各種優(yōu)化算法及能源模型在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、各種優(yōu)化算法及能源模型在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭資源總量占世界總儲(chǔ)量的11%，居世界第3位：石油總資 源量為占世界總資源量的2%,居世界第10位。同時(shí)我國(guó)幅員遼闊，也具有豐富 的新能源和可再生能源資源。我國(guó)的能源資源總量豐富，但我國(guó)也存在著許多能 源問(wèn)題：首先，由于人口眾多，能源資源人均占有量不足。其次，我國(guó)的能源因 種類(lèi)繁多而不均衡，實(shí)際開(kāi)采難度比較大，能源在綜合利用方面效率低下，能源 的發(fā)展后勁不足。此外，我國(guó)以煤為主的不合理的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致環(huán)境污染 問(wèn)題嚴(yán)重。面對(duì)嚴(yán)峻的能源問(wèn)題，中央政府一直在倡導(dǎo)節(jié)能減排，節(jié)能減排取得了一定 的成效，但能源的根本問(wèn)題并沒(méi)有解決。因此，除了節(jié)約

2、能源、減少消耗、不透 支目前中國(guó)的能源支撐外，我們要改變中國(guó)的能源現(xiàn)狀，重在優(yōu)化中國(guó)的能源結(jié) 構(gòu)，也就是說(shuō)對(duì)煤炭資源不能再過(guò)度的依賴(lài)，一定要大力提高天然氣在各種一次 能源中的使用比例，在上述的基礎(chǔ)上，加大可再生能源的發(fā)展比例，增加電力的 供應(yīng)以保障我國(guó)能源供應(yīng)的安全。特別是要重點(diǎn)發(fā)展水電、風(fēng)電、核電、太陽(yáng)能， 配合其他的一些補(bǔ)充發(fā)電形式，實(shí)現(xiàn)能源利用的多元化。能源系統(tǒng)是包含能源的開(kāi)采、供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和利用等復(fù)雜環(huán)節(jié)的巨系統(tǒng)， 能源系統(tǒng)優(yōu)化的重要部分是對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化。能源系統(tǒng)是同時(shí)具有交互 性、動(dòng)態(tài)和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)。為了將復(fù)雜系統(tǒng)研究清楚主要是通過(guò)區(qū)域的能 源規(guī)劃來(lái)達(dá)到優(yōu)化能源系統(tǒng)

3、的目的，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量?jī)?yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行研究。 能源系統(tǒng)模型領(lǐng)域在過(guò)去的幾十年里已經(jīng)有很大的收獲，這些模型用于幫助決策 者制定科學(xué)合理的管理政策。1.確定性能源系統(tǒng)模型世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展面臨能源供應(yīng)負(fù)擔(dān)日益嚴(yán)峻，能源開(kāi)發(fā)利用的安全可靠性和 更高的環(huán)保性等要求的巨大挑戰(zhàn)，為應(yīng)對(duì)因化石能源價(jià)格飆升、能源供應(yīng)量不足 和老化的能源構(gòu)架等等引發(fā)的問(wèn)題，科學(xué)家們已經(jīng)在不同的數(shù)學(xué)算法的基礎(chǔ)上， 建立了大量的能源模型，用于解決能源系統(tǒng)中存在的交互性、動(dòng)態(tài)和不確定性等 問(wèn)題，并為決策者提供決策支持。這些優(yōu)化算法大致可以分為：線(xiàn)性規(guī)劃，動(dòng)態(tài) 規(guī)劃，多目標(biāo)規(guī)劃三種，用來(lái)解決能源模型中能源資源分配，能源轉(zhuǎn)換，設(shè)備運(yùn) 行

4、、裝機(jī)擴(kuò)建，污染物排放等問(wèn)題。1.1確定性?xún)?yōu)化模型在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用1.1.1 一般線(xiàn)性規(guī)劃模型線(xiàn)性規(guī)劃法是目前應(yīng)用較為廣泛的數(shù)學(xué)方法。線(xiàn)性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型可以敘述 為：在滿(mǎn)足一組線(xiàn)性約束條件下，求多變量線(xiàn)性函數(shù)的最優(yōu)值(最大值或最小值)。 其主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，求解的規(guī)模較大，適合用來(lái)求解能源模型。線(xiàn)性規(guī)劃廣泛用于能源系統(tǒng)優(yōu)化求解。Singpurwalla(1975)建立了線(xiàn)性規(guī)劃能 源模型，求解能源系統(tǒng)的最小費(fèi)用問(wèn)題。Satsangi和sama(1 988)建立線(xiàn)性規(guī)劃模 型，解決印度經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需能源的問(wèn)題，模型約束中包含資源、容量、能源需求 量約束。Macchiato等人利用線(xiàn)性規(guī)劃解決能

5、源系統(tǒng)中污染物的排放處理最小花 費(fèi)問(wèn)題。Lejano等人使用線(xiàn)性規(guī)劃制定車(chē)輛污染物排放控制戰(zhàn)略。Balm等人研究 開(kāi)發(fā)出一個(gè)線(xiàn)性規(guī)劃模型用于計(jì)算四個(gè)歐洲國(guó)家在削減二氧化碳排放量時(shí)的合 作收益情況。Jones等人應(yīng)用線(xiàn)性規(guī)劃方法建立能源環(huán)境管理模型，量化能源使 用和污染物排放的闖題。Carlson建立線(xiàn)性能源模型用于解決考慮環(huán)境費(fèi)用的能 源系統(tǒng)重組問(wèn)題。Sinha和Dudhani將線(xiàn)性規(guī)劃應(yīng)用在不同技術(shù)和花費(fèi)系數(shù)的可再 生能源資源領(lǐng)域。Avetisyan等人應(yīng)用線(xiàn)性規(guī)劃方法研究電廠(chǎng)裝機(jī)優(yōu)化擴(kuò)容問(wèn)題。 Akella等人建立線(xiàn)性能源系統(tǒng)優(yōu)化管理模型解決可再生能源資源在遠(yuǎn)郊區(qū)發(fā)電 優(yōu)化問(wèn)題。以上研究表

6、明：線(xiàn)性規(guī)劃應(yīng)用十分廣泛，但線(xiàn)性規(guī)劃不能對(duì)決策制定進(jìn)行整 體的分析進(jìn)而獲得有效的決策支持。先前的研究充分考慮到能源，經(jīng)濟(jì)，環(huán)保， 各種技術(shù)等因素，對(duì)能源模型的復(fù)雜性、交互性進(jìn)行了有益的嘗試。這類(lèi)能源模 型將各種能源利用效率、能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益比較，不但能提供詳細(xì)的能源供求信 息，而且可以獲得不同能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的供應(yīng)、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸和需求情況。市場(chǎng)分配模型(MARKAL)是此類(lèi)模型中最早的大規(guī)模能源模型之一。在國(guó)際 能源署(IEA)的指導(dǎo)幫助下，科學(xué)家們建立了十七個(gè)國(guó)家共同參與的能源模型， 用于評(píng)估基于環(huán)境政策提出的能源策略和技術(shù)對(duì)一個(gè)國(guó)家，一個(gè)地區(qū)、一個(gè)州或 者一個(gè)省所產(chǎn)生的影響。在滿(mǎn)足一個(gè)長(zhǎng)期規(guī)劃過(guò)

7、程終端用戶(hù)對(duì)能源的需求和能源 出口的前提下，對(duì)能源資源進(jìn)行合理分配，并滿(mǎn)足系統(tǒng)費(fèi)用最小。模型構(gòu)建的前 提是假設(shè)所有環(huán)節(jié)運(yùn)作都在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中完成，以滿(mǎn)足最小花費(fèi)的機(jī)制對(duì)能 源資源進(jìn)行配置。1.1.2多目標(biāo)規(guī)劃模型多目標(biāo)規(guī)劃是處理含有多個(gè)目標(biāo)、多層次和多準(zhǔn)則優(yōu)化模型的有效工具。由 于能源系統(tǒng)比較復(fù)雜，涉及很多利益相關(guān)部分，所以決策者需要考慮的系統(tǒng)目標(biāo) 往往包括經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等方面內(nèi)容，與此對(duì)應(yīng)的優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)隨之具 有多個(gè)特征。在能源系統(tǒng)規(guī)劃中常常關(guān)注經(jīng)濟(jì)方面的最優(yōu)化與環(huán)境保護(hù)之間產(chǎn)生 的矛盾。Guldmann和Shefer建立多目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃用于電廠(chǎng)選址和確定最優(yōu)的污染 物排放方案。Cl

8、imaeo等人將多目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃引入到發(fā)電技術(shù)裝機(jī)擴(kuò)建領(lǐng)域中， 建立了包括擴(kuò)建電廠(chǎng)的凈現(xiàn)值，供電系統(tǒng)的可靠性和電廠(chǎng)擴(kuò)建可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的 影響三個(gè)目標(biāo)函數(shù)Borges和Antunes建立了多目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃解決伊朗的能源經(jīng)濟(jì) 規(guī)劃管理問(wèn)題。邱立新等人運(yùn)用多目標(biāo)決策方法對(duì)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的 能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型進(jìn)行研究，并建立模型對(duì)我國(guó)2020年能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。戴晨 翔等人在實(shí)施峰谷分時(shí)上網(wǎng)電價(jià)政策的市場(chǎng)環(huán)境下，綜合考慮火電廠(chǎng)運(yùn)行成本、 環(huán)境保護(hù)和水電廠(chǎng)發(fā)電效益的不同利益要求，提出了一種水火混合電力系統(tǒng)短期 多目標(biāo)發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化模型。多目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃被用來(lái)處理大尺度多目標(biāo)的能源系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題。然而多目標(biāo)

9、 規(guī)劃，只是將系統(tǒng)中需要解決的多個(gè)目標(biāo)聯(lián)合起來(lái)，并沒(méi)有提供一個(gè)直接的結(jié)果。 多目標(biāo)規(guī)劃只有在相關(guān)模數(shù)確定之后才能使用，以MARKAL模型為例，大多數(shù) 情況下，線(xiàn)性規(guī)劃的MARKAL模型以總系統(tǒng)花費(fèi)最小為目標(biāo)函數(shù)，其他目標(biāo)， 例如控制最小的污染物排放量、化石能源消耗量和最大限度的對(duì)可再生能源進(jìn)行 利用都緊密的結(jié)合在模型中。通過(guò)調(diào)整相關(guān)的系統(tǒng)模數(shù)，多目標(biāo)決策相關(guān)的能源 系統(tǒng)問(wèn)題可以有效的解決。2.基于不確定條件下的能源系統(tǒng)模型能源系統(tǒng)是一個(gè)由大量帶有不確定性因素和成分組成的復(fù)雜系統(tǒng)。例如，未 來(lái)可獲得的能源供應(yīng)量、能源需求量以及所需技術(shù)很難以確定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。 在優(yōu)化過(guò)程中忽略不確定性將會(huì)產(chǎn)生不

10、滿(mǎn)足實(shí)際情況的決策支持。這些不確定性 可以用隨機(jī)數(shù)、模糊數(shù)或者區(qū)間數(shù)表示，隨后出現(xiàn)的隨機(jī)規(guī)劃，模糊規(guī)劃和區(qū)間 參數(shù)規(guī)劃等方法，用于解決這些不確定性問(wèn)題。這些方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于能源 與環(huán)境系統(tǒng)規(guī)劃管理過(guò)程中。2.1隨機(jī)規(guī)劃模型當(dāng)輸入值是隨機(jī)數(shù)時(shí)，使用隨機(jī)規(guī)劃方法求解。決策過(guò)程中內(nèi)在的不確定性 可由約束的隨機(jī)數(shù)據(jù)、右邊約束或者目標(biāo)函數(shù)表示。隨機(jī)規(guī)劃的優(yōu)勢(shì)在于：反映 實(shí)際情況中的復(fù)雜問(wèn)題而不將其簡(jiǎn)化，隨機(jī)規(guī)劃允許決策者對(duì)系統(tǒng)的不確定性做 全局性把握，并且輸入值和輸出值都可以用不確定數(shù)據(jù)表示。隨機(jī)規(guī)劃在求解時(shí) 先轉(zhuǎn)化為相對(duì)確定的形式，結(jié)果在一定程度上反映隨機(jī)特性。兩階段隨機(jī)規(guī)劃(Two-stage

11、stochastic programming(TSP)是將隨機(jī)規(guī)劃轉(zhuǎn)化 為相對(duì)確定形式的一種方法.當(dāng)需要獲得政策分析方案但數(shù)據(jù)不確定時(shí)，兩階段 隨機(jī)規(guī)劃可以有效的解決這一問(wèn)題。兩階段隨機(jī)規(guī)劃的基本理論是補(bǔ)償：當(dāng)一個(gè) 隨機(jī)事件發(fā)生后，會(huì)對(duì)規(guī)劃的事件產(chǎn)生影響，兩階段的出現(xiàn)，可以有效的對(duì)隨機(jī) 事件所引發(fā)的問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償。兩階段規(guī)劃中，基于一個(gè)不確定事件進(jìn)行第一階段 的決策，當(dāng)未來(lái)的不確定事件發(fā)生變化，啟動(dòng)一個(gè)補(bǔ)償機(jī)制，最初的決策稱(chēng)為第 一階段，補(bǔ)償行為稱(chēng)之為第二階段。目標(biāo)函數(shù)為基于兩個(gè)階段所有決策的最小系 統(tǒng)花費(fèi)。在過(guò)去的幾十年內(nèi)，兩階段隨機(jī)規(guī)劃已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如， Mobasheri和Har

12、boe將兩階段應(yīng)用于水庫(kù)運(yùn)行優(yōu)化模型中。Cheung和Chen將兩階 段隨機(jī)規(guī)劃應(yīng)用到集裝箱分配問(wèn)題中。兩階段隨機(jī)規(guī)劃在水資源研究領(lǐng)域也有大 量的應(yīng)用。機(jī)會(huì)約束規(guī)劃(Chance-constraint programming(CCP)是將隨機(jī)規(guī)劃轉(zhuǎn)化為相 對(duì)確定規(guī)劃形式的另一種方法。在一個(gè)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型中，模型約束不需要完 全滿(mǎn)足，只需要在一定的置信水平下滿(mǎn)足約束條件即可。機(jī)會(huì)約束規(guī)劃可以有效 的解決約束右邊是概率分布已知的不確定隨機(jī)數(shù)的情況。Rake s和Reeve s提出了一個(gè)針對(duì)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃選擇可行域范圍的方法， Mohamed將機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法擴(kuò)展到其他數(shù)學(xué)規(guī)劃方法中并進(jìn)行了廣泛的應(yīng)

13、用。 EheaIIt和Valocch i建立了混合整數(shù)機(jī)會(huì)約束方法，研究地下水污染物修復(fù)問(wèn)題。 Huang建立了區(qū)間參數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型解決水資源管理問(wèn)題Liu等人將機(jī)會(huì)約束方 法應(yīng)用于不可再生能源優(yōu)化模型的研究中。2.2模糊規(guī)劃模型模糊規(guī)劃是模糊理論與基本數(shù)學(xué)規(guī)劃結(jié)合的產(chǎn)物。模糊規(guī)劃主要分為兩類(lèi)： 模糊彈性規(guī)劃與模糊隨機(jī)規(guī)劃。在模糊彈性規(guī)劃中，約束是彈性的，目標(biāo)函數(shù)是 模糊的。利用模糊集表示模糊約束和模糊目標(biāo)，結(jié)合基本數(shù)學(xué)規(guī)劃，構(gòu)成了模糊 彈性規(guī)劃。在模糊隨機(jī)規(guī)劃中，根據(jù)問(wèn)題的具體情況，將模糊參數(shù)引入到基本數(shù) 學(xué)規(guī)劃中構(gòu)建不同的中問(wèn)模型。模糊理論已經(jīng)與大量的數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合，出現(xiàn)了模糊整數(shù)規(guī)劃，模

14、糊動(dòng)態(tài)規(guī) 劃、模糊多目標(biāo)規(guī)劃，模糊隨機(jī)規(guī)劃。例如Ignizio和Daniels將模糊理論與0-1規(guī) 劃（混合整數(shù)規(guī)劃）相結(jié)合建立了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型。Fabian和Stoica利用由幾個(gè)模糊隸 屬函數(shù)和一個(gè)確定的公式構(gòu)成的模型解決模糊整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，為問(wèn)題的解決提供 了直接的模擬過(guò)程。ESogbue建立了兩個(gè)模糊動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型應(yīng)用于非點(diǎn)源水污染 控制規(guī)劃管理中。Sakawa和Yano對(duì)模糊多目標(biāo)規(guī)劃方法的發(fā)展做出了很大的貢 獻(xiàn)，將交互式模糊滿(mǎn)意度引入到多目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃中，解決多目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題。 模糊規(guī)劃還可與線(xiàn)性、指數(shù)、雙曲線(xiàn)、反雙曲線(xiàn)和分段線(xiàn)性函數(shù)等算法相結(jié)合。 Sakawa和Yan o將模糊方法進(jìn)行

15、深入開(kāi)發(fā)，求解多目標(biāo)線(xiàn)性分段函數(shù)和非線(xiàn)性函 數(shù)中的問(wèn)題。模糊規(guī)劃在能源系統(tǒng)規(guī)劃方面有很多應(yīng)用。例如，Sommer和Pollatschek應(yīng)用 模糊規(guī)劃解決空氣污染問(wèn)題。Slowinski和Slowinski等人應(yīng)用模糊多目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃 研究水資源的供應(yīng)問(wèn)題。Kindler應(yīng)用模糊線(xiàn)性規(guī)劃解決水資源的合理分配、使用 問(wèn)題。Mavrotas等人將模糊線(xiàn)性規(guī)劃引入到能源模型領(lǐng)域?qū)で笙到y(tǒng)的最優(yōu)費(fèi)用。 Sadeghi和Hosseini應(yīng)用模糊線(xiàn)性規(guī)劃對(duì)伊朗的能源供應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。Muela 等人應(yīng)用模糊隨機(jī)規(guī)劃對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行控制。2.3區(qū)間規(guī)劃模型區(qū)間規(guī)劃廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)的不確定問(wèn)題中。區(qū)間規(guī)劃

16、與模糊規(guī)劃、隨機(jī)規(guī)劃 不同。區(qū)間規(guī)劃用包含上下界的區(qū)間數(shù)表示不確定性，而不需要收集大量的數(shù)據(jù) 用于獲得分布函數(shù)或者隸屬函數(shù)。關(guān)于區(qū)間規(guī)劃，早在1988年，Jansson就提出用自我確定的方法解決區(qū)間規(guī) 劃中輸入數(shù)據(jù)的不確定性問(wèn)題。Matloka對(duì)不確定性規(guī)劃方法進(jìn)行了大量的研究 并提出了相應(yīng)的解法。黃國(guó)和等人建立了區(qū)間參數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃方法并將其應(yīng)用于各 種環(huán)境系統(tǒng)管理模型中。3.小結(jié)上述分析表明在全球、國(guó)家和區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)能源系統(tǒng)管理方面已經(jīng)建立了各 種各樣的模型。這些模型的成立有一個(gè)前提：認(rèn)為能源系統(tǒng)是一個(gè)整體。決策者 可以利用這些模型對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行短期或者中長(zhǎng)期的規(guī)劃，用來(lái)處理能源系統(tǒng)發(fā) 展和氣

17、候變化等問(wèn)題。然而，缺少一種小規(guī)模能源系統(tǒng)模型，用于解決具有交互 式、動(dòng)態(tài)特征的區(qū)域問(wèn)題。在規(guī)劃過(guò)程中使用的隨機(jī)、模糊等數(shù)學(xué)方法，可以有 效的解決模型中存在的可能性和隨機(jī)不確定性問(wèn)題.然而，在能源系統(tǒng)模型中， 許多不確定性參數(shù)和影響因子無(wú)法獲得足夠多的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足隨機(jī)特征分布或者獲 得相應(yīng)的隸屬函數(shù)，只能以區(qū)間數(shù)形式表示。單純的隨機(jī)規(guī)劃或者模糊規(guī)劃僅能 表達(dá)隨機(jī)或者模糊信息而無(wú)法反映區(qū)間信息。敏感性分析方法和最優(yōu)最劣方法應(yīng) 用于區(qū)間線(xiàn)性規(guī)劃中對(duì)于結(jié)果的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性方面有較為明顯的缺陷。綜上所述，區(qū)間參數(shù)規(guī)劃有明顯的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)區(qū)間信息可以有效的解決小規(guī) 模的能源系統(tǒng)中的不確定性問(wèn)題。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)建，能源系統(tǒng)也隨之?dāng)U大。 更多的能源，經(jīng)濟(jì)環(huán)境問(wèn)題及其之問(wèn)的交互作用需要在能源模型中體現(xiàn)，各種關(guān) 系之間的不確定性r表現(xiàn)為區(qū)間數(shù)、模糊數(shù)及隨機(jī)數(shù)也必須反映在模型