城市规划用气负荷预测研究

【摘要】 据预测，天然气在未来的数十年内，将作为消费增长速度最快的化石燃料广泛应用。作为主要能源消费增长动力的中国，为摆脱煤炭密集型工业化，大力发展高效清洁的天然气，使之将成为城市的重要能源。由于天然气市场的快速发展，城市天然气利用规划和可行性研究工作在各省市地区积极开展。规划用气负荷预测是城市规划工作的重点和难点，预测结果准确与否关系到供气规划方案的经济性和管网供气的安全性。本课题希望通过对城市规划用气负荷预测的相关研究，为规划工作提供指导。本文首先介绍了国内外在城市规划用气负荷预测研究工作中取得的成果，并指出存在的问题，在此基础上，结合华北某市的用气数据，针对用气用户的发展规律，城市用气月负荷的时序变化和日不均匀系数的分布规律三个方面分别进行了研究。通过移动平均比例法建模，分析了用气用户及设备发展的长期趋势和季节变动规律；将X-12-ARIMA程序引入用气月负荷时序分析中，解释了月用气负荷变动趋势和季节特征，建立了基于X-11方法的温度修正月用气负荷长期预测模型，经验证取得了较好的预测效果；采用数理统计的方法，分析了日不均匀系数的分布规律，建立了相应的概率分布函数，对工程设计中高峰系数的取值提出了建议。综合上述研究成果和其他规划用气预测方法，采用VB.NET及MATALB混合编程开发城市规划用气负荷预测软件。该软件以用气数据分析及规划用气预测为主要目的，集成常用的数学分析及预测模型，具有较强的适用性和拓展性，对于天然气规划工作具有重要的参考意义。 

第1章  绪论

1.1  课题来源及研究目的和意义

1.1.1  课题来源及任务

本课题来源于 B 市燃气集团委托项目。课题研究任务是通过对 B 城用气规律及用户发展情况的系统研究，建立动态的规划负荷预测模型，开发相应的预测软件，实现规划年度从年、月至高峰日的全方位负荷预测。

1.1.2  课题研究的背景及意义

1.1.2.1  国内外天然气市场现状

在全球经济增长减缓的背景下，2012 年全球能源消费增速大幅下降，低于过去十年 2.6%的平均增速，一次能源消费仅增长 1.8%。其中天然气占一次能源消费的 23.9%，消费增长速度 2.2%，也低于历史平均水平的 2.7%，与欧盟和前苏联地区的消费下滑有关，而在中南美洲、非洲和北美洲，天然气消费增长均超过历史平均水平，美国消费增量居全球首位，亚洲的中国和日本其次。从截止至 2012 年统计的数据来看（图 1-1），虽然全球能源消费增速大幅下降，但是世界天然气供需呈平稳增长态势；天然气资源探明储量增长幅度大，潜力巨大；天然气产量稳步提高，区域进出口增量提升快；天然气消费呈现稳步增长态势，，市场供需基本平衡。

1.2  规划用气负荷预测研究现状

规划用气负荷预测属于中长期负荷预测，从时间跨度上来说，预测年限为5~15 年或 15 年以上；用于城市天然气发展规划方案的制定或资源开发及一定规模项目建设如储气调峰设施的需要；中长期负荷变化表现为趋势性和周期性，是由当地经济社会发展的阶段性所确定的；与短期负荷不同，与天气等即时因素无太大关系，而受到当地经济发展、政府政策、地理位置、燃气价格、能源结构等多种不确定因素影响，一定程度上受人为因素的制约；不适宜通过单纯的数学建模来实现，而是在基于用气数据规律研究的基础上，再按规划期年度安排调整。

目前城市规划用气负荷预测的一般做法是，论证近、远期气源的供气能力，确定供气规模；根据规划地区供气对象规划安排、各类用户用气比例关系、居民用气气化率及各类用户用气指标确定城市规划用气量。

1.2.1  国外研究现状

1.2.1.1  负荷预测研究工作概况

国外对于天然气市场发展预测的研究起步于上世纪中叶，在最后十年相关研究活动激增，并取得了大量的成果。克罗地亚电力集团 Bozidar Soldo对至今的天然气负荷预测方法做了较为全面的综述，从负荷预测的历史发展、应用领域、预测时段、数据类型和预测手段几个方面进行了介绍，涵盖了 1949~2010年国际上负荷预测的成果。下表给出针对不同预测对象采用的输入变量。

采用的燃气负荷预测模型包括 Hubbert 曲线模型、统计模型、人工神经网络、灰色预测模型、条件需求分析、计量经济模型、专家系统、随机龚帕兹扩散模型、动力学系统模型和模拟退火法等。

在所发表的文献中，大多数作者将重点放在年度和月度天然气消费量、产量和需求量预测上。Bozidar Soldo 认为在世界区域等级（全球、大陆或国度）下的预测手段将在 Hubbert 模型和灰色模型的基础上继续发展，而较低区域等级（国度、地区、燃气输配系统或独立用气单位）天然气预测研究发展方向将会以传统的预测模型的优化组合为主。

第2章  各类用户发展及用气规律研究

2.1  城市用气市场规划概况

十二五时期，B 市燃气市场的发展较十一五时期更加多元化。2005~2013年 B 市天然气市场的实际发展规模如图所示。

经分析，2011～2013 年 B 市天然气市场发展呈现的特点如下：

(1)  居民及商业用气稳步增长

2011 年新增居民用户 24.6 万户，新增商业用户 3408 户；2012 年新增居民用户 33.4 万户，新增商业用户 3084 户；2013 年新增居民用户 18.6 万户，新增商业用户 2556 户。居民及商业用户作为最稳定的天然气用户，占天然气用气总量的比重为 20%以上，在 B 市天然气市场用户构成中的地位仅次于采暖用户和燃气电厂用户。

(2)  采暖及燃气电厂用气占主导地位

燃气电厂用气作为发展速度最快的用气类型，与采暖用气成为 B 市天然气市场的主要支撑用户，2011 年占用气总量的比重为 70.9%，2012 年占用气总量的比重达到 73.1%，2013 年占用气总量的比重达到 74.3%。由于热电联产项目用气量的增加，天然气采暖用气所占比例逐年下降。

(3)  工业用气低位平稳发展

与民用、采暖及发电用气相比，B 市工业用气整体水平较低，发展速度较慢。2011~2013 年工业用气占总用气量的比例分别为 2.4%、1.8%和 1.5%。从发展趋势来看，历年工业用气波动幅度不大。

2.2  用户发展趋势研究

2.2.1  用户发展规律研究

计量经济学中，经济指标的月度或季度时间序列被分解为四种变动要素：长期趋势分量、循环分量、季节变动分量和不规则分量。长期趋势分量反应经济时间序列的长期趋势；循环分量往往表现为以数年为周期的周期性变化，可能是景气变动、经济变动或其他周期变动导致的；季节变动分量是以 12 个月或4 个季度为周期的循环变动，与气候变化、季节更迭、假期和政策等因素有关。季节变动分量与循环分量不同，变动周期固定，而循环分量变动周期长且不固定。不规则分量具有随机性，与偶然事件发生有关，变动无规律可循。  

依据 B 市燃气集团提供的数据，用气用户可分为居民用户、公共服务用户、工业用户、发电用户、采暖制冷用户及其他用户（燃气汽车及三联供）。工业用户保持稳定的增长趋势，居民用户、公共服务用户和采暖制冷用户在稳定增长的同时，也具有明显的季节变化。在建立用户趋势发展模型时，除了考虑用户随时间推移的长期增长趋势，也要考虑由于季节因素带来的波动。

第 3 章  城市月负荷规律研究及预测 ......... 27

3.1  月度时间序列研究概述....... 27

3.1.1  时间序列分析........... 27

3.1.2  相关月度负荷的研究进展 ......... 27

第 4 章  城市日高峰系数研究................ 50

4.1  概述......... 50

4.1.1  燃气日负荷预测................ 50

4.1.2  用气高峰系数的研究意义........50

第 5 章  燃气负荷预测软件的设计............ 63

5.1  燃气负荷预测软件开发现状.............. 63

5.2  负荷预测软件的设计.................. 64

第5章  燃气负荷预测软件的设计

5.1  燃气负荷预测软件开发现状

燃气负荷、负荷特性是设计和运行的基本依据，在燃气设计、生产、调度、输配工作中，负荷预测是一个重要环节，是决定城市燃气管网和配套设施容量，确保供需平衡的关键。燃气负荷预测软件的编制，有利于企业减少初投资，节省不必要的运行投入，保障供气系统运行的安全可靠。目前国内针对不同的燃气负荷需求，开发了相应的预测软件，均取得了不错的效果，但仍存在一些问题。

(1)  负荷预测软件应具有数据分析功能

目前国内负荷预测软件的编制均沿袭着数据分析—模型验证—编写程序—开发软件的模式，通过对生产数据的分析，确定合适于负荷预测的模型，并编写相应的程序。实际上城市燃气负荷系统是一个动态系统，受城市经济发展、政府政策、燃气价格、地理位置、能源结构等多种不确定因素影响，不适宜用单一固定的负荷预测模型。固定模式开发的软件，往往寿命不长，正是由于缺乏对数据实时分析的功能。负荷预测软件的作用，不应局限于建立复杂模型和提高预测精度，而应同时具有数据分析功能，通过对负荷变化规律的监控为预测模型的选择和相关工作的进行提供理论依据。

常用的数据分析方法包括正态检验、回归分析、相关分析和偏相关分析、时间序列分析等。

结论与展望

结论

规划用气负荷预测是城市用气规划工作的重点和难点。随着城市天然气市场的快速发展，对管网的科学规划与有序建设提出了更高的要求，规划负荷预测结果准确与否关系到规划方案的经济性和安全性。本文在国内外相关规划用气研究工作的基础上，结合华北某市用气实际情况，对用气用户及用气设备的发展趋势、城市用气月负荷时序和日不均匀系数的分布规律三个方面进行了分析，并汇集相关研究成果编制城市规划用气负荷预测软件，得到如下结论。

(1)  城市用气用户及设备的发展趋势具有季节性。在对城市用气用户及设备发展趋势研究时发现，研究对象除了保持一定的增长趋势外，也具有明显的季节变化，以包括居民用户、公共服务用户及采暖制冷用户等用气用户和包括锅炉、直燃机、模块炉及分户燃气采暖制冷设备等用气设备尤为明显。在建立用户趋势发展模型时，除了考虑用户随时间推移的长期增长趋势，也要考虑由于季节因素带来的波动。

(2)  气温是影响月用气负荷波动的主要因素。通过 X-12-ARIMA 对城市月用气负荷时序分析时发现，交易日效应并不显著，而极端温度是导致了月度序列离散点出现的主要原因。建立了考虑温度影响成分的 SARIMA 月负荷长期预测模型，并通过 2011~2013 年数据验证，模型误差仅为 6.03%，远优于不考虑温度修正的时序预测模型。

(3)  基于 X-11 的 SARIMA 月负荷长期预测模型弥补了时间序列预测模型在中长期负荷预测中的不足。X-11 季节调整方法能够分离出时间序列的长期趋势和季节变动趋势，通过对长期趋势的建模和季节因子的相位延拓，实现月负荷长期预测，经验证，模型误差仅为 4.36%，优于 SARIMA 时序模型。

参考文献（略）