第7章能源系统模型

第7章能源系统模型7.系统分析概论7.1.1系统与模型如果把真实世界的一部分称为一个系统则一个系统是一个三元组可记为（7-1其中一个状态事物为用来确定这一部分真实世界所处的状态的事物，一个环境事物为真实世界的其他部分中能对本部分产生影响的事物，一个关系为状态事物与状态事物之间的联系，或为状态事物与环境事物之间的联系。如果将状态看作环境的函数，则一个系统可记为：（7-2）如果将状态看作输出量，环境看作输入量，则一个系统可记为(7-3)如果能分别用状态变量和环境变量来度量状态事物和环境事物能用数学语言把关系集合表达出来，则这个系统的数学模型（简称模型）就能被建立起来。与式(7-1)，(7-2)和(7-3)相对应，一个模型可记为：（）或或

（）（7-6）这里状态应理解为状态变量空间中的一点境应理解为环境变量空间中的一点求解一个模型经常是指在环境变量值给定的情况下寻找使关系式集合成立的状态变量的值。所以求解模型是对系统运动的模拟。由上面的叙述可知们把一个模型看成一个系统在数学意义上的无条件等价物。但实际上，一个模型是只能是一个系统的可算的近似。可算性是指模型是可解的且模型的用户付得起和愿意付求解模型所花费的代价。近似性是指，由于真实系统通常是非常复杂的，所以模型不可能在完全精确的意义上对系统进行模拟。一个模型的精度高，必然复杂，可算性也就差，反之亦然。好的模型是能满足给定精度要求的具有良好可算性的模型。word档可自由复制编辑

7.1.2系统、模型与决策一个决策过程涉及两个系统，策者系统和被决策系统他们之间的关系可以用图7-1表示。决策者系统决策界面被决策系统客观环境

状态图-1真决策过程在这里被决策系统的环境被分成两部分，一部分是主观环境，即决策者系统作出的决策，另一部分是客观环境。从图7-1可以看出，决策者做出决策，一是要估计客观环境的变化，二要预测被决策系统未来状态，即被决策系统对客观环境和决策的响应。面对复杂的社会经济系统，需要进行模型模拟，在真实系统“等价物”模型上进行数学实验随着当代计算机技术的应用和发展模型模拟方法几乎已成为支持决策者的主要决策手段7-2所示的模拟决策过程是图-1所表示的模拟决策过程是真实决策过程的“等价物”。决策者系统决策界面被决策系统模型客观环境

状态图-2模拟决策过程7.1.3系统分析与决策支持系统模拟决策过程通常又被称为系统分析。由7.2可知，要使系统分析过程得以进行，需要先实现决策者系统、被决策系统模型和两者之间的界面。决策者通过界面使用模型，来预测被决策系统的未来，价他将做出的决策和寻求满意的决策。所以界面与模型二者作为一个整体被称为决策支持系统。决策者系统是完全不可模型化的系统，只有决策者本人才能充当决策者系word档可自由复制编辑

统，其他人无法替代他。7.1.4定预测由系统模型定义的函数——状态(环境)，代表着系统的运动规律，其中自变量环境和因变量状态分别是两个高维空间中的点向径)解这个函数对决策者是至关重要的。通常写不出这个函数的解析表达式，而只能以函数表的形式表达这个函数。原则上这个表由一些点对组成：每一个环境点被称为一个想定，每一个点对被称为一个想定预测。初级决策支持系统是这样工作的：决策者设计出需计算的多种想定，并将其交给系统分析工作者，后者完成想定观测，将其交给前者这种对话要进行多次。高级决策支持系统是这样工作的：从一个想定到下一个想定，决策者可按自己的偏好进行搜索。每一个想定预测回答了一个如下的条件预测问题：而不是一个如下的无条件预测问题：实际上，对于一个社会经济系统来说，不存在无条件预测问题。7.1.5不确定性真实世界存在着随机性和模糊性两类不确定性率数学与模糊数学分别是对它们的定量描述。社会经济系统的未来状态存在着极大的不确定性。由图-1可知，未来状态的不确定性来自环境(包括客观环境和决策)不确定性和系统内在机制的不确定性比较图7-1和图7-2可知预测的未来状态的不确定性还来自模型对系统的近似性和计算误差的积累。由于预测的状态的不确定性的存在系统分析方法对决策的支持不能理解为保证决策不失误，而应正确理解为减小决策失误的概率。7.1.6敏感性分析估计由环境的不确定性引入预测状态中的不确定性，被称之为敏感性分析。由（7-5态作为环境的函数在线性近似之下和word档可自由复制编辑

有，,j=

i

（7-7）,j境

ij环境

（7-8）,j状态i状态ji,j环境i境状态状态ij环境j

（）（7-10）j其中j和——分别环境j的对性和相对不确定性；环境i,j和

i,j状态i

——分别为由环境的不确定性引入的状态i的绝对和相对不确定性。

—状环的绝对相对敏感（偏导数环境

ij

—状态环的绝对相对敏感；—状i环相对—绝对敏感i；状i环j—状i环相对—相对敏感i（弹性系数状i若敏感度ij相对大，则称状态i对环境j是敏感的；若敏感度i，j对小，则称状态i环境j是不敏感的。若至一个状态变量对环境j是敏感的，则称系统对环境j是敏感的，环境j称为敏感变量；若所有状态变量对环境j都是不敏感的，则称系统对环境j是不敏感的，环境j称为不敏感变量。若所有环境j(jN)到足以使式(7.成立，则态i

j

ij

否则Δ状态i(i∈M)或由状态(环境函数表插值得出由直接解模型得出。word档可自由复制编辑

7.2电力系统规划模型（一）电力规划的内容电力工业规划包括4个最基本的内容力负荷预测，电源扩展规划、输电网扩展规划和配电网扩展规划。电力系统负荷预测包括电力需求预测(即对最大需求功率进行预测)量需求预测(即对电能需求量的预测)和电力负荷曲线预测(对需求功率大小随时间变化的规律进行预测)。首先，电能可以由许多种初级或次级能源得到其次电力储存非常困难并且成本极高使得电力生产必须随时按负荷变化而调整再次，电力生产设备的使用寿命很长。电力生产的特点使得新的发供电设备的投入不仅长期影响电力系统的未来结构及生产情况，也会改变系统中原有设备的运行方式。电源扩展规划所要研究解决的问题就是要根据具体地区的系统现状荷特点、资源和运输条件等，确定出为了满足未来负荷的持续增长和保证可靠供电，应该在什么时间什么地点建设什么类型的发电机组及适当的容量并使得这一决策与诸多的电源扩展可行方案相比具有最好的经济性在进行各方案的经济性比较时，目前最常用的是最小费用法。电源扩展方案的总费用包括系统中全部发电设备的总的固定成本(费)和总的可变成本(费用)两部分。由于每个扩展方案有着不同的投资项目不同的投资和投产时间各投资项目的经济寿命不同，资金的经济价值随时间也在不断变化，因此进行总费用的运算和比较时须将不同年份发生的各种费用折算至同等可比的基础之上一般折算为某一基准年的贴现值进行发电扩展方案的动态经济比较—即对整个规划期内逐年的费用比较时更多地采用最小现值费用法—即应用最小费用的思想，对电力扩展方案在整个规划期的逐年费用的贴现值进行比较的方法。7.2.1电力负荷曲线电力负荷随时间变化的曲线称为电力负荷曲线将一天中电力负荷随时间变化的情况用曲线描示出来，就可得到日负荷曲线，见。把每日的负荷曲线依次连接在一起，就可得到周、季、年的负荷曲线。负荷曲线在各种重复周期内的变电情况反映出系统的负荷特性同的电力word档可自由复制编辑

负荷特性定了电力系统中各种发电设备容量的不同的合理配置方式和发电量的不同分配方式。图7.3(a)和(b)分别表示同一典型日的负荷曲线和持续负荷曲线，两条曲线下的面积相同，表示同样的电量，但更直观地表示出了当负荷大于等于某一值时所持续的时间由日周季年负荷曲线便可转换成相应的日周季、年持续负荷曲线。在电力系统规划时，常用的持续负荷曲线是周、月(季)、年持续负荷曲线。负荷Kw0

时间/h0（）图-3典型日负荷曲线

时间/h(b)在做电力规划时，还常常用到另一种负荷曲线，叫做持续负荷曲线或累积负荷曲线。持续负荷曲线不是按负荷随时间的变化，而是按负荷大小纵坐标)及其持续的时间(横坐标)的顺序排列做成的。7.2.2ScreenCurve法ScreenCurve法是一种最简单最直观的电力扩展规划方法这种方法由于不能对系统中发电设备间的复杂的技术经济关系进行详细描述难以用于对电力扩展方案进行动态经济比较因此在进行实际电力系统规划计算时早已被其它的方法所取代但是这种方法以其简单和直观在定性地判断用其它方法所得到的电源扩展规划结果是否正确时常常还是很有用的。假定发电机组的可变运行费用与其发电量(利用小时)成线性关系。发电量与利用小时存在如下的关系：

i

iCPiword档可自由复制编辑

式——系统中i台发电机组的年利用小时数；iQ——系统中i台发电机组的年发电量；i——系统中i台发电机组容量；i则各台发电机组的年费用表示如下：iiii式中——单位千瓦的i台类，发电机的年总成本；i——单位千瓦的i台类，发电机组的年固定成本；ivci类发电机组每发1度电的可变成本。i如果以费用为纵坐标，以每8760为横坐标，把电力系统中各种不同发电机组的年费用曲线画在同一图上可得到类似于图4(a)的曲线族(在图7.4中，i=1，2。每条年费用曲与纵轴的交点处的数值表示年固定成本费用的i大，曲线的斜率表示每发1度电的(单位)可变成。在图中，由年费ii用曲线的交点可以确定tt，显然，当机组的年利时，第类机组的年总费12用最小。当年利用小时数大且小t时，第2类机组的年总费用最小，而当12年利用小时数小t时，则第1类机组最经济。1如果在年费用曲线下面给出系统的年持续负荷曲线可以很容易地确定出在该年度各种不同类型的发电机组的最经济(最佳)的装机容CP如图7.4(i所示用各类机组的最佳装机容量减去该类机组已有的装机容量便可得出各类机组在该年度的最佳扩展容量。费用元/kw(a)word档可自由复制编辑

08760图7-4典型机组年费用曲线及装机容量曲线7.2.3电源规划数学模型的投资部分为了对电源扩展方案在整个规划期的动态总费用进行比较仅要对规划期内的投资费用进行计算而且需要计算出规划期内系统逐年的运行费用当系统很大，各种电站间的替代关系很多以及它们在系统内部相互作用的关系很复杂时，就必须借助于计算机和电源规划数学模型。以最小现值费用方法所描述的电力系统电源规划数学模型的一般形式可以表述为：当采用不同的优化技术(方法)对电源规划问题计算时述模型的具体型式将有所不同。电力生产的总费用可以分为与容量有关的固定成本和与发电量有关的可变成本两部分，这样就可以将总费用函数f(X，表示为：通常把由word档可自由复制编辑

JttttJtttt描述的部分叫做电源规划的投资决策子问题。把由描述的部分叫做电源规划的生产模拟子问题。电源扩展规划有不同的模型有不同形式的模型各种模型在优化技术上对于生产模拟子问题的描述差别很大，但对于投资决策子问题的描述则基本相同。电源规划模型的min(t)FC'(j)(jt)j,t)IXj)(jt(jtjtt

(jt)—内生变量，第j个电厂在第年的新增容量，t=0时，X(j，表示第j电厂在规划起始年的已有容量，显然在第t年第j类电厂的总容量为(jt

，在线性规划模型中X(jt)取为连续变量，在混合整个规划和动态规划模型中，(jt)可以是整数变量；IX(j,t)——表式第j电厂在第t年的一次性投资。为了便于对不同年份投入的机组在一个统一的标准下进行比较，固定成本的投资部分采用等年值表示，即将机组的全部投资以每年相同的数值分摊到其正式投产至经济寿命终了的每一年内。等年值投资费用的计算公式可表示为：有些工程投资很大，而且施工周期很长，它们的投资不是一次投入，而word档可自由复制编辑

ll是分阶段投入的。对于这种工程就必须考虑它们的投资过程。相应地，等年值投资费用的计算公式为：EV(1)t

L

i(1N

N式中1为IV1如水电站、抽水蓄能电站的大坝及其它水工设施所需投资核电站的核反应堆建造投资；电厂的厂房引水管道、冷却塔建设投资等。2为IV2为了给燃煤电厂运输燃料而修建的铁路专线输煤。管道的投资；燃油电厂输油管道的投资；在修建水电厂时，为施工和运进设备所建铁路的部分或全部投资。为IV3为供给燃煤电厂燃料而建设的煤矿的投资应。在电厂投资中加以考虑。为IV4该项投资包括发电机组、变压器和电厂其它电气设备的投资。为IV5输电投资是指系统中由于扩展电源而必须扩展网络所需要的线路投资于具有长距离输电线的水电站或矿口电站，这部分投资占其总投资的比例是可观的。在以上5种类型投资中，有几种类型如，，3项投资，对每个确定的备选电站，基本上不随其装机容量而变化，我们称这类投资为备选电站的固定投资，或一次性投资；而另一部分如45项投资，将随着备选电站的装机容量增加而增加，这类投资称之为可变投资。类似地电厂的运行费用也可分为固定运行费用和可变运行费用固定运行word档可自由复制编辑

4455544555费用是与电厂所发出的电量无关的运行费用它包括各种设备的维护费用工作人员的工资、电厂的行政开资等等，在模型中，固定运行费用表示。可变运行费用是与发电量成正比的运行费用如燃料费用和水费磨损的部件的更新费用等等。这部分费用由VC表示。根据上面的分析难计算出电厂对应于固定投资部分和可变投资部分的固定成本。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，IV(j,t)(j(j),j(j)——分别表示j电厂t开始动2工建设，其土建工程投资、运输或铁路投资分摊等，以及煤矿投资分摊等；(j,t)，(j,)——分别表示j厂t开始建设，其机电设备和输电线路45的单位千瓦投资；OP(j,t(j,)—第j类电厂对应于投,IV,...,的工程在产l年1512的投资占该项总投资的比例；OP(j,t(j,)—第j类电厂t年时对应于投,...,的工程项15目的总的或单位千瓦的固定运行费用。在动态规划和线性规划等形式的电源规划模型中常需要近似地将一次性投资分摊到每单位千瓦的可变投资当中，这样就可以得到较为简单的目标函数。1word档可自由复制编辑

JttJJttJtttjt

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

式中——j电厂容量的可用系数；j

——j厂的厂用电率；

j——j厂将其功率送入电网时的平均线损率；——系统要求的备用设备容量系数；LM(t)——外生变量，系统在t年的最大负荷。该约束表示，为了保证系统在第年能够可靠供电，系统在第t年所应有的全部可用装机容量至少要等于系统在t年的最大负荷和相应的备用容量之和。2Hj,t))(j,)HP(jjtjt(1LOSSEQ(t))式中——抽水蓄能电站总数；

aj(1)(1X(jt)——系统平均网损率；(t)—外生变量，表示t年系统电量需求；H(jt)，HP(j,t)——外生变量分为第j电厂第t的发电利用小时和第j抽水蓄能电厂t的抽水利用小时数，初H(jt)，HP(j,t)为预先给定值，然后由生产模拟子问题进行修正。其最大值不得超过扣除检修、强迫停役等因素的影响后机组的最大可能利用小时数。3jt

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

式中

j

——

j厂机组的最小技术出力系数；DL(t——t系统出现的日最大峰谷差。4(7-15)式中——外生变量，j类机组由于设备制造、施工、安装等技术条件限制，t年最大可能的新增容量。word档可自由复制编辑

L(j)LL(j)L(j)5(7-16)式中——外生变量，表示j类机组在系统资源、国民经济发展总目标等条件限制下，到规划期末可能达到的最大规模。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()—外生变量，表示t年可用电源建设的总投资该约束表示系统在t年的全部电力建设的总投资不能超过在该年财政条件限制的可用于电源建设的投资总额。7除了上述主要约束条件外，个系统根据其具体情况，在进行电源规划时还需要附加若干其它的约束条件。7.2.4发电可靠性及随机生产模拟（一）电力系统可靠性生产模拟是用以计算未来系统可变运行费用的主要方式靠性是电力系统的重要指标机生产模拟方法可以在计算系统可变成本的同时给出系统的可靠性指标。在发电系统可靠性计算中一般以发电机组为基本单位并假定发电机只有两种状态，即正常运行状态(包括计划停役状态)和强迫停役状态。机组的强迫停役率通常以q示:一般发电机组的强迫停役率由统计平均值给出个发电机组的状态将确定系统的状态假定系统中发电机组的状态都是独立的系统的状态概率将等于该状态下各机组状态概率的乘积。word档可自由复制编辑

电力系统能否充分供电不仅取决于系统状况，即系统中每台发电机组的状态，也取决于系统供电负荷的大小。电力系统中的发电机组由于强迫停役等原因退出运行统就会出现容量缺额如果系统的停运容量大于系统的备用容量就必然造成部分负荷停电由发电系统电力不足所造成负荷停电时间的概率发电系统可靠性的重要指标以LOLP表示。当系统停运容量超过系统的备用容量所造成的电量供给不足，一般用ENS表示。下面给出可靠性指标L，LOLE和E的基本的计算方法和随机生产模拟的计算原理。（二）可靠性指标的计算假定在时间区间T内系统中有台可运行发电机组，每台机组的容量分别为

i

。按照每台机组单位可变发电成本可以由小到大依次确定出机组带负荷的先后顺序。如果第一台机组完全可靠，当第一台机组投入运行后，可以根据系统负荷的概率分布和机组的强迫停役率得到第一台机组在时间区间内的发电容量和发电量的期望值。实际上，第一台机组的工作不是完全可靠的，它的强迫停役率，其带1负荷能力和发电量都会小于其完全可靠时的数值从系统的角度来看第一台机组强迫停役而引起的带负荷减少可以等值为假定第一台机组完全可靠是在第一台机组投入后系统负荷产生了一个虚拟的增加量荷增量数值恰等于第一台机组强迫停役所引起的带负荷的减少量样第一台机组投入后系统负荷的等效曲线可以表示为P()L

：P()表示第一台机组投入后系统等值负荷的概率密度曲线。L由于第一台机组强迫停役所引起的出力的减少期望值

表示根据上述关系，可以的到第一台机组在时间区间内的期望发电量和可变运行成本：E

[(x)(xCP)]TpLL1

P()Lword档可自由复制编辑

iinn0iinn0nn依次每次投入一台机组，进行一次上面的卷积运算当第i台机组投入后有：i

0

[P(x)(x)]dxLjLjiiijj

j0

Li当系统中全部n台可用机组全部投入后可求出系统在时间区间的发电可靠性指标和系统总的可变成本

LOLPP()Lii(x)dxLniiTVCiiiIi（三）随机生产模拟在进行电源规划的生产模拟时，通常需要把一年分成若干个时间区间，对每个时间区段进行上面的运算，并以Yjt)表示机组j在第t年的发电量就可以得word档可自由复制编辑

到电源规划中生产模拟子问题随机模型：（）（）（）（）式7-18给出随机生产模拟的基本模型，如果考虑到机组发电成本随带负率而改变以及水电站的出力取决于不同时让的可用水量等因素还需要附加一些其它的约束。把上述生产模拟子问题式7.187.21和前面的投资问题式(7-11)—(7-17)结合起来，就可以构成完整的随机生产模拟的电源扩展规划的基本模型。7.2.5确定性生产模拟与随机生产模拟相对应的是确定性生产模拟定性生产模拟的方法也有很多种如动态规划模型线性规划模型等等在此介绍一种线性规划生产模拟方法线性规划生产模拟不仅可以和前面所介绍的投资子模型统一求解并易于和能源系统规划模型耦合，也是应用比较广泛的生产模拟方法。在线性规划生产模拟中通常需要采用阶梯形负荷曲线首先把一年分为不同的季，每季选择一个典型日用典型日的负荷曲线代表该季每天的负荷曲线。然后还需将每个典型日分为若干小的时间段每段负荷近似取为一常数从而将日负荷曲线近似为阶梯形状此基础上台机组在每个小的时段的出力(带负荷容量)和发电量及生产费用进行计算，从而得到系统的生产成本。()线性规划生产模拟的费用函数word档可自由复制编辑

KttKtty(jt)(t,s)(sk)(j,t,,k)s()约束条件1

j)(1(j,t,)(1P(j,k(s,k)jJJP该约束要求系统在任一时刻发电出力扣除厂用电和网损后的总和必须大于系统供电负荷。2(1)火、tU(jts,k)(jttU(jt,k)

jX(jt)此约束条件要求火电机组在任何时刻的发电出力都不可以大于该机组的可用容量，并且也不能小于机组的最小出力。(2)水电word档可自由复制编辑

ttKtttKt此约束表示水电机组的出力不能大于它的预想出力也不能小于它的强迫出力。(3)抽水U(jt,k)

t

jX(jt)(j,t,k)jX(j,t)t3(1)火电()Lt,s,)U(j,t,,k)HM(j)(j,t)skt(2)水电（3）抽将线性规划生产模拟与投资子问题结合在一起便可以构成线性规划生产模拟的电源规划模型，如果投资子模型也描述为线性或混合整数规划模型，就可以对整个电源规划模型统一求解。7.3农村能源系统模型我国农村地域广大，口众多，源消耗量大而供应短缺，其资源构成主要是薪柴、作物秸杆一类的生物质能源，景复杂，涉及到农业生产、生word档可自由复制编辑

态环境等多方面因素。和其它能源系统相比，农村能源系统有它的特殊性。农村能源系统概述将农村能源建设与农村经济和生态环境综合起来一起考虑，协调分析，在改善农村生态环境促进农业发展的前提下研究解决农村能源问题的途径因此在模型中不仅要考虑供能系统对能量转换和分配的优化，要考虑包括农、林、牧、副、渔在内的大农业生产结构的优化，以期使资源得到合理利用，农村经济得到发展，农民生活逐步改善。1在满足农民自身需要和完成国家征购任务的前提下如何使各业协调发展，使农村经济的收益最优。2优化过程将考虑各能作物合理的比例及其籽实和秸秆产量对系统的影响。3既要考虑满足当前对燃料的需求要顾及到作为农业生产的投入以期获取更多的生物质能源的再生量。4以便在满足各种最终用能需求的前提下，尽量降低系统的供能成本。56模型将对诸如小水电沼气池省柴灶等能源建设项目的发展规模及取舍进行统一的优化。7建造新能源设施行农田基本建设买农业机械办农副产品加工厂，役畜的繁殖和购买等均需要资金在当前资金有限的情况下应通过模型来决定优先投资的方向和资金的合理分配，以取得最大的经济效益。word档可自由复制编辑

模型的数学描述该模型亦为一静态线性规划模型，统优化的目标为①农村经济活动的净收益最大②能源系统的供能成本最低③农村生态环境的指标尽量实现它是一个多目标线性规划模型。1把土地依其适宜性(如宜粮、宜林等)分类加以考虑。对宜粮地又分成个等级，如高、中、低产田等。XLGij表示在第j等级的土地上，种植第i类作物的面积，有：2国家为一个地区每年提供的商品能源供应量都应有一个限额，要考虑这个限制条件。用XEij表示第i种商品能源到第j种最终用途的能流量。其量纲使用统一的能量单位(如万吨标准煤)来表示。用eij表示相应的能源分配和传输效率，则：3农村生活用能需求约束可记为：

'ij

Dij

j

(j1,2,...)j4如前所述，秸秆等生物质能源的再生量即供应量)与其作为能源和非能源用word档可自由复制编辑

,j,j途的分配之间有极其密切的关系，这些关系可由一系列平衡方程来表示。如：（1

i

ij

ij

XPXCFjiijXSP'ib

j1j,j（2

ij

XLGij

i

i

i

XLAiiijij

iiiXCFijkbkb

i

f

i有机肥不足不仅会影响农作物产量且会使土壤生态恶化标函数中，将其作为生态指标来考虑，使之最小化。5解决农村能源短缺问题的一个重要途径就是要发展像沼气太阳能风能word档可自由复制编辑

itit等替代能源技术模型要研究能源供应系统的合理结构选择替代能源技术的发展方向和发展速度，应该把各种替代能源技术内在的物理过程描述清楚。例如：（1i

eXE0ikikkjj

(i1,2,..,r)（2ik

X(im；)ikik（36在为农业生产提供的各项动力中应研究人所提供动力的合理比例。以农田作业为例为便于考虑农忙时工作量需求的峰值应把几个农忙季节按一定天数分成几段，分别考虑。可记为：

d

trij

tijr

tr

tr

ijXEtriirr

trt

jrjt

jr

jjjtrtjtjrjjtrtrtr

jr

jword档可自由复制编辑

7森林覆盖率的目标约束和前面有机肥平衡目标约束类似是作为生态方面的目标来考虑的为扭转当地生态环境的恶性发展当地应该有一定的森林覆盖面积，包括防护林以及各种用材林和薪炭林。这方面约束可表示为：

XLWi

ji

XLWii

j

ij

08各种农副产品的产量应满足本地区人民的需求和国家的征购指标，以粮食作物的需求为例，约束条件可写为：

ij

ij

jij

ji

DCiDCji

i1,2,...)jword档可自由复制编辑

jj

ji

——第j种禽畜对第i作物产品的需求系数；ji

——第j种副业加工对第i作物产品的需求系数；对林、牧、副、渔业生产产品的需求，亦有相类似的表示形式。9进行农田基本建设，购买农业机械，发展畜力及林、牧、副、渔业生产，发展沼气池等替代能源技术等均需要投资，但要受到在规划期内该地区所能提供总投资的数量的限制。投资额限制约束可记为：

j

j,j

jjjj4jjjj

jjjINVjj6jjikik8jjjij目标函数的选择如前所述，本模型所考虑的目标函数有3个。其中能源系统供能成本最低与农业生产活动的净产值最大两个目标函数具有相同的量纲可以将其合并在一起表示，并注意避免重复计算。对考虑生态效果的指标，其一是有机肥的施用量与需求量之间的缺口二是规划年所达到的森林覆盖面积与期望的覆盖面积之间的差额我们希望这两个量都最小化采用加权系数的办法也将其与另两个目标函数表示在一起，有：word档可自由复制编辑

7.3.3模型的参数选择（一）模型需要的参数1反映农村能源系统内部各环节的相互关系以及农业生产活动中的投入产出关系和生产要素或能量之间的组合关系。2这些参数有些反映了当地的自然条件及自然资源限制等因素些反映了当地社会经济的发展目标或决策者的意图部分参数有些可通过对当地情况的调查研究确定(如资源状况)，有些则是由系统外的环境因素所决定的，需要由其它模型计算得到。以用最终用能形式表示的农村生活用能的需求量为例需要根据农村人口发展预测民生活水平提高的设想以及对历史情况及发展趋势的分析等信息来确定。可用如下模型来进行处理：A其中为能源需求基础向量，是表示农民生活最终用能形式的特征量，不同的最终用能形式可以有不同的基础量，如照明需求的基础量可以以户为单位来表示，相应Y分量即为该地区的农户数为农村生活用能各种最终E用能形式的需求向量，均用统一能量单位表示，如千焦或万吨标煤。A为转移矩阵，它的一般形式为：A

PSi1

P2

2

...

Pnn

其中，为第i种最终用能形式单位基础量的需求系数。Si为饱和度。它i表示第i最终用途实际所满足的份额与完全满足时的数量之比。例如在规划年份只有一半的农户在冬天可以取暖么相对于农户取暖这项最终用途的饱和度为0.。由此计算出农村生活用能各种最终用能形式的需求量后，即可将其输入模型，以作为农村生活用能需求约束的外生变量。word档可自由复制编辑

3主要表现为目标函数的系数部分参数是模型赖以进行最优化计算的依据，因此它们的准确性尤为重要，对它们的确定更需做细致的工作。（二）成本效益参数举例1一般说来供能成本是随着供应量的增加而提高的这包括要开采那些比较贫瘠或质量较差的能源资源或者需要较远的运输它的供应曲线是一条向上倾斜的曲线所以供能成本不是常数而是随着供应量的变化而改变的为便于在模型中表示这个关系在此我们可以采用分段线性化技术用阶梯形函数来代替原来的供应函数。同时分段后把原来的资源视为具有不同供能成本的几种资源。可以认为第一种资源的成本Ci1

最大可获取量第二种资源的供能i成本，最大可获取量为S；第三种资源的供应成本C，最大可获ii2ii取量为然我们用3个变量分别代表3种资源的供应量，即XX。i3i2i1ii这样原来的一种资源在这里已视为3种资源，变量也由1个变为3个，相应的i资源供应约束也变为3个，即：2投资的资本回收进行农田基本建设购买农业机械建造沼气池等替代能源设施以及发展工副业等都需要进行投资这项资金在其设施的寿期内应该收回在模型的目标函数内，应该把各项投资按年度化，考虑投资的资本成本。如果我们考虑在工程开始时投入一笔资金

，在其寿命期n年内，每年等额收回一笔资金B在年利率为i的情况下正好补偿初始投资。那，有如下公式：word档可自由复制编辑

/0

ji

j=0

i(1n-1在目标函数中，对代表新增设施的变(等)，其成本系数应为jik它的投资的资本成本，这系数即应为它的投资系数乘以资本回收因子。3多年生作物效益的计算有些多年生作物，例如树木，种植后几年才会受益。在目标函数中，应将这部分收益在种植期内按年度化。如果假定是在种植后n年得到一笔收B，在年n利息率为i情况下，将其按年度化计算每年的收益B有：n(1)nj

j/n

n

(1

jjn

i(1

n

并依此来考虑该多年生作物在规划年份的收益系数。如果为获得年后的收益，每年均需付出一定成本，不管各年的成本是否相同，均可以在考虑利息n的前提下将其按年度化从而根据年度化后收益和成本的数据确定目标函数中该种作物的净收益系数。7.3.4模型的输出及分析在对模型进行求解并得到最优解后，确理解和分析所得到的结果，且用来对系统做进一步的分析是十分重要的。这种分析不仅会涉及到系统的本身，还会对与系统有关的环境因素提供分析依据，从而为进行决策提供颇为有价值的参考。（一）第一组输出量模型第一组主要的输出量是模型所有内生变量的取值即模型的最优解其中包括农村能源系统网络图中的各能流量林牧副渔各业的生产活动水平各种作物的种植比例以及各种设施机具的新增容量等这些数据即给出了在农村能源系统供能成本最低并且使农村地区净产值最大的情况下村能源系统的结构，农、林、牧、副、渔大农业的结构以及农作物种植布局等。word档可自由复制编辑

（二）第二组输出量模型第二组主要的输出量是其线性规划的最优对偶解据线性规划的对偶理论，我们知道线性规划原始问题的每个约束条件，有一个对偶变量与之相对应在一般涉及经济问题的模型中这个对偶变量都具有价格的量纲国外称之为“影子价格”，其经济意义可解释为：某个对偶变量的值相当于其相应的约束条件发生微小松驰时所引起的总目标函数值的变化率对本模型而言常用的影子价格主要有以下几组它们分别与一组约束条件相对应利用这些影子价格可进行一系列分析工作。1表示当某种资源的可利用量有微小增量时位增量所引起系统产出的增加(或成本的降低)它反映了各种资源相对短缺的程度例如相对于商品能源供应量限制约束的影子价格反映了该种商品能源对系统的边际效益这可为国家或地方政府研究农村商品能源供应政策提供参考如对应于土地可利用量约束的影子价格它反映了各种类型土地的边际效益这可为我们合理利用土地资源提供指导。2代表了某种最终需求量发生微小变化时，增加单位需求量所引起系统净产值的降低或供能成本的增加据此我们可指导对消费部门的政策例如对于生活用能方面最终用能形式的需求约束将其相应的影子价格与最终用能设施的节能措施联系起来进行评价果某项目节能措施的成本虽然大于节能的直接财务收益但是如果从影子价格的角度衡量合算的话那么该项措施的经济效益就是显著的。3反映了该项设施设备现有容量的边际效益即再增加单位该种设施或设备的容量给系统带来的收益可作为对这些设施或设备进行技术经济分析时的依据。4代表了再增加单位投资给系统带来的收益如果该项影子价格比较高即说明投资比较短缺它可为决定投资数量提供参考对应于其它类型约束的影子价格均可做出类似的经济解释但对于一些平衡方程它们主要是反映内生变量相互间的平衡关系其右端常数项为零相对于这些约束的影子价格并无重要的经济意义，我们不对它进行解释和分析。（三）第三组输出量word档可自由复制编辑

模型第三组主要的输出量是对模型中各种参数进行敏感性分析的结果对模型进行优化计算后进一步对有关参数进行敏感性分析是必要的它可以检查模型计算结果的稳定性和参数变化后对最优解的影响目标函数中某些成本系数进行敏感性分析有助于评价外界价格及成本变化时对系统的影响程度对约束右端项进行敏感性分析的结果助于进一步评价资源限制及需求约束发生变化对系统的影响程度对约束系数矩阵中某些元素进行敏感性分析由于这些系数大都反映了系统内部各部门的技术工艺特性以它有助于评价技术工艺改革的影响同时对敏感性分析中反应非常敏感的参数在进一步计算时应十分谨慎地选择它的数值。7.4

能源系统减排

CO2

技术选择模型大气中温室气体浓度迅速增加导致全球气候变化当前国际社会普遍关注的重大全球环境问题之一源消费的CO2排放是人类社会活动中最主要的温室气体排放源而能源又是社会经济赖以发展的基础因此研究未来能源消费的CO2排放趋势以及减缓CO2排放对国民经济的影响未来减缓CO2排放的成本及效果进行评价于我国制定能源境经济相协调的发展战略是十分重要的。7.4.1我国能源消费

CO2

排放与世界及发达国家比较，我国商品能源消费及相应CO2排放有如下特点：1

2

2O23GDP的商品能源消7.4.2型建立的基思路）2在保证社会经济发展和人民生活水平不断提高的前提下，未来减缓能源消费所引起排放的技术对策主要有条：212大力发展水电核能等不含碳的非化石燃料以及天然气石油等含碳率低的燃料，以替排放率高的煤炭；2word档可自由复制编辑

3促进终端用能部门的节能，提高能源的利用效率在满足相同的有用能需求前提下减少能源的消费量前两个措施针对能源系统，而第三条措施则针对终端用能需求部门。对于能源系统中各种能源开采转换及分配环节不仅考虑了现有的各种工艺技术而且考虑了未来可能发展或引进的各种新型能源开发和转换技术二者构成了能源系减排模型的基本框架。2在模型中将研究有关缓CO排放政策能源系统发展以及终端部门能源2消费等方面的如下问题：1234

2

5促以6，能源消费的7.4.3型的数学描（一）变量和脚标含义

2

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（二）约束条件121）对以最终用能表示2）对以有用能表示的word档可自由复制编辑

3）对534（1）开（2）转（3）最56(1)(2)word档可自由复制编辑

iikCOiikCOL

(t)constLt)

（外生）(i1,2,3,4；Lt前几个期DM(t)UMt)iiiL

(t)L

t)(i1,2,...,14;t4,5,...10)t——i种初级能源开采环节的服役周期；it——第种能源转换环节的服役周期。L3）新增设施容量的发7()()(iiijLt)LikLL

i'LL

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

（外生限制量）(t82排放word档可自由复制编辑

CO1(1r)nCO1(1r)ninl式

,

,

分别为相应单位能源量的排放系数9（三）目标函数目标函数为