Т.А. ФИЛИППОВА, А.Г. РУСИНА,
Ю.В. ДРОНОВА
МОДЕЛИ И МЕТОДЫ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И МОЩНОСТИ
ПРИ УПРАВЛЕНИИ РЕЖИМАМИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Монография
НОВОСИБИРСК
2009
Стр.1
УДК 621.311.004.13
Ф 534
Рецензенты:
Г.И. Самородов д-р техн. наук, профессор, начальник отдела
экспертов, заместитель директора СибНИИ Энергетики;
Ю.А. Секретарев, д-р техн. наук, профессор, заведующий
кафедрой систем электроснабжения предприятий, НГТУ
Филиппова Т.А.
Ф 534 Модели и методы прогнозирования электроэнергии и мощности
при управлении режимами электроэнергетических систем :
монография / Т.А. Филиппова, А.Г. Русина, Ю.В. Дронова. –
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 368 с. (Серия «Монографии
НГТУ»).
ISBN 978-5-7782-1235-0
В энергетике прогнозированию всегда уделяется большое внимание. В работе
рассматриваются основные задачи прогнозирования при управлении режимами
энергосистем и их формализации на основе сочетания математических
и практических методов, а также задачи долгосрочного и краткосрочного планирования
и адаптации планов. Даются общие методологические принципы
моделирования задач прогнозирования. Основное внимание уделяется статистическим
моделям и математическим методам прогнозирования. В различных
задачах используются методы временных рядов, регрессионного анализа, ранговые
модели, методы вероятностного и статистического анализа. Приводятся
методики и численные примеры решения различных задач прогнозирования.
Все модели ориентированы на применение компьютерных технологий.
УДК 621.311.004.13
ISBN 978-5-7782-1235-0
© Филиппова Т.А., Русина А.Г.,
Дронова Ю.В., 2009
© Новосибирский государственный
технический университет, 2009
Стр.2
Ministry of Education and Science of the Russian Federation
NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY
T.A. FILIPPOVA, A.G. RUSINA,
YU.V. DRONOVA
MODELS AND METHODS
OF ELECTRIC ENERGY AND POWER
FORECASTING IN POWER SYSTEM
OPERATION MANAGEMENT
Monograph
NOVOSIBIRSK
2009
Стр.3
UDC 621.311.004.13
F 534
Reviewers:
Prof. G.I. Samorodov, D.Sc. (Eng.), Department of Experts, head,
Siberian Research Institute of Energy, Deputy Director;
Prof. Yu.A. Secretarev, D.Sc. (Eng.), NSTU Department of Enterprise Power
Supply Systems, Head
Filippova T.A.
F 534
Models and methods of electric energy and power forecasting in
power system operation management: monograph / T.A. Filippova,
A.G. Rusina, Yu.V. Dronova. – Novosibirsk : NSTU publisher,
2009. – 368 pp. (NSTU Monographs series)
ISBN 978-5-7782-1235-0
Much attention has always been paid to forecasting in power engineering. Major
problems of forecasting in power system operation management and their formalization
based on both mathematical and practical methods as well as problems of longterm
and short-term planning and adaptation of plans are considered in the monograph.
General methodological principles of the simulation of forecasting problems
are presented. Main attention is given to statistical models and mathematical methods
of forecasting. Methods of time series, regression analysis, probabilistic and
statistical analyses and rank models are used to solve various problems. Methods and
numerical examples of solving numerous problems of forecasting are described. All
the models are based on computer technologies.
UDC 621.311.004.13
ISBN 978-5-7782-1235-0
© Filippova T.A., Rusina A.G,
Dronova Yu.V., 2009
© Novosibirsk State Technical
University, 2009
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ...........................................................................................................................7
Раздел 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
И МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ...........9
Глава 1. Прогнозирование в управлении производством ........................................... 11
1.1. Прогнозирование в управлении ....................................................................... 11
1.2. План и прогноз .................................................................................................. 13
1.3. Процесс планирования ..................................................................................... 18
1.4. Стратегическое планирование ......................................................................... 22
1.5. Особенности бизнес-процесса предприятия ................................................... 24
1.6. Деловая среда .................................................................................................... 28
1.7. Комплекс планирования ................................................................................... 34
1.8. Роль прогнозирования в управлении предприятием ...................................... 36
Глава 2. Научные основы прогнозирования ................................................................. 39
2.1. Методологические принципы .......................................................................... 39
2.2. Основы моделирования задач .......................................................................... 45
2.3. Структурные модели ЭЭС при решении режимных задач
прогнозирования............................................................................................... 47
2.4. Математическая модель задачи ....................................................................... 54
2.5. Информация и ее свойства ............................................................................... 58
2.6. Исследование систем в условиях неопределенности ..................................... 62
Глава 3. Методы прогнозирования ................................................................................. 67
3.1. Общая характеристика методов прогнозирования ......................................... 67
3.2. Краткие положения теории вероятностей ....................................................... 68
3.3. Экспертные методы .......................................................................................... 77
3.4. Регрессионный анализ ...................................................................................... 84
3.5. Модель временного ряда .................................................................................. 88
3.6. Ранговые модели ............................................................................................... 91
3.7. Технологический метод прогнозирования ..................................................... 92
3.8. Применение искусственных нейронных сетей при прогнозировании
в электроэнергетике ......................................................................................... 93
3.9. Статистический анализ ..................................................................................... 99
Глава 4. Прогнозирование электропотребления и мощности при перспективном
планировании развития энергетики ............................................................ 103
4.1. Энергетика в общей хозяйственной структуре государства ....................... 103
4.2. Общие положения по прогнозированию развития энергетики ................... 110
4.3. Математическая модель прогнозирования и оптимизации энергетических
систем .............................................................................................................. 116
4.4. Методика долгосрочного прогнозирования электропотребления .............. 120
4.5. Методика прогнозирования электропотребления по региону
на перспективу 5 лет ...................................................................................... 122
Стр.359
362
ОГЛАВЛЕНИЕ
4.6. Методика прогнозирования электропотребления по региону
на перспективу 10 лет .................................................................................... 129
4.7. Методика прогнозирования электропотребления по региону
на перспективу 20 лет .................................................................................... 137
Раздел 2. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ПРИ УПРАВЛЕНИИ РЕЖИМАМИ ЭНЕРГОСИСТЕМ ........................ 141
Глава 5. Прогнозирование электропотребления при текущем планировании
производственной деятельности электроэнергетической системы ........ 143
5.1. Производственная деятельность энергосистемы ......................................... 143
5.2. Модели и методы прогнозирования электропотребления
при текущем планировании ........................................................................... 147
5.3. Моделей прогнозирования электропотребления системы
для годового периода ..................................................................................... 150
5.4. Модель прогноза электропотребления для сезонного периода .................. 154
5.5. Моделирование электропотребления для месячного периода .................... 156
5.6. Информационные технологии прогнозирования сальдоперетока
электроэнергии ............................................................................... 158
5.7. Ожидаемое месячное электропотребление при расчетах
по типовым суткам ......................................................................................... 162
Глава 6. Принципы статистического моделирования и прогнозирования
графиков нагрузки ЭЭС, их структуры и параметров.............................. 165
6.1. Особенности использования статистических моделей
графиков нагрузки в энергосистемах............................................................ 165
6.2. Параметрические свойства графиков нагрузки энергосистемы
........................................................................................................... 168
6.3. Структурная модель ГН ЭЭС по составляющим нагрузки ......................... 175
6.4. Прогнозирование графиков нагрузки ЭЭС с учетом
их свойств ....................................................................................................... 180
Глава 7. Методика прогнозирования графиков нагрузки ........................................ 183
7.1. Прогнозирование графика нагрузки ЭЭС при решении оперативных
задач................................................................................................................. 183
7.2. Многолетний и годовой прогнозы характерных показателей графика
нагрузки ........................................................................................................... 189
7.3. Моделирование графиков нагрузки для годовых и месячных периодов 193
Глава 8. Адаптивность статистических моделей прогноза графиков нагрузки 197
8.1. Процесс адаптации.......................................................................................... 197
8.2. Общие положения расчета и порядок внесения поправок
в статистические прогнозы ГН ...................................................................... 200
8.3. Влияние температуры наружного воздуха на нагрузку ............................... 203
8.4. Методика внесения поправок на температуру наружного
воздуха в статистический график нагрузки ................................................. 206
8.5. Модель поправок на состояние облачности и методика
ее использования при прогнозах нагрузки ................................................... 212
8.6. Поправки в прогноз нагрузки на изменение частоты
системы ........................................................................................................... 220
Стр.360
363
8.7. Влияния электрических режимов работы межсистемных электрических
сетей на потери мощности при прогнозах графиков нагрузки ................... 221
8.8. Тестирование статистических моделей прогнозирования
графиков нагрузки .......................................................................................... 225
Глава 9. Вероятностный анализ случайной составляющей
при прогнозировании графиков нагрузки и электропотребления
предприятий ...................................................................................................... 232
9.1. Особенности прогнозирования ГН и электропотребления
на предприятиях ............................................................................................. 232
9.2. Применение вероятностного анализа для процесса электропотребления
и мощности нагрузки потребителей ............................................................. 235
9.3. Методические принципы применения положений теории вероятностей
для анализа электропотребления и нагрузки ............................................... 241
Глава 10. Ранговые модели структурного моделирования и прогнозирования
мощностей сетевой компании ..................................................................... 246
10.1. Основные положения рангового моделирования ....................................... 246
10.2. Методика разработки ранговых моделей для прогнозирования
нагрузок в узлах электрической сети .......................................................... 251
10.3. Ранговые модели мощностей электростанций, расположенных
в генераторных узлах сетевой компании .................................................... 259
10.4. Использование ранговых моделей для задач прогнозирования ................ 260
Глава 11. Прогнозирование потерь электроэнергии в электрических сетях ........ 264
11.1. Особенности прогнозирования потерь электроэнергии
мощности в электрических сетях ................................................................ 264
11.2. Имитационные модели прогнозирования потерь электроэнергии
и мощности в электрических сетях ............................................... 271
11.3. Имитационная модель прогнозирования потерь мощности
для сетевой компании .................................................................................. 279
Глава 12. Прогнозирование выработки электроэнергии гидроэлектростанций
в условиях неопределенности ...................................................... 289
12.1. Принципы прогнозирования при неопределенной информации
о гидроресурсах ............................................................................................ 289
12.2. Вероятностная природа стока ...................................................................... 293
12.3. Прогноз и адаптивное уточнение планов использования
водных ресурсов ГЭС ................................................................................... 298
12.4. Схема прогнозных расчетов по рациональному использованию
гидроэнергетических ресурсов .................................................................... 303
Глава 13. Учет риска при прогнозировании ............................................................... 306
13.1. Неопределенность и риск ............................................................................. 306
13.2. Факторы риска прогноза электропотребления ........................................... 311
13.3. Основные виды рисков ................................................................................. 315
13.4. Оценка рисков ............................................................................................... 319
13.5. Основные положения теории принятия решений ...................................... 322
13.6. Риск-менеджмент .......................................................................................... 329
Стр.361
364
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 14. Примеры учета рисков при прогнозировании энергетических
параметров ...................................................................................................... 332
14.1. Пример идентификации факторов риска .................................................... 332
14.2. Пример оценки рисков ................................................................................. 336
14.3. Пример выбора решения с учетом величины риска ................................... 342
14.4. Пример оценки риска для разработки методов защиты ............................ 348
Заключение ......................................................................................................................... 352
Библиографический список ............................................................................................... 354
Предметный указатель ....................................................................................................... 358
Стр.362
CONTENTS
Introduction ..............................................................................................................................7
Section 1. METHODOLOGY OF ELECTRIC ENERGY
AND POWER FORECASTING IN POWER
SYSTEMS ..............................................................................................................9
Chapter 1. Forecasting in Production Management ......................................................... 11
1. Forecasting in management ....................................................................................... 13
Plans and forecasts 18
The process of planning 22
Strategic planning
24
Peculiarities of an enterprise business process ........................................................... 28
Business environment 34
The planning complex 36
General notions of the role of forecasting in enterprise management ........................ 39
Chapter 2. Scientific Grounds of Forecasting .................................................................... 39
2.1. Methodological principles ................................................................................... 39
2.2. Fundamentals of problem modeling .................................................................... 45
2.3. Structural models of a power system in solving problems of operation
forecasting .......................................................................................................... 47
2.4. A mathematical model of a problem ................................................................... 54
2.5. Information and its properties ............................................................................. 58
2.6. Study of systems under uncertainty conditions ................................................... 62
Chapter 3. Methods of Forecasting ..................................................................................... 67
3.1. General characteristics of forecasting methods .................................................. 67
3.2. Brief statements of the probability theory .......................................................... 68
3.3. Expert techniques 77
3.4. Regression analysis ............................................................................................ 84
3.5. A time series model ........................................................................................... 88
3.6. Rank models
91
3.7. A technological method of forecasting .............................................................. 92
3.8. Application of artificial neural networks in power engineering ......................... 93
3.9. Statistical analysis 99
Chapter 4. Forecasting of Power Consumption and Capacity in Long-Term
Planning of Power Engineering Development ............................................... 103
4.1. The role of power engineering in the country’s economy ................................ 103
4.2. General notions of forecasting power engineering development ..................... 110
4.3. A mathematical model of forecasting and optimization of power systems ...... 116
4.4. Methods of long-term forecasting of power consumption ............................... 120
4.5. Methods of forecasting power consumption in the region
for the period of 5 years .................................................................................. 122
Стр.363
366
CONTENTS
4.6. Methods of forecasting power consumption in the region
for the period of 10 years ................................................................................ 129
4.7. Methods of forecasting power consumption in the region
for the period of 20 years ................................................................................ 137
Section 2. METHODS AND MODELS OF FORECASTING
IN POWER SYSTEM OPERATION MANAGEMENT .............................. 141
Chapter 5. Forecasting Power Consumption in Current Planning
of Power System Production Activity ............................................................ 143
5.1. Power system production activity ..................................................................... 143
5.2. Models and methods of power consumption forecasting in current planning 147
5.3. Models of power consumption for the period of 1 year .................................... 150
5.4. A model of power consumption forecasting in a power
system for a seasonal period ............................................................................ 154
5.5. Modeling of power consumption for a 1 month period ..................................... 156
5.6. Information technologies for forecasting net power flow ................................ 158
5.7. Expected monthly power consumption calculated based on a standard day ..... 162
Chapter 6. Principles of Statistical Modeling and Forecasting of Power
System Load Demands, Their Structure and Parameters ............................ 165
6.1. Peculiarities of using statistical models of load demands in power systems ..... 165
6.2. Parametric properties of power system load demands ...................................... 168
6.3. Methods of modeling of load demands and power consumption ...................... 175
6.4. A structural model of power system load demands based on load
components ..................................................................................................... 180
Chapter 7. Methods of Load Demand Forecasting .......................................................... 183
7.1. Power system load demand forecasting in solving operation problems ............ 183
7.2. Annual and long-term forecasting of characteristic load demand parameters 189
7.3. Modeling of load demands for annual and monthly periods ............................. 193
Chapter 8. The Adaptability of Statistical Models of Load Demand Forecasting ........ 197
8.1. The process of adaptation ................................................................................. 197
8.2. General notions of load demand calculation and making corrections
in statistical forecasts ....................................................................................... 200
8.3. Influence of the outer air temperature on the load............................................. 203
8.4. Methods of applying corrections for the outer air temperature
to statistical load demands ................................................................................ 206
8.5. A model of corrections for cloudiness and methods of its application
to load forecasting ............................................................................................ 212
8.6. Corrections for power system frequency variations in load forecasts ............... 220
8.7. Influence of electric operation conditions of intersystem electric networks
on power losses in forecasting load demands ................................................... 221
8.8. Testing statistical models of load demand forecasting ...................................... 225
Chapter 9. The Probabilistic Analysis of a Random Component in Enterprise
Load Demand and Power Consumption Forecasting ................................... 232
9.1. Peculiarities of forecasting enterprise load demand and power consumption 232
9.2. The application of a probabilistic analysis for the process of power
consumption and load power of consumers ...................................................... 235
Стр.364
367
9.3. Methodological principles of using the probability theory in power
consumption and load analysis ......................................................................... 241
Chapter 10. Rank Models of Structural Modeling and Forecasting
of a Network Company Capacity ................................................................. 246
10.1. Basic concepts of rank modeling .................................................................... 246
10.2. Methods of developing rank models to forecast loads in power network
nodes .............................................................................................................. 251
10.3. Methods of developing rank models based on the example of forecasting
power in load nodes in a power network ........................................................ 259
10.4. Rank models of capacities of power plants located in generator sets
of network companies .................................................................................... 260
Chapter 11. Forecasting Electric Losses in Electric Networks ....................................... 264
11.1. Peculiarities of forecasting electric and power losses in electric networks ..... 264
11.2. Simulation models of forecasting electric and power losses in electric
networks ......................................................................................................... 271
11.3. Simulation models of forecasting power losses for network
companies ...................................................................................................... 279
Chapter 12. Forecasting Power Generation at Hydropower Plants under
Uncertainty Conditions ................................................................................. 289
12.1. Principles of forecasting capacities based on uncertain information about
water resources .............................................................................................. 289
12.2. A stochastic nature of a power flow ................................................................ 293
12.3. Forecasting and adaptive updating of plans of using hydropower
plant water resources ..................................................................................... 298
12.4. A predictive calculation pattern of hydropower resource rational use ............ 303
Chapter 13. Risk Analysis in Focasting ....................................................................... 306
13.1. Assessment of uncertainty in management ..................................................... 306
13.2. Risk factors in forecasting power consumption .............................................. 311
13.3. Major risk types .............................................................................................. 315
13.4. Risk assessment .............................................................................................. 319
13.5. Basic concepts of the decision making theory ............................................... 322
13.6. Risk management ............................................................................................ 329
Chapter 14. Practical Examples of Risk Analysis in Forecasting Power
Parameters ..................................................................................................... 332
14.1. An examples of risk factor identification ........................................................ 332
14.2. An example of risk assessment ...................................................................... 336
14.3. An example of decision making with an allowance for a risk level ................ 342
14.4. An example of risk assessment for protection method development .............. 348
References ............................................................................................................................ 354
Subject Index ........................................................................................................................ 358
Стр.365