基于GM(1,1)法的吉林省“十四五”电力需求量预测分析

刘 颖，王 玉，于凤洋，林晓晟

(吉林省环境科学研究院，吉林 长春 130000)

1 研究目的

“十四五”时期是碳达峰攻坚期，也是推动经济高质量发展和生态环境质量持续改善的关键阶段。随着国民经济和社会的不断发展,全社会用电量不断提高，对“十四五”期间的全社会需电总量进行预测，是电力部门规划的必要内容，对于电力工业发展的战略研究、资源优化配置等具有重要影响。同时随着我国能源结构全社会低碳化的发展，电力行业要逐步脱离以化石能源为主导的状态，用电量需求的预测对于加快煤炭减量步伐，合理规划可再生能源替代，最终实现电力行业碳达峰碳中和目标的实现，将具有积极作用。

“十三五”期间，吉林省电力行业持续快速发展，对电力行业煤炭消费量逐年增加,2011～2019年数据表明，火电行业用于发电的煤炭消耗量占吉林省能源消耗总量约在30%～50%之间，2019年吉林省煤炭消费总量8730万t，其中火电行业发电用煤4025万t，占全部煤炭消耗的46%[1，2]，发电用煤量是吉林省煤炭消耗量的最大贡献者。而火电行业煤炭消耗量由用电需求量所决定，对全社会电力需求量预测，将积极促进合理规划煤电和可再生能源结构，火电行业低碳化发展。

2 预测方法

对电力需求量预测的基本原则根据延续性原则、类推原则，相关原则进行系统性预测。预测方法包括经典预测方法、时间序列预测方法、回归预测方法、投入产出预测方法、灰色预测方法和定性预测方法等[3，4]。目前，国内已有相关预测方法的研究，如柯尚军等[4]对广州市用电量预测模型比较研究中，采用GM(1,1)预测方法拟合年用电量相对误差为2.22%；沈勇等[6]用回归方法对上海市居民用电量预测，预测结果相对误差0.2%～9%；郭松亮等[7]用时间预测方法对北京市全社会用电量进行拟合验证，结果显示北京市全社会用电量数据服从ARIMA(1,1,0)的异方差模型；闵旭等[8]采用基于残差自回归方法的时间序列预测模型对我国区域用电量进行预测研究，有效提高了短期区域用电量预测准确性。

灰色模型(Grey models)简称GM模型，属于时间序列预测方法，是以灰色过程及其生成空间为基础与内涵的方法体系，以系统分析、建模、预测、决策、评估为纲的技术体系[9]。本项目采用时间序列模型即灰色模型GM(1,1)预测方法，根据吉林省历年全社会用电量的规律进行外推，对“十四五”期间各行业用电量预测，最后汇总全社会用电量。灰色模型GM(1,1)预测方法适合近期和中远期预测。由于其简便易用，拟合程度高，在目前预测分析模型中得到了广泛使用。项目组收集了吉林省2014～2021年全社会用电量，通过基础数据，建立灰色拟微分预测方程，对2022～2025年吉林省全社会用电量进行了预测。预测过程以第一产业用电量为例说明，其余产业仅显示预测结果。

2.1 基础数据输入

近10年来，吉林省每年用电量以2%～5%的速度不断增长，2020年人均年发电量提高到3241 kW·h，人均用电量提高到2791 kW·h，人均生活用电量733 kW·h[2]。

2014～2021年吉林省全社会用电量数据见表1。

表1 吉林省全社会用电量 亿kW·h

2.2 数据生成及检测

在建立灰色预测模型GM(1,1)前，对数据序列进行级比检验。若通过级比检验，则说明该数据序列适合构建灰色模型，若通不过级比检验，则对序列进行“平移转换”，从而使得新序列满足级比值检验。

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

表2 各产业用电量级比检验

第一产业用电量累加数列：

移动平均数列：

3 模型构建与预测结果

3.1 模型构建

由发展系数a和灰色作用量b可以构建灰色预测模型：

由表3可知，模型预测精度用后验差比值衡量，一般认为后验差比值C值小于0.35则模型精度高，C值小于0.5说明模型精度合格。第一产业后验差比值是为0.45，说明模型模拟结果精度合格；其他产业后验差比值均小于0.35，模拟结果精度很高。

表3 各产业相关系数输出

3.2 预测结果输出

各产业和居民用电量预测值及相对误差见表4、5。

表4 各产业用电量预测值及相对误差

表5 居民用电量预测值及相对误差

表4,5展示了灰色预测模型的拟合结果,一般情况下相对误差小于20%即说明拟合良好。第一产业相对误差值基本控制在小于20%以内，第二、三产业相对误差在8%以内，城镇和乡村居民用电量预测结果精度最高，相对误差平均为5%以内，整体拟合度良好。拟合图及预测值见图1～图4。

图1 第一产业实际用电量和预测用电量

图2 第二产业实际用电量和预测用电量

图3 第三产业实际用电量和预测用电量

图4 居民实际用电量和预测用电量

对吉林省“十四五”期间全社会用电量预测结果进行汇总，结果见表6。

从表6可见，“十四五”期间，吉林省全社会用电量将会持续增长，每年增长率约4.7%。2021年，国家发展改革委、国家能源局发布的《全国煤电机组改造升级实施方案》中数据显示2020年全国6000 kW及以上火电厂供电煤耗为305.5 g标准煤/(kW·h)。如果不采取任何减碳措施，按照延续“十三五”期间煤电的发电量占比和2020年的供电煤耗粗略估算，“十四五”火电行业的煤炭消耗量将以每年120～200万t速度增长，那么火电行业的煤炭消耗将不断增长。

践行碳达峰及碳中和战略，能源是主战场，电力是主力军[9]。以预测发电量为基础数据支撑，推算煤炭新增量，并推动绿色能源的发展，消化新增量，并采取措施减少煤炭消耗，是火电行业碳达峰的根本途径。

4 结论

(1)用灰色模型GM(1,1)对吉林省2014～2021年的用电量进行数据检测结果显示，数据均符合灰色模型数据要求，第一产业用电量后验差比值是为0.45，模拟结果精度合格；其他产业后验差比值均小于0.35，模拟结果精度很高。

(2)预测结果和实际数值比较，相对误差基本在20%以内，居民用电量在5%以内，说明用灰色模型GM(1,1)对于吉林省全社会用电量的预测精度是很高的，对“十四五”的全社会用电量预测结果精度较高。

(3)预测结果显示，“十四五”期间，吉林省全社会用电量将会持续增长，每年增长率约4.7%。

(4)可将本项目预测结果作为基础数据支撑，估算“十四五”煤炭消耗量，以“煤改气、改电、改生”的能源转型为基本思路，合理规划煤电和可再生能源结构，促进吉林省火电行业率先达峰。