大用戶負(fù)荷預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)

蔡劍彪，羅滇生，周小寶，錢松林，周 潔，許甜田

（湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

智能電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)目前骨架薄弱的電網(wǎng)是一種沖擊和考驗(yàn)。智能電網(wǎng)下具有間歇性的分布式負(fù)荷將成為新的典型負(fù)荷。而隨著國(guó)家節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展政策的實(shí)施，采用大容量、高參數(shù)設(shè)備已成為企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的主要途徑。其中具有代表性的鋼鐵廠、水泥廠等電力負(fù)荷驟然上升，同時(shí)也帶有強(qiáng)烈的隨機(jī)性和波動(dòng)性。但是在實(shí)際工程中，往往忽視了大用戶對(duì)電網(wǎng)造成的嚴(yán)重影響。在地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)中往往只是以地區(qū)的歷史負(fù)荷為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行直接預(yù)測(cè)，缺乏對(duì)大用戶的單獨(dú)預(yù)測(cè)，造成地區(qū)預(yù)測(cè)精度不穩(wěn)定。

電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行是今后電網(wǎng)的發(fā)展方向。節(jié)能經(jīng)濟(jì)調(diào)度將會(huì)起到重要的作用，負(fù)荷預(yù)測(cè)是節(jié)能經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)。負(fù)荷預(yù)測(cè)的研究要體現(xiàn)在預(yù)測(cè)技術(shù)上，更要體現(xiàn)在負(fù)荷管理上。負(fù)荷預(yù)測(cè)管理中心的建立，各類典型用戶的負(fù)荷分析，基于負(fù)荷分析[1][2]的負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)將推動(dòng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的發(fā)展。同時(shí)加強(qiáng)地區(qū)典型用戶負(fù)荷預(yù)測(cè)研究，對(duì)提高地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率具有重要意義。

本文主要基于實(shí)際需求，對(duì)研發(fā)的典型大用戶負(fù)荷預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)的研究技術(shù)、精細(xì)化預(yù)測(cè)流程、系統(tǒng)框架、系統(tǒng)創(chuàng)新特色等進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地區(qū)典型大用戶負(fù)荷分析管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”）是以地區(qū)大用戶為主要對(duì)象的一體化系統(tǒng)，它以電力市場(chǎng)需求分析與預(yù)測(cè)理論為核心，是基于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理技術(shù)及安全管理模式的綜合信息系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可高效真實(shí)地自動(dòng)采集電力系統(tǒng)運(yùn)行信息；利用輔助決策工具進(jìn)行大用戶負(fù)荷分析，得到預(yù)測(cè)結(jié)論，為地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

系統(tǒng)軟件技術(shù)上采用成熟的Java 2 Enterprise Edition（J2EE）[3]技術(shù)，多層體系Browser/Server（B/S）結(jié)構(gòu)，先進(jìn)的、最流行的Oracle10g數(shù)據(jù)庫。在預(yù)測(cè)技術(shù)上考慮多種因素對(duì)大用戶、行業(yè)負(fù)荷的影響，建立綜合的模型算法庫，采用精細(xì)化預(yù)測(cè)流程。如圖1建立“分析、預(yù)測(cè)、管理”一體化架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)

系統(tǒng)主要是基于MyEclipse平臺(tái)的J2EE構(gòu)架研發(fā)的，利用Java語言和XML的程序設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)軟件編程。Java語言具有很好的適應(yīng)性，能夠獨(dú)立運(yùn)行在各種服務(wù)器上，是各種計(jì)算機(jī)語言中跨平臺(tái)性能最強(qiáng)的一種，且類封裝性好，代碼維護(hù)方便，在系統(tǒng)的可移植性和可維護(hù)性上都比較好。

系統(tǒng)采用“jsp+servlet+dao”的開發(fā)模式，具有靈活性和簡(jiǎn)便性的特點(diǎn)，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 數(shù)據(jù)庫

Oracle10g是目前最流行的數(shù)據(jù)庫之一，功能強(qiáng)大，性能卓越。Oracle10g可以處理海量數(shù)據(jù)，并且處理速度比其他數(shù)據(jù)庫快；可以減少資源占有率，擴(kuò)展了用戶數(shù)目；在數(shù)據(jù)庫的管理、安全性上有很大提高；提供了新的分布式數(shù)據(jù)庫能力，可通過網(wǎng)絡(luò)較方便地讀寫遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)。

1.3 B/S結(jié)構(gòu)

與C/S（Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器）模式相比，B/S結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：目前大多服務(wù)器性能良好，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，穩(wěn)定性強(qiáng)，因此將業(yè)務(wù)處理放在服務(wù)器端是可行的。通過B/S模式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)以及客戶層的分離，系統(tǒng)層次分明。更重要的是，B/S模式只需要將開發(fā)出來的系統(tǒng)裝在服務(wù)器端就可以了，直接采用網(wǎng)頁訪問的形式即可登錄系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)流程

2.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程主要圍繞“負(fù)荷分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、負(fù)荷管理”展開。如圖2。

圖2 系統(tǒng)工作流程

通過外部數(shù)據(jù)接口讀取外部數(shù)據(jù)（來自數(shù)據(jù)庫或者文本），系統(tǒng)后臺(tái)通過精細(xì)化的異常數(shù)據(jù)處理負(fù)荷數(shù)據(jù)，并存入到本地?cái)?shù)據(jù)庫。通過內(nèi)部數(shù)據(jù)接口訪問數(shù)據(jù)庫，分別進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)、負(fù)荷分析、負(fù)荷管理。由負(fù)荷預(yù)測(cè)得到的預(yù)測(cè)結(jié)果和負(fù)荷分析報(bào)告供用戶使用。

2.2 系統(tǒng)預(yù)測(cè)流程

系統(tǒng)采用精細(xì)化的預(yù)測(cè)流程，如圖3。在大用戶預(yù)測(cè)過程中考慮日類型、氣象要素、生產(chǎn)計(jì)劃等影響因素構(gòu)成的日特征向量，采用灰色關(guān)聯(lián)度來選取相似日。系統(tǒng)的預(yù)測(cè)核心是基于強(qiáng)大的算法庫的精細(xì)化流程，如圖3。

而圖4中某鋼鐵廠負(fù)荷曲線1主要與檢修計(jì)劃、大小光胚啟動(dòng)模式以及融鐵水工作模式有關(guān)。0：00～6：00、8：30～12：00 處于大光胚啟動(dòng)模式；6：00～8：30處于小光胚啟動(dòng)模式；12：00～16：00是運(yùn)行系統(tǒng)的檢修時(shí)間；而16：00～23：45處于大小光胚和融鐵水的混合模式。而與圖4中曲線2比較，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷曲線沒有一定的規(guī)律性，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到鋼管廠負(fù)荷具有很強(qiáng)烈的隨機(jī)性和波動(dòng)性。大用戶的負(fù)荷特性分析要采用每分鐘采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大用戶的預(yù)測(cè)算法建議采用概率或者組合算法。

因此，系統(tǒng)不僅采用移動(dòng)平均、線性回歸等傳統(tǒng)模型，也借鑒小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、概率組合預(yù)測(cè)、支持向量機(jī)、小波改進(jìn)灰色[5]等模型，參考了粒子濾波器[6]之類的智能算法。為了融合各類方法的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用了如下優(yōu)化組合方法

式中：F為組合預(yù)測(cè)算法，f1，f2，f3，…，fn為各預(yù)測(cè)算法，λ1，λ2，λ3，…，λn為組合系數(shù)，滿足

圖3 系統(tǒng)預(yù)測(cè)流程

圖4 某鋼管廠典型日曲線對(duì)比

根據(jù)以往一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)算法的平均準(zhǔn)確率，分別對(duì)應(yīng)為η1，η2，η3…ηn，我們稱它們?yōu)轭A(yù)測(cè)可信度。則得到

系統(tǒng)考慮了地區(qū)負(fù)荷中除大用戶外的剩余部分負(fù)荷（大多是農(nóng)業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷），這部分負(fù)荷與氣象要素的相關(guān)性很大，有以下關(guān)系[7]

式中：Pi表示該時(shí)刻的剩余負(fù)荷；Di表示該時(shí)刻的人體舒適度指數(shù)；T表示日平均氣溫；U表示日平均相對(duì)濕度；V表示日平均風(fēng)速；i表示時(shí)刻（i=1，2，3，…，24）。將各個(gè)大用戶預(yù)測(cè)結(jié)果之和Pfore1，加上剩余部分的預(yù)測(cè)結(jié)果Pfore2，得到地區(qū)的預(yù)測(cè)計(jì)劃Pfore1，這個(gè)結(jié)果與地區(qū)直接預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比修正，得到地區(qū)最終的計(jì)劃

3 系統(tǒng)功能模塊

3.1 頁面模塊

頁面模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（1）我的工作中心。不同用戶進(jìn)入該模塊都可以查看詳細(xì)的負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，并可以對(duì)部分消息進(jìn)行修改，也可發(fā)布新消息，完成內(nèi)部通信，方便負(fù)荷預(yù)測(cè)工作交流。

（2）數(shù)據(jù)報(bào)表中心。該模塊下可以對(duì)地區(qū)以及大用戶的日、周、月、年的負(fù)荷特性報(bào)表查看并導(dǎo)出到本地計(jì)算機(jī)；查看96點(diǎn)或24點(diǎn)的大用戶或地區(qū)的實(shí)際或計(jì)劃負(fù)荷；查看連續(xù)多日的大用戶或地區(qū)的實(shí)際或計(jì)劃曲線；查看查詢?nèi)盏呢?fù)荷實(shí)際曲線、預(yù)測(cè)曲線、誤差曲線的對(duì)比，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的相對(duì)誤差；查看各類氣象因子的實(shí)際數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，隨時(shí)把握氣象的變化。

（3）負(fù)荷分析中心。該模塊下可以對(duì)地區(qū)以及大用戶的日、周、月、年的負(fù)荷特性指標(biāo)（最大、最小、平均負(fù)荷、負(fù)荷率、峰谷差、用電量）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；對(duì)居民、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、非普工業(yè)等產(chǎn)業(yè)進(jìn)行日分析；從商業(yè)負(fù)荷與居民負(fù)荷中提取空調(diào)負(fù)荷，計(jì)算空調(diào)負(fù)荷所占地區(qū)比重；對(duì)大用戶或地區(qū)與相關(guān)因素（氣象因子等）進(jìn)行相關(guān)性分析。

（4）負(fù)荷預(yù)測(cè)中心。該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可以對(duì)地區(qū)以及大用戶進(jìn)行自動(dòng)預(yù)測(cè)，可以對(duì)自動(dòng)預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行逐點(diǎn)、分段人工修正，擬合相似日等操作，簡(jiǎn)化了工作量。根據(jù)實(shí)際需要考慮一些實(shí)時(shí)變化的因素，可以進(jìn)行人工預(yù)測(cè)。

（5）負(fù)荷報(bào)告中心。該模塊是系統(tǒng)的重要部分，可以對(duì)地區(qū)以及大用戶繪制日、月、年負(fù)荷特性分析報(bào)告。報(bào)告包含文字、曲線、餅圖、柱狀圖等分析，并以文本導(dǎo)出到本地計(jì)算機(jī)，大大減輕了預(yù)測(cè)人員的工作量，并且報(bào)告合理、有效。

（6）上報(bào)考核中心。該模塊對(duì)地區(qū)以及大用戶日計(jì)劃進(jìn)行考核，方便用戶查看日計(jì)劃的準(zhǔn)確率。同時(shí)提供數(shù)據(jù)接口方便用戶上報(bào)本地區(qū)日負(fù)荷計(jì)劃，與省調(diào)下達(dá)的計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，加強(qiáng)了與省調(diào)的互動(dòng)性。

（7）系統(tǒng)管理中心。對(duì)頁面的模塊進(jìn)行管理；手動(dòng)修正、導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)；對(duì)外部數(shù)據(jù)的點(diǎn)碼和變量進(jìn)行管理；登陸、維護(hù)、錯(cuò)誤等各類日志管理；大用戶和用戶字典管理；查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等。

圖5 系統(tǒng)頁面結(jié)構(gòu)框架

3.2 接口模塊

接口模塊包括內(nèi)部數(shù)據(jù)接口和外部數(shù)據(jù)接口。內(nèi)部數(shù)據(jù)接口是頁面訪問時(shí)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫的“增、刪、改、查”。而外部數(shù)據(jù)接口如圖6，是由外部數(shù)據(jù)庫供給系統(tǒng)接口，進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行，主要完成以下工作：數(shù)據(jù)信息采錄，規(guī)避壞數(shù)據(jù)，自動(dòng)預(yù)測(cè)，負(fù)荷分析，日計(jì)劃考核，解析文本。每一部分都在指定的時(shí)間內(nèi)完成，運(yùn)行機(jī)制上互不沖突。頁面上還可以對(duì)各個(gè)部分監(jiān)視，手動(dòng)執(zhí)行各環(huán)節(jié)。

圖6 系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)接口（后臺(tái)）

4 系統(tǒng)的特色

系統(tǒng)主要具有以下特色：

（1）分析、預(yù)測(cè)、管理有機(jī)結(jié)合。系統(tǒng)做到了以負(fù)荷分析為基礎(chǔ)的負(fù)荷預(yù)測(cè)，將負(fù)荷分析與負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行有效管理。

（2）穩(wěn)定的開發(fā)平臺(tái)。系統(tǒng)采用先進(jìn)的Java技術(shù)和強(qiáng)大的Oracle10g作為數(shù)據(jù)庫，能很好克服以前負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)（vb.net的開發(fā)平臺(tái)）帶來的不穩(wěn)定、速度慢、異常頻繁的不足。

（3）精細(xì)化的預(yù)測(cè)流程。預(yù)測(cè)流程是基于強(qiáng)大的算法庫，并且考慮多種因素對(duì)大用戶的影響，充分利用實(shí)時(shí)氣象要素在剩余部分負(fù)荷預(yù)測(cè)中，將初次預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)過精細(xì)化的修正機(jī)制得到最終結(jié)果。

（4）先進(jìn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)。對(duì)實(shí)時(shí)、實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析，采用多種異常數(shù)據(jù)處理，去偽存真，保證歷史數(shù)據(jù)的可靠性。

（5）強(qiáng)大、方便的可視化、交互功能。系統(tǒng)在生成各類曲線、餅圖、柱狀圖時(shí)，采用交互功能的HighCharts、Jqplot等插件，功能強(qiáng)大，視覺效果佳，同時(shí)能夠進(jìn)行圖片導(dǎo)出，方便生成負(fù)荷報(bào)告。

（6）提高了地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。基于精細(xì)化的預(yù)測(cè)流程，考慮多因素影響，將大用戶從地區(qū)負(fù)荷中分離出來的辦法，考慮與氣象要素的密切聯(lián)系，著實(shí)提高了地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)精度。表1為某地區(qū)日負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比。

（7）通用性、可靠性強(qiáng)。系統(tǒng)緊密結(jié)合地區(qū)以及大用戶的實(shí)際需求，可以根據(jù)用戶的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，修改各種預(yù)測(cè)模型的參數(shù)，自主選擇預(yù)測(cè)算法形成人工預(yù)測(cè)方案。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)以地區(qū)典型大用戶為出發(fā)點(diǎn)，面向地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)，考慮多種因素的影響，采用精細(xì)化的預(yù)測(cè)流程。具有隨機(jī)性的鋼鐵廠等大用戶的單獨(dú)預(yù)測(cè)、分離的剩余負(fù)荷與氣象要素的緊密聯(lián)系，有效地提高了地區(qū)預(yù)測(cè)精度。

表1 某地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率

系統(tǒng)簡(jiǎn)便、高效、美觀的操作頁面，大大簡(jiǎn)化了地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)、上報(bào)、考核等相關(guān)流程。強(qiáng)大的負(fù)荷分析和相應(yīng)的負(fù)荷特性報(bào)告，節(jié)省了用戶的工作時(shí)間，提高了工作效率和工作人員的積極性。

今后對(duì)典型大用戶的分析與預(yù)測(cè)研究不僅要集中在分析方法與預(yù)測(cè)技術(shù)上，也要體現(xiàn)在電力需求側(cè)管理等措施上。

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