（环境工程专业论文）基于不确定性的区域电力——环境系统规划研究.pdf

华北电力大学硕士论文 摘要 在我国经济迅猛发展的今天，电力行业得到了空前的发展。但另一方面也引发了大量 的环境问题，如燃煤电厂在发电过程中产生的二氧化硫、烟尘、氮氧化物以及废水、灰渣 和其它有害物质会对环境和人体健康造成重大危害。在这种情况下，电力一环境系统规划就 显得尤为迫切。电力一环境系统是在满足电力供需平衡的基础上，力求提高能源利用效率和 电能利用效率，以实现节能减排和环境保护的目标。为实现上述目标，各地区都积极采取 有力措施作为寻求电力一经济一环境以及社会可持续发展的重要举措，如优化电力结构、充 分利用新能源及可再生能源发电等。电力一环境系统规划要求电力必须与能源资源、经济、 环境等要素协调发展，在考虑电力资源与经济发展、能源资源、环境承载力等影响因素的 基础上，辨析电力一环境复杂系统，寻求电力与经济、环境和能源协调发展的规律，从而对 影响电力结构优化的各个要素进行协调控制。本研究从环境经济和系统工程角度将电力系 统与环境保护及与之相关的社会经济要素相结合，将电力系统环境保护和整个电力工业的 发展作为整体研究，在对电力一环境系统复杂性进行辨识的基础上，开发了区间信誉机会约 束模型并用于区域电力一环境系统管理；依靠灰色预测理论和不确定性优化理论，构建了基 于灰色电力需求预测的电力一环境系统规划模型并用于北京市电力一环境系统管理。通过对 模型求解，分析了在不同的温室气体减排约束下的区域电力一环境系统变化，提出了在保障 温室气体减排的前提下，维持电力一环境系统成本最小化的电力供应方案。结果表明，在考 虑温室气体减排情景下，温室气体及污染物排放受到限制，可再生能源发电技术有很大的 发展，而系统总费用却增大，这种趋势在规划后期变得尤为明显。模型所得结果有助于决策 者在不确定性条件下识别最优的电力供应方案、发电设备扩容方案和温室气体减排方案， 为区域电力一环境系统规划提供有益的决策支持和参考借鉴。 关键词：电力一环境系统；不确定性；区间规划；信誉机会约束；灰色理论；温室气体减排 华北电力大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft 1 1 ee c o n o m i c ，e l e c t r i c i 毋i n d u s t r yh a v er a p i d l yd e v e l o p e di no u r c o u n t a n dc a u s e das e r i e so fe n v 沛m e n t a lp r o b l e m s f o re x 锄p l e ，s u l 凡rd i o x i d e ，d u s t ， n i 旬r o g e no x i d e s ，w a s t ew a t e r ，w a s t ea s ha n do t h e rh a z a r d o u sm a t e r i a ld i s c h a 唱e df o mt h e r m a l p o w e rp l a n t ，i sh a n n m lo nt h ee n v i r o m e n t a la n dh u m a nh e a l t h u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ， e l e c t r i c i t y - e n v i r o l l l i l e n ts y s t e m ( e e s ) p l a r m i n gi sd e s i r e dt or e d u c et h o s ep r o b l e m s i no r d e rt o m e e tm er i s i n ge l e c t r i cd e m a l l d ，i m p r o v ee n e 唱yu t i l i z a t i o ne m c i e n c y a n da c h i e v et h eg o a lo f e n e r g ys a v i n ga n de i i l i s s i o nr e d u c t i o n ，l o c a la u t h o r i t i e sa n dr e g u l a t o r ya g e n c i e sh a v et o s e e k c o m p r e h e n s i v es t r a t e g i e sf o re e sp l a i l l l i n g a n dm a n a g e m e n t ，s u c ha so p t i m i z i n gt h ep o w e r s u p p l ys n u c t u r ea n dt a l ( i n g 向uu t i l i z a t i o no ft h er e n e w a b l ee n e r g y e e sp l a i l i l i n gr e q u e s t s 1 e h 锄1 0 n i o u sd e v e l o p m e n t 锄o n gt h ee l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n ，e n e 唱yr e s o u r c e s ，e c o n o m i ca n d e n v i r 0 1 1 r i l e n t t h ed e c i s i o n - m a k e r sw o u l da n a l y s i st h ec o m p l e xo ft h ee l e c t r i c i t y - e n v i r o l u n e m s y s t e m ，a n dc o n s i d e r 也ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，e n e 略ya n de n v i r o n m e n tc a h y i n gc a p a c i t i e s ， a n ds c i e n c et e c l 1 0 l o g i e sl e v e l st os e e kt h er e g u l a rp a t t e mo ft h ee c o n o m i c - e n e r g y e n v i r o n m e n t a l h a n n o l l i o u sd e v e i o p m e n ta n do p t i m i z et h ep o w e rs u p p l ys t n l c t u r e o nm eb a s i so fa n a l y s i sm e c o m p l e x i t yo fe l e c t r i c i t y _ e n v i r o n m e n ts y s t e ma n dt h ev i e wo fe n v i r o 】m e n te c o n o m i ca n ds y s t e m e n g i n e e r i n g ，a ni n t e a lc r e d i b i l i t yc h a n c e c o n s t r a i n e dp r o g r 锄m i n gm o d e lw a sd e v e l o p e da i l d 印p l i e di ne e sm a n a g e m e n t b e s i d e s ，a ni n e x a c te l e c t r i c i t y e n v i r o m e n ts y s t e mm o d e lb a s e do n g r e yp r e d i c t i o na i l do p t i i i l i z a t i o nt h e o 呵w a sa l s op r o v i d e di nu l l c e r t a i n t y ，ac a s eo fb e i j i i l gi s s t u d i e dt oi l l u s t r a t e dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm o d e l s t l l r o u g hs o l v i n gt h em o d e l s ， c o m p a r a t i v ea m l y s i s a r ep r o v i d e db e t w e e nt h es c e n a r i o sw i t h ( o rw i t h o u t ) g h g - e m i s s i o n r e d u c d o nc o n s t r a i n t s ，r e s p e c t i v e l y e 1 e c t r i cs u p p l ys c h e m e sw e r eo b t a i n e dw i t hm i n i m i z e d s y s t e mc o s tb a s e do nt h eg h g - e m i s s i o nr e d u c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e n e w a b l ee n e 玛y g e n e r a t i o nt e c l l i l o l o g yw o u l dd e v e l o pr a p i d l ya n dg h g a 1 1 dp o l l u t 舭te m i s s i o nw o u i dr e d u c ei na c e r t a i ne x t e n tw h e nc o n s i d e r i n gg h g e m i s s i o nr e d u c t i o nc o n s t r a i n t s ，h o w e v e r ，t h et o t a ls y s t e m c o s tw o u l di n c r e a s e ，t h i st r e n di se v i d e n to v e rt h ep l a n l l i n gp e r i o d s t h er e s u l t sa r eu s e 凡lf o r h e l p i n gd e c i s i o n m a k e r si d e n t i f ym ed e s i r e d e l e c t r i c p o w e rg e n e r a t i o np a t t e m s ，c 印a c i t y e x p a l l s i o ns c h e m e sa 1 1 dg h g e m i s s i o nr e d u c t i o nu n d e rc o m p l e xu n c e r t a i l l t i e s k e y w o r d ：e l e c t r i c i t y - e n v i r o m e n ts y s t e m ，u n c e r t a i n 吼 i i l t e a lp r o 铲猢i n g ， c r e d i b i l i t y c h a i l c e - c o n s t r a i n e dp r o 黟a l i l i i l i n g ，g r e yt h e o g h g - e m i s s i o nr e d u c t i o n 华北电力大学硕士论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章引言 电力行业作为我国经济发展的支柱产业，在社会主义现代化建设过程中起着关键性作 用。近2 0 年来，我国g d p 与电力需求均保持着高增长的态势，电力供需形势已从“略有 剩余”变为“总体平衡”，再到“总体偏紧”，用电量猛增与国内经济高速增长和已激活的 居民用电市场直接相关，这也充分显示了我国经济增长的势头【l 】。然而，电力行业在为我 国经济发展做出巨大贡献的同时，也随之对生态环境造成了很大的压力，特别是燃煤电厂 所排放的烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳以及废水、灰渣等物质对环境和人体健康 造成了重大危害。目前，我国约8 0 的用电量是由火电厂提供的，尤其是燃煤电厂。据相 关资料，到2 0 2 0 年，我国煤电装机容量将达到6 亿千瓦以上，按照l 千瓦煤电需燃烧3 吨原煤计算，一年需要消耗1 8 亿吨以上的原煤【2 1 。如果对这1 8 亿吨原煤在利用过程中产 生的烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳以及废水、灰渣等物质处理不当，后果可想而 知；另一方面，与发达国家相比，我国电力工业的环境效益较低，据测算，我国单位发电 量二氧化硫排放量要比发达国家高出2 倍左右，烟尘排放高出2 4 倍【妯】。 一直以来，我国发电厂的发电成本预算一般只包括建厂成本，燃料成本及运行维护管 理费用等，并不包括环境成本，从而造成部分发电电源的环境价值被无偿占有，不仅抑制 了清洁能源的发展，而且使得污染比较严重的发电电源过度发展，加重了环境污染。将环 境成本作为发电成本的一部分，一方面可以将环境保护与发电企业自身的经济效益挂钩， 从而促使发电企业自觉地去承担污染物减排任务；另一方面，为了降低环境成本，发电运 营商将不得不进行技术改进，从而使投资者更加倾向于环境成本低的发电电源项目，这也 进一步激励了清洁能源发电“绿色电力”的发展【_ 7 1 。因此，从电力工业可持续发展的角度 出发，将环境成本内部化，按照社会成本( 生产成本+ 环境成本) 来进行电力一环境系统 规划具有重要意义。 我国电力环境保护规划虽已纳入电力发展规划中，但目前的电力一环境系统规划主要是 在传统电力发展规划基础上进行局部调整，缺乏明确的规划目标和有效的规划手段【8 】，并 未系统性地将环境保护与电力发展作为一个综合的整体有机结合起来。因此，从环境经济 和系统工程角度将电力系统环境保护和与之相关的电力系统各方面相结合，研究电力系统 环境保护和整个电力工业的可持续发展就成为了确保区域经济一环境可持续发展的关键。然 而，电力一环境系统包括原材料采购、资源配置、发电规划、生产运行、污染物排放控制等 华北电力大字缺士论文 多个复杂环节，是一个涉及政治、经济、环境、工程、管理等各方面的复杂巨系统。这些 固有的复杂性将直接或间接地导致电力一环境系统大量的不确定信息的存在，如随着社会经 济的不断发展，电力行业自身结构和规模必然随之发生改变，这种动态性可造成与电力相 关的经济环境要素之间的不确定性相应一反馈关系。因此，在确保满足区域日益增长的电力 需求的条件下，采取能够有效地处理系统复杂性的优化方法，开展基于不确定性的区域电 力一环境系统规划是十分必要的。 1 2 电力系统环境保护的复杂性辨识 作为社会重要能源的电力，其特性是电能不能储存，从生产、流通到消费同时进行， 而且生产和消费必须随时保持等量的平衡。由于电能的上述特性，发电、送电和消费过程 必须以统一的系统进行，该统一系统即为电力系统。电力系统作为一个复杂的大型系统， 具有维数高、目标多、约束复杂等难点 9 】，而电力一环境系统规划作为电力系统管理的一个 子系统也是十分复杂的，贯穿于电力工业从资源配置、发电规划到生产运行的整个过程， 时间、空间跨度大，带来了各种社会经济和环境要素的不确定性，这些不确定信息自始自 终伴随着社会经济的发展，并与其它特征一起共同构成了电力一环境系统的复杂性。把握和 反应这些复杂性既是电力一环境系统规划所必需的，同时也是解决我国区域电力结构调整、 电力资源优化配置、可再生能源开发、污染物排放控制、温室气体减排等一系列问题的关 键。 电力一环境系统本身包括原材料采购、资源配置、发电规划、生产运行、污染物排放控 制、发电设备扩容等环节。系统各部分之间既可以相互依存( 如电力生产与电力资源的开 采、运输和加工) ，也能够相互影响( 如电力生产过程产生的污染物以多种形式排放到大气 环境中，导致环境质量下降，引发多种风险如环境风险、人体健康风险和区域生态风险等； 另一方面环境污染和气候的变化又反过来影响各种电力资源的开发、利用、转换和消耗) 或者相互竞争( 如化石燃料和可再生能源的竞争) ，系统之间的不确定性将直接或间接影响 工业的运行以及整个区域电力一环境系统的稳定性，从而直接或间接地影响区域的可持续发 展【1 0 】。另一方面，电力一环境系统与诸多经济、环境、法规和政策等因素相联系，存在大 量的不确定性。如电力系统结构、规模以及特征将随时空的变化而发生改变，具有不确定 性；未来电力需求、技术性能和成本、技术的更新和进步等亦存在显著的不确定性；系统 各种行为的输入、输出也含有大量的不确定性；经济结构调整、产业政策的导向、市场经 济变化也会导致电力系统的不确定性。这些不确定性在电力一环境系统管理决策过程中主要 体现在以下几个方面：( 1 ) 系统的输入参数往往具有随机、模糊、区间等不确定性，甚至 存在多种不确定性同时出现的复杂情形；( 2 ) 系统结构和关系也存在不确定性。例如，随 华北电力大学硕士论文 着社会经济不断发展，电力行业自身结构和规模必然随之发生变化，这种动态性可造成与 电力系统相关的环境系统要素之问的不确定性相应一反馈关系。因此，采取有效的不确定性 优化方法来进行电力一环境系统规划就显得尤为重要。 1 3 本问题的提出 2 0 0 2 年，我国发布了关于印发电力体制改革方案的通知( 国发【2 0 0 2 】5 号) ，正 式启动了电力产业的市场化改革。改革的总体目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率， 降低成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管 下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。另外，改革还要有利于 促进电力工业的发展，有利于提高供电的安全可靠性，有利于改善对环境的影响，满足全 社会不断增长的电力需求【1 1 1 。改革方案的发布再次将电力系统与环境保护结合起来，对促 进电力一环境系统规划的发展具有重要的指导意义。 电力一环境系统规划的主要内容在于经济与电力的协调以及电力与环境的协调两大部 分，一方面，经济发展需要大量的电力做支撑，电力发展必须适应国民经济和社会发展对 电力消费的需要；另一方面，以煤为主的能源结构决定了我国电力的发展势必会带来大规 模的污染物排放。在保证经济发展对电力需求的同时严格控制电力行业环境污染成为区域 电力环境系统规划以及区域可持续发展的关键所在。 目前所开发的很多电力系统规划模型很少考虑到区域电力环境系统的复杂性，经济 电力一环境的协调性，以及电力需求的动态波动性的影响。同时，在电力发展规划和环境保 护规划以及温室气体减排方面，大多数主要是针对单一问题开展研究，在区域电力一环境系 统规划中，难以反映电力系统与环境系统的互动耦合关系，缺乏反映电力发展与环境保护 相互作用的不确定性优化方法的研究与应用，不能有效地在时间上和空间上充分考虑整个 系统的不确定性因素以及它们之问的互动响应关系，从而不能兼顾多方面的需求和利益， 给出合理有效的决策方案。因此，结合不确定性优化方法，开展基于不确定性的区域电力 环境系统规划研究，对区域电力一环境系统发展以及区域可持续发展都具有重要意义。 1 4 本论文的结构 本论文着眼于应用不确定性优化方法，开发基于复杂和不确定性的区域电力一环境系统 规划模型，从而为区域电力一环境系统综合管理提供决策支持依据。论文的结构安排如下： 第一章引言详细地论述了我国现阶段电力系统规划中存在的问题，提出基于环境保护 的电力系统规划研究的必要性，并分析电力一环境系统规划中存在的复杂性和不确定性，阐 述了本论文的研究背景及研究意义。 3 华北电力大学硕士论文 第二章综述了国内外电力一环境系统规划的研究现状以及相关的电力需求预测研究概 况。 第三章运用区间信誉机会约束规划方法，建立基于污染物排放控制及温室气体减排的 区域电力一环境系统规划模型，通过对模型的求解，获得了不同情景下的区域电力一环境系 统规划方案，为区域电力一环境系统综合管理提供决策依据。 第四章以北京市为例，开展了区域电力系统中长期负荷预测的灰色动态模型研究，在 预测结果的基础上，结合不确定性优化方法建立基于环境污染控制和温室气体减排的北京 市电力一环境系统优化模型。获得了基于电力供需平衡、电力结构优化、环境污染控制、可 再生能源发展的区域电力一环境系统最优化方案。 第五章总结了本文的主要研究成果和创新之处，并对未来研究提出展望。 4 华北电力大学硕士论文 第二章文献综述 2 1 电力环境系统规划研究 目前国内外有关电力一环境系统的研究侧重点各有不同，这与各国在政治、经济、资源、 环境及科技发展等方面所面临的问题有所差异有关【l2 1 。同时，现有研究大部分都基于电力 一环境系统的复杂性，综合考虑电力供需状况、电力负荷变化状况、电能利用效率、燃料来 源和价格、运输条件、环境承载力水平、政府调控措施、经济发展水平、科技发展水平以 及各种技术经济指标的选定等因素，开展区域发电电源规划【l3 1 。目前所提出的研究方法大 体上可分为基于传统优化算法理论和基于博弈论的规划理论两大类。 2 1 1 基于传统优化算法的电力一环境系统规划 该方法的基本思路为以电力一环境系统总投资费用最小化为目标，将电力一环境系统规 划表示为一个优化问题，并用传统的优化算法进行求解。与传统的电力系统该规划所不同 的是：( 1 ) 在系统总费用中增加了对污染物外部费用的考虑；( 2 ) 在满足电力供应需求和 各种技术约束的同时，增加在各个规划期内系统各种污染物排放总量限制的考虑。该方法 的缺点是难以有效地处理电力一环境系统中存在的各种不确定性问题。p a r k 【1 4 j 和s r i v a s t a v a 【l5 】在建立数学模型时，将环境污染和能源消耗转化为经济成本，与投资费用和运行维护管 理费用共同构成规划的目标函数，通过使系统总费用现值最小，寻求整个规划期内发电设 备的最优扩容方案。t u l es i r i l 【i t p u t t i s a k 等【l6 】建立了一个混合整数非线性规划模型对安大略 进行多时期的能源系统优化，考虑燃料价格的波动、能源平衡的弹性、燃料替代以及温室 气体减排目标等；z a l 【l 【o u r 等【1 1 7 】以英国为例，研究了能源系统特别是发电厂对于区域水环 境的影响，并对其影响的种类、成因、预防措施、治理策略等问题进行了全面分析；a m a 1 a s h w a l 【l8 】研究了也门农村地区可再生能源开发利用的潜力，指出通过在农村地区大力开 发利用可再生能源，特别是生物质能源不但可以为农村地区的经济发展提供稳定的能源供 应，还可以有效减少各种环境污染，促进国家整体可持续发展战略的实施；周凤起等【1 9 j 以 整个电力系统总费用最小为目标函数，建立了一个包含发电成本、电力资源运输成本、电 力输送成本、环境成本在内的e f o m e n v 模型，从电厂所用燃料、发电效率和环境保护 措施等方面对火电技术进行了分析，通过与水电、核电以及风电等清洁能源对比，指出了 电力行业今后的发展方向；陈金富等【2 0 】在对实际系统进行测试的基础上，结合独立发电运 营商和污染物排放控制等情况，构建了一个基于电力市场环境下的电源规划模型，并验证 了模型的可行性和有效性；黄东风【2 l 】以系统总费用最小化为优化目标，并综合考虑了资源 华北电力大学硕士论文 的可获得性和污染物排放控制等条件，以浙江电力系统为例，构建了一个s s a g e 动态 线性规划模型，通过对模型的求解，获得了基于三种不同的电力发展情景下的电力供应方 案，并分析了电力结构的相应变化和二氧化硫排放总量控制要求，提出了新能源及可再生 能源的发展对优化电力结构和污染物排放控制的影响作用；曾鸣等【2 2 】从综合资源规划的角 度，构建了一个电力综合资源规划模型，综合考虑了碳税政策和碳排放约束，并假定在总 排放目标值不变的情况下，分析了不同碳税税率情景下的电力供应方案，研究表明随着碳 税税率的升高，在满足系统可靠性约束的基础上，系统总装机容量和发电量逐渐降低，最 终使二氧化碳排放也趋于降低，减排效果明显。 2 1 2 基于博弈论的电力一环境系统规划 博弈论又名研究决策主体博弈论( g 锄et h e o 呦，是研究决策主体的行为发生直接相互 作用时候的决策以及这种决策的均衡问题 2 3 2 4 1 ，它与常规的优化决策理论的不同之处在 于：( 1 ) 博弈论中参与者在利益上有冲突；( 2 ) 参与者要各自做优化决策，并企图使个人 的利益最大化；( 3 ) 每个人的决策和他人有相互作用；( 4 ) 参与者均为理性的。在电力 环境系统规划中，要对电力工业环境污染进行治理必然会增加电力系统总费用，要进行电 力环境保护发展新能源及可再生能源也必然会增加电力系统总费用，而要发展电力系统并 降低系统总费用就不得不以牺牲环境为代价，以环境保护为目标进行电力系统分析会阻碍 电力经济的发展，而以电力经济发展为目标进行电力系统规划会给环境保护带来压力。电 力环境系统博弈论有助于决策者在电力经济发展与环境保护之间做出权衡决策。任玉珑等 【2 5 】根据博弈论的基本原理，构建了电力行业发展与污染物排放控制的博弈模型，结合经济 学原理，通过对模型决策的分析，得出环境问题产生的根源在于环境资源的过度使用和供 给的不足，并提出了防止电力行业环境污染的相应政策和建议，为加强电力行业环境保护 管理提供了参考依据；刘瑞禹等【2 6 】结合我国发电企业节能减排过程中各参与方的行为特 点，以保证电厂投资人最低利润及发电量平衡为约束，以全厂煤耗量最小为目标，从合理 分配投资人利润的角度，设计了适合于厂内节能减排的发电交易机制，引入补贴分享系数， 在利润、煤耗率和发电权交易报价之间建立联系，给出了厂内发电权交易报价的合理范围。 迟元英等【2 7 】在碳排放交易下构建了发电权交易优化模型，给出了发电运营商增量利润的分 配模型，通过与不考虑碳交易下的置换情况进行对比，分析发现考虑碳交易的置换能显著 提高置换效率，并能提高发电运营商参与发电权置换的积极性。 2 1 3 电力需求预测的研究 电力需求预测的实质就是利用以往的数据资料找出变化的规律，从而对未来需求的变 化及状态做出预测。国外电力需求预测的研究始于2 0 世纪中期，至今，一些相关的理论和 6 华北电力大学硕士论文 方法已经较为成熟，综合起来主要有三种类型：经典预测方法、传统预测方法和现代预测 方法。 经典预测方法包括分产业产值单耗法、电力弹性系数法、分区负荷密度法、分类负荷 预测法和人均电量指标预测法；传统预测方法有趋势分析法、回归分析法和时间序列法； 现代预测方法包括灰色系统理论、专家系统方法、神经网络理论、模糊预测理论和小波预 测。在进行电力需求预测时，如果仅以某种简单的函数关系去反映电力需求与其影响因素 之间的关系，会使得到的预测结果与实际偏离较远，如果建立复杂模型，又由于各自模型 本身含有不定因素而导致存在大小不同的误差。所以通常很难找到一种通用的预测方法来 提高电力需求预测精度，国内外学者一直致力于这方面的研究，如：b a u w e n s 等【2 副( 1 9 9 4 ) 使用贝叶斯方法预测终端电力需求，预测结果具有一定的使用价值；j u l i a n 等【2 州( 1 9 9 7 ) 通过引入经济和季节因素，利用校正和误差修正模型对美国居民电力需求进行了短期预测； m o h a m d 等【3 0 】( 2 0 0 3 ) 利用多元线性回归模型对新西兰2 0 0 0 一2 0 1 5 年的电力需求量进行了 预测，模型中考虑了国民生产总值、电价和人口等因素，并将模型预测结果与d 模型、 c a e 模型和改进的l o g i s t i c 模型的预测结果相比较，验证了多元线性回归模型在电力需求 预测方面的适用性；a z a d e h 等【3 l 】( 2 0 0 6 ) 利用人工神经网络( a n n ) 模型对能源需求波 动较大的产业进行了电力需求预测分析，结果表明电力需求预测效果很好；p a o 【3 2 】( 2 0 0 6 ) 利用线性和非线性模型包括人工神经网络方法，在研究了台湾地区国民收入、人口、国民 生产总值和居民消费指数对电力消费影响的基础上，建立了一个经济电力消费预测模型， 并对台湾地区电力需求进行预测，得出了一些有意义的结论。 我国学者也采用了多种方法预测了电力需求量，如：周宏等 3 3 】( 2 0 0 0 ) 运用灰色模型， 针对三种产业不同的特点，对电力需求进行了中长期预测；陈莉等【3 4 】( 2 0 0 3 ) 将层次分析 法和改进灰色关联法相结合，对影响电力消费的因素进行了评价分析：王国霞等【3 5 j ( 2 0 0 5 ) 通过对电力消费的社会经济因素进行灰色关联分析，并以山西省为例，探讨了电力需求与 国民经济发展水平及工业发展的相关关系，利用g m ( 1 ，1 ) 预测模型预测了山西省2 0 0 3 2 0 2 0 年的电力需求量，预测结果精度较高，反映出山西省实际的发展趋势；姚李孝等【3 6 j ( 2 0 0 5 ) 运用模糊聚类分析与b p 网络的短期负荷预测方法，对西安地区的电力需求进行了分析预 测；王鹏飞【3 7 】( 2 0 0 5 ) 利用多元线性回归模型，以中国g d p 的增长率和人口的自然增长 率为影响因素，预测了中国1 8 年的电力需求量；蔡火娣等【3 8 】( 2 0 0 8 ) 通过探讨影响我国 电力消费量的八个主要因素，运用多元回归的方法预测了我国未来电力需求量；温月振等 【3 9 】( 2 0 0 8 ) 统计分析和实证分析了石家庄电力消费弹性系数的变化机制，对未来1 0 年电 力弹性系数进行了预测；黄锦等【4 0 】( 2 0 0 9 ) 通过北京经济技术开发区负荷与用电量现状和 需求分析预测两个方面进行统计和研究，采用以远景电量的负荷为饱和值，依据历史数据 华北电力大学坝士论文 外推的方法得到了开发区近期年各类负荷预测结果；刘丽香等【4 l 】( 2 0 1 0 ) 建立了人口、经 济、环境、电力消费模型，并进行了仿真及检验，并以北京市为例通过模拟得到了北京市 用电量、用电结构、电力消费等指标；牛彦涛等【4 2 】( 2 0 1 1 ) 基于电力需求与经济社会发展 的密切关系，提出以人口、经济发展、经济结构变化以及城镇化率因素分解方式建立了电 需求非线性预测模型，并针对可能存在的历史数据残缺及具有误差的情况引入了g a r c h 模型进行误差校正。 2 2 本章小结 综上所述，国内外学者在电力环境系统规划管理理论和实践方面已做了大量的研究与 探索性工作，但仍存在很多不足之处： ( 1 ) 电力一环境系统优化模型或以成本最小为目标，或以环境最优为基础，或以电力 供需平衡为条件进行研究，仅考虑经济、环境、电力的某一个方面，这样就存在着很大的 片面性。将电力一环境系统作为一个完整、复杂的系统，综合考虑电力供需平衡、电力资源 供应、供电安全保证和环境承载力等相关因素的协调发展的模型还很少。 ( 2 ) 有关电力一环境系统规划模型的研究主要是在传统的模型上进行改性，对电力环 境系统中存在的不确定性很难进行有效地处理，电力环境系统的输入参数往往具有随机、 模糊、区间等不确定性，甚至存在多种不确定性同时出现的复杂情形。针对这种情况，许 多研究者开发了一系列的优化技术用来处理规划中参数的不确定性问题，主要包括：区间 规划、模糊规划和随机规划方法。如l i n 和h u a n g 【4 3 】开发了一个区间参数能源系统规划模 型。在该模型中，系统参数的波动范围表现为区间数；p e r e i r a 和p i n t o m j 提出了一个随机 优化方法，通过在整个规划期的不同阶段赋予一系列输入给定的概率，用于不确定性条件 下梯级水库发电规划问题，很好地解决了系统存在的随机不确定性参数；c a ie ta 1 【4 5 j 建立 了模糊随机区间规划模型，并应用于长期的区域能源规划管理中，用来解决系统中参数出 现模糊不确定的情况；“e ta l 【4 6 】开发了一个区间模糊随机优化模型，并应用于耦合温室气 体排放的能源规划系统中，用来解决系统中参数同时出现区间、随机和模糊不确定性的复 杂情形。然而，这些优化技术方法很少被用于电力环境系统中来处理参数的不确定性信息。 ( 3 ) 电力需求预测是电力环境系统规划的基础，预测的电力需求量偏高，会造成新 建及扩建大量的发电设备，不仅浪费了资源，也增加了系统的成本；预测的电力需求量偏 低，会导致电量供不应求，不得不进行区域限电，这也会给工业及其它行业带来严重的经 济损失；只有准确的电力需求量预测才能给电力环境系统规划模型提供准确的输入，从而 保证得到准确的电力资源供应方案及发电设备扩容方案。虽然目前有关电力需求预测的研 华北电力大学硕士论文 究很多，并已经拥有了相当成熟的理论体系方法，但很少有研究将电力需求预测模型引入 到电力环境系统规划中去，并作为系统的精确输入对整个电力环境系统进行规划。 因此，依靠多种不确定性优化技术方法，开发基于电力需求预测的区域电力一环境系统 规划模型，并将区域电力一环境系统作为一个整体，综合考虑电力供需平衡、电力资源供应、 电力供应安全保障和环境承载力等相关因素，从而为区域电力一环境系统规划管理提供决策 依据，具有重要的理论和现实意义。 9 华北电力大学硕士论文 第三章区间信誉机会约束方法在区域电力环境系统规划中 的应用 3 1 概述 合理有效的电力一环境系统规划对电力事业和人类活动起着越来越重要的作用【4 h9 | 。几 十年来，电力需求的上升，日益严重的环境健康问题，和资源的可用性萎缩已经促使地方 当局和监管机构去寻求全面的战略进行电力一环境系统规划。然而，这种全面的电力一环境 系统规划却经常是复杂的，因为一系列的经济，技术，环境和政治因素将会给规划工作带 来大量的不确定性 5 0 - 5 4 1 。如电力需求会随着经济形势及居民、商业和工业活动而发生变化； 发电设施的运行成本也会在一定范围内波动【55 ，5 6 】。为了能在电力一环境系统规划中反映这 些不确定性，本研究引入了不确定性系统优化方法。如区间线性规划【5 7 击，随机数学规划 【6 2 - 6 8 1 和模糊线性规划【6 9 - 7 2 1 。 此前，已有许多不确定性优化方法被提出并被应用在能源系统规划和管理中。如l i n 和h u a n g 【4 3 】提出了一个区间参数整数规划模型用于能源系统规划中，该模型只利用了参数 的边界信息，不要求知道参数的分布信息，对数据的要求不高。然而，区间参数模型的最 大缺点是它不允许系统约束有任何的违反，并且当模型约束中右侧参数为高度不确定时， 模型就很难处理不确定性且可能会导致现实世界决策制定问题中有用信息的丢失【73 | 。为了 解决这个问题，l i ue ta 1 【7 4 】建立了一个不确定性机会约束混合整数模型来研究常规能源的 规划和管理问题。该模型能够在不确定性条件下将有限的常规能源在规划期内进行最佳配 置并以此获得系统最大收益。c a ie ta l 4 5 将区间线性规划和机会约束规划引入到区域能源模 型中。模型结果提供了一个最经济有效的能源配置方式和扩容计划方案，该方案是在系统 费用、稳定性和能源供应安全的权衡中得到的。 然而，在现实的管理问题中，模型约束中右侧参数经常会出现模糊性【67 1 。为了解决此 类问题，学者们提出了融合模糊参数的机会约束规划模型。该模型的特点是在常规模型的 基础上引入了一系列预定义的模糊约束满意度的置信水平。此前，模糊参数机会约束已有 大量应用，如h u a i l g 【7 5 】在模糊条件下讨论了一个涉及资本预算的问题，并提出了两种类型 的模糊机会约束模型。i 沁n g 和l a l l d e l m a 【7 6 】提出了一个模糊信誉机会约束模型用于钢铁生 产过程中废料产生的优化问题。然而，在电力一环境系统规划方面，模糊信誉机会约束模型 却很少被用到，因为模糊信誉机会约束模型可能会由于缺少数据或数据获取困难问题而导 致很难获得参数的模糊分布信息，这在区域电力一环境系统规划中是经常发生的。因此，使 1 0 华北电力大字坝士论文 用多种理论来表述这些不确定性信息就显得尤为迫切7 7 1 。本研究将区间线性规划引入到模 糊信誉机会约束规划中，提出了一个区间信誉机会约束规划模型并用于区域环境一电力系统 规划中。模型可以处理区间形式的不确定性以及约束右侧参数模糊形式的不确定性。此外， 模型系统约束可以在一定的置信水平下违反，从而在决策者可接受的违背风险下得到最低 系统费用的方案。 3 2 方法概述 3 2 1 区间线性规划 区间线性规划是由h u a n ge ta 1 在1 9 9 2 年于固体废物管理系统中提出的用于处理系统 中表现为区间数的不确定性优化方法 7 8 】。一般形式如下： 目标函数： m a ) 【i 血z e 厂1 = c 2 x 2 约束条件： 么x 2 曰1 x 土o 其中， x 2 吼土) “7 ，彳+ 孵) ”，b 2 吼2 ) ”“，c 2 吼2 ) 胁，孵2 合。x + 为区间数，我们令x 一和z + 分别代表x 1 的上、下界。 ( 3 - 1 a ) ( 3 1 b ) ( 3 1 c ) 表示不确定数的集 贝ox + = 工一，x + = f x i 石一f x + ( 3 2 ) 依照h u a i l ge ta 1 1 9 9 2 年提出的交互式两步算法可对模型( 3 1 ) 进行求解。首先，对 于x ， 娜雄：装三 俘3 ， 同时， 则 ( 3 4 ) 0 o 一 x x 当当 一 一 ，、【 = 士 x 华北电力大学硕士论文 和 ( 3 5 a ) ( 3 5 b ) 在目标函数的，z 个不确定系数亏 = 1 ，2 ，聆) 中，假设其中有幻个正数，也个负 数，令前七，个系数为正，即弓o u 2 1 ，2 ，幻) ，后岛个系数为负，即c ； 一 一 x x 当当 ， 一 ，f【 = + x j a6孓k 芍一勺 。却 ， + 一一， c 岛爿 = 一 ， 口m v ，b r 可信程度的测算值。为可能性和必然性取值的平均值7 2 1 ，即为： c r 善r ) = - 圭( p 。s 孝， + n e c 孝厂) ) ( 3 1 1 ) 假设模糊变量孝是由三元数组( 互，f ，f ) 所决定，并且羔 f 丁，隶属函数为： ( 3 1 2 ) ) ) a b 0 0li 一 - 3 3l g g 赢 厂 r w墨胁m m 砌 、j、j f f 一 一卜一f ，l，l 、j、， f 一厂 一 一厂一f 0 l，l ，、 = 、， r ，l 1 华北电力大学硕士论文 从以上的定义中，可以得出可能性，必然性和可信程度取值如下： 0 1 r 羔 p o s 扫 = 等i 哪冈 l l i f f 0i f 厂 n e c 扫) = 若m 娜丁 【1 i f ，丁 f o 一 圹r ! 矧2 喜篆；2 ( f 一! ) 。 h矿厂； ( 3 1 3 a ) ( 3 1 3 b ) ( 3 1 3 c ) 用j r 来代替_ ，则约束( 3 9 a ) 可表示如下： ，= l o s ，珀= l ，m ) 名， ( 3 - 1 4 ) 通常情况下，一个显著性的可信水平应该大于0 5 。因此，基于可信度的定义，对于每 一个1 辟，丑o 5 ： 丝= 垒二墨见 2 ( 包一垒) ( 3 1 5 ) 其中， 6 ，是约束右侧模糊参数，隶属函数为，取值决定于三元数组( 色，6 f ，瓦) ， 且垒 匆 瓦。 因此，模型可以转化为如下形式： 目标函数： 1 4 华北电力大学硕士论文 m a x i m i z e 勺乃 ，= l 约束条件： 以口_ 包+ ( 1 2 五) ( 包一鱼i ) ，= l x ，0 ， 3 2 3 区间信誉机会约束规划模型 ( 3 1 6 ) 区间规划可以处理系统中表现为区间数的不确定性信息，而信誉机会约束规划可以处 理模型约束右侧表现为模糊参数的不确定性信息。因此，将信誉机会约束规划方法与区间 规划方法结合形成的区间信誉机会约束规划既能处理区间数的不确定性信息又能处理约束 右侧表现为模糊参数的不确定性信息，其一般形式可表达如下： 目标函数： m 嫡i i l i z e y c x ( 3 1 8 ) jjj ，= l 约束条件： 剪芎包+ ( 1 2 零) ( 包一包) ，= l 砖o ，助 3 3 区域电力环境系统规划模型的建立 ( 3 一1 9 a ) ( 3 1 9 b ) 电力系统发电环境保护综合规划与传统的电力规划一样要遵循系统最小费用原则。与 传统发电规划相比，发电环保综合规划中增加了对环境排放限制、环境外部费用的考虑； 在满足电力供应需求和各种技术约束的同时，增加在各个规划期内系统各种污染物排放总 量限制，在系统总费用中增加对污染物外部费用，即将原总费用目标中增加系统所排放污 染物的外部费用作为新的总费用目标，在投资、运行费的计数中增加对污染控制措施的考 虑。 电力系统环境保护综合规划的数学表达可以表示为：在满足各种约束条件下( 系统电 ) ) a b 7 7 i1 一 - 3 3 ll 华北电