基于向量節點約束建模的輸電網彈性供電預測模型

鄒健，謝益峰，舒能文

(國網浙江海鹽縣供電有限公司，浙江,海鹽 314300)

0 引言

可再生能源和新能源發電并網不斷發展，給電力系統帶來了巨大的沖擊和挑戰，致使在用電需求固定時，電力過剩現象變得越來越嚴重，導致大規模電力資源被浪費[1-2]。因此，輸電網彈性供電預測技術應運而生。

文獻[3]提出了基于模式匹配的輸電網彈性供電預測模型，采用隨機森林決策方法，建立供電負荷匹配規則，構建供電預測模型，該方法具有較高的預測計算效率，但該方法的預測精度較低。文獻[4]提出了基于深度置信網絡的輸電網彈性供電預測模型，以輸電網相關設備配置的動態頻率作為深度置信網絡的輸入特征值，得到輸電網彈性供電的預測結果。該方法能夠穩定控制擾動后系統動態頻率，但該方法存在預測誤差較大的問題。

針對上述方法的不足，提出并構建基于向量節點約束建模的輸電網彈性供電預測模型。通過兩個預測點維度的總和計算預測距離。根據相似性自連接操作刪選數據，引入向量節點約束連接法，計算輸電網彈性供電預測區域。考慮多指標對電力發展彈性系數的影響，依據非線性高維識別特性，構建電網彈性供電預測模型，有效計算彈性系數，減小預測誤差，提高預測精度。

1 預測區域確定

為了獲得準確輸電網彈性供電的預測結果，確定預測區域。將供電區域劃分為鄰居單元格，計算供電點與鄰居單元格之間的距離，在二維距離上完成維度總和計算，確定預測距離。在MapReduce架構下，通過四階段刪選輸出可行距離方案，采用向量節點約束確定最佳預測區域。

1.1 距離計算

在計算供電點至鄰居單元格之間距離的過程中，先定義如圖1所示的NC鄰居單元格。

圖1 NC鄰居單元格示意圖

當計算q和C00之間距離時，因q位于的C11和對應單元格C00分別在兩個維度上均不同，由此要具體計算q至C11之間實際距離，必須考慮兩個維度總和，則維度總和MindistCell的計算表達式為

(1)

式中，d和i均代表單元格數據量，c代表鄰居單元格，q[i]代表主單元格中指定的出發節點，lbc[i]代表c的下界，ubc[i]代表c的上界，p代表向量節點空間總維數[5]。

1.2 刪選方案

在完成距離計算后，使用分布式的MapReduce架構進行方案刪選。第一階段中，計算選定節點至單元格之間的距離，詳細見圖2，其中指定節點是q。

圖2 點至單元格間距離

在第二階段中，主要是對出發點所處約束區進行刪選。距離q與節點A呈線性關系，因此在負荷點至鄰居單元格之間距離約束下，鄰居單元格到A點之間距離是閾值ε的約束區域，見圖3。

圖3 A點所處約束區示意圖

第三階段主要是執行單向邊的刪選方案。圖3中，忽略陰影部分，在單向邊刪選之后，輸出結果的為{B,C,D;A}。

1.3 結果選擇

以上的Map階段操作結束后，把獲取的結果集合傳輸至Reduce，實現路徑連接，全部設定情況如圖4所示。則獲取的結果集合為{A,B,G;A,C}、{A,F;A,D}。當刪除出發點之后獲取{G,B;A,C}、{F;A,D}，分號前為后續步驟要調用的備選點，分號后為已經遍歷過的路徑[7]。按照上述思想迭代調用Map輸出結果集合，直到獲取所有約束連接路徑集合。

圖4 路徑選擇示意圖

2 輸電網彈性供電預測

在上述預測區域確定之后，利用支持向量機，結合彈性系數與投入產出，實現輸電網彈性供電預測模型構建。詳細過程如下。

(1) 構建彈性系數模型

假設x代表自變量，y代表x的可微函數，則y對x的彈性系數表示形式為

(2)

(2) 輸電網需求的彈性投入-產出模型構建

假設VGDP(t)、VGDP(t+1)分別代表相鄰2a的生產總值，E(t)、E(t+1)分別代表對應的電力需求[8]，則GDP增長速度計算式為

(3)

用電量增長速度(%)計算式為

(4)

其中，εyx表示用電量增長影響因子。

電力彈性系數計算式為

(5)

(3) 基于歷史數據預測用電量

使用支持向量機對電力需求影響進行模擬，并構建基于歷史數據的用電預測模型。計算公式為

(6)

其中，r代表誤差率,Y*表示需求用電量，Y代表歷史年用電量。

3 實驗結果與分析

為了驗證所構建預測模型的整體有效性，將基于向量節點約束建模的輸電網彈性供電預測模型用在某區域電網規劃中，該區域電網主要為66 kV和10 kV。在實驗中，將所構建模型與基于模式匹配的預測模型、基于深度置信網絡的預測模型進行對比驗證。

3.1 彈性系數計算

彈性系數對輸電網彈性預測結果有較大影響，彈性系數越準確說明預測結果越精準。3種方法的彈性系數計算準確性對比結果如圖5所示。

圖5 彈性系數計算結果

分析圖5可知，隨著供電時間的不斷增加，所構建模型的彈性系數計算結果與實際結果較為接近，可準確計算彈性系數。

3.2 預測效果

實驗區域的用電量負荷情況見表1。

表1 實驗區域年度用電量預測結果

圖6為不同模型用電量預測仿真效果圖。

圖6 不同模型用電量預測仿真效果圖

根據圖6可知，所構建模型的用電量預測結果與實際用電量結果較為接近，數值結果相差較小。

實驗中，預測結果的平均相對誤差計算式為

(7)

表2 不同時間輸電網彈性供電預測誤差均值

分析表2可知，在不同用電時段中，所構建模型的預測誤差均小于2種對比模型。

4 總結

本文提出并構建基于向量節點約束建模的輸電網彈性供電預測模型，精準計算預測區域，引入支持向量機結合彈性系數與投入產出，對輸電網彈性供電進行預測。通過實驗對所建模型進行驗證，結果表明，該模型能夠準確計算彈性系數，且最小預測誤差僅為0.76，能夠滿足輸電網彈性供電的預測需求，具有較高的可靠性。