和可信性。小區(qū)負荷密度和小區(qū)的性質(zhì)關(guān)聯(lián)度較大，主要通過按分類平均負荷密度設(shè)置、參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)、通過現(xiàn)狀供電區(qū)域以上三種方式獲得。規(guī)劃小區(qū)水平年負荷密度指標可以看做是在預測人員對規(guī)劃水平年小區(qū)負荷密度的一個估計值基礎(chǔ)上修正得到。

4 應(yīng)用與分析

以河源部分城區(qū)作為案例論證分層分區(qū)空間負荷預測方法在實際中的應(yīng)用。依據(jù)河源市城市遠景規(guī)劃，按照用地性質(zhì)劃分：居住用地、公共服務(wù)設(shè)施用地、工業(yè)工地、倉儲用地、對外交通用地、道路廣場用地、市政公用設(shè)施用地、綠地和其他9大類，分別編號為01、02、03、04、05、06、07、08、09，如表1所示。

表1 負荷分類表

所選取研究區(qū)域為河源城區(qū)南部古竹鎮(zhèn)，在文中多層處理時作為總量層。古竹鎮(zhèn)總體規(guī)劃面積為11.5 km2，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)包括以上所有9類用地，各類規(guī)劃用地的面積和規(guī)劃詳細情況見表2。

表2 古竹鎮(zhèn)的總體規(guī)劃

古竹鎮(zhèn)作為總量層即一個大區(qū)，以《河源市城市總體規(guī)劃綱要》為依據(jù)，分析城市定位，空間布局，產(chǎn)業(yè)模式、發(fā)展規(guī)模，將古竹鎮(zhèn)劃分為16個中區(qū)MA(m)，m=16，分別進行編號為D1、D2、D3…D16，各個中區(qū)之間以主干道為邊界線，每個中區(qū)內(nèi)都規(guī)劃有完整的基本生活設(shè)施，負荷性質(zhì)較為多樣，中區(qū)的劃分如圖2所示。

圖2 中區(qū)的劃分

圖3 小區(qū)的劃分

依據(jù)負荷性質(zhì)將每個中區(qū)劃分為若干個負荷類型單一的小區(qū)。選取中區(qū)D11作為此次仿真應(yīng)用的代表，首先將其劃分為12個小區(qū)，小區(qū)集合為sa，根據(jù)小區(qū)負荷性質(zhì)對小區(qū)編碼為D1101、D1102、D1103等，D代表大區(qū)標號、11代表D區(qū)的11號中區(qū)，01、02、03為小區(qū)的負荷性質(zhì)。根據(jù)各個行業(yè)的特點選取合適的負荷密度，中區(qū)D11內(nèi)的小區(qū)劃分如圖3所示。

古竹鎮(zhèn)的“劃分地塊數(shù)量”和“地塊面積”按照實際規(guī)劃中的分區(qū)數(shù)據(jù)，其中總量層1個、收集層MA(m)，m=16個、仿真層147個，具體分層情況見表3。

表3 分層分區(qū)表

根據(jù)《河源高新技術(shù)開發(fā)區(qū)電網(wǎng)專項規(guī)劃修編》，各個分區(qū)的產(chǎn)業(yè)性質(zhì)、用地類型和建設(shè)規(guī)模，對不同地區(qū)的負荷密度折算系數(shù)及用地開發(fā)強度進行相應(yīng)地調(diào)整和測算，得出不同類型用地負荷指標和各個分區(qū)的負荷密度。

綜合計算過程：根據(jù)城市遠景規(guī)劃中城市發(fā)展定位選取各類用地的飽和負荷密度，在實際預測中往往根據(jù)負荷密度的取值分為高、中、低三種方案。為了準確反映未來負荷發(fā)展，本文通過綜合處理得到仿真區(qū)的遠景負荷的中方案飽和值為120 MW。

5 結(jié)論

本文通過基于多層分區(qū)結(jié)構(gòu)的空間負荷預測方法在河源城區(qū)的應(yīng)用研究。首先給出了空間負荷預測數(shù)學模型，建立了多層分區(qū)的空間負荷預測結(jié)構(gòu)，通過此方法將城區(qū)總量負荷預測歸結(jié)為不同負荷特性的單元小區(qū)負荷的預測。驗證表明應(yīng)用文中所提方法的合理性和實用性。值得注意的是遠景負荷總量的實現(xiàn)沒有明確時間，僅是對城區(qū)用電規(guī)模的一個衡量，以預測結(jié)果為輸入逆推預測目標年前逐年的負荷狀況的情況[3]。在向遠景網(wǎng)架目標發(fā)展的過程中引導規(guī)劃工作者如何安排過渡年份的項目最優(yōu)、最科學的向遠景目標網(wǎng)架過渡。

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