基于負(fù)荷解析和分類(lèi)氣象因子的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)

廖 培， 商佳宜， 何 潔

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310011；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007）

基于負(fù)荷解析和分類(lèi)氣象因子的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)

廖 培1， 商佳宜1， 何 潔2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310011；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007）

為提高短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度，通過(guò)分析不同氣象因子對(duì)負(fù)荷的影響，發(fā)現(xiàn)不同氣象因子影響不同性質(zhì)的負(fù)荷。針對(duì)這一情況，根據(jù)不同氣象因子對(duì)地區(qū)總負(fù)荷構(gòu)成進(jìn)行解析，找出各氣象因子與負(fù)荷構(gòu)成的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)挖掘及分析，構(gòu)建相應(yīng)的模型，提出了對(duì)應(yīng)的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，基于負(fù)荷解析及分類(lèi)氣象因子的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)方法具有較好的精度和可應(yīng)用性。

負(fù)荷解析；氣象因子；短期負(fù)荷；預(yù)測(cè)

0 引言

短期負(fù)荷預(yù)測(cè)是針對(duì)未來(lái)一天到數(shù)天各時(shí)段的負(fù)荷情況進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)是電網(wǎng)企業(yè)做好供用電平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定分析及安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的重要性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)作出了大量的分析研究，提出了許多負(fù)荷預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)方法。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，負(fù)荷受氣象因子影響的比重不斷加大，特別是近年來(lái)發(fā)達(dá)城市地區(qū)，氣象敏感負(fù)荷占比日益增大[1-2]。

目前較多負(fù)荷預(yù)測(cè)模型及方法，完全基于歷史數(shù)據(jù)，雖然歷史數(shù)據(jù)本身包含了部分氣象因子，但是這種完全基于歷史數(shù)據(jù)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方式較難達(dá)到精度要求。目前實(shí)際使用的預(yù)測(cè)方法多采用軟件預(yù)測(cè)加人工修正，人工修正對(duì)于氣象因子的處理往往過(guò)于簡(jiǎn)單，未真正分析不同的氣象因子對(duì)負(fù)荷影響的成因。

以下分析了不同氣象因子對(duì)負(fù)荷的影響，發(fā)現(xiàn)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)中不同氣象因子影響的是總負(fù)荷中一部分，根據(jù)這一情況，依據(jù)不同情況下的負(fù)荷特性，提取出不同的氣象敏感負(fù)荷構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了分類(lèi)氣象因子下的負(fù)荷解析，并建立了相應(yīng)的模型，提出了對(duì)應(yīng)的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。

1 負(fù)荷特性分析及負(fù)荷解析

以杭州地區(qū)負(fù)荷為研究對(duì)象，根據(jù)不同季節(jié)及氣象條件下的地區(qū)負(fù)荷及特性，分析了影響負(fù)荷變化的主要?dú)庀笠蜃樱⑻崛〔煌竟?jié)及氣象條件下的氣象敏感負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷解析，為建立相應(yīng)的氣象負(fù)荷模型及方法提供了先決條件。

杭州地區(qū)負(fù)荷為典型的發(fā)達(dá)城市區(qū)域負(fù)荷，氣象敏感負(fù)荷占比較大。春季（3—5月）、秋季（10—11月）負(fù)荷較為穩(wěn)定，氣溫主要集中在10～28℃，基本無(wú)降溫及取暖負(fù)荷出現(xiàn)。負(fù)荷主要以穩(wěn)定的基礎(chǔ)負(fù)荷為主，對(duì)氣溫變化敏感性不強(qiáng)，負(fù)荷波動(dòng)幅度不大。負(fù)荷波動(dòng)主要受天氣晴（云）/陰及降雨影響，其中天氣晴（云）/陰引起的負(fù)荷變動(dòng)主要為照明負(fù)荷及光伏電站出力變化。而降雨的影響主要是兩方面，一方面降雨一般導(dǎo)致天氣陰沉，照明負(fù)荷出現(xiàn)（夜間降雨無(wú)此影響）及光伏電站出力變化；另一方面降雨導(dǎo)致小水電機(jī)組發(fā)電，影響總負(fù)荷。

夏季超過(guò)一定溫度，降溫負(fù)荷開(kāi)始出現(xiàn)，降溫負(fù)荷的多少與溫度高低呈明顯的正相關(guān)性，溫度越高，降溫負(fù)荷越大，且當(dāng)溫度達(dá)到一定程度，將會(huì)出現(xiàn)高溫累積效應(yīng)，即使氣溫不再升高，負(fù)荷依然增加。此外，待地區(qū)降溫負(fù)荷完全釋放，即使氣溫增加或持續(xù)高溫，地區(qū)負(fù)荷增加不明顯或不再增加。夏季負(fù)荷氣象敏感因子除溫度外，降雨影響也較為明顯，此外濕度、風(fēng)速也對(duì)負(fù)荷波動(dòng)造成一定影響。

降雨的影響基本可歸結(jié)為影響溫度、小水電出力、光照三方面。濕度及風(fēng)速的影響相對(duì)較小，主要表現(xiàn)在濕度較大（降雨引起的濕度增加除外），體感悶熱或濕冷，降溫或取暖負(fù)荷增加。風(fēng)速的影響類(lèi)似于濕度，主要影響人體感覺(jué)，從而影響降溫或取暖負(fù)荷。

根據(jù)上述負(fù)荷特性分析，一般可將日負(fù)荷解析為以下3個(gè)部分：基礎(chǔ)負(fù)荷、氣象敏感負(fù)荷、其他隨機(jī)波動(dòng)負(fù)荷[3]。

其中L為正常日負(fù)荷，Lbasic為基礎(chǔ)負(fù)荷，是不受氣象等隨機(jī)因素影響的那一部分負(fù)荷，主要受經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、外部環(huán)境變化等宏觀因素影響，在一定時(shí)間內(nèi)變化不大，在短期負(fù)荷預(yù)測(cè)中基本保持不變。Lrandom為隨機(jī)性負(fù)荷分量，受短時(shí)的隨機(jī)事情影響，如短時(shí)的有序用電、錯(cuò)避峰措施等，正常的日負(fù)荷曲線(xiàn)中，這部分負(fù)荷可以視作零，只在對(duì)影響負(fù)荷的偶發(fā)事件及條件出現(xiàn)時(shí)，該負(fù)荷分量才存在。Lweather為負(fù)荷的氣象分量，即氣象敏感負(fù)荷。

針對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)影響最大的氣象敏感負(fù)荷進(jìn)一步進(jìn)行解析，認(rèn)為氣溫、降雨、光照、濕度、風(fēng)速為主要的氣象因子影響負(fù)荷波動(dòng)，即氣象敏感負(fù)荷的變化主要由氣溫敏感負(fù)荷Lt、降雨敏感負(fù)荷Lr、光照敏感負(fù)荷Ls、濕度敏感負(fù)荷Lh及風(fēng)速敏感負(fù)荷Lw波動(dòng)引起。

2 分類(lèi)氣象因子的敏感負(fù)荷模型

2.1 基于溫度的氣象敏感負(fù)荷模型

通過(guò)分析杭州地區(qū)2012—2013年日最高負(fù)荷與最高溫度、日平均溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最高負(fù)荷與溫度呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，以2013年3—12月正常工作日負(fù)荷（排除1—2月春節(jié)前后負(fù)荷數(shù)據(jù)）、天氣數(shù)據(jù)為樣本建立負(fù)荷與溫度變化曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 負(fù)荷-溫度關(guān)系

圖中，T*=T/Tmax，L*=L/Lmax，T與L分別為溫度和負(fù)荷。

從上分析可知，10～28℃氣溫區(qū)間，氣溫對(duì)負(fù)荷波動(dòng)無(wú)明顯影響，當(dāng)氣溫高于28℃或低于10℃，負(fù)荷波動(dòng)于氣溫呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。因此夏季基于溫度的氣象敏感負(fù)荷模型：

式中：ΔL為相對(duì)前一日同一時(shí)刻的溫度負(fù)荷改變量；ΔT為預(yù)測(cè)日與前一日同一時(shí)刻的溫度變化量；f（T）為負(fù)荷溫度系數(shù)。

由于不同溫度范圍內(nèi)溫度變化對(duì)負(fù)荷的影響（負(fù)荷溫度系數(shù)）不同，從2012—2013年夏季溫度負(fù)荷數(shù)據(jù)關(guān)系，通過(guò)最小二乘法擬合可得到負(fù)荷-溫度系數(shù)f（T）的初步函數(shù)關(guān)系如下：

約束條件：對(duì)某一地區(qū)，在確定年份，其最大降溫負(fù)荷基本確定，當(dāng)夏季降溫負(fù)荷完全釋放時(shí)，負(fù)荷不再增長(zhǎng)。因此，式（2）與（3）的成立的約束條件為：

持續(xù)高溫天氣，當(dāng)氣溫連續(xù)超過(guò)某一溫度，類(lèi)似于氣象學(xué)定義天氣進(jìn)入夏季需要溫度持續(xù)一周進(jìn)入某一范圍，盡管相連幾天溫度變化不大，但負(fù)荷相比前一日仍不斷增加，對(duì)于這一現(xiàn)象，稱(chēng)為高溫累積效應(yīng)[3]。通過(guò)選取2013年夏季極端持續(xù)高溫天氣負(fù)荷及溫度情況為樣本，分析出杭州地區(qū)當(dāng)氣溫連續(xù)超過(guò)33℃時(shí)，負(fù)荷增長(zhǎng)體現(xiàn)出明顯的高溫累積效應(yīng)，如表1所示。

表1 夏季負(fù)荷高溫累積效應(yīng)

根據(jù)歷史樣本數(shù)據(jù)，得出累積高溫天氣的溫度負(fù)荷修正系數(shù)fn（T）：

式中：f（T）為常規(guī)負(fù)荷溫度系數(shù)；?為高溫累積系數(shù)，根據(jù)負(fù)荷數(shù)據(jù)取0.2；n為氣溫超過(guò)33℃的持續(xù)天數(shù)。

冬季負(fù)荷與溫度呈明顯的負(fù)相關(guān)性，建立氣溫與負(fù)荷關(guān)系模型的方法與夏季情況相近。

2.2 基于光照的氣象敏感負(fù)荷模型

傳統(tǒng)光照氣象因子對(duì)城市電網(wǎng)負(fù)荷的影響主要體現(xiàn)在照明負(fù)荷波動(dòng)，當(dāng)今隨著新能源的快速發(fā)展，光伏發(fā)電規(guī)模逐步增大，光照條件通過(guò)光伏電站出力影響區(qū)域網(wǎng)供負(fù)荷波動(dòng)。以10—11月負(fù)荷情況為分析樣本，該時(shí)間段氣溫及氣象條件穩(wěn)定，無(wú)降溫及取暖負(fù)荷，以天氣陰和晴朗氣象條件下負(fù)荷對(duì)比得出最大光照敏感負(fù)荷，同理提取出其他天氣情況下的光照負(fù)荷，并作歸一化處理如表2所示。

根據(jù)表2，得出基于光照的氣象敏感負(fù)荷模型：

式中：L1max為地區(qū)最大照明負(fù)荷；PSmax為地區(qū)光伏電站最大出力。

表2 光照負(fù)荷歸一化系數(shù)

2.3 基于降雨的氣象敏感負(fù)荷模型

降雨對(duì)負(fù)荷波動(dòng)影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：降雨影響氣溫、光照及小水電機(jī)組出力，降雨氣象條件下一般伴隨著溫度下降，從而引起負(fù)荷波動(dòng)，這部分降雨敏感負(fù)荷按照氣溫敏感負(fù)荷進(jìn)行分析，不再詳述。

一定時(shí)間持續(xù)的降雨（或是達(dá)到一定降雨量），區(qū)域小水電機(jī)組開(kāi)機(jī)導(dǎo)致網(wǎng)供負(fù)荷降低。小水電出力情況主要從調(diào)度水電出力曲線(xiàn)可以獲得，例如暴雨情況下最大出力為Prmax、中雨情況下出力為Pa、小雨為Pb，陣雨為Pc，通過(guò)k3=P/Pmax得出雨量系數(shù)。此外考慮到降雨后，雨水匯集到河流，逐漸形成發(fā)電能力需要一段時(shí)間。因此，小水電出力不單是與當(dāng)前降雨量有關(guān)，而是存在一定的累積效應(yīng),即與之前一段時(shí)間的降雨量有關(guān)。因此降雨對(duì)小水電出力影響具有一定的時(shí)間滯后性，不同地區(qū)滯后時(shí)間t0不同，其負(fù)荷模型為：

降雨引起光照條件變化，導(dǎo)致照明負(fù)荷及光伏電站出力的波動(dòng)，這部分影響按照光照氣象敏感負(fù)荷模型分析。

2.4 基于濕度、風(fēng)速等體感敏感負(fù)荷模型

濕度、風(fēng)速對(duì)負(fù)荷的影響與氣溫存在一定的相關(guān)性，因此不少學(xué)者、文獻(xiàn)采取人體舒適度指標(biāo)來(lái)衡量這三類(lèi)氣象因子的綜合效果[4-5]。采用人體舒適度指標(biāo)的好處，是能充分考慮各種氣象因子的關(guān)聯(lián)性對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響。但是這一指標(biāo)無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)，更無(wú)氣象指標(biāo)，只能從分立的氣象指標(biāo)建立關(guān)聯(lián)，在實(shí)際負(fù)荷預(yù)測(cè)中適應(yīng)性不強(qiáng)。氣溫作為負(fù)荷波動(dòng)的主要?dú)庀笠蜃樱旧砭哂泻苊鞔_的衡量及預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，而濕度、風(fēng)速作為氣象因子，相對(duì)影響較小，雖然單獨(dú)分析忽略了部分關(guān)聯(lián)性，但能準(zhǔn)確衡量氣溫影響，對(duì)濕度、風(fēng)速的影響衡量也能達(dá)到精度要求。因此對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速采取單獨(dú)分析。

濕度對(duì)負(fù)荷的影響依據(jù)氣溫而定。夏季在氣溫超過(guò)28℃，杭州地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)降溫負(fù)荷，在此氣溫范圍內(nèi)，若空氣濕度過(guò)大，將會(huì)造成天氣悶熱，雖然溫度基本不變，但是降溫負(fù)荷增加。同理，冬季當(dāng)氣溫低于10℃，杭州地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)升溫負(fù)荷，在此氣溫范圍內(nèi)，若空氣濕度過(guò)大，濕冷天氣將導(dǎo)致寒冷指數(shù)上升，取暖負(fù)荷增加。同時(shí)根據(jù)地區(qū)氣象情況分析，正常天氣情況下濕度不超過(guò)60%，此時(shí)濕度適中，人體不會(huì)感覺(jué)悶熱或是濕冷，該濕度范圍一般不會(huì)造成降溫或取暖負(fù)荷波動(dòng)。當(dāng)濕度為大于60%，小于80%時(shí)，人體會(huì)感覺(jué)悶熱或是濕冷，會(huì)導(dǎo)致降溫或取暖負(fù)荷明顯增加。當(dāng)濕度超過(guò)80%時(shí)，一般為降雨天氣，按降雨對(duì)負(fù)荷的影響進(jìn)行分析和處理。2013年9月杭州地區(qū)部分工作日不同濕度下的負(fù)荷變化見(jiàn)表3。

表3 不同濕度情況下負(fù)荷

根據(jù)表3氣象情況分析，13、16兩日濕度較大，為南方典型的“桑拿天”，受此影響，負(fù)荷較12，18，19日明顯上升，濕度敏感負(fù)荷系數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 濕度敏感負(fù)荷系數(shù)

對(duì)比大量負(fù)荷數(shù)據(jù)，取高濕度（75%以上）日期最大增長(zhǎng)負(fù)荷Lhmax，對(duì)其他濕度情況下的濕度敏感負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比，作濕度歸一化處理，得出統(tǒng)一的濕度敏感負(fù)荷系數(shù)k4，則：

風(fēng)速夏、冬兩季對(duì)降溫或取暖也造成一定影響，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，其影響值較小，主要是中等風(fēng)速情況下會(huì)導(dǎo)致一定量的負(fù)荷波動(dòng)。建議在氣溫超過(guò)28℃或低于10℃，中等及以上風(fēng)速，采取固定值Lw（Lw<0）；此外對(duì)有風(fēng)電機(jī)組的地區(qū)還應(yīng)考慮風(fēng)電出力的變化。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用

基于負(fù)荷解析與分類(lèi)氣象因子的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，在實(shí)際的預(yù)測(cè)中以基礎(chǔ)負(fù)荷分量為基礎(chǔ)，通過(guò)分類(lèi)氣象因子及其對(duì)應(yīng)的負(fù)荷模型，獲得氣象負(fù)荷分量；或以相似日曲線(xiàn)為基礎(chǔ)（相似日一般選取同類(lèi)型日或前一日），通過(guò)對(duì)比相似日的氣象信息，得出增加或減少的氣象負(fù)荷，從而預(yù)測(cè)日負(fù)荷曲線(xiàn)。采用杭州地區(qū)2013年不同季節(jié)和天氣條件下的負(fù)荷與氣象歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，對(duì)該地區(qū)96個(gè)日網(wǎng)供點(diǎn)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在秋季陰天，取2013年9月5日（周四）為負(fù)荷預(yù)測(cè)日。預(yù)報(bào)氣象條件為：陰，最高氣溫28℃，平均相對(duì)濕度50%，無(wú)風(fēng)；其前一日實(shí)際氣象條件：晴，最高氣溫29℃，平均相對(duì)濕度53%，微風(fēng)。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2，預(yù)測(cè)結(jié)果平均誤差為1.15%，預(yù)測(cè)效果較好。

圖2 負(fù)荷預(yù)測(cè)應(yīng)用實(shí)例（秋季）

在夏季高溫天，取2013年7月11日（周四）為負(fù)荷預(yù)測(cè)日。預(yù)報(bào)氣象條件為：晴、最高氣溫37℃（持續(xù)超過(guò)33℃3天），平均相對(duì)濕度55%，微風(fēng)。其前一日實(shí)際氣象條件：晴、最高氣溫35℃，平均相對(duì)濕度50%，微風(fēng)；預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3；預(yù)測(cè)結(jié)果平均誤差為1.88%，預(yù)測(cè)效果較好。

3.2 不同預(yù)測(cè)方法對(duì)比分析

以2013年8月氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷情況為樣本，比較傳統(tǒng)相似日加人工修正預(yù)測(cè)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)傳統(tǒng)方法）和基于負(fù)荷解析和分類(lèi)氣象因子的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)新方法），在工作日情況下預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率如表5。

圖3 負(fù)荷預(yù)測(cè)應(yīng)用實(shí)例（夏季）

表5 負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比

從表5可以看出，基于負(fù)荷解析和分類(lèi)氣象因子的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法相比傳統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，在對(duì)氣象信息的處理和預(yù)測(cè)精度上更為準(zhǔn)確，提高了負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。不過(guò)在夏季高溫天氣午后雷雨等情況下，預(yù)測(cè)精度有待提高，主要是對(duì)降雨的準(zhǔn)確時(shí)間及范圍缺乏精確的信息。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不同季節(jié)及氣象條件下的負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比分析，解析出日負(fù)荷曲線(xiàn)中的基礎(chǔ)負(fù)荷分量、氣溫、降雨、光照等主要?dú)庀竺舾胸?fù)荷分量，建立主要?dú)庀笠蜃幽Ｐ停瑥亩@得一定氣象條件下預(yù)測(cè)日曲線(xiàn)，形成了基于負(fù)荷解析與分類(lèi)氣象因子的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。該預(yù)測(cè)方法在實(shí)際負(fù)荷預(yù)測(cè)工作中效果較好，預(yù)測(cè)精度明顯提高。雖然建立的分類(lèi)氣象因子模型是基于杭州地區(qū)負(fù)荷特性及氣象條件，分類(lèi)氣象因子模型中相關(guān)參數(shù)對(duì)于不同地區(qū)及負(fù)荷特性會(huì)略有不同，但對(duì)負(fù)荷解析及分類(lèi)氣象因子的處理思路不局限于某一地區(qū)，應(yīng)具有較好的適用性。

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（本文編輯：楊 勇）

Short-term Load Forecasting Based on Load Decomposition and Meteorological Factors

LIAO Pei1，SHANG Jiayi1，HE Jie2
(1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310011，China; 2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China)

In order to improve forecast accuracy of short-term load，it is concluded by analyzing impact of meteorological factors on load that different meteorological factors have impact on loads with different natures. Therefore，the regional total load constitution is analyzed depending on the different meteorological factors to find the correspondence between meteorological factor and power load constitution；through historical date mining and analysis，the load model is built and the corresponding short-term load forecast method is established.The practical application shows that the load forecast model and forecast method based on load decomposition and meteorological factors are highly accurate and applicable.

load decomposition；meteorological factor；short-term load；forecast

TM715

A

1007-1881（2015）11-0033-05

2015-09-17

廖 培（1983），男，工程師，主要從事電網(wǎng)分析及負(fù)荷管理工作。