摘要：研究城市用氣規(guī)律和進行城市燃氣負荷預測成為一項非常重要的課題，它不僅關(guān)系到城市燃氣管網(wǎng)規(guī)劃，還關(guān)系到整個天然氣長輸管線的投資效益和可靠性，對天然氣局域網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)度和城市燃氣管網(wǎng)的優(yōu)化運行都有十分重要的意義，為豐富和完善天然氣輸氣理論和技術(shù)奠定了重要的基礎(chǔ)，有助于該領(lǐng)域的研究初步形成理論及從技術(shù)到實用的轉(zhuǎn)化。
關(guān)鍵詞：城市燃氣；負荷預測；預測系統(tǒng)；
The Research of City Gas Load Forecasting System
SONG Han-cheng1，LIU Feng2，ZHANG Ying3
(1. R&D Center of PetroChina Pipeline，Langfang，065000，China；3. Oil port filiale of Qingdao port，Qingdao 266500，China；4. Oil product dock of Dalian port，Dalian 116013，China)
Abstract：It is a very important research task to understand the gas-consumptive orderliness and forecast city gas load，for one hand，it will affect the planning of city gas pipe network，on the other hand，it is connected to the investment benefits and security of entire natural gas pipelines，and it’s meaningful for city gas optimizing attemperation and gas pipeline optimizing operation，which builds the important foundations for enriching and improving the theory and technology of gas delivery，and is helpful to convert the theory and technology for med initially in the field into the practice.
Keywords：City gas； load forecasting； forecasting system；
0 引言
在燃氣供應系統(tǒng)中，燃氣負荷數(shù)據(jù)對項目規(guī)劃、工程設(shè)計、管網(wǎng)運行與調(diào)度以及工程經(jīng)濟技術(shù)分析都有著根本意義。生產(chǎn)運行中各時段的負荷預測，可提供氣源生產(chǎn)計劃，是實現(xiàn)管網(wǎng)檢修計劃、輸配調(diào)度的基礎(chǔ)。準確及時的負荷預測，可優(yōu)化輸配調(diào)度，提高運行效率，節(jié)約能源，降低成本。燃氣負荷預測對天然氣 “照付不議”銷售合同有著極大的影響。按照國際慣例，“照付不議”是指在某一合同年內(nèi)，若買方?jīng)]有用完該合同年的照付不議量，對這部分燃氣量，買方也應支付。這就要求買方做好照付不議負荷量的預測。若預測值偏大，則造成直接經(jīng)濟損失，若偏小，又不能滿足用戶用氣量需求和進一步的市場開發(fā)，不利于燃氣事業(yè)的健康發(fā)展。
1 燃氣負荷預測的現(xiàn)狀
國外在20世紀末由丹麥的ESI(Energy Solutions International)能源集團公司開始研究城市燃氣管網(wǎng)負荷的預測。該公司提出了采用時間序列分析等方法進行預測的數(shù)學模型，并成功應用于世界多個大型管線輸氣公司的管理系統(tǒng)，其中美國的殼牌公司使用該模型進行管理，每年能節(jié)約70萬英鎊。佛羅里達天然氣公司使用該模型后，每年能節(jié)約16%的壓縮機燃料費，提高了1.7%的輸氣量。北美管道燃氣管理人員稱該模型在6個月內(nèi)為他們節(jié)約了250萬美元的運行費用。最近，ESI能源集團公司在美國、印度、英國、加拿大等國家設(shè)立了分公司，并且開始研究新的預測模型理論?？傊?，發(fā)達國家對燃氣管網(wǎng)負荷預測的研究已達到了較高水平，并取得了成功的應用。
國內(nèi)對城市燃氣負荷的預測研究進展較為緩慢，在上個世紀80年代，上海煤氣公司就與上海交通大學、同濟大學合作研究上海市燃氣負荷預測的問題。1998年天津大學提出了采用時間序列分析法建立多種負荷預測模型，對城市燃氣管網(wǎng)的短期負荷進行了預測，討論了用三角函數(shù)模型進行日負荷預測的問題。1999年，錢凱等從我國天然氣現(xiàn)狀出發(fā)，詳細介紹了數(shù)字模型和情景分析兩個方面的天然氣預測方法，通過具體事例比較各種預測方法預測精度和效果。2001年，肖文暉等人提出了燃氣小時負荷的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測方法，能滿足一般調(diào)度的要求。同年哈爾濱工業(yè)大學提出了用灰色理論解決城市燃氣管網(wǎng)的短期負荷預測問題，提出動態(tài)等維遞補灰色預測模型對燃氣的中長期負荷預測有較好的適應性，且精度較高。焦文玲等針對日負荷在全年范圍內(nèi)明顯受季節(jié)溫度變化的影響，采用指數(shù)平滑法建立日負荷預測模型，得到了較為滿意的結(jié)果。2003年，楊昭等針對天然氣管網(wǎng)負荷變化的特點，提出了用模糊邏輯和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預測天然氣管網(wǎng)的負荷，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的雙重調(diào)節(jié)，大大提高了訓練的速度和預測的精度。
2 燃氣負荷預測的作用
①提供簽訂“燃氣供銷合同”的基礎(chǔ)資料
西氣東輸工程標志著我國天然氣供應商業(yè)化進程的開展。上游供氣方與下游燃氣企業(yè)之間簽訂的照付不議供氣合同中，除了照付不議氣量外，還有超提氣量、最大日供氣量、最大小時供氣量和計劃氣量等諸多條款，以及這些條款對應的經(jīng)濟條款。燃氣公司如果未能依照確定購氣量提氣，需要按照照付不議或者繳付較高的氣價，這樣將提高運作成本。因此，準確的預測用氣量以及用氣模式，可以減少燃氣企業(yè)不必要的經(jīng)濟損失，也能保障天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的正常、經(jīng)濟運轉(zhuǎn)。
②管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)
在城市燃氣規(guī)劃、設(shè)計中需要年供氣量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便確定系統(tǒng)的配置規(guī)模，計算項目的經(jīng)濟性和確定建設(shè)所需的資金。在工程項目的設(shè)計階段，燃氣負荷是各種計算的基礎(chǔ)。對管網(wǎng)進行靜態(tài)水力計算時，則需要知道用氣負荷的小時峰值。
③儲氣設(shè)施設(shè)計的依據(jù)
在儲氣設(shè)施設(shè)計以及分配管網(wǎng)設(shè)計或確定制氣設(shè)備能力時，需要知道用氣負荷隨時間變化的規(guī)律。儲氣設(shè)施的儲氣規(guī)模主要取決于工作氣量，所以一定要選擇大小合適的儲氣構(gòu)造，以便提高儲氣設(shè)施的經(jīng)濟性。
④工程技術(shù)分析的依據(jù)
在進行工程技術(shù)問題分析時，往往要將其放在用氣工況的背景下進行研究。如對輸配系統(tǒng)的有效性分析等。在這樣的一些分析中需要典型化的負荷變化，而典型化的負荷模型是從對已有負荷數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)上建立起來的。
⑤燃氣管網(wǎng)管理現(xiàn)代化的手段
在燃氣系統(tǒng)中，燃氣負荷數(shù)據(jù)對項目的規(guī)劃、工程設(shè)計中設(shè)施和設(shè)備容量的確定、運行與調(diào)度以及工程技術(shù)分析都有著根本的意義。雖然我國許多城市的燃氣輸配管網(wǎng)都安裝了計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)，但是就其功能來說，發(fā)揮得還遠遠不夠，如果對這些資源作更深層次的開發(fā)和應用，則必將更充分發(fā)揮其作用，從而進一步提高其投資效益。而燃氣管網(wǎng)的負荷預測就是這類待開發(fā)研究的重要內(nèi)容之一。
⑥經(jīng)濟調(diào)度的依據(jù)
對城市燃氣系統(tǒng)來說，必須對用戶可靠而經(jīng)濟的進行供氣，以隨時滿足用戶用氣的需求。同時還要考慮在確保系統(tǒng)安全的情況下盡量減少儲氣量，降低儲氣成本。
3 預測理論
預測是對尚未發(fā)生或目前還不明確的事物進行預先的估計和推測，是在一定的理論指導下，以事物發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀為出發(fā)點，以調(diào)查研究數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，在對事物發(fā)展過程進行深刻的定性分析和嚴密的計量基礎(chǔ)上，利用已經(jīng)掌握的知識和手段，研究并認識事物的發(fā)展變化規(guī)律，進而對事物發(fā)展的未來變化預先做出科學的推測。預測活動普遍存在于人類社會的各個領(lǐng)域，與社會科學和自然科學緊密聯(lián)系。預測研究是一種跨學科、跨領(lǐng)域、跨部門的研究。科學性預測是根據(jù)過去的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗等信息，運用一定的程序、方法和模型，分析預測對象與有關(guān)因素的相互聯(lián)系，從而總結(jié)出預測對象的特性和變化規(guī)律。近似預測是在事物發(fā)生之前對其狀態(tài)的估計和推測。然而事物的發(fā)展不是簡單的重復，總要受到各種不斷變化的因素的影響，因此，事前的預測和實際的結(jié)果往往會出現(xiàn)一定的偏差，只能是一個近似值。
4 燃氣負荷理論
在燃氣行業(yè)，燃氣負荷是各種計算的基礎(chǔ)。燃氣終端用戶在一段時間內(nèi)對燃氣的需用即形成燃氣負荷。燃氣負荷和時間一般都以離散形式取值。燃氣負荷在一個時段內(nèi)隨時間的變化稱為燃氣需用工況，表明了用氣不均勻性。最常用的燃氣負荷數(shù)據(jù)是其總量、幅值和時間序列變化。
4.1 燃氣負荷的特征
燃氣負荷是由為數(shù)眾多的各類用戶的用氣所構(gòu)成，在燃氣供應系統(tǒng)中，用氣設(shè)備數(shù)量和類型情況經(jīng)常有所變動，不斷有用戶接入，也不排除有用戶撤出。影響燃氣負荷的各種自然的、社會的、經(jīng)濟的條件總處在變化之中，燃氣用具或設(shè)備的使用情況是隨機的。
①隨機性和統(tǒng)計特性
從單個居民用戶看，用氣及用氣量是隨機的。如一日內(nèi)最高用氣時段出現(xiàn)的時刻具有某種頻率分布，而在最高用氣時段中的用氣量多少，也是一種隨機變量，近似服從正態(tài)分布。對于其它類型用戶用氣表現(xiàn)在用氣總體上分別具有分布情況各異的隨機性。但是數(shù)據(jù)表明國內(nèi)外若干城市一日之內(nèi)的居民用氣最大小時流量與日用氣量的比值服從正態(tài)分布。燃氣負荷具有的隨機性和統(tǒng)計特性除在高峰小時負荷上表現(xiàn)之外，在日負荷、月負荷也有表現(xiàn)。
②擬周期性
中、短期燃氣負荷在變化形態(tài)上表現(xiàn)有起伏的周期，主要由氣候變化或生活與生產(chǎn)活動規(guī)律所致。一些數(shù)字特征重復出現(xiàn)，但在數(shù)值上并不嚴格地重復。對于這種具有近似周期性的燃氣負荷參數(shù)，數(shù)學上可考慮用函數(shù)關(guān)系予以表達，適合的工具是傅立葉級數(shù)。
③發(fā)展趨勢性，
較長一個時段的燃氣負荷是一個隨時間推移的時間序列，往往具有規(guī)律性的發(fā)展趨勢。主要是由于用戶數(shù)增長和社會經(jīng)濟較穩(wěn)定發(fā)展的環(huán)境的。對于這種特性，為描述負荷的變化趨勢，多項式擬合、灰色預測方法或是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法都是十分有用的工具。
4.2 燃氣負荷預測的特點
燃氣負荷預測按照時間可分為長期、中期、短期、四類。長期預測可長達10~30年，用于氣源和燃氣管網(wǎng)的發(fā)展，需要數(shù)年至數(shù)十年的負荷值，其目的在于提供宏觀決策的依據(jù)，使燃氣管網(wǎng)建設(shè)滿足國民經(jīng)濟增長和人民生活水平提高。中期預測常為5~6年，可用于后期工程，確定生產(chǎn)能力，安排設(shè)備的更新維修等。短期負荷預測指幾個月、幾周、幾天、幾小時，可對燃氣調(diào)峰起指導作用，用于安排燃氣生產(chǎn)計劃，確定燃氣的產(chǎn)量、存儲量。
由于負荷預測是根據(jù)負荷的過去和現(xiàn)在推測未來數(shù)據(jù)，所以負荷預測工作所研究的對象是隨機事件，需要人們采用適當?shù)念A測技術(shù)，推測負荷的發(fā)展趨勢，這使得負荷預測具有以下特點：
①不完全準確性
燃氣負荷未來的發(fā)展要受到多種多樣復雜因素的影響，而且各種影響因素是發(fā)展變化的。人們對于這些發(fā)展變化有些能夠預先估計，有些卻很難預見到，加上一些臨時情況發(fā)生變化的影響，這就決定了預測結(jié)果的不完全準確性。
②條件性
各種負荷預測都是在一定條件下做出來的。對于條件而言，又可分為必然條件和假設(shè)條件兩種，如果預測員真正掌握了燃氣負荷的本質(zhì)規(guī)律，那么預測條件就是必然條件，所做出的預測往往比較可靠。而在很多情況下，由于負荷未來發(fā)展的不確定性，所以就需要一些假設(shè)條件。
③時間性
各種預測都有一定的時間范圍，因為負荷預測屬于科學預測的范疇，因此，要求有比較確切的數(shù)量概念。
④多方案性
由于預測的不準確性和條件性，所以有時要求對負荷在各種情況下可能的發(fā)展狀況進行預測，就會得到各種條件下不同的預測方案。
5 燃氣負荷預測的基本原理
負荷預測工作是根據(jù)燃氣負荷的變化規(guī)律，預計或判斷其未來發(fā)展趨勢和狀況的活動，以下幾個負荷預測工作的基本原理既證明了負荷預測的科學性，又可根據(jù)不同的原理組成不同的預測方案，可用于指導負荷預測工作。
①可知性原理
根據(jù)對象的發(fā)展規(guī)律，未來的發(fā)展趨勢和狀況是可以為人們知道的?？陀^世界是可以被認識的，人們不但可以認識它的過去和現(xiàn)在，而且可以通過總結(jié)它的過去和現(xiàn)在來推測未來，這也是人們進行預測活動的基本依據(jù)。
②連續(xù)性原理
這也就是前面所說的慣性原理，指預測對象的發(fā)展是一個連續(xù)統(tǒng)一的過程，其未來發(fā)展是這個過程的繼續(xù)。它強調(diào)了預測對象總是從過去發(fā)展到現(xiàn)在，再從現(xiàn)在發(fā)展到未來。它是我們進行燃氣負荷預測的主要依據(jù)，也是本文采用ANN預測方案的依據(jù)之一。
③相似性原理
客觀世界中有些事物發(fā)展之間存在著相似之處，人們可以利用這種相似性進行預測。即人們根據(jù)事物已知的發(fā)展過程和狀況，來預測對象的未來發(fā)展過程和狀況。
④反饋性原理
反饋性原理就是利用輸出返回到輸入端，再調(diào)節(jié)輸出結(jié)果。預測的反饋性原理實際上是為了提高預測的準確性而進行的反饋調(diào)節(jié)。當預測結(jié)果和經(jīng)過一段時間所得的實際值存在著差距時，可利用這個差距，對遠期預測值進行反饋調(diào)節(jié)，以提高預測的準確性。
⑤系統(tǒng)性原理
系統(tǒng)性原理認為預測對象是一個完整的系統(tǒng)，它本身有內(nèi)在的系統(tǒng)，它與外界事物的聯(lián)系又形成了它的外在系統(tǒng)，這些系統(tǒng)綜合成一個完整的總系統(tǒng)，都要進行考慮。預測對象的未來發(fā)展是系統(tǒng)整體的動態(tài)發(fā)展，而且整個系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展與它的各個組成部分和影響因素之間的相互作用和相互影響密切相關(guān)。它強調(diào)系統(tǒng)整體最佳，只有系統(tǒng)整體最佳的預測，才是高質(zhì)量的預測。
6 燃氣負荷預測的影響因素
①時間因素
燃氣負荷的產(chǎn)生源于人們的生產(chǎn)生活活動。而人們的生產(chǎn)生活活動本身具有固有的周期性，反映到負荷中即負荷本身具有較強的周期性，而且是大周期套小周期。負荷的周期性大致可以分為日負荷的年度周期、小時負荷的日周期、和法定節(jié)假日周期等。隨著季節(jié)性變化量如溫度的變化，負荷的行為也相應進行確定的變化；日周期則反映了人們一天工作和生活習慣，通常在凌晨達到最低點，到中午和傍晚達到兩個高峰；法定節(jié)假日的負荷則明顯地比平常低，甚至節(jié)假日前后的負荷行為也要受到影響。節(jié)假日負荷與平常日相比有很大的變化，如在春節(jié)期間燃氣負荷曲線便呈現(xiàn)出長時間大幅度的變形。
②氣象因素
當用戶發(fā)展到一定規(guī)模并趨于穩(wěn)定時，溫度是影響短期負荷最主要的因素。例如采暖負荷具有明顯的季節(jié)性，而且隨著人們環(huán)保意識的增強，冬季采暖用氣量一直持續(xù)增長。溫度是對燃氣負荷影響最重要的氣候變量，通過對若干地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和燃氣負荷數(shù)據(jù)的相關(guān)性進行研究時，發(fā)現(xiàn)，燃氣負荷數(shù)值與氣溫的變化呈嚴重的負相關(guān)，也就是說，隨著溫度的降低燃氣負荷數(shù)值增大。例如冬季的寒流會使燃氣負荷急劇增加。同時，濕度、風速、天氣狀況等天氣因素都會對負荷產(chǎn)生相當?shù)挠绊?。所以，在對負荷進行建模時應對天氣因素的影響進行細致的考慮。
③用戶構(gòu)成
燃氣系統(tǒng)是具有多類用戶的大系統(tǒng)，各類用戶的用氣工況和特點都不相同。隨著燃氣應用領(lǐng)域的擴大，一些新的用戶如燃氣汽車、燃氣直燃機等用氣量的增多必然會使負荷的規(guī)律發(fā)生變化。另外，對于采暖用戶比例大的城市，其月不均勻系數(shù)必然增大；燃氣工業(yè)用戶比例小的城市，其小時不均勻性也必然增大；燃氣直燃機用戶多的城市，其冬夏最高與最低負荷比值減小。
④經(jīng)濟因素
燃氣系統(tǒng)總是覆蓋著一定的區(qū)域，該區(qū)域的經(jīng)濟因素，如人口、工業(yè)水平、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展等都反映了一定的燃氣負荷需求。經(jīng)濟發(fā)展也是燃氣系統(tǒng)負荷增長的主要因素。而負荷的基荷部分往往和系統(tǒng)所在地區(qū)的經(jīng)濟因素密切相關(guān)。由于一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有連續(xù)性，所以在年或季節(jié)的預測中應考慮該因素，在短期的負荷預測中一般不考慮它們的影響。另外，在能源利用方面，燃氣與電能之間一直存在競爭問題，燃氣價格是燃氣在城市中使用的重要影響因素。
⑤隨機因素
其它大量引起負荷變化的隨機因素也經(jīng)常存在，由于系統(tǒng)是由許多獨立的用戶所組成，而很多用戶的負荷行為是隨機的，因此系統(tǒng)負荷也具有一定的隨機性。一些特殊事件如大負荷用戶的用氣調(diào)整等都會對燃氣負荷產(chǎn)生較大的影響對于燃氣企業(yè)來說，燃氣負荷預測是一個完整的理論體系。
7 結(jié)論
燃氣負荷預測涉及到供氣系統(tǒng)的安全性、可靠性和燃氣公司經(jīng)濟效益等諸多方面的因素。不論是優(yōu)化設(shè)計，還是優(yōu)化運行，首要解決的是對天然氣用氣負荷進行科學的預測問題和在安全、可靠、經(jīng)濟的條件下滿足城市用氣要求的調(diào)峰問題，而調(diào)峰問題是燃氣用氣負荷問題的再現(xiàn)，因此城市燃氣負荷的研究為燃氣管網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)和對長輸管線優(yōu)化運行都有重要意義。在進行燃氣系統(tǒng)的負荷預測時，我們應該按照以下步驟：確定燃氣系統(tǒng)負荷預測的內(nèi)容(年度負荷、月度負荷、日負荷或者小時負荷)，搜集相應的歷史數(shù)據(jù)等材料；分析整理統(tǒng)計資料，使其具有正確性、完整性、可比性和連慣性，能夠反映負荷發(fā)展的規(guī)律性；選擇適合于預測對象的預測模型；用預測模型進行預測。
參考文獻
[1]苗艷姝. 城市燃氣負荷預測的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006
[2]楊苑鶯. 小城鎮(zhèn)居民生活用氣規(guī)律及短期負荷預測[D]. 重慶：重慶大學，2006
[3]焦文玲，秦裕琨，趙林波. 城市燃氣負荷預測系統(tǒng)體系研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(1)：155～157
關(guān)鍵詞：城市燃氣；負荷預測；預測系統(tǒng)；
SONG Han-cheng1，LIU Feng2，ZHANG Ying3
(1. R&D Center of PetroChina Pipeline，Langfang，065000，China；3. Oil port filiale of Qingdao port，Qingdao 266500，China；4. Oil product dock of Dalian port，Dalian 116013，China)
Abstract：It is a very important research task to understand the gas-consumptive orderliness and forecast city gas load，for one hand，it will affect the planning of city gas pipe network，on the other hand，it is connected to the investment benefits and security of entire natural gas pipelines，and it’s meaningful for city gas optimizing attemperation and gas pipeline optimizing operation，which builds the important foundations for enriching and improving the theory and technology of gas delivery，and is helpful to convert the theory and technology for med initially in the field into the practice.
Keywords：City gas； load forecasting； forecasting system；
0 引言
在燃氣供應系統(tǒng)中，燃氣負荷數(shù)據(jù)對項目規(guī)劃、工程設(shè)計、管網(wǎng)運行與調(diào)度以及工程經(jīng)濟技術(shù)分析都有著根本意義。生產(chǎn)運行中各時段的負荷預測，可提供氣源生產(chǎn)計劃，是實現(xiàn)管網(wǎng)檢修計劃、輸配調(diào)度的基礎(chǔ)。準確及時的負荷預測，可優(yōu)化輸配調(diào)度，提高運行效率，節(jié)約能源，降低成本。燃氣負荷預測對天然氣 “照付不議”銷售合同有著極大的影響。按照國際慣例，“照付不議”是指在某一合同年內(nèi)，若買方?jīng)]有用完該合同年的照付不議量，對這部分燃氣量，買方也應支付。這就要求買方做好照付不議負荷量的預測。若預測值偏大，則造成直接經(jīng)濟損失，若偏小，又不能滿足用戶用氣量需求和進一步的市場開發(fā)，不利于燃氣事業(yè)的健康發(fā)展。
1 燃氣負荷預測的現(xiàn)狀
國外在20世紀末由丹麥的ESI(Energy Solutions International)能源集團公司開始研究城市燃氣管網(wǎng)負荷的預測。該公司提出了采用時間序列分析等方法進行預測的數(shù)學模型，并成功應用于世界多個大型管線輸氣公司的管理系統(tǒng)，其中美國的殼牌公司使用該模型進行管理，每年能節(jié)約70萬英鎊。佛羅里達天然氣公司使用該模型后，每年能節(jié)約16%的壓縮機燃料費，提高了1.7%的輸氣量。北美管道燃氣管理人員稱該模型在6個月內(nèi)為他們節(jié)約了250萬美元的運行費用。最近，ESI能源集團公司在美國、印度、英國、加拿大等國家設(shè)立了分公司，并且開始研究新的預測模型理論?？傊?，發(fā)達國家對燃氣管網(wǎng)負荷預測的研究已達到了較高水平，并取得了成功的應用。
國內(nèi)對城市燃氣負荷的預測研究進展較為緩慢，在上個世紀80年代，上海煤氣公司就與上海交通大學、同濟大學合作研究上海市燃氣負荷預測的問題。1998年天津大學提出了采用時間序列分析法建立多種負荷預測模型，對城市燃氣管網(wǎng)的短期負荷進行了預測，討論了用三角函數(shù)模型進行日負荷預測的問題。1999年，錢凱等從我國天然氣現(xiàn)狀出發(fā)，詳細介紹了數(shù)字模型和情景分析兩個方面的天然氣預測方法，通過具體事例比較各種預測方法預測精度和效果。2001年，肖文暉等人提出了燃氣小時負荷的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測方法，能滿足一般調(diào)度的要求。同年哈爾濱工業(yè)大學提出了用灰色理論解決城市燃氣管網(wǎng)的短期負荷預測問題，提出動態(tài)等維遞補灰色預測模型對燃氣的中長期負荷預測有較好的適應性，且精度較高。焦文玲等針對日負荷在全年范圍內(nèi)明顯受季節(jié)溫度變化的影響，采用指數(shù)平滑法建立日負荷預測模型，得到了較為滿意的結(jié)果。2003年，楊昭等針對天然氣管網(wǎng)負荷變化的特點，提出了用模糊邏輯和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預測天然氣管網(wǎng)的負荷，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的雙重調(diào)節(jié)，大大提高了訓練的速度和預測的精度。
2 燃氣負荷預測的作用
①提供簽訂“燃氣供銷合同”的基礎(chǔ)資料
西氣東輸工程標志著我國天然氣供應商業(yè)化進程的開展。上游供氣方與下游燃氣企業(yè)之間簽訂的照付不議供氣合同中，除了照付不議氣量外，還有超提氣量、最大日供氣量、最大小時供氣量和計劃氣量等諸多條款，以及這些條款對應的經(jīng)濟條款。燃氣公司如果未能依照確定購氣量提氣，需要按照照付不議或者繳付較高的氣價，這樣將提高運作成本。因此，準確的預測用氣量以及用氣模式，可以減少燃氣企業(yè)不必要的經(jīng)濟損失，也能保障天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的正常、經(jīng)濟運轉(zhuǎn)。
②管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)
在城市燃氣規(guī)劃、設(shè)計中需要年供氣量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便確定系統(tǒng)的配置規(guī)模，計算項目的經(jīng)濟性和確定建設(shè)所需的資金。在工程項目的設(shè)計階段，燃氣負荷是各種計算的基礎(chǔ)。對管網(wǎng)進行靜態(tài)水力計算時，則需要知道用氣負荷的小時峰值。
③儲氣設(shè)施設(shè)計的依據(jù)
在儲氣設(shè)施設(shè)計以及分配管網(wǎng)設(shè)計或確定制氣設(shè)備能力時，需要知道用氣負荷隨時間變化的規(guī)律。儲氣設(shè)施的儲氣規(guī)模主要取決于工作氣量，所以一定要選擇大小合適的儲氣構(gòu)造，以便提高儲氣設(shè)施的經(jīng)濟性。
④工程技術(shù)分析的依據(jù)
在進行工程技術(shù)問題分析時，往往要將其放在用氣工況的背景下進行研究。如對輸配系統(tǒng)的有效性分析等。在這樣的一些分析中需要典型化的負荷變化，而典型化的負荷模型是從對已有負荷數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)上建立起來的。
⑤燃氣管網(wǎng)管理現(xiàn)代化的手段
在燃氣系統(tǒng)中，燃氣負荷數(shù)據(jù)對項目的規(guī)劃、工程設(shè)計中設(shè)施和設(shè)備容量的確定、運行與調(diào)度以及工程技術(shù)分析都有著根本的意義。雖然我國許多城市的燃氣輸配管網(wǎng)都安裝了計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)，但是就其功能來說，發(fā)揮得還遠遠不夠，如果對這些資源作更深層次的開發(fā)和應用，則必將更充分發(fā)揮其作用，從而進一步提高其投資效益。而燃氣管網(wǎng)的負荷預測就是這類待開發(fā)研究的重要內(nèi)容之一。
⑥經(jīng)濟調(diào)度的依據(jù)
對城市燃氣系統(tǒng)來說，必須對用戶可靠而經(jīng)濟的進行供氣，以隨時滿足用戶用氣的需求。同時還要考慮在確保系統(tǒng)安全的情況下盡量減少儲氣量，降低儲氣成本。
3 預測理論
預測是對尚未發(fā)生或目前還不明確的事物進行預先的估計和推測，是在一定的理論指導下，以事物發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀為出發(fā)點，以調(diào)查研究數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，在對事物發(fā)展過程進行深刻的定性分析和嚴密的計量基礎(chǔ)上，利用已經(jīng)掌握的知識和手段，研究并認識事物的發(fā)展變化規(guī)律，進而對事物發(fā)展的未來變化預先做出科學的推測。預測活動普遍存在于人類社會的各個領(lǐng)域，與社會科學和自然科學緊密聯(lián)系。預測研究是一種跨學科、跨領(lǐng)域、跨部門的研究。科學性預測是根據(jù)過去的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗等信息，運用一定的程序、方法和模型，分析預測對象與有關(guān)因素的相互聯(lián)系，從而總結(jié)出預測對象的特性和變化規(guī)律。近似預測是在事物發(fā)生之前對其狀態(tài)的估計和推測。然而事物的發(fā)展不是簡單的重復，總要受到各種不斷變化的因素的影響，因此，事前的預測和實際的結(jié)果往往會出現(xiàn)一定的偏差，只能是一個近似值。
4 燃氣負荷理論
在燃氣行業(yè)，燃氣負荷是各種計算的基礎(chǔ)。燃氣終端用戶在一段時間內(nèi)對燃氣的需用即形成燃氣負荷。燃氣負荷和時間一般都以離散形式取值。燃氣負荷在一個時段內(nèi)隨時間的變化稱為燃氣需用工況，表明了用氣不均勻性。最常用的燃氣負荷數(shù)據(jù)是其總量、幅值和時間序列變化。
4.1 燃氣負荷的特征
燃氣負荷是由為數(shù)眾多的各類用戶的用氣所構(gòu)成，在燃氣供應系統(tǒng)中，用氣設(shè)備數(shù)量和類型情況經(jīng)常有所變動，不斷有用戶接入，也不排除有用戶撤出。影響燃氣負荷的各種自然的、社會的、經(jīng)濟的條件總處在變化之中，燃氣用具或設(shè)備的使用情況是隨機的。
①隨機性和統(tǒng)計特性
從單個居民用戶看，用氣及用氣量是隨機的。如一日內(nèi)最高用氣時段出現(xiàn)的時刻具有某種頻率分布，而在最高用氣時段中的用氣量多少，也是一種隨機變量，近似服從正態(tài)分布。對于其它類型用戶用氣表現(xiàn)在用氣總體上分別具有分布情況各異的隨機性。但是數(shù)據(jù)表明國內(nèi)外若干城市一日之內(nèi)的居民用氣最大小時流量與日用氣量的比值服從正態(tài)分布。燃氣負荷具有的隨機性和統(tǒng)計特性除在高峰小時負荷上表現(xiàn)之外，在日負荷、月負荷也有表現(xiàn)。
②擬周期性
中、短期燃氣負荷在變化形態(tài)上表現(xiàn)有起伏的周期，主要由氣候變化或生活與生產(chǎn)活動規(guī)律所致。一些數(shù)字特征重復出現(xiàn)，但在數(shù)值上并不嚴格地重復。對于這種具有近似周期性的燃氣負荷參數(shù)，數(shù)學上可考慮用函數(shù)關(guān)系予以表達，適合的工具是傅立葉級數(shù)。
③發(fā)展趨勢性，
較長一個時段的燃氣負荷是一個隨時間推移的時間序列，往往具有規(guī)律性的發(fā)展趨勢。主要是由于用戶數(shù)增長和社會經(jīng)濟較穩(wěn)定發(fā)展的環(huán)境的。對于這種特性，為描述負荷的變化趨勢，多項式擬合、灰色預測方法或是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法都是十分有用的工具。
4.2 燃氣負荷預測的特點
燃氣負荷預測按照時間可分為長期、中期、短期、四類。長期預測可長達10~30年，用于氣源和燃氣管網(wǎng)的發(fā)展，需要數(shù)年至數(shù)十年的負荷值，其目的在于提供宏觀決策的依據(jù)，使燃氣管網(wǎng)建設(shè)滿足國民經(jīng)濟增長和人民生活水平提高。中期預測常為5~6年，可用于后期工程，確定生產(chǎn)能力，安排設(shè)備的更新維修等。短期負荷預測指幾個月、幾周、幾天、幾小時，可對燃氣調(diào)峰起指導作用，用于安排燃氣生產(chǎn)計劃，確定燃氣的產(chǎn)量、存儲量。
由于負荷預測是根據(jù)負荷的過去和現(xiàn)在推測未來數(shù)據(jù)，所以負荷預測工作所研究的對象是隨機事件，需要人們采用適當?shù)念A測技術(shù)，推測負荷的發(fā)展趨勢，這使得負荷預測具有以下特點：
①不完全準確性
燃氣負荷未來的發(fā)展要受到多種多樣復雜因素的影響，而且各種影響因素是發(fā)展變化的。人們對于這些發(fā)展變化有些能夠預先估計，有些卻很難預見到，加上一些臨時情況發(fā)生變化的影響，這就決定了預測結(jié)果的不完全準確性。
②條件性
各種負荷預測都是在一定條件下做出來的。對于條件而言，又可分為必然條件和假設(shè)條件兩種，如果預測員真正掌握了燃氣負荷的本質(zhì)規(guī)律，那么預測條件就是必然條件，所做出的預測往往比較可靠。而在很多情況下，由于負荷未來發(fā)展的不確定性，所以就需要一些假設(shè)條件。
③時間性
各種預測都有一定的時間范圍，因為負荷預測屬于科學預測的范疇，因此，要求有比較確切的數(shù)量概念。
④多方案性
由于預測的不準確性和條件性，所以有時要求對負荷在各種情況下可能的發(fā)展狀況進行預測，就會得到各種條件下不同的預測方案。
5 燃氣負荷預測的基本原理
負荷預測工作是根據(jù)燃氣負荷的變化規(guī)律，預計或判斷其未來發(fā)展趨勢和狀況的活動，以下幾個負荷預測工作的基本原理既證明了負荷預測的科學性，又可根據(jù)不同的原理組成不同的預測方案，可用于指導負荷預測工作。
①可知性原理
根據(jù)對象的發(fā)展規(guī)律，未來的發(fā)展趨勢和狀況是可以為人們知道的?？陀^世界是可以被認識的，人們不但可以認識它的過去和現(xiàn)在，而且可以通過總結(jié)它的過去和現(xiàn)在來推測未來，這也是人們進行預測活動的基本依據(jù)。
②連續(xù)性原理
這也就是前面所說的慣性原理，指預測對象的發(fā)展是一個連續(xù)統(tǒng)一的過程，其未來發(fā)展是這個過程的繼續(xù)。它強調(diào)了預測對象總是從過去發(fā)展到現(xiàn)在，再從現(xiàn)在發(fā)展到未來。它是我們進行燃氣負荷預測的主要依據(jù)，也是本文采用ANN預測方案的依據(jù)之一。
③相似性原理
客觀世界中有些事物發(fā)展之間存在著相似之處，人們可以利用這種相似性進行預測。即人們根據(jù)事物已知的發(fā)展過程和狀況，來預測對象的未來發(fā)展過程和狀況。
④反饋性原理
反饋性原理就是利用輸出返回到輸入端，再調(diào)節(jié)輸出結(jié)果。預測的反饋性原理實際上是為了提高預測的準確性而進行的反饋調(diào)節(jié)。當預測結(jié)果和經(jīng)過一段時間所得的實際值存在著差距時，可利用這個差距，對遠期預測值進行反饋調(diào)節(jié)，以提高預測的準確性。
⑤系統(tǒng)性原理
系統(tǒng)性原理認為預測對象是一個完整的系統(tǒng)，它本身有內(nèi)在的系統(tǒng)，它與外界事物的聯(lián)系又形成了它的外在系統(tǒng)，這些系統(tǒng)綜合成一個完整的總系統(tǒng)，都要進行考慮。預測對象的未來發(fā)展是系統(tǒng)整體的動態(tài)發(fā)展，而且整個系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展與它的各個組成部分和影響因素之間的相互作用和相互影響密切相關(guān)。它強調(diào)系統(tǒng)整體最佳，只有系統(tǒng)整體最佳的預測，才是高質(zhì)量的預測。
6 燃氣負荷預測的影響因素
①時間因素
燃氣負荷的產(chǎn)生源于人們的生產(chǎn)生活活動。而人們的生產(chǎn)生活活動本身具有固有的周期性，反映到負荷中即負荷本身具有較強的周期性，而且是大周期套小周期。負荷的周期性大致可以分為日負荷的年度周期、小時負荷的日周期、和法定節(jié)假日周期等。隨著季節(jié)性變化量如溫度的變化，負荷的行為也相應進行確定的變化；日周期則反映了人們一天工作和生活習慣，通常在凌晨達到最低點，到中午和傍晚達到兩個高峰；法定節(jié)假日的負荷則明顯地比平常低，甚至節(jié)假日前后的負荷行為也要受到影響。節(jié)假日負荷與平常日相比有很大的變化，如在春節(jié)期間燃氣負荷曲線便呈現(xiàn)出長時間大幅度的變形。
②氣象因素
當用戶發(fā)展到一定規(guī)模并趨于穩(wěn)定時，溫度是影響短期負荷最主要的因素。例如采暖負荷具有明顯的季節(jié)性，而且隨著人們環(huán)保意識的增強，冬季采暖用氣量一直持續(xù)增長。溫度是對燃氣負荷影響最重要的氣候變量，通過對若干地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和燃氣負荷數(shù)據(jù)的相關(guān)性進行研究時，發(fā)現(xiàn)，燃氣負荷數(shù)值與氣溫的變化呈嚴重的負相關(guān)，也就是說，隨著溫度的降低燃氣負荷數(shù)值增大。例如冬季的寒流會使燃氣負荷急劇增加。同時，濕度、風速、天氣狀況等天氣因素都會對負荷產(chǎn)生相當?shù)挠绊?。所以，在對負荷進行建模時應對天氣因素的影響進行細致的考慮。
③用戶構(gòu)成
燃氣系統(tǒng)是具有多類用戶的大系統(tǒng)，各類用戶的用氣工況和特點都不相同。隨著燃氣應用領(lǐng)域的擴大，一些新的用戶如燃氣汽車、燃氣直燃機等用氣量的增多必然會使負荷的規(guī)律發(fā)生變化。另外，對于采暖用戶比例大的城市，其月不均勻系數(shù)必然增大；燃氣工業(yè)用戶比例小的城市，其小時不均勻性也必然增大；燃氣直燃機用戶多的城市，其冬夏最高與最低負荷比值減小。
④經(jīng)濟因素
燃氣系統(tǒng)總是覆蓋著一定的區(qū)域，該區(qū)域的經(jīng)濟因素，如人口、工業(yè)水平、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展等都反映了一定的燃氣負荷需求。經(jīng)濟發(fā)展也是燃氣系統(tǒng)負荷增長的主要因素。而負荷的基荷部分往往和系統(tǒng)所在地區(qū)的經(jīng)濟因素密切相關(guān)。由于一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有連續(xù)性，所以在年或季節(jié)的預測中應考慮該因素，在短期的負荷預測中一般不考慮它們的影響。另外，在能源利用方面，燃氣與電能之間一直存在競爭問題，燃氣價格是燃氣在城市中使用的重要影響因素。
⑤隨機因素
其它大量引起負荷變化的隨機因素也經(jīng)常存在，由于系統(tǒng)是由許多獨立的用戶所組成，而很多用戶的負荷行為是隨機的，因此系統(tǒng)負荷也具有一定的隨機性。一些特殊事件如大負荷用戶的用氣調(diào)整等都會對燃氣負荷產(chǎn)生較大的影響對于燃氣企業(yè)來說，燃氣負荷預測是一個完整的理論體系。
7 結(jié)論
燃氣負荷預測涉及到供氣系統(tǒng)的安全性、可靠性和燃氣公司經(jīng)濟效益等諸多方面的因素。不論是優(yōu)化設(shè)計，還是優(yōu)化運行，首要解決的是對天然氣用氣負荷進行科學的預測問題和在安全、可靠、經(jīng)濟的條件下滿足城市用氣要求的調(diào)峰問題，而調(diào)峰問題是燃氣用氣負荷問題的再現(xiàn)，因此城市燃氣負荷的研究為燃氣管網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)和對長輸管線優(yōu)化運行都有重要意義。在進行燃氣系統(tǒng)的負荷預測時，我們應該按照以下步驟：確定燃氣系統(tǒng)負荷預測的內(nèi)容(年度負荷、月度負荷、日負荷或者小時負荷)，搜集相應的歷史數(shù)據(jù)等材料；分析整理統(tǒng)計資料，使其具有正確性、完整性、可比性和連慣性，能夠反映負荷發(fā)展的規(guī)律性；選擇適合于預測對象的預測模型；用預測模型進行預測。
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