基于氣溫的城市燃氣短期日負荷預測模型——以四川省成都地區(qū)為例

何春蕾 段言志 鄔宗婧 楊光道

1．成都理工大學能源學院 2．中國石油西南油氣田公司天然氣經(jīng)濟研究所 3．中國石油川慶鉆探工程公司油建公司4．中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探公司

近年來，一些學者在定量研究氣溫對城市燃氣日負荷影響方面做了有益的探索。本文參考文獻［1］利用指數(shù)平滑法建立了氣溫對日負荷影響的預測模型；本文參考文獻［2］以時間序列分析理論為指導建立了城市燃氣負荷預測體系；本文參考文獻［3］針對不同的氣象因素，采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型對日負荷進行研究；本文參考文獻［4］則討論了采用三角函數(shù)方法對氣溫作用進行擬合的可行性；本文參考文獻［5－6］研究了不同溫區(qū)內(nèi)日負荷的氣溫響應特性。近期研究［7］發(fā)現(xiàn)，氣溫與城市燃氣日負荷關系同阿累尼烏斯方程刻畫的溫度—化學反應速率關系較為類似（圖1、2），并建立了氣溫對城市燃氣中長期日負荷影響的預測模型。

圖1 溫度—化學反應速率關系圖

圖2 氣溫—城市燃氣日負荷關系圖

以上研究主要依據(jù)氣溫和用氣負荷的中長期（一個月以上）歷史數(shù)據(jù)，利用數(shù)學擬合的方法建立相應的預測模型。目前國內(nèi)尚未見到采用短期（10天以內(nèi)）歷史數(shù)據(jù)，考慮氣溫突變、低溫累積等因素對短期城市燃氣日負荷進行預測的報道。隨著城市燃氣用氣規(guī)模的不斷增長，因氣溫變化導致的日用氣峰谷差有擴大的趨勢。加上近年來冬季長期低溫、氣溫驟降等極端天氣屢屢出現(xiàn)，采用中長期數(shù)據(jù)進行趨勢預測可能存在較大的誤差。利用短期的氣溫、用氣負荷數(shù)據(jù)，結(jié)合較為準確的未來一周以內(nèi)的氣象預報對未來幾天內(nèi)的城市燃氣日負荷進行預測，并據(jù)此進行負荷預警和日調(diào)峰更具有現(xiàn)實意義。

1 氣溫對城市燃氣日負荷的影響

1．1 氣溫影響的趨勢性

氣溫影響的趨勢性是指氣溫變化對日負荷的趨勢性影響。一般來說，城市燃氣日負荷與氣溫呈負相關關系（圖3），并且在短時間內(nèi)相同的氣溫具有相同的燃氣日負荷。以四川省成都地區(qū)為例，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)可將該地區(qū)氣溫劃分為3個溫區(qū)：在12℃以下屬于低溫區(qū)，12～27℃屬于中溫區(qū)，27℃以上屬于高溫區(qū)。

1．2 氣溫影響的突變性

氣溫影響的突變性是指在短期內(nèi)極端氣溫對日負荷的劇烈影響，大多集中在低溫取暖季節(jié)，主要包括積累效應和連續(xù)降溫效應。氣溫累積效應是低溫長期積累，引起用氣習慣改變，從而使得日負荷急劇上升的影響效果；連續(xù)降溫效應則主要是指短期內(nèi)氣溫連續(xù)下降，燃氣日負荷反應滯后，幾天后才迅猛增長的影響效果。

圖3 成都地區(qū)氣溫與城市燃氣日負荷關系圖

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對成都地區(qū)氣溫的突變性影響作以下簡化：當氣溫低于12℃時，連續(xù)3日內(nèi)氣溫平均每日降低2℃，燃氣日負荷額外增加10%。例如，成都地區(qū)在2009年11月14日氣溫為11．8℃，15—17日氣溫分別降至9．9℃、7．8℃和5．7℃，平均每日降低約2℃。受氣溫突變性影響，燃氣日負荷在17日由前一天的383×104m3突升到420×104m3以上（表1）。

表1 氣溫突變對日負荷的影響表

2 短期日負荷預測模型

2．1 模型結(jié)構(gòu)

假設城市燃氣日負荷僅由氣溫決定，并且氣溫決定的趨勢性日負荷占主控，氣溫突變影響是在趨勢性日負荷基礎上的小幅度波動。假設預測模型為：

日負荷＝氣溫突變影響×趨勢性日負荷

記為：Q＝β×Q′。其中趨勢性日負荷是主要預測對象。本文參考文獻［7］已對此有一定研究，但其參數(shù)取值主觀性較大。這里參數(shù)取客觀的短期氣溫和日負荷數(shù)據(jù)，不同于本文參考文獻［7］“日負荷＝最大日負荷×（1－日負荷變化率）”的模型。本文假定趨勢性日負荷預測模型為：

趨勢性日負荷＝短期最大日負荷－日負荷變化率記為：Q′＝Qmax－K。其中K表示短期氣溫引起的趨勢性日負荷變化量。采用本文參考文獻［7］類似的做法，借用阿雷尼烏斯方程對K進行研究，即假設式中K0為常數(shù)，ΔE為活化能，T為溶液溫度，T0為絕對零度，R為常數(shù)。特別地，我們賦予參數(shù)類似的物理涵義：令K0表示日負荷變化基礎度量，ΔE表示日負荷變化強度，T為當日氣溫，T0為該地區(qū)最低氣溫，R為常數(shù)。

這樣，預測模型為：

2．2 參數(shù)取值

對上式的參數(shù)取值做如下規(guī)定：β表示氣溫突變影響的常數(shù)，據(jù)統(tǒng)計成都地區(qū)氣溫突變性對負荷的影響約為10%，如預報短期某日出現(xiàn)氣溫突變?nèi)?．1，若預報未出現(xiàn)氣溫突變?nèi)?；Qmax為短期內(nèi)城市燃氣最大日負荷；ΔT根據(jù)氣象預報取值，為當?shù)仡A報的某日氣溫減去當?shù)貧v史最低氣溫；R為常數(shù)，以成都為例，根據(jù)歷史資料統(tǒng)計，短期內(nèi)平均氣溫12℃以下取0．01，12～27℃取0．1，27℃以上取1。

參數(shù)K0和ΔE需根據(jù)短期內(nèi)的氣溫與燃氣日負荷數(shù)據(jù)擬合求出。為便于計算，可取短期內(nèi)最小日負荷Q1（當日氣溫T1）和短期內(nèi)的平均日負荷Q2（平均氣溫T2）聯(lián)立方程，求解參數(shù)。即通過聯(lián)立：

反求參數(shù)K0和ΔE。可以認為上述參數(shù)值短期內(nèi)不變，能用于預測下一個短周期內(nèi)的日負荷。

2．3 實例計算

模型可重點應用于極端氣溫或氣溫驟變條件下的城市燃氣日負荷短期預測。根據(jù)四川省氣象局日平均氣溫數(shù)據(jù)和成都市城市燃氣數(shù)據(jù)，選取氣溫驟降的2010年10月21—30日共計10天的氣溫和城市燃氣日用氣量為基礎數(shù)據(jù)（表2），測算未來幾天內(nèi)的用氣情況。

表2 成都地區(qū)城市燃氣日負荷表

根據(jù)取值方法，Qmax＝457，R＝0．1，取成都地區(qū)歷史最低氣溫為－5℃，可計算出K0＝259．9，ΔE＝3．51。將參數(shù)代入預測模型，可預測短期內(nèi)不同氣溫下的用氣量（表3）。

對比實際數(shù)據(jù)，該模型預測誤差在3%以內(nèi)，絕對值小于10×104m3／d，預測精度較高（表4）。

3 結(jié)論

1）筆者利用統(tǒng)計學和化學動力學相關理論，基于氣溫突變、低溫累積等因素構(gòu)建了基于氣溫的城市燃氣短期日負荷預測模型，模型的參數(shù)取決于短期內(nèi)的氣溫和日負荷數(shù)據(jù)。

2）通過實例測算發(fā)現(xiàn)模型的預測精度較高，可為城市燃氣公司或上游供氣企業(yè)的短期日負荷預警和調(diào)峰提供一定理論依據(jù)和決策支持，也可為其他地區(qū)建立類似的短期預測模型提供借鑒。

表3 模型預測結(jié)果表

表4 模型預測值與實際值比較表

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