电力负荷预测方法与应用

【内容摘要】：

负荷预测是电力系统规划、计划、用电、调度等部门的基础工作。讨论了年度负荷预测、月度负荷预测和短期负荷预测的特点、成熟方法，分析了负荷预测问题的各种解决方案，并指出未来的主要研究方向。根据国内电力系统负荷预测的实践和国外的经验，对我国开展电力系统负荷预测工作提出了一些建议。

【关键词】:电力系统;负荷预测;模型;参数辨识

电力负荷预测方法与应用

一、概述

电力工业是国民经济的基础工业。随着我国产业结构完善和人民整体生活水平的改善，对电能的需求逐年加大，同时对电力质量的要求也越来越高，且由于电能生产和消费的同时性，对电网建设和布局提出了更高的要求。

电力负荷预测是电网规划建设的依据和基础。随着电力工业在国民经济中扮演着越来越重要的角色，电力负荷的正确预测显得尤为重要。

电力负荷预测是指通过对电力系统负荷历史数据的分析和研究，运用统计学、数学、计算机、工程技术及经验分析等定性定量的方法，探索事物之间的内在联系和发展变化规律，对未来的负荷发展做出预先估计和推测。电力负荷预测结果的准确与否直接关系到电力投资的效益，供电的可靠性，用电需求的正常发展，以及社会的经济效益和社会效益。但要做到预测准确或较准确是很困难的，因为影响电力负荷预测的因素相当多，且由于各地区产业结构和人民生活水平不同，各具体因素对电力负荷预测的敏感度是不一样的，因而电力负荷预测具模糊性。

回顾我国“十五”期间的预测情况与实际发展情况是很有意义的。

基于“九五”期间国民经济和电力工业的发展状况，在全国电力供需趋于平衡的前提下，我国制定的“十五”规划对电力工业发展提出了“可持续发展”的要求：电力工业发展方式要从数量速度型向质量效益型转变，从以供给导向为主转向以需求导向为主，优化电力资源配置。国家经贸委电力工业“十五”规划中预测：“十五”期间我国经济增长速度为年均7%左右，电力需求的平均增长速度为5%，到2005年全国发电装机容量将达到3.9亿千瓦，全国发电量将达到17500亿千瓦时以上。国家电力公司电力工业“十五”计划及2015年远景规划中预测：“十五”期间我国GDP年均增长7%左右，电力需求的平均增长速度在4.5%~5.0%之间，到2005

年全国发电装机容量将达到3.65亿千瓦，全社会用电量将达到16200亿~16600亿千瓦时。

但实际的情况是：截至2005年年底，全国发电装机容量达到5.17亿千瓦，全国发电量达到24975.26亿千瓦时，全社会用电量为24689亿千瓦时。

比较我国“十五”期间电力工业发展中发电装机容量、发电量与全社会用电量等参数的预测值与实际值，可以发现我国“十五”电力规划中全国发电装机容量、发电量和全社会用电量的误差分别高达33%、43%和50%，这还是在2002年下半年至2005年间严重限电情况下发生的值，实际的电力需求值比这还高很多，也即误差比这还要高的多。这直接导致了自2002年6月以来的全国电力供需严重紧缺状态，直至“十五”末期电力供需形势总体来说仍然处于紧张状态，2005年曾在一季度拉闸限电省份达创纪录的26个，最大限负荷达3400万千瓦。而“十五”期间的严重缺电，不仅成为影响国民经济快速发展的“瓶颈”，其隐性损失更是不可估量：成百上千的企业无法正常生产，安全生产埋下隐患，投资环境和城市形象蒙上阴影，人民正常生活受到影响。

因此正确预测电力负荷对指导我国电力“又好又快”地发展具有重要意义。

预测技术的发展源于社会的需求和实践。预测是人们根据历史的和现在掌握的信息，利用已经掌握的知识和手段，预先推知和判断研究对象的未来或未知状况的结果。预测可以提供未来的信息，为当前人们做出有利的决策提供依据。随着人类社会和科学技术的发展，预测技术也得到了不断的发展，尤其是最近几十年，随着预测理论、方法和技术的不断丰富，在某些领域预测的精度甚至可以达到很高的水平。到二十世纪七十年代末，预测逐渐形成了一门自成体系的综合性学科，并得到了迅速发展。电力系统负荷预测方法的研究起步较晚，从二十世纪八十年代后才有了较大的发展。

电力系统负荷预测是指：在考虑一些重要的系统运行特性、增容决策和自然条件下，利用一套系统的处理过去和未来负荷的方法，在一定精度意义下，决定未来某特定时刻或某些特定时刻的负荷值。电力负荷预测是电力系统规划、运行不可缺少的重要环节，负荷预测的准确程度将直接影响到投资、网络布局和运行的合理性，是实时控制、运行计划和发展规划的前提和重要依据。因此，电力负荷预测工作的水平已成为衡量一个电力企业的管理是否走向现代化的显著标志之一。

电力系统负荷预测的具体作用视预测期限的长短而异。一般可分为长期、中期、短期和超短期四种。其中，中期负荷预测是指5年左右，长期负荷预测一般是指十年至数十年的负荷预侧。中长期负荷预测的意义在于帮助决定新的发电机组的安装（包括装机容量大小、型式、地

点和时间）与电网的规划、增容和改建，是电力规划部门的重要工作[8]。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，使大量复杂的、用人工方法难以实现的预测方法的采用成为可能，而且负荷预测的手段也逐渐发展为运用软件预测，使得负荷预测的方法和手段大为增加，但要做准确的预测仍存在着很大的问题。

2005年，全国发电装机总容量5.08亿kW（其中，火电占75.6%，水电占22.9%，核电占1.35%，其它占0.15%），发电量24747亿kW·h。

2006年，全国发电装机总容量6.22亿kW（其中，火电占77.82%，水电占20.67%，其它占1.51%），同比增长20.3%，发电量28344亿kW·h，同比增长13.5%。其中，水电发电量4167亿kW·h，约占全部发电量14.70%，同比增长5.1%；火电发电量23573亿kW·h，约占全部发电量83.17%，同比增长15.3%；核电发电量543亿kW·h，约占全部发电量1.92%，同比增长2.4%。

预计2010年，全国发电装机总容量将达到8亿kW。

2005年，我国全社会用电量24689亿kW·h，同比增长13.45%，用电结构仍以工业为主，占73.8%，同比增长13.37%。城乡居民生活用电量增长最快，达2838亿kW·h，同比增长16.19%。2006年，我国全社会用电量28248亿kW·h，同比增长14.0%，其中，第一产业用电量为832亿kW·h，同比增长9.9%；第二产业用电量为21354亿kW·h，同比增长14.3%；第三产业用电量为2822亿kW·h，同比增长11.8%；城乡居民生活用电量为3240亿kW·h，同比增长14.7%。

2005年，云南省总装机容量1320万kW（其中，火电约占35%，水电约占65%），同比增长12.7%；发电量624.2亿kW·h，同比增长14.8%。云南电网公司统调装机容量893万kW，同比增长6.95%；完成售电量432.4亿kW·h，同比增长14.14%，其中，省内售电量完成366.17亿kW·h，同比增长18.81%；外送电量66.23亿kW·h，其中送广东电量62.96亿kW·h，送越南电量3.27亿kW·h。

2006年，云南省总装机容量1853万kW。目前，全省发电总装机容量达2077万kW。预计2010年，全省发电装机总容量将突破3600万kW，2020年，将达到8000万kW。

二、电力负荷预测方法与应用

综合国内外对电力系统中长期负荷预测方面的研究，采用的预测方法及达到的预测精度各

有不同，但主要有：经典方法、传统方法、智能方法等三大类。

（一）经典预测方法

经典预测方法通常是依靠专家的经验或一些简单变量之间的相互关系对未来负荷值做出一个方向性的结论。主要有分单耗法、电力弹性系数法、负荷密度法、分类负荷预测法和人均电量法等。

1、单耗法

这个方法是根据预测期的产品产量（或产值）和用电单耗计算需要的用电量，即

A h ＝∑=n

i 1Q i U i

式中 A h —某行业预测期的需电量；

U i —各种产品（产值）用电单耗；

Q i —各种产品产量（或产值）。

当分别算出各行业的需用电量之后，把它们相加，就可以得到全部行业的需用电量。这个方法适用于工业比重大的系统。对于中近期负荷预测（中期负荷预测的前5年），此时，用户已有生产或建设计划，根据我国的多年经验，用单耗法是有效的。

在已知某规划年的需电量后，可用年最大负荷利用小时数来预测年最大负荷，即

P n·max =T A n m ax

式中 P n·max —年最大负荷（MW ）

； A n —年需用电量（kW·h ）；

T max —年最大负荷利用小时数（h ）。

各电力系统的年最大负荷利用小时数，可根据历史统计资料及今后用电结构变化情况分析确定。

单耗法分产品单耗法和产值单耗法。采用单耗法预测负荷的关键是确定适当的产品单耗或产值单耗。

单耗法可用于计算工业用户的负荷预测。

单耗法可根据第一、第二、第三产业单位用电量创造的经济价值，从预测经济指标推算用电需求量，加上居民生活用电量，构成全社会用电量。预测时，通过对过去的单位产值耗电量(以下简称“单耗”) 进行统计分析，并结合产业结构调整，找出一定的规律，预测规划第一、第

二、第三产业的综合单耗，然后根据国民经济和社会发展规划指标，按单耗进行预测。单耗法

需要做大量细致的统计、分析工作，近期预测效果较佳。

单耗法的优点是方法简单，对短期负荷预测效果较好。缺点是需做大量细致的调研工作，比较笼统，很难反映现代经济、政治、气候等条件的影响。

2、电力弹性系数法

电力弹性系数kt 是指年用电量（或年最大负荷）的年平均增长率k zch （%）与（%）国内生产总值（GDP ）年平均增长率k gzch （%）的比值，即

kt=k k gzch

zch 电力弹性系数是一个宏观指标，可用作远期规划粗线条的负荷预测。

采用这个方法首先要掌握今后国内生产总值的年平均增长速度，然后根据过去各阶段的电力弹性系数值，分析其变化趋势，选用适当的电力弹性系数（一般大于1）。由于电力弹性系数与各省、各地区的国民经济结构及发展有关，各省及地区需对本省、本地区的电力弹性系数资料进行统计分析，找出适合于本省、本地区的电力弹性系数发展趋势。

有了弹性系数及国内生产总值的年平均增长率，就可以计算规划年份所需用的电量，即 A m =A 0(l ＋ k t k gzch )n

式中 A m —预测期末的需用电量（或年最大负荷）；

A 0 —预测期初的需用电量（或年最大负荷）；

k t —电力弹性系数；

k gzch —国内生产总值的年平均增长率；

n —计算期的年数。

电力弹性系数也分为电力生产弹性系数和电力消费弹性系数，前者与装机容量或发电量的增长速度有关，后者与用电量的增长速度有关。

电力弹性系数，一般是指以电量为基础来计算的，即用发电量或用电量的发展速度（增长率）除以国民经济增长速度得出的。国民经济增长速度过去常采用工农业总产值或国民收入的增长速度来计算，后为了与国际接轨，采用国民生产总值的增长速度来计算，近年来又采用国民生产总值的增长速度来计算。

由于电力不能储备，因此不仅要满足电量的要求，还要满足容量的要求，所以应当有以发供电设备容量为基础计算的电力弹性系数。在不缺电的情况下，这两个弹性系数应当是一致的，但是在缺电特别是严重缺电和的条件下，这两个弹性系数是不一致的。在缺电的条件下，计算以容量为基础的电力弹性系数比计算以电量为基础的电力弹性系数更为重要。另一方面，以容

量为基础的电力弹性系数所要考虑的因素也要比以电量计算考虑得多一些，一是要考虑还欠账，以保证电力系统有足够的备用容量；二是要考虑降低过高的发供电设备利用小时数；三是要考虑国民经济计划超额和提前完成的因素。因此，在缺电的条件下，以容量计算的电力弹性系数要大于以电量计算的电力弹性系数。

根据现代经济学原理分析，不同地区在不同的经济发展阶段。其电力弹性系数有不同的数值。电力弹性系数的变化不仅与电力工业的发展水平直接有关，还与科学技术水平、经济结构、资源状况、产品结构、装备和管理水平以及人民生活水平等因素有关。从“一五”到“十五”期间，我国有6个五年计划期电力弹性系数大于1，大部分集中在前期；有3个五年计划期弹性系数小于1，多集中在近期，这似乎反映了用电增长速度最终将趋向于低于经济的增长速度这样一种发展态势（见表）。

我国各个五年计划经济增长与用电增长的关系

电力弹性系数的数值大小及其变化隐含了许多相对数量关系，对应了许多不同的电力及经济发展状况。相同的电力弹性系数，有可能对应了完全不同的电力及经济发展状况。因此，分析电力弹性系数，重点应分析电力及经济增长速度的内在相关性，通过电力弹性系数本身的数值变化来分析经济发展中的优势及隐形问题，通过宏观调控、政策引导，达到经济可持续发展的目标。

弹性系数法是从宏观上确定电力发展同国民经济发展的相对速度，是衡量国民经济发展和用电需求的重要参数。在市场经济条件下，电力弹性系数已经变得捉摸不定，并且随着科学技术的迅猛发展，“节能降耗”政策、节电技术和电力需求侧管理、新经济(如和识经济、信息经济)的不断产生和发展，以电能替代其他非电能源的范围不断扩大，电力与经济的关系急剧变化，电力需求与经济发展的变化步伐严重失调，使弹性系数难以捉摸，使用弹性系数法预测电力需求难以得到满足的效果，应逐步淡化。该方法的优点是方法简单、易于计算，缺点是需做大量细致的调研工作需要经济发展预测必须准确，人为主观影响过大。。 u aX dt

dX =+)1()

1( 式中，)1(X

表示原始数据经累加后生成的新数列；a 称为模型的发展参数，反映)1(X 及原始数列)0(X 的发展趋势；u 称为模型的协调系数，反映数据间的变化关系。

解上述微分方程，可以求得）

（1,1GM 的预测模型为: ),2,1,0()1()1()0()1( =+?????

?-=+-k a u e a u X i X ak

以时间为序列的原始数据列是一个随机过程，有时未必平稳，所以要用数据累加，得到新的数据序列。经过处理后的新序列，其随机性被弱化了。

该方法首先建立白化形式的微分方程，根据历史统计数据用最小二乘原理解得参数后，得到预测模型，按此模型就可进行预测。

5、综合预测模型法

由于各预测方法的特点不同以及电力负荷的复杂性，各方法的预测结果往往“时好时坏”，所以可以通过组合预测来提高预测精度。组合预测综合利用了各种预测方法的预测结果，用适当的权系数加权平均进行预测。这种方法的关键在于求出各种预测方法的权系数。电力系统负荷预测领域的综合预测一般有两种含义：一是指将几种预测模型各自的预测结果通过选取适当的权重进行加权平均得到最终预测结果的一种预测方法，该类方法的实质是各预测模型权重的优化确定；另一种含义则是指在几种预测模型中进行比较，按某种准则选择（拟合优度最佳或标准离差最小）其中某个预测模型作为最优模型进行预测。目前常用的综合预测模型有：等权平均模型、方差-协方差综合预测模型等，它们的主要区别在于确定权重采用的方法不同。起初这些综合预测模型都是采用了固定不变的权重，但是随着时间的推移各单一预测模型受不同因

素影响的程度也将发生变化，从而影响该综合预测模型的可信度。在此基础上进而发展了权重可变（即动态变化）的电力系统负荷综合优化预测模型，以更好的反映电力负荷变化的规律。虽然综合预测模型算法的选取相较于所取的单一模型的精度有再次改进，但是预测模型的可信度高低关键在于各单一模型权重的选取。其中，固定不变的权值由于各模型受不同因素的影响而发生变化，对事实的反映程度有所受损，而针对固定不变权值的这一缺点而发展的可变权值理论中由于可变权值会出现负值导致该方法可行性的认可程度。

分析比较上述的几种智能预测方法，较经典预测方法和传统预测方法在预测精度上都有所改进。但是智能预测模型在应用中由于参数选取的不确定性影响了它的预测精度，如人工神经网络模型中的学习率（η）和惯性因子（α）、模糊算法模型中的模糊隶属度（a）和综合模型中的权重因子。另一方面，虽然智能预测方法针对提高历史数据的拟合精度方面进行了很多改进，但是随着社会经济（尤其在市场经济的影响下）的快速发展，统计方法对于不确定因素考虑不够的缺陷日益显著，其中历史负荷数据的真实性就有待修正；同时，由于中长期电力负荷具有非线性和时变性，要通过清晰的数学方程来表达输入（历史年负荷值、负荷影响因素值）与输出（规划年负荷值）之间的关系存在着种种困难，所以至今没有一个很合适的方法及模型能准确地对中长期负荷进行有效预测。

综上所述，电力负荷预测的实质就是利用以往的数据资料找出负荷变化的规律，从而对未来负荷的变化及状态做出预测。进行电力负荷预测时，如果仅以某种简单的函数关系去反映电力负荷与其影响因素（如气象、环境、经济等）之间的关系，会使得到的预测结果与实际偏离较远，而如果建立复杂模型，又由于各自模型本身因含有不定因素而导致其存在大小不同的误差，另外由于对电力负荷的影响因素（如国民经济增长率、宏观经济形势、产业结构和能源结构等）又是非可测的，所以对于电力中长期负荷预测来说，无论预测模型的精度如何改进，一旦上述任何一个非可测因素的实质性改变都将导致电力中长期负荷预测出现较大失误。

用前述几种方法预测负荷（电量）的结果不应只看作是一个固定的数，而应看作范围。在规划设计中一般考虑高、低及一般可能出现的负荷水平。对近期负荷预测水平，常用近期电源的可能发展速度来检验实现的可能性，即从供电的可能性来预测所需的负荷水平。同样对中长期负荷预测水平，也可根据能源的可能发展速度来检验。

三、负荷预测的调查研究工作

为了做好负荷预测工作，必须对电力系统负荷的现状及历史统计资料进行调查，搜集规划期各行业用户的发展资料，要研究那些电力负荷所代表的国民经济各行各业的发展规律，摸清

这些行业实际发展的可能性。为了很好地掌握系统中用电增长的因素和规律，需要在充分调查研究的基础上，对以下内容进行分析：

l、能源变化的情况与电力负荷的关系；

2、国内生产总值增长率与电力负荷增长率的关系；

3、工业生产发展速度与电力负荷增长速度的关系；

4、设备投资、人口增长与电力负荷增长的关系；

5、电力负荷的时间序列发展过程。

此外尚需就电力负荷水平与反映经济和社会情况的变量影响进行分析，这些变量包括：人口、经济形势、经济政策、经济指数、市场情况、物价因素、电价因素、城乡居民家用电气化情况、燃料供应及其价格等。

这样，在负荷分析，注意了转折点，分析了负荷增长率高及低的经济形势和市场情况，以及与国民经济生产的关系。

充分分析事物发展的前提条件，努力寻找限制事物发展的限制性因素，在预测国民经济发展和电力负荷时是很有用的。它可以使我们从诸多不定情况中看出很多可定因素。比如：对北京城区进行负荷预计，可采用负荷密度法进行分区预计。如城中心的故宫，负荷密度低，将来也不会大量增长；在前门至长安街之间，采用人民大会堂的负荷密度推算，应是最大数，等等。

国民经济发展经常在变，对未来的看法也经常会变，要防止高时常看高、低时常看低的情况。过去的负荷预测中，对新工业区预计的负荷往往达不到，因工业设备投产后再达到设计能力，需要时间；老工业区常有想不到的负荷上涨，因有潜力。在负荷预测中，若将一切可能均算入，则预测负荷必然偏高；一切计算都要有可靠根据，则预测负荷必然偏低。

四、电力系统规划设计的设计规程和主要依据

（一）电力系统的主要设计规程：

1、电力系统安全稳定导则

2、电力系统技术导则（试行）（SD131-84）

3、电力系统设计技术规程；

4、电力系统电压和无功电力技术导则（试行）（SD325-89）

5、电力系统设计内容深度规定（电力规划设计管理局）

6、大型水、火电厂接入系统设计内容深度规定（电力规划设计管理局，1989年）

7、城市电力网规划设计导则（能源电[1993]228号文颁发）；

8、城市电力规划规范（GB/50293-1999）；

9、城市中低压配电网改造技术原则（DL/T 599—1996）；

10、农村水电供电区电力发展规划导则（水利部，1992年）

（二）主要参考文献

1.电力系统设计手册电力工业部电力规划设计总院编，中国电力出版社，1998年

2.农村电气化规划指南李荧主编水利电力出版社，1994年7月

3.城市电网规划与改造陈章潮唐德光编，中国电力出版社，1998年5月

4.农村电网规划与改造丁毓山杨勇编，中国电力出版社，2001年6月

5.电力规划北京动力经济学院萧国泉水利电力出版社，1993年6月

6.电力发展战略与规划沈根才著清华大学出版社1993年2月

7.电力系统规划基础王锡凡水利电力出版社，1994年10月

8.电力系统最优规划候煦光等华中理工大学出版社1991年6月

9.电力系统规划孙绍先译水利电力出版社，1984年12月

10.电力网络规划孙洪波重庆大学出版社，1996年8月

11.现代城市电网规划设计与建设改造蓝毓俊主编中国电力出版社，2004年11月

12.电力负荷预测技术及其应用牛晓东，曾树华等中国电力出版社，1998

13.电力系统负荷预报理论和方法哈尔滨刘晨晖哈尔滨工业人学出版社，1987

14.配电网络规划与设计范明天中国电力出版社，2000