擴展短期負荷猜測方法的應用

擴展短期負荷猜測方法的應用
1引言
短期負荷猜測，負荷猜測是電力市場運營中不可少的計算。短期負荷猜測，負荷猜測結果正確與否，對系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、安全性有很大影響。
對于任何負荷猜測系統(tǒng)，要進步猜測的正確度，需要具備兩個條件：第一，良好的猜測基礎；第二，充足的參考信息。在電力領域，對于常規(guī)的短期負荷猜測系統(tǒng)，這兩個條件體現(xiàn)為：首先，給負荷猜測系統(tǒng)提供充足的、完整而且正確的歷史數(shù)據(jù)樣本；其次，電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表在猜測過程中充分的引進最新的負荷相關信息（包括負荷信息，負荷敏感因素的變化信息等。下同）�；�于當前實際情況，需要解決的題目是：
（1）修正歷史負荷數(shù)據(jù)中的壞數(shù)據(jù)；
（2）充分應用猜測當日已知的最新負荷信息參與越日的負荷猜測。
擴展短期負荷猜測的原理是[2]：在已知當日部分負荷的條件下，引進最新獲得的負荷相關信息，猜測當日未知的多點負荷。它主要應用于電力市場環(huán)境下調(diào)整當日負荷計劃。該方法為解決短期負荷猜測的上述兩個題目提供了非常理想的實現(xiàn)方案，應用效果非常明顯。
2擴展短期負荷猜測方法
擴展短期猜測的基本思想是[3]：利用猜測時刻（例如11:00）以前的歷史負荷數(shù)據(jù)，用幾種不同的方法做預猜測，可以猜測該時刻以前的系統(tǒng)負荷，根據(jù)各方法的猜測精度確定這些方法在綜合模型中的權重[3,4]；利用這一權重，使用昨天及以前的歷史負荷數(shù)據(jù)，廣州市駿凱電子科技有限公司做今天猜測時刻后的全日未知負荷的猜測。由于利用了猜測時刻以前的最新的負荷信息，因此，用這種方法大大進步了負荷猜測的精度。
擴展短期負荷猜測方法的關鍵是：以當日已經(jīng)發(fā)生的負荷的變化模式作為全日未知負荷變化規(guī)律的參考，在此基礎上猜測出未知的負荷值。其隱含的原理是：對于同一日，在一天內(nèi)的天氣等負荷敏感因素不發(fā)生突變的情況下，其全日負荷的變化模式不會發(fā)生突變。
下面用這個方法解決限制短期負荷猜測正確度進步的兩個題目。
3應用1：修正歷史負荷壞數(shù)據(jù)
3.1概述
歷史實況負荷數(shù)據(jù)是負荷猜測系統(tǒng)（尤其短期負荷猜測系統(tǒng)）建立算法模型的基礎，其數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響負荷猜測正確度。歷史負荷中的壞數(shù)據(jù)需要處理。
傳統(tǒng)的短期負荷猜測方法一般憑靠人工經(jīng)驗完成這些壞數(shù)據(jù)的修正，或采用簡單的辨識、平滑方式處理壞數(shù)據(jù)，這些方式均有很大的局限性，其效果也不理想。
采用擴展短期負荷猜測方法對歷史壞數(shù)據(jù)點進行修正（補足），具有簡單有效、適應性好、正確度高的特點。
3.2應用背景
負荷猜測應用中的歷史負荷壞數(shù)占有兩類。一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）采集設備或傳輸設備質(zhì)量不高，造成一些瞬時丟失的壞負荷數(shù)據(jù)點（稱為通道壞數(shù)據(jù)）；二是電力系統(tǒng)中，一些人為或非人為的突發(fā)事件（如重大事件、電網(wǎng)故障、停電檢驗、大用戶不規(guī)律用電等）影響用電負荷，造成持續(xù)時間較長的畸變負荷數(shù)據(jù)點（稱為畸變壞數(shù)據(jù)），這是不可預見的負荷變化。廣州市駿凱電子科技有限公司圖1給出了這兩種壞數(shù)據(jù)的特征示例。這些壞數(shù)據(jù)點（包括通道壞數(shù)據(jù)、畸變壞數(shù)據(jù)，）若不作處理，直接作為數(shù)據(jù)樣本參與猜測，必然降低負荷猜測的正確度。
對于圖1左下方所示的瞬時通道壞數(shù)據(jù)點，傳統(tǒng)的負荷猜測系統(tǒng)處理的方法是：參考該點前后負荷點的數(shù)據(jù)，采用線性插值法或者3階或多階平滑法的方式完成該壞數(shù)據(jù)點的修正，其修正正確度通�？梢越邮�。然而，對于圖中右上方持續(xù)時間較長的畸變壞數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的修正方式則難以達到理想的修正效果。相反，采用擴展短期負荷猜測方法對壞數(shù)據(jù)點進行修正卻簡單、實用、高效。
3.3實現(xiàn)方案
采用擴展短期負荷猜測方法對壞數(shù)據(jù)點進行修正的原理是：辨識出歷史日中的正常數(shù)據(jù)點和可疑數(shù)據(jù)點；以正常數(shù)據(jù)點為已知條件，采用擴展短期負荷猜測方法完成對可疑數(shù)據(jù)點的猜測，用猜測結果修正這些可疑數(shù)據(jù)點。其修正步驟如下：
（1）辨識可疑數(shù)據(jù)點
壞數(shù)據(jù)點往往具有數(shù)值突變的特征。通過這個特征可以辨識出歷史負荷數(shù)據(jù)中的可疑壞數(shù)據(jù)點（簡稱可疑數(shù)據(jù)點）。實現(xiàn)辨識的方案并不唯一，筆者采用的方案為負荷數(shù)據(jù)突變辨識。
首先，對于某日負荷數(shù)據(jù)中的某點（第i點），計算它與其前面最近1個正常負荷數(shù)據(jù)點（第j點，參考點）的負荷變化率。

然后，統(tǒng)計歷史上各日的這兩時刻點間的負荷變化率（在概率意義上[5]）的正常范圍。對比待檢測日的這兩點的負荷變化率是否在該正常范圍，以認定該點是否為可疑數(shù)據(jù)點。
對于不同的電力系統(tǒng)，其負荷數(shù)據(jù)中存在的正常的隨機變化量幅度不同，通過進步或降低判定標準，即可收緊或放寬對可疑數(shù)據(jù)點的認定。任何一種可疑數(shù)據(jù)判定機制都可能造成一定的誤差（誤判或漏判），但是，在采用擴展短期負荷猜測進行壞數(shù)據(jù)修正時，由于依據(jù)的是有規(guī)律的猜測結果完成修正，所以所認定的可疑數(shù)據(jù)點多幾個點或少幾個點并不會對修正結果造成太大的影響。這正是這種修正方案獨特的上風所在。
（2）修正可疑數(shù)據(jù)點
修正歷史數(shù)據(jù)中的可疑數(shù)據(jù)是短期負荷猜測系統(tǒng)的要點和難點之一。正確的修正可疑數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)要比辨識它難得多。因此，傳統(tǒng)的負荷猜測系統(tǒng)無法很好地處理壞數(shù)據(jù)修正題目，只能依靠猜測職員的人工經(jīng)驗來解決。采用擴展短期負荷猜測方案進行壞數(shù)據(jù)修正則可代替人工修正方式，減少猜測職員的工作量，同時減少由于人工修正帶來的人的主觀因素影響。
負荷壞數(shù)據(jù)修正方案如下（以逐日采樣96點為例）：
首先，對某日負荷數(shù)據(jù)點進行逐一的辨識，記其正常負荷數(shù)據(jù)點的矢量為Xr=(xr1,xr2,…，xrm)，不正常數(shù)據(jù)點（即：可疑數(shù)據(jù)點）的矢量為Xe=(xe1,xe2,…,xen)，m n=96。這里的下標r1,r2,…,rm和e1,e2,…,en并不一定連續(xù)。
然后，依據(jù)前述的擴展短期負荷猜測實現(xiàn)方案，在已知Xr條件下，可以獲得Xe的估計值，采用估計結果替換原值Xe，即完成該日壞數(shù)據(jù)修正。
為了確保歷史負荷數(shù)據(jù)曲線平滑，廣州市駿凱電子科技有限公司可以在修正后的可疑數(shù)據(jù)點與其前后2點數(shù)據(jù)間作平滑處理，這樣得到的修正效果更好。
統(tǒng)計表明，實際電力系統(tǒng)中逐日壞數(shù)據(jù)點數(shù)一般不超過10點，即：n<10，正常數(shù)據(jù)點m≥86。則上述修正方案相當于，在以已知的（多于）86點數(shù)據(jù)為優(yōu)化目標的情況下，對該日96點數(shù)據(jù)進行擴展短期負荷猜測，統(tǒng)計表明，這樣條件下的猜測正確度高達98.42以上。可見，修正效果非常理想。
3.4應用實例
采用上述歷史壞數(shù)據(jù)修正方案對我國某電力系統(tǒng)2002年1月11日歷史數(shù)據(jù)進行模擬修正：在該日正常負荷數(shù)據(jù)（圖2中的虛線）基礎上，人為地模擬制造一些壞數(shù)據(jù)，包括通道壞數(shù)據(jù)及畸變壞數(shù)據(jù)，如圖2中的實線，以此模擬實際電力系統(tǒng)中的帶有壞數(shù)據(jù)的“實際負荷曲線”。然后，對這些壞數(shù)據(jù)進行修正，觀察其修正效果。
從圖2可見，該日的“實際負荷曲線”基本上失往了正常負荷數(shù)據(jù)具有的特征，即便一個有經(jīng)驗的猜測職員也不可能正確地修正出正常的負荷數(shù)據(jù)。然而，采用上述擴展短期負荷猜測方案進行修正，其結果如圖2中的短劃線所示，它與正常負荷曲線非常貼近。
分別將修正后的猜測結果和“實際負荷曲線”與正常負荷曲線相對比，所得結果列于表1。從表1可知，采用上述壞數(shù)據(jù)修正方案對負荷數(shù)據(jù)進行修正，將日負荷誤差均方差從9.32降低到0.77。該結果表明，采用擴展短期負荷猜測進行歷史負荷壞數(shù)據(jù)的修正相當有效。
該方案具備如下優(yōu)點：
（1）算法簡單，正確度高，修正效果明顯；
（2）對畸變壞數(shù)占有很好的修正效果；
（3）對可疑數(shù)據(jù)點的辨識要求不嚴。
實際應用中，由于錯判或漏判幾個壞數(shù)據(jù)點對修正結果無太大影響，因此，該方案尤其適用于正常負荷曲線比較平滑，而系統(tǒng)突發(fā)事件又比較頻繁的電力系統(tǒng)。
4應用2：補足當日未知多點負荷值
4.1概述
短期負荷猜測主要應用于提前一天完成用電計劃的制定。傳統(tǒng)的負荷猜測系統(tǒng)往往只是依靠昨日以前的歷史數(shù)據(jù)樣本，及相關的負荷影響因素數(shù)據(jù)，完成明日用電計劃負荷的猜測。這種猜測方案沒有利用最新的、含信息量非常豐富確當日的已知負荷信息（及負荷相關信息），使得猜測正確度難以進一步進步。
如何利用最新獲得確當日的負荷信息參與明日的用電猜測，是進步短期負荷猜測的猜測精度的關鍵之一。采用擴展短期負荷猜測對當日未知的負荷數(shù)據(jù)進行虛擬補足，并利用這些數(shù)據(jù)和當日已發(fā)生的負荷數(shù)據(jù)一起作為已知數(shù)據(jù)參與猜測，可以進步第二日負荷的猜測精度。其應用背景及實現(xiàn)方法如下所述。
4.2應用背景
目前，國內(nèi)適用的短期負荷猜測系統(tǒng)盡大多數(shù)采用的是綜合模型猜測方案[4]。該方案的實現(xiàn)原理是：尋找出與猜測日各種影響因素相似的歷史日期（即相似日）；采用不同的猜測算法對其進行虛擬猜測；比較該日實際歷史負荷與虛擬猜測結果的擬合正確度以確定各種算法的權重分配；應用所得到的各算法的權重做第2日負荷猜測。
在這樣的猜測機制下，有一個矛盾需要解決，即在對尋找到的相似日（歷史日）進行虛擬猜測時，該日前1日的負荷已經(jīng)知道，而且參與了對相似日負荷結果的猜測；然而，采用同樣的算法對猜測日（明日）進行猜測時，其前一日（當日）的負荷不全，例如。只有11時之前的負荷數(shù)據(jù)，缺少11時之后到24:00這段時間的負荷。因此，只能取昨天的負荷做猜測，影響猜測精度。廣州市駿凱電子科技有限公司為此，必須盡可能正確的補足這些缺失負荷，并用它們參與猜測。采用擴展短期負荷猜測實現(xiàn)對當日負荷數(shù)據(jù)的補足是一個有效、公道的方案。
4.3實現(xiàn)方案
該方案原理是：以當日及以前已知的實況信息（包括負荷信息、氣象信息）為已知條件，采用擴展短期負荷猜測對當日未知負荷點的數(shù)據(jù)進行猜測，并用猜測結果作為這些點的數(shù)據(jù)的公道估計值，從而“彌補”上當日缺失的負荷值。
假設當日已知的前m點負荷值矢量為：Xr=(x1,x2,…,xm)T，未知的后96-m點負荷值矢量為：Xe=(xm 1,xm 2,…,x96)T。
參照前述擴展短期負荷猜測實現(xiàn)方案，以Xr為已知條件，確定綜合模型參數(shù)，再用昨日負荷猜測本日負荷，可以得到Xe的公道估計值。采用“補足”當日缺失的Xe的負荷數(shù)據(jù)，即可虛擬的得到當日全日的負荷數(shù)據(jù)。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在已知當日1/3以上的負荷數(shù)據(jù)（比如已知該日0:00~11:00的負荷數(shù)據(jù)）的基礎上，對當日進行擴展短期負荷猜測，統(tǒng)計14:00后均勻猜測正確度可達96.08[2]；且全年半數(shù)以上的日期的擴展短期負荷猜測正確度在98以上，因此，用該結果作為虛擬實況負荷補足當日負荷，參與明日的短期負荷猜測，可以進步猜測精度。
4.4應用效果
對國內(nèi)某電力系統(tǒng)利用近幾年的負荷數(shù)據(jù)進行猜測，按上述方案補足當日負荷數(shù)據(jù)，并應用它參與越日的短期負荷猜測，與傳統(tǒng)的短期負荷猜測方法相比，其猜測正確度可進步約2。而且，由于擴展短期負荷猜測充分應用了當日最新的負荷信息和氣象信息，對日負荷變化跟蹤迅速，因此，它尤其適用于負荷變化幅度大、日負荷影響因素多的電力系統(tǒng)。
5結論
要進步短期負荷猜測的正確度，需要確保猜測系統(tǒng)積累有足夠的、正確的歷史參考樣本信息，并盡可能的利用最新的負荷（相關）信息。擴展短期負荷猜測方法為這兩種需求提供了理想的實現(xiàn)方案。實際應用表明，該方法對進步短期負荷猜測正確度的作用是明顯的。