一種基于線性動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的城市能源系統(tǒng)供需優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于能源規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于線性動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的城市能 源系統(tǒng)供需優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，城市能源消 費(fèi)量持續(xù)增長，能源供需矛盾日益緊張；同時(shí)，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致大量污染物質(zhì)的 排放，給城市帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。我國城市能源管理面臨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的 雙重壓力，以及資源能力、能源政策等多方面的約束，迫切需要建立合理有效的能源規(guī)劃優(yōu) 化方法，以幫助確定滿足各類約束條件下的能源系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最優(yōu)發(fā)展方向，有效解決 城市能源問題。
[0003] 目前我國尚不具有完全意義上的城市能源系統(tǒng)優(yōu)化方法。已有的涉及能源優(yōu)化的 專利主要集中于能源消費(fèi)預(yù)測及協(xié)調(diào)優(yōu)化含新能源的電力機(jī)組組合兩方面；能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 平衡優(yōu)化的專利較少，且集中于特定行業(yè)領(lǐng)域（例如鋼鐵企業(yè)）；總體而言，當(dāng)前尚未有考 慮能源動(dòng)態(tài)平衡的城市能源系統(tǒng)優(yōu)化方法。
[0004] 在已有的研究文獻(xiàn)中，一方面，部分學(xué)者引入了國外能源規(guī)劃和能源政策分析的 典型能源模型，例如MARKAL、MESSAGE模型等，但是上述模型以特定國家或區(qū)域?yàn)榫唧w背 景，并建立在特定假設(shè)條件下，其參數(shù)設(shè)定和情景假設(shè)并不符合我國城市能源活動(dòng)特點(diǎn)，無 法準(zhǔn)確反映我國城市能源系統(tǒng)實(shí)際情況；另一方面，部分學(xué)者建立了考慮環(huán)境約束的城市 能源規(guī)劃優(yōu)化模型，尋求在滿足能源需求、環(huán)境約束要求下使得系統(tǒng)能源總成本最小的供 需格局，但這些模型所考慮的約束條件內(nèi)容均存在一定局限性，也缺乏對城市電力規(guī)劃特 別是外受電量比重等約束的考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于線性動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的城市能 源系統(tǒng)供需優(yōu)化方法。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于線性動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的城市能源系統(tǒng)供需優(yōu) 化方法包括按順序執(zhí)行的下列步驟：
[0007] 步驟1)獲取城市能源供需歷史數(shù)據(jù)的相關(guān)資料，利用上述資料分析包括本地資 源潛力、對外資源依賴度在內(nèi)的城市資源供給及能源需求情況，在此基礎(chǔ)上劃分城市系統(tǒng) 的能源種類，建立城市能源供應(yīng)體系；
[0008] 步驟2)根據(jù)上述城市能源供應(yīng)體系分析城市能源供應(yīng)鏈中能源流動(dòng)情況，確定 優(yōu)化變量；針對各優(yōu)化變量所對應(yīng)的能源種類，計(jì)算其涉及的能源成本；基于優(yōu)化變量和 對應(yīng)的能源成本，以城市能源系統(tǒng)總成本最小化為目標(biāo)，構(gòu)建城市能源系統(tǒng)供需優(yōu)化方法 的目標(biāo)函數(shù)；
[0009] 步驟3)根據(jù)上述目標(biāo)函數(shù)綜合分析對城市能源供需格局有重要影響作用的各類 因素，并結(jié)合城市政策文件的宏觀目標(biāo)要求，建立城市能源系統(tǒng)供需平衡的約束條件； [0010] 步驟4)收集并整理包括能源供應(yīng)價(jià)格及未來價(jià)格變化趨勢、各類能源技術(shù)的發(fā) 電及成本、能源政策文件中的具體目標(biāo)在內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入到由目標(biāo) 函數(shù)和約束條件構(gòu)成的優(yōu)化模型中；
[0011] 步驟5)設(shè)定規(guī)劃期，應(yīng)用線性動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解上述優(yōu)化模型，最終獲取在滿足 能源需求、環(huán)境要求約束條件下使城市能源系統(tǒng)總成本最小化的最優(yōu)能源供需規(guī)劃方案。
[0012] 在步驟1)中，所述的城市能源系統(tǒng)的能源種類如下；
[0013] 按照一次能源和二次能源分類，將能源分為煤炭、石油、天然氣、電力、熱力五大 類；其中：
[0014] 1. 1)煤炭類按照國際煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)，劃分為褐煤、煙煤、無煙煤三種類型，按照供 應(yīng)來源各類型煤炭產(chǎn)品進(jìn)一步分為本地所產(chǎn)、外地輸入；
[0015] 1. 2)石油類劃分為汽油、柴油、煤油三種主要的能源類型，按照供應(yīng)來源各類型石 油產(chǎn)品進(jìn)一步分為本地所產(chǎn)、外地輸入；
[0016] 1. 3)天然氣類劃分為液化石油氣、液化天然氣兩種主要的能源類型，按照供應(yīng)來 源各類型天然氣產(chǎn)品進(jìn)一步分為本地所產(chǎn)、外地輸入；
[0017] 1. 4)電力劃分為包括純凝煤電機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)煤電機(jī)組在內(nèi)的煤電、燃?xì)獍l(fā)電和 包括水電、風(fēng)電、核電、太陽能發(fā)電與生物質(zhì)能發(fā)電在內(nèi)的可再生能源電力，按照供應(yīng)來源 各類電力產(chǎn)品進(jìn)一步分為本地所產(chǎn)電力及外受電力；
[0018] 1. 5)熱力包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱、燃煤鍋爐供熱、燃?xì)忮仩t供熱、熱栗地暖等供熱 技術(shù)，主要考慮本地供應(yīng)量；
[0019] 綜上，本發(fā)明中城市能源系統(tǒng)中考慮褐煤、煙煤、無煙煤、汽油、柴油、煤油、液化石 油氣、液化天然氣、電力、熱力共10種能源載體類型。
[0020] 在步驟2)中，所述的確定優(yōu)化變量的方法為：
[0021] 根據(jù)步驟1)中確定的褐煤、煙煤、無煙煤、汽油、柴油、煤油、液化石油氣、液化天 然氣、電力、熱力共10種能源載體類型，界定城市能源供需優(yōu)化方法的優(yōu)化變量如下：
[0022] a. 1)包括煤炭、石油、天然氣在內(nèi)的化石能源優(yōu)化量：
[0023] 各品種化石能源在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的本地供應(yīng)優(yōu)化量N;
[0024] 各品種化石能源在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的調(diào)入本地優(yōu)化量/MS:,VweN;
[0025] 各品種化石能源在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的調(diào)入本地優(yōu)化量N;
[0026] 其中N=[褐煤，煙煤，無煙煤，汽油，柴油，煤油，液化石油氣，液化天然 氣]，表示化石能源類型集合；
[0027] a. 2)電力優(yōu)化量：
[0028] 各類型發(fā)電技術(shù)在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的本地發(fā)電K;
[0029] 城市外受電力優(yōu)化量頂Et;
[0030] 城市外送電力優(yōu)化量EXEt;
[0031] 本地各類型發(fā)電技術(shù)在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的新增容量K;
[0032] 本地各類型發(fā)電技術(shù)在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的發(fā)電量K;
[0033]其中K =[煤電，燃?xì)獍l(fā)電，水電，風(fēng)電，核電，生物質(zhì)能發(fā)電，太陽能發(fā)電]， 表示發(fā)電技術(shù)類型集合；
[0034] 為考慮可再生能源對能源供需結(jié)構(gòu)的影響，將各規(guī)劃期內(nèi)的本地發(fā)電總量進(jìn)一步 劃分為煤電本地發(fā)電總量、燃?xì)獍l(fā)電本地發(fā)電總量GSf和可再生能源發(fā)電技術(shù)的 本地發(fā)電總量，且
[0035]a. 3)熱力供應(yīng)優(yōu)化量：
[0036] 各類型供熱技術(shù)在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的本地供熱量「；
[0037] 各類型供熱技術(shù)在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的新增容量胃Γ。.
[0038] 其中Γ=[熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱，燃煤鍋爐供熱，燃?xì)忮仩t供熱，熱栗地暖供熱]， 表示供熱技術(shù)類型集合。
[0039] 在步驟2)中，所述的計(jì)算能源成本的方法為：
[0040] 能源供應(yīng)、能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境成本構(gòu)成城市能源系統(tǒng)總成本；各項(xiàng)成本具體計(jì)算方 法如下：
[0041] b. 1)能源供應(yīng)成本
[0042] 能源供應(yīng)成本是能源生產(chǎn)量、調(diào)入量和調(diào)出量與相應(yīng)的成本或價(jià)格的乘積的總 和，包括各類能源的生產(chǎn)、加工與運(yùn)輸成本：
[0043]
[0044]其中：
[0045] Csup為能源供應(yīng)成本；
[0046] PLSn, t為t時(shí)期本地生產(chǎn)能源η的價(jià)格；
[0047] PISn,t為t時(shí)期調(diào)入本地能源η的價(jià)格；
[0048]PESn, t為t時(shí)期調(diào)出本地能源i的價(jià)格；
[0049]LSn,t為t時(shí)期能源η的本地生產(chǎn)量；
[0050]MSn,t為t時(shí)期能源η的調(diào)入本地量；
[0051]EXSn,t為t時(shí)期能源η的調(diào)出本地量；
[0052] PIE$ t時(shí)期外受電力的價(jià)格；
[0053]ΡΕΕΛ t時(shí)期調(diào)出本地電力的價(jià)格；
[0054] 頂t時(shí)期的外受電量；
[0055] EXEtS t時(shí)期調(diào)出本地的電量；
[0056] b. 2)能源轉(zhuǎn)換成本
[0057] 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)主要是指發(fā)電技術(shù)和供熱技術(shù)，成本包括已建及新建機(jī)組或設(shè)備的 運(yùn)行成本、新投建機(jī)組或設(shè)備的投資成本兩部分：
[0058]
[0059]其中：
[0060] ctMn為能源轉(zhuǎn)換成本；
[0061] CGkit為t時(shí)期內(nèi)本地發(fā)電技術(shù)k的運(yùn)行成本，不包括燃料成本；
[0062] GSkit為t時(shí)期內(nèi)本地發(fā)電技術(shù)k的發(fā)電量，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組僅考慮其發(fā)電部分；
[0063] NGki t為t時(shí)期內(nèi)本地發(fā)電技術(shù)k的新增容量；
[0064] 為t時(shí)期內(nèi)本地發(fā)電技術(shù)k新增容量的單位投資成本；
[0065] (?t為t時(shí)期內(nèi)本地供熱技術(shù)1的運(yùn)行成本，不包括燃料成本；
[0066] HSUt為t時(shí)期內(nèi)本地供熱技術(shù)1的供熱量；
[0067] NHUt為t時(shí)期內(nèi)本地供熱技術(shù)1的新增容量；
[0068] 為t時(shí)期內(nèi)本地供熱技術(shù)i新增容量的單位投資成本；
[0069] GSkit為t時(shí)期本地各類型發(fā)電技術(shù)在各個(gè)規(guī)劃期內(nèi)的發(fā)電量；
[0070]b. 3)環(huán)境成本
[0071] 本方法中，主要考慮各類火電機(jī)組的環(huán)境成本，包括環(huán)境治理成本與環(huán)境損失成 本；環(huán)境治理成本指為避免或控制污染物對環(huán)境造成的影響或?yàn)榱藴p少污染物排放而投入 的技術(shù)、設(shè)備及管理的單位成本；環(huán)境損失成本指電廠因?yàn)榕欧诺奈廴疚锵蛴嘘P(guān)部門繳納 的排污費(fèi)、碳稅等費(fèi)用；同時(shí)，本方法也考慮政府對于機(jī)組進(jìn)行污染減排給予的補(bǔ)貼費(fèi)用；
[0072] II.
[0073]其中：
[0074] Cenv為環(huán)境成本；
[0075] X ki t (u)為t時(shí)期發(fā)電技術(shù)k的污染物u排放系數(shù)；
[0076] X ut(u)為t時(shí)期供熱技術(shù)1的污染物u排放系數(shù)；
[0077]CEPt t(u)為t時(shí)期發(fā)電技術(shù)k的污染物u的環(huán)境治理成本；
[0078]CEPU t(u)為t時(shí)期供熱技術(shù)k的污染物u的環(huán)境治理成本；
[0079]GBtt為t時(shí)期發(fā)電技術(shù)k實(shí)施環(huán)保所獲政府補(bǔ)貼；
[0080]GB