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灰色理在負荷預測中的應用

電力系統(tǒng)的負荷預測是電力規(guī)劃、生產(chǎn)和運行等工作的重要基礎，準確的負荷預測有利于提高電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性，增強供電可靠性，從而提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和社會效益。首先分析預測模型的要求及對各種預測方法的簡單介紹，以一個已開發(fā)的《基于灰色理論的電力負荷預測系統(tǒng)》為例簡單探討灰色理論在負荷預測中的實際應用。

負荷預測預測模型灰色理論一、概述電力系統(tǒng)負荷預測是實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的基礎，對一個電力系統(tǒng)而言，提高電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性，改善電能質(zhì)量，都依賴于準確的負荷預測。因此，負荷預測的關(guān)鍵是提高準確度。此外，從發(fā)展來看，負荷預測也是我國實現(xiàn)電力市場的必備條件，具有重要的理論意義和實用價值。

負荷預測是從已知的用電需求出發(fā)，考慮政治、經(jīng)濟、氣候等相關(guān)因素，對未來的用電需求做出的預測。負荷預測包括兩方面的含義：對未來需求量的預測和未來用電量的預測。電力需求量的預測決定發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)新增容量的大??；電能預測決定發(fā)電設備的類型。

根據(jù)不同的預測目的，負荷預測可分為超短期、短期和中長期的預報。一般說來，一小時以內(nèi)的負荷預測為超短期負荷預測，用于安全監(jiān)視、預防性控制和緊急狀態(tài)處理；日負荷和周負荷預測為短期負荷預測，分別用于安排日調(diào)度計劃和周調(diào)度計劃；月至年的負荷預測為中期負荷預測，主要確定電網(wǎng)的運行方式和設備大修計劃等。二、負荷預測模型的基本要求電力負荷預測是依據(jù)負荷歷史資料及相關(guān)影響因素建立一個模型，然后對該模型進行評價后用來預報，無論采用什么計算方法，都離不開建立在歷史數(shù)據(jù)及相關(guān)因素上的預測模型，模型精度決定了預測的準確性。

負荷預測模型應能滿足下述要求

1．提供包含有長期預測、中期預測、短期預測、超短期預測等各種方式的預報手段，而且預測的時間間隔可由用戶自定義。

2．預測模型應能反映負荷隨季節(jié)、星期及一天內(nèi)24小時等周期性波動的特點，又能反映負荷自然增長的內(nèi)在規(guī)律，同時能反映負荷受氣溫、日照等氣象條件的影響。

3．對于包括節(jié)假日在內(nèi)的廣義特殊事件的負荷預測應建立專用預測模型，且能提前預測。

4．提供各種類型的預測方法與模型，并且能對歷史數(shù)據(jù)的合理性進行檢查、修正，具備誤差分析和自動不良數(shù)據(jù)檢測、辨識功能。

5．預測系統(tǒng)應當既可進行整個區(qū)域或電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷預測，又能進行分地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷預測；既可以進行離線負荷預測，也可以進行實時在線負荷預測；

提高負荷預測準確性的難度

1．氣象因素一直是影響負荷的主要因素，特別是對短期負荷預測的影響尤為重要，不同的氣象因素影響程度又隨用戶類別而異，作為可估計的隨機事件，氣象預報的不準確會造成預測結(jié)果的雙重誤差。

2．特殊事件的不確定性將造成負荷預測的較大誤差，當今特殊事件的出現(xiàn)趨于頻繁，給預測帶來了難度。

3．反映負荷周期性、趨勢性及與影響因素之間關(guān)系的樣本數(shù)目難以確定。

4．隨機負荷部分并非平穩(wěn)的隨機序列。

5．網(wǎng)省級大電網(wǎng)負荷變化有較強的統(tǒng)計規(guī)律性，預測結(jié)果較準確。而地區(qū)級電網(wǎng)的統(tǒng)計規(guī)律不甚明顯，不能穩(wěn)定地指導負荷預測。

任何一種算法都不能保證在所有情況下精度很高，要想提高負荷預測的精度，我們還需要做大量的工作。三、提高負荷預測精度的措施原始數(shù)據(jù)的預處理

我們都知道，任何負荷預測都是基于原始數(shù)據(jù)的，因此，原始數(shù)據(jù)的正確與否決定預測結(jié)果的精度。而原始數(shù)據(jù)往往都是從EMS系統(tǒng)實時采集的，由于動態(tài)的數(shù)據(jù)采集有時會出現(xiàn)通道故障、擁堵等現(xiàn)象，相應的數(shù)據(jù)采集程序就會中斷，造成了原始數(shù)據(jù)的錯誤與不真實。所以，在程序設計中，首先應針對原始的各種不真實現(xiàn)象進行預處理，力求將設備造成的隨機的影響據(jù)之于預測過程之外。

隨機因素捕捉

大家都知道，在負荷的構(gòu)成中有許多類似于電爐、軋鋼等沖擊性的負荷，這種負荷的特點是起?？臁⒊掷m(xù)時間短、隨機性強、數(shù)值較大，而負荷預測的精度要求在2％以內(nèi)。因此處理好沖擊負荷的影響對于提高精度有很大的影響。所以在原始數(shù)據(jù)的處理中必須考慮到?jīng)_擊負荷。我們使用的方法是有效值法，通過對沖擊負荷的分析和處理，得到其有效值，然后疊加到平滑后的負荷曲線上，這樣的處理結(jié)果便可以應用于負荷預測中了。

提高影響因素的預測精度以及影響因素的量化處理

負荷預測不僅僅要使用歷史數(shù)據(jù)，還要考慮各種對負荷有較大影響的因素，如氣象因素、政治因素、重大活動等。這些因素都會與歷史數(shù)據(jù)一樣作為預測程序的輸入值。因此，這些因素的準確度直接會對負荷預測結(jié)果造成影響。因此，必須對這一類數(shù)據(jù)必須進行適當?shù)牧炕幚恚阂皇且揽拷?jīng)驗值，并且調(diào)試后不斷改進，力求準確，二是由程序識別，通過回歸等方法動態(tài)賦值。前一種方法比較簡單，但很難準確，后一種方法雖然理論上比較成熟，但由于模型不確定，實現(xiàn)起來很困難，具體應用哪一種方法，要視實際情況而定。

比較預測模式，尋求最優(yōu)方案

對于中國目前的電力結(jié)構(gòu)，在一個網(wǎng)省調(diào)下面有許多供電區(qū)域，往往是以地域劃分的。而實際需要的結(jié)果卻是一個整體的負荷。因此便產(chǎn)生了單獨預測和整體預測兩種模式，究竟哪一種模式比較好，則需要從實踐中去試驗。

從電網(wǎng)的負荷預測實踐來看，單獨預測后疊加與整體預測各有優(yōu)缺點。由于各類影響因素的分布區(qū)域不同，單獨預測時可以通過細化考慮的因素比較真實，以氣象因素為例，電網(wǎng)的地區(qū)氣象條件不同，可以各自考慮，應該說更準確些，但這樣做也有缺陷，一方面是一般都采用一種方法進行預測，其誤差方向比較一致，這樣疊加后產(chǎn)生更大的誤差，另一方面各供電區(qū)域的預測疊加后并非是我們所需求的用于發(fā)電安排的負荷，還要通過換算，考慮到廠用電情況，而廠用電率一般并不是一個精確的數(shù)值，如此勢必帶來誤差。若采用整體預測，原始數(shù)據(jù)便是我們用于安排發(fā)電計劃的數(shù)據(jù)，各種因素雖然不能直接使用，但可以通過負荷比例進行等值擬合后作為整體預測的輸入量，這樣只會有一次誤差。從實踐中看，后一種方式雖比較模糊，但由于大電網(wǎng)效應，精度較前一種方式高。

當然，具體采用哪一種方式要根據(jù)實踐的檢驗而定，前一種模式在理論上比較成熟，但在算法的選擇上不能單一。我們都知道，任何一種算法都無法在所有情況下達到較高的精度，這與負荷結(jié)構(gòu)以及負荷特性有直接的關(guān)系。

做好負荷日的類型分析

在做負荷預測的時候，對于歷史數(shù)據(jù)的選擇很有學問，力求使用與預測日同類型的歷史負荷數(shù)據(jù)。這樣不但可以去除好多非同類型日數(shù)據(jù)的干擾，而且可以提高迭代收斂速度，簡單計算。但是，對負荷日進行精確分類是相當困難的，需要大量的經(jīng)驗和比較。目前最簡單的分類是休息日和工作日，這樣的劃分太粗糙，不能滿足實際的需要，真正實用化的分類還需要大量的判據(jù)。負荷日類型一般可以根據(jù)以下幾個方面科學分類：負荷特性，一般指負荷曲線輪廓；負荷值大小；氣象等有關(guān)因素；工作日、休息日、節(jié)假日。在這幾個方面中最重要的是負荷特性和負荷值，但這個判據(jù)比較難于歸納分析，而后兩種判據(jù)易于判別。因此，實際中主要根據(jù)后兩種判據(jù)進行分類。

利用約束條件進行預測結(jié)果修正

負荷預測應包括電力預測和電量預測，我們常使用的是電力預測，因為這也是需要的最終結(jié)果。但電量預測也是相當有用的，它不會像電力預測的隨機性那么大，可以作為電力預測的修正約束條件。

以最大、最小值配合分配系數(shù)法的電力預測為例，這種方法只需要預測出預測日的最大、最小值，用同類型日的歷史數(shù)據(jù)計算出分配系數(shù)，即曲線趨勢，經(jīng)分配計算后便可以得到預測日的預測曲線。這種方法比較簡單、實用、計算量小，但隨機性較大，若最大、最小值由于受歷史壞數(shù)據(jù)或沖擊負荷的影響偏差過大，就會使整個曲線抬高或降低，而電量受沖擊負荷的影響較小，利用電量預測進行約束，便可以得到較好的修正曲線。四、灰色理論在負荷預測中的實際應用灰色理論概念

灰色系統(tǒng)理論是由鄧聚龍教授于1982年在國際上首先提出的，長期以來普遍應用于國民經(jīng)濟的工業(yè)控制、經(jīng)濟預測、產(chǎn)量預測等硬科學領(lǐng)域和軟科學領(lǐng)域，成為這些領(lǐng)域預測、決策、分析、控制的有利工具。

灰色系統(tǒng)理論認為客觀世界是物質(zhì)的世界，也是的世界。根據(jù)對客觀系統(tǒng)所了解的量的多少，灰色系統(tǒng)理論把客觀系統(tǒng)分為：完全已知的系統(tǒng)白色系統(tǒng)、完全未知的系統(tǒng)黑色系統(tǒng)，以及部分已知、部分未知的系統(tǒng)灰色系統(tǒng)。對灰色系統(tǒng)的研究的主要目的在于對灰色系統(tǒng)建模，也就是根據(jù)已知建立灰色系統(tǒng)的數(shù)學模型，從而預測灰色系統(tǒng)的未知?；疑到y(tǒng)理論把任何隨機過程都看作在一定時空區(qū)域中變化的灰色過程，而隨機變量則被看作為灰色量。灰色量所表現(xiàn)的無規(guī)律的離散時空數(shù)列是潛在的規(guī)律性的表現(xiàn)。灰色系統(tǒng)理論首先通過數(shù)據(jù)灰色生成把原始數(shù)據(jù)數(shù)列處理成適合于灰色建模的有規(guī)律的數(shù)列。在得到預測值數(shù)列以后，同樣還要進行數(shù)據(jù)還原得到實際系統(tǒng)的預測數(shù)據(jù)，所以可以說灰色過程實質(zhì)上是對生成數(shù)列建模。在處理技術(shù)上，灰色過程是通過對原始數(shù)據(jù)的整理來找數(shù)的規(guī)律的，而其他的一些處理方法則是按統(tǒng)計規(guī)律和先驗規(guī)律來處理數(shù)據(jù)的。按統(tǒng)計規(guī)律和先驗規(guī)律處理數(shù)據(jù)的方法是建立在大樣本量的基礎上，而且要求數(shù)據(jù)規(guī)律是典型的規(guī)律，而對于非典型的規(guī)律，則是難以處理的。而灰色過程卻沒有這樣限制，灰色模型通常只需4個以上的數(shù)據(jù)就可以建模，而且不必知道原始數(shù)據(jù)具有的先驗特征。

灰色系統(tǒng)預測方法基本原理

灰色系統(tǒng)是指部分已知，部分未知的系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)理論的實質(zhì)是將無規(guī)律的原始數(shù)據(jù)進行累加生成，得到規(guī)律性較強的生成數(shù)列后再重新建模。由生成模型得到的數(shù)據(jù)再通過累加生成的逆運算累減生成得到還原模型，由還原模型作為預測模型。灰色模型是預測工作的基礎模型。以灰色系統(tǒng)理論的GM模型為基礎的預測，叫灰色預測。它可以分為以下7類：

1.數(shù)列預測：對某一事物發(fā)展變化趨勢的預測。2.災變預測：即災變出現(xiàn)時間的預測，災變有多種，如洪水、干旱、澇等災害。3.季節(jié)災變預測：指對災害出現(xiàn)在一年內(nèi)的某個特定時區(qū)的預測。4.拓樸預測：也叫波形預測、整體預測，是用GM模型來預測未來發(fā)展變化的整個波形。5.系統(tǒng)預測：指對系統(tǒng)的綜合研究所進行的綜合預測。6.包絡GM灰色區(qū)間預測：參考數(shù)列分布趨勢構(gòu)造一個上、下包絡線為邊界的灰色預測帶，建立上、下2個包絡模型。7.激勵阻尼預測：將激勵、阻尼因數(shù)以量化形式反映在GM模型中的預測，叫激勵阻尼預測。

《基于灰色理論的電力負荷預測系統(tǒng)》

《基于灰色理論的電力負荷預測系統(tǒng)》目前以漢化Visualbasic6.0開發(fā)圖形顯示部分，以漢化的ACCESS2000數(shù)據(jù)庫支持數(shù)據(jù)管理部分。程序代碼在Win98以上操作系統(tǒng)均通過調(diào)試，運行環(huán)境為：中文Window98

以上操作系統(tǒng)。

《基于灰色理論的電力負荷預測系統(tǒng)》是一個以中長期負荷預測為目標的預測系統(tǒng)，具備5年之內(nèi)年度預測的基本功能。該軟件設計思路如下：采用灰色理論為設計的基本理論，采用原始數(shù)據(jù)的一次累加生成序列和GM模型為建?；A！在實際設計中通過對命令按鈕的click事件觸發(fā)原始數(shù)據(jù)，按照指定的模型進行計算。在最后預測的顯示過程中，通過建立的控件數(shù)組text10與最終計算結(jié)果相匹配，顯示在文本框中。其主要特點為：

1.強大的數(shù)據(jù)庫功能:本系統(tǒng)采用DATA控件與ACCESS2000關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相連。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是目前最流行的數(shù)據(jù)庫，可以采用現(xiàn)代數(shù)學理論和方法對數(shù)據(jù)進行處理，它提供了結(jié)構(gòu)化的查詢語言SQL.各項操作都是通過記錄集完成的。記錄集是一個對象，一個記錄集是數(shù)據(jù)庫中的一組記錄，可以是整個數(shù)據(jù)表或表的一部分。在原始數(shù)據(jù)的輸入方面，操作人員可直接通過表輸入并修改數(shù)據(jù)，也可在系統(tǒng)上直接操作。

2.欲改進及增加的功能：①將預測結(jié)果數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，能夠?qū)㈩A測數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。②進一步改進預測精度，如從在原始數(shù)據(jù)上采用更精確的插值算法；在預測模型上增加一個系數(shù)，將天氣及節(jié)假日影響加入到最終預測結(jié)果中。五、結(jié)束語負荷預測是電力系統(tǒng)調(diào)度、實時控制、運行計劃和發(fā)展規(guī)劃的前提，是一個電網(wǎng)調(diào)度部門和規(guī)劃部門所必須具有的基本。提高負荷預測技術(shù)水平，有利于計劃用電管理，有利于合理安排電網(wǎng)運行方式和機組檢修計劃，有利于節(jié)煤、節(jié)油和降低發(fā)電成本，有利于制定合理的電源建設規(guī)劃，有利于提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，負荷預測已成為實現(xiàn)電力系統(tǒng)管理現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。

幾十年來各種可能的算法均在負荷預測課題上試驗過了，目前實用的算法主要有：線性外推法、線性回歸法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、灰色系統(tǒng)法和專家系統(tǒng)方法等。各種算法均有一定的適用場合，可以說沒有一個算法適用于各種負荷預測模型而精度比其它算法都高。

灰色系統(tǒng)理論把一般系統(tǒng)論、論、控制論的觀點和方法延伸到社會、經(jīng)濟、生態(tài)等抽象系統(tǒng)，并結(jié)合數(shù)學方法，發(fā)展成為一套解決不完備系統(tǒng)即灰色系統(tǒng)的理論和方法。它對未來的研究具有重要意義。由電力系統(tǒng)實際情況可知：用電量及負荷增長受經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、居民收入水平、氣候等諸多因素的影響，其中一些因素是確定的，而一些因素則不確定，故可把它看作一個灰色系統(tǒng)。

但目前GM模型在實際應用中還存在局限性，比較適用于具有較強指數(shù)規(guī)律的負荷序列，只能描述單調(diào)的變化過程，而對于特殊的負荷增長方式，例如當負荷按照“S”型曲線進行增長或增長處于飽和階段時，若采用該灰色模型則預測誤差較大，預測精度不滿足實際要求。

灰色預測法作為電力系統(tǒng)需電量預測方法之一，已成為重要的研究手段，但尚有許多方面有待于進一步研究，如尋求更有效的、更符合電力系統(tǒng)需電量發(fā)展規(guī)律的原始數(shù)據(jù)處理方法。

總之負荷預測的結(jié)果是電力系統(tǒng)運行的基礎數(shù)據(jù)，其精度直接影響運行的安全性和經(jīng)濟性。因此，提高其精度也是每個負荷預測人員追求的最高目標。參考文獻：

劉晨暉，電力系統(tǒng)負荷預報理論與方法。哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1987.

傅立，灰色系統(tǒng)理論及其應用。重慶：科學技術(shù)文獻出版社，1992.

翟軍、盛建明，MGM灰色模型及應用．系統(tǒng)工程理論與實踐，1997.

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（責任編輯：xy）

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