一种低碳化的电源电网优化规划的方法技术

本发明专利技术涉及一种低碳化的电源电网优化规划方法，该方法包括：将每个区域中的各类电源容量均分为本地容量和外送容量两类，在等值网络中建立区域间点对点的直送线路，以明确区域间电量的流动以及碳排放的转移，便于用电碳排放的计量；建立低碳化电源电网优化模型的决策变量，以此构建由目标函数及约束条件组成的低碳化电源电网优化模型，将优化模型中的约束条件转换为可用矩阵计算形式；通过制求解程序，对所述低碳化电源电网优化模型进行求解，求得电力系统中各类电源及输电线路的低碳化的电源电网优化规划，使得电力系统在低碳发展模式下具有最优的经济效益。本发明专利技术为提高电力系统规划的低碳化水平提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种低碳化的电源电网优化规划的方法
本专利技术属于电力系统优化分析
，特别涉及电源电网优化规划方法。
技术介绍
随着能源问题与气候变化问题日益凸出，实现低碳发展、减少化石能源的过度消耗逐渐成为人类社会的共同目标。低碳发展的核心是技术创新、制度创新和发展观的改变，这将涉及生产模式、生活方式、价值观念的重新调整，与国家权益密切相关。电力行业作为我国基础性的能源部门，同时也是二氧化碳排放量最大的行业。至2011年，我国全社会碳排放量突破80亿吨，人均CO2排放也已经超过了全球的平均水平，同时电力行业碳排放量突破40亿吨，占全国碳排放量的比例从2006年的37％上升至50％。电力行业无论在排放总量上还是在排放发展趋势下，均面临着国际上巨大的政治与舆论压力。电力系统具有“碳锁定”效应，即由于发电、输电等设备较长的服役年限，使得电力系统的碳排放状况在很长一段时间之内将被“锁定”。因此，做好低碳化规划工作，对于实现电力系统的低碳发展具有极其重要的意义。电力系统规划包括电源规划与电网规划两个层面，是电力系统发展的一项重要的前期工作，电力系统规划的根本目的是根据对某一区域在某一时期内负荷预测的结果，寻求一个最经济的电力发展方案，使之够满足运行可靠性的要求。现有的电力系统规划方法未能充分计及电力系统的碳排放及其相应的经济成本，不能完全满足低碳经济形势下电力系统的发展需求。针对我国低碳发展目标，碳排放计量方法的不同也将对电力行业的规划带来影响。不同碳排放计算口径对区域电力碳排放的统计差异接近50％，这对低碳发展目标完成情况的核算将产生巨大的影响。由于电能属于清洁的二次能源，在使用过程中并不产生碳排放，传统基于宏观统计法的碳排放计算在核算诸如单位GDP碳排放强度下降的低碳目标时将对电能输出地区不公平，同时难以调动能源输入省份节能减排工作的积极性。由此，迫切需要实现碳排放计量从发电环节向用电环节的转变，而这种转变也将为面向低碳目标的电源电网规划带来新的挑战。基于消费侧的碳排放计量的核心思想是将发电环节的碳排放分摊至用电环节，从用户侧实现电力消费对应碳排放的计量。已有的考虑基于消费侧的碳排放计量角度和用电碳排放约束的跨区域电力传输模型均以平均发电(或用电)碳排放强度作为外送电力流的碳排放密度。此种分析方法忽略了能源基地外送电能的实际情况，难以考虑多区域互联网络中不同区域间的双边电量合约。当电源结构和区域间联络线均未完全确定时，基于用电环节的碳排放计量口径将为电力系统规划问题带来新的变化。在多个区域间均存在电量交换，存在各自用电碳排放约束时，让整个系统以总成本最低的方式进行电源电网的扩展，将是低碳电源电网优化规划所要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对低碳经济下的电力系统发展需求，提出一种低碳化的电源电网优化规划方法。本专利技术提出的一种低碳化的电源电网优化规划方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1)构建由目标函数及约束条件组成的低碳化电源电网优化模型，具体包括：1-1)将每个区域中的各类电源容量均分为两大类，一类是本地容量，用于平衡本地负荷的容量；另一类为外送容量，用于供应其它区域负荷的容量；在等值网络中建立区域间点对点的直送线路，以明确区域间电量的流动以及碳排放的转移，便于用电碳排放的计量；1-2)建立低碳化电源电网优化模型的决策变量该模型以年作为决策时间单位，模型中的决策变量主要包括以下三类：第一类为表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，脚标中a与b均表示区域；当a与b表示同一区域，如为本地容量时，表明该类机组新增容量用于平衡区域a本地负荷；当a与b表示不同区域时，表明该类机组新增容量用于平衡区域b的负荷，为外送容量；第二类为表示第y年区域a向区域b间送电通道的新增容量。第三类为为第y年，典型日d中时段t下，区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的出力；1-3)建立低碳化电源电网优化模型目标函数：式(1)中，与分别表示系统在第y年的总投资建设成本、固定运行成本、可变运行成本和区域间联络线建设成本，表示碳交易成本；Y表示所有待规划年份，r代表通货膨胀率；1-3-1)总建设投资成本如式(2)所示：模型对采用等年值分解的形式，将各类电厂的投资成本按折现率平摊到电厂的服役年限中，并忽略电源在规划期后的残值。此外，模型默认固定区域中各类电厂的单位容量投资成本为定值，故式中不再有脚标b；其中A表示模型中各子区域的集合，U表示待规划电源种类的集合；1-3-2)固定运行成本式中，Pu,y,a和表示第y年区域a中第u类电源的可用容量和单位容量固定运行成本。可用容量Pu,y,a由下式表示：式中，Pu,y,a,b表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，有：式(5)中，Pu,0,a,b表示规划期初区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的已有容量，表示该类电源在第i个规划年中的退役容量；1-3-3)区域间联络线建设成本由式(6)表示：式中，和表示第y年从区域a至区域b送电通道的新建容量和单位容量建设成本，B表示可选的送电通道的集合；1-3-4)可变运行成本可变运行成本为系统发电成本，可由式(7)表示：式中，表示第y年区域a中第u类电源的单位发电成本，D为电力系统所有典型运行方式下的日集合，TD为电力系统在典型日D中的时段集合，ΔT为时段持续时长；1-3-5)碳排放交易成本具体表示为：其中Ey,a表示区域a中第y年的用电碳排放量，表示区域a中第y年的用电碳排放配额，πy.a表示区域a中第y年单位碳排放配额的价格；Ey,a可由下式表示：式中，eu,b表示送端区域b中第u类机组的碳势；1-4)建立低碳化电源电网优化规划模型的约束条件，具体包括：1-4-1)电源年发电量约束该约束为对各类电源，其年发电量约束等效于其年发电利用小时数不得超过其年最高可利用小时数Tu,y,amax，也不可低于一定的年最低利用小时Tu,y,amin，因此有：式中，Nt和Nd分别代表典型时段t在典型日d中的数量和典型日d在第y年中的数量；1-4-2)分区电力供需约束该约束为电力系统每年各类电源的总容量应与该年系统负荷需求保持平衡，同时，各区域中用于平衡本地负荷的电源容量与其他区域对该区域的送入容量之和应不小于该区域的最大负荷，后者是前者的充分条件，即：式中，Pu,y,b,a表示规划初期区域b中为区域a负荷供电的第u类电源的已有容量，Py,amax为第y年区域a的最大预测负荷；1-4-3)区域电源最大可开发容量约束该约束为各区域的火电发电所消耗的一次能源消耗量之和不得超过一次能源最大可供给量，对区域a，有：式中，fu,y,a表示区域a中火电厂单位发电量的能耗，Un则表示所有以一次能源n作为能量输入的电厂集合，Fy,n,a表示该类一次能源n在区域a中的最大供应量；对于风电、水电的约束，应限制其逐年的最大可开发容量，该限制取决于资源的年可开发容量，或者电源设备制造业的最大产量，即有：式中，Pu,y,amax表示区域a中第u类电源截至第y年的最大可开发容量，Pu,0,a则表示在规划初始该类电源的在役装机容量；1-4-4)区域间电量合约约束该约束可表现为区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的电量不少于合约电量；即：式中，为从区域a到区域b的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低碳化的电源电网优化规划的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)构建由目标函数及约束条件组成的低碳化电源电网优化模型，具体包括：1‑1)将每个区域中的各类电源容量均分为两大类，一类是本地容量，用于平衡本地负荷的容量；另一类为外送容量，用于供应其它区域负荷的容量；在等值网络中建立区域间点对点的直送线路，以明确区域间电量的流动以及碳排放的转移，便于用电碳排放的计量；1‑2)建立低碳化电源电网优化模型的决策变量该模型以年作为决策时间单位，模型中的决策变量主要包括以下三类：第一类为表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，脚标中a与b均表示区域；当a与b表示同一区域，如为本地容量时，表明该类机组新增容量用于平衡区域a本地负荷；当a与b表示不同区域时，表明该类机组新增容量用于平衡区域b的负荷，为外送容量；第二类为表示第y年区域a向区域b间送电通道的新增容量。第三类为为第y年，典型日d中时段t下，区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的出力；1‑3)建立低碳化电源电网优化模型目标函数：minC=Σy∈Y(1+r)-y·[CyI+CyO+CyG+CyT+CyE]---(1)]]>式(1)中，与分别表示系统在第y年的总投资建设成本、固定运行成本、可变运行成本和区域间联络线建设成本，表示碳交易成本；Y表示所有待规划年份，r代表通货膨胀率；1‑3‑1)总建设投资成本如式(2)所示：CyI=Σa∈AΣb∈AΣu∈UPu,y,a,bN·cu,y,aI---(2)]]>模型对采用等年值分解的形式，将各类电厂的投资成本按折现率平摊到电厂的服役年限中，并忽略电源在规划期后的残值。此外，模型默认固定区域中各类电厂的单位容量投资成本为定值，故式中不再有脚标b；其中A表示模型中各子区域的集合，U表示待规划电源种类的集合；1‑3‑2)固定运行成本CyO=Σa∈AΣu∈UPu,y,a·cu,y,aO---(3)]]>式中，Pu,y,a和表示第y年区域a中第u类电源的可用容量和单位容量固定运行成本。可用容量Pu,y,a由下式表示：Pu,y,a=Σb∈APu,y,a,b---(4)]]>式中，Pu,y,a,b表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，有：Pu,y,a,b=Pu,0,a,b+Σi=1yPu,i,a,bI-Σi=1yPu,i,a,bD---(5)]]>式(5)中，Pu,0,a,b表示规划期初区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的已有容量，表示该类电源在第i个规划年中的退役容量；1‑3‑3)区域间联络线建设成本由式(6)表示：CyT=Σ(a,b)∈BP(a,b),yI·c(a,b)I---(6)]]>式中，和表示第y年从区域a至区域b送电通道的新建容量和单位容量建设成本，B表示可选的送电通道的集合；1‑3‑4)可变运行成本可变运行成本为系统发电成本，可由式(7)表示：CyG=Σd∈DΣt∈TDΣa∈AΣb∈AΣu∈UPu,y,a,bd,t·cu,y,aG·ΔT---(7)]]>式中，表示第y年区域a中第u类电源的单位发电成本，D为电力系统所有典型运行方式下的日集合，TD为电力系统在典型日D中的时段集合，ΔT为时段持续时长；1‑3‑5)碳排放交易成本具体表示为：CyE=Σa∈Aπy,a·(Ey,a-Eacap)---(8)]]>其中Ey,a表示区域a中第y年的用电碳排放量，表示区域a中第y年的用电碳排放配额，πy.a表示区域a中第y年单位碳排放配额的价格；Ey,a可由下式表示：Ey,a=Σd∈DΣt∈TDΣb∈AΣu∈UPu,y,b,ad,t·eu,b·ΔT---(9)]]>式中，eu,b表示送端区域b中第u类机组的碳势；1‑4)建立低碳化电源电网优化规划模型的约束条件，具体包括：1‑4‑1)电源年发电量约束该约束为对各类电源，其年发电量约束等效于其年发电利用小时数不得超过其年最高可利用小时数Tu,y...

【技术特征摘要】
1.一种低碳化的电源电网优化规划的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)构建由目标函数及约束条件组成的低碳化电源电网优化模型，具体包括：1-1)将每个区域中的各类电源容量均分为两大类，一类是本地容量，用于平衡本地负荷的容量；另一类为外送容量，用于供应其它区域负荷的容量；在等值网络中建立区域间点对点的直送线路，以明确区域间电量的流动以及碳排放的转移，便于用电碳排放的计量；1-2)建立低碳化电源电网优化模型的决策变量该模型以年作为决策时间单位，模型中的决策变量主要包括以下三类：第一类为表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，脚标中a与b均表示区域；当a与b表示同一区域，如为本地容量时，表明该类电源新增容量用于平衡区域a本地负荷；当a与b表示不同区域时，表明该类电源新增容量用于平衡区域b的负荷，为外送容量；第二类为表示第y年区域a向区域b间送电通道的新增容量；第三类为为第y年，典型日d中时段t下，区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的出力；1-3)建立低碳化电源电网优化模型目标函数：式(1)中，与分别表示系统在第y年的总投资建设成本、固定运行成本、可变运行成本和区域间联络线建设成本，表示碳交易成本；Y表示所有待规划年份，r代表通货膨胀率；1-3-1)总建设投资成本如式(2)所示：模型对采用等年值分解的形式，将各类电厂的投资成本按折现率平摊到电厂的服役年限中，并忽略电源在规划期后的残值；此外，模型默认固定区域中各类电厂的单位容量投资成本为定值，故式中不再有脚标b；其中A表示模型中各子区域的集合，U表示待规划电源种类的集合；1-3-2)固定运行成本式中，Pu,y,a和表示第y年区域a中第u类电源的可用容量和单位容量固定运行成本；可用容量Pu,y,a由下式表示：式中，Pu,y,a,b表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，有：式(5)中，Pu,0,a,b表示规划期初区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的已有容量，表示该类电源在第i个规划年中的退役容量；1-3-3)区域间联络线建设成本由式(6)表示：式中，和表示第y年从区域a至区域b送电通道的新建容量和单位容量建设成本，B表示可选的送电通道的集合；1-3-4)可变运行成本可变运行成本为系统发电成本，可由式(7)表示：式中，表示第y年区域a中第u类电源的单位发电成本，D为电力系统所有典型运行方式下的日集合，TD为电力系统在典型日D中的时段集合，ΔT为时段持续时长；1-3-5)碳排放交易成本具体表示为：其中Ey,a表示区域a中第y年的用电碳排放量，表示区域a中第y年的用电碳排放配额，πy.a表示区域a中第y年单位碳排放配额的价格；Ey,a可由下式表示：式中，eu,b表示送端区域b中第u类机组的碳势；1-4)建立低碳化电源电网优化规划模型的约束条件，具体包括：1-4-1)电源年发电量约束该约束为对各类电源，其年发电量约束等效于其年发电利用小时数不得超过其年最高可利用小时数Tu,y,amax，也不可低于一定的年最低利用小时Tu,y,amin，因此有：式中，Nt和Nd分别代表典型时段t在典型日d中的数量和典型日d在第y年中的数量；1-4-2)分区电力供需约束该约束为电力系统每年各类电源的总容量应与该年系统负荷需求保持平衡，同时，各区域中用于平衡本地负荷的电源容量与其他区域对该区域的送入容量之和应不小于该区域的最大负荷，后者是前者的充分条件，即：式中，Pu,y,b,a表示规划初期区域b中为区域a负荷供电的第u类电源的已有容量，Py,amax为第y年区域a的最大预测负荷；1-4-3)区域电源最大可开发容量约束该约束为各区域的火电发电所消耗的一次能源消耗量之和不得超过一次能源最大可供给量，对区域a，有：式中，fu,y,a表示区域a中火电厂单位发电量的能耗，Un则表示所有以一次能源n作为能量输入的电厂集合，Fy,n,a表示该类一次能源n在区域a中的最大供应量；对于风电、水电的约束，应限制其逐年的最大可开发容量，该限制取决于资源的年可开发容量，或者电源设备制造业的最大产量，即有：式中，Pu,...

【专利技术属性】
技术研发人员：康重庆，周天睿，孙彦龙，韩丰，李晖，肖晋宇，罗金山，路畅，江峰青，郭明星，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网上海市电力公司，国网北京经济技术研究院，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11