電力負荷預測方法在配網(wǎng)規(guī)劃中的應用

趙會茹，高婧瑤，殷商瑩

（華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院，北京 102206）

0 引言

電力系統(tǒng)以向各用戶提供安全、經(jīng)濟、環(huán)保的電能產(chǎn)品為宗旨。電力負荷受氣候變化、經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)假日等影響較大，因而用電消費有隨機性。電能產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費是同時進行的，電能無法大量貯存，這就要求電力系統(tǒng)供電出力與用電負荷時刻保持平衡［1-3］。因此，電力負荷預測分析對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定經(jīng)濟運行和電力生產(chǎn)都有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外在電力負荷預測方面的研究較多。文獻［3］梳理了電力負荷總量預測與電力負荷空間預測的方法。文獻［4］采用回歸分析的方法預測未來5年區(qū)域負荷的發(fā)展狀況，最后提出新的方法以提高未來負荷預測的準確性。文獻［5-6］均介紹了負荷預測的幾種常用方法，并分析了各方法的優(yōu)缺點。文獻［7］總結(jié)了電力負荷預測的特點、內(nèi)容及方法，并對國內(nèi)外的預測技術(shù)進行了闡述。然而在目前的研究中，還缺少把多種預測方法與實際案例結(jié)合進行比較的分析，在對預測方法的實際操作方面還略有欠缺。

以河北省為例，在對河北省電力消費現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，運用單耗法、趨勢擬合法和多元線性回歸法3種方法，對河北省2018—2022年的電力消費進行預測，并對3種方法的預測結(jié)果及在配網(wǎng)規(guī)劃中應用時的優(yōu)缺點進行分析比較。在配網(wǎng)規(guī)劃中，負荷預測有著極為重要的作用，提出結(jié)合電力消費的發(fā)展情況及影響負荷的因素進行預測，通過選取恰當?shù)姆椒▉硖岣哳A測的準確性和可靠性，為配網(wǎng)的建設(shè)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供相應的理論依據(jù)。

1 河北省電力消費現(xiàn)狀

1998—2016年河北省電力消費情況如圖1所示。可知，1998—2016年河北省的電力消費持續(xù)增長，平均年電力消費增長率為10.32%，保持在較高水平。其中，2003—2007年及2010年的電力消費增長較快，2003—2007年增長率保持在 16%左右，2010年增長率為14.83%。

圖1 1998—2016年河北省電力消費情況

圖2 1998—2016年河北省電力消費結(jié)構(gòu)

1998—2016年河北省電力消費結(jié)構(gòu)如圖2所示。1998—2016年河北省的電力消費總體呈較快增長趨勢。第一產(chǎn)業(yè)用電量從1998年的47.54億kWh增長到2010年的159.10億kWh，之后逐年下降。1998—2016年的第二產(chǎn)業(yè)用電量增長幅度較快，從1998年的490.04億kWh增長到2013年的2 522.9億kWh，增長了5.15倍，之后增長趨于平穩(wěn)。較第二產(chǎn)業(yè)用電量而言，第三產(chǎn)業(yè)用電量和居民用電量總體均呈穩(wěn)步增長趨勢。

2 河北省電力負荷預測

選取1998—2016年共計19年的數(shù)據(jù)，根據(jù)近年來河北省的電力消費的發(fā)展情況，采用單耗法、趨勢擬合法、多元線性回歸3種模型分別對河北省2018—2022年的電力負荷進行預測。

2.1 單耗法

根據(jù)河北省的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)定河北省2018—2022年的GDP年增長率分為高、中、低3種不同的情況。預測出河北省2018—2022年GDP如表1所示。

表1 2018—2022年河北省GDP預測

根據(jù)河北省三大產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，預測2018—2022年河北省年均第一產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重為12%，河北省年均第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重為53%，河北省第三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重為35%。預測出的2018—2022年河北省三大產(chǎn)業(yè)增加值如表2所示。

根據(jù)對2018—2022年三大產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值耗電和居民生活年均增長率的預測，可計算出三大產(chǎn)業(yè)及居民生活用電量，進而可以預測出全省用電消費量，如表3所示。

2.2 趨勢擬合法

分別選用線性擬合、指數(shù)擬合和多項式擬合3種方法對河北省1998—2016年的電力消費數(shù)據(jù)進行擬合，線性擬合方法的R2為0.970 8，指數(shù)擬合方法的R2為0.968 7，多項式趨勢擬合方法的R2為0.979 3。R2為決定系數(shù)，它表示趨勢線的估計值與對應的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，取值范圍為0到1。當趨勢線的R2等于1或接近1時，其可靠性最高，因此利用可靠性最高的多項式擬合方法來對河北省2018—2022年的電力消費量進行預測。多項式趨勢擬合曲線如圖3所示。

表2 2018—2022年河北省三大產(chǎn)業(yè)增加值預測

表3 2018—2022年電力消費量預測

圖3 1998—2016年河北省電力消費多項式趨勢擬合

最終的擬合公式為：

基于此公式可預測出2018—2022年河北省電力消費量如表4所示。

表4 2018—2022年河北省電力消費量預測

2.3 多元線性回歸分析法

選取河北省 1998—2016 年 GDP（x1）、工業(yè)化率（x2）和城鎮(zhèn)化率（x3）作為解釋變量，對河北省電力消費量（y）進行多元線性回歸分析，得到回歸方程為

在對電力消費進行預測之前，需要先對2018—2022年河北省GDP、工業(yè)化率及城鎮(zhèn)化率進行預測，如表1和表5所示。

表5 2018—2022年河北省工業(yè)化率及城鎮(zhèn)化率預測

根據(jù)表1和表5的GDP、工業(yè)化率及城鎮(zhèn)化率預測結(jié)果和得出的回歸方程，可以預測出2018—2022年河北省電力消費量如表6所示。

表6 2018—2022年河北省電力消費量預測

2.4 預測結(jié)果

在對河北省電力消費現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，運用單耗法、趨勢擬合法以及多元線性回歸分析法3種方法對2018—2022年河北省的電力消費量進行預測，預測結(jié)果如表7所示。

表7 2018—2022年河北省電力消費量預測對比

通過比較可以看出，用單耗法和趨勢擬合法預測出的電力消費量較小，基于多元線性回歸法預測出的結(jié)果最大。

3 預測方法的對比

不同的電力負荷預測方法所需要的數(shù)據(jù)樣本、適用條件及建模思路都不相同，因此很難在同一評判尺度下對結(jié)果進行比較。

單耗法主要通過預測三大產(chǎn)業(yè)增加值及其單位產(chǎn)值耗電以及預測居民生活用電量來計算出全省電力消費，原理簡單且易掌握，但通過原始數(shù)據(jù)計算出的三大產(chǎn)業(yè)增加值及其單位產(chǎn)值耗電以及居民生活用電量的準確性并不能保障，所以得出的預測結(jié)果精度較差。在配網(wǎng)規(guī)劃中，單耗法可以用來預測有單耗指標的工業(yè)和部分農(nóng)業(yè)的電力消費量，且短期預測效果較好。

趨勢擬合法是通過觀察原始數(shù)據(jù)的分布情況來找出最合適的函數(shù)類型進行擬合，運用EXCEL工具可較快得出結(jié)果。趨勢擬合法只考慮了時間對電力消費的影響，并沒有考慮地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，人口和社會等因素對電力消費的作用，但相對單耗法來說，預測結(jié)果較為準確。在配網(wǎng)規(guī)劃中，對于趨勢擬合法的選用，應該考慮擬合過程中保障預測精度及擬合曲線的一致性，結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)近年的發(fā)展情況，選擇恰當?shù)那€模型進行擬合。

多元線性回歸分析法考慮了影響電力消費的多種因素，并通過形成回歸方程來解釋各自變量與因變量之間的關(guān)系，是一種具有一定的可靠性的、行之有效的方法，預測精度較高。但在進行回歸分析時，選擇的自變量和變量的表達方式都是一種推測，因此有時運用回歸分析法會受到一定的限制。在配網(wǎng)規(guī)劃中，在預測前需對地區(qū)近年來的用電情況進行統(tǒng)計分析，對影響電力消費的因素進行仔細的確認，并確定電力消費量與影響因素之間的關(guān)系，進而預測出電力負荷。

4 結(jié)語

在配網(wǎng)規(guī)劃中，電力負荷預測有著非常重要的作用。負荷預測的結(jié)果是電力系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其精度直接影響運行的安全性和經(jīng)濟性。因此，在進行負荷預測時要注意：對于數(shù)據(jù)的選取并不是越多越好，要從歷史數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，通過觀察規(guī)律來預測出較為準確的電力負荷；要考慮經(jīng)濟社會因素對電力負荷的影響，據(jù)此預測出的電力負荷數(shù)據(jù)才能為電力調(diào)度和政策的實施提供有力的依據(jù)。