基于SVR模型的湖北省“十三五”期間電能需求預(yù)測

羅莉莉，邱澤晶，陳煥新，付 威，萬長瑛

（1.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；2.南瑞（武漢）電氣設(shè)備與工程能效測評中心，武漢 430074；3.國網(wǎng)湖北節(jié)能服務(wù)有限公司，武漢 430074）

基于SVR模型的湖北省“十三五”期間電能需求預(yù)測

羅莉莉1，邱澤晶2，陳煥新1，付 威3，萬長瑛2

（1.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；2.南瑞（武漢）電氣設(shè)備與工程能效測評中心，武漢 430074；3.國網(wǎng)湖北節(jié)能服務(wù)有限公司，武漢 430074）

電能替代是在終端能源消費環(huán)節(jié)，使用電能替代散燒煤、燃油的能源消費方式。據(jù)文獻［1］—文獻［3］研究表明，電能具有清潔、安全、便捷等優(yōu)勢。2016年5月，國家發(fā)展和改革委員會在落實《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》（國發(fā)［2013］37號）、《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》（國辦發(fā)［2014］31號）的基礎(chǔ)上，印發(fā)《關(guān)于推進電能替代的指導(dǎo)意見》，明確了實施電能替代對推動能源消費革命、落實國家能源戰(zhàn)略、促進能源清潔化發(fā)展的重大意義。國家電網(wǎng)公司于2013年8月發(fā)布《國家電網(wǎng)公司電能替代實施方案》，積極倡導(dǎo)電能替代理念，提出“以電代煤，以電代油、電從遠方來”的行動方針。湖北省政府現(xiàn)已頒布電能替代相關(guān)政策43個，包括環(huán)保類政策23個，規(guī)劃類政策10個，補貼類政策10個，電價類政策3個。湖北省電能替代工作的開展，將促進湖北省用電量的消耗。

本文將結(jié)合電能消耗的影響因素對湖北省“十三五”期間電能消耗量進行預(yù)測，掌握湖北省電能消費規(guī)律，分析電能未來的消費趨勢。對電能消費需求的預(yù)測，可以明確電能在能源市場的消費空間，從而明確湖北省電能替代工作開展的空間，為電能替代工作指明方向。

目前，已有多人對能源需求預(yù)測進行了研究。主要用到的方法有灰色系統(tǒng)模型、時間序列、回歸預(yù)測、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、支持向量回歸機（SVR）等［4—8］。其中，文獻［6］采用支持向量回歸機對我國能源需求進行預(yù)測，結(jié)果表明，在我國能源系統(tǒng)小樣本、非線性及高維模式識別中，SVR有較大的性能優(yōu)勢。故本文將使用SVR對湖北省電能需求進行預(yù)測。

1 湖北省能源及電能消耗現(xiàn)狀

隨著湖北省經(jīng)濟發(fā)展，湖北省能源消耗量不斷增加。據(jù)《湖北省統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)表明，2000年—2014年，能源總消耗量由7 137.37萬tce，增加到16 034.28萬tce，增長近125%［9］，可見湖北省能源消費增長速度十分迅速。2000—2014年，煤炭消費量由6 050.62萬t，增加到11 887.83萬t，增長96%；折算成標(biāo)準(zhǔn)煤計算，煤炭的消費量占能源總消費量的60%左右。2010—2014年，電能消費量由503.2億kWh，增加到1 656.54億kWh，增加近230%。

由以上數(shù)據(jù)分析可知，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，湖北省能源消耗總量及電能消耗量增長迅速。但湖北省能源使用還是以煤炭為主，通過換算，電能消耗僅占能源消耗總量的13%,這對減輕湖北省環(huán)境污染、加速經(jīng)濟轉(zhuǎn)型都是不利的，湖北省能源消費改革及電能替代工作仍面臨著較大困難。

2 SVR模型簡介

支持向量機（support vector machine，SVM）是基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化準(zhǔn)則并實現(xiàn)置信范圍和經(jīng)驗風(fēng)險最小化的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，廣泛用于統(tǒng)計分類（SVC）和回歸（SVR）分析中。本文采用支持向量回歸機對電能需求量進行預(yù)測，主要的做法是將電能需求的影響因素作為SVR模型多輸入，將電能需求量作為SVR模型的單輸出。支持向量機算法結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 支持向量機算法結(jié)構(gòu)

圖1中為輸入向量，為核函數(shù)，為權(quán)值，y為輸出。

表1 電能需求各影響因素數(shù)值

3 電能消耗預(yù)測

3.1 電能需求影響因素分析

電能消耗系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，電能需求受到GDP總量、各產(chǎn)業(yè)GDP占比、單位GDP能耗、人口、城鎮(zhèn)人口比例、平均每戶人數(shù)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、農(nóng)村居民家庭可支配收入等因素的影響［11—13］。據(jù)《湖北省統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，電能需求各影響因素數(shù)值見表1。各影響因素的解釋如下。

（1）GDP：GDP反映地方經(jīng)濟水平，經(jīng)濟的發(fā)展離不開能源的支撐，經(jīng)濟發(fā)展越快，電能的使用越多；其中第一、第二產(chǎn)業(yè)GDP占比份額較多，且通過這2個產(chǎn)業(yè)占比即可算出第三產(chǎn)業(yè)占比，故GDP的數(shù)值選擇GDP總量、第一產(chǎn)業(yè)GDP占比及第二產(chǎn)業(yè)GDP占比3個因素。單位GDP能耗表明經(jīng)濟與能源消耗之間的關(guān)系，是影響因素之一。

（2）人口：人口的多少影響電能需求總量的大小，人口越多對電能的需求量就越大。

（3）城鎮(zhèn)人口比例：標(biāo)志著湖北省城鎮(zhèn)化的進程，電能消耗中有大部分來自于城市用電，城鎮(zhèn)人口相對于農(nóng)村人口對電力的依賴更多。

（4）城鎮(zhèn)平均每戶人數(shù)：側(cè)面反映城市用電中居民對電能的貢獻率。

（5）城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民可支配收入：收入的多少反映著人們消費能力大小，消費能力越大，能源消耗的能力越強。

（6）電氣技術(shù)水平：電氣化技術(shù)的快速發(fā)展可以促進電力設(shè)備的發(fā)展，進而增加用電需求。

3.2 模型驗證

依據(jù)文獻［6］的研究，SVR適用于能源需求預(yù)測，但SVR模型是否適用于湖北省電能需求量的預(yù)測需要進行考證。本文將2000—2014年的數(shù)據(jù)分成2部分，首先將2000—2009年的數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)；2000—2009的影響因素作為輸入，電能消耗量作為輸出，建立電能消耗量預(yù)測模型。然后將2010—2014年的數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)；將2010—2014年的影響因素作為輸入，通過建立的模型，預(yù)測出2010—2014年電能消耗量，與2010—2014年實際電能消耗量進行對比，驗證模型的準(zhǔn)確性，同時采用多元線性回歸及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法與本文使用SVR進行對比。湖北省2000—2014年電能消耗情況見表2。

表2 2000—2014年湖北省電能消耗情況億kWh

用MATLAB軟件編程，采用SVR模型，SVR模型中核函數(shù)和權(quán)值采用文獻［14］中交叉驗證方法確定。通過上述方法，得到的結(jié)果如表3。

表3 SVR、多元線性回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測誤差

由表3的數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)測數(shù)據(jù)中的平均誤差只有0.024，說明SVR模型的預(yù)測結(jié)果較好，可以適用于湖北省電能需求預(yù)測。

3.3“十三五”期間電能消耗量預(yù)測

由3.2節(jié)的研究可知，SVR可以應(yīng)用于湖北省電能需求預(yù)測，現(xiàn)對湖北省2016—2020年電能需求量進行預(yù)測。在對湖北省“十三五”期間電能消耗預(yù)測之前，需要確定其影響因素的數(shù)據(jù)。觀察影響因素的數(shù)據(jù)，大都是隨著時間的增長而增長，數(shù)據(jù)類型較為簡單。本文采用灰色系統(tǒng)及時間序列的方法對影響因素進行預(yù)測，2016—2020年的影響因素預(yù)測結(jié)果見表4。

表4 2016—2020年電能消耗量影響因素預(yù)測結(jié)果

將2016—2020年的影響因素數(shù)據(jù)作為SVR模型輸入，得到的電能需求量如表5所示。

表5“十三五”期間電能消耗總量預(yù)測

由表5中的預(yù)測結(jié)果可知，湖北省電能需求在持續(xù)增長，2016年電能需求消耗量為1 985.297億kWh，到2020年電能需求消耗量為2 435.588億kWh，“十三五”期間湖北省電能需求量穩(wěn)步上升。

4 結(jié)論

湖北省目前電能消耗量只占能源消耗總量的13%左右，而發(fā)達國家電能占比約為30%，和發(fā)達國家相比具有明顯差距。“十三五”期間，湖北省電能消耗量將穩(wěn)步上升，但對湖北省電能替代工作來說，電能消耗量總體上升幅度偏小。相比于發(fā)達國家電能占比情況，湖北省電能消費有較大空間，電能替代工作有著較好的發(fā)展前景。隨著電能替代工作的逐步開展，“十三五”期間湖北省對電能的需求也將進一步增強。此外，本文雖然結(jié)合了電能消費影響因素對電能消耗量進行預(yù)測，但預(yù)測時沒有考慮電能替代大環(huán)境背景的支持影響。D

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ForecastofelectricpowerdemandinHubeiprovincebasedonSVRmodel duringtheperiodof 2016—2010

LUO Li?li1,QIU Ze?jing2,CHEN Huan?xin1,FU Wei3,WAN Chang?ying2

（1.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan 430074, China;2.Nanrui(Wuhan)Electrical Equipment and Engineering Energy Efficiency Evaluation Center,Wuhan 430074,China;3.State Grid Hubei Energy Conservation Service Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China）

在政府大力推行電能替代的背景下，湖北省“十三五”期間對電量的需求量將會增加。結(jié)合電能消耗影響因素，應(yīng)用SVR模型對湖北省“十三五”期間電能消耗量進行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明，“十三五期間”，湖北省電能消耗量將穩(wěn)步上升，電能替代工作有較大發(fā)展空間。

電能需求；影響因素；電能替代；負荷預(yù)測

Under the background that the government vigorously promotes power replacement,the electricity demand of Hubei province during the period of 2016-2020 will increase,which this essay fore?casts based on SVR model combined with power consumption impact factors.Forecast results show that,during the period of 2016-2020,the electricity consumption in Hubei province will increase steadily and thepowerreplacementworkhasalargerdevelopmentspace.

power demand;impact factors；substitution of elec?tricenergy;loadforecast

TM714；TK018

B

1009-1831（2017）03-0031-04

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.007

2017-04-01