“雙碳”目標(biāo)下南方區(qū)域能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

卓映君，周保榮，姚文峰，王嘉陽(yáng)，盧斯煜

（直流輸電技術(shù)全家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院），廣州 510663）

0 引言

為了應(yīng)對(duì)世界氣候變化，許多國(guó)家和地區(qū)陸續(xù)提出碳中和目標(biāo)［1］，我國(guó)也積極宣誓“雙碳”目標(biāo)，并出臺(tái)了一系列“雙碳”政策文件，加快我國(guó)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型建設(shè)［2-3］。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，能源是主戰(zhàn)場(chǎng)，電力是主力軍，能源電力低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［5-7］。中長(zhǎng)期能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)是指導(dǎo)能源政策、電網(wǎng)規(guī)劃的重要基礎(chǔ)，準(zhǔn)確把握能源電力消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)， 對(duì)于保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、保障能源供應(yīng)安全以及保障“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外已有不少組織機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)我國(guó)能源電力轉(zhuǎn)型路徑開(kāi)展深入研究，對(duì)我國(guó)碳達(dá)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(qū)域作為我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的先行者，更應(yīng)提前做好布局和謀劃。然而，目前關(guān)于南方區(qū)域能源低碳轉(zhuǎn)型的研究較少，亟需對(duì)“雙碳”目標(biāo)下南方區(qū)域未來(lái)能源電力消費(fèi)情景進(jìn)行預(yù)測(cè)。準(zhǔn)確把握未來(lái)能源電力消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)，不僅可以指導(dǎo)終端部門(mén)加速能源技術(shù)升級(jí)、加快能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型；還可以為電力部門(mén)提供負(fù)荷畫(huà)像，指導(dǎo)電網(wǎng)建設(shè)和電源投資，保障電力供應(yīng)安全。

在“雙碳”背景下，能源電力消費(fèi)情景不僅需要滿足經(jīng)濟(jì)、能源、碳排放等宏觀約束性指標(biāo)，同時(shí)還需考慮產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型目標(biāo)、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃以及終端部門(mén)電能替代技術(shù)潛力等多層級(jí)發(fā)展約束，因此需要采用自上而下與自下而上相結(jié)合的綜合評(píng)估的方法［14-16］。此外，負(fù)荷畫(huà)像顆粒度越精細(xì)，對(duì)支撐電源規(guī)劃、電網(wǎng)發(fā)展、市場(chǎng)建設(shè)等電力供需保障工作的作用越大。如何準(zhǔn)確刻畫(huà)未來(lái)負(fù)荷特性的變化是進(jìn)一步深化能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)研究的重要工作。

目前已有的能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)研究聚焦于能源和電力消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)，時(shí)間尺度通常以年為單位；已有的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法聚焦于單一時(shí)間尺度的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)時(shí)間跨度通常為數(shù)年以內(nèi)［17-19］。新型電力系統(tǒng)背景下負(fù)荷畫(huà)像的精度要求逐步提高，需要在能源電力系統(tǒng)視角下兼顧宏觀-中觀-微觀多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)，對(duì)中長(zhǎng)期的負(fù)荷需求及多時(shí)間尺度特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此，亟需研究一套完備的負(fù)荷需求及特性預(yù)測(cè)方法。

本文提出了可滿足新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求的能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性的預(yù)測(cè)方法，并基于該方法對(duì)南方區(qū)域的未來(lái)負(fù)荷情景進(jìn)行描繪。首先，在全國(guó)和南方區(qū)域的能源供需現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上，結(jié)合目前已有的關(guān)于我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的研究成果，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口發(fā)展、能源發(fā)展三個(gè)維度對(duì)南方區(qū)域能源電力消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，把握南方區(qū)域能源電力消費(fèi)的客觀發(fā)展規(guī)律；采用兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源電力消費(fèi)需求預(yù)測(cè)技術(shù)和情景分析方法，構(gòu)建了“雙碳”目標(biāo)約束下南方區(qū)域的能源電力消費(fèi)情景；在此基礎(chǔ)上，采用基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法，刻畫(huà)了“雙碳”目標(biāo)約束下南方區(qū)域負(fù)荷畫(huà)像。以期為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下南方區(qū)域能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)和能源電力低碳轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)參考。

1 能源電力消費(fèi)現(xiàn)狀分析與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)展望

能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)是指在歷史和現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提煉客觀發(fā)展規(guī)律，對(duì)未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析全國(guó)與南方區(qū)域的能源供需現(xiàn)狀、調(diào)研已有的全國(guó)能源發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果，展望南方區(qū)域未來(lái)能源消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)。

1.1 能源電力消費(fèi)現(xiàn)狀分析

1.1.1 全國(guó)能源消費(fèi)現(xiàn)狀

2020 年，全國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（gross domestic product， GDP）總量為101.4 萬(wàn)億元，相比2010 年年均增長(zhǎng)率為6.8%。其中，第一產(chǎn)業(yè)占比7.7%，相比2010 年處于下降狀態(tài)，年均下降率為2.0%；第二產(chǎn)業(yè)占比37.8%，相比2010 年處于下降狀態(tài)，年均下降率為2.0%；第三產(chǎn)業(yè)占比54.5%，相比2010 年處于逐年上升狀態(tài)，年均增長(zhǎng)率為2.1%［19］。

2020 年，全國(guó)總?cè)丝跒?4.1 億人，相比2010年年均增長(zhǎng)率為0.5%。其中，城鎮(zhèn)占比為63.9%，相比2010 年處于逐年上升狀態(tài)，年均增長(zhǎng)率為2.5%；鄉(xiāng)村占比為36.1%，相比2010 年處于逐年下降狀態(tài)，年均下降率為3.2%［20］。

全國(guó)能源消費(fèi)需求逐年增長(zhǎng)，終端部門(mén)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷改善，電力消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)（如圖1 所示），電能替代技術(shù)存在較大發(fā)展空間。能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，2010 年能源消費(fèi)總量為36.1 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2020 年上升至49.8 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，化石能源消費(fèi)占比從90.6%下降至84.1%。2020年全國(guó)電力消費(fèi)量為7.5 PWh，相比2010 年年均增長(zhǎng)率為6%［21］。2020 年全國(guó)電能消費(fèi)占終端能源消費(fèi)比重達(dá)到約26.5%［22］。

圖1 全國(guó)電力消費(fèi)情況Fig.1 National electricity consumption

1.1.2 南方區(qū)域能源消費(fèi)現(xiàn)狀

2020 年，南方區(qū)域GDP 總量為18.1 萬(wàn)億元，相比2010 年年均增長(zhǎng)率為7.9%。其中，第一產(chǎn)業(yè)占比8.6%，相比2010年下降0.7%；第二產(chǎn)業(yè)占比36.7%，相比2010 年下降10.6%；第三產(chǎn)業(yè)占比54.8%，相比2010年上升11.3%［19］。

2020 年，南方區(qū)域人口總量為2.6 億人口，相比2010 年年均增長(zhǎng)率為0.9%。2020 年，南方區(qū)域人口和GDP 占全國(guó)比重均為18%左右，人均GDP為6.9 萬(wàn)元/年，略低于全國(guó)平均水平（7.2 萬(wàn)元/年）。

2020 年南方五省終端能源消費(fèi)量為7.2 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國(guó)能源消費(fèi)總量14%，相比2010 年5.2 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤年均增長(zhǎng)3.1%。 2020 年南方區(qū)域非化石能源消費(fèi)占比30.2%，單位GDP 能耗約0.40 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元（當(dāng)年價(jià)），均遠(yuǎn)低于全國(guó)水平（15.9%，0.49 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元）

2020 年南方區(qū)域電力消費(fèi)量為1.3 PWh，近10a的年均增長(zhǎng)率為6.4%，南方區(qū)域約占全國(guó)電力消費(fèi)的17%，如圖2 所示。2020 年南方區(qū)域人均用電量約5 000 kWh/a，略低于全國(guó)平均水平（5 300 kWh/a）。2020 年南方區(qū)域最大電力負(fù)荷為220 GW，近10 a的年均增長(zhǎng)率為7.5%，負(fù)荷小時(shí)數(shù)達(dá)到約6 060 h。全年最大電力負(fù)荷發(fā)生在7—8 月，月負(fù)荷系數(shù)峰谷差值約為0.2；日負(fù)荷特性曲線呈現(xiàn)雙峰特性，夏季日最大電力負(fù)荷出現(xiàn)在正午12時(shí)左右，冬季最大電力負(fù)荷出現(xiàn)在晚上20 時(shí)左右，日負(fù)荷系數(shù)峰谷差值分別約為0.3和0.4。

圖2 南方電力消費(fèi)量Fig.2 Electricity consumption in the southern region

1.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)研判

1.2.1 中國(guó)能源消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果

我國(guó)是全球應(yīng)對(duì)氣候變化事業(yè)的積極參與者與重要貢獻(xiàn)者，其能源需求和能源轉(zhuǎn)型是全球關(guān)注的焦點(diǎn)［23］。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展相關(guān)研究，設(shè)置了不同的假設(shè)情景，對(duì)碳中和背景下中國(guó)能源需求、碳排放和能源電力轉(zhuǎn)型路徑進(jìn)行預(yù)測(cè)［24-27］。本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外11家機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

1） 人口變化

目前我國(guó)人口老齡化速度加快，根據(jù)調(diào)研成果顯示，我國(guó)將提前進(jìn)入人口自然增長(zhǎng)率為負(fù)值的階段。預(yù)計(jì)人口總規(guī)模將在2030 年前后達(dá)到峰值14.4～14.6 億，2050 年下降至13.6～14.0 億，到2060年人口數(shù)量將下降至13.5億以下。

2） 生產(chǎn)總值GDP

大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)顯示，碳達(dá)峰進(jìn)程往往伴隨GDP 進(jìn)入較低增速階段，碳達(dá)峰前10 年GDP 增長(zhǎng)率比后10 年GDP 增長(zhǎng)率高2 個(gè)百分點(diǎn)左右或以上，碳達(dá)峰后GDP 增長(zhǎng)率下降至3%以下。考慮中國(guó)仍然屬于發(fā)展中國(guó)家，存在較大的客觀發(fā)展需求，預(yù)計(jì)我國(guó)GDP 增長(zhǎng)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(jìn)一步下降至2.5%以下。2050 年我國(guó)人均GDP 超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP 平均水平（3萬(wàn)美元/年），2060年人均GDP可以超過(guò)美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP 水平（4～5 萬(wàn)美元/年）。

3） 能源消費(fèi)總量

結(jié)合國(guó)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，多數(shù)國(guó)家的能源消費(fèi)達(dá)峰時(shí)間是在碳達(dá)峰同年或一段時(shí)期后出現(xiàn)，部分發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的能源消費(fèi)峰值時(shí)間晚于碳達(dá)峰5～30 a以上。調(diào)研結(jié)果顯示，碳中和情景下的能源消費(fèi)無(wú)論是絕對(duì)值還是趨勢(shì)都較為接近，預(yù)計(jì)我國(guó)能源消費(fèi)總量達(dá)峰時(shí)間晚于碳達(dá)峰時(shí)間，將在2030—2045年間達(dá)峰，峰值在60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右。

1.2.2 南方區(qū)域發(fā)展趨勢(shì)研判

1） 人口發(fā)展趨勢(shì)

參考全國(guó)人口總量達(dá)峰時(shí)間及未來(lái)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合南方區(qū)域歷史人口數(shù)據(jù)表現(xiàn)，考慮區(qū)域發(fā)展紅利，南方區(qū)域人口總量達(dá)峰時(shí)間將略遲于全國(guó)人口達(dá)峰時(shí)間，預(yù)計(jì)將在2035 年左右達(dá)峰，屆時(shí)南方區(qū)域人口占全國(guó)人口比重將超過(guò)20%，最終穩(wěn)定在21%左右。

2） GDP發(fā)展趨勢(shì)

借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展未來(lái)趨勢(shì)，南方區(qū)域GDP 增速隨人口增速下降而放緩，預(yù)計(jì)南方區(qū)域GDP 增長(zhǎng)率略高于全國(guó)平均水平，GDP 增長(zhǎng)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(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP 平均水平，約3.5 萬(wàn)美元/年（以2020年為基準(zhǔn)價(jià)，按1 美元=6.5 元換算，下同），在2060 年進(jìn)一步下降至2.5%以下，人均GDP 可以超過(guò)美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP，約5萬(wàn)美元/年。

3） 能源消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)

參考全國(guó)能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)結(jié)果，考慮南方區(qū)域發(fā)展驅(qū)動(dòng)因素，預(yù)計(jì)南方區(qū)域能源消費(fèi)總量將在2045年前達(dá)到峰值，南方區(qū)域能源消費(fèi)總量峰值約為全國(guó)能源消費(fèi)總量峰值的15%左右。在“雙碳”目標(biāo)下，南方區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)加快能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的能源消費(fèi)合理增長(zhǎng)需求。

2 能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法

負(fù)荷畫(huà)像預(yù)測(cè)是指導(dǎo)能源政策、電源投資、電網(wǎng)規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。對(duì)此，本文采用了兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源消費(fèi)情景預(yù)測(cè)方法和基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法，在能源電力系統(tǒng)視角下構(gòu)建南方區(qū)域電力消費(fèi)情景，精細(xì)刻畫(huà)南方區(qū)域負(fù)荷畫(huà)像，為能源電力低碳轉(zhuǎn)型研究工作提供參考。圖3 為能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法的技術(shù)框架。

圖3 電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法Fig.3 Prediction method of electricity consumption and demand characsteristics in the southern region

2.1 兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的能源電力需求預(yù)測(cè)方法

本文提出了兼顧自上而下和自下而上［24-25］相結(jié)合的方法，兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)技術(shù)。分析在“雙碳”目標(biāo)約束下和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下，各終端部門(mén)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和電氣化技術(shù)實(shí)施帶來(lái)的南方區(qū)域能源消費(fèi)和電量消費(fèi)需求變化。

兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)技術(shù)研究思路如圖4 所示。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

圖4 南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)技術(shù)Fig. 4 Prediction technology of energy and electricity consumption scenarios in the southern region

1） 預(yù)測(cè)宏觀發(fā)展趨勢(shì)：根據(jù)人口發(fā)展趨勢(shì)和人均GDP 增長(zhǎng)研判預(yù)測(cè)南方區(qū)域GDP 增長(zhǎng)量，根據(jù)碳排放強(qiáng)度指標(biāo)和GDP 預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算南方區(qū)域碳排放上限。并考慮未來(lái)將進(jìn)一步加大對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的力度，預(yù)測(cè)南方區(qū)域GDP 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化情況。

2） 預(yù)測(cè)分產(chǎn)業(yè)和終端部門(mén)能源消費(fèi)：結(jié)合全國(guó)能源消費(fèi)總量變化趨勢(shì)和能源強(qiáng)度下降指標(biāo)，預(yù)測(cè)南方區(qū)域分產(chǎn)業(yè)部門(mén)能源消費(fèi)強(qiáng)度下降情況，結(jié)合南方區(qū)域分產(chǎn)業(yè)GDP 預(yù)測(cè)結(jié)果可求得分產(chǎn)業(yè)能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)；依據(jù)產(chǎn)業(yè)與終端部門(mén)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可進(jìn)一步得到終端部門(mén)的能源消費(fèi)總量。

3） 預(yù)測(cè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)：在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合終端部門(mén)各種能源技術(shù)發(fā)展?jié)摿碗娔芴娲鷿撃?，在碳排放約束下測(cè)算終端各部門(mén)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，通過(guò)反復(fù)迭代最終形成一套可滿足多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。

多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束公式表達(dá)如下。

1） 宏觀發(fā)展目標(biāo)約束

根據(jù)人口發(fā)展趨勢(shì)和人均GDP 增長(zhǎng)研判預(yù)測(cè)南方區(qū)域GDP 增長(zhǎng)量。由碳排放強(qiáng)度下降目標(biāo)約束預(yù)計(jì)南方區(qū)域未來(lái)碳排放強(qiáng)度變化，結(jié)合GDP預(yù)測(cè)結(jié)果確定南方區(qū)域未來(lái)碳排放總量約束。

式中：G為社會(huì)生產(chǎn)總值；GP為人均GDP 預(yù)測(cè)值；P為預(yù)測(cè)的人口數(shù)量；B為碳排放總量的最大約束值，由碳排放強(qiáng)度目標(biāo)ECO2和GDP 預(yù)測(cè)值共同決定。

2） 中觀發(fā)展目標(biāo)約束

考慮未來(lái)將進(jìn)一步加大對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的力度，分產(chǎn)業(yè)部門(mén)的能源強(qiáng)度和分產(chǎn)業(yè)的GDP 將發(fā)生變化，進(jìn)一步可得到分產(chǎn)業(yè)的能源消費(fèi)量需求預(yù)測(cè)情況：

式中：Gj為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)總值；αj為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)的GDP 在總GDP 中的占比，j= 1 ～3 分別對(duì)應(yīng)第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)；Ej為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)應(yīng)的能源強(qiáng)度，需要滿足能源強(qiáng)度下降目標(biāo)要求；Ai，j為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)的第i種能源消費(fèi)品種的未來(lái)消費(fèi)量。

根據(jù)三級(jí)產(chǎn)業(yè)與終端部門(mén)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步可得到終端部門(mén)的能源消費(fèi)總量，終端部門(mén)能源消費(fèi)平衡約束為：

式中xi，k為第k個(gè)部門(mén)的第i種能源消費(fèi)品種的未來(lái)消費(fèi)量，i= 1 ～5 分別對(duì)應(yīng)煤、石油、天然氣、熱力和電力，k= 1 ～4 分別對(duì)應(yīng)農(nóng)業(yè)部門(mén)、工業(yè)部門(mén)、建筑部門(mén)和交通部門(mén)。其中電力消費(fèi)需求考慮了直接電力消費(fèi)部分和非直接電力消費(fèi)部分，非直接電力消費(fèi)考慮了電制氫電量需求和供熱電量需求。

3） 微觀發(fā)展目標(biāo)約束

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)比例和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)各種能源技術(shù)未來(lái)滲透率比例關(guān)系，進(jìn)一步可得到終端部門(mén)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，需要滿足各部門(mén)能源品種消費(fèi)總量平衡約束和碳排放目標(biāo)約束：

式中：為參考的第k個(gè)部門(mén)的第i種能源消費(fèi)品種消費(fèi)量；βi，k為第k個(gè)部門(mén)的第i種能源消費(fèi)品種的未來(lái)增長(zhǎng)率，需要滿足各部門(mén)的能源技術(shù)發(fā)展?jié)摿碗娔芴娲鷿摿Φ募s束；γi為第i個(gè)能源的碳排因子；CO2為所有終端部門(mén)的碳排放之和。

2.2 基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法

負(fù)荷特性預(yù)測(cè)是負(fù)荷預(yù)測(cè)的核心內(nèi)容之一，是電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行管理工作的重要基礎(chǔ)。本文根據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、綜合性以及數(shù)據(jù)的可得性，提出了基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法，包括年最大負(fù)荷特性、月負(fù)荷系數(shù)和日負(fù)荷系數(shù)的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)。為深化能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)研究、刻畫(huà)未來(lái)負(fù)荷特性變化提供一種思路，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)對(duì)各模型的輸入指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

結(jié)合目前掌握的數(shù)據(jù)顆粒度和豐富度，對(duì)于年、月負(fù)荷特性的預(yù)測(cè)，主要考慮了“雙碳”背景下產(chǎn)業(yè)發(fā)展和電能替代引起的電量需求變化影響，若掌握分產(chǎn)業(yè)/行業(yè)的負(fù)荷特性歷史數(shù)據(jù)，可將其作為解釋變量構(gòu)造更為精細(xì)的年/月負(fù)荷特性預(yù)測(cè)模型；對(duì)于日負(fù)荷特性的預(yù)測(cè)，主要考慮了產(chǎn)業(yè)用電結(jié)構(gòu)和典型日負(fù)荷特性曲線的影響，若掌握各細(xì)分行業(yè)的典型日負(fù)荷特性曲線，可基于細(xì)分行業(yè)的日負(fù)荷特性預(yù)測(cè)未來(lái)典型日負(fù)荷特性。

1） 年最大負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

建立以年最大負(fù)荷為被解釋變量，以GDP、用電量需求、三產(chǎn)用電量結(jié)構(gòu)三類指標(biāo)作為解釋變量的多元線性回歸方程，經(jīng)歷史10 a 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，回歸方程精度可達(dá)到99%以上。表達(dá)式如式（13）所示。

式中：Yy為年最大負(fù)荷值；xGDP為GDP 值；xe為用電量需求；xe，2，xe，3分別為二產(chǎn)、三產(chǎn)的電量需求；αy，1～αy，4為各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù)；βy為殘差項(xiàng)。

2） 月負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

建立以月負(fù)荷特性系數(shù)為被解釋量，以三產(chǎn)用電量結(jié)構(gòu)、月份特征、區(qū)內(nèi)各省份月溫度特性三類指標(biāo)作為被解釋變量的多元線性回歸方程。經(jīng)歷史5 a 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，回歸方程精度可達(dá)到95%以上。表達(dá)式如式（14）所示。

式中：Ym為月負(fù)荷特性系數(shù)；xm為月份序號(hào)；xe，1～xe，3分別為一產(chǎn)～三產(chǎn)的電量需求；xpro為區(qū)域s內(nèi)省份pro的月最高溫度，式中考慮了屬于區(qū)域s內(nèi)的所有省份的溫度影響；αm，1～αm，4，αm，pro為各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù)；βm為殘差項(xiàng)。

3） 日負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

基于目前掌握的各產(chǎn)業(yè)典型日負(fù)荷特性曲線，結(jié)合未來(lái)各產(chǎn)業(yè)用電量，將各產(chǎn)業(yè)的日負(fù)荷曲線進(jìn)行疊加可得到未來(lái)的典型日負(fù)荷特性曲線。

式中：Yd，t為第t時(shí)段的日負(fù)荷特性系數(shù)；為第t時(shí)段的日負(fù)荷數(shù)值；～分別為第t時(shí)段的一產(chǎn)—三產(chǎn)日負(fù)荷特性系數(shù)；xe，1～xe，3分別為一產(chǎn)—三產(chǎn)的電量需求。

3 南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)結(jié)果

兼顧宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源供需安全和碳減排目標(biāo)，本文對(duì)南方區(qū)域能源電力消費(fèi)需求和負(fù)荷畫(huà)像進(jìn)行預(yù)測(cè)情景研究，基于能源消費(fèi)達(dá)峰時(shí)間和達(dá)峰總量，設(shè)置了基準(zhǔn)情景、能耗雙控情景和碳排放雙控情景 3 種情景，構(gòu)建南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景，刻畫(huà)南方區(qū)域負(fù)荷畫(huà)像。

3.1 情景設(shè)置

基準(zhǔn)情景是在“雙碳”目標(biāo)制定前的政策約束下按照傳統(tǒng)發(fā)展模式、歷史發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)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(gè)基準(zhǔn)參照情景，用來(lái)對(duì)比“雙碳”目標(biāo)政策對(duì)能源電力消費(fèi)需求的影響。

能耗雙控情景是指在基準(zhǔn)情景基礎(chǔ)上，面向“雙碳”目標(biāo)，各行業(yè)深度去煤、減油替代，進(jìn)一步發(fā)展天然氣，加大終端電氣化，在滿足能源消費(fèi)總量和能源消費(fèi)強(qiáng)度“雙控”政策約束下的能源電力需求預(yù)測(cè)情景。

碳排放雙控情景是指在基準(zhǔn)情景基礎(chǔ)上，工業(yè)部門(mén)、交通部門(mén)、建筑部門(mén)、農(nóng)業(yè)部門(mén)各部門(mén)大力發(fā)展電代煤、電代油等技術(shù)，并通過(guò)加快電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、降低電力部門(mén)碳排放因子，保障在“雙碳”目標(biāo)約束下能源電力消費(fèi)合理增長(zhǎng)的需求。

3.2 南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量

根據(jù)工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)部門(mén)終端能源消費(fèi)預(yù)測(cè)分析，3 個(gè)情景下南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量在碳達(dá)峰階段保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2035 年后能源消費(fèi)需求增長(zhǎng)率減緩，邁入達(dá)峰平臺(tái)期，如圖5 所示。在基準(zhǔn)情景下，南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量將在2050 年前后達(dá)峰，峰值約為11.5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。碳排放雙控和能耗雙控情景下，南方區(qū)域終端能源消費(fèi)需求分別約為10.0億噸標(biāo)準(zhǔn)煤和8.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。能耗雙控情景下，南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量于2040 年前后邁入達(dá)峰平臺(tái)期，碳排放雙控情景延遲約5 a 進(jìn)入平臺(tái)期。盡管碳排放雙控情景下能源消費(fèi)總量峰值增大、達(dá)峰時(shí)間延后，但其非化石能源發(fā)展迅速、終端部門(mén)深度電氣化，通過(guò)電力系統(tǒng)深度脫碳，充分發(fā)揮終端高度電氣化的碳減排效益，保障南方區(qū)域在滿足“雙碳”目標(biāo)下經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的能源消費(fèi)需求，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)和能源消費(fèi)增長(zhǎng)的協(xié)同。圖6 為不同情景下南方區(qū)域終端電氣化率的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖5 不同情景下南方區(qū)域終端能源消費(fèi)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(qū)域終端電氣化率Fig.6 Terminal electrification rate in the southern region under different scenarios

3.3 南方區(qū)域電量消費(fèi)需求

在電量消費(fèi)方面，受經(jīng)濟(jì)運(yùn)行總體增長(zhǎng)、電能替代等因素推動(dòng)，南方區(qū)域終端部門(mén)電量消費(fèi)保持持續(xù)合理增長(zhǎng)趨勢(shì)。3 種情景下南方區(qū)域用電量需求在“十四五”期間年平均增長(zhǎng)率均超過(guò)5%，“十五五”期間年平均增長(zhǎng)率為3%～4%，2030年—2050年期間年均增長(zhǎng)率由2.5%逐步下降至1.5%，在2050年后年均增長(zhǎng)率將進(jìn)一步下降至1.5%以下，如圖7 所示。2030 年南方區(qū)域用電量需求約為1.9～2.3 PWh，人均用電量為6～8 MWh/a，達(dá)到日本、德國(guó)當(dāng)前人均用電量水平。2060 年達(dá)到約3.1～4.1 PWh，人均用電量為11～15 MWh/a，達(dá)到美國(guó)、加拿大當(dāng)前人均用電量水平。

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

3.4 南方區(qū)域負(fù)荷特性預(yù)測(cè)結(jié)果

在負(fù)荷特性方面，受區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和終端電能替代影響，南方區(qū)域年最大負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，但年增長(zhǎng)率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，如圖8 所示。3 種情景下南方區(qū)域年最大負(fù)荷在2030 年前年平均增長(zhǎng)率均超過(guò)3%，2030—2050 年期間年平均增長(zhǎng)率維持在2%～2.5%且逐步下降，2050 年后年平均增長(zhǎng)率將進(jìn)一步下降至1.5%左右。2030 年南方區(qū)域年最大負(fù)荷需求約為300～360 GW，2060 年達(dá)到約500～660 GW。

圖8 南方區(qū)域年最大負(fù)荷Fig.8 Maximum load in the southern region

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

圖9 南方區(qū)域月負(fù)荷特性Fig.9 Monthly load characteristics in the southern region

圖10 南方區(qū)域夏季日負(fù)荷特性Fig.10 Daily load characteristics of the southern region in summer

4 結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，“新電氣化”將是能源中長(zhǎng)期發(fā)展的主要方向和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色轉(zhuǎn)型的有效途徑。南方區(qū)域終端能源消費(fèi)量在2045 年前將達(dá)到峰值約10 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。為保障南方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的能源消費(fèi)合理增長(zhǎng)需求，南方區(qū)域需要持續(xù)提升工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)四大終端部門(mén)的電氣化水平，減少煤炭、石油等一次能源的消費(fèi)比重，并通過(guò)加快電力部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型提高能源利用效率、加速能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

電力部門(mén)作為能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)、碳減排的關(guān)鍵領(lǐng)域，承擔(dān)的減排責(zé)任逐步凸顯，需要加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。南方區(qū)域終端電氣化率在2045年后將達(dá)到60%以上，終端部門(mén)用電量保持合理增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，且受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型影響，南方區(qū)域電力負(fù)荷不均衡特性將逐步加大。為支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，南方區(qū)域需加快推進(jìn)非化石電源發(fā)展，加強(qiáng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)配合，提高系統(tǒng)對(duì)非化石能源的接納能力，加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，進(jìn)而推動(dòng)能源電力低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。