多層分區(qū)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法在城網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用

徐偉星，蔡彥濤，李志勇

（廣東電網(wǎng)公司河源供電局，廣東 河源 517300）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，城網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)已成為電力部門一項(xiàng)迫切任務(wù)，而負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性與否則直接影響著電網(wǎng)建設(shè)科學(xué)性[1]。由于城市功能綜合化的發(fā)展趨勢(shì)，城區(qū)負(fù)荷的發(fā)展和變化規(guī)律較以往變得更加復(fù)雜，這使得在預(yù)測(cè)城區(qū)負(fù)荷的分布和規(guī)模上沿用傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法難以達(dá)到理想的效果。但是基于多層分區(qū)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法（Spatial Load Forecasting簡(jiǎn)稱SLF）通過收集空間信息，確定土地未來使用決策權(quán)，然后根據(jù)城市發(fā)展定位通過分類處理各種用地得到相應(yīng)的負(fù)荷密度能克服這一缺點(diǎn)。它不僅可以預(yù)測(cè)負(fù)荷的變化規(guī)律，還可以揭示負(fù)荷空間分布，從而為準(zhǔn)確進(jìn)行變電站選址和輸電線路走廊規(guī)劃的提前控制提供先進(jìn)的方法。

基于多層分區(qū)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的基本思想是將規(guī)劃區(qū)劃分成若干個(gè)大區(qū)，然后將大區(qū)從地理位置和主要負(fù)荷構(gòu)成上劃分為多個(gè)中區(qū)和小區(qū)。小區(qū)劃分的解析度對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果和負(fù)荷分布有著至關(guān)重要的影響。解析度又稱分辨率（Resolution），表示預(yù)測(cè)區(qū)域的劃分精度。在進(jìn)行城網(wǎng)規(guī)劃工作時(shí)，不同的土地分區(qū)方式存在著明顯的矛盾：一方面，從滿足電網(wǎng)規(guī)劃要求的角度則需要供電區(qū)域劃分具有較高的解析度；另一方面，數(shù)據(jù)收集積累及預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性傾向于在較低解析度下按功能區(qū)進(jìn)行小區(qū)劃分。解析度越高，劃分小區(qū)數(shù)量就越多，負(fù)荷數(shù)據(jù)收集維護(hù)的工作量就越大，解析度過低將對(duì)電力規(guī)劃的精度產(chǎn)生負(fù)面的影響[2]。小區(qū)負(fù)荷發(fā)展歷史規(guī)律表明，如果對(duì)按照較低解析度對(duì)土地劃分時(shí)，小區(qū)負(fù)荷則呈現(xiàn)為較平緩S型曲線發(fā)展，受不確定性因素的影響小，規(guī)律性強(qiáng)。國(guó)外學(xué)者通過研究表明當(dāng)小區(qū)面積大于10.356平方千米（4平方英里）時(shí)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)與整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷增長(zhǎng)狀況相似[3]。這表明低解析度下較粗糙分區(qū)可對(duì)總體的預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的參考作用。我國(guó)目前數(shù)據(jù)收集還處于起步階段，更應(yīng)該控制數(shù)據(jù)收集和維護(hù)的工作量，特別是按照城市功能分區(qū)時(shí)，將具有更加穩(wěn)定的負(fù)荷發(fā)展規(guī)律。在數(shù)據(jù)逐漸積累較豐富的基礎(chǔ)上利用趨勢(shì)法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果，具有較高可信度。

在制定城市電網(wǎng)長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，城區(qū)負(fù)荷發(fā)展至飽和的具體時(shí)間存在不確定性，無法利用時(shí)間序列法和其他傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)。另外，第三產(chǎn)業(yè)的快速增長(zhǎng)及高新技術(shù)影響下用電單耗的持續(xù)下降，因此負(fù)荷達(dá)到飽和時(shí)，國(guó)民生產(chǎn)總值卻還在增長(zhǎng)，國(guó)民生產(chǎn)總值和飽和負(fù)荷時(shí)的彈性系數(shù)之間關(guān)聯(lián)度無法準(zhǔn)確確定，用以上其他方法無法對(duì)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)。

為解決傳統(tǒng)規(guī)劃中出現(xiàn)的問題，本文在傳統(tǒng)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)方法基礎(chǔ)上提出了多層分區(qū)的思路和方法，并在河源城網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃中進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方案的可行性與正確性。

1 多層分區(qū)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法

空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的根本任務(wù)是對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的數(shù)值大小和負(fù)荷特性、地理位置等進(jìn)行的預(yù)測(cè)，是整個(gè)規(guī)劃的最為基礎(chǔ)性工作之一，主要分為仿真法（Simulation）和趨勢(shì)法（Trending）兩類[2]。首先對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域負(fù)荷特性相同或相近的用戶歸并成同一負(fù)荷類別用戶，假定這些用戶的負(fù)荷特性具有相同，據(jù)此這些負(fù)荷一并進(jìn)行分析和處理。

多層分區(qū)將規(guī)劃區(qū)由上至下分為三層，然后根據(jù)地理位置將中區(qū)劃分成許多小區(qū)，當(dāng)劃分的小區(qū)數(shù)目足夠多時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果將逼近負(fù)荷分布的真實(shí)狀況。主要的分區(qū)方法有按則網(wǎng)格狀和不規(guī)則多邊形。一般來說按照街道和負(fù)荷性質(zhì)劃分計(jì)算量則較小。

空間負(fù)荷預(yù)測(cè)是將系統(tǒng)負(fù)荷總量預(yù)測(cè)首先分配到中區(qū)，然后再由中區(qū)分配到小區(qū)的過程，過程主要分為以下三個(gè)階段[4]。

（1）空間信息收集。規(guī)劃區(qū)域地理、交通、社區(qū)、市政和城市規(guī)劃方面信息可利用地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺(tái)對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域的空間信息進(jìn)行處理來完成。

（2）土地使用決策。根據(jù)城市用地總體規(guī)劃和城市預(yù)設(shè)發(fā)展規(guī)模，對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)備開發(fā)的各類負(fù)荷用地進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)價(jià)，在整個(gè)決策過程中，土地的使用要滿足總量、分類負(fù)荷預(yù)測(cè)以及新增用地總面積等約束。

（3）負(fù)荷增長(zhǎng)預(yù)測(cè)。按照城市適度發(fā)展規(guī)劃，對(duì)城市發(fā)展程度給與適當(dāng)定位，選取各類用地適宜負(fù)荷密度，就可以得到該區(qū)域負(fù)荷增長(zhǎng)情況?？臻g負(fù)荷預(yù)測(cè)流程如圖1所示。

圖1 空間負(fù)荷預(yù)測(cè)流程圖

2 多層分區(qū)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法結(jié)構(gòu)模型

2.1 多層分區(qū)結(jié)構(gòu)建立

分層是在規(guī)劃區(qū)土地劃分時(shí)綜合小區(qū)形狀和解析度，建立三個(gè)劃分層次，包括總量層、數(shù)據(jù)收集層和仿真層。

（1）總量層。負(fù)荷總量預(yù)測(cè)結(jié)果是預(yù)測(cè)的最頂層（簡(jiǎn)稱總量層），包括分類負(fù)荷、總負(fù)荷等預(yù)測(cè)結(jié)果。在中小規(guī)模的城網(wǎng)規(guī)劃中，大區(qū)一般按照行政區(qū)域劃分，數(shù)目一般5～10個(gè)左右為宜，大區(qū)劃分的平均面積一般在10～20平方公里左右。盡管大區(qū)的劃分是以地理為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，但仍認(rèn)為大區(qū)負(fù)荷與系統(tǒng)總量負(fù)荷都屬于同一范疇即總量預(yù)測(cè)的范疇。

（2）數(shù)據(jù)收集層。在總量層之下建立空間負(fù)荷數(shù)據(jù)收集層（即中區(qū)），中區(qū)一般按照城市規(guī)劃功能塊或主要街道劃分，按負(fù)荷性質(zhì)主要分為工業(yè)園區(qū)、住宅區(qū)或者中心商務(wù)區(qū)（CBD）等。一個(gè)功能地塊包括主要負(fù)荷用地及其與配套的用地類型。中區(qū)是負(fù)荷數(shù)據(jù)收集積累主干渠道，中區(qū)劃分應(yīng)在大區(qū)邊界內(nèi)進(jìn)行，不能跨越所屬的大區(qū)范圍，中區(qū)編碼以城市規(guī)劃為依據(jù)，應(yīng)該嚴(yán)格按照用地規(guī)劃進(jìn)行，并保持土地劃分邊界相對(duì)穩(wěn)定，為了減少工作量，較小規(guī)模城市中中區(qū)的數(shù)目建議控制在50～100個(gè)左右。

（3）仿真層。在最底層采用以小區(qū)為基本單元進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)。小區(qū)具有較高的解析度，負(fù)荷性質(zhì)較為單一，預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)較為精確。采用仿真法預(yù)測(cè)小區(qū)負(fù)荷時(shí)，往往還需要類似小區(qū)的歷史和現(xiàn)狀負(fù)荷數(shù)據(jù)，再通過與GIS系統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)銜接，提供對(duì)仿真的數(shù)據(jù)支持來預(yù)測(cè)其負(fù)荷發(fā)展模式。為盡量準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)小區(qū)的負(fù)荷發(fā)展?fàn)顩r，需要在每個(gè)中區(qū)內(nèi)部按負(fù)荷類別和位置確定少量的“支撐點(diǎn)小區(qū)”作為負(fù)荷調(diào)查的對(duì)象。研究表明，小區(qū)負(fù)荷歷史發(fā)展規(guī)律受附近小區(qū)的影響較大。因此結(jié)合“支撐點(diǎn)小區(qū)”負(fù)荷數(shù)據(jù)就比較容易估計(jì)“支撐點(diǎn)”周邊小區(qū)的負(fù)荷。

對(duì)于規(guī)劃區(qū)域中空地和已開發(fā)土地，可分為正常發(fā)展、重建和置換3種情況[5]。為簡(jiǎn)化問題，本文僅考慮正常發(fā)展模式，小區(qū)的負(fù)荷按一定的規(guī)律增長(zhǎng)直到飽和。已開發(fā)的土地則按照現(xiàn)有的增長(zhǎng)模式進(jìn)行預(yù)測(cè)；對(duì)于空地，則需要確定當(dāng)前年份最大負(fù)荷值及其初次增長(zhǎng)比例。應(yīng)用重力模型[2]、“鐘形”模型[5]和模糊近似推理方法[6-7]等方法都可得到新開發(fā)負(fù)荷發(fā)展的優(yōu)先性評(píng)價(jià)。

2.2 多層分區(qū)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法數(shù)學(xué)模型

在根據(jù)城市規(guī)劃中明確的各分區(qū)各類用地性質(zhì)，根據(jù)區(qū)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、用地規(guī)劃等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，功能區(qū)選擇負(fù)荷密度時(shí)可參照國(guó)內(nèi)外類似地區(qū)的負(fù)荷水平，從數(shù)學(xué)角度來講，計(jì)算規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的空間負(fù)荷分布存在如下三種映射：

式 （1） 中 f1將分區(qū) （x，y） 的特征 F （x，y）映射為土地使用面積S（x，y），f2將土地使用面積映射成分區(qū)負(fù)荷L（x，y）

式（2）中m為規(guī)劃區(qū)域的負(fù)荷分類，第i類負(fù)荷密度為SCi，分區(qū)的（x，y）中的第i類土地使用面積和負(fù)荷分別表示和

3 多層分區(qū)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法計(jì)算流程

空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法分為自上而下和自下而上兩種。自下而上的空間負(fù)荷分布算法多用于規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)景飽和預(yù)測(cè)或各種原始數(shù)據(jù)缺乏的新區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)。在多層分區(qū)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用自下而上方法，首先應(yīng)用仿真法預(yù)測(cè)仿真層的小區(qū)負(fù)荷，然后再把用仿真法預(yù)測(cè)得到的小區(qū)預(yù)測(cè)匯總，最后通過計(jì)算得出收集層和總量層的負(fù)荷數(shù)據(jù)。

3.1 計(jì)算流程

在實(shí)際的計(jì)算中僅已知仿真層負(fù)荷，而收集層和總量層負(fù)荷未知，中區(qū)和大區(qū)負(fù)荷上下各層負(fù)荷根據(jù)小區(qū)負(fù)荷計(jì)算得到，具體計(jì)算步驟及計(jì)算方法如下[8-9]：

（1） 中區(qū)記作MA(m)，m∈{1，2，…n}，中區(qū)內(nèi)所有小區(qū)SA的集合為：

SAMA(m)={sa|sa∈SA AND sa.MA=m}

SAMA(m)中第 t類負(fù)荷小區(qū)數(shù)目為 SAMA(m)，t.Cnt，構(gòu)成的集合為：

SAMA(m),t={sa|sa∈SA AND sa.MA=m AND sa.T=t}

中區(qū)內(nèi)第t類小區(qū)負(fù)荷相加時(shí)的同時(shí)率：asa-MA(m)，t=Ct(SAMA(m)，t.Cnt)

（2）MA(m)中第t類小區(qū)負(fù)荷之和記為∑SA?MA(m)，t.L，計(jì)算方法如下：

∑ SAMA(m)，t.L=(∑ sa.L|sa∈SAAND sa.MA=m AND sa.T=t)*αsa-MA(m)，t

（3）按上式對(duì)中區(qū)內(nèi)每類小區(qū)求和得到{∑SAMA(m),1.L，∑SAMA(m)，2.L，…∑SAMA(m)，T.L}，記為{∑SAMA(m),t.L}，然后對(duì)中區(qū)內(nèi)的每個(gè)小區(qū)負(fù)荷求和。

3.2 負(fù)荷密度指標(biāo)的獲取途徑

為保證空間負(fù)荷密度法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，首先要保證功能塊的劃分層次性、合理性，其次不同功能塊的負(fù)荷密度數(shù)據(jù)選取要有代表性和可信性。小區(qū)負(fù)荷密度和小區(qū)的性質(zhì)關(guān)聯(lián)度較大，主要通過按分類平均負(fù)荷密度設(shè)置、參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、通過現(xiàn)狀供電區(qū)域以上三種方式獲得。規(guī)劃小區(qū)水平年負(fù)荷密度指標(biāo)可以看做是在預(yù)測(cè)人員對(duì)規(guī)劃水平年小區(qū)負(fù)荷密度的一個(gè)估計(jì)值基礎(chǔ)上修正得到。

4 應(yīng)用與分析

以河源部分城區(qū)作為案例論證分層分區(qū)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法在實(shí)際中的應(yīng)用。依據(jù)河源市城市遠(yuǎn)景規(guī)劃，按照用地性質(zhì)劃分：居住用地、公共服務(wù)設(shè)施用地、工業(yè)工地、倉(cāng)儲(chǔ)用地、對(duì)外交通用地、道路廣場(chǎng)用地、市政公用設(shè)施用地、綠地和其他9大類，分別編號(hào)為01、02、03、04、05、06、07、08、09，如表1所示。

表1 負(fù)荷分類表

所選取研究區(qū)域?yàn)楹釉闯菂^(qū)南部古竹鎮(zhèn)，在文中多層處理時(shí)作為總量層。古竹鎮(zhèn)總體規(guī)劃面積為11.5 km2，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)包括以上所有9類用地，各類規(guī)劃用地的面積和規(guī)劃詳細(xì)情況見表2。

表2 古竹鎮(zhèn)的總體規(guī)劃

古竹鎮(zhèn)作為總量層即一個(gè)大區(qū)，以《河源市城市總體規(guī)劃綱要》為依據(jù)，分析城市定位，空間布局，產(chǎn)業(yè)模式、發(fā)展規(guī)模，將古竹鎮(zhèn)劃分為16個(gè)中區(qū)MA(m)，m=16，分別進(jìn)行編號(hào)為D1、D2、D3…D16，各個(gè)中區(qū)之間以主干道為邊界線，每個(gè)中區(qū)內(nèi)都規(guī)劃有完整的基本生活設(shè)施，負(fù)荷性質(zhì)較為多樣，中區(qū)的劃分如圖2所示。

圖2 中區(qū)的劃分

圖3 小區(qū)的劃分

依據(jù)負(fù)荷性質(zhì)將每個(gè)中區(qū)劃分為若干個(gè)負(fù)荷類型單一的小區(qū)。選取中區(qū)D11作為此次仿真應(yīng)用的代表，首先將其劃分為12個(gè)小區(qū)，小區(qū)集合為sa，根據(jù)小區(qū)負(fù)荷性質(zhì)對(duì)小區(qū)編碼為D1101、D1102、D1103等，D代表大區(qū)標(biāo)號(hào)、11代表D區(qū)的11號(hào)中區(qū)，01、02、03為小區(qū)的負(fù)荷性質(zhì)。根據(jù)各個(gè)行業(yè)的特點(diǎn)選取合適的負(fù)荷密度，中區(qū)D11內(nèi)的小區(qū)劃分如圖3所示。

古竹鎮(zhèn)的“劃分地塊數(shù)量”和“地塊面積”按照實(shí)際規(guī)劃中的分區(qū)數(shù)據(jù)，其中總量層1個(gè)、收集層MA(m)，m=16個(gè)、仿真層147個(gè)，具體分層情況見表3。

表3 分層分區(qū)表

根據(jù)《河源高新技術(shù)開發(fā)區(qū)電網(wǎng)專項(xiàng)規(guī)劃修編》，各個(gè)分區(qū)的產(chǎn)業(yè)性質(zhì)、用地類型和建設(shè)規(guī)模，對(duì)不同地區(qū)的負(fù)荷密度折算系數(shù)及用地開發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整和測(cè)算，得出不同類型用地負(fù)荷指標(biāo)和各個(gè)分區(qū)的負(fù)荷密度。

綜合計(jì)算過程：根據(jù)城市遠(yuǎn)景規(guī)劃中城市發(fā)展定位選取各類用地的飽和負(fù)荷密度，在實(shí)際預(yù)測(cè)中往往根據(jù)負(fù)荷密度的取值分為高、中、低三種方案。為了準(zhǔn)確反映未來負(fù)荷發(fā)展，本文通過綜合處理得到仿真區(qū)的遠(yuǎn)景負(fù)荷的中方案飽和值為120 MW。

5 結(jié)論

本文通過基于多層分區(qū)結(jié)構(gòu)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法在河源城區(qū)的應(yīng)用研究。首先給出了空間負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，建立了多層分區(qū)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，通過此方法將城區(qū)總量負(fù)荷預(yù)測(cè)歸結(jié)為不同負(fù)荷特性的單元小區(qū)負(fù)荷的預(yù)測(cè)。驗(yàn)證表明應(yīng)用文中所提方法的合理性和實(shí)用性。值得注意的是遠(yuǎn)景負(fù)荷總量的實(shí)現(xiàn)沒有明確時(shí)間，僅是對(duì)城區(qū)用電規(guī)模的一個(gè)衡量，以預(yù)測(cè)結(jié)果為輸入逆推預(yù)測(cè)目標(biāo)年前逐年的負(fù)荷狀況的情況[3]。在向遠(yuǎn)景網(wǎng)架目標(biāo)發(fā)展的過程中引導(dǎo)規(guī)劃工作者如何安排過渡年份的項(xiàng)目最優(yōu)、最科學(xué)的向遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架過渡。

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［7］余貽鑫，張崇見，張弘鵬.基于模糊邏輯的近似推理方法及其在空間電力負(fù)荷預(yù)測(cè)小區(qū)用地分析中應(yīng)用的研究——第一部分：推理算法和預(yù)測(cè)原理［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25（6）：23-26.

［8］余貽鑫，張崇見，張弘鵬.基于模糊邏輯的近似推理方法及其在空間電力負(fù)荷預(yù)測(cè)小區(qū)用地分析中應(yīng)用的研究——第二部分：應(yīng)用研究和算例分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25（7）：28-31.

［9］余貽鑫，王成山，肖峻，等.城網(wǎng)規(guī)劃計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24（15）：59-62.