第7章能源系統(tǒng)模型

第7章能源系統(tǒng)模型7.系統(tǒng)分析概論7.1.1系統(tǒng)與模型如果把真實世界的一部分稱為一個系統(tǒng)則一個系統(tǒng)是一個三元組可記為（7-1其中一個狀態(tài)事物為用來確定這一部分真實世界所處的狀態(tài)的事物，一個環(huán)境事物為真實世界的其他部分中能對本部分產(chǎn)生影響的事物，一個關(guān)系為狀態(tài)事物與狀態(tài)事物之間的聯(lián)系，或為狀態(tài)事物與環(huán)境事物之間的聯(lián)系。如果將狀態(tài)看作環(huán)境的函數(shù)，則一個系統(tǒng)可記為：（7-2）如果將狀態(tài)看作輸出量，環(huán)境看作輸入量，則一個系統(tǒng)可記為(7-3)如果能分別用狀態(tài)變量和環(huán)境變量來度量狀態(tài)事物和環(huán)境事物能用數(shù)學語言把關(guān)系集合表達出來，則這個系統(tǒng)的數(shù)學模型（簡稱模型）就能被建立起來。與式(7-1)，(7-2)和(7-3)相對應(yīng)，一個模型可記為：（）或或

（）（7-6）這里狀態(tài)應(yīng)理解為狀態(tài)變量空間中的一點境應(yīng)理解為環(huán)境變量空間中的一點求解一個模型經(jīng)常是指在環(huán)境變量值給定的情況下尋找使關(guān)系式集合成立的狀態(tài)變量的值。所以求解模型是對系統(tǒng)運動的模擬。由上面的敘述可知們把一個模型看成一個系統(tǒng)在數(shù)學意義上的無條件等價物。但實際上，一個模型是只能是一個系統(tǒng)的可算的近似?？伤阈允侵改Ｐ褪强山獾那夷Ｐ偷挠脩舾兜闷鸷驮敢飧肚蠼饽Ｐ退ㄙM的代價。近似性是指，由于真實系統(tǒng)通常是非常復(fù)雜的，所以模型不可能在完全精確的意義上對系統(tǒng)進行模擬。一個模型的精度高，必然復(fù)雜，可算性也就差，反之亦然。好的模型是能滿足給定精度要求的具有良好可算性的模型。word檔可自由復(fù)制編輯

7.1.2系統(tǒng)、模型與決策一個決策過程涉及兩個系統(tǒng)，策者系統(tǒng)和被決策系統(tǒng)他們之間的關(guān)系可以用圖7-1表示。決策者系統(tǒng)決策界面被決策系統(tǒng)客觀環(huán)境

狀態(tài)圖-1真決策過程在這里被決策系統(tǒng)的環(huán)境被分成兩部分，一部分是主觀環(huán)境，即決策者系統(tǒng)作出的決策，另一部分是客觀環(huán)境。從圖7-1可以看出，決策者做出決策，一是要估計客觀環(huán)境的變化，二要預(yù)測被決策系統(tǒng)未來狀態(tài)，即被決策系統(tǒng)對客觀環(huán)境和決策的響應(yīng)。面對復(fù)雜的社會經(jīng)濟系統(tǒng)，需要進行模型模擬，在真實系統(tǒng)“等價物”模型上進行數(shù)學實驗隨著當代計算機技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展模型模擬方法幾乎已成為支持決策者的主要決策手段7-2所示的模擬決策過程是圖-1所表示的模擬決策過程是真實決策過程的“等價物”。決策者系統(tǒng)決策界面被決策系統(tǒng)模型客觀環(huán)境

狀態(tài)圖-2模擬決策過程7.1.3系統(tǒng)分析與決策支持系統(tǒng)模擬決策過程通常又被稱為系統(tǒng)分析。由7.2可知，要使系統(tǒng)分析過程得以進行，需要先實現(xiàn)決策者系統(tǒng)、被決策系統(tǒng)模型和兩者之間的界面。決策者通過界面使用模型，來預(yù)測被決策系統(tǒng)的未來，價他將做出的決策和尋求滿意的決策。所以界面與模型二者作為一個整體被稱為決策支持系統(tǒng)。決策者系統(tǒng)是完全不可模型化的系統(tǒng)，只有決策者本人才能充當決策者系word檔可自由復(fù)制編輯

統(tǒng)，其他人無法替代他。7.1.4定預(yù)測由系統(tǒng)模型定義的函數(shù)——狀態(tài)(環(huán)境)，代表著系統(tǒng)的運動規(guī)律，其中自變量環(huán)境和因變量狀態(tài)分別是兩個高維空間中的點向徑)解這個函數(shù)對決策者是至關(guān)重要的。通常寫不出這個函數(shù)的解析表達式，而只能以函數(shù)表的形式表達這個函數(shù)。原則上這個表由一些點對組成：每一個環(huán)境點被稱為一個想定，每一個點對被稱為一個想定預(yù)測。初級決策支持系統(tǒng)是這樣工作的：決策者設(shè)計出需計算的多種想定，并將其交給系統(tǒng)分析工作者，后者完成想定觀測，將其交給前者這種對話要進行多次。高級決策支持系統(tǒng)是這樣工作的：從一個想定到下一個想定，決策者可按自己的偏好進行搜索。每一個想定預(yù)測回答了一個如下的條件預(yù)測問題：而不是一個如下的無條件預(yù)測問題：實際上，對于一個社會經(jīng)濟系統(tǒng)來說，不存在無條件預(yù)測問題。7.1.5不確定性真實世界存在著隨機性和模糊性兩類不確定性率數(shù)學與模糊數(shù)學分別是對它們的定量描述。社會經(jīng)濟系統(tǒng)的未來狀態(tài)存在著極大的不確定性。由圖-1可知，未來狀態(tài)的不確定性來自環(huán)境(包括客觀環(huán)境和決策)不確定性和系統(tǒng)內(nèi)在機制的不確定性比較圖7-1和圖7-2可知預(yù)測的未來狀態(tài)的不確定性還來自模型對系統(tǒng)的近似性和計算誤差的積累。由于預(yù)測的狀態(tài)的不確定性的存在系統(tǒng)分析方法對決策的支持不能理解為保證決策不失誤，而應(yīng)正確理解為減小決策失誤的概率。7.1.6敏感性分析估計由環(huán)境的不確定性引入預(yù)測狀態(tài)中的不確定性，被稱之為敏感性分析。由（7-5態(tài)作為環(huán)境的函數(shù)在線性近似之下和word檔可自由復(fù)制編輯

有，,j=

i

（7-7）,j境

ij環(huán)境

（7-8）,j狀態(tài)i狀態(tài)ji,j環(huán)境i境狀態(tài)狀態(tài)ij環(huán)境j

（）（7-10）j其中j和——分別環(huán)境j的對性和相對不確定性；環(huán)境i,j和

i,j狀態(tài)i

——分別為由環(huán)境的不確定性引入的狀態(tài)i的絕對和相對不確定性。

—狀環(huán)的絕對相對敏感（偏導(dǎo)數(shù)環(huán)境

ij

—狀態(tài)環(huán)的絕對相對敏感；—狀i環(huán)相對—絕對敏感i；狀i環(huán)j—狀i環(huán)相對—相對敏感i（彈性系數(shù)狀i若敏感度ij相對大，則稱狀態(tài)i對環(huán)境j是敏感的；若敏感度i，j對小，則稱狀態(tài)i環(huán)境j是不敏感的。若至一個狀態(tài)變量對環(huán)境j是敏感的，則稱系統(tǒng)對環(huán)境j是敏感的，環(huán)境j稱為敏感變量；若所有狀態(tài)變量對環(huán)境j都是不敏感的，則稱系統(tǒng)對環(huán)境j是不敏感的，環(huán)境j稱為不敏感變量。若所有環(huán)境j(jN)到足以使式(7.成立，則態(tài)i

j

ij

否則Δ狀態(tài)i(i∈M)或由狀態(tài)(環(huán)境函數(shù)表插值得出由直接解模型得出。word檔可自由復(fù)制編輯

7.2電力系統(tǒng)規(guī)劃模型（一）電力規(guī)劃的內(nèi)容電力工業(yè)規(guī)劃包括4個最基本的內(nèi)容力負荷預(yù)測，電源擴展規(guī)劃、輸電網(wǎng)擴展規(guī)劃和配電網(wǎng)擴展規(guī)劃。電力系統(tǒng)負荷預(yù)測包括電力需求預(yù)測(即對最大需求功率進行預(yù)測)量需求預(yù)測(即對電能需求量的預(yù)測)和電力負荷曲線預(yù)測(對需求功率大小隨時間變化的規(guī)律進行預(yù)測)。首先，電能可以由許多種初級或次級能源得到其次電力儲存非常困難并且成本極高使得電力生產(chǎn)必須隨時按負荷變化而調(diào)整再次，電力生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命很長。電力生產(chǎn)的特點使得新的發(fā)供電設(shè)備的投入不僅長期影響電力系統(tǒng)的未來結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)情況，也會改變系統(tǒng)中原有設(shè)備的運行方式。電源擴展規(guī)劃所要研究解決的問題就是要根據(jù)具體地區(qū)的系統(tǒng)現(xiàn)狀荷特點、資源和運輸條件等，確定出為了滿足未來負荷的持續(xù)增長和保證可靠供電，應(yīng)該在什么時間什么地點建設(shè)什么類型的發(fā)電機組及適當?shù)娜萘坎⑹沟眠@一決策與諸多的電源擴展可行方案相比具有最好的經(jīng)濟性在進行各方案的經(jīng)濟性比較時，目前最常用的是最小費用法。電源擴展方案的總費用包括系統(tǒng)中全部發(fā)電設(shè)備的總的固定成本(費)和總的可變成本(費用)兩部分。由于每個擴展方案有著不同的投資項目不同的投資和投產(chǎn)時間各投資項目的經(jīng)濟壽命不同，資金的經(jīng)濟價值隨時間也在不斷變化，因此進行總費用的運算和比較時須將不同年份發(fā)生的各種費用折算至同等可比的基礎(chǔ)之上一般折算為某一基準年的貼現(xiàn)值進行發(fā)電擴展方案的動態(tài)經(jīng)濟比較—即對整個規(guī)劃期內(nèi)逐年的費用比較時更多地采用最小現(xiàn)值費用法—即應(yīng)用最小費用的思想，對電力擴展方案在整個規(guī)劃期的逐年費用的貼現(xiàn)值進行比較的方法。7.2.1電力負荷曲線電力負荷隨時間變化的曲線稱為電力負荷曲線將一天中電力負荷隨時間變化的情況用曲線描示出來，就可得到日負荷曲線，見。把每日的負荷曲線依次連接在一起，就可得到周、季、年的負荷曲線。負荷曲線在各種重復(fù)周期內(nèi)的變電情況反映出系統(tǒng)的負荷特性同的電力word檔可自由復(fù)制編輯

負荷特性定了電力系統(tǒng)中各種發(fā)電設(shè)備容量的不同的合理配置方式和發(fā)電量的不同分配方式。圖7.3(a)和(b)分別表示同一典型日的負荷曲線和持續(xù)負荷曲線，兩條曲線下的面積相同，表示同樣的電量，但更直觀地表示出了當負荷大于等于某一值時所持續(xù)的時間由日周季年負荷曲線便可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的日周季、年持續(xù)負荷曲線。在電力系統(tǒng)規(guī)劃時，常用的持續(xù)負荷曲線是周、月(季)、年持續(xù)負荷曲線。負荷Kw0

時間/h0（）圖-3典型日負荷曲線

時間/h(b)在做電力規(guī)劃時，還常常用到另一種負荷曲線，叫做持續(xù)負荷曲線或累積負荷曲線。持續(xù)負荷曲線不是按負荷隨時間的變化，而是按負荷大小縱坐標)及其持續(xù)的時間(橫坐標)的順序排列做成的。7.2.2ScreenCurve法ScreenCurve法是一種最簡單最直觀的電力擴展規(guī)劃方法這種方法由于不能對系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備間的復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟關(guān)系進行詳細描述難以用于對電力擴展方案進行動態(tài)經(jīng)濟比較因此在進行實際電力系統(tǒng)規(guī)劃計算時早已被其它的方法所取代但是這種方法以其簡單和直觀在定性地判斷用其它方法所得到的電源擴展規(guī)劃結(jié)果是否正確時常常還是很有用的。假定發(fā)電機組的可變運行費用與其發(fā)電量(利用小時)成線性關(guān)系。發(fā)電量與利用小時存在如下的關(guān)系：

i

iCPiword檔可自由復(fù)制編輯

式——系統(tǒng)中i臺發(fā)電機組的年利用小時數(shù)；iQ——系統(tǒng)中i臺發(fā)電機組的年發(fā)電量；i——系統(tǒng)中i臺發(fā)電機組容量；i則各臺發(fā)電機組的年費用表示如下：iiii式中——單位千瓦的i臺類，發(fā)電機的年總成本；i——單位千瓦的i臺類，發(fā)電機組的年固定成本；ivci類發(fā)電機組每發(fā)1度電的可變成本。i如果以費用為縱坐標，以每8760為橫坐標，把電力系統(tǒng)中各種不同發(fā)電機組的年費用曲線畫在同一圖上可得到類似于圖4(a)的曲線族(在圖7.4中，i=1，2。每條年費用曲與縱軸的交點處的數(shù)值表示年固定成本費用的i大，曲線的斜率表示每發(fā)1度電的(單位)可變成。在圖中，由年費ii用曲線的交點可以確定tt，顯然，當機組的年利時，第類機組的年總費12用最小。當年利用小時數(shù)大且小t時，第2類機組的年總費用最小，而當12年利用小時數(shù)小t時，則第1類機組最經(jīng)濟。1如果在年費用曲線下面給出系統(tǒng)的年持續(xù)負荷曲線可以很容易地確定出在該年度各種不同類型的發(fā)電機組的最經(jīng)濟(最佳)的裝機容CP如圖7.4(i所示用各類機組的最佳裝機容量減去該類機組已有的裝機容量便可得出各類機組在該年度的最佳擴展容量。費用元/kw(a)word檔可自由復(fù)制編輯

08760圖7-4典型機組年費用曲線及裝機容量曲線7.2.3電源規(guī)劃數(shù)學模型的投資部分為了對電源擴展方案在整個規(guī)劃期的動態(tài)總費用進行比較僅要對規(guī)劃期內(nèi)的投資費用進行計算而且需要計算出規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)逐年的運行費用當系統(tǒng)很大，各種電站間的替代關(guān)系很多以及它們在系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的關(guān)系很復(fù)雜時，就必須借助于計算機和電源規(guī)劃數(shù)學模型。以最小現(xiàn)值費用方法所描述的電力系統(tǒng)電源規(guī)劃數(shù)學模型的一般形式可以表述為：當采用不同的優(yōu)化技術(shù)(方法)對電源規(guī)劃問題計算時述模型的具體型式將有所不同。電力生產(chǎn)的總費用可以分為與容量有關(guān)的固定成本和與發(fā)電量有關(guān)的可變成本兩部分，這樣就可以將總費用函數(shù)f(X，表示為：通常把由word檔可自由復(fù)制編輯

JttttJtttt描述的部分叫做電源規(guī)劃的投資決策子問題。把由描述的部分叫做電源規(guī)劃的生產(chǎn)模擬子問題。電源擴展規(guī)劃有不同的模型有不同形式的模型各種模型在優(yōu)化技術(shù)上對于生產(chǎn)模擬子問題的描述差別很大，但對于投資決策子問題的描述則基本相同。電源規(guī)劃模型的min(t)FC'(j)(jt)j,t)IXj)(jt(jtjtt

(jt)—內(nèi)生變量，第j個電廠在第年的新增容量，t=0時，X(j，表示第j電廠在規(guī)劃起始年的已有容量，顯然在第t年第j類電廠的總?cè)萘繛?jt

，在線性規(guī)劃模型中X(jt)取為連續(xù)變量，在混合整個規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃模型中，(jt)可以是整數(shù)變量；IX(j,t)——表式第j電廠在第t年的一次性投資。為了便于對不同年份投入的機組在一個統(tǒng)一的標準下進行比較，固定成本的投資部分采用等年值表示，即將機組的全部投資以每年相同的數(shù)值分攤到其正式投產(chǎn)至經(jīng)濟壽命終了的每一年內(nèi)。等年值投資費用的計算公式可表示為：有些工程投資很大，而且施工周期很長，它們的投資不是一次投入，而word檔可自由復(fù)制編輯

ll是分階段投入的。對于這種工程就必須考慮它們的投資過程。相應(yīng)地，等年值投資費用的計算公式為：EV(1)t

L

i(1N

N式中1為IV1如水電站、抽水蓄能電站的大壩及其它水工設(shè)施所需投資核電站的核反應(yīng)堆建造投資；電廠的廠房引水管道、冷卻塔建設(shè)投資等。2為IV2為了給燃煤電廠運輸燃料而修建的鐵路專線輸煤。管道的投資；燃油電廠輸油管道的投資；在修建水電廠時，為施工和運進設(shè)備所建鐵路的部分或全部投資。為IV3為供給燃煤電廠燃料而建設(shè)的煤礦的投資應(yīng)。在電廠投資中加以考慮。為IV4該項投資包括發(fā)電機組、變壓器和電廠其它電氣設(shè)備的投資。為IV5輸電投資是指系統(tǒng)中由于擴展電源而必須擴展網(wǎng)絡(luò)所需要的線路投資于具有長距離輸電線的水電站或礦口電站，這部分投資占其總投資的比例是可觀的。在以上5種類型投資中，有幾種類型如，，3項投資，對每個確定的備選電站，基本上不隨其裝機容量而變化，我們稱這類投資為備選電站的固定投資，或一次性投資；而另一部分如45項投資，將隨著備選電站的裝機容量增加而增加，這類投資稱之為可變投資。類似地電廠的運行費用也可分為固定運行費用和可變運行費用固定運行word檔可自由復(fù)制編輯

4455544555費用是與電廠所發(fā)出的電量無關(guān)的運行費用它包括各種設(shè)備的維護費用工作人員的工資、電廠的行政開資等等，在模型中，固定運行費用表示。可變運行費用是與發(fā)電量成正比的運行費用如燃料費用和水費磨損的部件的更新費用等等。這部分費用由VC表示。根據(jù)上面的分析難計算出電廠對應(yīng)于固定投資部分和可變投資部分的固定成本。j)

i(j)L(j)[(j)IP(j,l))(j)](j,(j)l

i(1(j)L(j)[(jt)(j,l))L(j)]OP(jt(j)l''(jt)

i)(j)L(j)[IV(jt)IP(j,l)(1)N(j)l

L(j)

]OPjt

i)(j)L(j)[IV(j,t)IP(jl))L(j)](jt)N(j)l

i)(j)L(j[)N(j)l

IV(j,t)IP(j,l))(j)]OP(jt式中l(wèi)，IV(j,t)(j(j),j(j)——分別表示j電廠t開始動2工建設(shè)，其土建工程投資、運輸或鐵路投資分攤等，以及煤礦投資分攤等；(j,t)，(j,)——分別表示j廠t開始建設(shè)，其機電設(shè)備和輸電線路45的單位千瓦投資；OP(j,t(j,)—第j類電廠對應(yīng)于投,IV,...,的工程在產(chǎn)l年1512的投資占該項總投資的比例；OP(j,t(j,)—第j類電廠t年時對應(yīng)于投,...,的工程項15目的總的或單位千瓦的固定運行費用。在動態(tài)規(guī)劃和線性規(guī)劃等形式的電源規(guī)劃模型中常需要近似地將一次性投資分攤到每單位千瓦的可變投資當中，這樣就可以得到較為簡單的目標函數(shù)。1word檔可自由復(fù)制編輯

JttJJttJtttjt

aj(1)(1Xj,t))(t

式中——j電廠容量的可用系數(shù)；j

——j廠的廠用電率；

j——j廠將其功率送入電網(wǎng)時的平均線損率；——系統(tǒng)要求的備用設(shè)備容量系數(shù)；LM(t)——外生變量，系統(tǒng)在t年的最大負荷。該約束表示，為了保證系統(tǒng)在第年能夠可靠供電，系統(tǒng)在第t年所應(yīng)有的全部可用裝機容量至少要等于系統(tǒng)在t年的最大負荷和相應(yīng)的備用容量之和。2Hj,t))(j,)HP(jjtjt(1LOSSEQ(t))式中——抽水蓄能電站總數(shù)；

aj(1)(1X(jt)——系統(tǒng)平均網(wǎng)損率；(t)—外生變量，表示t年系統(tǒng)電量需求；H(jt)，HP(j,t)——外生變量分為第j電廠第t的發(fā)電利用小時和第j抽水蓄能電廠t的抽水利用小時數(shù)，初H(jt)，HP(j,t)為預(yù)先給定值，然后由生產(chǎn)模擬子問題進行修正。其最大值不得超過扣除檢修、強迫停役等因素的影響后機組的最大可能利用小時數(shù)。3jt

(1(jt)(1)X(j,)(t)(t)]jt

式中

j

——

j廠機組的最小技術(shù)出力系數(shù)；DL(t——t系統(tǒng)出現(xiàn)的日最大峰谷差。4(7-15)式中——外生變量，j類機組由于設(shè)備制造、施工、安裝等技術(shù)條件限制，t年最大可能的新增容量。word檔可自由復(fù)制編輯

L(j)LL(j)L(j)5(7-16)式中——外生變量，表示j類機組在系統(tǒng)資源、國民經(jīng)濟發(fā)展總目標等條件限制下，到規(guī)劃期末可能達到的最大規(guī)模。6iv(jt)IPj,l)X(jt)jll

iv(j,t)IP(jl)X(j)L(j)L(j)iv(j)IP(j,l)X(j,t)3

iv(j)IP(j,lX(j,)l

lL(j)iv(j,t)IP(jl)(j,t)t)l式中IVE()—外生變量，表示t年可用電源建設(shè)的總投資該約束表示系統(tǒng)在t年的全部電力建設(shè)的總投資不能超過在該年財政條件限制的可用于電源建設(shè)的投資總額。7除了上述主要約束條件外，個系統(tǒng)根據(jù)其具體情況，在進行電源規(guī)劃時還需要附加若干其它的約束條件。7.2.4發(fā)電可靠性及隨機生產(chǎn)模擬（一）電力系統(tǒng)可靠性生產(chǎn)模擬是用以計算未來系統(tǒng)可變運行費用的主要方式靠性是電力系統(tǒng)的重要指標機生產(chǎn)模擬方法可以在計算系統(tǒng)可變成本的同時給出系統(tǒng)的可靠性指標。在發(fā)電系統(tǒng)可靠性計算中一般以發(fā)電機組為基本單位并假定發(fā)電機只有兩種狀態(tài)，即正常運行狀態(tài)(包括計劃停役狀態(tài))和強迫停役狀態(tài)。機組的強迫停役率通常以q示:一般發(fā)電機組的強迫停役率由統(tǒng)計平均值給出個發(fā)電機組的狀態(tài)將確定系統(tǒng)的狀態(tài)假定系統(tǒng)中發(fā)電機組的狀態(tài)都是獨立的系統(tǒng)的狀態(tài)概率將等于該狀態(tài)下各機組狀態(tài)概率的乘積。word檔可自由復(fù)制編輯

電力系統(tǒng)能否充分供電不僅取決于系統(tǒng)狀況，即系統(tǒng)中每臺發(fā)電機組的狀態(tài)，也取決于系統(tǒng)供電負荷的大小。電力系統(tǒng)中的發(fā)電機組由于強迫停役等原因退出運行統(tǒng)就會出現(xiàn)容量缺額如果系統(tǒng)的停運容量大于系統(tǒng)的備用容量就必然造成部分負荷停電由發(fā)電系統(tǒng)電力不足所造成負荷停電時間的概率發(fā)電系統(tǒng)可靠性的重要指標以LOLP表示。當系統(tǒng)停運容量超過系統(tǒng)的備用容量所造成的電量供給不足，一般用ENS表示。下面給出可靠性指標L，LOLE和E的基本的計算方法和隨機生產(chǎn)模擬的計算原理。（二）可靠性指標的計算假定在時間區(qū)間T內(nèi)系統(tǒng)中有臺可運行發(fā)電機組，每臺機組的容量分別為

i

。按照每臺機組單位可變發(fā)電成本可以由小到大依次確定出機組帶負荷的先后順序。如果第一臺機組完全可靠，當?shù)谝慌_機組投入運行后，可以根據(jù)系統(tǒng)負荷的概率分布和機組的強迫停役率得到第一臺機組在時間區(qū)間內(nèi)的發(fā)電容量和發(fā)電量的期望值。實際上，第一臺機組的工作不是完全可靠的，它的強迫停役率，其帶1負荷能力和發(fā)電量都會小于其完全可靠時的數(shù)值從系統(tǒng)的角度來看第一臺機組強迫停役而引起的帶負荷減少可以等值為假定第一臺機組完全可靠是在第一臺機組投入后系統(tǒng)負荷產(chǎn)生了一個虛擬的增加量荷增量數(shù)值恰等于第一臺機組強迫停役所引起的帶負荷的減少量樣第一臺機組投入后系統(tǒng)負荷的等效曲線可以表示為P()L

：P()表示第一臺機組投入后系統(tǒng)等值負荷的概率密度曲線。L由于第一臺機組強迫停役所引起的出力的減少期望值

表示根據(jù)上述關(guān)系，可以的到第一臺機組在時間區(qū)間內(nèi)的期望發(fā)電量和可變運行成本：E

[(x)(xCP)]TpLL1

P()Lword檔可自由復(fù)制編輯

iinn0iinn0nn依次每次投入一臺機組，進行一次上面的卷積運算當?shù)趇臺機組投入后有：i

0

[P(x)(x)]dxLjLjiiijj

j0

Li當系統(tǒng)中全部n臺可用機組全部投入后可求出系統(tǒng)在時間區(qū)間的發(fā)電可靠性指標和系統(tǒng)總的可變成本

LOLPP()Lii(x)dxLniiTVCiiiIi（三）隨機生產(chǎn)模擬在進行電源規(guī)劃的生產(chǎn)模擬時，通常需要把一年分成若干個時間區(qū)間，對每個時間區(qū)段進行上面的運算，并以Yjt)表示機組j在第t年的發(fā)電量就可以得word檔可自由復(fù)制編輯

到電源規(guī)劃中生產(chǎn)模擬子問題隨機模型：（）（）（）（）式7-18給出隨機生產(chǎn)模擬的基本模型，如果考慮到機組發(fā)電成本隨帶負率而改變以及水電站的出力取決于不同時讓的可用水量等因素還需要附加一些其它的約束。把上述生產(chǎn)模擬子問題式7.187.21和前面的投資問題式(7-11)—(7-17)結(jié)合起來，就可以構(gòu)成完整的隨機生產(chǎn)模擬的電源擴展規(guī)劃的基本模型。7.2.5確定性生產(chǎn)模擬與隨機生產(chǎn)模擬相對應(yīng)的是確定性生產(chǎn)模擬定性生產(chǎn)模擬的方法也有很多種如動態(tài)規(guī)劃模型線性規(guī)劃模型等等在此介紹一種線性規(guī)劃生產(chǎn)模擬方法線性規(guī)劃生產(chǎn)模擬不僅可以和前面所介紹的投資子模型統(tǒng)一求解并易于和能源系統(tǒng)規(guī)劃模型耦合，也是應(yīng)用比較廣泛的生產(chǎn)模擬方法。在線性規(guī)劃生產(chǎn)模擬中通常需要采用階梯形負荷曲線首先把一年分為不同的季，每季選擇一個典型日用典型日的負荷曲線代表該季每天的負荷曲線。然后還需將每個典型日分為若干小的時間段每段負荷近似取為一常數(shù)從而將日負荷曲線近似為階梯形狀此基礎(chǔ)上臺機組在每個小的時段的出力(帶負荷容量)和發(fā)電量及生產(chǎn)費用進行計算，從而得到系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。()線性規(guī)劃生產(chǎn)模擬的費用函數(shù)word檔可自由復(fù)制編輯

KttKtty(jt)(t,s)(sk)(j,t,,k)s()約束條件1

j)(1(j,t,)(1P(j,k(s,k)jJJP該約束要求系統(tǒng)在任一時刻發(fā)電出力扣除廠用電和網(wǎng)損后的總和必須大于系統(tǒng)供電負荷。2(1)火、tU(jts,k)(jttU(jt,k)

jX(jt)此約束條件要求火電機組在任何時刻的發(fā)電出力都不可以大于該機組的可用容量，并且也不能小于機組的最小出力。(2)水電word檔可自由復(fù)制編輯

ttKtttKt此約束表示水電機組的出力不能大于它的預(yù)想出力也不能小于它的強迫出力。(3)抽水U(jt,k)

t

jX(jt)(j,t,k)jX(j,t)t3(1)火電()Lt,s,)U(j,t,,k)HM(j)(j,t)skt(2)水電（3）抽將線性規(guī)劃生產(chǎn)模擬與投資子問題結(jié)合在一起便可以構(gòu)成線性規(guī)劃生產(chǎn)模擬的電源規(guī)劃模型，如果投資子模型也描述為線性或混合整數(shù)規(guī)劃模型，就可以對整個電源規(guī)劃模型統(tǒng)一求解。7.3農(nóng)村能源系統(tǒng)模型我國農(nóng)村地域廣大，口眾多，源消耗量大而供應(yīng)短缺，其資源構(gòu)成主要是薪柴、作物秸桿一類的生物質(zhì)能源，景復(fù)雜，涉及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生word檔可自由復(fù)制編輯

態(tài)環(huán)境等多方面因素。和其它能源系統(tǒng)相比，農(nóng)村能源系統(tǒng)有它的特殊性。農(nóng)村能源系統(tǒng)概述將農(nóng)村能源建設(shè)與農(nóng)村經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境綜合起來一起考慮，協(xié)調(diào)分析，在改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境促進農(nóng)業(yè)發(fā)展的前提下研究解決農(nóng)村能源問題的途徑因此在模型中不僅要考慮供能系統(tǒng)對能量轉(zhuǎn)換和分配的優(yōu)化，要考慮包括農(nóng)、林、牧、副、漁在內(nèi)的大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以期使資源得到合理利用，農(nóng)村經(jīng)濟得到發(fā)展，農(nóng)民生活逐步改善。1在滿足農(nóng)民自身需要和完成國家征購任務(wù)的前提下如何使各業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，使農(nóng)村經(jīng)濟的收益最優(yōu)。2優(yōu)化過程將考慮各能作物合理的比例及其籽實和秸稈產(chǎn)量對系統(tǒng)的影響。3既要考慮滿足當前對燃料的需求要顧及到作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入以期獲取更多的生物質(zhì)能源的再生量。4以便在滿足各種最終用能需求的前提下，盡量降低系統(tǒng)的供能成本。56模型將對諸如小水電沼氣池省柴灶等能源建設(shè)項目的發(fā)展規(guī)模及取舍進行統(tǒng)一的優(yōu)化。7建造新能源設(shè)施行農(nóng)田基本建設(shè)買農(nóng)業(yè)機械辦農(nóng)副產(chǎn)品加工廠，役畜的繁殖和購買等均需要資金在當前資金有限的情況下應(yīng)通過模型來決定優(yōu)先投資的方向和資金的合理分配，以取得最大的經(jīng)濟效益。word檔可自由復(fù)制編輯

模型的數(shù)學描述該模型亦為一靜態(tài)線性規(guī)劃模型，統(tǒng)優(yōu)化的目標為①農(nóng)村經(jīng)濟活動的凈收益最大②能源系統(tǒng)的供能成本最低③農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的指標盡量實現(xiàn)它是一個多目標線性規(guī)劃模型。1把土地依其適宜性(如宜糧、宜林等)分類加以考慮。對宜糧地又分成個等級，如高、中、低產(chǎn)田等。XLGij表示在第j等級的土地上，種植第i類作物的面積，有：2國家為一個地區(qū)每年提供的商品能源供應(yīng)量都應(yīng)有一個限額，要考慮這個限制條件。用XEij表示第i種商品能源到第j種最終用途的能流量。其量綱使用統(tǒng)一的能量單位(如萬噸標準煤)來表示。用eij表示相應(yīng)的能源分配和傳輸效率，則：3農(nóng)村生活用能需求約束可記為：

'ij

Dij

j

(j1,2,...)j4如前所述，秸稈等生物質(zhì)能源的再生量即供應(yīng)量)與其作為能源和非能源用word檔可自由復(fù)制編輯

,j,j途的分配之間有極其密切的關(guān)系，這些關(guān)系可由一系列平衡方程來表示。如：（1

i

ij

ij

XPXCFjiijXSP'ib

j1j,j（2

ij

XLGij

i

i

i

XLAiiijij

iiiXCFijkbkb

i

f

i有機肥不足不僅會影響農(nóng)作物產(chǎn)量且會使土壤生態(tài)惡化標函數(shù)中，將其作為生態(tài)指標來考慮，使之最小化。5解決農(nóng)村能源短缺問題的一個重要途徑就是要發(fā)展像沼氣太陽能風能word檔可自由復(fù)制編輯

itit等替代能源技術(shù)模型要研究能源供應(yīng)系統(tǒng)的合理結(jié)構(gòu)選擇替代能源技術(shù)的發(fā)展方向和發(fā)展速度，應(yīng)該把各種替代能源技術(shù)內(nèi)在的物理過程描述清楚。例如：（1i

eXE0ikikkjj

(i1,2,..,r)（2ik

X(im；)ikik（36在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供的各項動力中應(yīng)研究人所提供動力的合理比例。以農(nóng)田作業(yè)為例為便于考慮農(nóng)忙時工作量需求的峰值應(yīng)把幾個農(nóng)忙季節(jié)按一定天數(shù)分成幾段，分別考慮?？捎洖椋?/p>

d

trij

tijr

tr

tr

ijXEtriirr

trt

jrjt

jr

jjjtrtjtjrjjtrtrtr

jr

jword檔可自由復(fù)制編輯

7森林覆蓋率的目標約束和前面有機肥平衡目標約束類似是作為生態(tài)方面的目標來考慮的為扭轉(zhuǎn)當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的惡性發(fā)展當?shù)貞?yīng)該有一定的森林覆蓋面積，包括防護林以及各種用材林和薪炭林。這方面約束可表示為：

XLWi

ji

XLWii

j

ij

08各種農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)量應(yīng)滿足本地區(qū)人民的需求和國家的征購指標，以糧食作物的需求為例，約束條件可寫為：

ij

ij

jij

ji

DCiDCji

i1,2,...)jword檔可自由復(fù)制編輯

jj

ji

——第j種禽畜對第i作物產(chǎn)品的需求系數(shù)；ji

——第j種副業(yè)加工對第i作物產(chǎn)品的需求系數(shù)；對林、牧、副、漁業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的需求，亦有相類似的表示形式。9進行農(nóng)田基本建設(shè)，購買農(nóng)業(yè)機械，發(fā)展畜力及林、牧、副、漁業(yè)生產(chǎn)，發(fā)展沼氣池等替代能源技術(shù)等均需要投資，但要受到在規(guī)劃期內(nèi)該地區(qū)所能提供總投資的數(shù)量的限制。投資額限制約束可記為：

j

j,j

jjjj4jjjj

jjjINVjj6jjikik8jjjij目標函數(shù)的選擇如前所述，本模型所考慮的目標函數(shù)有3個。其中能源系統(tǒng)供能成本最低與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的凈產(chǎn)值最大兩個目標函數(shù)具有相同的量綱可以將其合并在一起表示，并注意避免重復(fù)計算。對考慮生態(tài)效果的指標，其一是有機肥的施用量與需求量之間的缺口二是規(guī)劃年所達到的森林覆蓋面積與期望的覆蓋面積之間的差額我們希望這兩個量都最小化采用加權(quán)系數(shù)的辦法也將其與另兩個目標函數(shù)表示在一起，有：word檔可自由復(fù)制編輯

7.3.3模型的參數(shù)選擇（一）模型需要的參數(shù)1反映農(nóng)村能源系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的投入產(chǎn)出關(guān)系和生產(chǎn)要素或能量之間的組合關(guān)系。2這些參數(shù)有些反映了當?shù)氐淖匀粭l件及自然資源限制等因素些反映了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展目標或決策者的意圖部分參數(shù)有些可通過對當?shù)厍闆r的調(diào)查研究確定(如資源狀況)，有些則是由系統(tǒng)外的環(huán)境因素所決定的，需要由其它模型計算得到。以用最終用能形式表示的農(nóng)村生活用能的需求量為例需要根據(jù)農(nóng)村人口發(fā)展預(yù)測民生活水平提高的設(shè)想以及對歷史情況及發(fā)展趨勢的分析等信息來確定?？捎萌缦履Ｐ蛠磉M行處理：A其中為能源需求基礎(chǔ)向量，是表示農(nóng)民生活最終用能形式的特征量，不同的最終用能形式可以有不同的基礎(chǔ)量，如照明需求的基礎(chǔ)量可以以戶為單位來表示，相應(yīng)Y分量即為該地區(qū)的農(nóng)戶數(shù)為農(nóng)村生活用能各種最終E用能形式的需求向量，均用統(tǒng)一能量單位表示，如千焦或萬噸標煤。A為轉(zhuǎn)移矩陣，它的一般形式為：A

PSi1

P2

2

...

Pnn

其中，為第i種最終用能形式單位基礎(chǔ)量的需求系數(shù)。Si為飽和度。它i表示第i最終用途實際所滿足的份額與完全滿足時的數(shù)量之比。例如在規(guī)劃年份只有一半的農(nóng)戶在冬天可以取暖么相對于農(nóng)戶取暖這項最終用途的飽和度為0.。由此計算出農(nóng)村生活用能各種最終用能形式的需求量后，即可將其輸入模型，以作為農(nóng)村生活用能需求約束的外生變量。word檔可自由復(fù)制編輯

3主要表現(xiàn)為目標函數(shù)的系數(shù)部分參數(shù)是模型賴以進行最優(yōu)化計算的依據(jù)，因此它們的準確性尤為重要，對它們的確定更需做細致的工作。（二）成本效益參數(shù)舉例1一般說來供能成本是隨著供應(yīng)量的增加而提高的這包括要開采那些比較貧瘠或質(zhì)量較差的能源資源或者需要較遠的運輸它的供應(yīng)曲線是一條向上傾斜的曲線所以供能成本不是常數(shù)而是隨著供應(yīng)量的變化而改變的為便于在模型中表示這個關(guān)系在此我們可以采用分段線性化技術(shù)用階梯形函數(shù)來代替原來的供應(yīng)函數(shù)。同時分段后把原來的資源視為具有不同供能成本的幾種資源?？梢哉J為第一種資源的成本Ci1

最大可獲取量第二種資源的供能i成本，最大可獲取量為S；第三種資源的供應(yīng)成本C，最大可獲ii2ii取量為然我們用3個變量分別代表3種資源的供應(yīng)量，即XX。i3i2i1ii這樣原來的一種資源在這里已視為3種資源，變量也由1個變?yōu)?個，相應(yīng)的i資源供應(yīng)約束也變?yōu)?個，即：2投資的資本回收進行農(nóng)田基本建設(shè)購買農(nóng)業(yè)機械建造沼氣池等替代能源設(shè)施以及發(fā)展工副業(yè)等都需要進行投資這項資金在其設(shè)施的壽期內(nèi)應(yīng)該收回在模型的目標函數(shù)內(nèi)，應(yīng)該把各項投資按年度化，考慮投資的資本成本。如果我們考慮在工程開始時投入一筆資金

，在其壽命期n年內(nèi)，每年等額收回一筆資金B(yǎng)在年利率為i的情況下正好補償初始投資。那，有如下公式：word檔可自由復(fù)制編輯

/0

ji

j=0

i(1n-1在目標函數(shù)中，對代表新增設(shè)施的變(等)，其成本系數(shù)應(yīng)為jik它的投資的資本成本，這系數(shù)即應(yīng)為它的投資系數(shù)乘以資本回收因子。3多年生作物效益的計算有些多年生作物，例如樹木，種植后幾年才會受益。在目標函數(shù)中，應(yīng)將這部分收益在種植期內(nèi)按年度化。如果假定是在種植后n年得到一筆收B，在年n利息率為i情況下，將其按年度化計算每年的收益B有：n(1)nj

j/n

n

(1

jjn

i(1

n

并依此來考慮該多年生作物在規(guī)劃年份的收益系數(shù)。如果為獲得年后的收益，每年均需付出一定成本，不管各年的成本是否相同，均可以在考慮利息n的前提下將其按年度化從而根據(jù)年度化后收益和成本的數(shù)據(jù)確定目標函數(shù)中該種作物的凈收益系數(shù)。7.3.4模型的輸出及分析在對模型進行求解并得到最優(yōu)解后，確理解和分析所得到的結(jié)果，且用來對系統(tǒng)做進一步的分析是十分重要的。這種分析不僅會涉及到系統(tǒng)的本身，還會對與系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境因素提供分析依據(jù)，從而為進行決策提供頗為有價值的參考。（一）第一組輸出量模型第一組主要的輸出量是模型所有內(nèi)生變量的取值即模型的最優(yōu)解其中包括農(nóng)村能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中的各能流量林牧副漁各業(yè)的生產(chǎn)活動水平各種作物的種植比例以及各種設(shè)施機具的新增容量等這些數(shù)據(jù)即給出了在農(nóng)村能源系統(tǒng)供能成本最低并且使農(nóng)村地區(qū)凈產(chǎn)值最大的情況下村能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，農(nóng)、林、牧、副、漁大農(nóng)業(yè)的結(jié)構(gòu)以及農(nóng)作物種植布局等。word檔可自由復(fù)制編輯

（二）第二組輸出量模型第二組主要的輸出量是其線性規(guī)劃的最優(yōu)對偶解據(jù)線性規(guī)劃的對偶理論，我們知道線性規(guī)劃原始問題的每個約束條件，有一個對偶變量與之相對應(yīng)在一般涉及經(jīng)濟問題的模型中這個對偶變量都具有價格的量綱國外稱之為“影子價格”，其經(jīng)濟意義可解釋為：某個對偶變量的值相當于其相應(yīng)的約束條件發(fā)生微小松馳時所引起的總目標函數(shù)值的變化率對本模型而言常用的影子價格主要有以下幾組它們分別與一組約束條件相對應(yīng)利用這些影子價格可進行一系列分析工作。1表示當某種資源的可利用量有微小增量時位增量所引起系統(tǒng)產(chǎn)出的增加(或成本的降低)它反映了各種資源相對短缺的程度例如相對于商品能源供應(yīng)量限制約束的影子價格反映了該種商品能源對系統(tǒng)的邊際效益這可為國家或地方政府研究農(nóng)村商品能源供應(yīng)政策提供參考如對應(yīng)于土地可利用量約束的影子價格它反映了各種類型土地的邊際效益這可為我們合理利用土地資源提供指導(dǎo)。2代表了某種最終需求量發(fā)生微小變化時，增加單位需求量所引起系統(tǒng)凈產(chǎn)值的降低或供能成本的增加據(jù)此我們可指導(dǎo)對消費部門的政策例如對于生活用能方面最終用能形式的需求約束將其相應(yīng)的影子價格與最終用能設(shè)施的節(jié)能措施聯(lián)系起來進行評價果某項目節(jié)能措施的成本雖然大于節(jié)能的直接財務(wù)收益但是如果從影子價格的角度衡量合算的話那么該項措施的經(jīng)濟效益就是顯著的。3反映了該項設(shè)施設(shè)備現(xiàn)有容量的邊際效益即再增加單位該種設(shè)施或設(shè)備的容量給系統(tǒng)帶來的收益可作為對這些設(shè)施或設(shè)備進行技術(shù)經(jīng)濟分析時的依據(jù)。4代表了再增加單位投資給系統(tǒng)帶來的收益如果該項影子價格比較高即說明投資比較短缺它可為決定投資數(shù)量提供參考對應(yīng)于其它類型約束的影子價格均可做出類似的經(jīng)濟解釋但對于一些平衡方程它們主要是反映內(nèi)生變量相互間的平衡關(guān)系其右端常數(shù)項為零相對于這些約束的影子價格并無重要的經(jīng)濟意義，我們不對它進行解釋和分析。（三）第三組輸出量word檔可自由復(fù)制編輯

模型第三組主要的輸出量是對模型中各種參數(shù)進行敏感性分析的結(jié)果對模型進行優(yōu)化計算后進一步對有關(guān)參數(shù)進行敏感性分析是必要的它可以檢查模型計算結(jié)果的穩(wěn)定性和參數(shù)變化后對最優(yōu)解的影響目標函數(shù)中某些成本系數(shù)進行敏感性分析有助于評價外界價格及成本變化時對系統(tǒng)的影響程度對約束右端項進行敏感性分析的結(jié)果助于進一步評價資源限制及需求約束發(fā)生變化對系統(tǒng)的影響程度對約束系數(shù)矩陣中某些元素進行敏感性分析由于這些系數(shù)大都反映了系統(tǒng)內(nèi)部各部門的技術(shù)工藝特性以它有助于評價技術(shù)工藝改革的影響同時對敏感性分析中反應(yīng)非常敏感的參數(shù)在進一步計算時應(yīng)十分謹慎地選擇它的數(shù)值。7.4

能源系統(tǒng)減排

CO2

技術(shù)選擇模型大氣中溫室氣體濃度迅速增加導(dǎo)致全球氣候變化當前國際社會普遍關(guān)注的重大全球環(huán)境問題之一源消費的CO2排放是人類社會活動中最主要的溫室氣體排放源而能源又是社會經(jīng)濟賴以發(fā)展的基礎(chǔ)因此研究未來能源消費的CO2排放趨勢以及減緩CO2排放對國民經(jīng)濟的影響未來減緩CO2排放的成本及效果進行評價于我國制定能源境經(jīng)濟相協(xié)調(diào)的發(fā)展戰(zhàn)略是十分重要的。7.4.1我國能源消費

CO2

排放與世界及發(fā)達國家比較，我國商品能源消費及相應(yīng)CO2排放有如下特點：1

2

2O23GDP的商品能源消7.4.2型建立的基思路）2在保證社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平不斷提高的前提下，未來減緩能源消費所引起排放的技術(shù)對策主要有條：212大力發(fā)展水電核能等不含碳的非化石燃料以及天然氣石油等含碳率低的燃料，以替排放率高的煤炭；2word檔可自由復(fù)制編輯

3促進終端用能部門的節(jié)能，提高能源的利用效率在滿足相同的有用能需求前提下減少能源的消費量前兩個措施針對能源系統(tǒng)，而第三條措施則針對終端用能需求部門。對于能源系統(tǒng)中各種能源開采轉(zhuǎn)換及分配環(huán)節(jié)不僅考慮了現(xiàn)有的各種工藝技術(shù)而且考慮了未來可能發(fā)展或引進的各種新型能源開發(fā)和轉(zhuǎn)換技術(shù)二者構(gòu)成了能源系減排模型的基本框架。2在模型中將研究有關(guān)緩CO排放政策能源系統(tǒng)發(fā)展以及終端部門能源2消費等方面的如下問題：1234

2

5促以6，能源消費的7.4.3型的數(shù)學描（一）變量和腳標含義

2

word檔可自由復(fù)制編輯

（二）約束條件121）對以最終用能表示2）對以有用能表示的word檔可自由復(fù)制編輯

3）對534（1）開（2）轉(zhuǎn)（3）最56(1)(2)word檔可自由復(fù)制編輯

iikCOiikCOL

(t)constLt)

（外生）(i1,2,3,4；Lt前幾個期DM(t)UMt)iiiL

(t)L

t)(i1,2,...,14;t4,5,...10)t——i種初級能源開采環(huán)節(jié)的服役周期；it——第種能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的服役周期。L3）新增設(shè)施容量的發(fā)7()()(iiijLt)LikLL

i'LL

t(t1,2,...,10)t)INV(t)

（外生限制量）(t82排放word檔可自由復(fù)制編輯

CO1(1r)nCO1(1r)ninl式

,

,

分別為相應(yīng)單位能源量的排放系數(shù)9（三）目標函數(shù)目標函數(shù)為