基于灰色模型的无锡交通行业用电量预测研究

高骞 洪宇 王璟 陈国湘 樊丽君 薛欣然

1.国网江苏省电力有限公司；2.国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司；3.北京成和能源咨询有限公司

引言

当前全球经济增长乏力、新冠疫情将在一定时期内持续存在，我国经济发展处于新常态，经济发展和用电增长面临较大不确定性。“交通强国”背景下轨道交通领域电力消费预测是电网公司提高电网精准投资、精益管理水平不可缺少的一部分。如何结合实际，明确“交通强国”背景下轨道交通行业及用电量特点和趋势，形成面向电网发展和保障民生的轨道交通领域电力消费预测思路，对电网公司增供扩销、电网高质量发展和提升企业社会形象具有重要意义。

王利利，张琳娟，许长清，等（2020）采用用户画像技术，基于用户负荷水平、用户日常用电行为、用户多元互动能力等因素，构建多个维度用户特征的园区用户三级标签体系，并以此构建了园区用户成熟度评价模型，分别从负荷水平、用电行为、互动能力三个维度对用户的用电特性进行评价，以便快速直观掌握电力用户的负荷行为模式以及电量需求规律[1]。李正浩（2021）提出一种基于NACEMD-GRU的组合型日前负荷预测方法，引入噪声辅助复数据经验模态分解方法对日前负荷数据进行分解，并建立基于门控循环神经网络单元的深度学习预测模型，得到日前负荷的各分量预测结果[2]。肖白，张小娜，姜卓，等（2021）针对现有空间电力负荷预测方法没有考虑待预测区域内各供电小区之间的负荷相互影响关系的情况，提出一种考虑本位元胞接受能力和相邻元胞负荷影响的空间负荷预测方法，并利用空间卷积建立相邻元胞产生负荷影响的量化模型，主要适用于城市电网规划年负荷预测[3]。陈张宇，刘东（2021）构建了居民用户精细化需求响应模型，建立了两个长短期记忆神经网络来对需求响应效益系数进行计算，利用精细化需求响应模型来计算针对不同用户的最优激励[4]。任轩，汪庆年，尚宝，等（2022）提出了一种基于多层感知器的基础子网、简单循环单元与主成分分析（PCA）的短期电力负荷预测模型。首先，考虑影响电力负荷变化的各种因素，建立负荷预测输入特征集；其次，利用PCA对输入网络的部分特征进行变换并降维；最后，将经过PCA处理后得到的全新数据信息作为模型的输入，并结合Adam梯度下降算法进行训练，输出负荷预测的结果[5]。

本文考虑江苏省无锡市经济社会发展和轨道交通技术发展趋势的特点，结合交通强国要求，建立灰色预测用电量预测模型，通过模型计算，可以给出十四五无锡市交通行业用电量情况，为无锡市供电公司和上下游企业、政府部门部署轨道交通领域保供电工作提供参考。

一、预测模型

本文结合无锡市轨道交通领域发展特点，采用灰色GM（1，1）模型预测法开展负荷预测。

一般来说，建立的预测模型的数据越多越好，但样本容量过大不一定能找到样本的统计规律。灰色模型，即GM模型，不受模型样本是否存在统计规律、统计规律是否为典型过程的限制，所需样本量小，计算量小。灰色预测的基本思想是：先将原始数据生成具有一定规律的序列，再对生成序列进行建模预测，得到生成序列的预测值，最后对生成序列的预测值进行还原，得到模型的预测值。共具体计算过程如下：

步骤1，选择基于时间序列的n个观察值X(0)；步骤2，通过累加生成新序列X(1)；步骤3，基于X(1)紧邻均值生成序列Z(1)；步骤4，构建GM（1，1）灰微分方程模型为，式中，a称为发展灰数，b称为内生控制灰数。步骤5，建立微分方程为上述灰色微分方程的白化方程；步骤6，计算白化方程的时间响应函数和灰微分方程的时间响应序列；步骤7，建立预测方程。

二、案例分析

（一）现状分析

2021年，无锡市综合实力持续增强，经济总量再上新台阶。初步核算，全年实现地区生产总值14003.24亿元，按可比价格计算，比上年增长8.8%。按常住人口计算人均生产总值达到18.74万元。分产业看，全市第一产业实现增加值130.33亿元，比上年增长1.3%；第二产业实现增加值6710.50亿元，比上年增长9.9%；第三产业实现增加值7162.41亿元，比上年增长7.9%；三次产业比例调整为0.9:47.9:51.2。

2021年无锡地区调度最大负荷为1429万千瓦（7月15日），同比增长6.1%；冬季最大调度负荷为1233万千瓦（12月28日），同比增长0.36%。2021年全市累计完成全社会用电量838.64亿千瓦时，同比增长10.42%；累计完成工业用电量620.25亿千瓦时，同比增长8.93%。无锡市铁路和道路运输业用电量8.217亿千瓦时，同比增长18.47%。其中电气化铁路和城市公共交通运输用电量5.595亿千瓦时，占比68.09%，同比增长21.71%。

全社会用电量两年平均增速来看，6月最高达到9.14%，2月最低0.1%，波动较大，上半年增长总体强于下半年；工业用电量两年平均增速来看，除6月份较高达9.74%、12月4.59%有所反弹外，全年呈缓慢下滑趋势。

2021年底无锡市共有专用充电站582座，交流桩4944台，直流桩1323台，服务费区间在0.3-0.46元/kWh。

（二）影响因素分析

未来无锡逐步进入“城市提质，内涵发展，城乡统筹，融合发展”的转型发展新阶段，开辟城乡建设的新征途。市域形成“一体两翼、一轴两带”的空间结构，市区形成“一主双群、两带三心”的空间结构，实施区域融合战略，城乡一体化战略、城市品质提升战略和城市安全保障战略，开展七大城乡空间布局优化行动。

无锡市城乡布局聚焦一轴两带、优化市域空间格局、突出重点、差异化引导，提升主城区功能、建设特色化新市镇和美丽乡村，促进城乡统筹发展、优化先进制造业空间布局，促进工业园区的提质升级、生普惠提质，建设宜居城市、优化资源配置、推进综合交通体系的完善、完善基础设施体系，保障城市健康持续发展的城乡空间布局优化行动。

图1 2021年无锡分月全社会用电量增速图

图2 无锡2035年大运量城市轨道规划网

无锡市业布局规划完善355制造业空间布局，加快三大经济开发区转型升级，大力培育五大新兴科技园区，重点建设五个特色产业园区，全面建设高新技术产业城和国际先进制造业基地；重点培育三类商贸集聚区，提升建设三类现代物流集聚区，整合完善三类旅游功能区，形成多层次的现代服务集聚空间体系；重点推进五个万亩良田建设，深化一批现代农业示范工程建设，加快建设现代农业园区。

未来无锡市经济发展转型趋势更加明显，预计“十四五”期间GDP年均增速将维持在5%-6%，稍低于全国平均水平。全社会用电量年均增速将维持在4%-5%，也将低于全国平均水平。

交通强国背景下，考虑《长三角洲地区交通运输更高质量一体化发展规划》《整体推进三大区域城际铁路和市域（郊）铁路建设专题会议纪要》（发改办基础[2020]913号）等政策要求，一方面，无锡轨道交通将持续大发展，包括轨道交通运营里程、运营量、平均运行速度等；另一方面，随着技术进步，同等运行速度和载客量下的轨道交通用电量将呈缓慢下降趋势。此外，随着安全意识的提升，无锡市轨道交通领域保安电量也将快速增长。

未来盐泰锡常宜铁路和苏锡常城际铁路将穿越无锡市，设计时速分别为350公里/小时和200公里/小时，预计投运时间是2025年12月。

根据无锡市交通规划，无锡地铁目前已经建成1、2、3号线。“十四五”期间无锡市将推动第三轮地铁建设，主要任务是3号线北延、4号二期、5、6号线。2035年城市轨道网络为8线1支，总规模297km，服务于无锡市区。除大运量轨道系统外，线网规划有14条中运量公交系统，作为大运量补充，总规模269km。

（三）预测分析

采用灰色预测，预计2022年无锡全社会用电量达875.5亿千瓦时，同比增长4.4%。“十四五”期间无锡全社会用电量达940亿千瓦时。轨道交通用电量年均增速16%～18%，其中，保安电量约占1/3。到2025年，无锡轨道交通用电量达到10.5亿千瓦时，其中，保安电量达到3.5亿千瓦时。无锡市轨道交通除了高铁、市内轨道交通，未来郊区轨道交通也将成为重要发展方向。

在双碳政策的扶持下，无锡市电动汽车及其充电设施的制造、运营行业发展潜力巨大。随着个人新增购置车辆中新能源汽车占比迅速增加，公交、环卫、公务用车全面推广使用新能源汽车，出租车、网约车、城市物流车、新能源汽车渗透率逐步提升，无锡市新能源汽车保有量在2022年将继续保持高速增长。相应的充换电设施的保有量也将不断增加，相应的电力需求势必大幅度增加。预计2022年充换电服务业用电量达1.76亿千瓦时，同比增长81.3%；2025年用电量达7.2亿千瓦时。

图3 无锡2035年中运量公交系统

图4 2022年度分月电量预测表（万千瓦时）

考虑到产业结构调整及宏观经济形势影响，无锡全市最大负荷利用小时数未来逐渐下降，将有2021年的5600小时逐渐下降至2025年约5480小时。预计2022年和2025年无锡全社会最大负荷分别达1500万千瓦和1670万千瓦。

结语

“交通强国”背景下轨道交通领域电力消费预测是电网公司提高电网精准投资、精益管理水平不可缺少的一部分。本文考虑无锡市经济社会发展和轨道交通技术发展趋势的特点，结合交通强国要求，建立灰色GM（1，1）模型预测轨道交通领域用电量，通过模型计算，预计“十四五”期间无锡轨道交通用电量年均增速约16%-18%，其中，保安电量约占1/3。到2025年，无锡市轨道交通用电量达到10.5亿千瓦时，其中，保安电量达到3.5亿千瓦时。无锡市轨道交通除了高铁、市内轨道交通，未来郊区轨道交通也将成为重要发展方向。研究成果为无锡市供电公司和上下游企业、政府部门部署轨道交通领域保供电工作提供参考，案例表明所提方法的可行性。