多层分区空间负荷预测方法在城网规划中的应用

徐伟星，蔡彦涛，李志勇

（广东电网公司河源供电局，广东 河源 517300）

0 引言

随着城市化进程不断加快，城网规划建设已成为电力部门一项迫切任务，而负荷预测准确性与否则直接影响着电网建设科学性[1]。由于城市功能综合化的发展趋势，城区负荷的发展和变化规律较以往变得更加复杂，这使得在预测城区负荷的分布和规模上沿用传统的预测方法难以达到理想的效果。但是基于多层分区的空间负荷预测方法（Spatial Load Forecasting简称SLF）通过收集空间信息，确定土地未来使用决策权，然后根据城市发展定位通过分类处理各种用地得到相应的负荷密度能克服这一缺点。它不仅可以预测负荷的变化规律，还可以揭示负荷空间分布，从而为准确进行变电站选址和输电线路走廊规划的提前控制提供先进的方法。

基于多层分区空间负荷预测的基本思想是将规划区划分成若干个大区，然后将大区从地理位置和主要负荷构成上划分为多个中区和小区。小区划分的解析度对预测结果和负荷分布有着至关重要的影响。解析度又称分辨率（Resolution），表示预测区域的划分精度。在进行城网规划工作时，不同的土地分区方式存在着明显的矛盾：一方面，从满足电网规划要求的角度则需要供电区域划分具有较高的解析度；另一方面，数据收集积累及预测准确性倾向于在较低解析度下按功能区进行小区划分。解析度越高，划分小区数量就越多，负荷数据收集维护的工作量就越大，解析度过低将对电力规划的精度产生负面的影响[2]。小区负荷发展历史规律表明，如果对按照较低解析度对土地划分时，小区负荷则呈现为较平缓S型曲线发展，受不确定性因素的影响小，规律性强。国外学者通过研究表明当小区面积大于10.356平方千米（4平方英里）时，其增长趋势与整个系统负荷增长状况相似[3]。这表明低解析度下较粗糙分区可对总体的预测结果有一定的参考作用。我国目前数据收集还处于起步阶段，更应该控制数据收集和维护的工作量，特别是按照城市功能分区时，将具有更加稳定的负荷发展规律。在数据逐渐积累较丰富的基础上利用趋势法得到的预测结果，具有较高可信度。

在制定城市电网长期发展规划时，城区负荷发展至饱和的具体时间存在不确定性，无法利用时间序列法和其他传统预测方法预测。另外，第三产业的快速增长及高新技术影响下用电单耗的持续下降，因此负荷达到饱和时，国民生产总值却还在增长，国民生产总值和饱和负荷时的弹性系数之间关联度无法准确确定，用以上其他方法无法对规划区域进行饱和负荷预测。

为解决传统规划中出现的问题，本文在传统空间负荷预测预测方法基础上提出了多层分区的思路和方法，并在河源城网远景规划中进行了验证，结果表明所提方案的可行性与正确性。

1 多层分区空间负荷预测法

空间负荷预测的根本任务是对预测区域内负荷的数值大小和负荷特性、地理位置等进行的预测，是整个规划的最为基础性工作之一，主要分为仿真法（Simulation）和趋势法（Trending）两类[2]。首先对预测区域负荷特性相同或相近的用户归并成同一负荷类别用户，假定这些用户的负荷特性具有相同，据此这些负荷一并进行分析和处理。

多层分区将规划区由上至下分为三层，然后根据地理位置将中区划分成许多小区，当划分的小区数目足够多时预测结果将逼近负荷分布的真实状况。主要的分区方法有按则网格状和不规则多边形。一般来说按照街道和负荷性质划分计算量则较小。

空间负荷预测是将系统负荷总量预测首先分配到中区，然后再由中区分配到小区的过程，过程主要分为以下三个阶段[4]。

（1）空间信息收集。规划区域地理、交通、社区、市政和城市规划方面信息可利用地理信息系统（GIS）平台对预测区域的空间信息进行处理来完成。

（2）土地使用决策。根据城市用地总体规划和城市预设发展规模，对预测区域内准备开发的各类负荷用地进行适应度评价，在整个决策过程中，土地的使用要满足总量、分类负荷预测以及新增用地总面积等约束。

（3）负荷增长预测。按照城市适度发展规划，对城市发展程度给与适当定位，选取各类用地适宜负荷密度，就可以得到该区域负荷增长情况。空间负荷预测流程如图1所示。

图1 空间负荷预测流程图

2 多层分区空间负荷预测法结构模型

2.1 多层分区结构建立

分层是在规划区土地划分时综合小区形状和解析度，建立三个划分层次，包括总量层、数据收集层和仿真层。

（1）总量层。负荷总量预测结果是预测的最顶层（简称总量层），包括分类负荷、总负荷等预测结果。在中小规模的城网规划中，大区一般按照行政区域划分，数目一般5～10个左右为宜，大区划分的平均面积一般在10～20平方公里左右。尽管大区的划分是以地理为标准进行的，但仍认为大区负荷与系统总量负荷都属于同一范畴即总量预测的范畴。

（2）数据收集层。在总量层之下建立空间负荷数据收集层（即中区），中区一般按照城市规划功能块或主要街道划分，按负荷性质主要分为工业园区、住宅区或者中心商务区（CBD）等。一个功能地块包括主要负荷用地及其与配套的用地类型。中区是负荷数据收集积累主干渠道，中区划分应在大区边界内进行，不能跨越所属的大区范围，中区编码以城市规划为依据，应该严格按照用地规划进行，并保持土地划分边界相对稳定，为了减少工作量，较小规模城市中中区的数目建议控制在50～100个左右。

（3）仿真层。在最底层采用以小区为基本单元进行负荷预测。小区具有较高的解析度，负荷性质较为单一，预测的数据较为精确。采用仿真法预测小区负荷时，往往还需要类似小区的历史和现状负荷数据，再通过与GIS系统的地理空间数据衔接，提供对仿真的数据支持来预测其负荷发展模式。为尽量准确的预测小区的负荷发展状况，需要在每个中区内部按负荷类别和位置确定少量的“支撑点小区”作为负荷调查的对象。研究表明，小区负荷历史发展规律受附近小区的影响较大。因此结合“支撑点小区”负荷数据就比较容易估计“支撑点”周边小区的负荷。

对于规划区域中空地和已开发土地，可分为正常发展、重建和置换3种情况[5]。为简化问题，本文仅考虑正常发展模式，小区的负荷按一定的规律增长直到饱和。已开发的土地则按照现有的增长模式进行预测；对于空地，则需要确定当前年份最大负荷值及其初次增长比例。应用重力模型[2]、“钟形”模型[5]和模糊近似推理方法[6-7]等方法都可得到新开发负荷发展的优先性评价。

2.2 多层分区空间负荷预测法数学模型

在根据城市规划中明确的各分区各类用地性质，根据区域的产业规划、用地规划等经济指标，功能区选择负荷密度时可参照国内外类似地区的负荷水平，从数学角度来讲，计算规划区域内的空间负荷分布存在如下三种映射：

式 （1） 中 f1将分区 （x，y） 的特征 F （x，y）映射为土地使用面积S（x，y），f2将土地使用面积映射成分区负荷L（x，y）

式（2）中m为规划区域的负荷分类，第i类负荷密度为SCi，分区的（x，y）中的第i类土地使用面积和负荷分别表示和

3 多层分区空间负荷预测法计算流程

空间负荷预测方法分为自上而下和自下而上两种。自下而上的空间负荷分布算法多用于规划区域进行远景饱和预测或各种原始数据缺乏的新区负荷预测。在多层分区结构中应用自下而上方法，首先应用仿真法预测仿真层的小区负荷，然后再把用仿真法预测得到的小区预测汇总，最后通过计算得出收集层和总量层的负荷数据。

3.1 计算流程

在实际的计算中仅已知仿真层负荷，而收集层和总量层负荷未知，中区和大区负荷上下各层负荷根据小区负荷计算得到，具体计算步骤及计算方法如下[8-9]：

（1） 中区记作MA(m)，m∈{1，2，…n}，中区内所有小区SA的集合为：

SAMA(m)={sa|sa∈SA AND sa.MA=m}

SAMA(m)中第 t类负荷小区数目为 SAMA(m)，t.Cnt，构成的集合为：

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

中区内第t类小区负荷相加时的同时率：asa-MA(m)，t=Ct(SAMA(m)，t.Cnt)

（2）MA(m)中第t类小区负荷之和记为∑SA⁃MA(m)，t.L，计算方法如下：

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

（3）按上式对中区内每类小区求和得到{∑SAMA(m),1.L，∑SAMA(m)，2.L，…∑SAMA(m)，T.L}，记为{∑SAMA(m),t.L}，然后对中区内的每个小区负荷求和。

3.2 负荷密度指标的获取途径

为保证空间负荷密度法预测的准确性，首先要保证功能块的划分层次性、合理性，其次不同功能块的负荷密度数据选取要有代表性和可信性。小区负荷密度和小区的性质关联度较大，主要通过按分类平均负荷密度设置、参考经验数据、通过现状供电区域以上三种方式获得。规划小区水平年负荷密度指标可以看做是在预测人员对规划水平年小区负荷密度的一个估计值基础上修正得到。

4 应用与分析

以河源部分城区作为案例论证分层分区空间负荷预测方法在实际中的应用。依据河源市城市远景规划，按照用地性质划分：居住用地、公共服务设施用地、工业工地、仓储用地、对外交通用地、道路广场用地、市政公用设施用地、绿地和其他9大类，分别编号为01、02、03、04、05、06、07、08、09，如表1所示。

表1 负荷分类表

所选取研究区域为河源城区南部古竹镇，在文中多层处理时作为总量层。古竹镇总体规划面积为11.5 km2，规划区域内包括以上所有9类用地，各类规划用地的面积和规划详细情况见表2。

表2 古竹镇的总体规划

古竹镇作为总量层即一个大区，以《河源市城市总体规划纲要》为依据，分析城市定位，空间布局，产业模式、发展规模，将古竹镇划分为16个中区MA(m)，m=16，分别进行编号为D1、D2、D3…D16，各个中区之间以主干道为边界线，每个中区内都规划有完整的基本生活设施，负荷性质较为多样，中区的划分如图2所示。

图2 中区的划分

图3 小区的划分

依据负荷性质将每个中区划分为若干个负荷类型单一的小区。选取中区D11作为此次仿真应用的代表，首先将其划分为12个小区，小区集合为sa，根据小区负荷性质对小区编码为D1101、D1102、D1103等，D代表大区标号、11代表D区的11号中区，01、02、03为小区的负荷性质。根据各个行业的特点选取合适的负荷密度，中区D11内的小区划分如图3所示。

古竹镇的“划分地块数量”和“地块面积”按照实际规划中的分区数据，其中总量层1个、收集层MA(m)，m=16个、仿真层147个，具体分层情况见表3。

表3 分层分区表

根据《河源高新技术开发区电网专项规划修编》，各个分区的产业性质、用地类型和建设规模，对不同地区的负荷密度折算系数及用地开发强度进行相应地调整和测算，得出不同类型用地负荷指标和各个分区的负荷密度。

综合计算过程：根据城市远景规划中城市发展定位选取各类用地的饱和负荷密度，在实际预测中往往根据负荷密度的取值分为高、中、低三种方案。为了准确反映未来负荷发展，本文通过综合处理得到仿真区的远景负荷的中方案饱和值为120 MW。

5 结论

本文通过基于多层分区结构的空间负荷预测方法在河源城区的应用研究。首先给出了空间负荷预测数学模型，建立了多层分区的空间负荷预测结构，通过此方法将城区总量负荷预测归结为不同负荷特性的单元小区负荷的预测。验证表明应用文中所提方法的合理性和实用性。值得注意的是远景负荷总量的实现没有明确时间，仅是对城区用电规模的一个衡量，以预测结果为输入逆推预测目标年前逐年的负荷状况的情况[3]。在向远景网架目标发展的过程中引导规划工作者如何安排过渡年份的项目最优、最科学的向远景目标网架过渡。

［1］中华人民共和国能源部、建设部.城市电力网规划设计导则［M］.北京：中国电力出版社，1993.

［2］H.L.Willis.Spatial Electric Load Forecasting［M］.New York：Marcel Dekker，1996.

［3］Alam S.S，Ghosh S.Ranking by AHP：a rough approach［A］.Proceedings of the Fifth International Conference on Information Fusion［C］，2002，vol.1：185-190.

［4］程浩忠，张焰，严正.电力系统规划［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［5］张崇见.基于模糊集理论的空间电力负荷预测及中压配电变压器优化规划［D］.天津：天津大学，1998.

［6］C.L.Brooks， J.E.D.Northcote-Green.Astochastic-prefer⁃ence technique for allocation of customer growth using small area modeling［A］.Proc.9th American Power Conference.University of Illinois［C］，Chicago，IL，April 1978：175-179.

［7］余贻鑫，张崇见，张弘鹏.基于模糊逻辑的近似推理方法及其在空间电力负荷预测小区用地分析中应用的研究——第一部分：推理算法和预测原理［J］.电力系统自动化，2001，25（6）：23-26.

［8］余贻鑫，张崇见，张弘鹏.基于模糊逻辑的近似推理方法及其在空间电力负荷预测小区用地分析中应用的研究——第二部分：应用研究和算例分析［J］.电力系统自动化，2001，25（7）：28-31.

［9］余贻鑫，王成山，肖峻，等.城网规划计算机辅助决策系统［J］.电力系统自动化，2000，24（15）：59-62.