深圳市可持续电力规划模型及节能减排分析

周雅，李永平，黄国和

(区域能源系统优化教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

深圳市可持续电力规划模型及节能减排分析

周雅，李永平，黄国和

(区域能源系统优化教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

合理的电力规划是解决电力行业资源和环境问题，推进节能减排，保障城市可持续发展的重要途径。以深圳市为例，运用强健可能性规划方法，以电力可持续供应总成本最小为目标，以资源、容量、电量、环境等为约束条件建立深圳市可持续电力规划模型，得到能源供应、电源结构、外购电量、环境排放等符合深圳市电力系统特色的优化方案。研究结果表明，应逐渐降低外购电量，借助清洁发展机制等手段进一步加大本地可再生能源开发利用，实现供电方式多样化，从而实现安全、经济、清洁、可持续的电力供应。

电力规划； 优化模型； 电源结构； 节能减排

0 引 言

节能减排，即降低能源消耗与减少污染物排放，是解决我国资源供给与环境保护之间的矛盾，实现可持续发展的一项重大战略举措。《“十二五”节能减排综合性工作方案》中提出了节能减排的主要目标：“到2015年，全国万元国内生产总值能耗比2010年下降16%，全国SO2和NOx排放总量比2010年分别下降8%和10%”。作为一次能源消耗大户，电力行业是大气污染物和温室气体排放最多的行业之一，其SO2和烟尘排放量分别占全国工业排放量的一半[1]。由于长期缺乏对电力系统进行有效的科学管理，我国电力系统面临着十分严峻的资源、环境，甚至安全问题：能源过度开采及不合理利用，能源需求巨大及资源短缺严重，能源结构失调及管理失当，大气污染及温室效应问题严重，能源对外依存度上升及能源安全形势严峻。显然，单纯依靠我国现有能源结构和发展模式无法解决上述资源与环境问题。因此，需要结合节能减排政策，通过合理的规划来制定符合我国电力系统特色的可持续电力系统规划方案，以降低污染物及温室气体排放，减少限电拉闸事件，从而保障电力系统的安全性、可靠性和灵活性，进而保障城市可持续发展[2]。

电力规划是依据一定时期的国民经济和社会发展规划，预测相应的能源需求，从而对电力系统的结构、生产、转换、使用和分配等各个环节作出的统筹安排。相比国外，国内在城市电力系统规划研究方面起步较晚，主要研究集中在国外能源模型的应用，如佟庆等运用MARKAL模型对北京中远期能源系统进行了研究[3]，黄东风等利用MESSAGE模型对浙江电源结构进行了优化研究[4]，余岳峰等采用MARKAL模型对上海能源系统进行了情景分析研究[5]，贾彦鹏等运用LEAP模型对江西景德镇的能源需求与CO2排放进行了研究[6]，曾鸣等运用线性规划对考虑碳排放约束的电力综合资源规划进行了模型研究与模拟分析[7]，冯悦怡等人运用LEAP模型对北京市节能与碳减排政策情景进行了研究[8]。但是国内大部分研究都仅限于国外模型的应用研究，缺乏对我国电力系统特点的综合考虑，因此，国外能源系统优化模型中某些参数设定和情景假设并不完全符合我国城市电力系统规划实际；同时，电力系统规划中存在多种由人为因素和客观因素引起的不确定性，采用情景分析、政策分析、线性规划等简单规划方法不足以反映实际情况中的复杂性，影响了电力系统规划模型的适用性。本文以深圳市为例，基于深圳市电力系统的复杂性和不确定性，运用强健可能性规划方法，开发可持续电力系统规划模型，得到符合深圳市电力系统特色的可持续电力系统规划方案，为深圳市电力系统管理及节能减排提供参考依据。

1 模型构建

1.1 深圳市电力系统概述

深圳市位于广东省南部，占地1 994.64 km2。随着人口的增长和加速的工业化进程，城市经济高速发展，能源消耗迅猛增长，城市能源消费总量从2005年的2 921万t标准煤增长到2010年的4 851万t标准煤，年增长率达10.6%[9]。其中，电力行业是城市的主要能源消费部门，约占工业总能源消费的39.1%，2010年全市电力行业消耗超过860万t标准煤。同时，全市电力消费以每年8.5%的速度增加，从2005年440.3亿kW·h增加到2010年663亿kW·h[10]。深圳市电力系统是一个复杂的相互关联的复杂系统，如图1所示，包括能源供应、电力转换、电力进口、电力出口、电力消费等多个环节。由于本地资源极端匮乏，城市能源供应(如煤炭、液化天然气、核燃料和部分电力)完全依靠市外能源输入。能源消费结构中，煤炭和清洁能源分别占全市电力需求的10.72%和83.06%。受益于“西气东送”项目，2012年起，每年有4亿m3液化天然气调入深圳市，替代燃料油用于电力生产。目前深圳市电源结构已初步实现多元化，替代能源也得以发展。深圳市电力转化技术包括燃煤发电、燃气发电、核电、垃圾焚烧发电、生物质发电、抽水蓄能发电和太阳能光伏发电7种。截至2012年，深圳市发电总装机容量为12.80 GW，其中煤电装机2.54 GW、气电装机2.22 GW、燃油改燃气电厂的额外气电装机1.84 GW、核电装机6.12 GW、垃圾焚烧发电装机75.00 MW、生物质发电装机8.08 MW、太阳能光伏发电装机2.83 MW。

图1 深圳市电力系统

1.2 深圳市可持续电力系统规划模型构建

结合强健可能性规划的优点，通过模糊数表示发电燃料购买成本、运营成本、污染物减排成本、排污成本、减排设备的政府补贴等成本以及SO2、NOx、PM、CO2等气体排放限量。鉴于规划过程包括3种燃料类型、6种发电技术、3种大气污染物、1种温室气体、3个规划时期，以电力可持续供应总成本最小为目标，以资源、容量、电量、环境等为约束建立深圳市可持续电力系统规划模型：

目标函数：

(1)

约束条件：

(1)资源约束。

(2)

式中：FEjk为在k时期j种发电技术的生产单位电量消耗的能源资源量；ARjk为在k时期j种发电技术的能源资源可获得量。

(2)燃料约束。

(3)

式中：FDik为在k时期电力生产的i种燃料需求。

(3)电量约束。

(4)

式中：TEmk为在k时期内m个终端部门的电力需求；LETk为在k时期供电线损率。

(4)容量约束。

(5)

(6)

式中：ELjk为在k时期j种发电技术的退役容量；EHjk为在k时期j种发电技术的年运行时间；SPRjk为在k时期j种发电技术的厂用电率。

(5)尖峰负荷约束。

(7)

式中：PLk为在k时期本地电网年最高负荷；EIk为在k时期本地电网年最大负荷缺口。

(6)环境约束。

(8)

(9)

(7)扩建约束。

0≤ECEjk≤UEjkBYEjk,∀j,k

(10)

(8)非负约束。

(11)

1.3 强健可能性规划及解法

强健可能性规划是由Pishvaee等人提出，对于模糊参数的全部可能值，具有可行性和最优性2方面的稳健性：优化结果的可行性和优化得到的目标函数接近优化值或对优化值有最小偏差的最优性[11]。模糊可能性规划的一般形式如下：

目标函数：

(12a)

约束条件：

(12b)

X≥0

(12c)

目标函数：

(13a)

约束条件：

(13b)

X≥0

(13c)

0.5≤α≤1

(13d)

2 结果分析

2.1 能源供应

能源需求参数及能源供应优化结果见表1。结果表明，为了满足深圳市日益增加的能源和电力需求，液化天然气供应量、本地电力供应量和外购电量将增长迅猛，规划期内增长率分别为10.42%、4.25%、8.10%；煤炭供应量将下降2.80%，核燃料供应量将呈小幅波动。电厂燃油锅炉的“油改气”技改项目将导致液化天然气供应量大幅增加，煤炭消费量有所削减，天然气将代替煤炭成为深圳市的主要能源。液化天然气是公认的清洁燃料，燃烧后不产生灰、渣等固体杂质，排放CO2量少。提高天然气和核能等清洁能源占能源供应总量的比例，降低煤炭供应将是城市低碳发展的重点，有利于提高能源利用效率，优化城市能源结构，降低电力行业污染物和CO2排放，实现低碳能源供应。

2.2 电源结构

表1 能源需求参数及能源供应优化结果

图2 各规划期深圳市电源结构

通过分析各规划期深圳市电源结构(见图2)可知，煤电和核电所占比例逐渐降低，气电和外购电所占比例明显增加，可更新能源发电比重基本不变。气电占城市本地电力供应的比重最大，主要来自本市的东部电厂、前湾电厂，以及南山热电、美视、钰湖、福华得、宝昌等油改气电厂。目前，深圳市有大亚湾核电站、岭澳核电站一期、岭澳核电站二期3座已投产核电站，其中部分岭澳核电站二期发电量直接供本市使用，大亚湾核电站70%的发电量和3座核电站剩余发电量分别销往香港九龙电网和广东电网，缓解香港和广东地区的电力供应紧张。同时，本地电力供应无法满足城市高速增长的电力需求，电力缺口从广东电网外购来填补，规划期内外购电约占全市电力需求的2/5。此外，本地可更新能源发电所占比重仍较小。深圳市具有很丰富的太阳能资源和可利用的风能资源[14]，可借助清洁发展机制等手段加大本地可再生能源开发利用，并加快抽水蓄能电站等项目建设，代替部分化石能源，实现供电方式多样化，进一步提高清洁能源比例，降低能源消耗、电力行业污染物和温室气体排放，进而推进电力行业的节能减排。

2.3 环境排放

大气污染物及温室气体排放限量参数及排放结果分别如表2和图3所示。结果表明，在规划期内，SO2，NOx，PM及CO2排放量逐渐增加，增长率分别为5.21%，4.83%，5.49%和6.06%。深圳市电力行业污染物和碳排放主要来自本地发电和外购电。本地电厂已安装脱硫、脱硝及除尘等设备，因而本地发电所排放的污染物和CO2所占比重相对较小，主要来自煤电厂和垃圾焚烧发电厂，其排放量在规划期内逐渐降低。相比之下，外购电对大气污染物及温室气体排放贡献很大。深圳市每年需从广东电网购买一定电量满足本市的电力缺口，广东电网的电力主要来自广东省内的煤电，也有部分核电、水电，其能源转化效率低于本地能源转化效率，其单位大气污染物和CO2排放也高于本地电力生产的排放水平[15]。因此，逐渐降低外购电量，增强本地清洁电力供应能力，扩大本地清洁电力生产规模，是进一步优化能源结构，实现城市电力系统可持续发展的重要途径。

表2 大气污染物及温室气体排放限量参数

图3 大气污染物及温室气体排放结果

2.4 发电成本

折现率为5%，则规划期内发电总成本为84.40×109元，各环节成本及收益结果见表3。结果表明，在发电总成本中，外购电成本所占比重最大，其次是燃料购买成本和发电运营成本。由于深圳市能源资源匮乏，大部分发电燃料需从外地输入，2/5的城市电力需从广东电网购买，进而导致了较高的外购电成本和燃料购买成本。因此，过度依赖进口能源和外购电力，将使电力系统安全面临巨大挑战。规划期内各发电技术发电成本结果见图4，结果表明，发电成本主要来自气电和煤电。燃料成本是气电和煤电发电成本的主要组成部分，分别占其发电成本的68.29%和78.21%；气电和煤电的运行成本分别占15.85%和19.61%。对于可再生能源发电(如风电、太阳能发电)，没有燃料成本和大气污染物减排及排放成本，运行成本相对较低，清洁环保。随着技术进步，风电和太阳能发电成本将显著下降，竞争力日益增强。因此，大力发展可再生能源，有助于开展节能减排，保证电力供应安全，降低系统风险。

表3各环节成本及收益

Tab.3Eachprocesscostandrevenue109元

图4 各发电技术发电成本

3 结 论

(1)本文结合强健可能性规划的优点，以电力可持续供应总成本最小为目标，以资源、容量、电量、环境等为约束建立深圳市可持续电力系统规划模型，得到能源供应、电源结构、外购电量、环境排放等符合深圳电力系统特色的优化方案。

(2)通过模型计算得出规划期内外购电约占全市电力需求的2/5，外购电成本占发电总成本比重最大。因此，应逐渐降低外购电量，增强本地清洁电力供应能力，扩大本地清洁电力生产规模，从而实现大气污染物及温室气体排放最少、发电成本最低、系统风险最小的目标。

(3)目前深圳市本地发电结构是以气电为主，煤电和核电为辅，垃圾焚烧发电、生物质发电、光伏发电作适当补充，但本地可再生能源发电所占比重仍较小。随着技术进步，风电和太阳能发电成本将显著下降，应借助清洁发展机制等手段进一步加大本地可再生能源开发利用，实现供电方式多样化，优化能源供应结构，实现安全、经济、清洁、可持续的电力供应。

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[7]曾鸣，秦湘灵，马向春，等. 计及碳排放约束的电力综合资源规划模型与模拟分析[J]. 华东电力，2010，38(8)：1103-1107.

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李永平 (1970)，女，教授，主要从事能源模型、能源系统分析、环境影响与风险评价方面的研究工作；

黄国和 (1961)，男，教授，主要从事能源与环境系统分析、循环能源经济分析方面的研究工作。

(编辑：张小飞)

SustainableElectricPowerPlanningModelandEnergy-Saving&Emission-ReductionAnalysisinShenzhen

ZHOU Ya, LI Yongping, HUANG Guohe

(MOE Key Laboratory of Regional Energy Systems Optimization, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Reasonable electric power planning is an important way to tackle resource and environmental problems of electric industry, promote energy-saving and emission-reduction, and guarantee city’s sustainable development. Based on robust possibilistic programming, the sustainable electric power planning model for Shenzhen was formulated with taking the minimum total cost of sustainable power supply as target and the resource, capacity, electricity and environmental as constraints, the optimization scheme was obtained in which the energy supply, power structure, imported electricity and environmental emissions accorded with the characteristics of power system in Shenzhen. The results show that the imported electricity amount should be gradually reduced and the renewable resources utilization should be further increase by clean development mechanism to realize the diversification of power supply mode, which can realize safe, economic, clean, sustainable power supply.

electric power planning; optimization model; power structure; energy saving and emission reduction

教育部科学技术研究重大项目(311013)；国家杰出青年科学基金(51225904)；中央高校基本科研业务费专项资金。

TM 715； TK 01+8

： A

： 1000-7229(2014)06-0075-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.014

2014-03-10

：2014-03-17

周雅 (1987)，女，博士研究生，主要从事能源系统分析与建模、能源系统规划方面的研究工作，Email：yazhou.szu2010@gmail.com；