面向園區(qū)典型用戶電負(fù)荷預(yù)測(cè)的新方法

潘宇婷

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)我國(guó)能源供給、消費(fèi)、體制、技術(shù)革命的重點(diǎn)方向。鑒于冷、熱等能源無(wú)法同電能一樣遠(yuǎn)距離、大規(guī)模傳輸，城市、園區(qū)、樓宇等局域范圍的能源互聯(lián)網(wǎng)將是未來(lái)的主要發(fā)展方向。

截至2017年，上海共有99個(gè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，國(guó)家級(jí)工業(yè)區(qū)22個(gè)，省級(jí)工業(yè)區(qū)52個(gè)，市級(jí)以下產(chǎn)業(yè)園區(qū)25個(gè)。局域能源互聯(lián)網(wǎng)以110 kV及以下配電網(wǎng)為核心，適應(yīng)各種分布式電源及電動(dòng)汽車接入，能夠?qū)崿F(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)與管理，在局域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種能源的綜合調(diào)度和互聯(lián)共享。局域能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及電、冷、熱、氣等多學(xué)科領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于局域能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)的研究尚處于起步階段，成熟商業(yè)化運(yùn)行的案例較少。

因此，結(jié)合園區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)，綜合考慮多能融合情況，以規(guī)劃設(shè)計(jì)為著力點(diǎn)，理清各類能源規(guī)劃之間的關(guān)系，引領(lǐng)未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，是一項(xiàng)十分重要的工作。電力負(fù)荷預(yù)測(cè)是園區(qū)微電網(wǎng)規(guī)劃、光伏風(fēng)電消納分析等業(yè)務(wù)場(chǎng)景的基礎(chǔ)性工作，其準(zhǔn)確性直接影響著電網(wǎng)規(guī)劃質(zhì)量的優(yōu)劣。根據(jù)園區(qū)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，可以預(yù)見(jiàn)性地對(duì)園區(qū)開(kāi)展電力規(guī)劃。

1 負(fù)荷密度預(yù)測(cè)方法

1.1 電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法

電力負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極限學(xué)習(xí)機(jī)、小波分析理論、支持向量機(jī)、D-S 證據(jù)理論等。當(dāng)前主要的電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法有3種模型：線性模型、非線性模型和混合線性。通過(guò)對(duì)比每種預(yù)測(cè)模型可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)不同區(qū)域、不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷變化情況，采用組合預(yù)測(cè)方法更有助于合理地預(yù)測(cè)實(shí)際負(fù)荷變化規(guī)律[1]。這些負(fù)荷預(yù)測(cè)方法并未考慮具體的負(fù)荷位置分布，為了滿足電力負(fù)荷精細(xì)化管理需求，空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法在規(guī)劃常規(guī)變電站、開(kāi)關(guān)站選址定容的情況下，成為園區(qū)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)的主要方法[2-3]。

空間電力負(fù)荷預(yù)測(cè)法的缺點(diǎn)是，僅通過(guò)調(diào)節(jié)同時(shí)率計(jì)算全年最大負(fù)荷值[4]。改進(jìn)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法通過(guò)疊加不同業(yè)態(tài)的日負(fù)荷曲線，提高了負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度[5-6]，但是并未涉及不同季節(jié)特性下日負(fù)荷的情況。文獻(xiàn)[7]針對(duì)常規(guī)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法中，對(duì)于典型用戶的預(yù)測(cè)方法及模型關(guān)注度不充分等問(wèn)題，構(gòu)建了基于多時(shí)序的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，并與實(shí)際負(fù)荷值曲線進(jìn)行對(duì)比，最終得出較為精準(zhǔn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)值。

1.2 多能互補(bǔ)中的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法

能源互聯(lián)網(wǎng)涵蓋了供電、供熱、供氣及電氣化交通等能源系統(tǒng)，集成了多種形式的供能、能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能設(shè)備，在源、網(wǎng)、荷等不同環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了不同類型能源的耦合。

文獻(xiàn)[8]運(yùn)用馬爾科夫鏈模型，分析不同類型電動(dòng)汽車在一天中的動(dòng)力電池荷電狀態(tài)變化情況，得出商業(yè)、休閑、居民區(qū)域電動(dòng)汽車快充、慢充負(fù)荷需求曲線，從而均衡優(yōu)化規(guī)劃區(qū)的充電樁數(shù)量配置。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種新型的基于多變量相空間重構(gòu)和卡爾曼濾波的冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，多元負(fù)荷預(yù)測(cè)方法充分考慮了冷、熱、電負(fù)荷中多個(gè)變量的相互耦合關(guān)系，能有效提高負(fù)荷的預(yù)測(cè)精度。

目前多能流耦合潮流計(jì)算主要考慮電力、天然氣和熱力系統(tǒng)的能量流分布計(jì)算，且主要從模型和求解方法兩個(gè)方面進(jìn)行研究。在模型上可分為：電力系統(tǒng)模型、天然氣系統(tǒng)模型、熱力系統(tǒng)模型。對(duì)于電力系統(tǒng)模型，文獻(xiàn)[10]采用直流潮流模型，文獻(xiàn)[11]采用交流潮流模型。對(duì)于天然氣系統(tǒng)模型，文獻(xiàn)[12]采用不考慮壓縮機(jī)的天然氣管道穩(wěn)態(tài)模型。在熱力系統(tǒng)方面，文獻(xiàn)[13]采用的是熱力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型。文獻(xiàn)[14-16]針對(duì)綜合能源系統(tǒng)中的多元負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化建模，能夠達(dá)到系統(tǒng)熱電解耦等效果，比傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果更為優(yōu)化。

2 改進(jìn)的負(fù)荷密度預(yù)測(cè)方法

通過(guò)分析負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，基于能源發(fā)展的新態(tài)勢(shì)，本文采用新的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，即結(jié)合負(fù)荷密度指標(biāo)法和負(fù)荷特性曲線擬合法，依據(jù)典型用戶典型日(工作日、休息日、節(jié)假日)的負(fù)荷數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的負(fù)荷特性曲線歸一化模型，并考慮全年最大負(fù)荷特性，得出全年園區(qū)負(fù)荷密度預(yù)測(cè)曲線，從而提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.1 負(fù)荷密度指標(biāo)法

負(fù)荷密度指標(biāo)法是根據(jù)預(yù)測(cè)年限內(nèi)負(fù)荷密度與用地面積(建筑面積)來(lái)推算最高負(fù)荷。負(fù)荷密度指標(biāo)法通常可分為單位建筑面積負(fù)荷密度法和占地面積負(fù)荷密度法[4]。兩者均考慮地塊占地面積、地塊負(fù)荷密度指標(biāo)以及同時(shí)率等因素，這樣看來(lái)負(fù)荷密度指標(biāo)的選取就至關(guān)重要。

目前應(yīng)用于負(fù)荷預(yù)測(cè)最常用的方法就是基于負(fù)荷密度指標(biāo)法得到的空間電力負(fù)荷預(yù)測(cè)法。因?yàn)橛绊懾?fù)荷密度指標(biāo)選取的因素很多，采用類比推測(cè)獲得的負(fù)荷密度指標(biāo)難以符合實(shí)際負(fù)荷的需求情況。文獻(xiàn)[17]通過(guò)獲取需要預(yù)測(cè)地塊的預(yù)測(cè)參數(shù)，包括地區(qū)建設(shè)水平參數(shù)、地塊數(shù)據(jù)參數(shù)、地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地塊位置參數(shù)等，在對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行歸一化處理后，將其輸入至預(yù)先設(shè)置好的負(fù)荷密度指標(biāo)預(yù)測(cè)模型，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，得到待預(yù)測(cè)地塊的負(fù)荷密度指標(biāo)，從而增加負(fù)荷密度指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

2.2 負(fù)荷特性曲線擬合法

負(fù)荷特性曲線擬合法是指根據(jù)最大負(fù)荷值以及各類用戶典型日的負(fù)荷特性曲線，擬合得到園區(qū)典型日總的負(fù)荷特性曲線。它可以按照一年中不同季節(jié)的工作日、節(jié)假日負(fù)荷特性直觀反映負(fù)荷變化特性。

改進(jìn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法具體建模流程見(jiàn)圖1。

3 負(fù)荷預(yù)測(cè)實(shí)例分析

通過(guò)查詢數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 (Supervisory Control and Data Acquisition, 簡(jiǎn)稱SCADA)系統(tǒng)獲得不同業(yè)態(tài)一年中實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)，并通過(guò)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法和結(jié)合負(fù)荷特性的歸一化負(fù)荷模型方法，得到相應(yīng)的負(fù)荷數(shù)值；再將實(shí)際負(fù)荷與這兩種方法得到的數(shù)值進(jìn)行比較，得到本方案在預(yù)測(cè)負(fù)荷方面的優(yōu)越性。

3.1 單個(gè)業(yè)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)實(shí)例

以上海郊區(qū)某工業(yè)制造企業(yè)為例，該企業(yè)集生產(chǎn)與研發(fā)為一體，占地面積為120 000 m2，通過(guò)查詢SCADA系統(tǒng)中該制造企業(yè)四季中，每個(gè)季節(jié)的工作日、休息日、節(jié)假日里面典型日的實(shí)際負(fù)荷數(shù)值，得出一類工業(yè)用地一年中的實(shí)際負(fù)荷情況。

通過(guò)查閱《20 kV配電網(wǎng)規(guī)劃與改造》中“不同用地性質(zhì)典型負(fù)荷密度參考指標(biāo)”、以及GB/T 50293—2014《城市電力規(guī)劃規(guī)范》等資料[4]，按照上海郊區(qū)工業(yè)負(fù)荷密度指標(biāo)常規(guī)值，選取該工業(yè)制造企業(yè)的負(fù)荷密度指標(biāo)值為66 W·m-2進(jìn)行計(jì)算分析。

該工業(yè)制造企業(yè)四季不同作息時(shí)間的典型日歸一化負(fù)荷特性曲線見(jiàn)圖2。

以當(dāng)日最高負(fù)荷為基準(zhǔn)的歸一化曲線的各季節(jié)24小時(shí)負(fù)荷，工作日、休息日、節(jié)假日的負(fù)荷特性如圖2所示。由圖2可以看到，在日負(fù)荷特性上，該制造企業(yè)呈現(xiàn)出明顯的日高峰特點(diǎn)，無(wú)論哪個(gè)季節(jié)，日高峰負(fù)荷一般出現(xiàn)在上午10—12時(shí)以及下午15—17時(shí)，中午13時(shí)由于工人午休導(dǎo)致負(fù)荷明顯下降，18時(shí)之后負(fù)荷基本處于下降趨勢(shì)。

通過(guò)歸一化處理后，得到四季不同作息時(shí)間的負(fù)荷特性曲線，再結(jié)合負(fù)荷密度指標(biāo)及年系數(shù)得出全年的負(fù)荷數(shù)值，同時(shí)列出相對(duì)應(yīng)的實(shí)際負(fù)荷值，具體見(jiàn)表1。

參照負(fù)荷密度指標(biāo)，按照傳統(tǒng)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法得出的負(fù)荷數(shù)值見(jiàn)表2。

這3種方法得出的該工業(yè)制造企業(yè)全年負(fù)荷數(shù)值見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，采用歸一化負(fù)荷密度指標(biāo)法得到的負(fù)荷結(jié)果比傳統(tǒng)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法更接近實(shí)際負(fù)荷值。

3.2 綜合業(yè)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)分析

通過(guò)查閱規(guī)劃單位建設(shè)用地負(fù)荷類型，本文選取幾類典型用戶的負(fù)荷數(shù)據(jù)情況，從中分析歸一化負(fù)荷特性曲線的變化趨勢(shì)。典型用戶具體類型見(jiàn)表3。

表3 典型用戶具體類型

通過(guò)運(yùn)用SCADA系統(tǒng)和PMS軟件，將表3中典型用戶一年四季典型日負(fù)荷曲線歸一化處理后，整理出符合常規(guī)用地性質(zhì)變化規(guī)律的典型用戶典型日負(fù)荷曲線，具體見(jiàn)圖4。

將典型用戶典型日全年負(fù)荷特性曲線應(yīng)用于待預(yù)測(cè)的規(guī)劃園區(qū)，并結(jié)合該園區(qū)域各個(gè)地塊的建筑面積，負(fù)荷密度指標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)，可以較為準(zhǔn)確地估算出該規(guī)劃園區(qū)的全年負(fù)荷情況，為電力人員合理規(guī)劃變電站容量和站址，以及后續(xù)開(kāi)展園區(qū)多能互補(bǔ)系統(tǒng)提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

能源互聯(lián)網(wǎng)是推動(dòng)我國(guó)能源革命的重要戰(zhàn)略支撐，對(duì)適應(yīng)可再生能源規(guī)模化發(fā)展、提升能源開(kāi)發(fā)利用效率、推動(dòng)能源市場(chǎng)開(kāi)放和產(chǎn)業(yè)升級(jí)、形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，以及提升能源國(guó)際合作水平等均具有重要意義。

本文研究了不同地塊典型用戶全年典型日負(fù)荷特點(diǎn)，并提出了一種新的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，將負(fù)荷密度指標(biāo)法和負(fù)荷特性擬合法相結(jié)合，建立典型用戶相應(yīng)的負(fù)荷特性曲線歸一化曲線。結(jié)合上海市各個(gè)典型用戶的實(shí)際用電量進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提出的新的電負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，可為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷特性預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。