关键词：城市燃气；负荷预测；预测系统；
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
在燃气供应系统中，燃气负荷数据对项目规划、工程设计、管网运行与调度以及工程经济技术分析都有着根本意义。生产运行中各时段的负荷预测，可提供气源生产计划，是实现管网检修计划、输配调度的基础。准确及时的负荷预测，可优化输配调度，提高运行效率，节约能源，降低成本。燃气负荷预测对天然气 “照付不议”销售合同有着极大的影响。按照国际惯例，“照付不议”是指在某一合同年内，若买方没有用完该合同年的照付不议量，对这部分燃气量，买方也应支付。这就要求买方做好照付不议负荷量的预测。若预测值偏大，则造成直接经济损失，若偏小，又不能满足用户用气量需求和进一步的市场开发，不利于燃气事业的健康发展。
1 燃气负荷预测的现状
国外在20世纪末由丹麦的ESI(Energy Solutions International)能源集团公司开始研究城市燃气管网负荷的预测。该公司提出了采用时间序列分析等方法进行预测的数学模型，并成功应用于世界多个大型管线输气公司的管理系统，其中美国的壳牌公司使用该模型进行管理，每年能节约70万英镑。佛罗里达天然气公司使用该模型后，每年能节约16%的压缩机燃料费，提高了1.7%的输气量。北美管道燃气管理人员称该模型在6个月内为他们节约了250万美元的运行费用。最近，ESI能源集团公司在美国、印度、英国、加拿大等国家设立了分公司，并且开始研究新的预测模型理论。总之，发达国家对燃气管网负荷预测的研究已达到了较高水平，并取得了成功的应用。
国内对城市燃气负荷的预测研究进展较为缓慢，在上个世纪80年代，上海煤气公司就与上海交通大学、同济大学合作研究上海市燃气负荷预测的问题。1998年天津大学提出了采用时间序列分析法建立多种负荷预测模型，对城市燃气管网的短期负荷进行了预测，讨论了用三角函数模型进行日负荷预测的问题。1999年，钱凯等从我国天然气现状出发，详细介绍了数字模型和情景分析两个方面的天然气预测方法，通过具体事例比较各种预测方法预测精度和效果。2001年，肖文晖等人提出了燃气小时负荷的模糊神经网络预测方法，能满足一般调度的要求。同年哈尔滨工业大学提出了用灰色理论解决城市燃气管网的短期负荷预测问题，提出动态等维递补灰色预测模型对燃气的中长期负荷预测有较好的适应性，且精度较高。焦文玲等针对日负荷在全年范围内明显受季节温度变化的影响，采用指数平滑法建立日负荷预测模型，得到了较为满意的结果。2003年，杨昭等针对天然气管网负荷变化的特点，提出了用模糊逻辑和RBF神经网络模型来预测天然气管网的负荷，实现了网络结构和参数的双重调节，大大提高了训练的速度和预测的精度。
2 燃气负荷预测的作用
①提供签订“燃气供销合同”的基础资料
西气东输工程标志着我国天然气供应商业化进程的开展。上游供气方与下游燃气企业之间签订的照付不议供气合同中，除了照付不议气量外，还有超提气量、最大日供气量、最大小时供气量和计划气量等诸多条款，以及这些条款对应的经济条款。燃气公司如果未能依照确定购气量提气，需要按照照付不议或者缴付较高的气价，这样将提高运作成本。因此，准确的预测用气量以及用气模式，可以减少燃气企业不必要的经济损失，也能保障天然气产业链的正常、经济运转。
②管网设计优化的基础
在城市燃气规划、设计中需要年供气量的基础数据，以便确定系统的配置规模，计算项目的经济性和确定建设所需的资金。在工程项目的设计阶段，燃气负荷是各种计算的基础。对管网进行静态水力计算时，则需要知道用气负荷的小时峰值。
③储气设施设计的依据
在储气设施设计以及分配管网设计或确定制气设备能力时，需要知道用气负荷随时间变化的规律。储气设施的储气规模主要取决于工作气量，所以一定要选择大小合适的储气构造，以便提高储气设施的经济性。
④工程技术分析的依据
在进行工程技术问题分析时，往往要将其放在用气工况的背景下进行研究。如对输配系统的有效性分析等。在这样的一些分析中需要典型化的负荷变化，而典型化的负荷模型是从对已有负荷数据研究的基础上建立起来的。
⑤燃气管网管理现代化的手段
在燃气系统中，燃气负荷数据对项目的规划、工程设计中设施和设备容量的确定、运行与调度以及工程技术分析都有着根本的意义。虽然我国许多城市的燃气输配管网都安装了计算机监控管理系统，但是就其功能来说，发挥得还远远不够，如果对这些资源作更深层次的开发和应用，则必将更充分发挥其作用，从而进一步提高其投资效益。而燃气管网的负荷预测就是这类待开发研究的重要内容之一。
⑥经济调度的依据
对城市燃气系统来说，必须对用户可靠而经济的进行供气，以随时满足用户用气的需求。同时还要考虑在确保系统安全的情况下尽量减少储气量，降低储气成本。
3 预测理论
预测是对尚未发生或目前还不明确的事物进行预先的估计和推测，是在一定的理论指导下，以事物发展的历史和现状为出发点，以调查研究数据和统计数据为依据，在对事物发展过程进行深刻的定性分析和严密的计量基础上，利用已经掌握的知识和手段，研究并认识事物的发展变化规律，进而对事物发展的未来变化预先做出科学的推测。预测活动普遍存在于人类社会的各个领域，与社会科学和自然科学紧密联系。预测研究是一种跨学科、跨领域、跨部门的研究。科学性预测是根据过去的统计数据和经验等信息，运用一定的程序、方法和模型，分析预测对象与有关因素的相互联系，从而总结出预测对象的特性和变化规律。近似预测是在事物发生之前对其状态的估计和推测。然而事物的发展不是简单的重复，总要受到各种不断变化的因素的影响，因此，事前的预测和实际的结果往往会出现一定的偏差，只能是一个近似值。
4 燃气负荷理论
在燃气行业，燃气负荷是各种计算的基础。燃气终端用户在一段时间内对燃气的需用即形成燃气负荷。燃气负荷和时间一般都以离散形式取值。燃气负荷在一个时段内随时间的变化称为燃气需用工况，表明了用气不均匀性。最常用的燃气负荷数据是其总量、幅值和时间序列变化。
4.1 燃气负荷的特征
燃气负荷是由为数众多的各类用户的用气所构成，在燃气供应系统中，用气设备数量和类型情况经常有所变动，不断有用户接入，也不排除有用户撤出。影响燃气负荷的各种自然的、社会的、经济的条件总处在变化之中，燃气用具或设备的使用情况是随机的。
①随机性和统计特性
从单个居民用户看，用气及用气量是随机的。如一日内最高用气时段出现的时刻具有某种频率分布，而在最高用气时段中的用气量多少，也是一种随机变量，近似服从正态分布。对于其它类型用户用气表现在用气总体上分别具有分布情况各异的随机性。但是数据表明国内外若干城市一日之内的居民用气最大小时流量与日用气量的比值服从正态分布。燃气负荷具有的随机性和统计特性除在高峰小时负荷上表现之外，在日负荷、月负荷也有表现。
②拟周期性
中、短期燃气负荷在变化形态上表现有起伏的周期，主要由气候变化或生活与生产活动规律所致。一些数字特征重复出现，但在数值上并不严格地重复。对于这种具有近似周期性的燃气负荷参数，数学上可考虑用函数关系予以表达，适合的工具是傅立叶级数。
③发展趋势性，
较长一个时段的燃气负荷是一个随时间推移的时间序列，往往具有规律性的发展趋势。主要是由于用户数增长和社会经济较稳定发展的环境的。对于这种特性，为描述负荷的变化趋势，多项式拟合、灰色预测方法或是人工神经网络方法都是十分有用的工具。
4.2 燃气负荷预测的特点
燃气负荷预测按照时间可分为长期、中期、短期、四类。长期预测可长达10~30年，用于气源和燃气管网的发展，需要数年至数十年的负荷值，其目的在于提供宏观决策的依据，使燃气管网建设满足国民经济增长和人民生活水平提高。中期预测常为5~6年，可用于后期工程，确定生产能力，安排设备的更新维修等。短期负荷预测指几个月、几周、几天、几小时，可对燃气调峰起指导作用，用于安排燃气生产计划，确定燃气的产量、存储量。
由于负荷预测是根据负荷的过去和现在推测未来数据，所以负荷预测工作所研究的对象是随机事件，需要人们采用适当的预测技术，推测负荷的发展趋势，这使得负荷预测具有以下特点：
①不完全准确性
燃气负荷未来的发展要受到多种多样复杂因素的影响，而且各种影响因素是发展变化的。人们对于这些发展变化有些能够预先估计，有些却很难预见到，加上一些临时情况发生变化的影响，这就决定了预测结果的不完全准确性。
②条件性
各种负荷预测都是在一定条件下做出来的。对于条件而言，又可分为必然条件和假设条件两种，如果预测员真正掌握了燃气负荷的本质规律，那么预测条件就是必然条件，所做出的预测往往比较可靠。而在很多情况下，由于负荷未来发展的不确定性，所以就需要一些假设条件。
③时间性
各种预测都有一定的时间范围，因为负荷预测属于科学预测的范畴，因此，要求有比较确切的数量概念。
④多方案性
由于预测的不准确性和条件性，所以有时要求对负荷在各种情况下可能的发展状况进行预测，就会得到各种条件下不同的预测方案。
5 燃气负荷预测的基本原理
负荷预测工作是根据燃气负荷的变化规律，预计或判断其未来发展趋势和状况的活动，以下几个负荷预测工作的基本原理既证明了负荷预测的科学性，又可根据不同的原理组成不同的预测方案，可用于指导负荷预测工作。
①可知性原理
根据对象的发展规律，未来的发展趋势和状况是可以为人们知道的。客观世界是可以被认识的，人们不但可以认识它的过去和现在，而且可以通过总结它的过去和现在来推测未来，这也是人们进行预测活动的基本依据。
②连续性原理
这也就是前面所说的惯性原理，指预测对象的发展是一个连续统一的过程，其未来发展是这个过程的继续。它强调了预测对象总是从过去发展到现在，再从现在发展到未来。它是我们进行燃气负荷预测的主要依据，也是本文采用ANN预测方案的依据之一。
③相似性原理
客观世界中有些事物发展之间存在着相似之处，人们可以利用这种相似性进行预测。即人们根据事物已知的发展过程和状况，来预测对象的未来发展过程和状况。
④反馈性原理
反馈性原理就是利用输出返回到输入端，再调节输出结果。预测的反馈性原理实际上是为了提高预测的准确性而进行的反馈调节。当预测结果和经过一段时间所得的实际值存在着差距时，可利用这个差距，对远期预测值进行反馈调节，以提高预测的准确性。
⑤系统性原理
系统性原理认为预测对象是一个完整的系统，它本身有内在的系统，它与外界事物的联系又形成了它的外在系统，这些系统综合成一个完整的总系统，都要进行考虑。预测对象的未来发展是系统整体的动态发展，而且整个系统的动态发展与它的各个组成部分和影响因素之间的相互作用和相互影响密切相关。它强调系统整体最佳，只有系统整体最佳的预测，才是高质量的预测。
6 燃气负荷预测的影响因素
①时间因素
燃气负荷的产生源于人们的生产生活活动。而人们的生产生活活动本身具有固有的周期性，反映到负荷中即负荷本身具有较强的周期性，而且是大周期套小周期。负荷的周期性大致可以分为日负荷的年度周期、小时负荷的日周期、和法定节假日周期等。随着季节性变化量如温度的变化，负荷的行为也相应进行确定的变化；日周期则反映了人们一天工作和生活习惯，通常在凌晨达到最低点，到中午和傍晚达到两个高峰；法定节假日的负荷则明显地比平常低，甚至节假日前后的负荷行为也要受到影响。节假日负荷与平常日相比有很大的变化，如在春节期间燃气负荷曲线便呈现出长时间大幅度的变形。
②气象因素
当用户发展到一定规模并趋于稳定时，温度是影响短期负荷最主要的因素。例如采暖负荷具有明显的季节性，而且随着人们环保意识的增强，冬季采暖用气量一直持续增长。温度是对燃气负荷影响最重要的气候变量，通过对若干地区的气象数据和燃气负荷数据的相关性进行研究时，发现，燃气负荷数值与气温的变化呈严重的负相关，也就是说，随着温度的降低燃气负荷数值增大。例如冬季的寒流会使燃气负荷急剧增加。同时，湿度、风速、天气状况等天气因素都会对负荷产生相当的影响。所以，在对负荷进行建模时应对天气因素的影响进行细致的考虑。
③用户构成
燃气系统是具有多类用户的大系统，各类用户的用气工况和特点都不相同。随着燃气应用领域的扩大，一些新的用户如燃气汽车、燃气直燃机等用气量的增多必然会使负荷的规律发生变化。另外，对于采暖用户比例大的城市，其月不均匀系数必然增大；燃气工业用户比例小的城市，其小时不均匀性也必然增大；燃气直燃机用户多的城市，其冬夏最高与最低负荷比值减小。
④经济因素
燃气系统总是覆盖着一定的区域，该区域的经济因素，如人口、工业水平、第三产业发展等都反映了一定的燃气负荷需求。经济发展也是燃气系统负荷增长的主要因素。而负荷的基荷部分往往和系统所在地区的经济因素密切相关。由于一个地区经济发展具有连续性，所以在年或季节的预测中应考虑该因素，在短期的负荷预测中一般不考虑它们的影响。另外，在能源利用方面，燃气与电能之间一直存在竞争问题，燃气价格是燃气在城市中使用的重要影响因素。
⑤随机因素
其它大量引起负荷变化的随机因素也经常存在，由于系统是由许多独立的用户所组成，而很多用户的负荷行为是随机的，因此系统负荷也具有一定的随机性。一些特殊事件如大负荷用户的用气调整等都会对燃气负荷产生较大的影响对于燃气企业来说，燃气负荷预测是一个完整的理论体系。
7 结论
燃气负荷预测涉及到供气系统的安全性、可靠性和燃气公司经济效益等诸多方面的因素。不论是优化设计，还是优化运行，首要解决的是对天然气用气负荷进行科学的预测问题和在安全、可靠、经济的条件下满足城市用气要求的调峰问题，而调峰问题是燃气用气负荷问题的再现，因此城市燃气负荷的研究为燃气管网规划提供依据和对长输管线优化运行都有重要意义。在进行燃气系统的负荷预测时，我们应该按照以下步骤：确定燃气系统负荷预测的内容(年度负荷、月度负荷、日负荷或者小时负荷)，搜集相应的历史数据等材料；分析整理统计资料，使其具有正确性、完整性、可比性和连惯性，能够反映负荷发展的规律性；选择适合于预测对象的预测模型；用预测模型进行预测。
参考文献
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