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灰色理在負荷預(yù)測中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)的負荷預(yù)測是電力規(guī)劃、生產(chǎn)和運行等工作的重要基礎(chǔ)，準確的負荷預(yù)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(yù)測模型的要求及對各種預(yù)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(yù)測系統(tǒng)》為例簡單探討灰色理論在負荷預(yù)測中的實際應(yīng)用。

負荷預(yù)測預(yù)測模型灰色理論一、概述電力系統(tǒng)負荷預(yù)測是實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)，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(yù)測。因此，負荷預(yù)測的關(guān)鍵是提高準確度。此外，從發(fā)展來看，負荷預(yù)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(yù)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(yù)測。負荷預(yù)測包括兩方面的含義：對未來需求量的預(yù)測和未來用電量的預(yù)測。電力需求量的預(yù)測決定發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)新增容量的大小；電能預(yù)測決定發(fā)電設(shè)備的類型。

根據(jù)不同的預(yù)測目的，負荷預(yù)測可分為超短期、短期和中長期的預(yù)報。一般說來，一小時以內(nèi)的負荷預(yù)測為超短期負荷預(yù)測，用于安全監(jiān)視、預(yù)防性控制和緊急狀態(tài)處理；日負荷和周負荷預(yù)測為短期負荷預(yù)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(yù)測為中期負荷預(yù)測，主要確定電網(wǎng)的運行方式和設(shè)備大修計劃等。二、負荷預(yù)測模型的基本要求電力負荷預(yù)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(yù)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(yù)測模型，模型精度決定了預(yù)測的準確性。

負荷預(yù)測模型應(yīng)能滿足下述要求

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

2．預(yù)測模型應(yīng)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(yù)測應(yīng)建立專用預(yù)測模型，且能提前預(yù)測。

4．提供各種類型的預(yù)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(yù)測系統(tǒng)應(yīng)當既可進行整個區(qū)域或電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷預(yù)測，又能進行分地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷預(yù)測；既可以進行離線負荷預(yù)測，也可以進行實時在線負荷預(yù)測；

提高負荷預(yù)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(yù)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(yù)報的不準確會造成預(yù)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(yù)測的較大誤差，當今特殊事件的出現(xiàn)趨于頻繁，給預(yù)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(yù)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(dǎo)負荷預(yù)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(yù)測的精度，我們還需要做大量的工作。三、提高負荷預(yù)測精度的措施原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理

我們都知道，任何負荷預(yù)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(yù)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(yīng)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(shè)計中，首先應(yīng)針對原始的各種不真實現(xiàn)象進行預(yù)處理，力求將設(shè)備造成的隨機的影響據(jù)之于預(yù)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停快、持續(xù)時間短、隨機性強、數(shù)值較大，而負荷預(yù)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(yīng)用于負荷預(yù)測中了。

提高影響因素的預(yù)測精度以及影響因素的量化處理

負荷預(yù)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(yù)測程序的輸入值。因此，這些因素的準確度直接會對負荷預(yù)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(yīng)用哪一種方法，要視實際情況而定。

比較預(yù)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(yù)測和整體預(yù)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(yù)測實踐來看，單獨預(yù)測后疊加與整體預(yù)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(yù)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(yīng)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yīng)，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(yù)測的時候，對于歷史數(shù)據(jù)的選擇很有學(xué)問，力求使用與預(yù)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(xué)分類：負荷特性，一般指負荷曲線輪廓；負荷值大??；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(yù)測結(jié)果修正

負荷預(yù)測應(yīng)包括電力預(yù)測和電量預(yù)測，我們常使用的是電力預(yù)測，因為這也是需要的最終結(jié)果。但電量預(yù)測也是相當有用的，它不會像電力預(yù)測的隨機性那么大，可以作為電力預(yù)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(yù)測為例，這種方法只需要預(yù)測出預(yù)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(yù)測日的預(yù)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(yù)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(yù)測中的實際應(yīng)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(yīng)用于國民經(jīng)濟的工業(yè)控制、經(jīng)濟預(yù)測、產(chǎn)量預(yù)測等硬科學(xué)領(lǐng)域和軟科學(xué)領(lǐng)域，成為這些領(lǐng)域預(yù)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(xué)模型，從而預(yù)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?；疑克憩F(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(yù)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(yù)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(chǔ)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(yù)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(yù)測模型?；疑Ｐ褪穷A(yù)測工作的基礎(chǔ)模型。以灰色系統(tǒng)理論的GM模型為基礎(chǔ)的預(yù)測，叫灰色預(yù)測。它可以分為以下7類：

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

《基于灰色理論的電力負荷預(yù)測系統(tǒng)》

《基于灰色理論的電力負荷預(yù)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(yù)測系統(tǒng)》是一個以中長期負荷預(yù)測為目標的預(yù)測系統(tǒng)，具備5年之內(nèi)年度預(yù)測的基本功能。該軟件設(shè)計思路如下：采用灰色理論為設(shè)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(chǔ)！在實際設(shè)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(yù)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(xué)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(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，能夠?qū)㈩A(yù)測數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。②進一步改進預(yù)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(yù)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(yù)測結(jié)果中。五、結(jié)束語負荷預(yù)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(yù)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(shè)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(yù)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(yù)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(luò)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(yù)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(xué)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(yīng)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(yù)測誤差較大，預(yù)測精度不滿足實際要求。

灰色預(yù)測法作為電力系統(tǒng)需電量預(yù)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(yù)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，提高其精度也是每個負荷預(yù)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(yù)報理論與方法。哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1987.

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

翟軍、盛建明，MGM灰色模型及應(yīng)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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