考虑S型增长特征的浙江慈溪用电量预测研究

沈科炬 吴航飞 姚剑琪 樊丽君 张雪

引言

共同应对气候变化角度出发，世界各国把加快能源转型作为主要抓手。作为负责任的大国，我国在能源行业积极推进高质量发展，并作为落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略以及2060年碳中和愿景的重要抓手，这将对我国中长期电力供需发展格局带来深刻影响。因此，及时研判我国电力行业发展新方向，掌握中长期电力需求演变的新规律，对于电网公司安全保供、提高电网运营效率效益、推动能源电力高质量发展具有重要意义。

一、研究现状

待预测区域内各供电小区之间的负荷相互影响关系在当前空间电力负荷预测一般不予考虑，计及本位元胞接受能力和相邻元胞负荷影响，肖白等人提出一种新的空间负荷预测方法，利用空间卷积构建相邻元胞产生负荷影响分析模型，上述方法初步应用于城市电网规划负荷预测[1]。赵辉等人构建了基于离散小波分解、支持向量回归算法和卷积神经网络的电力负荷预测模型，历史电力负荷数据采用小波分解算法重构，重构后的负荷数据与历史电力负荷数据的长度相同；特征指标选择日期类型和天气因素，据此生成新的特征电力负荷数据；电力需求预测采用卷积神经网络支持向量回归机模型以及反向传播神经网络支持向量回归模型[2]。邹定江等人提出了基于Logistic混沌映射初始化种群并加入随机游走扰动的麻雀搜索算法优化Elman动态递归神经网络的预测方法。根据Logistic混沌映射理论对麻雀种群进行初始化，在麻雀搜索食物后，通过随机游走对最优麻雀进行位置扰动，将改进麻雀搜索算法与Elman动态递归神经网络相结合[3]。邓斌等人则采用一种基于液体时间常数的递归神经网络预测中长期电力负荷，基于液体时间常数的递归神经网络使用膜积分器改进了神经元的状态方程，并使用半隐式欧拉算法完成对神经元状态迭代更新，以天气、温度、节假日等外在影响因素作为网络输入，构建了以递归神经网络为基础架构的中长期电力负荷预测模型，并通过隐藏层的扩展计算获得输入－输出的映射关系，以通过时间的反向传播算法实现对模型的训练，完成对神经网络参数的优化[4]。通过改进鼠群优化算法（IRSO）以及时间卷积网络（TCN），王思萌等人提出了一种新的短期电力负荷预测模型，利用时序特征输入对TCN预测模型开展预训练；通过改进鼠群优化算法对TCN模型全连接层的阈值与偏置进行调整，解决了TCN模型全连接层阈值与偏置易陷入局部最优难题，在此基础上建立IRSO-TCN组合模型对电力负荷进行预测[5]。

依据浙江省慈溪市的经济社会发展特点和产业结构演变格局，本文构建基于S增长曲线的电力负荷预测模型，根据“十二五”以来的用电历史数据回归分析，得到重点行业负荷和居民生活S增长曲线特征值，进而预测慈溪地区负荷需求及饱和时间，案例分析表明所提方法的合理性。

二、预测方法

S型负荷增长曲线是一种经典的电力负荷预测方法，其在实际应用中需要通过大量历史行业数据进行回归分析，以便刻画各行业在不同发展阶段的电力负荷增速和持续时间，具体模型公式如下：

对地区主要行业的电力用户历年负荷曲线进行S型曲线模型拟合，可以计算出电力负荷模型参数。参数a描述了用户停留在缓慢增长阶段的时间长短，a越大表示停留在缓慢增长阶段的时间越长。参数k表示达到饱和时的水平。参数b描述了用户停留在快速增长期的时间，也就是进入饱和状态的速度。

步骤1，收集地区主要行业的电力用户历年负荷；步骤2，进行数据清洗和补充，按时间序列，采用移动平均法将明显异常的数据剔除，采用3次样条插值法补充缺失的数据；步骤3，结合行业用户和居民所在地区经济发展特点和行业结构演变趋势，采用最小二乘法拟合S型曲线中的k、a、b等参数的变化规律；步骤4，输入预测年，预测未来地区用电负荷规模；步骤5，设定饱和负荷判断标准，利用对数关系求取地区负荷达到饱和的时间。

三、案例分析

（一）现状分析

浙江省慈溪市2021年综合实力名列全国百强县市第6，显示出平稳可持续的经济社会发展态势。市级GDP达到1616亿元，同比增速为9.2%，两年平均增速为6.5%。其中，第一产业增加值61亿元，增速为2.9%，占总产值的2.5%；第二产业增加值1455亿元，增速为11.4%，占总产值的61.2%；第三产业的增加值863亿元，增速为4.5%，占总产值的36.3%。全社会用电量达到141.6亿千瓦时，同比增速为15.9%，两年平均增速为9.1%。从行业分类来看，一产用电量0.65亿千瓦时，同比增速20.4%；二产用电量108.7亿千瓦时，同比增速17.7%；三产用电量13.36亿千瓦时，同比增速14.3%；城乡生活用电量18.89亿千瓦时，同比增速7.2%，两年平均增长分别为11.0%、9.5%、8.9%、6.8%，占全社会用电量的比重结构为0.5：76.8：9.4：13.3，用电结构与往年基本相仿。

表1 慈溪2021年全社会用电分类表（单位：亿千瓦时，%）

2021年慈溪市全社会最高负荷为295.21万千瓦（7月15日），同比增长11.2%；网供最高负荷为273.26万千瓦（9月2日），同比增长11.1%。2021年是首次全社会最高负荷与网供最高负荷出现在不同月份，表明随着分布式光伏装机容量逐年攀升，其对电力平衡的影响也在逐年增强，在夏季高峰负荷期间起到了一定的支撑作用。

图1 慈溪2021年负荷曲线

（二）影响因素

未来慈溪市重点开展六大攻坚行动，主要涉及先进制造业、基础设施、城市品质、公共服务、招大引强、全域整治六个方面。围绕省制造业高质量发展示范市创建，以开发区整合提升为契机，全域产业治理为倒逼，深入开展“腾笼换鸟、凤凰涅槃”行动，严格按照规划落实产业布局，加快企业入园集聚发展。慈溪市供电公司根据“五年一台阶，十五年一跨越”发展目标，衔接宁波供电公司“十域百景”建设，力争每年有新突破、5年有大进展、15年基本建成新型电力系统，全面支撑慈溪共同富裕先锋市建设，引领高质量实现“碳达峰、碳中和”目标。以高弹性电网为核心，以“供应清洁化、终端电气化、用能高效化”为三大路径，近期重点打造具有慈溪特色的“风光山海城”、“绿色共同体”“共同富裕村”，落实4个示范区工程，推广48项全域项目。创建浙江省受端清洁低碳转型和可持续发展的县级示范。

四、预测分析

根据S曲线模型及慈溪经济发展趋势，特别是六大攻坚行动、浙江省受端清洁低碳转型和可持续发展的县级示范，慈溪产业发展处于工业化后期向后工业化阶段的过渡期，未来慈溪市的电力负荷需求继续保持中速增长趋势。预计2025年慈溪市的全社会用电量将达167亿千瓦时，2021-2025年均增速达到6.45%；2035年全社会用电量210.2亿千瓦时，后10年均增速约2.33%。其中，2033-2035年慈溪市全社会用电量增速约1.5%，届时慈溪市电力负荷处于饱和状态。

表2 慈溪市全社会用电量预测结果（单位：亿千瓦时）

本次慈溪市配电网规划饱和负荷预测采用空间负荷法+需用系数法，需用系数法主要针对已明确报装负荷或35kV及以上大用户点负荷，其余地块采用空间负荷预测法，近期负荷预测采用自然增长+大用户法预计各个供电网格负荷，再累加得出慈溪市近期负荷预测结果，并与数学模型预测结果相校验。

表3 慈溪市“十四五”全社会用电负荷预测结果（单位：MW、%）

至2025年慈溪市全社会最大负荷达到3600MW，“十四五”期间年均增速为6.28%；至2035年慈溪市全社会最大负荷达到4563MW。

“十四五”期间，慈溪供电公司需要深挖电力需求侧资源，加快建设新型电力需求响应资源池、结合新形势持续健全需求响应政策标准体系、通过新技术手段强化负荷管理业务支撑基础、多措并举推广新型负荷管理应用范围、不断完善需求响应政策保障体系五大举措，全面唤醒网荷互动潜力。加快推进万用户的新型电力需求响应建设，对于高压用户要尽快全面普查需求响应资源，着力提升地区电力需求响应能力；进一步做细10%最大负荷的有序用电负荷方案，有效推广电力需求响应范围，促进新能源消纳、保障电力供需平衡、提高电网运行效率，着力提升负荷管理的综合效益，扎实贯彻落实“碳达峰、碳中和”目标在基层落地。预计慈溪市2025年最大负荷需求响应能力达到9.75%，日前削峰能力可达30万千瓦、填谷能力可达5万千瓦、日内小时级调节能力可达24.7万千瓦，分钟级可调节（虚拟电厂）负荷规模达到7.8万千瓦、秒级可中断负荷规模达到2.6万千瓦，面向多元融合高弹性电网的电力需求响应体系全面建成并发挥有效作用。“十四五”期间需求响应负荷预测明细如下表所示。

表4 慈溪市“十四五”需求响应负荷预测结果（单位：万kW，万kVA、%）

结论

为应对气候变化，我国加快推进能源转型和高质量发展，多措并举贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略和2060年碳中和愿景，作为能源高质量发展的主战场，我国中长期电力供需格局将发生重大变化。本文结合浙江慈溪经济发展特点和行业结构演变趋势，提出基于S增长曲线的电力需求预测模型，通过近10年的历史数据回归分析，得到重点行业负荷和居民生活S增长曲线特征值，在此基础上对慈溪地区负荷需求及饱和时间开展预测研究，预计慈溪市2025年全社会用电量167亿千瓦时；2035年210.2亿千瓦时，其中，后3年全社会用电量增速低缓，约为1.5%，届时慈溪市电力负荷处于饱和状态。案例分析表明所提方法的合理性。