劉夢(mèng) 華北電力大學(xué)

基于灰色關(guān)聯(lián)支持向量機(jī)的電力需求預(yù)測(cè)研究

劉夢(mèng) 華北電力大學(xué)

電力需求預(yù)測(cè)是國(guó)家制定中長(zhǎng)期能源發(fā)展戰(zhàn)略，編制中長(zhǎng)期能源、電力發(fā)展規(guī)劃的關(guān)鍵依據(jù)。本文首先采用灰色關(guān)聯(lián)分析法識(shí)別出影響電力需求的關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上，建立起由粒子群算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機(jī)非線性回歸預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)出2017-2050年的全社會(huì)用電量，從中找出我國(guó)電力需求峰值出現(xiàn)的邊界條件、峰值范圍和發(fā)生時(shí)間，為我國(guó)能源電力戰(zhàn)略和長(zhǎng)期規(guī)劃的制定等提供了決策參考依據(jù)。

灰色關(guān)聯(lián)分析法 電力需求

引言

隨著我國(guó)能源電力需求和供應(yīng)快速增長(zhǎng)、能源環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻等問題，我國(guó)的一次能源資源和環(huán)境容量能否承載電力需求持續(xù)快速增長(zhǎng)的壓力已成為核心和焦點(diǎn)問題。而解答這一問題首先要回答中國(guó)電力需求的峰值是多少，拐點(diǎn)何時(shí)出現(xiàn)。因此，加強(qiáng)對(duì)我國(guó)未來電力需求峰值進(jìn)行研究，對(duì)于國(guó)家制定中長(zhǎng)期能源發(fā)展戰(zhàn)略，編制中長(zhǎng)期能源、電力發(fā)展規(guī)劃至關(guān)重要。

本文使用MATLAB進(jìn)行編程仿真，結(jié)合國(guó)內(nèi)宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力需求增長(zhǎng)的一般影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)我國(guó)電力需求的峰值及其發(fā)生時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。情景預(yù)測(cè)結(jié)果符合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，也符合國(guó)外用電量增長(zhǎng)規(guī)律，具有良好的擬合優(yōu)度和預(yù)測(cè)精度，對(duì)我國(guó)能源電力戰(zhàn)略和長(zhǎng)期規(guī)劃的制定等具有一定的參考價(jià)值。

一、電力需求預(yù)測(cè)模型建立

由于電力需求受到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、政策、科技、文化等多種因素的影響，并受到這些因素的綜合作用，較為復(fù)雜，各個(gè)因素對(duì)電力需求影響呈高度非線性，因此本文采用基于灰色關(guān)聯(lián)支持向量機(jī)的非線性回歸預(yù)測(cè)模型進(jìn)行我國(guó)電力需求的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。首先，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法去量化各影響因素對(duì)電力需求的相互依存關(guān)系，識(shí)別出其中的主要影響因素，消除無關(guān)因子的干擾，以此作為對(duì)SVM輸入數(shù)據(jù)的前期處理，從而提高模型的預(yù)測(cè)能力。然后，應(yīng)用支持向量機(jī)理論建立起非線性回歸預(yù)測(cè)模型，把由灰色關(guān)聯(lián)分析影響系統(tǒng)的主要因子作為回歸模型的輸入因子，所對(duì)應(yīng)用電量作為輸出因子；同時(shí)，通過粒子群算法搜索迭代對(duì)支持向量機(jī)的參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。

二、電力需求峰值預(yù)測(cè)

（一）主要影響因素識(shí)別

綜合考慮電力需求影響因素進(jìn)行指標(biāo)選取，并針對(duì)因素選用可量化指標(biāo)，來預(yù)測(cè)用電量。為盡量減少計(jì)算和分析過程中的誤差，對(duì)原始數(shù)據(jù)采用初值化法進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果，篩選出的對(duì)用電量影響較大的因素，即灰色關(guān)聯(lián)度較大的因素，選定GDP，人口、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加值、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入以及碳排放量作為電力需求主要影響因素，作為用電量預(yù)測(cè)的輸入變量。

（二）電力需求峰值預(yù)測(cè)

本文選擇2000-2016年的全社會(huì)用電量及各主要因素?cái)?shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，利用基于灰色關(guān)聯(lián)支持向量機(jī)的非線性回歸預(yù)測(cè)模型，對(duì)我國(guó)電力需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)年限至2050年。

為驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的有效性及判斷預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，首先利用2000-2010年的用電量數(shù)據(jù)及各主要因素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)2011-2016年的用電量進(jìn)行預(yù)，模型得到2011-2016年用電量預(yù)測(cè)值最大相對(duì)誤差為3.2296%，最小相對(duì)誤差為1.4527%，平均相對(duì)誤差為2.2614%，對(duì)于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)而言，模型預(yù)測(cè)精度很高，完全滿足進(jìn)行電力需求峰值預(yù)測(cè)的要求。同時(shí)，良好的預(yù)測(cè)精度也證實(shí)了模型的有效性和精確性。

在驗(yàn)證模型有效性和精確性后，選擇2000-2016年的全社會(huì)用電量及各主要影響因素的數(shù)據(jù)，代入預(yù)測(cè)模型，利用MATLAB進(jìn)行編程仿真，得到2017-2050年用電量預(yù)測(cè)值及其增長(zhǎng)率，如圖2-1。

圖2-1 2017-2050年全社會(huì)用電量預(yù)測(cè)值

在我國(guó)正?；鶞?zhǔn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情景下，2020年以前，我國(guó)仍然處于工業(yè)化高級(jí)階段向初級(jí)發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)階段轉(zhuǎn)型的過程中，電力需求將繼續(xù)保持較快速度增長(zhǎng)，年均增速不會(huì)低于5%，到2020年全社會(huì)用電量將達(dá)到81219億千瓦時(shí)。2021-2030年，電力需求年均增速將放緩到2%-4%左右，到2030年時(shí)全社會(huì)用電量首次超過11萬億千瓦時(shí)，達(dá)到110004億千瓦時(shí)。2031-2040年，這一階段為我國(guó)電力需求發(fā)展的飽和階段。電力需求年均增速將進(jìn)一步放緩至1%以內(nèi)，到2032年用電量增長(zhǎng)率首次低于1%，且此后保持低于1%的增長(zhǎng)率，可以認(rèn)為我國(guó)電力需求開始趨于飽和，到2040年電力需求拐點(diǎn)出現(xiàn)，全社會(huì)用電量為116964億千瓦時(shí)，此時(shí)用電量達(dá)到峰值。2041年-2050年，鑒于節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步、人口數(shù)量的下降以及人口素質(zhì)的提高，我國(guó)用電量將由峰值緩慢下降，呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，但下降速度低于0.5%，到2050年全社會(huì)用電量緩慢回落至114248億千瓦時(shí)。

綜上可預(yù)測(cè)，基準(zhǔn)情景下我國(guó)用電量將長(zhǎng)期在11-12萬億千瓦時(shí)之間浮動(dòng)。

三、結(jié)語

基于對(duì)我國(guó)電力需求峰值的合理預(yù)測(cè)以及國(guó)內(nèi)外用電形勢(shì)的具體分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)目前還處于能源高需求階段。針對(duì)我國(guó)未來電力需求峰值的出現(xiàn)，及我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電力工業(yè)發(fā)展中面臨的問題，建議合理控制資源開發(fā)和電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模與進(jìn)度，快推進(jìn)發(fā)電設(shè)備制造能力的結(jié)構(gòu)性調(diào)，推進(jìn)電力行業(yè)在節(jié)能降耗方面做出突破；完善電力市場(chǎng)機(jī)制，優(yōu)化電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高行業(yè)效益；開展電力需求側(cè)管理，緩解電力供需矛盾。

未來本文需要密切跟蹤經(jīng)濟(jì)發(fā)展及電力形勢(shì)變化，因時(shí)因勢(shì)對(duì)數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)方法進(jìn)行滾動(dòng)調(diào)整，保證較高的預(yù)測(cè)精度及合理的預(yù)測(cè)結(jié)果。

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