考慮S型增長特征的浙江慈溪用電量預測研究

沈科炬 吳航飛 姚劍琪 樊麗君 張雪

引言

共同應對氣候變化角度出發，世界各國把加快能源轉型作為主要抓手。作為負責任的大國，我國在能源行業積極推進高質量發展，并作為落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰略以及2060年碳中和愿景的重要抓手，這將對我國中長期電力供需發展格局帶來深刻影響。因此，及時研判我國電力行業發展新方向，掌握中長期電力需求演變的新規律，對于電網公司安全保供、提高電網運營效率效益、推動能源電力高質量發展具有重要意義。

一、研究現狀

待預測區域內各供電小區之間的負荷相互影響關系在當前空間電力負荷預測一般不予考慮，計及本位元胞接受能力和相鄰元胞負荷影響，肖白等人提出一種新的空間負荷預測方法，利用空間卷積構建相鄰元胞產生負荷影響分析模型，上述方法初步應用于城市電網規劃負荷預測[1]。趙輝等人構建了基于離散小波分解、支持向量回歸算法和卷積神經網絡的電力負荷預測模型，歷史電力負荷數據采用小波分解算法重構，重構后的負荷數據與歷史電力負荷數據的長度相同；特征指標選擇日期類型和天氣因素，據此生成新的特征電力負荷數據；電力需求預測采用卷積神經網絡支持向量回歸機模型以及反向傳播神經網絡支持向量回歸模型[2]。鄒定江等人提出了基于Logistic混沌映射初始化種群并加入隨機游走擾動的麻雀搜索算法優化Elman動態遞歸神經網絡的預測方法。根據Logistic混沌映射理論對麻雀種群進行初始化，在麻雀搜索食物后，通過隨機游走對最優麻雀進行位置擾動，將改進麻雀搜索算法與Elman動態遞歸神經網絡相結合[3]。鄧斌等人則采用一種基于液體時間常數的遞歸神經網絡預測中長期電力負荷，基于液體時間常數的遞歸神經網絡使用膜積分器改進了神經元的狀態方程，并使用半隱式歐拉算法完成對神經元狀態迭代更新，以天氣、溫度、節假日等外在影響因素作為網絡輸入，構建了以遞歸神經網絡為基礎架構的中長期電力負荷預測模型，并通過隱藏層的擴展計算獲得輸入－輸出的映射關系，以通過時間的反向傳播算法實現對模型的訓練，完成對神經網絡參數的優化[4]。通過改進鼠群優化算法（IRSO）以及時間卷積網絡（TCN），王思萌等人提出了一種新的短期電力負荷預測模型，利用時序特征輸入對TCN預測模型開展預訓練；通過改進鼠群優化算法對TCN模型全連接層的閾值與偏置進行調整，解決了TCN模型全連接層閾值與偏置易陷入局部最優難題，在此基礎上建立IRSO-TCN組合模型對電力負荷進行預測[5]。

依據浙江省慈溪市的經濟社會發展特點和產業結構演變格局，本文構建基于S增長曲線的電力負荷預測模型，根據“十二五”以來的用電歷史數據回歸分析，得到重點行業負荷和居民生活S增長曲線特征值，進而預測慈溪地區負荷需求及飽和時間，案例分析表明所提方法的合理性。

二、預測方法

S型負荷增長曲線是一種經典的電力負荷預測方法，其在實際應用中需要通過大量歷史行業數據進行回歸分析，以便刻畫各行業在不同發展階段的電力負荷增速和持續時間，具體模型公式如下：

對地區主要行業的電力用戶歷年負荷曲線進行S型曲線模型擬合，可以計算出電力負荷模型參數。參數a描述了用戶停留在緩慢增長階段的時間長短，a越大表示停留在緩慢增長階段的時間越長。參數k表示達到飽和時的水平。參數b描述了用戶停留在快速增長期的時間，也就是進入飽和狀態的速度。

步驟1，收集地區主要行業的電力用戶歷年負荷；步驟2，進行數據清洗和補充，按時間序列，采用移動平均法將明顯異常的數據剔除，采用3次樣條插值法補充缺失的數據；步驟3，結合行業用戶和居民所在地區經濟發展特點和行業結構演變趨勢，采用最小二乘法擬合S型曲線中的k、a、b等參數的變化規律；步驟4，輸入預測年，預測未來地區用電負荷規模；步驟5，設定飽和負荷判斷標準，利用對數關系求取地區負荷達到飽和的時間。

三、案例分析

（一）現狀分析

浙江省慈溪市2021年綜合實力名列全國百強縣市第6，顯示出平穩可持續的經濟社會發展態勢。市級GDP達到1616億元，同比增速為9.2%，兩年平均增速為6.5%。其中，第一產業增加值61億元，增速為2.9%，占總產值的2.5%；第二產業增加值1455億元，增速為11.4%，占總產值的61.2%；第三產業的增加值863億元，增速為4.5%，占總產值的36.3%。全社會用電量達到141.6億千瓦時，同比增速為15.9%，兩年平均增速為9.1%。從行業分類來看，一產用電量0.65億千瓦時，同比增速20.4%；二產用電量108.7億千瓦時，同比增速17.7%；三產用電量13.36億千瓦時，同比增速14.3%；城鄉生活用電量18.89億千瓦時，同比增速7.2%，兩年平均增長分別為11.0%、9.5%、8.9%、6.8%，占全社會用電量的比重結構為0.5：76.8：9.4：13.3，用電結構與往年基本相仿。

表1 慈溪2021年全社會用電分類表（單位：億千瓦時，%）

2021年慈溪市全社會最高負荷為295.21萬千瓦（7月15日），同比增長11.2%；網供最高負荷為273.26萬千瓦（9月2日），同比增長11.1%。2021年是首次全社會最高負荷與網供最高負荷出現在不同月份，表明隨著分布式光伏裝機容量逐年攀升，其對電力平衡的影響也在逐年增強，在夏季高峰負荷期間起到了一定的支撐作用。

圖1 慈溪2021年負荷曲線

（二）影響因素

未來慈溪市重點開展六大攻堅行動，主要涉及先進制造業、基礎設施、城市品質、公共服務、招大引強、全域整治六個方面。圍繞省制造業高質量發展示范市創建，以開發區整合提升為契機，全域產業治理為倒逼，深入開展“騰籠換鳥、鳳凰涅槃”行動，嚴格按照規劃落實產業布局，加快企業入園集聚發展。慈溪市供電公司根據“五年一臺階，十五年一跨越”發展目標，銜接寧波供電公司“十域百景”建設，力爭每年有新突破、5年有大進展、15年基本建成新型電力系統，全面支撐慈溪共同富裕先鋒市建設，引領高質量實現“碳達峰、碳中和”目標。以高彈性電網為核心，以“供應清潔化、終端電氣化、用能高效化”為三大路徑，近期重點打造具有慈溪特色的“風光山海城”、“綠色共同體”“共同富裕村”，落實4個示范區工程，推廣48項全域項目。創建浙江省受端清潔低碳轉型和可持續發展的縣級示范。

四、預測分析

根據S曲線模型及慈溪經濟發展趨勢，特別是六大攻堅行動、浙江省受端清潔低碳轉型和可持續發展的縣級示范，慈溪產業發展處于工業化后期向后工業化階段的過渡期，未來慈溪市的電力負荷需求繼續保持中速增長趨勢。預計2025年慈溪市的全社會用電量將達167億千瓦時，2021-2025年均增速達到6.45%；2035年全社會用電量210.2億千瓦時，后10年均增速約2.33%。其中，2033-2035年慈溪市全社會用電量增速約1.5%，屆時慈溪市電力負荷處于飽和狀態。

表2 慈溪市全社會用電量預測結果（單位：億千瓦時）

本次慈溪市配電網規劃飽和負荷預測采用空間負荷法+需用系數法，需用系數法主要針對已明確報裝負荷或35kV及以上大用戶點負荷，其余地塊采用空間負荷預測法，近期負荷預測采用自然增長+大用戶法預計各個供電網格負荷，再累加得出慈溪市近期負荷預測結果，并與數學模型預測結果相校驗。

表3 慈溪市“十四五”全社會用電負荷預測結果（單位：MW、%）

至2025年慈溪市全社會最大負荷達到3600MW，“十四五”期間年均增速為6.28%；至2035年慈溪市全社會最大負荷達到4563MW。

“十四五”期間，慈溪供電公司需要深挖電力需求側資源，加快建設新型電力需求響應資源池、結合新形勢持續健全需求響應政策標準體系、通過新技術手段強化負荷管理業務支撐基礎、多措并舉推廣新型負荷管理應用范圍、不斷完善需求響應政策保障體系五大舉措，全面喚醒網荷互動潛力。加快推進萬用戶的新型電力需求響應建設，對于高壓用戶要盡快全面普查需求響應資源，著力提升地區電力需求響應能力；進一步做細10%最大負荷的有序用電負荷方案，有效推廣電力需求響應范圍，促進新能源消納、保障電力供需平衡、提高電網運行效率，著力提升負荷管理的綜合效益，扎實貫徹落實“碳達峰、碳中和”目標在基層落地。預計慈溪市2025年最大負荷需求響應能力達到9.75%，日前削峰能力可達30萬千瓦、填谷能力可達5萬千瓦、日內小時級調節能力可達24.7萬千瓦，分鐘級可調節（虛擬電廠）負荷規模達到7.8萬千瓦、秒級可中斷負荷規模達到2.6萬千瓦，面向多元融合高彈性電網的電力需求響應體系全面建成并發揮有效作用。“十四五”期間需求響應負荷預測明細如下表所示。

表4 慈溪市“十四五”需求響應負荷預測結果（單位：萬kW，萬kVA、%）

結論

為應對氣候變化，我國加快推進能源轉型和高質量發展，多措并舉貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰略和2060年碳中和愿景，作為能源高質量發展的主戰場，我國中長期電力供需格局將發生重大變化。本文結合浙江慈溪經濟發展特點和行業結構演變趨勢，提出基于S增長曲線的電力需求預測模型，通過近10年的歷史數據回歸分析，得到重點行業負荷和居民生活S增長曲線特征值，在此基礎上對慈溪地區負荷需求及飽和時間開展預測研究，預計慈溪市2025年全社會用電量167億千瓦時；2035年210.2億千瓦時，其中，后3年全社會用電量增速低緩，約為1.5%，屆時慈溪市電力負荷處于飽和狀態。案例分析表明所提方法的合理性。