本發(fā)明涉及一種基于波形分解的電氣化鐵路負(fù)荷的建模預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
：在公知的
技術(shù)領(lǐng)域：
，鐵路干線是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“大動(dòng)脈”，自改革開放以來為我國30多年的高速經(jīng)濟(jì)增長貢獻(xiàn)了巨大的力量。20世紀(jì)90年代以來，我國開始進(jìn)入電氣化鐵路的迅速發(fā)展階段。特別是近來我國高速鐵路的發(fā)展取得舉世矚目的成就，目前我國最繁忙的5大干線及其支線已實(shí)現(xiàn)全線電氣化，總里程已達(dá)5萬公里以上，形成了世界上最為龐大的電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)，甚至超過歐洲各國電鐵里程之和。而電氣化鐵路的鐵路的迅猛發(fā)展不僅給為其保駕護(hù)航的電力供應(yīng)提供了廣闊的業(yè)務(wù)發(fā)展前景，同時(shí)也對(duì)于鐵路供電這種特殊負(fù)荷承載供電能力提出了挑戰(zhàn)。在電氣化鐵路發(fā)展的初期，少量的電鐵負(fù)荷與體量龐大的電力系統(tǒng)負(fù)荷相比非常微小，完全可以看作擾動(dòng)的形式被系統(tǒng)消納。而以如今的電鐵負(fù)荷的規(guī)模，大量的高頻沖擊性負(fù)荷接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行帶來不可忽視的沖擊，而電鐵負(fù)荷特有的高次諧波和負(fù)序電流更是會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生直接危害。因此除了從電鐵自身牽引站和接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)中進(jìn)行先關(guān)治理之外，更應(yīng)從數(shù)學(xué)的角度對(duì)電鐵負(fù)荷進(jìn)行規(guī)律研究與預(yù)測建模，制定考慮電鐵因素的準(zhǔn)確的日前調(diào)度計(jì)劃。這已成為電網(wǎng)公司亟待解決的問題。其中可以通過通過數(shù)據(jù)建模的辦法分析如下：(1)牽引負(fù)荷產(chǎn)生機(jī)理從物理過程的角度闡述了牽引負(fù)荷的產(chǎn)生機(jī)理。首先說明了電氣化鐵路供電系統(tǒng)的物理構(gòu)成，包括牽引變電站、接觸網(wǎng)和電力機(jī) 車構(gòu)成，如圖1所示，電能由高壓公共電網(wǎng)接入牽引變電站，經(jīng)過牽引變壓器的降壓，分相，由牽引網(wǎng)(接觸網(wǎng))對(duì)電力機(jī)車進(jìn)行供電。牽引變電站是牽引系統(tǒng)的核心，一次側(cè)與公網(wǎng)連接，二次側(cè)與牽引網(wǎng)直接相連。牽引網(wǎng)以自耦變壓器(AutoTransformer，AT)的方式向電力機(jī)車供電。電力機(jī)車上裝有PWM逆變器將牽引網(wǎng)上的單相交流電變換為一定頻率和幅值的三相交流電，驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車的三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。靜止?fàn)顟B(tài)下無牽引負(fù)荷，當(dāng)有電力機(jī)車駛?cè)?、駛出或者加速、減速，或者列車行進(jìn)當(dāng)中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微弱變化都會(huì)產(chǎn)生變化著的負(fù)荷，這就是牽引負(fù)荷的產(chǎn)生機(jī)理。(2)電鐵負(fù)荷特性：當(dāng)牽引區(qū)域內(nèi)沒有機(jī)車經(jīng)過時(shí)，有功及無功牽引負(fù)荷均為0；當(dāng)牽引區(qū)域內(nèi)有機(jī)車進(jìn)入時(shí)有功負(fù)荷會(huì)立即產(chǎn)生，無功補(bǔ)償設(shè)備迅速啟動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生無功負(fù)荷，形成正向的階躍分量；當(dāng)機(jī)車駛出牽引區(qū)域有功負(fù)荷會(huì)迅速消失，同時(shí)無功補(bǔ)償裝置也應(yīng)立即切除，形成負(fù)向的階躍分量；機(jī)車在牽引區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷情況與機(jī)車的行駛狀況有關(guān)，加速階段吸收功率，牽引負(fù)荷增加；制動(dòng)時(shí)向牽引網(wǎng)送出功率，牽引負(fù)荷變?yōu)樨?fù)值。加速和制動(dòng)是在一個(gè)較長的時(shí)間段完成，因此負(fù)荷的變化較為緩慢，稱為低頻緩坡型分量；最后一種高頻波動(dòng)分量則是機(jī)車在行駛過程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微小變化計(jì)劃及擾動(dòng)產(chǎn)生的，變化頻率高幅度小。受天氣環(huán)境、道路狀況、政策活動(dòng)等因素的頻繁影響，機(jī)車進(jìn)出各個(gè)牽引站的時(shí)間、用電狀況等也會(huì)產(chǎn)生頻繁的變化，負(fù)荷的隨機(jī)性非常高。單段接觸網(wǎng)典型的牽引負(fù)荷如圖2所示。但對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)來講，整體的電鐵行業(yè)負(fù)荷即多個(gè)牽引站負(fù)荷的疊加此消彼長，會(huì)呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定性。以高鐵網(wǎng)絡(luò)較為發(fā)達(dá)的某地市為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該地區(qū)所有牽引站疊加得到的電鐵行業(yè)負(fù)荷如圖3所示。電鐵行業(yè)負(fù)荷特性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如下表所示：電鐵負(fù)荷系統(tǒng)負(fù)荷最大負(fù)荷(MW)90.192024.48最小負(fù)荷(MW)12.001530.49平均負(fù)荷(MW)42.111797.08峰谷差(MW)65.71401.08峰谷差率0.820.20負(fù)荷率0.530.90由上表可知，該地區(qū)電鐵行業(yè)平均負(fù)荷42.11MW，占地區(qū)平均負(fù)荷的2.34％；最大負(fù)荷約為80.31MW，占地區(qū)總最大負(fù)荷的4.45％，遠(yuǎn)高于平均負(fù)荷占比；最小負(fù)荷約為12MW，占地區(qū)最小負(fù)荷的0.78％，遠(yuǎn)低于平均負(fù)荷占比。峰谷差率為0.82，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出地區(qū)負(fù)荷的0.2。這表明電鐵負(fù)荷的波動(dòng)程度遠(yuǎn)高于系統(tǒng)負(fù)荷通過以上分析可知電鐵負(fù)荷的總體特性。單個(gè)牽引站的負(fù)荷表現(xiàn)為隨著列車駛?cè)腭偝龅臎_激波形，而很多牽引站負(fù)荷疊加得到的電鐵行業(yè)負(fù)荷曲線則呈現(xiàn)出一系列無序排列的尖峰，負(fù)荷波動(dòng)劇烈。但考慮一個(gè)較大地區(qū)鐵路系統(tǒng)每天執(zhí)行的調(diào)度安排是統(tǒng)一的，發(fā)車的班次、時(shí)間等是相對(duì)固定的，因此盡管電鐵負(fù)荷的波動(dòng)劇烈，但總體發(fā)展趨勢(shì)是有規(guī)律可循的，決定了可以通過數(shù)據(jù)建模的辦法來提高電鐵負(fù)荷波動(dòng)跟蹤的準(zhǔn)確性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：為了對(duì)電氣化鐵路負(fù)荷的分析、建模及預(yù)測，對(duì)高頻隨機(jī)波動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻轉(zhuǎn)換、分解重構(gòu)，本發(fā)明提出一種基于波形分解的電氣化鐵路負(fù)荷的建模預(yù)測方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于波形分解的電氣化鐵路負(fù)荷的建模預(yù)測方法，包括如下步驟：(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)歷史電鐵負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行壞數(shù)據(jù)的甄別和修正；(2)波形分解：將原始負(fù)荷曲線分解為頻率極最低的趨勢(shì)分量、頻率較高的剩余分量，剩余的高頻噪聲分量不予處理，將原始波形分為趨勢(shì)分量和波動(dòng)分量疊加構(gòu)成，將這兩部分分離，為下一步驟中剩余分量的分解作準(zhǔn)備，其中，趨勢(shì)分量：分離方法為根據(jù)均線理論，選擇多點(diǎn)的動(dòng)平均的方式來分離趨勢(shì)分量，需選取適宜的動(dòng)平均點(diǎn)數(shù)，剩余分量：為階躍分量、低頻緩坡分量以及高頻噪聲分量，采取小波分解法對(duì)各頻率分量進(jìn)行頻域分解和時(shí)域重構(gòu)；(3)平滑疊加預(yù)測：在步驟(2)的波形分解之后針對(duì)不同時(shí)域分量特性采取相應(yīng)的策略進(jìn)行建模預(yù)測，檢驗(yàn)對(duì)各個(gè)頻率分量歷史時(shí)期的相關(guān)性，根據(jù)相關(guān)性的強(qiáng)弱采取線性回歸模型、非線性回歸模型建模預(yù)測；(4)擬合結(jié)果：將各分量的預(yù)測結(jié)果疊加得到電鐵行業(yè)負(fù)荷的整體預(yù)測結(jié)果。進(jìn)一步的，作為一種具體的實(shí)施方法，在步驟(2)中趨勢(shì)分量的分離方法包括：(1-1)設(shè)負(fù)荷的采樣點(diǎn)數(shù)為T，第i天的負(fù)荷曲線為Li，共有n天的歷史樣本數(shù)據(jù)，將這n天的負(fù)荷曲線持續(xù)排列，得到由n×T個(gè)點(diǎn)組成的時(shí)間序列L：L＝[L1，L2，…，Ln](1-2)對(duì)該時(shí)間序列做每M個(gè)點(diǎn)動(dòng)平均處理，第t個(gè)點(diǎn)的動(dòng)平均值由式算出，式如下：(1-3)再以天數(shù)為單位將動(dòng)平均處理過后的負(fù)荷還原至初始排序，得到各天的負(fù)荷動(dòng)平均序列……，可根據(jù)皮爾遜系數(shù)計(jì)算各歷史動(dòng)平均序列的相關(guān)性：在步驟(2)中剩余分量的分離方法包括：(2-1)將趨勢(shì)分量從歷史負(fù)荷Li中分離后，得到剩余的高頻分量Pi：(2-2)對(duì)Pi進(jìn)行小波分解至5～7層的頻域分量，再將各個(gè)頻域分量重構(gòu)至?xí)r域：Pi＝Xi1+Xi2+…其中Xim代表第i天高頻負(fù)荷的第m層的時(shí)域分量，同樣的可根據(jù)式計(jì)算各天各層時(shí)域分量的相關(guān)性，對(duì)其中相關(guān)性強(qiáng)的分量仍然采用平滑的方式進(jìn)行外推預(yù)測，最后疊加得高頻分量預(yù)測結(jié)果。在步驟(3)、(4)中以各個(gè)高頻時(shí)域分量的歷史平均值作為待預(yù)測日對(duì)應(yīng)分量的平滑預(yù)測值，對(duì)趨勢(shì)分量也通過同樣方式進(jìn)行預(yù)測，最后將各分量的預(yù)測結(jié)果疊加得到整體的電鐵負(fù)荷建模預(yù)測結(jié)果。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)：(1)牽引負(fù)荷產(chǎn)生機(jī)理分析、電鐵行業(yè)負(fù)荷特性研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引負(fù)荷產(chǎn) 生過程的分析、電鐵行業(yè)負(fù)荷特性指標(biāo)分析，了解電鐵負(fù)荷特性規(guī)律；(2)波形分解重構(gòu)：實(shí)現(xiàn)對(duì)電鐵負(fù)荷中的不同頻率的趨勢(shì)分量、低頻緩坡分量、階躍分量以及高頻分量的分解，并按照各頻率分量將其重構(gòu)至?xí)r域；(3)分類預(yù)測疊加：實(shí)現(xiàn)對(duì)各頻率分量的規(guī)律性、相關(guān)性檢查，對(duì)規(guī)律性較強(qiáng)的分量進(jìn)行平滑外推預(yù)測，再疊加產(chǎn)生總體預(yù)測結(jié)果。附圖說明下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是電鐵牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是典型牽引負(fù)荷曲線示意圖；圖3是電鐵行業(yè)負(fù)荷示意圖；圖4是本發(fā)明的技術(shù)方案流程示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中電鐵負(fù)荷歷史各天趨勢(shì)分量示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例中小波分解重構(gòu)結(jié)果的示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例中小波分解重構(gòu)結(jié)果對(duì)比的示意圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例中電鐵負(fù)荷建模預(yù)測結(jié)果對(duì)比的示意圖；具體實(shí)施方式現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。如圖4所示本發(fā)明一種基于波形分解的電氣化鐵路負(fù)荷的建模預(yù)測方法的優(yōu)選實(shí)施例，包括如下步驟：(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)質(zhì)量是建模研究的基礎(chǔ)，原始數(shù)據(jù)在采集、存儲(chǔ)、傳輸和交互的過程中非常容易出現(xiàn)丟失和錯(cuò)碼，首先要對(duì)歷史電鐵負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行壞數(shù)據(jù)的甄別和修正；(2)波形分解：這里的波形分解主要目的是將原始負(fù)荷曲線分解為頻率極最低的趨勢(shì)分量和頻率較高的剩余分量?？蓪⒃疾ㄐ螢橼厔?shì)分量和波動(dòng)分量疊加構(gòu)成，將這兩部分分離，為后一步剩余分量的分解作準(zhǔn)備，其中，趨勢(shì)分量：趨勢(shì)分量代表著電鐵負(fù)荷的總體發(fā)展的方向，有較強(qiáng)的規(guī)律性，受隨機(jī)波動(dòng)影響小。分離方法為根據(jù)均線理論，選擇多點(diǎn)的動(dòng)平均的方式來分離趨勢(shì)分量。動(dòng)平均的點(diǎn)數(shù)太小則沒有很好的規(guī)律性，太大則不能體現(xiàn)各天的發(fā)展趨勢(shì)，因此要選取適宜的動(dòng)平均點(diǎn)數(shù)，剩余分量：剩余分量代表著電鐵負(fù)荷因?yàn)闄C(jī)車時(shí)變的狀態(tài)產(chǎn)生的規(guī)則或不規(guī)則的分量，大體來講就是階躍分量、低頻緩坡分量以及高頻噪聲分量。采取小波分解法對(duì)各頻率分量進(jìn)行頻域分解和時(shí)域重構(gòu)，高于一定頻率的噪聲分量可直接舍棄；(3)平滑疊加預(yù)測：在步驟(2)的波形分解之后要針對(duì)不同時(shí)域分量特性采取相應(yīng)的策略進(jìn)行建模預(yù)測，可檢驗(yàn)對(duì)各個(gè)頻率分量歷史時(shí)期的相關(guān)性，根據(jù)相關(guān)性的強(qiáng)弱采取線性回歸模型、非線性回歸模型或其他智能算法模型建模預(yù)測；(4)擬合結(jié)果：將各分量的預(yù)測結(jié)果疊加得到電鐵行業(yè)負(fù)荷的整體預(yù)測結(jié)果。具體的，在步驟(2)中趨勢(shì)分量的分離方法包括：(1-1)設(shè)負(fù)荷的采樣點(diǎn)數(shù)為T，第i天的負(fù)荷曲線為Li，共有n天的歷史樣本數(shù)據(jù)，將這n天的負(fù)荷曲線持續(xù)排列，得到由n×T個(gè)點(diǎn)組成的時(shí)間序列L：L＝[L1，L2，…，Ln](1-2)對(duì)該時(shí)間序列做每M個(gè)點(diǎn)動(dòng)平均處理，第t個(gè)點(diǎn)的動(dòng)平均值由式算出，式如下：(1-3)再以天數(shù)為單位將動(dòng)平均處理過后的負(fù)荷還原至初始排序，得到各天的負(fù)荷動(dòng)平均序列……，可根據(jù)皮爾遜系數(shù)計(jì)算各歷史動(dòng)平均序列的相關(guān)性：如果平均相關(guān)性較高則可以從用平滑的方式外推預(yù)測。本實(shí)施例中每天的采樣點(diǎn)數(shù)為96點(diǎn)，所選取的歷史樣本為9天。取M＝29，按照上述步驟對(duì)歷史電鐵負(fù)荷進(jìn)行29點(diǎn)動(dòng)平均處理，得到的歷史各天的趨勢(shì)分量如圖5所示。由圖5可以看出歷史各天電鐵負(fù)荷的趨勢(shì)分量的走勢(shì)具有較高的相似性。經(jīng)過計(jì)算各天趨勢(shì)分量的平均相關(guān)系數(shù)0.76，表現(xiàn)出了較高的相關(guān)性，因此以簡單的平滑方式進(jìn)行外推預(yù)測。在步驟(2)中剩余分量的分離方法包括：(2-1)將趨勢(shì)分量從歷史負(fù)荷Li中分離后，得到剩余的高頻分量Pi：(2-2)對(duì)Pi進(jìn)行小波分解至5～7層的頻域分量，再將各個(gè)頻域分量重構(gòu)至?xí)r域：Pi＝Xi1+Xi2+…其中Xim代表第i天高頻負(fù)荷的第m層的時(shí)域分量，同樣的可根據(jù)式計(jì)算各天各層時(shí)域分量的相關(guān)性，對(duì)其中相關(guān)性強(qiáng)的分量仍然采用平滑的方式進(jìn)行外推預(yù)測，最后疊加得高頻分量預(yù)測結(jié)果。本實(shí)施例中對(duì)高頻分量進(jìn)行7層小波分解，經(jīng)過重構(gòu)的后的時(shí)域分量如圖6所示，圖6可以看到，d1～d7為從低到高的頻域分量重構(gòu)結(jié)果。d1～d5分量的波動(dòng)頻率逐漸增大，總體曲線較為平緩，而d6、d7中由于頻率較高已經(jīng)出現(xiàn)了較多的鋸齒波。分別對(duì)歷史各天的高頻分量進(jìn)行小波，并比較同一種頻率分量在各天的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下表所示：頻率分量d1d2d3d4d5d6d7平均相關(guān)系數(shù)0.980.860.810.740.650.470.23結(jié)合圖6以及上表可分析出，d1～d5的曲線較為平滑，相關(guān)系數(shù)在0.65以上，規(guī)律性較強(qiáng)，可分別作平滑外推預(yù)測；而d6、d7曲線中的鋸齒波動(dòng)較多，相關(guān)系數(shù)較小，屬于無規(guī)律的隨機(jī)高頻分量，建模的時(shí)候可以考慮直接剔除不予處理。按照式Pi＝Xi1+Xi2+…所示的方式采用d1～d5進(jìn)行疊加重構(gòu)，得到的重構(gòu)擬合結(jié)果與實(shí)際的高頻分量對(duì)比如圖7所示。由圖7可看到，經(jīng)過5層頻率分量的分解重構(gòu)，得到的擬合結(jié)果的已十分接近實(shí)際的高頻分量曲線。其中少數(shù)的大幅度尖峰存在一定誤差是因?yàn)?層以上的頻率分量被忽略，這部分里面往往含有幅值較高的沖擊性分量(由圖6中d7的尖峰幅值可看出)，具有不可預(yù)測性，在步驟(3)、(4)中以各個(gè)高頻時(shí)域分量的歷史平均值作為待預(yù)測日對(duì)應(yīng)分量的平滑預(yù)測值。對(duì)趨勢(shì)分量也通過類似的方式進(jìn)行預(yù)測，最后將各分量的預(yù)測結(jié)果疊加得到整體的電鐵負(fù)荷建模預(yù)測結(jié)果，與實(shí)際負(fù)荷的對(duì)比如圖8所 示。由圖8可以看到，經(jīng)過本文所提的到電鐵負(fù)荷建模預(yù)測方法得到預(yù)測結(jié)果能夠基本跟蹤實(shí)際負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算其預(yù)測均方根誤差為12.5％，顯示出對(duì)高鐵負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)的良好的跟蹤預(yù)測能力。通常來講電鐵負(fù)荷不會(huì)超過地區(qū)總負(fù)荷的10％，而應(yīng)用本文所提出的方法得到的電鐵負(fù)荷預(yù)測誤差10％左右，這意味這電鐵負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊僅在1％左右，完全可由大電網(wǎng)自行消納而不會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成負(fù)面影響。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3