1绪论
电力需求预测是现代电力科学的重要组成部分之一，它在电力系统的长期规划和短期运行调度方面都有着非常重要的作用，在新的电力市场背景下科学准确的电力需求预测不仅可以使电力系统规划设计及其安全经济运行得以实现，还可以推进用电管理工作的顺利幵展。本文研究的电力需求预测有别于传统上层电网和经济等宏观数据的电力需求预测，而是在目前我国节能减排，可持续发展战略背景下应对一些新问题的一种全新思路。它的预测结果可以为政府部门进行节能减排目标量化确定，电力部门进行电力系统规划，电力用户进行节电改造时提供参考和依据。
1.1课题研究背景
当前，随着我国经济飞速发展和人民生活质量的不断提高，我国电力需求也呈现出迅速增长的趋势，个别时间和地区出现了电力供不应求的情况。北京市的电力供需平衡也在近年来经历了从电能供应宽松，再到严重不足，逐渐形成现在比较平衡的局面。北京电网目前己经形成六大分区相互支持的坚强结构，具备较强的资源配置能力和抵御风险能力。
北京市在2014年的负荷密度约为lOOOkW/平方公里，城市供电可靠率达到99.985%,处于国内领先水平。同时，北京电网又是一个典型的受端电网，70%的电力依靠山西、内蒙等地输入，本地发电仅占全部用电负荷的30%。这意味着北京市不仅每年要支付大量的电力费用，同时大量电力的传输也给电网的安全运行带来了巨大挑战。全社会用电量及增长率如图1-1所示。由图中可以看到全社会用电总量从2006到2013年稳步提升，七年间增长了1.5倍，平均增速约为6%，稍微低于地区生产总值增速，这符合我国从粗放式经济体向高效集约型经济体转变的国家战略。而伴随社会用电总量迅速增长的是最大电力负荷以及不断增大的峰谷差，近年来，北京市电力能源供不应求现象时有发生，且最大峰谷差的逐渐拉大，负荷率的逐渐变小以及居高不下的电力峰荷都给电力系统的安全稳定运行带来了巨大的挑战。2006年到2013年北京市最大电力负荷如图1-2所示，2013年各月峰谷负荷对比如图1-3所示。
由图中可以观察到2006年用电高峰达到1082万kW，随后的几年里最大负荷屡创新高，2010年曾7次刷新最大负荷记录，最大负荷达到1666万kW，2013年最大负荷1762万千瓦，几乎相当于三峡电站总装机容量的80%。从2006年到2013年北京市最大电力负荷增长了 1.63倍，稍微高于全社会用电总量的增速。在最大电力负荷居高不下的情况下另一个问题是不断增大的峰谷差，由图1-3可以观察到春季峰谷差较小，夏季和冬季峰谷差较大，尤其是在夏季降温负荷较大情况下最大负荷能够达到最小负荷的将近3倍，这给无疑给电网运行带来了巨大挑战。而在某些极端情况下相关部门甚至被迫在用电高峰，电网面临巨大风险时不得不采取无预警拉闹限电等紧急供电措施，而突然断电带来的经济损失是非常巨大的，对于钢铁，纺织，建筑等行业可能会造成产品报废，设备损坏等严重后果，北京首钢就曾经因突然断电导致炼钢炉报废，直接经济损失达数百万。
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1.2课题研究意义
从电网运营角度来看，电力需求预测是电力系统进行系统规划、调度和营业等管理工作的重要组成部分之一，它在电力系统实际的生产规划和运行中扮演着不可或缺的角色。提前为电力系统管理者提供准确的电力需求预测值能使其做好充分准备，最大程度上减少短期内电力供不应求引发电压崩溃，被迫拉闹限电等非正常情况发生的可能性，也能避免出现未来整个地区出现电力供应不足引发电力发展影响经济发展的严重后果。综合来说，精确的电力需求预测不仅是电网实时安全调度，经济调度的参考，也是进行负荷管理的先决条件，更是整个国家或地区进行电力系统建设，制定生产计划的重要参考资料。
尤其是近年来我国逐渐加强了电力需求侧管理工作，而这项工作的推进需要制定明确的任务制定和合理财政资金支持。目前，北京市在制定相关计划任务时并无非常科学详细的方法，更多的是依靠与其它城市对比，最终以行政命令的方式制定节能减排任务的制定。这种方式明显缺乏科学性，而科学的电力需求预测可以为决策者在进行规划和制定管理目标时提供科学的依据，而不是单纯依靠行政命令来执行。同时在电力需求侧方面，想方设法在满足生产生活要求的前提下降低用电需求是平衡电力供需的重要手段。2015年新电改9号文中明确了深化电力体制改革的总体思路和基本原则，并明确要求政府，电力企业和电力用户通力合作坚持节能减排。从实施国家安全战略全局出发，积极开展电力需求侧管理和能效管理，完善有序用电和节约用电制度，促进经济结构调整、节能减排和产业升级。强化能源领域科技创新，推动电力行业发展方式转变和能源结构优化，提高发展质量和效率，提高可再生能源发电和分布式能源系统发电在电力供应中的比例。其中重点提到的需求侧管理管理措施能够引导电力用户主动降低用电负荷，调整用电时间，进而实现电力系统运行中的削峰填谷，提高负荷率，达到电力供需平衡的目的。充分发挥现有电力资源的利用效率，这不仅对于缓解电力供应紧张局面有着非常重要的意义，更能够积极推动我国节能减排的国家发展战略。
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2北京市电力需求和DSM分析研究
电力是任何国家经济发展的基础性资源。随着我国几年来现代化建设的发展，科学技术的进步，经济持续升温和人民生活水平的不断提高，电力需求也越来越大。节电己经成为我国经济发展的一项长期战略方针，是一项利国利民的事业，有利于提高资源利用率，减少环境污染的压力，这符合环保和社会可持续发展的原则。而电力需求侧管理作为解决上述问题的有效途径近年来受到各界高度关注。本章首先从节能减排角度出发，采用对数平均迪氏指数方法(Logarithmic MeanDivisiaIndex,LMDI)对北京市2006到2013年的电力消费进行了分析，分析解析了由经济规模、经济结构调整和电能使用效率引起的电力消费变化。在此基础上引出电力需求侧管理，同时详细研究了北京市目前常用DSM技术手段，并结合实际工程案例展示了这些技术手段在提高用电效率，转移电力峰荷等方面的表现。
2.1基于LMDI模型的北京市电力需求分析研究
经济发展离不开电力支持，同时电力产业的发展需要经济发展带来的用电需求和技术提升作为动力。近年来，北京作为我国经济、政治、文化中心，经济快速发展的同时用电量也迅速增长。
由图2-1可以观察到北京市电力消费与GDP发展基本保持同步，但在节能减排的大背景下产业结构调整和电力能源使用效率对电力消费的影响也在不断加大。因此对北京市电力消费进行深入分解研究具有很重要的理论价值，可以为北京市电力政策提供一定依据。
2.1.1 LMDI模型构建
至此LMDI模型构建完成，由模型构建过程和各分解量的意义可以看出LMDI方法将电力消费总量分解为由经济发展、产业结构和用电效率引起电力消费分量。从而能够通过模型清晰明确地区分由经济发展和节能减排（产业结构调整和用电效率提高）分别引起的电力消费变动情况。
由分解结果可以观察到：
(1)总效应持续快速增长，这与我国电力工业快速发展的现状是相符的。
(2)生产效应为正，对电力消费总量起促进作用，且该效应对电力消费总效应影响最大，在2007年和2013年生产效应对总效应的比值分别为232.56%和267.66%,这说明电力消费增长主要是由经济拉动作用引起的，且电力消费对经济活动的反映比较敏感，这也是众多学者热衷于研究经济发展与电力消费关系的原因所在。
(3)结构效应为负值，即目前北京市产业结构变化对电力消费起抑制作用，但其绝对值相对于总效应很小，2013年结构效应的绝对值仅为生产效应的6.46%。同时可以观察到结构效应波动很小，这是因为北京作为一个大型服务型城市，第三产业占比较大，第一产业和第二产业的占比较小，且总体产业结构稳定。
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2.2北京市DSM实施现状分析
2.2.1 DSM主要内容及效果
需求侧管理技术是目前世界各国都在积极推行的一种先进的充分适应市场经济能源管理技术，它的应用范围非常广泛，其中包括电力，热力，燃气，供水等行业。需求侧管理本身作为可持续发展战略众多环节中的重要一环在能源合理幵发和高效利用方面发挥着重要作用，坚持需求侧管理能够协调经济、能源、环境的同步健康发展。解决电力供需矛盾，实现节能减排主要从两方面考虑。一方面力图减少电力系统装机容量和一次能源消耗；一方面又要千方百计地在满足原先电力需求的情况下降低用户端的能耗。即DSM的目标集中在用户节电力和节电量的挖掘上。电力是指用电能力，即用电器的功率，一般用物理学中的千瓦（kW)表示；电量是指用电量，即用电器消耗的电力的总能量，一般用物理学中的千瓦时（kWh)表示。而DSM的主要内容包括负荷管理和能效管理两方面。
(1)负荷管理措施
负荷管理的本质是根据原电力系统的特征以各种方式将电力用户的电力需求从用电高峰消减，或提高用电低谷时的电力需求，减小电网峰谷差，引导电力需求合理分布，最终提高电力系统运行的经济性和可靠性。具体来讲负荷管理主要有削峰、填谷、移峰填谷三种类型。
1)削峰
削峰就是消减电力用户在用电高峰时的电力需求，使系统负荷更加平稳，避免电网超负荷运行甚至出现电压崩淸等严重后果，即增加了电力用户的满意度又减少了电网企业增加装机容量的高额成本。但因为电网峰时正是电价最高的时刻，所以削峰可能会大幅影响电网企业的收入，从而影响其推行DSM的积极性。削峰措施可用图2-5表示。北京市目前削峰措施主要有可中断负荷控制和直接负荷控制两种控制类型。应用最广泛的是直接负荷控制，它是一种随机控制方法，由调度人员根据电网峰时电网运行情况采取人工或者自动控制装置对电力用户用电行为进行控制。而这种无预警的突然断电会对用户的生产和生活造成严重影响，尤其是一些对供电可靠性要求很高的医院、炼钢企业、高科技产品生产企业等带来巨大经济损失甚至酸成重大事故。直接负荷控制多发生在电力供应严重短缺，电网运行失去平衡或者峰荷电力大量外购的地区电网，而用电控制以停电损失最小为原则进行排序。
另外一种控制类型为可中断负荷控制，也称为主动需求响应，它是指在电网企业和电力用户提前约定，并在电网负荷高峰时段由电网调度人员向电力用户发出中断供电信号，经电力用户响应后对其采取中断供电的措施。北京市目前对通过主动需求响应临时削峰的电力负荷项目按照响应时间（24小时、4小时、30分钟）签订合同，奖励标准分别为80元/kW，100元/kW，120元/kW。这种控制方式主要适用于对供电可靠性要求较低的用户，如自备储能装置的用户，其在停电时可以使用提前储备的电能或者使用燃气，柴油等替代能源进行能源供给；具备中间产品储存能力或者产品生产工序可调的用户，可以通过改变作业顺序来减少电力需求以躲开用电高峰。可中断负荷控制是一种有提前预警和准备的停电措施，更容易被电力用户接受。而它最终的削峰能力取决于用户对于用电可靠性降低可接受的程度，其终端效益取决于电力中断所造成的损失与避峰所节省的电费之比。
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3基于DSM项目的电力需求优化研究...........................33
3.1某工厂DSM绿色照明项目概述...........................33
3.2模型建立...........................34
3.3 DSM项目的电力需求优化算法...........................35
4基于DSM项目的电力需求分析与预测...........................45
4.1 DSM项目的用电特性的统计分析...........................45
4.1.1绿色照明项目统计特性...........................46
4.1.2空调项目统计特性...........................48
4.2电力需求影响变量的确定...........................49
5总结和展望...........................67
5.1 总结...........................67
5.2下一步工作及展望...........................67
4基于DSM项目的电力需求分析与预测
传统的电力需求预测通常以电网运行负荷，地区经济发展情况等上层宏观数据为研究对象，而本文受美国E3公司能效电厂计算器启发，采取了一种自下而上，基于具体DSM项目的的新思路进行电力需求预测和节电潜力挖掘。E3公司是美国一家致力于降低客户能源消耗，提高能源利用效率的专业节能服务咨询公司，该公司于2010年开发了一套能效电厂计算器软件。该软件功能丰富，通过输入节能项目所在地区，技术种类，能源种类，能源价格等参数就可以计算客户单位节约能源减少电网负荷的情况，还能核算其各种经济效益，使其使用者能够清晰明了地得知自身节能活动的收益情况。
本章首先对北京市大量DSM项目节能改造统计数据进行了分析，包括表格中列举的改造前负荷，改造后负荷，转移负荷，改造面积，更换设备类型等各种变量。其中改造活动转移的负荷值由改造前负荷值减去改造后负荷值得出，即转移峰荷与改造前后负荷之差是完全相关关系。但实际管理操作中电力需求预测是在改造之前进行的，而此时还无法获得改造后的数据，所以这些DSM节能改造项目的转移负荷值和其它指标之间是否存在某种关系可以为管理者所用呢，也就是说我们是否可以根据研究对象改造前的基本情况和数据资料来分析和预测出某项节能改造活动的转移负荷值，及其改造后的电力需求情况。然后结合北京市工业商业建筑详细统计数据，即可预测出整个城市某种类型负荷的电力需求，即完成了自下而上的电力需求预测。从而在进行总体DSM目标确定，电网规划时有所参考和依据，这正是本章要解决的问题。
4.1 DSM项目的用电特性的统计分析
本文第二章介绍了北京市电力消费情况和主要DSM技术手段，并以单个项目应用实际情况为例说明了 DSM措施在降低或转移用电峰荷以及节能减排方面的突出表现。北京市发展改革委员会和北京节能环保中心于2014年联合开展了需求侧管理城市综合试点工作财政资金奖励政策，首先接受北京市电力用户开展的能效电厂类项目，移峰填谷技术类项目和主动电力需求响应类项目资金奖励申请，然后组织第三方核证机构进行有效转移峰荷测算，最后根据核证情况发放专项资金奖励。本次资金奖励活动过程中收集了大量需求侧节能改造数据，这对针对该地区进行节电潜力挖掘，电力需求预测是非常宝贵的数据资料。因此有必要对这些数据进行深入分析以挖掘其中的有价值信息。
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5总结和展望
5.1总结
在新的电力市场背景下，电力需求侧管理正在发挥越来越大的作用。而在进行DSM项目改造过程中如何充分挖掘节电潜力是一项重要工作。而且准确把握需求侧的电力需求将成为电力系统进行规划和运行的重要组成部分之一，同时也是电力部门进行DSM管理工作的重要参考和依据。因此本文结合电力需求侧管理和电力需求两方面情况，从底层实际电力需求用户和项目入手，针对具体项目进行节电潜力优化，并采用了一种自下而上的电力需求预测方法对具体DSM项目进行了电力需求分析和预测。本文主要包括以下内容：
(1)在对目前国内外电力需求预测方法进行深入了解和分析后，提出了一种自下而上的电力需求预测方案。(2)使用LMDI模型对北京市电力消费情况进行了分解分析，将电力需求总量通过分析模型分解成生产效应，结构效应和强度效应，得出了北京市目前电力消费主要抑制因素为电能使用效率的结论。(3)重点研究了北京市目前常用电力需求侧管理技术手段，结合实际DSM项目工程实例展示了其良好的转移电力峰荷性能，并对绿色照明和空调项目的统计数据特性进行了分析。(4)针对某具体DSM节能改造项目建立了节电潜力优化模型，并通过使用粒子群算法求解模型。分析结果可以在有限资金限制的约束下指导企业进行节能改造以最大程度地挖掘节电潜力。(5)构建了针对DSM项目统计数据的多元回归分析模型和灰色神经网络模型，并以实际DSM项目统计数据为基础，分别使用两类模型对用户的电力需求进行了预测，并对最终预测结果进行了解释和分析。
5.2下一步工作及展望
电力需求预测由于其对电力系统规划和运行的作用，其重要性将会持续增强，而电力需求侧管理作为一种高效的能源管理手段，在未来将会发挥越来越大的作用。本文在上述两方面的研究工作上取得了一定成果，但也存在一些不足，还可以在以下方面进行深入研究。
(1)由于目前统计数据有限，本文只针对绿色照明和空调负荷两个节能项目统计数据进行了电力需求分析和预测。可以加大统计力度，对电机、热泵、无功补偿等节能项目进行深入分析。(2)本文中的节电潜力优化模型只是针对绿色照明项目改造方案，可以在此模型基础上扩充模型规模，综合考虑空调，电机等项目的投资和节电潜力，对整体进行节电潜力优化。(3)本文研究结论是针对节能项目的，但受目前条件限制，缺少全市整体较为详细的微观和宏观数据。下一步可以将本文研究成果与与全市工商业建筑等数据相结合，充分挖掘各类型项目的节电潜力，以及全市整体电力需求，分别为各DSM参与主体提供依据和参考。
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参考文献（略）
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参考文献（略）