電力系統(tǒng)負荷預(yù)測研究綜述

沈陽工程學院 李 晨 尹常永 李奇潔

預(yù)測，是一類科學問題的總稱，是用來推測和估計目前尚未發(fā)生或還不明確的事物。許多行業(yè)都會遇到預(yù)測問題，比如宏觀經(jīng)濟預(yù)測、天氣預(yù)報、人口數(shù)量預(yù)測、GDP發(fā)展預(yù)測等。對于預(yù)測，一般是在一定理論的參考下，以過去事物發(fā)展的規(guī)律和目前情況作錨點，將搜集到的歷史數(shù)據(jù)作為預(yù)測基礎(chǔ)，并在嚴密的分析和理論計算上，認識事物內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律，進而對未來的發(fā)展變化做出較為準確的估計。

電力系統(tǒng)負荷預(yù)測是根據(jù)電力負荷的歷史數(shù)據(jù)，搜集歷史天氣數(shù)據(jù)、降水量等天氣影響，經(jīng)濟的繁榮和蕭條，社會現(xiàn)狀等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并作為預(yù)測支撐，搜尋負荷與其他相關(guān)因素的內(nèi)在聯(lián)系，從而達到精準預(yù)測負荷的目的，電力負荷是有預(yù)測的必要性的。

1 電力系統(tǒng)負荷預(yù)測的分類

電力系統(tǒng)負荷預(yù)測一般以預(yù)測時間周期作為預(yù)測分類：

（1）時分預(yù)測：也被稱為超短期負荷預(yù)測。一般是以0至30min作為預(yù)測周期，預(yù)測后續(xù)一小時或數(shù)小時的負荷變化情況。

（2）日度預(yù)測：日度預(yù)測也被稱為短期預(yù)測。一般就是對一個正常日負荷曲線進行預(yù)測，也可以逐日預(yù)測，一般是以一周內(nèi)每天的負荷曲線預(yù)測，或者對特殊日期如周末、節(jié)假日、春節(jié)作特殊預(yù)測。

（3）月度預(yù)測：亦稱為中期負荷預(yù)測。月度預(yù)測會以每月的氣溫、降水等天氣因素、特殊情況（拉路限電情況等）作為預(yù)測數(shù)據(jù)基準，總結(jié)過去規(guī)律，達到描述未來的目的。一般月度預(yù)測的內(nèi)容使預(yù)測月度負荷、月度用電量、網(wǎng)供電量、售電量、全社會用電量、各產(chǎn)業(yè)行業(yè)電量；也對電力進行預(yù)測，如最大負荷，平均符合，最小負荷，月峰谷差，負荷率，最小符合率等。月典型日負荷特性預(yù)測，包含各月典型工作日、典型周末負荷曲線，各月份特殊日負荷曲線。

（4）年度預(yù)測：年度預(yù)測又被稱為長期預(yù)測。年度預(yù)測一般會以其他行業(yè)的年度預(yù)測作為預(yù)測基準。在相關(guān)途徑獲取國民經(jīng)濟發(fā)展總值的預(yù)測值，在氣象臺獲取未來一年甚至數(shù)年的天氣預(yù)測情況，獲取產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和人口增長預(yù)測數(shù)據(jù)等。

隨著對電力系統(tǒng)符合預(yù)測的研究更加深入，也為了滿足電力系統(tǒng)運行更新的需求，需要在原來分類的基礎(chǔ)上作出補充，針對實際預(yù)測需求，引入一些新的預(yù)測內(nèi)容。

（5）連續(xù)多日負荷曲線預(yù)測：在電力系統(tǒng)工程實踐中，負荷曲線預(yù)測有著舉足輕重的地位。目前進行連續(xù)若干日或更長時間的預(yù)測研究很少，一般短期負荷預(yù)測僅僅研究一天至幾天的曲線預(yù)測，中長期負荷預(yù)測一般只研究日典型負荷曲線的預(yù)測。

（6）擴展短期負荷預(yù)測：在電力系統(tǒng)的實際工作中，調(diào)度部門提前一天完成對第二天的日負荷短期預(yù)測，根據(jù)結(jié)果確定發(fā)電計劃。第二天監(jiān)控計劃執(zhí)行情況，若計劃發(fā)電與實際負荷差距較大，則需要對發(fā)電計劃做出臨時性調(diào)整，對剩余發(fā)電計劃重新預(yù)測，也是所謂的滾動發(fā)電計劃。為了滿足滾動發(fā)電，提出了擴展短期負荷預(yù)測。擴展短期負荷預(yù)測就是利用當前獲得的最新信息，預(yù)測從此時之后數(shù)小時的負荷變化情況，由實際預(yù)測可知，其精度明顯高于日負荷預(yù)測。

圖1 負荷預(yù)測的分類

2 負荷預(yù)測的必要性

時分預(yù)測專門用于實時安全分析，全面了解電力系統(tǒng)運行狀況，運行人員對電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)有一個基本的感知，也可用于實時經(jīng)濟型調(diào)度，提高供電經(jīng)濟性，降低網(wǎng)損。也可實時監(jiān)測發(fā)電機運行狀態(tài)，自動發(fā)電控制（ACG）等。時分預(yù)測的規(guī)律一般以前幾日同時段的變化規(guī)律作為參考，而影響因素幾乎不考慮，在夏季時可能會因為天氣過度炎熱而對供電做出根據(jù)經(jīng)驗指導(dǎo)的調(diào)整。

日度預(yù)測是對下一天發(fā)電計劃的預(yù)測。按人們生產(chǎn)生活的規(guī)律，準確的預(yù)測出供電的負荷曲線，為社會生產(chǎn)生活的順利增磚添瓦，為社會的安定盡一份力。日度預(yù)測會考慮在年、月、周、日不同周期會有明顯的周期性，影響因素一般考慮星期類型，氣象因素（溫濕度、降水等），電價等。

月度預(yù)測是對安排檢修計劃的指導(dǎo)，是中期運行方式的指導(dǎo)，根據(jù)季節(jié)調(diào)整水庫調(diào)度計劃，也可根據(jù)月度預(yù)測制定電煤計劃。月度電力會周期性的穩(wěn)定增長，各個年度的十二個月均有相似表現(xiàn)。

年度預(yù)測具有對電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的指導(dǎo)意義，以國家經(jīng)濟的發(fā)展情況預(yù)測未來電力系統(tǒng)的裝機容量等，以達到節(jié)約能源保護環(huán)境、經(jīng)濟運行的目的。也可確定年度檢修計劃、運行方式等。一般年度預(yù)測考慮國民經(jīng)濟發(fā)展情況、人口、產(chǎn)能單耗、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、電價的政策等。而年度預(yù)測的精確度往往收到多方面因素限制，比如作為預(yù)測支撐的數(shù)據(jù)不夠準確，或者突發(fā)情況類似災(zāi)難、戰(zhàn)爭、世界經(jīng)濟制約、疫情等無法預(yù)知的情況。負荷預(yù)測應(yīng)有一定的抗擾動能力，對各個突發(fā)時間應(yīng)有相應(yīng)的備案，在突發(fā)事件發(fā)生后，短時間內(nèi)，由于人的盲目性，很難及時做出正確的應(yīng)對，面對電力系統(tǒng)供電瞬時平衡的特性，應(yīng)考慮多方面情況，到關(guān)鍵時刻及時切換運行方式，避免缺電影響社會生產(chǎn)、人們的生活，也避免供電過剩導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

對于連續(xù)多日負荷曲線預(yù)測，一般被電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行所需要。其中的年負荷曲線和典型日負荷曲線是電力系統(tǒng)規(guī)劃中電力電量平衡的指導(dǎo)，也用于可靠性評估。彌補了傳統(tǒng)負荷預(yù)測僅僅是簡單將歷史數(shù)據(jù)平均作為結(jié)果來使用的不可靠性。

3 負荷預(yù)測常用的預(yù)測方法

電力系統(tǒng)負荷預(yù)測在上世紀三十年代即有研究，由于各國國情，普遍沒有共同治理，例如美國的聯(lián)邦制，歐洲的小國群體，一般以短期負荷預(yù)測為主，并沒有考慮到為發(fā)展指導(dǎo)的中長期的負荷預(yù)測研究。而中國正處于戰(zhàn)亂，且發(fā)電能力很有限，電能短缺，斷電情況頻繁，并沒有負荷預(yù)測的必要。到20世紀70年代，隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，裝機容量的急速提升，逐漸形成了負荷預(yù)測這一門學科并且得到迅速發(fā)展。目前國內(nèi)外對負荷預(yù)測研究的相關(guān)論文數(shù)量很多，以時間為界限，綜合下來方法大致分為經(jīng)典預(yù)測方法、人工智能預(yù)測法、現(xiàn)代組合預(yù)測法。

3.1 經(jīng)典預(yù)測法

（1）專家系統(tǒng)法：專家系統(tǒng)法是電力值班員根據(jù)負荷預(yù)測的經(jīng)驗知識，總結(jié)大量歷史負荷數(shù)據(jù)，理清經(jīng)驗規(guī)則，并按照這種規(guī)則進行預(yù)測的方法，這種方法能夠利用專家的經(jīng)驗知識，得到較為準確的結(jié)果。

（2）回歸分析法：回歸分析法是建立電力負荷與其他可能影響因素的回歸模型，模型簡單可靠，而且基于統(tǒng)計的回歸分析的理論已經(jīng)非常成熟，適合中長期負荷預(yù)測。但回歸模型為線性模型，無法考慮非線性因素，這種缺陷使得預(yù)測精度不高。

(3)灰色預(yù)測法：灰色預(yù)測法是基于灰色系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)已知量不高的情況的預(yù)測方法，將模糊控制理論應(yīng)用在復(fù)雜系統(tǒng)中，結(jié)合運籌學及自動控制。運算方便，易檢驗，求解灰色模型實質(zhì)上是求取微分方程。但灰色預(yù)測模型對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求很高，要求數(shù)據(jù)符合指數(shù)函數(shù)增長規(guī)律，不適合中長期預(yù)測，且樣本離散程度越高，預(yù)測精度越差。

(4)時間序列法：時間序列法認為未來的負荷受到過去幾天或幾個周期負荷的影響，且認為過去發(fā)生的事件或擾動將對未來數(shù)個周期有衰減的影響。一般時間序列法根據(jù)時間順序?qū)v史負荷進行建模，預(yù)測過程簡單，但此方法僅限于對樣本的擬合，未考慮到其他影響電力負荷的因素。

3.2 人工智能預(yù)測法

（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦的思維模式，從而進行對事物思考得出結(jié)果的方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法會設(shè)置大量神經(jīng)元組成一個復(fù)雜非線性系統(tǒng)。各神經(jīng)元由內(nèi)部設(shè)置線性函數(shù)經(jīng)放大函數(shù)輸出數(shù)值，乘以相應(yīng)權(quán)重系數(shù)，與其他同層次神經(jīng)元疊加傳遞至下一層次神經(jīng)元。雖單一神經(jīng)元結(jié)構(gòu)簡單，但經(jīng)過組合而成的模型十分復(fù)雜。此方法具有良好的容錯能力、記憶能力、映射能力及各種復(fù)雜的信息處理能力，也具有易陷入局部極小值、收斂速度慢、記憶不穩(wěn)定、對數(shù)據(jù)量要求大等缺點。

（2）小波分析預(yù)測法：小波分析方法在近些年內(nèi)得到了很大的發(fā)展，其預(yù)測實質(zhì)是將時域映射到頻域進行分析求解，再返回到時域。小波分析對局部突然變化有良好的分析能力，原始信號的傳遞、存儲、分析或者重建將在小波分析法中處理的異常簡單。

3.3 現(xiàn)代組合預(yù)測法

基于數(shù)理統(tǒng)計的經(jīng)典預(yù)測法和基于人工智能的現(xiàn)代預(yù)測法，皆有其固有缺陷，往往單一的預(yù)測方法并不能考慮各種影響因素進而準確地預(yù)測負荷趨勢，如時間序列預(yù)測法不能考慮非線性的影響，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能考慮到時間與負荷變化的關(guān)系。而組合模型能夠做到取長補短，優(yōu)勢互補，綜合考慮各個影響因素，繼而達到較高的預(yù)測準確度。

電力系統(tǒng)負荷預(yù)測近年來數(shù)學化趨向越來越重，盡管這些模型是先進的，但容易導(dǎo)致調(diào)度人員的困惑，使相關(guān)人員難以掌握。如果將負荷當作純粹的數(shù)據(jù)看待，也就失去了電力系統(tǒng)的特色。負荷預(yù)測應(yīng)考慮實際情況，選擇合適的模型，不管實際生硬的套用模型的思路值得三思。