減排約束下電力資源綜合利用優(yōu)化模型與方法研究

鐘曉紅 畢神浩 王 凱 楊 穎

1（廈門大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，廈門 361000） 2（國網(wǎng)杭州市蕭山區(qū)供電公司，杭州 311200）

引 言

電力行業(yè)以煤電為主的能源結(jié)構(gòu)決定了其高能耗、高排放的特點(diǎn)，與國際相比，我國每千瓦平均供電煤耗高于發(fā)達(dá)國家80克左右，線損率、耗水率分別高出2%～3%、40%左右，低效問題較為凸顯。而減排大趨勢下，我國作為 《巴黎協(xié)定》的締約國，對于減排有無條件守約責(zé)任，電力行業(yè)作為碳排放的 “大戶”，更是以 “碳約束”為統(tǒng)領(lǐng)，通過發(fā)展非化石能源、降低供電煤耗、線損等措施，努力尋求減排空間，并利用碳交易市場的構(gòu)建，來確定剛性的排放總量。但是，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力行業(yè)被納入全球碳排放交易市場的CO2排放量預(yù)計(jì)為35億噸，占該行業(yè)排放總量的74%，無法根本改變電力行業(yè)畸高的排放量，可見，電力行業(yè)的減排仍然任重而道遠(yuǎn)。

減排約束下，電力資源需要進(jìn)行規(guī)劃，從供應(yīng)鏈來看，高排放的源頭在于供給側(cè)電能結(jié)構(gòu)的失衡性，煤電的主體地位未改變，統(tǒng)籌利用水、風(fēng)、光等可再生電力能源，進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型是關(guān)鍵。但需求側(cè)用電結(jié)構(gòu)、方式和效率的不合理性，在大規(guī)模需求驅(qū)動下，也會加劇電力資源利用的失衡性。為此，要實(shí)現(xiàn)電力資源優(yōu)化利用，應(yīng)以需求側(cè)的合理、節(jié)能用電，鏈接供給側(cè)，聯(lián)動兩側(cè)進(jìn)行電力資源綜合利用優(yōu)化。王艷紅和羅洎（2013）基于低碳發(fā)展從供給側(cè)進(jìn)行電能結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化[1]；魯宗相等（2017）在波動電源和負(fù)荷不確定雙重疊下，分析高比例可再生能源并網(wǎng)的靈活性和平衡機(jī)制，以此驅(qū)動供給側(cè)的電能結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]；郭尊等（2020）在碳交易機(jī)制下，通過電-氣聯(lián)合系統(tǒng)魯棒調(diào)度模型來進(jìn)行供給側(cè)的低碳設(shè)計(jì)[3]?？梢?，目前研究多從供、需單一層面，進(jìn)行電力資源利用優(yōu)化，而為進(jìn)一步深挖電力行業(yè)的 “減排潛力”，本文將從供需兩側(cè)出發(fā)，將節(jié)能作為一種資源納入電力規(guī)劃，與電源開發(fā)融為一體，來設(shè)計(jì)電力資源綜合利用優(yōu)化模型及方法。

1 電力資源綜合利用優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)需求

本文引入脫鉤理論測定電力行業(yè)發(fā)展與污染排放的脫鉤性，以CO2、SO2作為污染排放量指標(biāo)，根據(jù)IPCC收錄的各類燃料CO2排放系數(shù)，可得電力行業(yè)CO2排放總量[4]：

式（1）中，DCO2為CO2排放總量，mi為電力行業(yè)不可再生能源的消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)量，δi為i類能源的碳排放系數(shù)。

運(yùn)用物料衡算方法計(jì)算電力行業(yè)SO2的排放量[5]：

式（2）中，E、M、S分別為核算期第i臺機(jī)組SO2排放量、煤炭消耗量、發(fā)電煤炭平均硫分，α為SO2釋放系數(shù)，燃煤、燃油機(jī)組各取1.7、2.0，η為第i臺機(jī)組的綜合脫硫效率。結(jié)合 《工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排主要指標(biāo)解釋》，標(biāo)準(zhǔn)煤含硫率為1.2%，同時，根據(jù)北極星電力網(wǎng)數(shù)據(jù)，大唐、中電投集團(tuán)、中國國電、中國華能、中國華電等大電力公司的脫硫率均在97%以上，處于全國領(lǐng)先水平，為此，本文選取90%為電力行業(yè)的平均脫硫率。

同時，采用Tapio彈性脫鉤指數(shù)即可得電力行業(yè)發(fā)展與高排放的脫鉤狀態(tài)[6]：

式（3）、（4） 中，ΔTC／TC為電力經(jīng)濟(jì)增長變化率，以2010～2019年我國電力消費(fèi)總量進(jìn)行測算，數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計(jì)局，缺失數(shù)據(jù)根據(jù)全國工業(yè)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、國家能源總局等整合得出；ΔCO2／CO2、ΔSO2／SO2為污染排放變化率，由式（1）、（2）計(jì)算得出，而后，根據(jù)式（3）、（4）計(jì)算得出脫鉤彈性指數(shù)，并參照Tapio脫鉤彈性指數(shù)分類，即可獲得我國電力行業(yè)與污染排放的脫鉤狀態(tài)，見表1。

表1 2010～2019年我國電力行業(yè)發(fā)展與污染排放脫鉤狀態(tài)

結(jié)合表1可知，我國電力行業(yè)排放脫鉤性呈現(xiàn)動態(tài)變化性，尤其在2010年、2011年供給端以煤炭機(jī)組為主導(dǎo)，新型發(fā)電能源在技術(shù)、設(shè)備上尚不成熟，且需求端的用電結(jié)構(gòu)、方法和效率也相對滯后，造成電力行業(yè)呈現(xiàn)高能耗、高排污特點(diǎn)。而近年來，隨著節(jié)能減排加速推進(jìn)，關(guān)停小火電廠，以風(fēng)電、水電、核電等進(jìn)行電能替換，調(diào)整電能結(jié)構(gòu)，且基于削峰填谷、分時電價、節(jié)能設(shè)備及技術(shù)的節(jié)電措施，一定程度上控制了用電量的激增，為此，電力行業(yè)減排彈性呈現(xiàn)強(qiáng)脫鉤性。但是從整體上，弱脫鉤性為主，強(qiáng)脫鉤勢弱，電力行業(yè)仍未擺脫以火電為主體的電能結(jié)構(gòu)，如圖1所示，風(fēng)電、水電、核電生產(chǎn)電力量仍處于低位徘徊，增速緩慢，電力行業(yè)仍然面臨較大的減排壓力。

圖1 電力行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)狀態(tài)

2 電力資源綜合利用優(yōu)化的理論支撐

2.1 實(shí)施供需兩端優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析

綜合資源規(guī)劃，是一種兼顧資源供給增加與需求減少來滿足特征資源需求的決策過程，本質(zhì)上與 “開源節(jié)流”無異。目前，節(jié)能減排下，火電生產(chǎn)受限、可再生能源發(fā)電成本、技術(shù)、安全性尚不成熟，供給端的單一 “開源”，無力填補(bǔ)日漸增長的需求缺口，適當(dāng)?shù)?“節(jié)流”成為必然，為此，電力資源綜合利用優(yōu)化應(yīng)該以供需兩端 “聯(lián)動”的方法，來促成電力資源的供需均衡，具體理由如下：

供給側(cè)管理效益：依經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，可繪制電力資源供需曲線，見圖2，BMS、CMS為電力資源的邊際社會收益、社會成本，兩者相等時，市場達(dá)到均衡，P0為均衡價格、abE0三角部分為社會總剩余[7]。

結(jié)合圖2，在進(jìn)行供應(yīng)側(cè)管理后，電力資源的供給量增加，將由CMS向右移至CMSMAC，而曲線BMS不變，E1為新供需均衡點(diǎn)[8]，bP0E0、bP1E1兩三角形各為實(shí)施電力供應(yīng)側(cè)管理前后的消費(fèi)剩余，且前者大于后者，也即供應(yīng)側(cè)管理后，消費(fèi)剩余得以提升，對應(yīng)的社會總效益aE0E1也將提升。

需求側(cè)管理效益：通過需求側(cè)管理進(jìn)行節(jié)能，來實(shí)現(xiàn)電力資源優(yōu)化利用，BMS電力資源的邊際社會收益向右移至BMSMIC，而邊際社會成本的曲線CMS不變，此時，市場供需新均衡點(diǎn)為E2，見圖3。

圖3 需求側(cè)管理下電力資源供給曲線

結(jié)合圖3，aP0E0、aP2E2的三角形面積為實(shí)施電力需求側(cè)管理前后的生產(chǎn)者剩余，且后者大于前者，也即生產(chǎn)者剩余得以提升，對應(yīng)的社會效益bE0E2也隨之增加。

供需兩側(cè)管理效益：此時，電力資源的供需曲線BMS、CMS將同步向右移至BMSMIC、CMSMIC，達(dá)到市場均衡點(diǎn)E3，見圖4。與圖2、圖3比較，僅進(jìn)行供應(yīng)側(cè)或需求側(cè)管理時，社會總剩余的增加分別為adE0、bcE0，而實(shí)施供需兩側(cè)管理后，社會總剩余的增加面積aE0bE3大于（adE0＋bcE0），cE0dE3為社會總剩余的增加量[9]。

圖4 供需兩側(cè)管理下的電力資源供給曲線

2.2 實(shí)施供需兩側(cè)優(yōu)化利用的邏輯框架

結(jié)合上述分析，本文將供需兩側(cè)視為一個整體，基于 “開源節(jié)流”的理念構(gòu)建電力資源綜合利用模型。其中，供應(yīng)側(cè)資源主要通過風(fēng)電、水電、核電、太陽能電、天然氣電等可再生能源的擴(kuò)展應(yīng)用，基于 “開源”方法來改變以火電為主的電力能源結(jié)構(gòu)；需求側(cè)資源則抽象為能效電廠，通過峰谷分時電價、可中斷電價、智能節(jié)電設(shè)備、綠色照明等 “節(jié)流”方法，將節(jié)電作為電力資源優(yōu)化利用的一種有效形式。根據(jù)電力綜合資源規(guī)劃PIRP的原理[10]，電力資源綜合優(yōu)化利用的邏輯框架為：確定規(guī)劃目標(biāo)→預(yù)測電力需求→評估供需兩側(cè)的資源→綜合資源優(yōu)化利用規(guī)劃→監(jiān)測和評價規(guī)劃實(shí)施效果，如圖5所示。

3 電力資源綜合利用模型的構(gòu)建及求解方法

3.1 模型的決策目標(biāo)

減排約束下，本文引入多目標(biāo)決策方法，以全社會投入成本和碳排放量最小為目標(biāo)函數(shù)，將電力資源綜合利用優(yōu)化轉(zhuǎn)換為多目標(biāo)優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)建構(gòu)如下：

全社會成本最低的目標(biāo)函數(shù)：基于供需兩側(cè)的電力資源綜合利用優(yōu)化模型，應(yīng)該在滿足用電需求的前提下，實(shí)現(xiàn)全社會總成本凈現(xiàn)值的最低，減排約束下，該成本涉及投資、運(yùn)行成本[11]：

圖5 電力資源綜合利用優(yōu)化的邏輯框架

式（5）中，Z1為規(guī)劃期總成本，t為規(guī)劃年份，T為規(guī)劃的時間段，m、M分別為機(jī)組類型的序號、數(shù)量，F(xiàn)tm為第t年m類機(jī)組的單位容量成本的年值；為第t年m類機(jī)組的新增容量補(bǔ)貼或附加收費(fèi)，Ctm為t年m類機(jī)組的裝機(jī)容量，此處，需求端能效電廠的容量為削峰容量，供應(yīng)側(cè)風(fēng)電、地?zé)帷⒖稍偕茉吹劝l(fā)電機(jī)組的容量為負(fù)荷高峰時的出力；分別為第t年第m類機(jī)組單位發(fā)電量的運(yùn)行成本、補(bǔ)貼或附加收費(fèi)，Htm為第t年第m類機(jī)組的利用時間，r為折現(xiàn)率。

污染排放量最小的目標(biāo)函數(shù)：因我國電力行業(yè)以煤電為主，污染排放量較高，為此，減排約束下，以污染排放量最小為目標(biāo)約束：

3.2 模型的約束條件

電力資源綜合利用模型應(yīng)充分考慮用電需求、備用容量、常規(guī)及能效電廠的裝機(jī)容量、污染排放等約束條件。

用電需求約束：供應(yīng)側(cè)常規(guī)、能效電廠的共同發(fā)電量在扣除每年損失后，應(yīng)大于預(yù)測需求電量[12]：

式（7）中，N為常規(guī)機(jī)組類型的數(shù)量，ηt為第t年發(fā)電量與用電量之間的損失率，而能效電廠節(jié)電性的電力資源優(yōu)化利用，處于需求側(cè)，為此不考慮該損失率，Et為第t年需求量的預(yù)測值。

備用容量約束：整個電力系統(tǒng)需具備一定備用容量，應(yīng)在剔除發(fā)用電間的損失后大于預(yù)測的電力負(fù)荷[13]：

式（8）中，Pt為第t年電力負(fù)荷的預(yù)測值。

供給側(cè)常規(guī)電廠的裝機(jī)規(guī)模約束：因?yàn)殡娔苜Y源有限，加之技術(shù)、資金、政策的限制，特定時期內(nèi)電廠的裝機(jī)容量不能超過用電需求的一定比例：

需求側(cè)能效電廠的裝機(jī)規(guī)模約束：能效電廠是通過一攬子節(jié)能行動方案，來優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)、方式和效率，以實(shí)現(xiàn)減排目的，但因節(jié)電潛力的局限性，其裝機(jī)容量不可大于該類用電設(shè)備電力負(fù)荷特定比值：

式（10）中，αtm為第t年m類能效電廠占該類用電設(shè)備電力負(fù)荷的比例系數(shù)，Ptm為第t年m類用電設(shè)備的電力負(fù)荷預(yù)測值。

減排約束：為實(shí)現(xiàn)減排目的，供需兩側(cè)電力資源綜合利用優(yōu)化的規(guī)劃期內(nèi)，電力生產(chǎn)機(jī)組排放的CO2、SO2、NOx應(yīng)控制在最大排放限值內(nèi)：

3.3 模型的求解方法

上述模型的求解多通過單目標(biāo)問題的轉(zhuǎn)換進(jìn)行尋優(yōu)，求解過程簡便，因不同目標(biāo)函數(shù)物理本質(zhì)及量綱各異，權(quán)重因子的取值非常困難，為此，本文采用慣性權(quán)重法剔除PSO速度最大值的需求，以改進(jìn)的PSO算法對電力資源綜合優(yōu)化模型進(jìn)行求解，具體步驟如下：

步驟1：輸入原始數(shù)據(jù)，初始化模型，獲取模型控制變量的數(shù)量及對應(yīng)的取值范圍；初始化算法參數(shù)：種群數(shù)量N、最大迭代次數(shù)Itermax、慣性因子ω的上下限，加速系數(shù)c1、c2。

步驟2：迭代測試設(shè)為0，在可行域內(nèi)通過隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成M個粒子，各自對應(yīng)的位置為xi，同時，在特定范圍內(nèi)設(shè)定初始速度Vi，此處取值為0，并將各初始粒子的個體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解，也即pbest、gbest設(shè)定為某一足夠大值。

步驟3：將粒子代入適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算每個粒子的適應(yīng)度值F（xi），并將其與目前個體最優(yōu)解phest進(jìn)行比較，若F（xi）＜phest，則選擇最佳的pbest作為F（xi）適應(yīng)度值。同時，將所有粒子的F（xi）中的最下值設(shè)定為Fmin，F(xiàn)min＜gbest， 則本代群體最優(yōu)解較上代小，則gbest＝Fmin，相反，則Fmin維持不變[14]。

步驟4：更新各粒子飛行速度，同時，結(jié)合蔣娓娓[15]的研究中粒子在預(yù)定迭代次數(shù)停滯不前時，隨機(jī)位置賦予公式更新粒子當(dāng)前位置，并檢測更新位置是否存在越限變量，若存在，則需將其限制為該變量約束的上下限值或下限值。

步驟5：終止條件判斷——電力資源綜合利用模型中的目標(biāo)函數(shù)取得最小值或Iter達(dá)到預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)Itermax，若是，則輸出計(jì)算結(jié)果，若不是，則以Iter＝Iter＋1，轉(zhuǎn)至步驟3。

4 模型的減排約束效果分析

4.1 模型參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證上述模型，本文以傳統(tǒng)單一供應(yīng)側(cè)的利用模型為參照，減排規(guī)劃期為2010～2030年，供應(yīng)側(cè)的電能結(jié)構(gòu)為煤炭、可再生能源發(fā)電，需求側(cè)的能效電廠實(shí)施峰谷分時電價、負(fù)荷管理、節(jié)能技術(shù)等節(jié)點(diǎn)措施，通過成本、效益篩選出3種方法節(jié)省的電能，分別設(shè)定為DSM1、DSM2、DSM3。結(jié)合模型的約束條件，設(shè)定電力系統(tǒng)備用容量為20%，需求側(cè)資源占最大用電需求比值在8%以下，容量、電量補(bǔ)貼參數(shù)分別以直接削減固定成本、變動成本計(jì)算，環(huán)境類、運(yùn)行小時數(shù)參數(shù)可根據(jù)電廠實(shí)際排放、運(yùn)行情況而定，模型的部分參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 電力資源綜合利用優(yōu)化模型的部分參數(shù)

同時在減排約束下，研究模型中，供給側(cè)基于 “效率優(yōu)先”，新建風(fēng)電、水電、核電等可再生能源小容量發(fā)電機(jī)組來調(diào)整電能結(jié)構(gòu)，提升電力資源利用效率；而需求側(cè)則以零排放的能效電廠，通過節(jié)電方式來優(yōu)化電力資源利用，供需兩側(cè)機(jī)組參數(shù)如表3、表4所示。

4.2 模型減排效果

研究模型將采用上述常規(guī)電廠＋能效電廠模式，而傳統(tǒng)的電力資源優(yōu)化利用僅涉及供給側(cè)的常規(guī)電廠。在減排約束下，研究模型包含2個最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，多個約束條件及決策變量，為此，本文采用Matlab7.0軟件利用上述改進(jìn)PSO算法進(jìn)行模型求解，兩種模型所得結(jié)果如表5、表6所示。

由表6可知，研究模型的用電量需求下降52.5%、擬建發(fā)電廠容量下降30.5%、投資、運(yùn)行成本分別下降9.59%、2.06%，CO2、SO2、NOx等污染物排放量分別下降了17.6%、14.0%、28.1%，可見設(shè)計(jì)的模型節(jié)能減排效用顯著。這是因?yàn)樵撃Ｐ托枨髠?cè)引入 “能效電廠”，通過削峰填谷、分時定價、節(jié)能技術(shù)、負(fù)荷管控等方式，實(shí)現(xiàn)了 “節(jié)流”，在此引導(dǎo)下，供給側(cè)擬建的煤電、風(fēng)電、氣電等發(fā)電廠容量縮減，且電能 “開源”的同時，可降低煤耗，減少污染排放，減排約束效果明顯。

表3 供給側(cè)常規(guī)機(jī)組參數(shù)

表4 需求側(cè)能效機(jī)組參數(shù)

5 結(jié)論及建議

資源、環(huán)境的雙重壓力下，電力行業(yè)作為能耗、碳排放的最大來源，是減排約束的重點(diǎn)領(lǐng)域，但在大規(guī)模的用電需求下，一味的節(jié)能降耗顯然無法適應(yīng)，需要尋求兩全的解決方法。本文從供需兩端出發(fā)，以 “開源節(jié)流”為邏輯主線，建構(gòu)的上述模型是多目標(biāo)優(yōu)化問題，關(guān)聯(lián)內(nèi)容較多，需要進(jìn)行綜合規(guī)劃，具體的建議如下：

表5 不同模型的資源組合

表6 不同模型的污染排放

加速供給側(cè)的電力結(jié)構(gòu)調(diào)整。（1）秉承 “上大壓小”的機(jī)制，關(guān)停 “小、弱、差”的火電企業(yè)，引入超臨界、熱電聯(lián)產(chǎn)等低耗、高效率的火電機(jī)組，并以 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中嚴(yán)格的減排標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一CO2、SO2等電廠污染排放的檢測、計(jì)算方法，以準(zhǔn)確反映電力行業(yè)的排放水平，以采取有效的減排技術(shù)，整頓大電力企業(yè)的減排性；（2）要深挖風(fēng)電、水電、核電、太陽能等清潔能源的減排潛力，從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，全面梳理、制定電力系能源規(guī)劃，出臺相關(guān)的財稅補(bǔ)貼、優(yōu)惠政策，設(shè)計(jì)行之有效的電力結(jié)構(gòu)調(diào)整方案，并根據(jù)新電能發(fā)電出力預(yù)測將其納入機(jī)組組合，以形成優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量計(jì)劃，規(guī)避火電年度發(fā)電量計(jì)劃的剛性約束與波動電源對系統(tǒng)靈活性要求的矛盾問題。同時，可構(gòu)建跨區(qū)域的電力交易和價格機(jī)制，驅(qū)動風(fēng)電、光伏發(fā)電的跨區(qū)域消納，讓新發(fā)電能源在更大范圍內(nèi)得以均衡利用。

深挖需求側(cè)的 “節(jié)流”潛能，從需求側(cè)看，用電量需求存在區(qū)域、時域差異，造成了供需的失衡性，而基于能效電廠的需求側(cè)管理，可基于“節(jié)流”方法來均衡資源配置，但是需要經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、行政手段的綜合引導(dǎo)。具體來說，可編制 “節(jié)流”方案，以 “兩保、兩促、一保限”為準(zhǔn)則，保障關(guān)系民生、重點(diǎn)項(xiàng)目的用電，促進(jìn)節(jié)能減排發(fā)展，對高能耗、污染進(jìn)行限電；并采用錯峰、避峰用電、限電、緊急拉閘等管理手段，以分時定價、負(fù)荷管控等行政手段，來均衡區(qū)域、時域性的電力資源配置，提升電力資源的配置效率；同時，還可引入高效照明、負(fù)荷控制、蓄能裝置、電加熱等節(jié)能技術(shù)和設(shè)備，直接控制用戶的用電行為、優(yōu)化電力的多元利用、提升利用效率，以最大限度挖掘需求側(cè)的 “節(jié)流”潛能。