電網中長期負荷預測技術開發應用

廣東電網有限責任公司廣州供電局 黃錦增 段煉 魏艷霞 陳永淑 李茜瑩

當前我國電力負荷統計數據量不斷快速增長，大量負荷數據的處理過程中的效率不高，耗費的時間相對太長，以及電力長期負荷數據預測處理精度較低，得到的數據結果不能很好地進行計算和處理存儲。基于此，本章著重探究了利用大數據分析在電力市場中長期用電負荷數值預報的問題，并想方設法予以保證進行科學合理的電力負荷運行預測研究。

長期負荷是指對未來5～10年內的能源和用電的合理預計。長期發展預報的優點體現在，預報方式比較系統復雜且長遠進行預報的準確度要遠比較企業短期預報的準確度低[1]。產生這個現象的原因是，中長期負荷預報必須兼顧遠高于短時預報的各種因素，如區域規劃與發展趨勢、人口遷移等。所以，在長期預報中，有關人員會形成一種模式，利用模擬更好地表現不同的原因，進而根據周圍環境的變化趨勢進行適當的改變，有利于提升預報的有效性。

1 中長期負荷預測對電網的積極意義

1.1 可以促進電網的發展

隨著中國企業經濟建設社會的高速發展，有關我國電網規劃的科技教學手段也在不斷地進行著信息創新，如電腦人工智能控制技術等。計算機人工智能信息技術的引導下，智慧國家電網科技的信息化管理水平將獲得較大的提升，使用效益也已得到了長足的提高和過去一樣，雖然中長期負荷預測對智慧國家電網的科技發展趨勢將產生積極的影響[2]。

1.2 有助于解決電網發展中存在的問題

目前電網的發展往往受多種原因的影響，如與工程設計和社會實際發展不配合等。產生這個現象的主要原因往往就是，在設計研究階段的過程中并沒有根據各個地方的實際企業發展能力，現狀也可以使得資源在開發利用的過程中進一步地增加了對經濟的耗費[3]。因此根據這一問題，政府應當積極開展供電預測工作，以方便有關人員進行供電設計工作，并使之可以更好地適應經濟社會發展的要求。

2 中長期負荷預測方法分類及應用

2.1 分類

中長期負荷壓力預測的常用方法大致可以細分為利用經驗計算預測的方法和利用數學測量模型綜合計算預測法。經驗判別預測的方式，主要是指通過依靠行業專家或技術專家組的經驗判別數據做出對電力負荷量的估計，不包括數量化的模型。

根據自身使用到的數據不同，應用模型分析法主要可以分為自身使用規律分析外推法和其他相關規律分析法。二類分析的主要區別就是，除自身負荷規律分析外推法者一般僅以自己負荷自身的重要歷史數據作為具體預測規律基礎，而自身相關因素分析法將自身負荷與各種重要經濟活動因素直接聯合在一起來進行考慮。

按分析統計模型算法是否正確需要同時進行數學參數值的計算，參數能量模型計算方法雖然能準確反映給定負荷能量變化的客觀規律性，但同時缺乏對給定負荷中隨機能量變化的可分量部分的正確處理。近年來，非測量參數性能模型逐漸開始得到廣泛應用，但其本身物理性能意義不清晰，較難正確對模型本身性能進行科學分析和設計調整，表1為負荷預測方法的簡單分類。

表1 中長期負荷預測方法分類Tab.1 Classification of medium and long-term load forecasting methods

針對多負荷變數、非具有決定性的中長時間和大負載變數預測，比使用單純非決定性變數預測或使用定量定性預測的分析明顯不足。如何將各種預測方法合理地充分結合運用起來，實現各種優勢互補，進一步提高壓力負荷變化預測的應用精度已逐漸成為科學研究中的重點。

2.2 應用

以XX地區用電量為例，對其實施虛擬預測。

這個效果并不一定要求使用絕對的純黑和純白色，只要足夠深的黑和足夠淺的白放在一起就能得到不錯的效果。閾值調整圖層只有一個控制選項——閾值色階。使用這個滑塊我們可以直接更改畫面的黑白分界點。這個效果最適合本例中這種在純色背景下拍攝的肖像，效果非常像裝飾畫。

數學模型法：

2.2.1 彈性系數

電力彈性系數可反映電能消費增長速度、國民經濟增長速度兩者間的關系，多用于電量的長期預測。以XX地區為例，其2001—2005年的電力彈性系數為0.82，2006—2010年的電力彈性系數為0.61，2011—2015年的電力彈性系數為1.45，2016—2020年的電力彈性系數為0.88，2021—2025年的電力彈性系數為0.35。使用彈性系數開展虛擬預測時，GDP增長率、電力彈性系數預測值通過回歸分析電力彈性系數與GDP，結合等維新息數據處理方法，獲得表2預測數據。

表2 2021—2025年XX地區用電彈性系數虛擬預測Tab.2 Virtual prediction of electricity elasticity coefficient in XX area from 2021 to 2025

2.2.2 人均用電法

從人口數與總用電量關系而言，總用電量的增長速度大于人口增速。選擇該方法進行虛擬預測，獲得表3數據。

表3 2021—2025年XX地區人均用電法虛擬預測Tab.3 Virtual forecast of electricity consumption per capita in XX area from 2021 to 2025

2.2.3 回歸分析

圖1 一元線性回歸虛擬預測Fig.1 Unary linear regression virtual prediction

3 中長期負荷預測中存在的問題

在信息時代的快速發展下，中長期的負荷功率預測分析技術被廣泛使用的越來越頻繁。中長期電網最大負荷供電預測中目前面臨的重大問題主要有：(1)在城市電力發展戰略和供電建設計劃之間出現了很大矛盾。在信息時代的高速發展下，這也為城市供電的使用造成了巨大的環境變動，中長期的高負荷供電技術的使用效率已無法獲得保證。(2)企業缺乏與其相關的專業人才和其對行業的不充分重視。其實，行業的不充分重視也可能是目前導致我國缺乏教育相關專業人才的重要一個原因。(3)難以完全滿足行業高峰期用電量滿足需求。

4 中長期負荷預測方法

4.1 灰色系統預測法

灰色系統的重要物理特征之一是系統的其他因素不相對確定或其他因素之間不確定具有相對確定的相互關系。灰色系統利用理論方法對原始生成數據信息進行了處理，從而使原來混亂無章的初始生成數據信息轉變為，形成了一個規律性較強的基于生成原始數據，并由此建立基于生成原始數據的一種動態模型，從而對其進行準確分析和可預測。電力系統負荷控制系統中它是典型的一種灰色負荷系統。灰色模型理論樣本模式，所選的可需數據樣本數小、預報準確、測算方便、可行實驗性強，特別適合于大規模的電力系統負載變動預報。但由于灰色曲線模型的偏差預測時和精度偏差受到了使用大量數據的空間影響，灰度偏差隨使用數據空間離散變化程度的不斷增大而逐漸增大，預測時的偏差也隨之增大。灰色預測系統建模理論中如果進行灰色預測，主要可以采用二個灰色系統的建模方法（GreyModel，GM），一般表示為GM（m，n），表示對于在n個灰色變量之間建立的以m為一階的偏微分方程。電力系統中長期供電負荷時間預測常用最簡單的一個灰色周期時間測量序列及其模型稱為GM（1，1）。近年來，針對應用中對GM（1，1）模型的若干問題與不足向我提供了許多方案改進，改進后的方法主要從應用模型參數估計生成方法、模型數據背景參數值構造方法、模型參數計算初始生成條件三方面深入出發，如圖2所示。

圖2 電網短期灰色負荷預測方法Fig.2 Short-term grey load forecasting method for power grid

4.2 回歸分析法

回歸模擬研究，即通過對兩種選定的因關系變量與相應的因關系變量的綜合觀測結果與數值關聯進行綜合統計分析，確定各種變量間的各種相互函數關系，得到具體的系統數學回歸模型[4]。回歸的綜合分析模型主要包含了單元線性綜合回歸、多重線性綜合回歸、單元非線性綜合回歸和多重非線性綜合回歸四種模式，不同的回歸模式直接影響最后的回歸估計結果精度。此種分析方法一般需要對大量的統計數據因子進行綜合分析，建立一個數學影響模型并重新估計其影響系數，通過對各個初建數學模型的大量統計數據檢驗，得出各自模型變量對因子與變量的比值影響最大程度。

引入了非線性回歸分析模型，并對歷史數據分析結果進行了加權還原處理，以提升結果的數值預測分析準確度；又引入了多元回歸分析法，并充分考慮了各種直接影響的經濟因素，尤其重點是電力資源消費率等各種因素，對電網在夏季降溫運行負荷的直接影響，從而形成了一個較為新的降溫負荷分析模型。

4.3 模糊預測法

模糊預測方法運用模糊預測理論及其他方法概念，去綜合性地解析現實電網中的負荷變化和各種因素間的互相關聯，化許多并不具備決定性的信息變化為基本確定因素，以模糊數學矩陣法理論來精確表述現實電網中的負荷變動需求量問題，用模糊數學集合法理論的模糊原理來求解現實電網負荷變化，也可以說所表示的各類事件之間的互相聯系比較貼近于現實，運用此方法來徹底地解決現實電網負荷變動預報中的問題，這是一項非常富有實際意義的科研探索[5]。其主要優勢之一是，概率預報中的結果信息能夠采用預測概率區間和估計概率兩種形式進行提取，因此準確性較高。

5 中長期負荷預測技術的實現步驟

（1）明確預期的目標。確定預期的發展目標，對于進行理論研究與大數據預測管理工作發展方向具有十分關鍵的重要性，因此有關科研人員應當更加詳盡的了解電網規劃的有關知識，以掌握電網規劃的種類和其影響使用的范圍。

（2）確定進行預測的主要內容。中長期負荷需求預測企業，一般可以包括有如下幾個方面研究內容：對月電量的長期預期、特殊日最大負載量、一般年最大負載量、以及各個國家地區的最大年負載量等。在分析這些變數的過程中，有關人員應該仔細了解其變化的特點，以便于了解變數的特性。

（3）查閱資源。信息能夠有助于研究人員更好地進行相關工作，以便找出更加合理的對策并解決實際問題，為更好地獲取信息，研究人員可能直接從某個機構中獲取最精確的信息，或經過研究以得出適當的信息，但這些方式并不會提高信息的準確度，所以，當研究工作完成時，必須對于信息數據質量作出重新評估，以提升信息的準確度。

（4）選定一種可行的長期負荷預測研究方式。長期負荷進行預測的方式有很多種，有關的工作人員應該根據公司現實的需求來選定作為一個相對可行的方式。

（5）取得結論并對結果作出分析。相關工作人員在取得負荷結論后，對結論作出了很好的分析與說明，從結論的性質來看，若結論的性質與實際發展的性質不符，則必須對結論作出再次證明，這主要由于長期電力預測對電網的發揮重要，所以工作人員不可忽略任何問題，避免產生隱患。

（6）根據預測分析的結論，可以做出電網計劃。預計完成后，有關人員須詳細分析預計結果的特性，并按照性質對電網的時間和范圍做出計劃。

6 結語

通過準確的中長期負荷預報技術，能夠較為經濟合理地正確進行國家電源系統和電網的功能擴展規劃設計方案和重大供電建設項目施工進度調整，以全面適應國家經濟社會發展安全生產的基本要求，同時有助于保證國家能源電網的安全穩定與正常工作，提高社會效益。