沈科炬 吳航飛 姚劍琪 樊麗君 張雪

引言

共同應(yīng)對(duì)氣候變化角度出發(fā)，世界各國把加快能源轉(zhuǎn)型作為主要抓手。作為負(fù)責(zé)任的大國，我國在能源行業(yè)積極推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展，并作為落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略以及2060年碳中和愿景的重要抓手，這將對(duì)我國中長期電力供需發(fā)展格局帶來深刻影響。因此，及時(shí)研判我國電力行業(yè)發(fā)展新方向，掌握中長期電力需求演變的新規(guī)律，對(duì)于電網(wǎng)公司安全保供、提高電網(wǎng)運(yùn)營效率效益、推動(dòng)能源電力高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

一、研究現(xiàn)狀

待預(yù)測區(qū)域內(nèi)各供電小區(qū)之間的負(fù)荷相互影響關(guān)系在當(dāng)前空間電力負(fù)荷預(yù)測一般不予考慮，計(jì)及本位元胞接受能力和相鄰元胞負(fù)荷影響，肖白等人提出一種新的空間負(fù)荷預(yù)測方法，利用空間卷積構(gòu)建相鄰元胞產(chǎn)生負(fù)荷影響分析模型，上述方法初步應(yīng)用于城市電網(wǎng)規(guī)劃負(fù)荷預(yù)測[1]。趙輝等人構(gòu)建了基于離散小波分解、支持向量回歸算法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力負(fù)荷預(yù)測模型，歷史電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采用小波分解算法重構(gòu)，重構(gòu)后的負(fù)荷數(shù)據(jù)與歷史電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的長度相同；特征指標(biāo)選擇日期類型和天氣因素，據(jù)此生成新的特征電力負(fù)荷數(shù)據(jù)；電力需求預(yù)測采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持向量回歸機(jī)模型以及反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)游走擾動(dòng)的麻雀搜索算法優(yōu)化Elman動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法。根據(jù)Logistic混沌映射理論對(duì)麻雀種群進(jìn)行初始化，在麻雀搜索食物后，通過隨機(jī)游走對(duì)最優(yōu)麻雀進(jìn)行位置擾動(dòng)，將改進(jìn)麻雀搜索算法與Elman動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合[3]。鄧斌等人則采用一種基于液體時(shí)間常數(shù)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測中長期電力負(fù)荷，基于液體時(shí)間常數(shù)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用膜積分器改進(jìn)了神經(jīng)元的狀態(tài)方程，并使用半隱式歐拉算法完成對(duì)神經(jīng)元狀態(tài)迭代更新，以天氣、溫度、節(jié)假日等外在影響因素作為網(wǎng)絡(luò)輸入，構(gòu)建了以遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)架構(gòu)的中長期電力負(fù)荷預(yù)測模型，并通過隱藏層的擴(kuò)展計(jì)算獲得輸入－輸出的映射關(guān)系，以通過時(shí)間的反向傳播算法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的訓(xùn)練，完成對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化[4]。通過改進(jìn)鼠群優(yōu)化算法（IRSO）以及時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)（TCN），王思萌等人提出了一種新的短期電力負(fù)荷預(yù)測模型，利用時(shí)序特征輸入對(duì)TCN預(yù)測模型開展預(yù)訓(xùn)練；通過改進(jìn)鼠群優(yōu)化算法對(duì)TCN模型全連接層的閾值與偏置進(jìn)行調(diào)整，解決了TCN模型全連接層閾值與偏置易陷入局部最優(yōu)難題，在此基礎(chǔ)上建立IRSO-TCN組合模型對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測[5]。

依據(jù)浙江省慈溪市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變格局，本文構(gòu)建基于S增長曲線的電力負(fù)荷預(yù)測模型，根據(jù)“十二五”以來的用電歷史數(shù)據(jù)回歸分析，得到重點(diǎn)行業(yè)負(fù)荷和居民生活S增長曲線特征值，進(jìn)而預(yù)測慈溪地區(qū)負(fù)荷需求及飽和時(shí)間，案例分析表明所提方法的合理性。

二、預(yù)測方法

S型負(fù)荷增長曲線是一種經(jīng)典的電力負(fù)荷預(yù)測方法，其在實(shí)際應(yīng)用中需要通過大量歷史行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，以便刻畫各行業(yè)在不同發(fā)展階段的電力負(fù)荷增速和持續(xù)時(shí)間，具體模型公式如下：

對(duì)地區(qū)主要行業(yè)的電力用戶歷年負(fù)荷曲線進(jìn)行S型曲線模型擬合，可以計(jì)算出電力負(fù)荷模型參數(shù)。參數(shù)a描述了用戶停留在緩慢增長階段的時(shí)間長短，a越大表示停留在緩慢增長階段的時(shí)間越長。參數(shù)k表示達(dá)到飽和時(shí)的水平。參數(shù)b描述了用戶停留在快速增長期的時(shí)間，也就是進(jìn)入飽和狀態(tài)的速度。

步驟1，收集地區(qū)主要行業(yè)的電力用戶歷年負(fù)荷；步驟2，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和補(bǔ)充，按時(shí)間序列，采用移動(dòng)平均法將明顯異常的數(shù)據(jù)剔除，采用3次樣條插值法補(bǔ)充缺失的數(shù)據(jù)；步驟3，結(jié)合行業(yè)用戶和居民所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)和行業(yè)結(jié)構(gòu)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(shù)的變化規(guī)律；步驟4，輸入預(yù)測年，預(yù)測未來地區(qū)用電負(fù)荷規(guī)模；步驟5，設(shè)定飽和負(fù)荷判斷標(biāo)準(zhǔn)，利用對(duì)數(shù)關(guān)系求取地區(qū)負(fù)荷達(dá)到飽和的時(shí)間。

三、案例分析

（一）現(xiàn)狀分析

浙江省慈溪市2021年綜合實(shí)力名列全國百強(qiáng)縣市第6，顯示出平穩(wěn)可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展態(tài)勢。市級(jí)GDP達(dá)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(chǎn)業(yè)增加值61億元，增速為2.9%，占總產(chǎn)值的2.5%；第二產(chǎn)業(yè)增加值1455億元，增速為11.4%，占總產(chǎn)值的61.2%；第三產(chǎn)業(yè)的增加值863億元，增速為4.5%，占總產(chǎn)值的36.3%。全社會(huì)用電量達(dá)到141.6億千瓦時(shí)，同比增速為15.9%，兩年平均增速為9.1%。從行業(yè)分類來看，一產(chǎn)用電量0.65億千瓦時(shí)，同比增速20.4%；二產(chǎn)用電量108.7億千瓦時(shí)，同比增速17.7%；三產(chǎn)用電量13.36億千瓦時(shí)，同比增速14.3%；城鄉(xiāng)生活用電量18.89億千瓦時(shí)，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(huì)用電量的比重結(jié)構(gòu)為0.5：76.8：9.4：13.3，用電結(jié)構(gòu)與往年基本相仿。

表1 慈溪2021年全社會(huì)用電分類表（單位：億千瓦時(shí)，%）

2021年慈溪市全社會(huì)最高負(fù)荷為295.21萬千瓦（7月15日），同比增長11.2%；網(wǎng)供最高負(fù)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(huì)最高負(fù)荷與網(wǎng)供最高負(fù)荷出現(xiàn)在不同月份，表明隨著分布式光伏裝機(jī)容量逐年攀升，其對(duì)電力平衡的影響也在逐年增強(qiáng)，在夏季高峰負(fù)荷期間起到了一定的支撐作用。

圖1 慈溪2021年負(fù)荷曲線

（二）影響因素

未來慈溪市重點(diǎn)開展六大攻堅(jiān)行動(dòng)，主要涉及先進(jìn)制造業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、城市品質(zhì)、公共服務(wù)、招大引強(qiáng)、全域整治六個(gè)方面。圍繞省制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展示范市創(chuàng)建，以開發(fā)區(qū)整合提升為契機(jī)，全域產(chǎn)業(yè)治理為倒逼，深入開展“騰籠換鳥、鳳凰涅槃”行動(dòng)，嚴(yán)格按照規(guī)劃落實(shí)產(chǎn)業(yè)布局，加快企業(yè)入園集聚發(fā)展。慈溪市供電公司根據(jù)“五年一臺(tái)階，十五年一跨越”發(fā)展目標(biāo)，銜接寧波供電公司“十域百景”建設(shè)，力爭每年有新突破、5年有大進(jìn)展、15年基本建成新型電力系統(tǒng)，全面支撐慈溪共同富裕先鋒市建設(shè)，引領(lǐng)高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。以高彈性電網(wǎng)為核心，以“供應(yīng)清潔化、終端電氣化、用能高效化”為三大路徑，近期重點(diǎn)打造具有慈溪特色的“風(fēng)光山海城”、“綠色共同體”“共同富裕村”，落實(shí)4個(gè)示范區(qū)工程，推廣48項(xiàng)全域項(xiàng)目。創(chuàng)建浙江省受端清潔低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的縣級(jí)示范。

四、預(yù)測分析

根據(jù)S曲線模型及慈溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，特別是六大攻堅(jiān)行動(dòng)、浙江省受端清潔低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的縣級(jí)示范，慈溪產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于工業(yè)化后期向后工業(yè)化階段的過渡期，未來慈溪市的電力負(fù)荷需求繼續(xù)保持中速增長趨勢。預(yù)計(jì)2025年慈溪市的全社會(huì)用電量將達(dá)167億千瓦時(shí)，2021-2025年均增速達(dá)到6.45%；2035年全社會(huì)用電量210.2億千瓦時(shí)，后10年均增速約2.33%。其中，2033-2035年慈溪市全社會(huì)用電量增速約1.5%，屆時(shí)慈溪市電力負(fù)荷處于飽和狀態(tài)。

表2 慈溪市全社會(huì)用電量預(yù)測結(jié)果（單位：億千瓦時(shí)）

本次慈溪市配電網(wǎng)規(guī)劃飽和負(fù)荷預(yù)測采用空間負(fù)荷法+需用系數(shù)法，需用系數(shù)法主要針對(duì)已明確報(bào)裝負(fù)荷或35kV及以上大用戶點(diǎn)負(fù)荷，其余地塊采用空間負(fù)荷預(yù)測法，近期負(fù)荷預(yù)測采用自然增長+大用戶法預(yù)計(jì)各個(gè)供電網(wǎng)格負(fù)荷，再累加得出慈溪市近期負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，并與數(shù)學(xué)模型預(yù)測結(jié)果相校驗(yàn)。

表3 慈溪市“十四五”全社會(huì)用電負(fù)荷預(yù)測結(jié)果（單位：MW、%）

至2025年慈溪市全社會(huì)最大負(fù)荷達(dá)到3600MW，“十四五”期間年均增速為6.28%；至2035年慈溪市全社會(huì)最大負(fù)荷達(dá)到4563MW。

“十四五”期間，慈溪供電公司需要深挖電力需求側(cè)資源，加快建設(shè)新型電力需求響應(yīng)資源池、結(jié)合新形勢持續(xù)健全需求響應(yīng)政策標(biāo)準(zhǔn)體系、通過新技術(shù)手段強(qiáng)化負(fù)荷管理業(yè)務(wù)支撐基礎(chǔ)、多措并舉推廣新型負(fù)荷管理應(yīng)用范圍、不斷完善需求響應(yīng)政策保障體系五大舉措，全面喚醒網(wǎng)荷互動(dòng)潛力。加快推進(jìn)萬用戶的新型電力需求響應(yīng)建設(shè)，對(duì)于高壓用戶要盡快全面普查需求響應(yīng)資源，著力提升地區(qū)電力需求響應(yīng)能力；進(jìn)一步做細(xì)10%最大負(fù)荷的有序用電負(fù)荷方案，有效推廣電力需求響應(yīng)范圍，促進(jìn)新能源消納、保障電力供需平衡、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，著力提升負(fù)荷管理的綜合效益，扎實(shí)貫徹落實(shí)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)在基層落地。預(yù)計(jì)慈溪市2025年最大負(fù)荷需求響應(yīng)能力達(dá)到9.75%，日前削峰能力可達(dá)30萬千瓦、填谷能力可達(dá)5萬千瓦、日內(nèi)小時(shí)級(jí)調(diào)節(jié)能力可達(dá)24.7萬千瓦，分鐘級(jí)可調(diào)節(jié)（虛擬電廠）負(fù)荷規(guī)模達(dá)到7.8萬千瓦、秒級(jí)可中斷負(fù)荷規(guī)模達(dá)到2.6萬千瓦，面向多元融合高彈性電網(wǎng)的電力需求響應(yīng)體系全面建成并發(fā)揮有效作用?！笆奈濉逼陂g需求響應(yīng)負(fù)荷預(yù)測明細(xì)如下表所示。

表4 慈溪市“十四五”需求響應(yīng)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果（單位：萬kW，萬kVA、%）

結(jié)論

為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國加快推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展，多措并舉貫徹落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略和2060年碳中和愿景，作為能源高質(zhì)量發(fā)展的主戰(zhàn)場，我國中長期電力供需格局將發(fā)生重大變化。本文結(jié)合浙江慈溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)和行業(yè)結(jié)構(gòu)演變趨勢，提出基于S增長曲線的電力需求預(yù)測模型，通過近10年的歷史數(shù)據(jù)回歸分析，得到重點(diǎn)行業(yè)負(fù)荷和居民生活S增長曲線特征值，在此基礎(chǔ)上對(duì)慈溪地區(qū)負(fù)荷需求及飽和時(shí)間開展預(yù)測研究，預(yù)計(jì)慈溪市2025年全社會(huì)用電量167億千瓦時(shí)；2035年210.2億千瓦時(shí)，其中，后3年全社會(huì)用電量增速低緩，約為1.5%，屆時(shí)慈溪市電力負(fù)荷處于飽和狀態(tài)。案例分析表明所提方法的合理性。