“雙碳”目標下南方區域能源電力消費及負荷特性預測

卓映君，周保榮，姚文峰，王嘉陽，盧斯煜

（直流輸電技術全家重點實驗室（南方電網科學研究院），廣州 510663）

0 引言

為了應對世界氣候變化，許多國家和地區陸續提出碳中和目標［1］，我國也積極宣誓“雙碳”目標，并出臺了一系列“雙碳”政策文件，加快我國能源綠色低碳轉型建設［2-3］。實現“雙碳”目標，能源是主戰場，電力是主力軍，能源電力低碳轉型是實現碳達峰、碳中和的關鍵環節［5-7］。中長期能源電力消費預測是指導能源政策、電網規劃的重要基礎，準確把握能源電力消費發展趨勢， 對于保障國民經濟高質量發展、保障能源供應安全以及保障“雙碳”目標實現具有重要意義。

國內外已有不少組織機構和學者對我國能源電力轉型路徑開展深入研究，對我國碳達峰階段和碳中和階段的能源需求和電量需求有初步的研究成果［8-13］。南方區域作為我國新型電力系統建設的先行者，更應提前做好布局和謀劃。然而，目前關于南方區域能源低碳轉型的研究較少，亟需對“雙碳”目標下南方區域未來能源電力消費情景進行預測。準確把握未來能源電力消費發展趨勢，不僅可以指導終端部門加速能源技術升級、加快能源消費結構轉型；還可以為電力部門提供負荷畫像，指導電網建設和電源投資，保障電力供應安全。

在“雙碳”背景下，能源電力消費情景不僅需要滿足經濟、能源、碳排放等宏觀約束性指標，同時還需考慮產業轉型目標、區域發展規劃以及終端部門電能替代技術潛力等多層級發展約束，因此需要采用自上而下與自下而上相結合的綜合評估的方法［14-16］。此外，負荷畫像顆粒度越精細，對支撐電源規劃、電網發展、市場建設等電力供需保障工作的作用越大。如何準確刻畫未來負荷特性的變化是進一步深化能源電力消費預測研究的重要工作。

目前已有的能源電力消費預測研究聚焦于能源和電力消費總量的預測，時間尺度通常以年為單位；已有的負荷特性預測方法聚焦于單一時間尺度的負荷特性預測，預測時間跨度通常為數年以內［17-19］。新型電力系統背景下負荷畫像的精度要求逐步提高，需要在能源電力系統視角下兼顧宏觀-中觀-微觀多層級發展目標，對中長期的負荷需求及多時間尺度特性進行預測，因此，亟需研究一套完備的負荷需求及特性預測方法。

本文提出了可滿足新型電力系統建設需求的能源電力消費及負荷特性的預測方法，并基于該方法對南方區域的未來負荷情景進行描繪。首先，在全國和南方區域的能源供需現狀分析基礎上，結合目前已有的關于我國未來能源發展的研究成果，從經濟發展、人口發展、能源發展三個維度對南方區域能源電力消費發展趨勢進行展望，把握南方區域能源電力消費的客觀發展規律；采用兼顧多層級發展目標約束的南方區域能源電力消費需求預測技術和情景分析方法，構建了“雙碳”目標約束下南方區域的能源電力消費情景；在此基礎上，采用基于產業分解的多時間尺度負荷特性預測方法，刻畫了“雙碳”目標約束下南方區域負荷畫像。以期為碳達峰、碳中和目標下南方區域能源電力消費預測和能源電力低碳轉型提供基礎參考。

1 能源電力消費現狀分析與未來發展趨勢展望

能源電力消費預測是指在歷史和現狀的數據基礎上，提煉客觀發展規律，對未來進行預測。本文通過統計分析全國與南方區域的能源供需現狀、調研已有的全國能源發展趨勢預測結果，展望南方區域未來能源消費發展趨勢。

1.1 能源電力消費現狀分析

1.1.1 全國能源消費現狀

2020 年，全國國內生產總值（gross domestic product， GDP）總量為101.4 萬億元，相比2010 年年均增長率為6.8%。其中，第一產業占比7.7%，相比2010 年處于下降狀態，年均下降率為2.0%；第二產業占比37.8%，相比2010 年處于下降狀態，年均下降率為2.0%；第三產業占比54.5%，相比2010 年處于逐年上升狀態，年均增長率為2.1%［19］。

2020 年，全國總人口為14.1 億人，相比2010年年均增長率為0.5%。其中，城鎮占比為63.9%，相比2010 年處于逐年上升狀態，年均增長率為2.5%；鄉村占比為36.1%，相比2010 年處于逐年下降狀態，年均下降率為3.2%［20］。

全國能源消費需求逐年增長，終端部門能源消費結構不斷改善，電力消費持續增長（如圖1 所示），電能替代技術存在較大發展空間。能源消費結構不斷優化，2010 年能源消費總量為36.1 億噸標準煤，2020 年上升至49.8 億噸標準煤，化石能源消費占比從90.6%下降至84.1%。2020年全國電力消費量為7.5 PWh，相比2010 年年均增長率為6%［21］。2020 年全國電能消費占終端能源消費比重達到約26.5%［22］。

圖1 全國電力消費情況Fig.1 National electricity consumption

1.1.2 南方區域能源消費現狀

2020 年，南方區域GDP 總量為18.1 萬億元，相比2010 年年均增長率為7.9%。其中，第一產業占比8.6%，相比2010年下降0.7%；第二產業占比36.7%，相比2010 年下降10.6%；第三產業占比54.8%，相比2010年上升11.3%［19］。

2020 年，南方區域人口總量為2.6 億人口，相比2010 年年均增長率為0.9%。2020 年，南方區域人口和GDP 占全國比重均為18%左右，人均GDP為6.9 萬元/年，略低于全國平均水平（7.2 萬元/年）。

2020 年南方五省終端能源消費量為7.2 億噸標準煤，約占全國能源消費總量14%，相比2010 年5.2 億噸標準煤年均增長3.1%。 2020 年南方區域非化石能源消費占比30.2%，單位GDP 能耗約0.40 t 標準煤/萬元（當年價），均遠低于全國水平（15.9%，0.49 t標準煤/萬元）

2020 年南方區域電力消費量為1.3 PWh，近10a的年均增長率為6.4%，南方區域約占全國電力消費的17%，如圖2 所示。2020 年南方區域人均用電量約5 000 kWh/a，略低于全國平均水平（5 300 kWh/a）。2020 年南方區域最大電力負荷為220 GW，近10 a的年均增長率為7.5%，負荷小時數達到約6 060 h。全年最大電力負荷發生在7—8 月，月負荷系數峰谷差值約為0.2；日負荷特性曲線呈現雙峰特性，夏季日最大電力負荷出現在正午12時左右，冬季最大電力負荷出現在晚上20 時左右，日負荷系數峰谷差值分別約為0.3和0.4。

圖2 南方電力消費量Fig.2 Electricity consumption in the southern region

1.2 未來發展趨勢研判

1.2.1 中國能源消費發展趨勢預測結果

我國是全球應對氣候變化事業的積極參與者與重要貢獻者，其能源需求和能源轉型是全球關注的焦點［23］。國內外機構紛紛開展相關研究，設置了不同的假設情景，對碳中和背景下中國能源需求、碳排放和能源電力轉型路徑進行預測［24-27］。本文調研了國內外11家機構的預測結果。

1） 人口變化

目前我國人口老齡化速度加快，根據調研成果顯示，我國將提前進入人口自然增長率為負值的階段。預計人口總規模將在2030 年前后達到峰值14.4～14.6 億，2050 年下降至13.6～14.0 億，到2060年人口數量將下降至13.5億以下。

2） 生產總值GDP

大多數發達國家經驗顯示，碳達峰進程往往伴隨GDP 進入較低增速階段，碳達峰前10 年GDP 增長率比后10 年GDP 增長率高2 個百分點左右或以上，碳達峰后GDP 增長率下降至3%以下。考慮中國仍然屬于發展中國家，存在較大的客觀發展需求，預計我國GDP 增長率在2030 年將下降至4.5%～5.0%，在2050 年下降至3.0%～3.5%，在2060 年進一步下降至2.5%以下。2050 年我國人均GDP 超過發達國家碳達峰時人均GDP 平均水平（3萬美元/年），2060年人均GDP可以超過美國、日本等發達國家碳達峰時人均GDP 水平（4～5 萬美元/年）。

3） 能源消費總量

結合國際經驗來看，多數國家的能源消費達峰時間是在碳達峰同年或一段時期后出現，部分發達國家如德國、法國等國家的能源消費峰值時間晚于碳達峰5～30 a以上。調研結果顯示，碳中和情景下的能源消費無論是絕對值還是趨勢都較為接近，預計我國能源消費總量達峰時間晚于碳達峰時間，將在2030—2045年間達峰，峰值在60億噸標準煤左右。

1.2.2 南方區域發展趨勢研判

1） 人口發展趨勢

參考全國人口總量達峰時間及未來變化趨勢的預測結果，結合南方區域歷史人口數據表現，考慮區域發展紅利，南方區域人口總量達峰時間將略遲于全國人口達峰時間，預計將在2035 年左右達峰，屆時南方區域人口占全國人口比重將超過20%，最終穩定在21%左右。

2） GDP發展趨勢

借鑒國際經驗和我國經濟發展未來趨勢，南方區域GDP 增速隨人口增速下降而放緩，預計南方區域GDP 增長率略高于全國平均水平，GDP 增長率在2030 年將下降至5.0%～5.5%，在2050 年下降至3.2%～3.5%，人均GDP 可以超過發達國家碳達峰時人均GDP 平均水平，約3.5 萬美元/年（以2020年為基準價，按1 美元=6.5 元換算，下同），在2060 年進一步下降至2.5%以下，人均GDP 可以超過美國、日本等發達國家碳達峰時人均GDP，約5萬美元/年。

3） 能源消費發展趨勢

參考全國能源消費總量預測結果，考慮南方區域發展驅動因素，預計南方區域能源消費總量將在2045年前達到峰值，南方區域能源消費總量峰值約為全國能源消費總量峰值的15%左右。在“雙碳”目標下，南方區域將通過加快能源結構清潔化轉型進程，保障區域經濟發展帶來的能源消費合理增長需求。

2 能源電力消費及負荷特性預測方法

負荷畫像預測是指導能源政策、電源投資、電網規劃的重要基礎。對此，本文采用了兼顧多層級發展目標約束的南方區域能源消費情景預測方法和基于產業分解的多時間尺度負荷特性預測方法，在能源電力系統視角下構建南方區域電力消費情景，精細刻畫南方區域負荷畫像，為能源電力低碳轉型研究工作提供參考。圖3 為能源電力消費及負荷特性預測方法的技術框架。

圖3 電力消費及負荷特性預測方法Fig.3 Prediction method of electricity consumption and demand characsteristics in the southern region

2.1 兼顧多層級發展目標約束的能源電力需求預測方法

本文提出了兼顧自上而下和自下而上［24-25］相結合的方法，兼顧多層級發展目標約束的南方區域能源電力消費情景預測技術。分析在“雙碳”目標約束下和產業結構轉型驅動下，各終端部門能源結構調整和電氣化技術實施帶來的南方區域能源消費和電量消費需求變化。

兼顧多層級發展目標約束的南方區域能源電力消費情景預測技術研究思路如圖4 所示。具體實現步驟如下。

圖4 南方區域能源電力消費情景預測技術Fig. 4 Prediction technology of energy and electricity consumption scenarios in the southern region

1） 預測宏觀發展趨勢：根據人口發展趨勢和人均GDP 增長研判預測南方區域GDP 增長量，根據碳排放強度指標和GDP 預測結果計算南方區域碳排放上限。并考慮未來將進一步加大對產業結構調整的力度，預測南方區域GDP 產業結構的變化情況。

2） 預測分產業和終端部門能源消費：結合全國能源消費總量變化趨勢和能源強度下降指標，預測南方區域分產業部門能源消費強度下降情況，結合南方區域分產業GDP 預測結果可求得分產業能源消費需求預測結構；依據產業與終端部門的對應關系，可進一步得到終端部門的能源消費總量。

3） 預測能源消費結構：在能源消費結構現狀基礎上，結合終端部門各種能源技術發展潛力和電能替代潛能，在碳排放約束下測算終端各部門的能源消費結構，通過反復迭代最終形成一套可滿足多層級發展目標約束的南方區域終端能源消費結構。

多層級發展目標約束公式表達如下。

1） 宏觀發展目標約束

根據人口發展趨勢和人均GDP 增長研判預測南方區域GDP 增長量。由碳排放強度下降目標約束預計南方區域未來碳排放強度變化，結合GDP預測結果確定南方區域未來碳排放總量約束。

式中：G為社會生產總值；GP為人均GDP 預測值；P為預測的人口數量；B為碳排放總量的最大約束值，由碳排放強度目標ECO2和GDP 預測值共同決定。

2） 中觀發展目標約束

考慮未來將進一步加大對產業結構調整的力度，分產業部門的能源強度和分產業的GDP 將發生變化，進一步可得到分產業的能源消費量需求預測情況：

式中：Gj為第j個產業對應的生產總值；αj為第j個產業的GDP 在總GDP 中的占比，j= 1 ～3 分別對應第一產業、第二產業和第三產業；Ej為第j個產業對應的能源強度，需要滿足能源強度下降目標要求；Ai，j為第j個產業的第i種能源消費品種的未來消費量。

根據三級產業與終端部門的對應關系，進一步可得到終端部門的能源消費總量，終端部門能源消費平衡約束為：

式中xi，k為第k個部門的第i種能源消費品種的未來消費量，i= 1 ～5 分別對應煤、石油、天然氣、熱力和電力，k= 1 ～4 分別對應農業部門、工業部門、建筑部門和交通部門。其中電力消費需求考慮了直接電力消費部分和非直接電力消費部分，非直接電力消費考慮了電制氫電量需求和供熱電量需求。

3） 微觀發展目標約束

根據現有技術比例和經驗數據預測各種能源技術未來滲透率比例關系，進一步可得到終端部門的能源消費結構，需要滿足各部門能源品種消費總量平衡約束和碳排放目標約束：

式中：為參考的第k個部門的第i種能源消費品種消費量；βi，k為第k個部門的第i種能源消費品種的未來增長率，需要滿足各部門的能源技術發展潛力和電能替代潛力的約束；γi為第i個能源的碳排因子；CO2為所有終端部門的碳排放之和。

2.2 基于產業分解的多時間尺度負荷特性預測方法

負荷特性預測是負荷預測的核心內容之一，是電網規劃與運行管理工作的重要基礎。本文根據指標選取的科學性、綜合性以及數據的可得性，提出了基于產業分解的多時間尺度的負荷特性預測方法，包括年最大負荷特性、月負荷系數和日負荷系數的負荷特性預測。為深化能源電力消費預測研究、刻畫未來負荷特性變化提供一種思路，在實際應用中可根據掌握的數據對各模型的輸入指標進行調整和優化。

結合目前掌握的數據顆粒度和豐富度，對于年、月負荷特性的預測，主要考慮了“雙碳”背景下產業發展和電能替代引起的電量需求變化影響，若掌握分產業/行業的負荷特性歷史數據，可將其作為解釋變量構造更為精細的年/月負荷特性預測模型；對于日負荷特性的預測，主要考慮了產業用電結構和典型日負荷特性曲線的影響，若掌握各細分行業的典型日負荷特性曲線，可基于細分行業的日負荷特性預測未來典型日負荷特性。

1） 年最大負荷特性預測

建立以年最大負荷為被解釋變量，以GDP、用電量需求、三產用電量結構三類指標作為解釋變量的多元線性回歸方程，經歷史10 a 數據檢驗，回歸方程精度可達到99%以上。表達式如式（13）所示。

式中：Yy為年最大負荷值；xGDP為GDP 值；xe為用電量需求；xe，2，xe，3分別為二產、三產的電量需求；αy，1～αy，4為各項指標系數；βy為殘差項。

2） 月負荷特性預測

建立以月負荷特性系數為被解釋量，以三產用電量結構、月份特征、區內各省份月溫度特性三類指標作為被解釋變量的多元線性回歸方程。經歷史5 a 數據檢驗，回歸方程精度可達到95%以上。表達式如式（14）所示。

式中：Ym為月負荷特性系數；xm為月份序號；xe，1～xe，3分別為一產～三產的電量需求；xpro為區域s內省份pro的月最高溫度，式中考慮了屬于區域s內的所有省份的溫度影響；αm，1～αm，4，αm，pro為各項指標系數；βm為殘差項。

3） 日負荷特性預測

基于目前掌握的各產業典型日負荷特性曲線，結合未來各產業用電量，將各產業的日負荷曲線進行疊加可得到未來的典型日負荷特性曲線。

式中：Yd，t為第t時段的日負荷特性系數；為第t時段的日負荷數值；～分別為第t時段的一產—三產日負荷特性系數；xe，1～xe，3分別為一產—三產的電量需求。

3 南方區域能源電力消費情景預測結果

兼顧宏觀經濟發展、能源供需安全和碳減排目標，本文對南方區域能源電力消費需求和負荷畫像進行預測情景研究，基于能源消費達峰時間和達峰總量，設置了基準情景、能耗雙控情景和碳排放雙控情景 3 種情景，構建南方區域能源電力消費情景，刻畫南方區域負荷畫像。

3.1 情景設置

基準情景是在“雙碳”目標制定前的政策約束下按照傳統發展模式、歷史發展趨勢預測的情景。該情景未受到能耗雙控和碳排放雙控政策的約束，是一個基準參照情景，用來對比“雙碳”目標政策對能源電力消費需求的影響。

能耗雙控情景是指在基準情景基礎上，面向“雙碳”目標，各行業深度去煤、減油替代，進一步發展天然氣，加大終端電氣化，在滿足能源消費總量和能源消費強度“雙控”政策約束下的能源電力需求預測情景。

碳排放雙控情景是指在基準情景基礎上，工業部門、交通部門、建筑部門、農業部門各部門大力發展電代煤、電代油等技術，并通過加快電力系統低碳轉型、降低電力部門碳排放因子，保障在“雙碳”目標約束下能源電力消費合理增長的需求。

3.2 南方區域終端能源消費總量

根據工業、建筑、交通、農業部門終端能源消費預測分析，3 個情景下南方區域終端能源消費總量在碳達峰階段保持增長趨勢，在2035 年后能源消費需求增長率減緩，邁入達峰平臺期，如圖5 所示。在基準情景下，南方區域終端能源消費總量將在2050 年前后達峰，峰值約為11.5 億噸標準煤。碳排放雙控和能耗雙控情景下，南方區域終端能源消費需求分別約為10.0億噸標準煤和8.5億噸標準煤。能耗雙控情景下，南方區域終端能源消費總量于2040 年前后邁入達峰平臺期，碳排放雙控情景延遲約5 a 進入平臺期。盡管碳排放雙控情景下能源消費總量峰值增大、達峰時間延后，但其非化石能源發展迅速、終端部門深度電氣化，通過電力系統深度脫碳，充分發揮終端高度電氣化的碳減排效益，保障南方區域在滿足“雙碳”目標下經濟快速增長的能源消費需求，實現雙碳目標和能源消費增長的協同。圖6 為不同情景下南方區域終端電氣化率的預測結果。

圖5 不同情景下南方區域終端能源消費需求Fig.5 Terminal energy consumption demand in the southern region under different scenarios

圖6 不同情景下南方區域終端電氣化率Fig.6 Terminal electrification rate in the southern region under different scenarios

3.3 南方區域電量消費需求

在電量消費方面，受經濟運行總體增長、電能替代等因素推動，南方區域終端部門電量消費保持持續合理增長趨勢。3 種情景下南方區域用電量需求在“十四五”期間年平均增長率均超過5%，“十五五”期間年平均增長率為3%～4%，2030年—2050年期間年均增長率由2.5%逐步下降至1.5%，在2050年后年均增長率將進一步下降至1.5%以下，如圖7 所示。2030 年南方區域用電量需求約為1.9～2.3 PWh，人均用電量為6～8 MWh/a，達到日本、德國當前人均用電量水平。2060 年達到約3.1～4.1 PWh，人均用電量為11～15 MWh/a，達到美國、加拿大當前人均用電量水平。

圖7 不同情景下南方區域電量需求Fig.7 Electricity consumption in the southern region under different scenarios

3.4 南方區域負荷特性預測結果

在負荷特性方面，受區域經濟增長、產業結構轉型和終端電能替代影響，南方區域年最大負荷持續增長，但年增長率總體呈現下降趨勢，如圖8 所示。3 種情景下南方區域年最大負荷在2030 年前年平均增長率均超過3%，2030—2050 年期間年平均增長率維持在2%～2.5%且逐步下降，2050 年后年平均增長率將進一步下降至1.5%左右。2030 年南方區域年最大負荷需求約為300～360 GW，2060 年達到約500～660 GW。

圖8 南方區域年最大負荷Fig.8 Maximum load in the southern region

3 種情景下2025—2060 年月負荷特性曲線和日負荷特性曲線形態幾乎一致，負荷不均衡特性有所提升。南方區域月負荷系數曲線呈現為雙谷形態，日負荷特性曲線呈現三峰形態，依次如圖9 和圖10所示。以碳排放雙控情景為例，最大月負荷系數出現在7—8月，最小月負荷系數谷值出現在2—3月，次小月負荷系數谷值出現在11 月左右，月負荷系數峰谷差值由0.20（2020 年）逐步提高至0.25（2060年）。以夏季日負荷特性為例，最小日負荷系數出現在清晨6 時左右，日負荷系數的3 個峰值分別出現在正午12 時、傍晚18 時和夜晚21 時左右，日負荷系數峰谷差值由0.13（2020 年）逐步提高至0.16（2060年）。

圖9 南方區域月負荷特性Fig.9 Monthly load characteristics in the southern region

圖10 南方區域夏季日負荷特性Fig.10 Daily load characteristics of the southern region in summer

4 結語

在“雙碳”目標引領下，“新電氣化”將是能源中長期發展的主要方向和推動經濟社會全面綠色轉型的有效途徑。南方區域終端能源消費量在2045 年前將達到峰值約10 億噸標準煤。為保障南方區域經濟發展帶來的能源消費合理增長需求，南方區域需要持續提升工業、建筑、交通、農業四大終端部門的電氣化水平，減少煤炭、石油等一次能源的消費比重，并通過加快電力部門低碳轉型提高能源利用效率、加速能源結構清潔化轉型的進程。

電力部門作為能源轉型的中心環節、碳減排的關鍵領域，承擔的減排責任逐步凸顯，需要加快構建新型電力系統。南方區域終端電氣化率在2045年后將達到60%以上，終端部門用電量保持合理增長態勢，且受產業結構轉型影響，南方區域電力負荷不均衡特性將逐步加大。為支撐“雙碳”目標實現，南方區域需加快推進非化石電源發展，加強源網荷儲協調配合，提高系統對非化石能源的接納能力，加快構建新型電力系統，進而推動能源電力低碳轉型發展。