1、工業(yè)園區(qū)企業(yè)短期用電量預(yù)測(cè)算法摘要：以經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)企業(yè)為研究對(duì)象,考慮當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩?基于灰色系統(tǒng)理論,建立工業(yè)企業(yè)短期用電量預(yù)測(cè)模型,采 用殘差修正法對(duì)偏離的預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種短期用電量預(yù)測(cè)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，給出的算法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確 高，可用于指導(dǎo)企業(yè)計(jì)劃生產(chǎn)所需的短期用電量。關(guān)鍵詞：短期用電量預(yù)測(cè)；灰色系統(tǒng)理論；氣象因子；殘差修正0引言隨著電量交易進(jìn)入市場(chǎng)化進(jìn)程，用電量較大的工 業(yè)企業(yè)以“年度長(zhǎng)協(xié)”和“月度競(jìng)價(jià)”的方式直接參與電 力市場(chǎng)化交易。各地區(qū)用電情況不同且存在用電量申 報(bào)偏差考核,無(wú)論是“年度長(zhǎng)協(xié)”或者“月度競(jìng)價(jià)”，對(duì)企 業(yè)而言均須面臨用電量申報(bào)的難題。目前，全國(guó)各省 區(qū)市紛

2、紛出臺(tái)制度，明確申報(bào)電量的偏差考核范圍o 在電力交易過(guò)程中，對(duì)申報(bào)電量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性是決定 售電公司或大用戶(hù)能否免于偏差考核罰款的關(guān)鍵因 素。同時(shí)，用電量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、安 全調(diào)度和穩(wěn)定運(yùn)行也起著至關(guān)重要的作用o灰色系 統(tǒng)理論以“部分信息已知,部分信息未知”的“小樣本”、 “貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對(duì)象o針對(duì)工業(yè)園區(qū) 企業(yè)難以提供精確的長(zhǎng)期用電量歷史數(shù)據(jù)的情況，本 文研究設(shè)計(jì)基于灰色系統(tǒng)理論的用電量預(yù)測(cè)模型和預(yù) 測(cè)算法，以指導(dǎo)幫助企業(yè)對(duì)其生產(chǎn)所需的短期用電量 進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)劃。1預(yù)測(cè)模型1.1基本預(yù)測(cè)模型設(shè)工業(yè)園區(qū)企業(yè)的用電量歷史數(shù)據(jù)序列為x()= ( 1) x(2)x(3)x(4)

3、其中 n 表，xx / ，x，x， ，x n ， n示用電量歷史數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),在已知X ( 1)的測(cè)量時(shí)間以 及x( 1)與x(0)(2)的時(shí)間間隔時(shí)，可推算x(n)的測(cè)量 時(shí)間。定義 X 的級(jí)比生成序列8ttl)(k)=xttl)(k)/x(0)(k-1)14， k=2,3,4，.-，no 當(dāng)所有瀘(k)的值滿(mǎn)足 8(k)e， e,)時(shí),則表明歷史數(shù)據(jù)序列具有較好的建?？尚?性，否則需要對(duì)x做變換處理?？扇∵m當(dāng)?shù)某?shù)C, 對(duì)x(中的異常元素8%j)做如下變換處理y(j)=x(j) + C, j=1,2, 3,n。使變換后的數(shù)據(jù)序列yk)的級(jí) 比&( k)滿(mǎn)足&(k)e(e(),e),k=1,2

4、,3，,n。在用電量歷史數(shù)據(jù)序列中，第1個(gè)數(shù)據(jù)和最后1 個(gè)數(shù)據(jù)均稱(chēng)為“端點(diǎn)數(shù)據(jù)”，其余數(shù)據(jù)均則稱(chēng)為“內(nèi)點(diǎn)數(shù) 據(jù)”。當(dāng)用電量歷史數(shù)據(jù)序列中存在“內(nèi)點(diǎn)數(shù)據(jù)”缺失 現(xiàn)象時(shí)，利用非緊鄰均值生成的方法對(duì)缺失數(shù)據(jù)補(bǔ) 齊。設(shè)有用電量歷史數(shù)據(jù)序列x(且x() (k)為缺失的 內(nèi)點(diǎn)數(shù)據(jù)。非緊鄰均值生成利用數(shù)據(jù)缺失的內(nèi)點(diǎn)數(shù)據(jù) x() (k)的前、后兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均數(shù)生成新的數(shù)據(jù)X (k) = 0.5x(ll)(k-1)+0.5x(ll)(k+1)|6o當(dāng)用電量歷史數(shù)據(jù)序列中存在“端點(diǎn)數(shù)據(jù)”缺失 時(shí)，可用級(jí)比生成補(bǔ)齊缺失的數(shù)據(jù)。設(shè)夙1)表示當(dāng)前 用電量歷史數(shù)據(jù)序列的第一個(gè)元素,(P (n)表示當(dāng)前用 電量歷史數(shù)據(jù)序列

5、的最后一個(gè)元素,兩者呈缺失狀 態(tài)。此時(shí)，利用(p(1)的右鄰級(jí)比生成x(0)( 1),用cp(n)的 左鄰級(jí)比生成x()(n)，形成完整的用電量歷史數(shù)據(jù)序列x(0(2)x(0(3) x(0)(nl) iD(n)lX 甲 1 ,X 2 ,x 3 ,x，甲 o序列 N的級(jí)比8(k)=xk)/N(k-l)，,k=2,3,4,-, no利用級(jí)比生成補(bǔ)齊當(dāng)前用電量歷史數(shù)據(jù)序列缺失 的首尾元素 x(l)=x(2)/8(3)和 x(n)=x(n-1)/瀘)、_!./ j.刀 (n-1)o一階累加生成是基于灰色系統(tǒng)理論建模的用電量 預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)運(yùn)算步驟，用電量歷史數(shù)據(jù)序列通過(guò) 一階累加生成后將產(chǎn)生新的序列。

6、設(shè)工業(yè)園區(qū)企業(yè)用ip-* 勺/ I t vJ x J vV xx U / , x X/ ,x 3 / , x(4)x(n) D為序列算子 牛成序列x(,)D=lx(0)(1),.,x n , x x(0)(0)(0)(0)(0),yl/l(i yyy,x ,x ,x ，-,xn ， xkd 二 x()i) , k =1,2,3,.,n。稱(chēng)算子 D 為 x(0)的一階 i = 1累加生成算子，記為1-AGOo若進(jìn)行r次累加生成計(jì) 算，則稱(chēng)算子D為x(的r階累加生成算子，記為r- AGOo將算子D與x()相乘得到x(),將算子D與x() 相乘得到 x()D=x() =x()(1) x()(2) X

7、()(3) x()4 口-4 I寸歹x ux =x J. 7 , x 匕),x f) , x (4) x (n) x(i)D=x()=(x()(1) x(2) x()(3) x(r)4/ ，- , x (nJ ，x D =x =x ( 1 / , x (2/ , x (3 / , xk(4)x()(n) 1 苴中 x()(k) = V x()(i) k =1 24 ，-, x n j， x k x i , k 1,2,i 13, ., no一般情況下，對(duì)于非負(fù)序列而言，進(jìn)行一階累加生 成后得到的數(shù)據(jù)數(shù)列已具備單調(diào)遞增趨勢(shì)。用電量歷 史數(shù)據(jù)序列X(0經(jīng)過(guò)一階累加后生成算子序列x()o對(duì) 工業(yè)園區(qū)

8、企業(yè)短期用電量進(jìn)行預(yù)測(cè)之前,可將序列x() 轉(zhuǎn)換為其對(duì)應(yīng)的緊鄰均值生成序列Z()o設(shè)有用電量 歷史數(shù)據(jù)序列 x() =(x(,x()(2) , x()(3 ) , x() (4 x()n)則序列x()的緊鄰均值牛成序列Z(1 =,xn, xzz(1 ) z(2 ) z(3 ) Z(4 ) Z(n ) 其中z z,z / ,z ,z , ,z n , z(k ) =0.5x(k) +0.5x(kT),k =2,3，n。在本文的研究中，非緊鄰均值生成序列主要用于 用電量歷史數(shù)據(jù)序列中內(nèi)點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失的補(bǔ)齊,而緊鄰 均值生成主要用于用電量歷史數(shù)據(jù)平滑處理。對(duì)序列x()建立灰微分方程dx()/dt+ax(

9、)=b，其中參 數(shù)a稱(chēng)為灰微分方程的發(fā)展系數(shù),b參數(shù)稱(chēng)為灰微分方 程的灰色作用量，可利用最小二乘法程序計(jì)算出a和b 的值。X%)-(x1(1)+ x2(1)/2設(shè)匕-X%3),B -(x2(1)+ x3(1)/21X(n)-(Xn -1()+ X35時(shí)，視作按=35處理214W 心60無(wú)35WK147( t) =1+( 14-2)/100當(dāng)云5時(shí)，視作按t=5 處理表2濕度因子H(h)取值-序號(hào)一當(dāng)月平均相對(duì)濕度方/(/?)取值情況備注1力 75%砌=1+(A-75)/100力最大值不超過(guò)100%2虹75%0無(wú)短期用電量預(yù)測(cè)值a護(hù)(k)經(jīng)修正后得到a X (0) (k)a X(k)P,k=l,

10、2,n。預(yù)測(cè)值修正當(dāng)用電量預(yù)測(cè)值序列出現(xiàn)與歷史數(shù)據(jù)序列的同方 向系統(tǒng)性偏差時(shí)，表明預(yù)測(cè)值與實(shí)際情況偏離較大。 此時(shí)，采用殘差修正法對(duì)預(yù)測(cè)值序列進(jìn)行修正，提高系 統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性回。殘差代表了用電量歷史數(shù)據(jù)與預(yù) 測(cè)值之間的差值。殘差值序列用8()表示，o設(shè)工業(yè)園區(qū)企業(yè)短期用電量預(yù)測(cè)模型的殘差值序 歹Oe()=le(l)( 1) e(l)(2)8時(shí)，e(l) (k)的值全部為正值或全部為負(fù)值3n-k(N 4。滿(mǎn)足第一個(gè)條件的表示某個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)間點(diǎn)之后的殘 差值全為正數(shù)值或全為負(fù)數(shù)值,預(yù)測(cè)值序列已發(fā)生同 方向系統(tǒng)性偏差，需要修正。滿(mǎn)足第二個(gè)條件表示可 修正的預(yù)測(cè)值至少要大于等于4個(gè)。當(dāng)兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，

11、有8(，)=le(，)(k(,) I ,|e(l) (k+ 1)I,Is(l)(k+2)I, , (n)I。已知工業(yè)園區(qū)企業(yè)在 k 時(shí)候的用電量預(yù)測(cè)值a X (k) =(1-e) (x( 1)-b/a)e頊), k =1,2,3, ,no經(jīng)殘差修正后的用電量預(yù)測(cè)值a X叫當(dāng)kk時(shí)， a X (k+1) = (1-e)(x(1)-b/a)e(T),k=1,2,3，, k;當(dāng) kNk(時(shí),a X.(k+1) = (1-e) (1)-b/a)eac (e(l)(虹)-。)-=成虹+1,，n，其中 aBAbB分別 代表殘差值序列的發(fā)展系數(shù)和灰作用量,k代表用電 量預(yù)測(cè)值出現(xiàn)偏差的第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)?？紤]企業(yè)

12、次月生產(chǎn)設(shè)備投運(yùn)情況在預(yù)測(cè)企業(yè)短期用電量時(shí),除了考慮預(yù)測(cè)算法本 身的準(zhǔn)確定性、氣象因子對(duì)預(yù)測(cè)值的干擾以及何種情 況需要修正預(yù)測(cè)值的偏差外，還應(yīng)充分考慮企業(yè)生產(chǎn) 設(shè)備的投運(yùn)情況,以起到更好地模擬實(shí)際情況的作用。單臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備的用電量Q=PxTxD,單臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備 用電量Q的單位為千瓦時(shí)(kWh)；P表示設(shè)備的額定 功率，單位為千瓦(kW) ；t表示設(shè)備每天的運(yùn)行小時(shí) 數(shù)，單位為小時(shí)(h)；D為設(shè)備的投運(yùn)或停運(yùn)的天數(shù)，單 位為天(day)。若設(shè)備為增加投運(yùn)的設(shè)備，則D取值為 正數(shù);若設(shè)備為原生產(chǎn)計(jì)劃中減產(chǎn)停運(yùn)的設(shè)備，則D取 值為負(fù)數(shù)。統(tǒng)計(jì)設(shè)備總體用電量變化值?！?。此時(shí)，工 業(yè)園區(qū)短期用電量預(yù)測(cè)值a X

13、(k+1) = (1-ex(1)- b/a)e+Qo預(yù)測(cè)算法工業(yè)園區(qū)企業(yè)短期用電量預(yù)測(cè)算法FSEC_GS 輸入:工業(yè)園區(qū)企業(yè)短期用電量歷史數(shù)據(jù)序列x(l) 輸出:工業(yè)園區(qū)企業(yè)未來(lái)短期用電量預(yù)測(cè)值序列aX(Begin1: for k=2 to n-1 do2: x(k)(x (k-1 )+2x (k)+x (k+1) )/4; /將 用電量歷史數(shù)據(jù)序列x(ll)平滑處理為3: endfor4: m)(3x(l( 1)+x(l(2)/4;5:n)(xeyn-D+Sx%n)/4;6: for k=2 to n do7:k)x( k)/x( k-1);8: if 乎(k) not in(e+,e)th

14、en/對(duì)平滑后的用 電量歷史數(shù)據(jù)x/)級(jí)比檢驗(yàn)9:對(duì)8(k)變換；1 : endif11: endfor12: for k=1 to n dok13: x(k) xpri);/求平滑后的 x/的一i = 1次累加序列x()14: endfor15:建立灰微分方程dx()/dt+ax()=b;16:構(gòu)造數(shù)據(jù)矩陣B和向量Y并求a和b的值；17: for k=1 to n do18: if kk then19: a X (k+1 )(1-e)(x1( 1 ) -b/a ) e-al：E ;20: else if kNk then21: a X )k+1 )(1-eXx1( )1 ) -b/a) e士

15、缶(/(k(1 ) -bB/aB ) e;22: endfor23. a X () )a ()1 ) a ()2 ) a (,)(3 23: a X1 a X11 , a X12 , a X13 ,a X1(n) ; 計(jì)算用電量預(yù)測(cè)值序列a X (|) 24：PaT(t) + (1-a)H(h); / 計(jì)算氣象因素 25: for k=1 to n do26：k）ai（k）P; 利用當(dāng)?shù)貧庀笠蜃訉?duì)預(yù)測(cè)值a鬲”修正27輸出用電量預(yù)測(cè)值序列a眾及C值28: End.3實(shí)驗(yàn)本文以位于廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)從事家裝 原材料加工的企業(yè)A和從事金屬罐頭加工的企業(yè)B為 例，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)運(yùn)行預(yù)測(cè)算法獲得的預(yù)

16、測(cè)結(jié)果。（1）利用氣象因子和企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的預(yù)測(cè)值修正 廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū)企業(yè)A在 2019年1-12月的用電量歷史數(shù)據(jù)如表3所示。表3企業(yè)A的2019年月度用電量數(shù)據(jù)（kWh）月月月月月月月月月月月月330115312558273129272768298431983323358536762150經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè) 園區(qū)企業(yè)A在2019年的用電量歷史值與用電量預(yù)測(cè) 值如表4所示。氣溫如表5所示。表5廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)2019年氣象信息月份平均氣溫14.313.517.524252828.529.828.627.323.516平均濕度71.4727775

17、.36863.564. 16167.470.869.370.6從表5可知，廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū) 企業(yè)A在2019年10月的平均不在14至26攝氏度的 區(qū)間內(nèi)，需要對(duì)用電量預(yù)測(cè)值考慮氣象因子進(jìn)行計(jì)算 預(yù)測(cè)，獲得10月份的用電量預(yù)測(cè)值為3557.57,誤差比 由5.50%明顯下降至3.20%。這個(gè)結(jié)果表明此加入了 當(dāng)?shù)貧庀笠蜃佑?jì)算獲得的用電量預(yù)測(cè)值可供企業(yè)A申 報(bào)次月用電量時(shí)分析決策使用。（2）預(yù)測(cè)值殘差修正以位于廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)從事罐頭加工 的企業(yè)B為例，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)測(cè)值殘差修正及 結(jié)果。企業(yè)B的2019年1-12月的用電量歷史數(shù)據(jù)如 表6所示。表6企業(yè)B的2019年用

18、電量歷史數(shù)據(jù)（kWh）表4企業(yè)A的2019年用電量預(yù)測(cè)值及誤差情況月月月月月月月月月月月月241941988523323259972992724764251311943715118181011550416128月份用電量歷史值用電量預(yù)測(cè)值殘差誤差比133013301. 000. 000. 00%226312537. 7293. 283. 55%325582631.01-73. 012. 85%427312727. 723. 280.12%529272827. 9999.013. 38%627682931. 94-163.945. 92%729843039. 72-55. 721.87%8319

19、83151.4546. 551.46%933233267. 3055. 701.68%1035853387. 40197. 605.50%1136763511. 91164. 094. 46%1221503641. 01-1491. 0169. 3%從表4可知，廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū) 企業(yè)A在2019年12月的用電量預(yù)測(cè)值為3641.01，與 用電量歷史值相差1491.01，誤差比高達(dá)69.3%。通過(guò) 對(duì)企業(yè)A的走訪(fǎng)了解，獲知這個(gè)誤差比過(guò)高的原因是 12月生產(chǎn)訂單數(shù)量較往月有所下降，部分生產(chǎn)設(shè)備例 如木材剝皮機(jī)、木材盤(pán)式切片機(jī)和樹(shù)根破碎機(jī)等將計(jì) 劃性停運(yùn)24小時(shí)，減少用電量合計(jì)約1590kWh。企業(yè) A在2019年12月的用電量預(yù)測(cè)值應(yīng)為2121.01，誤差 比由69.3%明顯下降至4.60%。廣西地區(qū)的售電量偏 差考核范圍是:誤差比在5%以?xún)?nèi)不考核（即企業(yè)無(wú)需 交納用電偏差扣罰款）。廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)2019年10-12月平均經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的廣西-東盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè) 園區(qū)企業(yè)B在2019年的用電量歷史值與用電量預(yù)測(cè) 值如表7所示。表7企業(yè)B的2019年用電量預(yù)測(cè)值及誤差情況月份用電量歷史值用電量預(yù)測(cè)值殘差誤差比2419424194. 0000. 0019