基于S增長曲線的揚州5G行業(yè)用電量預測研究

高騫 彭恩志 楊俊義 金誠 賈科進

【關鍵詞】S增長曲線;5G行業(yè);用電量預測;飽和電量

當前全球經(jīng)濟增長乏力，新冠疫情將在一定時期內持續(xù)存在，我國經(jīng)濟發(fā)展處于新常態(tài)，經(jīng)濟發(fā)展和用電增長面臨較大不確定性。新形勢下重點行業(yè)用電量預測是國網(wǎng)江蘇省電力有限公司提高電網(wǎng)精準投資、精益管理水平不可缺少的一部分。如何結合實際，明確新形勢下重點用能企業(yè)和行業(yè)用電特點及趨勢，形成基于重點企業(yè)視角的電力電量預測，對電網(wǎng)公司增供擴銷和電網(wǎng)高質量發(fā)展具有重要意義。

文1通過對形相似法進行改進，實現(xiàn)對短期電力負荷預測結果的擴展，提高電網(wǎng)負荷預測準確性。文2通過多重聚類分析方法篩選訓練集樣本，并采用小波分解算法對負荷進行頻段分解，提取負荷細節(jié)特征，然后提出了多路卷積神經(jīng)網(wǎng)絡結構，預測高低頻負荷信號，最后通過小波重構輸出負荷預測值，提高了超短期負荷預測精度。文3提出了一種基于離散小波分解、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量回歸的負荷預測模型，通過小波分解算法對歷史負荷數(shù)據(jù)進行分析與重構，得到長度相同的歷史負荷數(shù)據(jù);對天氣因素、日期類型進行特征構造，得到特征數(shù)據(jù);利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡支持向量回歸機模型和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡支持向量回歸模型得到預測值。文4基于結構化電力負荷模型提出一種電力負荷概率及區(qū)間預測方法，針對不同負荷成分分別進行建模，構成結構化電力負荷模型，基于歷史負荷數(shù)據(jù)采用變分貝葉斯估計算法訓練模型參數(shù)的后驗概率分布，進而對未來負荷的概率分布進行預測。文5提出一種基于NACEMD-GRU的組合型日前負荷預測方法，引入噪聲輔助復數(shù)據(jù)經(jīng)驗模態(tài)分解方法對日前負荷數(shù)據(jù)進行分解，并建立基于門控循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡單元的深度學習預測模型，得到日前負荷的各分量預測結果。文6構建了居民用戶精細化需求響應模型，建立了兩個長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡來對需求響應效益系數(shù)進行計算，利用精細化需求響應模型來計算針對不同用戶的最優(yōu)激勵。上述方法未考慮地方經(jīng)濟發(fā)展特點和行業(yè)發(fā)展趨勢，單純以數(shù)學方法進行預測，對預測結果缺乏合理解釋，影響了其在電網(wǎng)規(guī)劃中的應用效果。

本文結合地方經(jīng)濟發(fā)展特點和行業(yè)發(fā)展特征，以數(shù)字新基建為例，提出基于S增長曲線的重點用戶電力需求預測模型，通過歷史數(shù)據(jù)回歸分析，得到用戶負荷S增長曲線特征值，進而預測未來用戶負荷需求及飽和時間，最后應用上述方法進行測算了江蘇揚州5G基站用電量及遠期規(guī)模，案例分析表明所提方法的合理性。

依據(jù)用戶負荷發(fā)展趨勢，S型曲線可以用于用戶負荷預測，根據(jù)用戶建成投產(chǎn)時間即可預測中間年的負荷。為準確分析電力用戶的負荷增長規(guī)律，本文構建S型曲線刻畫用戶在不同發(fā)展階段的電力負荷增速，具體模型公式如下：

其中：y為第t年的年最大負荷占飽和負荷的比例，即最大負荷日或典型負荷日的系統(tǒng)最大負荷占飽和負荷的比例。t為距離現(xiàn)狀年的年數(shù)。對電力用戶歷年負荷曲線進行S型曲線模型擬合，即可計算得到負荷模型參數(shù)。參數(shù)a描述用戶停留在緩慢增長階段的時間長短，a越大，停留在緩慢增長階段的時間越長。k表示達到飽和時的水平。參數(shù)b描述用戶停留在快速增長期的時間，反映了進入飽和狀態(tài)的速度。

將式（1）三階導為零，求得兩個拐點P1（T1，Y1）和P3（T3，Y3），表示S曲線增速變化的拐點。其中，T1描述了用戶完成初期增長階段的時間，對應的Y1通常表示達到飽和水平的20%左右。T3描述了用戶進入飽和增長階段的時間，對應的Y3通常表示達到飽和水平的80%左右。

結合用戶所在地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展特點和行業(yè)發(fā)展趨勢，以及S型曲線中的k、a、b、T1、Y1、T3、Y3等參數(shù)的變化規(guī)律，可以預測未來用戶的用電負荷規(guī)模，以及達到飽和負荷的時間。

計算步驟是，首先根據(jù)電力用戶的大量年度歷史數(shù)據(jù)，采用式（1）進行參數(shù)擬合，判斷標準可以使擬合誤差最小，從而得到式（1）的確定系數(shù)表達式。其次，計算得到式（2）的擬合值。第三，根據(jù)前2步繪出負荷增長曲線。第四，代入指定的計算年份，可計算出該年的負荷值。第五。取y為O.9或0.95。根據(jù)式（1）可反算出負荷飽和的年份。

揚州電網(wǎng)負荷預測的總體思路是圍繞《揚州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二0三五年遠景目標綱要》，以建設“強富美高”新?lián)P州為目標，落實江蘇省公司以“五化”為統(tǒng)領的“能源互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略要求，遵循“適度超前、能源轉型、堅強智能、統(tǒng)籌兼顧、協(xié)調發(fā)展”的原則，統(tǒng)籌考慮“六個銜接”

“六個方面”開展電力規(guī)劃建設和運營，做到謀劃在先、落實到位，為新?lián)P州建設提供綠色可持續(xù)的能源供應保障，助力江蘇率先實現(xiàn)碳達峰、碳中和“3060”目標。

“十三五”以來，在世界經(jīng)濟增長總體放緩的大趨勢下，揚州始終堅持以供給側結構性改革為主線，踐行新發(fā)展理念，持續(xù)推動經(jīng)濟高質量發(fā)展。揚州經(jīng)濟穩(wěn)中有進、穩(wěn)中向好，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值6048.33億元，按可比價計算，增長3.5%。全市加快經(jīng)濟轉型步伐，重點發(fā)展先進制造業(yè)，提速發(fā)展現(xiàn)代服務業(yè)，構建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，全市呈現(xiàn)工業(yè)化中后期發(fā)展特點。

2020年底，揚州地區(qū)已完成5G基站第二期建設，累計完成3000個，其中移動約1800個，電信約1200個，實現(xiàn)市區(qū)范圍內全覆蓋，縣區(qū)中心地區(qū)全覆蓋。2021年各運營商建設計劃尚未排定，由于5G手機未全部普及，從目前已建成基站覆蓋區(qū)域看，2021年基站建設速度會有所放緩。

每個5G基站額定功率約為3.5kW，由于5G手機未全部普及，大部分5G基站用電達不到3.5kW，約為2.6kW左右。3000個基站全部投運約新增8000kW功耗，日用電量約新增19.2萬千瓦時。

平均每新增20-50個5G基站，需要新增一個CRAN/MEC數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心包含蓄電池、綜合柜、空調和服務器等設備，每個機房每月用電量約3000kWh，揚州地區(qū)約新增100個數(shù)據(jù)中心，月用電量約新增30萬千瓦時。

“十四五”時期是開啟“強富美高”新?lián)P州建設新征程、推動揚州城市高質量發(fā)展的重要時期，也是構建能源互聯(lián)網(wǎng)，推動“能源轉型、綠色發(fā)展”的歷史機遇期，合理的電力負荷預測，對于電網(wǎng)項目安排及資金投入，以及滿足地方經(jīng)濟社會發(fā)展需求，保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行均具有十分重要的意義。

預計5G基站數(shù)量最終將是4G基站的1～1.2倍，因為5G頻譜更高、波長更短，需要更密集的部署來實現(xiàn)全面、穩(wěn)定的網(wǎng)絡覆蓋。

根據(jù)S曲線模型及揚州經(jīng)濟發(fā)展趨勢、5G行業(yè)發(fā)展特點，揚州5G用電量處于起步階段，未來將進入快速增長環(huán)節(jié)。預計未來5年內，每年揚州新增3000～4500個基站，新增100～150個數(shù)據(jù)中心，每年新增電量約0.8～1.2億千瓦時。之后將逐漸進入飽和階段，預計2025年揚州主城區(qū)5G基站用電量基本飽和。2027年揚州農(nóng)村地區(qū)5G基站用電量基本飽和。揚州5G基站和數(shù)據(jù)中心的飽和用電量約為7-8億千瓦時。

我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，新形勢下需要明確重點用能企業(yè)和行業(yè)用電特點和趨勢，形成基于重點企業(yè)視角的電力電量預測，以便促進電網(wǎng)公司增供擴銷和電網(wǎng)高質量發(fā)展。本文結合地方經(jīng)濟發(fā)展特點和行業(yè)發(fā)展特征，提出基于S增長曲線的重點用戶電力需求預測模型，通過歷史數(shù)據(jù)回歸分析，得到用戶負荷S增長曲線特征值，進而預測未來用戶負荷需求及飽和時間。研究表明，揚州5G基站和數(shù)據(jù)中心的用電量目前處于起步階段，預計2025年揚州主城區(qū)5G基站用電量基本飽和，2027年揚州農(nóng)村地區(qū)5G基站用電量基本飽和，飽和用電量約為7～8億千瓦時。案例表明所提方法的可行性。