基于GM(1,1)法的吉林省“十四五”電力需求量預測分析

劉 穎，王 玉，于鳳洋，林曉晟

(吉林省環境科學研究院，吉林 長春 130000)

1 研究目的

“十四五”時期是碳達峰攻堅期，也是推動經濟高質量發展和生態環境質量持續改善的關鍵階段。隨著國民經濟和社會的不斷發展,全社會用電量不斷提高，對“十四五”期間的全社會需電總量進行預測，是電力部門規劃的必要內容，對于電力工業發展的戰略研究、資源優化配置等具有重要影響。同時隨著我國能源結構全社會低碳化的發展，電力行業要逐步脫離以化石能源為主導的狀態，用電量需求的預測對于加快煤炭減量步伐，合理規劃可再生能源替代，最終實現電力行業碳達峰碳中和目標的實現，將具有積極作用。

“十三五”期間，吉林省電力行業持續快速發展，對電力行業煤炭消費量逐年增加,2011～2019年數據表明，火電行業用于發電的煤炭消耗量占吉林省能源消耗總量約在30%～50%之間，2019年吉林省煤炭消費總量8730萬t，其中火電行業發電用煤4025萬t，占全部煤炭消耗的46%[1，2]，發電用煤量是吉林省煤炭消耗量的最大貢獻者。而火電行業煤炭消耗量由用電需求量所決定，對全社會電力需求量預測，將積極促進合理規劃煤電和可再生能源結構，火電行業低碳化發展。

2 預測方法

對電力需求量預測的基本原則根據延續性原則、類推原則，相關原則進行系統性預測。預測方法包括經典預測方法、時間序列預測方法、回歸預測方法、投入產出預測方法、灰色預測方法和定性預測方法等[3，4]。目前，國內已有相關預測方法的研究，如柯尚軍等[4]對廣州市用電量預測模型比較研究中，采用GM(1,1)預測方法擬合年用電量相對誤差為2.22%；沈勇等[6]用回歸方法對上海市居民用電量預測，預測結果相對誤差0.2%～9%；郭松亮等[7]用時間預測方法對北京市全社會用電量進行擬合驗證，結果顯示北京市全社會用電量數據服從ARIMA(1,1,0)的異方差模型；閔旭等[8]采用基于殘差自回歸方法的時間序列預測模型對我國區域用電量進行預測研究，有效提高了短期區域用電量預測準確性。

灰色模型(Grey models)簡稱GM模型，屬于時間序列預測方法，是以灰色過程及其生成空間為基礎與內涵的方法體系，以系統分析、建模、預測、決策、評估為綱的技術體系[9]。本項目采用時間序列模型即灰色模型GM(1,1)預測方法，根據吉林省歷年全社會用電量的規律進行外推，對“十四五”期間各行業用電量預測，最后匯總全社會用電量。灰色模型GM(1,1)預測方法適合近期和中遠期預測。由于其簡便易用，擬合程度高，在目前預測分析模型中得到了廣泛使用。項目組收集了吉林省2014～2021年全社會用電量，通過基礎數據，建立灰色擬微分預測方程，對2022～2025年吉林省全社會用電量進行了預測。預測過程以第一產業用電量為例說明，其余產業僅顯示預測結果。

2.1 基礎數據輸入

近10年來，吉林省每年用電量以2%～5%的速度不斷增長，2020年人均年發電量提高到3241 kW·h，人均用電量提高到2791 kW·h，人均生活用電量733 kW·h[2]。

2014～2021年吉林省全社會用電量數據見表1。

表1 吉林省全社會用電量 億kW·h

2.2 數據生成及檢測

在建立灰色預測模型GM(1,1)前，對數據序列進行級比檢驗。若通過級比檢驗，則說明該數據序列適合構建灰色模型，若通不過級比檢驗，則對序列進行“平移轉換”，從而使得新序列滿足級比值檢驗。

即x(0)=(10.82,12.26,13.76,15.99,12.87,12.36,15.44,18.02)。

表2 各產業用電量級比檢驗

第一產業用電量累加數列：

移動平均數列：

3 模型構建與預測結果

3.1 模型構建

由發展系數a和灰色作用量b可以構建灰色預測模型：

由表3可知，模型預測精度用后驗差比值衡量，一般認為后驗差比值C值小于0.35則模型精度高，C值小于0.5說明模型精度合格。第一產業后驗差比值是為0.45，說明模型模擬結果精度合格；其他產業后驗差比值均小于0.35，模擬結果精度很高。

表3 各產業相關系數輸出

3.2 預測結果輸出

各產業和居民用電量預測值及相對誤差見表4、5。

表4 各產業用電量預測值及相對誤差

表5 居民用電量預測值及相對誤差

表4,5展示了灰色預測模型的擬合結果,一般情況下相對誤差小于20%即說明擬合良好。第一產業相對誤差值基本控制在小于20%以內，第二、三產業相對誤差在8%以內，城鎮和鄉村居民用電量預測結果精度最高，相對誤差平均為5%以內，整體擬合度良好。擬合圖及預測值見圖1～圖4。

圖1 第一產業實際用電量和預測用電量

圖2 第二產業實際用電量和預測用電量

圖3 第三產業實際用電量和預測用電量

圖4 居民實際用電量和預測用電量

對吉林省“十四五”期間全社會用電量預測結果進行匯總，結果見表6。

從表6可見，“十四五”期間，吉林省全社會用電量將會持續增長，每年增長率約4.7%。2021年，國家發展改革委、國家能源局發布的《全國煤電機組改造升級實施方案》中數據顯示2020年全國6000 kW及以上火電廠供電煤耗為305.5 g標準煤/(kW·h)。如果不采取任何減碳措施，按照延續“十三五”期間煤電的發電量占比和2020年的供電煤耗粗略估算，“十四五”火電行業的煤炭消耗量將以每年120～200萬t速度增長，那么火電行業的煤炭消耗將不斷增長。

踐行碳達峰及碳中和戰略，能源是主戰場，電力是主力軍[9]。以預測發電量為基礎數據支撐，推算煤炭新增量，并推動綠色能源的發展，消化新增量，并采取措施減少煤炭消耗，是火電行業碳達峰的根本途徑。

4 結論

(1)用灰色模型GM(1,1)對吉林省2014～2021年的用電量進行數據檢測結果顯示，數據均符合灰色模型數據要求，第一產業用電量后驗差比值是為0.45，模擬結果精度合格；其他產業后驗差比值均小于0.35，模擬結果精度很高。

(2)預測結果和實際數值比較，相對誤差基本在20%以內，居民用電量在5%以內，說明用灰色模型GM(1,1)對于吉林省全社會用電量的預測精度是很高的，對“十四五”的全社會用電量預測結果精度較高。

(3)預測結果顯示，“十四五”期間，吉林省全社會用電量將會持續增長，每年增長率約4.7%。

(4)可將本項目預測結果作為基礎數據支撐，估算“十四五”煤炭消耗量，以“煤改氣、改電、改生”的能源轉型為基本思路，合理規劃煤電和可再生能源結構，促進吉林省火電行業率先達峰。