【摘要】 據(jù)預測，天然氣在未來的數(shù)十年內，將作為消費增長速度最快的化石燃料廣泛應用。作為主要能源消費增長動力的中國，為擺脫煤炭密集型工業(yè)化，大力發(fā)展高效清潔的天然氣，使之將成為城市的重要能源。由于天然氣市場的快速發(fā)展，城市天然氣利用規(guī)劃和可行性研究工作在各省市地區(qū)積極開展。規(guī)劃用氣負荷預測是城市規(guī)劃工作的重點和難點，預測結果準確與否關系到供氣規(guī)劃方案的經(jīng)濟性和管網(wǎng)供氣的安全性。本課題希望通過對城市規(guī)劃用氣負荷預測的相關研究，為規(guī)劃工作提供指導。本文首先介紹了國內外在城市規(guī)劃用氣負荷預測研究工作中取得的成果，并指出存在的問題，在此基礎上，結合華北某市的用氣數(shù)據(jù)，針對用氣用戶的發(fā)展規(guī)律，城市用氣月負荷的時序變化和日不均勻系數(shù)的分布規(guī)律三個方面分別進行了研究。通過移動平均比例法建模，分析了用氣用戶及設備發(fā)展的長期趨勢和季節(jié)變動規(guī)律；將X-12-ARIMA程序引入用氣月負荷時序分析中，解釋了月用氣負荷變動趨勢和季節(jié)特征，建立了基于X-11方法的溫度修正月用氣負荷長期預測模型，經(jīng)驗證取得了較好的預測效果；采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，分析了日不均勻系數(shù)的分布規(guī)律，建立了相應的概率分布函數(shù)，對工程設計中高峰系數(shù)的取值提出了建議。綜合上述研究成果和其他規(guī)劃用氣預測方法，采用VB.NET及MATALB混合編程開發(fā)城市規(guī)劃用氣負荷預測軟件。該軟件以用氣數(shù)據(jù)分析及規(guī)劃用氣預測為主要目的，集成常用的數(shù)學分析及預測模型，具有較強的適用性和拓展性，對于天然氣規(guī)劃工作具有重要的參考意義。 

第1章  緒論

1.1  課題來源及研究目的和意義

1.1.1  課題來源及任務

本課題來源于 B 市燃氣集團委托項目。課題研究任務是通過對 B 城用氣規(guī)律及用戶發(fā)展情況的系統(tǒng)研究，建立動態(tài)的規(guī)劃負荷預測模型，開發(fā)相應的預測軟件，實現(xiàn)規(guī)劃年度從年、月至高峰日的全方位負荷預測。

1.1.2  課題研究的背景及意義

1.1.2.1  國內外天然氣市場現(xiàn)狀

在全球經(jīng)濟增長減緩的背景下，2012 年全球能源消費增速大幅下降，低于過去十年 2.6%的平均增速，一次能源消費僅增長 1.8%。其中天然氣占一次能源消費的 23.9%，消費增長速度 2.2%，也低于歷史平均水平的 2.7%，與歐盟和前蘇聯(lián)地區(qū)的消費下滑有關，而在中南美洲、非洲和北美洲，天然氣消費增長均超過歷史平均水平，美國消費增量居全球首位，亞洲的中國和日本其次。從截止至 2012 年統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看（圖 1-1），雖然全球能源消費增速大幅下降，但是世界天然氣供需呈平穩(wěn)增長態(tài)勢；天然氣資源探明儲量增長幅度大，潛力巨大；天然氣產(chǎn)量穩(wěn)步提高，區(qū)域進出口增量提升快；天然氣消費呈現(xiàn)穩(wěn)步增長態(tài)勢，，市場供需基本平衡。

1.2  規(guī)劃用氣負荷預測研究現(xiàn)狀

規(guī)劃用氣負荷預測屬于中長期負荷預測，從時間跨度上來說，預測年限為5~15 年或 15 年以上；用于城市天然氣發(fā)展規(guī)劃方案的制定或資源開發(fā)及一定規(guī)模項目建設如儲氣調峰設施的需要；中長期負荷變化表現(xiàn)為趨勢性和周期性，是由當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的階段性所確定的；與短期負荷不同，與天氣等即時因素無太大關系，而受到當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、政府政策、地理位置、燃氣價格、能源結構等多種不確定因素影響，一定程度上受人為因素的制約；不適宜通過單純的數(shù)學建模來實現(xiàn)，而是在基于用氣數(shù)據(jù)規(guī)律研究的基礎上，再按規(guī)劃期年度安排調整。

目前城市規(guī)劃用氣負荷預測的一般做法是，論證近、遠期氣源的供氣能力，確定供氣規(guī)模；根據(jù)規(guī)劃地區(qū)供氣對象規(guī)劃安排、各類用戶用氣比例關系、居民用氣氣化率及各類用戶用氣指標確定城市規(guī)劃用氣量。

1.2.1  國外研究現(xiàn)狀

1.2.1.1  負荷預測研究工作概況

國外對于天然氣市場發(fā)展預測的研究起步于上世紀中葉，在最后十年相關研究活動激增，并取得了大量的成果。克羅地亞電力集團 Bozidar Soldo對至今的天然氣負荷預測方法做了較為全面的綜述，從負荷預測的歷史發(fā)展、應用領域、預測時段、數(shù)據(jù)類型和預測手段幾個方面進行了介紹，涵蓋了 1949~2010年國際上負荷預測的成果。下表給出針對不同預測對象采用的輸入變量。

采用的燃氣負荷預測模型包括 Hubbert 曲線模型、統(tǒng)計模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色預測模型、條件需求分析、計量經(jīng)濟模型、專家系統(tǒng)、隨機龔帕茲擴散模型、動力學系統(tǒng)模型和模擬退火法等。

在所發(fā)表的文獻中，大多數(shù)作者將重點放在年度和月度天然氣消費量、產(chǎn)量和需求量預測上。Bozidar Soldo 認為在世界區(qū)域等級（全球、大陸或國度）下的預測手段將在 Hubbert 模型和灰色模型的基礎上繼續(xù)發(fā)展，而較低區(qū)域等級（國度、地區(qū)、燃氣輸配系統(tǒng)或獨立用氣單位）天然氣預測研究發(fā)展方向將會以傳統(tǒng)的預測模型的優(yōu)化組合為主。

第2章  各類用戶發(fā)展及用氣規(guī)律研究

2.1  城市用氣市場規(guī)劃概況

十二五時期，B 市燃氣市場的發(fā)展較十一五時期更加多元化。2005~2013年 B 市天然氣市場的實際發(fā)展規(guī)模如圖所示。

經(jīng)分析，2011～2013 年 B 市天然氣市場發(fā)展呈現(xiàn)的特點如下：

(1)  居民及商業(yè)用氣穩(wěn)步增長

2011 年新增居民用戶 24.6 萬戶，新增商業(yè)用戶 3408 戶；2012 年新增居民用戶 33.4 萬戶，新增商業(yè)用戶 3084 戶；2013 年新增居民用戶 18.6 萬戶，新增商業(yè)用戶 2556 戶。居民及商業(yè)用戶作為最穩(wěn)定的天然氣用戶，占天然氣用氣總量的比重為 20%以上，在 B 市天然氣市場用戶構成中的地位僅次于采暖用戶和燃氣電廠用戶。

(2)  采暖及燃氣電廠用氣占主導地位

燃氣電廠用氣作為發(fā)展速度最快的用氣類型，與采暖用氣成為 B 市天然氣市場的主要支撐用戶，2011 年占用氣總量的比重為 70.9%，2012 年占用氣總量的比重達到 73.1%，2013 年占用氣總量的比重達到 74.3%。由于熱電聯(lián)產(chǎn)項目用氣量的增加，天然氣采暖用氣所占比例逐年下降。

(3)  工業(yè)用氣低位平穩(wěn)發(fā)展

與民用、采暖及發(fā)電用氣相比，B 市工業(yè)用氣整體水平較低，發(fā)展速度較慢。2011~2013 年工業(yè)用氣占總用氣量的比例分別為 2.4%、1.8%和 1.5%。從發(fā)展趨勢來看，歷年工業(yè)用氣波動幅度不大。

2.2  用戶發(fā)展趨勢研究

2.2.1  用戶發(fā)展規(guī)律研究

計量經(jīng)濟學中，經(jīng)濟指標的月度或季度時間序列被分解為四種變動要素：長期趨勢分量、循環(huán)分量、季節(jié)變動分量和不規(guī)則分量。長期趨勢分量反應經(jīng)濟時間序列的長期趨勢；循環(huán)分量往往表現(xiàn)為以數(shù)年為周期的周期性變化，可能是景氣變動、經(jīng)濟變動或其他周期變動導致的；季節(jié)變動分量是以 12 個月或4 個季度為周期的循環(huán)變動，與氣候變化、季節(jié)更迭、假期和政策等因素有關。季節(jié)變動分量與循環(huán)分量不同，變動周期固定，而循環(huán)分量變動周期長且不固定。不規(guī)則分量具有隨機性，與偶然事件發(fā)生有關，變動無規(guī)律可循。  

依據(jù) B 市燃氣集團提供的數(shù)據(jù)，用氣用戶可分為居民用戶、公共服務用戶、工業(yè)用戶、發(fā)電用戶、采暖制冷用戶及其他用戶（燃氣汽車及三聯(lián)供）。工業(yè)用戶保持穩(wěn)定的增長趨勢，居民用戶、公共服務用戶和采暖制冷用戶在穩(wěn)定增長的同時，也具有明顯的季節(jié)變化。在建立用戶趨勢發(fā)展模型時，除了考慮用戶隨時間推移的長期增長趨勢，也要考慮由于季節(jié)因素帶來的波動。

第 3 章  城市月負荷規(guī)律研究及預測 ......... 27

3.1  月度時間序列研究概述....... 27

3.1.1  時間序列分析........... 27

3.1.2  相關月度負荷的研究進展 ......... 27

第 4 章  城市日高峰系數(shù)研究................ 50

4.1  概述......... 50

4.1.1  燃氣日負荷預測................ 50

4.1.2  用氣高峰系數(shù)的研究意義........50

第 5 章  燃氣負荷預測軟件的設計............ 63

5.1  燃氣負荷預測軟件開發(fā)現(xiàn)狀.............. 63

5.2  負荷預測軟件的設計.................. 64

第5章  燃氣負荷預測軟件的設計

5.1  燃氣負荷預測軟件開發(fā)現(xiàn)狀

燃氣負荷、負荷特性是設計和運行的基本依據(jù)，在燃氣設計、生產(chǎn)、調度、輸配工作中，負荷預測是一個重要環(huán)節(jié)，是決定城市燃氣管網(wǎng)和配套設施容量，確保供需平衡的關鍵。燃氣負荷預測軟件的編制，有利于企業(yè)減少初投資，節(jié)省不必要的運行投入，保障供氣系統(tǒng)運行的安全可靠。目前國內針對不同的燃氣負荷需求，開發(fā)了相應的預測軟件，均取得了不錯的效果，但仍存在一些問題。

(1)  負荷預測軟件應具有數(shù)據(jù)分析功能

目前國內負荷預測軟件的編制均沿襲著數(shù)據(jù)分析—模型驗證—編寫程序—開發(fā)軟件的模式，通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，確定合適于負荷預測的模型，并編寫相應的程序。實際上城市燃氣負荷系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，受城市經(jīng)濟發(fā)展、政府政策、燃氣價格、地理位置、能源結構等多種不確定因素影響，不適宜用單一固定的負荷預測模型。固定模式開發(fā)的軟件，往往壽命不長，正是由于缺乏對數(shù)據(jù)實時分析的功能。負荷預測軟件的作用，不應局限于建立復雜模型和提高預測精度，而應同時具有數(shù)據(jù)分析功能，通過對負荷變化規(guī)律的監(jiān)控為預測模型的選擇和相關工作的進行提供理論依據(jù)。

常用的數(shù)據(jù)分析方法包括正態(tài)檢驗、回歸分析、相關分析和偏相關分析、時間序列分析等。

結論與展望

結論

規(guī)劃用氣負荷預測是城市用氣規(guī)劃工作的重點和難點。隨著城市天然氣市場的快速發(fā)展，對管網(wǎng)的科學規(guī)劃與有序建設提出了更高的要求，規(guī)劃負荷預測結果準確與否關系到規(guī)劃方案的經(jīng)濟性和安全性。本文在國內外相關規(guī)劃用氣研究工作的基礎上，結合華北某市用氣實際情況，對用氣用戶及用氣設備的發(fā)展趨勢、城市用氣月負荷時序和日不均勻系數(shù)的分布規(guī)律三個方面進行了分析，并匯集相關研究成果編制城市規(guī)劃用氣負荷預測軟件，得到如下結論。

(1)  城市用氣用戶及設備的發(fā)展趨勢具有季節(jié)性。在對城市用氣用戶及設備發(fā)展趨勢研究時發(fā)現(xiàn)，研究對象除了保持一定的增長趨勢外，也具有明顯的季節(jié)變化，以包括居民用戶、公共服務用戶及采暖制冷用戶等用氣用戶和包括鍋爐、直燃機、模塊爐及分戶燃氣采暖制冷設備等用氣設備尤為明顯。在建立用戶趨勢發(fā)展模型時，除了考慮用戶隨時間推移的長期增長趨勢，也要考慮由于季節(jié)因素帶來的波動。

(2)  氣溫是影響月用氣負荷波動的主要因素。通過 X-12-ARIMA 對城市月用氣負荷時序分析時發(fā)現(xiàn)，交易日效應并不顯著，而極端溫度是導致了月度序列離散點出現(xiàn)的主要原因。建立了考慮溫度影響成分的 SARIMA 月負荷長期預測模型，并通過 2011~2013 年數(shù)據(jù)驗證，模型誤差僅為 6.03%，遠優(yōu)于不考慮溫度修正的時序預測模型。

(3)  基于 X-11 的 SARIMA 月負荷長期預測模型彌補了時間序列預測模型在中長期負荷預測中的不足。X-11 季節(jié)調整方法能夠分離出時間序列的長期趨勢和季節(jié)變動趨勢，通過對長期趨勢的建模和季節(jié)因子的相位延拓，實現(xiàn)月負荷長期預測，經(jīng)驗證，模型誤差僅為 4.36%，優(yōu)于 SARIMA 時序模型。

參考文獻（略）