基于S增長曲線的揚州5G行業用電量預測研究

高騫 彭恩志 楊俊義 金誠 賈科進

【關鍵詞】S增長曲線;5G行業;用電量預測;飽和電量

當前全球經濟增長乏力，新冠疫情將在一定時期內持續存在，我國經濟發展處于新常態，經濟發展和用電增長面臨較大不確定性。新形勢下重點行業用電量預測是國網江蘇省電力有限公司提高電網精準投資、精益管理水平不可缺少的一部分。如何結合實際，明確新形勢下重點用能企業和行業用電特點及趨勢，形成基于重點企業視角的電力電量預測，對電網公司增供擴銷和電網高質量發展具有重要意義。

文1通過對形相似法進行改進，實現對短期電力負荷預測結果的擴展，提高電網負荷預測準確性。文2通過多重聚類分析方法篩選訓練集樣本，并采用小波分解算法對負荷進行頻段分解，提取負荷細節特征，然后提出了多路卷積神經網絡結構，預測高低頻負荷信號，最后通過小波重構輸出負荷預測值，提高了超短期負荷預測精度。文3提出了一種基于離散小波分解、卷積神經網絡和支持向量回歸的負荷預測模型，通過小波分解算法對歷史負荷數據進行分析與重構，得到長度相同的歷史負荷數據;對天氣因素、日期類型進行特征構造，得到特征數據;利用卷積神經網絡支持向量回歸機模型和反向傳播神經網絡支持向量回歸模型得到預測值。文4基于結構化電力負荷模型提出一種電力負荷概率及區間預測方法，針對不同負荷成分分別進行建模，構成結構化電力負荷模型，基于歷史負荷數據采用變分貝葉斯估計算法訓練模型參數的后驗概率分布，進而對未來負荷的概率分布進行預測。文5提出一種基于NACEMD-GRU的組合型日前負荷預測方法，引入噪聲輔助復數據經驗模態分解方法對日前負荷數據進行分解，并建立基于門控循環神經網絡單元的深度學習預測模型，得到日前負荷的各分量預測結果。文6構建了居民用戶精細化需求響應模型，建立了兩個長短期記憶神經網絡來對需求響應效益系數進行計算，利用精細化需求響應模型來計算針對不同用戶的最優激勵。上述方法未考慮地方經濟發展特點和行業發展趨勢，單純以數學方法進行預測，對預測結果缺乏合理解釋，影響了其在電網規劃中的應用效果。

本文結合地方經濟發展特點和行業發展特征，以數字新基建為例，提出基于S增長曲線的重點用戶電力需求預測模型，通過歷史數據回歸分析，得到用戶負荷S增長曲線特征值，進而預測未來用戶負荷需求及飽和時間，最后應用上述方法進行測算了江蘇揚州5G基站用電量及遠期規模，案例分析表明所提方法的合理性。

依據用戶負荷發展趨勢，S型曲線可以用于用戶負荷預測，根據用戶建成投產時間即可預測中間年的負荷。為準確分析電力用戶的負荷增長規律，本文構建S型曲線刻畫用戶在不同發展階段的電力負荷增速，具體模型公式如下：

其中：y為第t年的年最大負荷占飽和負荷的比例，即最大負荷日或典型負荷日的系統最大負荷占飽和負荷的比例。t為距離現狀年的年數。對電力用戶歷年負荷曲線進行S型曲線模型擬合，即可計算得到負荷模型參數。參數a描述用戶停留在緩慢增長階段的時間長短，a越大，停留在緩慢增長階段的時間越長。k表示達到飽和時的水平。參數b描述用戶停留在快速增長期的時間，反映了進入飽和狀態的速度。

將式（1）三階導為零，求得兩個拐點P1（T1，Y1）和P3（T3，Y3），表示S曲線增速變化的拐點。其中，T1描述了用戶完成初期增長階段的時間，對應的Y1通常表示達到飽和水平的20%左右。T3描述了用戶進入飽和增長階段的時間，對應的Y3通常表示達到飽和水平的80%左右。

結合用戶所在地區經濟發展特點和行業發展趨勢，以及S型曲線中的k、a、b、T1、Y1、T3、Y3等參數的變化規律，可以預測未來用戶的用電負荷規模，以及達到飽和負荷的時間。

計算步驟是，首先根據電力用戶的大量年度歷史數據，采用式（1）進行參數擬合，判斷標準可以使擬合誤差最小，從而得到式（1）的確定系數表達式。其次，計算得到式（2）的擬合值。第三，根據前2步繪出負荷增長曲線。第四，代入指定的計算年份，可計算出該年的負荷值。第五。取y為O.9或0.95。根據式（1）可反算出負荷飽和的年份。

揚州電網負荷預測的總體思路是圍繞《揚州市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二0三五年遠景目標綱要》，以建設“強富美高”新揚州為目標，落實江蘇省公司以“五化”為統領的“能源互聯網”戰略要求，遵循“適度超前、能源轉型、堅強智能、統籌兼顧、協調發展”的原則，統籌考慮“六個銜接”

“六個方面”開展電力規劃建設和運營，做到謀劃在先、落實到位，為新揚州建設提供綠色可持續的能源供應保障，助力江蘇率先實現碳達峰、碳中和“3060”目標。

“十三五”以來，在世界經濟增長總體放緩的大趨勢下，揚州始終堅持以供給側結構性改革為主線，踐行新發展理念，持續推動經濟高質量發展。揚州經濟穩中有進、穩中向好，2020年地區生產總值6048.33億元，按可比價計算，增長3.5%。全市加快經濟轉型步伐，重點發展先進制造業，提速發展現代服務業，構建現代產業體系，全市呈現工業化中后期發展特點。

2020年底，揚州地區已完成5G基站第二期建設，累計完成3000個，其中移動約1800個，電信約1200個，實現市區范圍內全覆蓋，縣區中心地區全覆蓋。2021年各運營商建設計劃尚未排定，由于5G手機未全部普及，從目前已建成基站覆蓋區域看，2021年基站建設速度會有所放緩。

每個5G基站額定功率約為3.5kW，由于5G手機未全部普及，大部分5G基站用電達不到3.5kW，約為2.6kW左右。3000個基站全部投運約新增8000kW功耗，日用電量約新增19.2萬千瓦時。

平均每新增20-50個5G基站，需要新增一個CRAN/MEC數據中心，數據中心包含蓄電池、綜合柜、空調和服務器等設備，每個機房每月用電量約3000kWh，揚州地區約新增100個數據中心，月用電量約新增30萬千瓦時。

“十四五”時期是開啟“強富美高”新揚州建設新征程、推動揚州城市高質量發展的重要時期，也是構建能源互聯網，推動“能源轉型、綠色發展”的歷史機遇期，合理的電力負荷預測，對于電網項目安排及資金投入，以及滿足地方經濟社會發展需求，保證電網安全、穩定、經濟運行均具有十分重要的意義。

預計5G基站數量最終將是4G基站的1～1.2倍，因為5G頻譜更高、波長更短，需要更密集的部署來實現全面、穩定的網絡覆蓋。

根據S曲線模型及揚州經濟發展趨勢、5G行業發展特點，揚州5G用電量處于起步階段，未來將進入快速增長環節。預計未來5年內，每年揚州新增3000～4500個基站，新增100～150個數據中心，每年新增電量約0.8～1.2億千瓦時。之后將逐漸進入飽和階段，預計2025年揚州主城區5G基站用電量基本飽和。2027年揚州農村地區5G基站用電量基本飽和。揚州5G基站和數據中心的飽和用電量約為7-8億千瓦時。

我國經濟發展進入新常態，新形勢下需要明確重點用能企業和行業用電特點和趨勢，形成基于重點企業視角的電力電量預測，以便促進電網公司增供擴銷和電網高質量發展。本文結合地方經濟發展特點和行業發展特征，提出基于S增長曲線的重點用戶電力需求預測模型，通過歷史數據回歸分析，得到用戶負荷S增長曲線特征值，進而預測未來用戶負荷需求及飽和時間。研究表明，揚州5G基站和數據中心的用電量目前處于起步階段，預計2025年揚州主城區5G基站用電量基本飽和，2027年揚州農村地區5G基站用電量基本飽和，飽和用電量約為7～8億千瓦時。案例表明所提方法的可行性。