基于灰色模型的無(wú)錫交通行業(yè)用電量預(yù)測(cè)研究

高騫 洪宇 王璟 陳國(guó)湘 樊麗君 薛欣然

1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無(wú)錫供電分公司；3.北京成和能源咨詢有限公司

引言

當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)乏力、新冠疫情將在一定時(shí)期內(nèi)持續(xù)存在，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于新常態(tài)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用電增長(zhǎng)面臨較大不確定性。“交通強(qiáng)國(guó)”背景下軌道交通領(lǐng)域電力消費(fèi)預(yù)測(cè)是電網(wǎng)公司提高電網(wǎng)精準(zhǔn)投資、精益管理水平不可缺少的一部分。如何結(jié)合實(shí)際，明確“交通強(qiáng)國(guó)”背景下軌道交通行業(yè)及用電量特點(diǎn)和趨勢(shì)，形成面向電網(wǎng)發(fā)展和保障民生的軌道交通領(lǐng)域電力消費(fèi)預(yù)測(cè)思路，對(duì)電網(wǎng)公司增供擴(kuò)銷、電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展和提升企業(yè)社會(huì)形象具有重要意義。

王利利，張琳娟，許長(zhǎng)清，等（2020）采用用戶畫像技術(shù)，基于用戶負(fù)荷水平、用戶日常用電行為、用戶多元互動(dòng)能力等因素，構(gòu)建多個(gè)維度用戶特征的園區(qū)用戶三級(jí)標(biāo)簽體系，并以此構(gòu)建了園區(qū)用戶成熟度評(píng)價(jià)模型，分別從負(fù)荷水平、用電行為、互動(dòng)能力三個(gè)維度對(duì)用戶的用電特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便快速直觀掌握電力用戶的負(fù)荷行為模式以及電量需求規(guī)律[1]。李正浩（2021）提出一種基于NACEMD-GRU的組合型日前負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，引入噪聲輔助復(fù)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對(duì)日前負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，并建立基于門控循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元的深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，得到日前負(fù)荷的各分量預(yù)測(cè)結(jié)果[2]。肖白，張小娜，姜卓，等（2021）針對(duì)現(xiàn)有空間電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法沒(méi)有考慮待預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)各供電小區(qū)之間的負(fù)荷相互影響關(guān)系的情況，提出一種考慮本位元胞接受能力和相鄰元胞負(fù)荷影響的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，并利用空間卷積建立相鄰元胞產(chǎn)生負(fù)荷影響的量化模型，主要適用于城市電網(wǎng)規(guī)劃年負(fù)荷預(yù)測(cè)[3]。陳張宇，劉東（2021）構(gòu)建了居民用戶精細(xì)化需求響應(yīng)模型，建立了兩個(gè)長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)需求響應(yīng)效益系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用精細(xì)化需求響應(yīng)模型來(lái)計(jì)算針對(duì)不同用戶的最優(yōu)激勵(lì)[4]。任軒，汪慶年，尚寶，等（2022）提出了一種基于多層感知器的基礎(chǔ)子網(wǎng)、簡(jiǎn)單循環(huán)單元與主成分分析（PCA）的短期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。首先，考慮影響電力負(fù)荷變化的各種因素，建立負(fù)荷預(yù)測(cè)輸入特征集；其次，利用PCA對(duì)輸入網(wǎng)絡(luò)的部分特征進(jìn)行變換并降維；最后，將經(jīng)過(guò)PCA處理后得到的全新數(shù)據(jù)信息作為模型的輸入，并結(jié)合Adam梯度下降算法進(jìn)行訓(xùn)練，輸出負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果[5]。

本文考慮江蘇省無(wú)錫市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和軌道交通技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的特點(diǎn)，結(jié)合交通強(qiáng)國(guó)要求，建立灰色預(yù)測(cè)用電量預(yù)測(cè)模型，通過(guò)模型計(jì)算，可以給出十四五無(wú)錫市交通行業(yè)用電量情況，為無(wú)錫市供電公司和上下游企業(yè)、政府部門部署軌道交通領(lǐng)域保供電工作提供參考。

一、預(yù)測(cè)模型

本文結(jié)合無(wú)錫市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展特點(diǎn)，采用灰色GM（1，1）模型預(yù)測(cè)法開展負(fù)荷預(yù)測(cè)。

一般來(lái)說(shuō)，建立的預(yù)測(cè)模型的數(shù)據(jù)越多越好，但樣本容量過(guò)大不一定能找到樣本的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。灰色模型，即GM模型，不受模型樣本是否存在統(tǒng)計(jì)規(guī)律、統(tǒng)計(jì)規(guī)律是否為典型過(guò)程的限制，所需樣本量小，計(jì)算量小。灰色預(yù)測(cè)的基本思想是：先將原始數(shù)據(jù)生成具有一定規(guī)律的序列，再對(duì)生成序列進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，得到生成序列的預(yù)測(cè)值，最后對(duì)生成序列的預(yù)測(cè)值進(jìn)行還原，得到模型的預(yù)測(cè)值。共具體計(jì)算過(guò)程如下：

步驟1，選擇基于時(shí)間序列的n個(gè)觀察值X(0)；步驟2，通過(guò)累加生成新序列X(1)；步驟3，基于X(1)緊鄰均值生成序列Z(1)；步驟4，構(gòu)建GM（1，1）灰微分方程模型為，式中，a稱為發(fā)展灰數(shù)，b稱為內(nèi)生控制灰數(shù)。步驟5，建立微分方程為上述灰色微分方程的白化方程；步驟6，計(jì)算白化方程的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)和灰微分方程的時(shí)間響應(yīng)序列；步驟7，建立預(yù)測(cè)方程。

二、案例分析

（一）現(xiàn)狀分析

2021年，無(wú)錫市綜合實(shí)力持續(xù)增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)總量再上新臺(tái)階。初步核算，全年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值14003.24億元，按可比價(jià)格計(jì)算，比上年增長(zhǎng)8.8%。按常住人口計(jì)算人均生產(chǎn)總值達(dá)到18.74萬(wàn)元。分產(chǎn)業(yè)看，全市第一產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值130.33億元，比上年增長(zhǎng)1.3%；第二產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值6710.50億元，比上年增長(zhǎng)9.9%；第三產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值7162.41億元，比上年增長(zhǎng)7.9%；三次產(chǎn)業(yè)比例調(diào)整為0.9:47.9:51.2。

2021年無(wú)錫地區(qū)調(diào)度最大負(fù)荷為1429萬(wàn)千瓦（7月15日），同比增長(zhǎng)6.1%；冬季最大調(diào)度負(fù)荷為1233萬(wàn)千瓦（12月28日），同比增長(zhǎng)0.36%。2021年全市累計(jì)完成全社會(huì)用電量838.64億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)10.42%；累計(jì)完成工業(yè)用電量620.25億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)8.93%。無(wú)錫市鐵路和道路運(yùn)輸業(yè)用電量8.217億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)18.47%。其中電氣化鐵路和城市公共交通運(yùn)輸用電量5.595億千瓦時(shí)，占比68.09%，同比增長(zhǎng)21.71%。

全社會(huì)用電量?jī)赡昶骄鏊賮?lái)看，6月最高達(dá)到9.14%，2月最低0.1%，波動(dòng)較大，上半年增長(zhǎng)總體強(qiáng)于下半年；工業(yè)用電量?jī)赡昶骄鏊賮?lái)看，除6月份較高達(dá)9.74%、12月4.59%有所反彈外，全年呈緩慢下滑趨勢(shì)。

2021年底無(wú)錫市共有專用充電站582座，交流樁4944臺(tái)，直流樁1323臺(tái)，服務(wù)費(fèi)區(qū)間在0.3-0.46元/kWh。

（二）影響因素分析

未來(lái)無(wú)錫逐步進(jìn)入“城市提質(zhì)，內(nèi)涵發(fā)展，城鄉(xiāng)統(tǒng)籌，融合發(fā)展”的轉(zhuǎn)型發(fā)展新階段，開辟城鄉(xiāng)建設(shè)的新征途。市域形成“一體兩翼、一軸兩帶”的空間結(jié)構(gòu)，市區(qū)形成“一主雙群、兩帶三心”的空間結(jié)構(gòu)，實(shí)施區(qū)域融合戰(zhàn)略，城鄉(xiāng)一體化戰(zhàn)略、城市品質(zhì)提升戰(zhàn)略和城市安全保障戰(zhàn)略，開展七大城鄉(xiāng)空間布局優(yōu)化行動(dòng)。

無(wú)錫市城鄉(xiāng)布局聚焦一軸兩帶、優(yōu)化市域空間格局、突出重點(diǎn)、差異化引導(dǎo)，提升主城區(qū)功能、建設(shè)特色化新市鎮(zhèn)和美麗鄉(xiāng)村，促進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展、優(yōu)化先進(jìn)制造業(yè)空間布局，促進(jìn)工業(yè)園區(qū)的提質(zhì)升級(jí)、生普惠提質(zhì)，建設(shè)宜居城市、優(yōu)化資源配置、推進(jìn)綜合交通體系的完善、完善基礎(chǔ)設(shè)施體系，保障城市健康持續(xù)發(fā)展的城鄉(xiāng)空間布局優(yōu)化行動(dòng)。

圖1 2021年無(wú)錫分月全社會(huì)用電量增速圖

圖2 無(wú)錫2035年大運(yùn)量城市軌道規(guī)劃網(wǎng)

無(wú)錫市業(yè)布局規(guī)劃完善355制造業(yè)空間布局，加快三大經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)轉(zhuǎn)型升級(jí)，大力培育五大新興科技園區(qū)，重點(diǎn)建設(shè)五個(gè)特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)，全面建設(shè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)城和國(guó)際先進(jìn)制造業(yè)基地；重點(diǎn)培育三類商貿(mào)集聚區(qū)，提升建設(shè)三類現(xiàn)代物流集聚區(qū)，整合完善三類旅游功能區(qū)，形成多層次的現(xiàn)代服務(wù)集聚空間體系；重點(diǎn)推進(jìn)五個(gè)萬(wàn)畝良田建設(shè)，深化一批現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范工程建設(shè)，加快建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)。

未來(lái)無(wú)錫市經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型趨勢(shì)更加明顯，預(yù)計(jì)“十四五”期間GDP年均增速將維持在5%-6%，稍低于全國(guó)平均水平。全社會(huì)用電量年均增速將維持在4%-5%，也將低于全國(guó)平均水平。

交通強(qiáng)國(guó)背景下，考慮《長(zhǎng)三角洲地區(qū)交通運(yùn)輸更高質(zhì)量一體化發(fā)展規(guī)劃》《整體推進(jìn)三大區(qū)域城際鐵路和市域（郊）鐵路建設(shè)專題會(huì)議紀(jì)要》（發(fā)改辦基礎(chǔ)[2020]913號(hào)）等政策要求，一方面，無(wú)錫軌道交通將持續(xù)大發(fā)展，包括軌道交通運(yùn)營(yíng)里程、運(yùn)營(yíng)量、平均運(yùn)行速度等；另一方面，隨著技術(shù)進(jìn)步，同等運(yùn)行速度和載客量下的軌道交通用電量將呈緩慢下降趨勢(shì)。此外，隨著安全意識(shí)的提升，無(wú)錫市軌道交通領(lǐng)域保安電量也將快速增長(zhǎng)。

未來(lái)鹽泰錫常宜鐵路和蘇錫常城際鐵路將穿越無(wú)錫市，設(shè)計(jì)時(shí)速分別為350公里/小時(shí)和200公里/小時(shí)，預(yù)計(jì)投運(yùn)時(shí)間是2025年12月。

根據(jù)無(wú)錫市交通規(guī)劃，無(wú)錫地鐵目前已經(jīng)建成1、2、3號(hào)線。“十四五”期間無(wú)錫市將推動(dòng)第三輪地鐵建設(shè)，主要任務(wù)是3號(hào)線北延、4號(hào)二期、5、6號(hào)線。2035年城市軌道網(wǎng)絡(luò)為8線1支，總規(guī)模297km，服務(wù)于無(wú)錫市區(qū)。除大運(yùn)量軌道系統(tǒng)外，線網(wǎng)規(guī)劃有14條中運(yùn)量公交系統(tǒng)，作為大運(yùn)量補(bǔ)充，總規(guī)模269km。

（三）預(yù)測(cè)分析

采用灰色預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2022年無(wú)錫全社會(huì)用電量達(dá)875.5億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)4.4%。“十四五”期間無(wú)錫全社會(huì)用電量達(dá)940億千瓦時(shí)。軌道交通用電量年均增速16%～18%，其中，保安電量約占1/3。到2025年，無(wú)錫軌道交通用電量達(dá)到10.5億千瓦時(shí)，其中，保安電量達(dá)到3.5億千瓦時(shí)。無(wú)錫市軌道交通除了高鐵、市內(nèi)軌道交通，未來(lái)郊區(qū)軌道交通也將成為重要發(fā)展方向。

在雙碳政策的扶持下，無(wú)錫市電動(dòng)汽車及其充電設(shè)施的制造、運(yùn)營(yíng)行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆ｋS著個(gè)人新增購(gòu)置車輛中新能源汽車占比迅速增加，公交、環(huán)衛(wèi)、公務(wù)用車全面推廣使用新能源汽車，出租車、網(wǎng)約車、城市物流車、新能源汽車滲透率逐步提升，無(wú)錫市新能源汽車保有量在2022年將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)。相應(yīng)的充換電設(shè)施的保有量也將不斷增加，相應(yīng)的電力需求勢(shì)必大幅度增加。預(yù)計(jì)2022年充換電服務(wù)業(yè)用電量達(dá)1.76億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)81.3%；2025年用電量達(dá)7.2億千瓦時(shí)。

圖3 無(wú)錫2035年中運(yùn)量公交系統(tǒng)

圖4 2022年度分月電量預(yù)測(cè)表（萬(wàn)千瓦時(shí)）

考慮到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)影響，無(wú)錫全市最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)未來(lái)逐漸下降，將有2021年的5600小時(shí)逐漸下降至2025年約5480小時(shí)。預(yù)計(jì)2022年和2025年無(wú)錫全社會(huì)最大負(fù)荷分別達(dá)1500萬(wàn)千瓦和1670萬(wàn)千瓦。

結(jié)語(yǔ)

“交通強(qiáng)國(guó)”背景下軌道交通領(lǐng)域電力消費(fèi)預(yù)測(cè)是電網(wǎng)公司提高電網(wǎng)精準(zhǔn)投資、精益管理水平不可缺少的一部分。本文考慮無(wú)錫市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和軌道交通技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的特點(diǎn)，結(jié)合交通強(qiáng)國(guó)要求，建立灰色GM（1，1）模型預(yù)測(cè)軌道交通領(lǐng)域用電量，通過(guò)模型計(jì)算，預(yù)計(jì)“十四五”期間無(wú)錫軌道交通用電量年均增速約16%-18%，其中，保安電量約占1/3。到2025年，無(wú)錫市軌道交通用電量達(dá)到10.5億千瓦時(shí)，其中，保安電量達(dá)到3.5億千瓦時(shí)。無(wú)錫市軌道交通除了高鐵、市內(nèi)軌道交通，未來(lái)郊區(qū)軌道交通也將成為重要發(fā)展方向。研究成果為無(wú)錫市供電公司和上下游企業(yè)、政府部門部署軌道交通領(lǐng)域保供電工作提供參考，案例表明所提方法的可行性。