考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法
考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及区域电力布局规划方法，特别涉及考虑资源环境约束的区域电力综合 资源战略规划方法。
【背景技术】
[0002] 电力规划布局对经济社会发展和资源配置效率至关重要。传统的电源规划依靠单 纯增加电源建设来满足电力需求的增长，20世纪70年代DSM(电力需求侧管理)被提出，改变 了人们对电力系统的传统思维模式，将需求侧可节约的能源也纳入电力资源中，20世纪80 年代美国率先提出了电力综合资源规划（Integrated Resource Program，简称IRP)的概 念，它从系统角度出发，强调了供电和用电协调的重要性，综合考量供求双方的资源，以实 现社会总成本最小和整体效益最优为目标，改变了电力工业一直把用户用电需求作为规划 外在因素的做法，为电力工业的发展创造了巨大的贡献。但现有的研究和和综合资源规划 缺乏对区域区位因素的考量；如CN201510178062.6发明专利公开的一种电网规划方法和 CN201110174821.3发明专利公开的一种电网规划方案的评价方法，所述工频电场采用离地 1.5m处电场强度的垂直分量作为评价量;所述工频磁场采用地表面处和离地某距离的磁场 强度的垂直分量和水平分量作为评价量;新增线路的有效价值采用土地资源利用效率来衡 量电网规划方案;最后，对规划范围内各种类型的景观实景照片采用叠图法来预测各规划 线路与城市景观的协调程度，上述两个现有技术均缺乏对区域区位因素和资源环境相结合 的考量。
【发明内容】
[0003] 基于现有技术的不足，本发明提供一种基于资源环境约束的大背景，考虑区位因 素对电力综合资源战略规划布局影响，建立了资源环境约束下的中长期区域电力综合资源 战略规划布局模型，对区域电力布局进行综合规划。
[0004] 本发明的技术方案为：一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方 法，包括以下步骤： 1) 区域电力综合资源战略规划模型构建； 2) 根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景 分析。
[0005] 所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤： a. 构建目标函数； b. 基于区位因素确定约束条件； c. 根据区位因素确定边界条件； d. 模型构建。
[0006] 所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤： ①情景边界设定； ② 资源环境约束情景设定； ③ 经济协调性情景设定； ④ 具体情景分析。
[0007] 所述目标函数为规划期内总成本f最小，包括电源成成本cEPP和排放成 本 CEmi: min f = CGen+CEPP+CEmi 所述基于区位因素确定约束条件按环节包括电源环节、电网环节、EPP环节、源-荷环节 和源-网-荷环节。
[0008] 所述基于区位因素确定约束条件细分为装机规模约束、污染物排放约束、盈利约 束、跨区电力约束、跨区电量约束、规模约束、补贴约束。
[0009] 区位因素边界条件包括区域功能区划分、全区域装机类型、电力供需、能效电厂、 排放约束和电源平衡。
[0010] 所述模型运用代数建模系统进行非线性规划，并使用来自ARKI Consulting & Development A/S的C0N0PT非线性求解器进行问题的优化。
[0011] 所述情景边界依据对区域经济形势的发展预测，以主体功能区未来每一年的电力 需求为边界。
[0012] 所述资源环境约束情景根据主体功能区的电源装机极限和EPP推广潜力，考虑 C02、S02、氮氧化物排放影响，以社会总投入最小为目标，实现区域各类电源装机和EPP的整 体规划。
[0013] 所述经济协调性情景包括进行中长期区域电力布局的发展路径设定，保障河南区 域电力布局与区域经济的协调发展。
[0014] 所述具体情景分析包括投资情景分析、装机情景分析、发电情景分析、交换电量情 景分析、排放量情景分析。
[0015] 本发明通过构建基于资源环境约束和区位因素下的中长期综合资源战略规划模 型，基于已有的综合资源战略规划模型的基础上，针对经济社会和资源禀赋特点，通过建立 考虑跨区输电的多区域综合资源战略规划模型，实现区域资源的整体优化路径，对特定区 域电力综合资源规划电力布局进行情景分析，保障河南区域电力布局与区域经济的协调发 展。
【附图说明】
[0016] 图1本发明实施例1河南2014-2030年常规电源和EPP投资情况； 图2本发明实施例1河南2014-2030年各区域投资情况； 图3本发明实施例1河南2030年期末各区域装机结构图； 图4本发明实施例1河南2014-2030年各区域发电量情况； 图5本发明实施例1河南2014-2030年各区域间交互电量情况； 图6本发明实施例1河南2014-2030年C02排放情况； 图7本发明实施例1河南2014-2030年各区域C02排放增长情况。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1:如图1-7所示，一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方 法，包括以下步骤： 1) 区域电力综合资源战略规划模型构建； 2) 根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景 分析。
[0018] 所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤： a. 构建目标函数； b. 基于区位因素确定约束条件； c. 根据区位因素确定边界条件； d. 模型构建。
[0019] 所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤： ① 情景边界设定； ② 资源环境约束情景设定； ③ 经济协调性情景设定； ④ 具体情景分析。
[0020] 所述目标函数为规划期内总成本f最小（考虑资金的时间价值），包括电源成本 CGen、EPP成本CEPP和排放成本CEmi : min f = CGen+CEPP+CEmi 所述基于区位因素确定约束条件，分环节来看，包括电源环节、电网环节、EPP环节、源_ 荷环节和源-网-荷环节。
[0021] 所述基于区位因素确定约束条件细分为装机规模约束、污染物排放约束、盈利约 束、跨区电力约束、跨区电量约束、规模约束、补贴约束。
[0022] 区位因素边界条件包括区域功能区划分、全区域装机类型、电力供需、能效电厂、 排放约束和电源平衡。
[0023] 所述模型，根据区位划分情况，运用代数建模系统(General Algebraic Modeling System，即GAMS)进行非线性规划，并使用来自ARKI Consulting & Development A/S的 C0N0PT非线性求解器进行问题的优化。
[0024] 所述情景边界依据对区域经济形势的发展预测，以主体功能区未来每一年的电力 需求为边界。
[0025] 所述资源环境约束情景根据主体功能区的电源装机极限和EPP推广潜力，考虑 C02、S02、氮氧化物排放影响，以社会总投入最小为目标，实现区域各类电源装机和EPP的整 体规划。
[0026] 所述经济协调性情景包括进行中长期区域电力布局的发展路径设定，保障河南区 域电力布局与区域经济的协调发展。
[0027] 所述具体情景分析包括投资情景分析、装机情景分析、发电情景分析、交换电量情 景分析、排放量情景分析。
[0028] 下面，以河南省为例进一步说明本发明。
[0029] 构建河南省综合资源战略规划模型(HNIRSP)以整个规划期的社会总投入最小为 目标函数，统筹考虑电源、EPP各环节以及区内、跨区的制约因素，通过全局优化，得到未来 各水平年各类投资和运行费用、电源装机、电网建设规模、发电量、各种污染物排放量情况， 从而得出全省最优电力布局。
[0030] ( -）目标函数的确定 目标函数为规划期内总成本f最小(考虑资金的时间价值），包括电源成本Cfen、EPP成本 CEPP和排放成本CEmi: min f = CGen+CEPP+CEmi (1) (1)电源成本CGen 包括规划期内各年投运机组的固定费用和所有机组的运行费用：
(2) 式中，表示各年考虑建设补贴的投运机组固定投资之和；为各年考虑运行补 贴的所有机组运行费用之和。
[0031] (2)能效电厂成本CEPP 包括规划期内各年新增Ε ΡΡ的固定费用和所有ΕΡΡ的运行费用。
[0032]
式中，为各年考虑推广补贴的新增ΕΡΡ固定投资之和；表示各年考虑运行补 贴的所有能效电厂运行费用之和。
[0033] (3)排放费用CEmi 包含规划期内各年各类*厂的&仇―
田- 式中，Cg、Cjf、分别表示各年co2、S02、Ν0Χ的排放费用之和。
[0034] (二)约束条件的确定 河南省综合资源战略规划模型(HNIRSP)涉及电源、电网、EPP各个环节，如下表所示： 表1河南省综合资源战略规划模型约束条件表
(3)边界条件的确定 (1)功能区域划分 根据河南区域特点、经济发展状况，各地市资源及需求特点，将河南分为安鹤濮、焦新、 豫西、豫中东、豫西南、豫东南6大区域进行电源布局的研究。
[0035] (2)装机类型 全省装机类型考虑火电、水电、气电、风电、光伏、核电、生物质、能效电厂几大类分类。 其中包括19种常规电源类型、7种能效电厂类型。
[0036] (3)电力供需 取河南省各区域各发电类型最大装机极限作为区域装机研究边界条件。其中：河南省 相关电厂实际投资选取各类装机单位投资，作为研究边界条件;各区域未来水平年输电通 道容量结合河南省2030年目标网架相关区间输电能力得出；区外来电规模根据全国特高压 规划得出；火电厂装机利用年限按照30年计算，考虑到新机组投产一般都在下半年，投产当 年利用率按30%计;水电、火电、气电、风电、光伏、抽水蓄能利用小时参照2010-2014年河南 省各类电厂、各区域机组利用小时平均值;核电机组利用小时采用设计值;电力需求根据国 网能源研究院对河南省2010-2030年分区域电量预测和负荷预测确定。
[0037] 各类机组运行费参照常规各类机组运行费用，火电厂运行费用根据各区域电厂煤 炭来源，煤炭价格不同并计及运输费的不同，不同区域有一定的差值。
[0038] (4)能效电厂 能效电厂的发电量系数和出力系数计算公式如下： 能效电厂的发电量系数=节能设备发电量/节能设备用电量 能效电厂的出力系数=出力/设备容量 根据调研典型能效电厂数据，设定各类EPP发电量系数和出力系数如下表所示： 表2各类能效电厂发电量系数和出力系数
根据国网能源研究院对河南地区能效电厂的估算，按照各区域未来负荷情况，测算各 区域各类EPP潜力。
[0039] (5)排放约束 根据未来全国⑶2、S〇2和NOx排放约束，X指代1或2，即包括一氧化氮和二氧化氮，由河 南各区域用电量情况分解得到各区域C02、S02和NOx排放约束。各类污染物排放成本不高于 全国水平值。
[0040] (6)电源平衡 进行电源优化平衡时，各区域备用率均取15%。
[0041](四）模型构建及测算 本项目构建的HNIRSP模型研究2014-2030年河南电力优化布局。模型包含安鹤濮、焦 新、豫西、豫中东、豫西南、豫东南6大区域电网（也可以按照每个地市作为一个区域）的电 源、EPP规划。运用代数建模系统（General Algebraic Modeling System，即GAMS)进行非 线性规划，并使用来自ARKI Consulting & Development A/S的⑶NOPT非线性求解器进行 问题的优化。
[0042]情景分析是在设定情景的基础上对分析、预测各情景对目标产生的影响，在能源 经济研究中，情景分析法主要用于能源供求分析、能源政策、能源技术方面的研究。考虑河 南新经济发展形势的要求以及各区域经济发展需要，情景设定如下： 情景设定一:根据对前述未来河南新经济发展形势的预测，以安鹤濮、焦新、豫西、豫中 东、豫西南、豫东南各年6大区域未来电力、电量需求划定情景边界。未来指2014-2030年。或 2014-2022年。
[0043]情景设定二:根据河南未来6大区域常规电源装机极限和EPP推广潜力，考虑外来 电和6区域电网间的跨区输电电力、电量约束，考虑C02、S02、氮氧化物排放影响，以社会总投 入最小为目标，实现6区域各类电源装机和EPP的整体规划。
[0044]情景设定三:研究2014-2030年河南电力布局的发展路径，保障河南区域电力布局 与区域经济的协调发展。
[0045]在推进河南省分区域电力综合资源战略规划的情况下，基于Lenovo M6300t计算 平台，从以下几个方面进行情景分析。
[0046] (1)投资情景分析 从图1可知，河南2014-2030年间常规电源和EPP总投资约为2279.23亿元，年均增长约 6.21%，其中2014-2020年常规电源和EPP投资年均增速10.63% ,2021-2025年年均增速为 5.63% ,2026-2030年年均增速为1.70%，增速呈现逐步放缓的趋势，这与特高压工程相继 建成、外来电逐年增加规模密切相关。
[0047]从图2可知，由于未来电力需求快速增长在豫中东和豫东南地区，该两区域电力需 求增量较大，2014-2030年间豫中东和豫东南地区电源投资占比最大，豫西南、豫西、焦新地 区次之，安鹤濮最小；从常规电源和EPP投资增长速度看，豫东南地区增速最高，2014-2030 年年均增速达到9.91 %，豫西地区增速最小，为3.77%。各区域不同阶段年均增速均呈现逐 年降低的趋势。
[0048] (2)装机情景分析 根据情景模拟结果，河南2014-2030年将新增火电49031MW，占总新增装机比重的 30.12%，新增火电主要分布在焦新和豫西南地区。2014-2030年风电新增18917MW，占总新 增装机比重的11.62%，豫西、豫西南和豫东南地区成为河南风电增长最快的地区。2014-2030年太阳能新增装机10880丽，占总新增装机的比重约为6.68%，安鹤濮、豫西、豫东南 光伏增长最快。河南2014-2030年水电新增1292MW，占新增装机的0.79%，新增水电主要集 中在豫东南和豫西南地区。河南2014-2030年各类EPP将新增约36044MW，占总新增装机的比 重约为22.1 %。总体来看，在绿色电力发展的影响下，风电、光伏、能效电厂的比重将在2020 年以后得到迅速发展，比重迅速上升。
[0049] 从图3可知，河南2030年期末火电装机将约为97618MW，占总装机的70.28%，相较 2014火电装机比重下降了22.2个百分点，火电集中地区由豫西和豫中东，向焦新、豫西和豫 西南地区发展。风电2030年将成为河南第二大常规电力来源，期末装机约为19186MW，占总 装机的13.81%，较2014年增长13.1个百分点，豫西和豫西南、豫东南地区的风电资源将得 到大力地开发;河南太阳能装机2030年将达到10900MW，占总装机的7.85%，较2014年增长 7.53个百分点，太阳能主要分布在安鹤濮、豫西和豫东南地区。作为需求侧管理重要补充的 能效电厂资源，河南2030年各类EPP将达到38678MW，其中豫西、豫中东和豫东南地区将提供 超过24712MW的各类EPP。豫东南地区，由于受资源限制，该区域未来装机构成中，将主要以 绿色电源为主，区外来电、风电、光伏、能效电厂以及省内区域输电将成为该区域电力支撑 的主要来源。
[0050] (3)发电量情景分析 根据情景模拟结果，河南省2014-2030年发电量（区内常规电源和外来电）约84950 X 108kWh。其中，河南2014-2030年发电仍将以火电为主，火电发电量约61677.86X 108kWh，占 总发电量的72.60%。外来电将成为河南重要的供电来源，2014-2030年通过特高压的外来 电约为13155.7 X 108kWh，占总发电量的15.49%。河南2014-2030年风电供电量达到2803.5 X108kWh，占总发电量的3.3 %，豫西、豫西南和豫东南地区风电占比较大。河南太阳能 2014-2030年的供电量为634.56 X 108kWh，占总发电量的0.75%，太阳能主要集中在豫西、 安鹤濮和豫东南地区。受资源限制，河南水电2014-2030年发电量仅为1803.3 X 108kWh，占 总供电量的2.12%，主要分布在焦新、豫西和豫西南地区。河南气电2014-2030年供电量为 1786.74X108kWh，占总发电量的2.10%，主要集中在豫中东和豫东南地区。能效电厂(EPP) 在河南得到了快速发展，可以提供约2046.9 XIOSkWh的效电量，占总发电量的比例 将达 2.41%，除豫中东地区EPP发展速度较快外，其他区域的EPP增长比较平均，见图4。
[0051] (4)交换电量情景分析 由于全省资源和需求逆向分布，电源布局受资源状况制约，电源布局的不均衡需要通 过建设电网，通过区域间电力输送来弥补各地区的电力电量缺额。
[0052]随着区域不均衡性的趋势的更加明显，河南各区域间电量交换呈现上升趋势， 2014-2030年间合计交换电量5361.8X108kWh，年均增长17.23%，其中2014-2020年各区域 间电量交换约 1770 X 108kWh，2021-2025年约 1515 · 57 X 108kWh，2026-2030年约2076 · 22 X 108kWh，增长速度不断加快，其中主要是焦新-安鹤濮、焦新-豫中东、豫西-豫中东、豫西-豫 西南、豫西南-豫东南。
[0053]从图5可知，根据全省各区域间交互电量变化趋势，可见，近期区域间电量交互较 大，2018年前后，全省缺能地区特高压区外电力的引入，使得相应缺能地区电力缺额变小， 电量交互减少，远期又呈逐年增大的趋势。未来网架的构建也是主要基于全省6大区域，根 据其各自区域送受端的电网功能定位来定。
[0054] (5)排放量情景分析 从图6可知，随着绿色电力的发展，全省C02减排强度逐年降低，降低速度逐年增大。从 C02排放情况看，外来电、风电、光伏发电以及EPP资源的利用，替代化石能源效果显著， 2014-2030年间合计排放5865百万吨C0 2,增长速度呈现逐年放缓的趋势，其中2014-2020年 各区域⑶2排放约1815百万吨，2021-2025年约2196.7百万吨，2026-2030年约2196.72百万 吨，增长速度不断放缓。
[0055]从图7可知，分区域看，除豫西地区排放增长一直比较平稳外，其他区域排放均逐 步放缓，安鹤濮地区增速下降幅度最大。
[0056]基于已有的综合资源战略规划模型的基础上，针对河南省经济社会和资源禀赋贴 点，通过建立考虑跨区输电的多区域河南省综合资源战略规划模型(HNIRSP)，研究实现河 南各地区资源的整体优化。在河南省电力综合资源规划电力布局情境下，2014-2030年全省 需要新增装机的需求总量为13300万千瓦，除去EPP后，全省新增装机需求约为9695万千瓦， 与全省装机空间平衡结果相比，减少装机容量3225万千瓦，可直接减少全社会投资约108.6 亿元，减排二氧化碳约11627万吨，减排二氧化硫约37.7万吨，减排氮氧化物约32.8万吨。 [0057] 河南2014-2030年间常规电源和EPP总投资约为2279.23亿元，年均增长约6.21 %， 增速呈现逐步放缓的趋势。分区域来看，由于未来电力需求快速增长在豫中东和豫东南地 区。受电源结构影响，未来全省火电装机将仍占较大比重，风电、光伏、能效电厂的比重将在 2020年以后得到迅速发展。河南2030年期末火电装机将约为97618MW，占总装机的70.28%; 风电、太阳能2030年将成为河南第二大常规电力来源，期末装机约为30086MW，占总装机的 21.66%。在外来电、清洁能源以及能效电厂稳步增长的趋势下，河南逐步调整依赖火电的 局面，其电源结构将更趋于合理。作为需求侧管理重要补充的能效电厂资源，河南2030年各 类EPP将达到38678MW，其中豫西、豫中东和豫东南地区将提供超过24712MW的各类EPP。 [0058]豫东南地区的未来装机构成中，将主要以绿色电源为主，区外来电、风电、光伏、能 效电厂以及省内区域输电将成为该区域电力支撑的主要来源。由于全省资源和需求逆向分 布，电源布局受资源状况制约，电源布局的不均衡需要通过建设电网，通过区域间电力输送 来弥补各地区的电力电量缺额。随着区域不均衡性的趋势的更加明显，河南各区域间电量 交换呈现上升趋势，2014-2030年间合计交换电量5361.8亿千瓦时，年均增长17.23%，增长 速度逐年加大，主要是区内6大区域送受端间的直接输送。
[0059]随着绿色电力的发展，全省C02减排强度逐年降低，降低速度逐年增大。从C02排放 情况看，外来电、风电、光伏发电以及EPP资源的利用，替代化石能源效果显著，2014-2030年 间合计排放5865百万吨C0 2，增长速度呈现逐年放缓的趋势。
【主权项】
1. 一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征在于:包括以下 步骤： 1) 区域电力综合资源战略规划模型构建； 2) 根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景 分析。2. 如权利要求1所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤： a. 构建目标函数； b. 基于区位因素确定约束条件； c. 根据区位因素确定边界条件； d. 模型构建。3. 如权利要求1所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤： ① 情景边界设定； ② 资源环境约束情景设定； ③ 经济协调性情景设定； ④ 具体情景分析。4. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述目标函数为规划期内总成本f最小，包括电源成本Cee3n、EPP成本CEPP和排放成本 gEmi| minf=Ceen+CEPP+CEmi。5. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述基于区位因素确定约束条件按环节包括电源环节、电网环节、EPP环节、源-荷环 节和源-网-荷环节。6. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述基于区位因素确定约束条件细分为装机规模约束、污染物排放约束、盈利约束、 跨区电力约束、跨区电量约束、规模约束、补贴约束。7. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于：区位因素边界条件包括区域功能区划分、全区域装机类型、电力供需、能效电厂、排放 约束和电源平衡。8. 如权利要求3所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于：所述模型运用代数建模系统进行非线性规划，并使用来自ARKIConsulting& DevelopmentA/S的CONOPT非线性求解器进行问题的优化。9. 如权利要求3所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述情景边界依据对区域经济形势的发展预测，以主体功能区未来每一年的电力需 求为边界。10. 如权利要求3所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于：所述资源环境约束情景根据主体功能区的电源装机极限和EPP推广潜力，考虑C02、 S〇2、氮氧化物排放影响，C〇2、S〇2、氮氧化物排放成本不高于全国水平值，以社会总投入最小 为目标，实现区域各类电源装机和EPP的整体规划； 所述经济协调性情景包括进行中长期区域电力布局的发展路径设定，保障区域电力布 局与区域经济的协调发展； 所述具体情景分析包括投资情景分析、装机情景分析、发电情景分析、交换电量情景分 析、排放量情景分析。
【专利摘要】本发明公开了一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，包括以下步骤：1）区域电力综合资源战略规划模型构建；2）根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析。所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤：a.构建目标函数；b.基于区位因素确定约束条件；c.根据区位因素确定边界条件；d.模型构建。所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤：①情景边界设定；②资源环境约束情景设定；③经济协调性情景设定；④具体情景分析。本发明基于资源环境约束的大背景，建立了资源环境约束下的中长期区域电力综合资源战略规划布局模型，对区域电力布局进行综合规划。
【IPC分类】G06Q50/06
【公开号】CN105488735
【申请号】CN201510864988
【发明人】白宏坤, 刘永民, 郑雅楠, 王江波, 尹硕, 李虎军, 杨萌, 李文峰, 刘军会, 宋大为, 李宗
【申请人】国家电网公司, 国网河南省电力公司经济技术研究院, 国网能源研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月1日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及区域电力布局规划方法，特别涉及考虑资源环境约束的区域电力综合 资源战略规划方法。
【背景技术】
[0002] 电力规划布局对经济社会发展和资源配置效率至关重要。传统的电源规划依靠单 纯增加电源建设来满足电力需求的增长，20世纪70年代DSM(电力需求侧管理)被提出，改变 了人们对电力系统的传统思维模式，将需求侧可节约的能源也纳入电力资源中，20世纪80 年代美国率先提出了电力综合资源规划（Integrated Resource Program，简称IRP)的概 念，它从系统角度出发，强调了供电和用电协调的重要性，综合考量供求双方的资源，以实 现社会总成本最小和整体效益最优为目标，改变了电力工业一直把用户用电需求作为规划 外在因素的做法，为电力工业的发展创造了巨大的贡献。但现有的研究和和综合资源规划 缺乏对区域区位因素的考量；如CN201510178062.6发明专利公开的一种电网规划方法和 CN201110174821.3发明专利公开的一种电网规划方案的评价方法，所述工频电场采用离地 1.5m处电场强度的垂直分量作为评价量;所述工频磁场采用地表面处和离地某距离的磁场 强度的垂直分量和水平分量作为评价量;新增线路的有效价值采用土地资源利用效率来衡 量电网规划方案;最后，对规划范围内各种类型的景观实景照片采用叠图法来预测各规划 线路与城市景观的协调程度，上述两个现有技术均缺乏对区域区位因素和资源环境相结合 的考量。
【发明内容】
[0003] 基于现有技术的不足，本发明提供一种基于资源环境约束的大背景，考虑区位因 素对电力综合资源战略规划布局影响，建立了资源环境约束下的中长期区域电力综合资源 战略规划布局模型，对区域电力布局进行综合规划。
[0004] 本发明的技术方案为：一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方 法，包括以下步骤： 1) 区域电力综合资源战略规划模型构建； 2) 根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景 分析。
[0005] 所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤： a. 构建目标函数； b. 基于区位因素确定约束条件； c. 根据区位因素确定边界条件； d. 模型构建。
[0006] 所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤： ①情景边界设定； ② 资源环境约束情景设定； ③ 经济协调性情景设定； ④ 具体情景分析。
[0007] 所述目标函数为规划期内总成本f最小，包括电源成成本cEPP和排放成 本 CEmi: min f = CGen+CEPP+CEmi 所述基于区位因素确定约束条件按环节包括电源环节、电网环节、EPP环节、源-荷环节 和源-网-荷环节。
[0008] 所述基于区位因素确定约束条件细分为装机规模约束、污染物排放约束、盈利约 束、跨区电力约束、跨区电量约束、规模约束、补贴约束。
[0009] 区位因素边界条件包括区域功能区划分、全区域装机类型、电力供需、能效电厂、 排放约束和电源平衡。
[0010] 所述模型运用代数建模系统进行非线性规划，并使用来自ARKI Consulting & Development A/S的C0N0PT非线性求解器进行问题的优化。
[0011] 所述情景边界依据对区域经济形势的发展预测，以主体功能区未来每一年的电力 需求为边界。
[0012] 所述资源环境约束情景根据主体功能区的电源装机极限和EPP推广潜力，考虑 C02、S02、氮氧化物排放影响，以社会总投入最小为目标，实现区域各类电源装机和EPP的整 体规划。
[0013] 所述经济协调性情景包括进行中长期区域电力布局的发展路径设定，保障河南区 域电力布局与区域经济的协调发展。
[0014] 所述具体情景分析包括投资情景分析、装机情景分析、发电情景分析、交换电量情 景分析、排放量情景分析。
[0015] 本发明通过构建基于资源环境约束和区位因素下的中长期综合资源战略规划模 型，基于已有的综合资源战略规划模型的基础上，针对经济社会和资源禀赋特点，通过建立 考虑跨区输电的多区域综合资源战略规划模型，实现区域资源的整体优化路径，对特定区 域电力综合资源规划电力布局进行情景分析，保障河南区域电力布局与区域经济的协调发 展。
【附图说明】
[0016] 图1本发明实施例1河南2014-2030年常规电源和EPP投资情况； 图2本发明实施例1河南2014-2030年各区域投资情况； 图3本发明实施例1河南2030年期末各区域装机结构图； 图4本发明实施例1河南2014-2030年各区域发电量情况； 图5本发明实施例1河南2014-2030年各区域间交互电量情况； 图6本发明实施例1河南2014-2030年C02排放情况； 图7本发明实施例1河南2014-2030年各区域C02排放增长情况。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1:如图1-7所示，一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方 法，包括以下步骤： 1) 区域电力综合资源战略规划模型构建； 2) 根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景 分析。
[0018] 所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤： a. 构建目标函数； b. 基于区位因素确定约束条件； c. 根据区位因素确定边界条件； d. 模型构建。
[0019] 所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤： ① 情景边界设定； ② 资源环境约束情景设定； ③ 经济协调性情景设定； ④ 具体情景分析。
[0020] 所述目标函数为规划期内总成本f最小（考虑资金的时间价值），包括电源成本 CGen、EPP成本CEPP和排放成本CEmi : min f = CGen+CEPP+CEmi 所述基于区位因素确定约束条件，分环节来看，包括电源环节、电网环节、EPP环节、源_ 荷环节和源-网-荷环节。
[0021] 所述基于区位因素确定约束条件细分为装机规模约束、污染物排放约束、盈利约 束、跨区电力约束、跨区电量约束、规模约束、补贴约束。
[0022] 区位因素边界条件包括区域功能区划分、全区域装机类型、电力供需、能效电厂、 排放约束和电源平衡。
[0023] 所述模型，根据区位划分情况，运用代数建模系统(General Algebraic Modeling System，即GAMS)进行非线性规划，并使用来自ARKI Consulting & Development A/S的 C0N0PT非线性求解器进行问题的优化。
[0024] 所述情景边界依据对区域经济形势的发展预测，以主体功能区未来每一年的电力 需求为边界。
[0025] 所述资源环境约束情景根据主体功能区的电源装机极限和EPP推广潜力，考虑 C02、S02、氮氧化物排放影响，以社会总投入最小为目标，实现区域各类电源装机和EPP的整 体规划。
[0026] 所述经济协调性情景包括进行中长期区域电力布局的发展路径设定，保障河南区 域电力布局与区域经济的协调发展。
[0027] 所述具体情景分析包括投资情景分析、装机情景分析、发电情景分析、交换电量情 景分析、排放量情景分析。
[0028] 下面，以河南省为例进一步说明本发明。
[0029] 构建河南省综合资源战略规划模型(HNIRSP)以整个规划期的社会总投入最小为 目标函数，统筹考虑电源、EPP各环节以及区内、跨区的制约因素，通过全局优化，得到未来 各水平年各类投资和运行费用、电源装机、电网建设规模、发电量、各种污染物排放量情况， 从而得出全省最优电力布局。
[0030] ( -）目标函数的确定 目标函数为规划期内总成本f最小(考虑资金的时间价值），包括电源成本Cfen、EPP成本 CEPP和排放成本CEmi: min f = CGen+CEPP+CEmi (1) (1)电源成本CGen 包括规划期内各年投运机组的固定费用和所有机组的运行费用：
(2) 式中，表示各年考虑建设补贴的投运机组固定投资之和；为各年考虑运行补 贴的所有机组运行费用之和。
[0031] (2)能效电厂成本CEPP 包括规划期内各年新增Ε ΡΡ的固定费用和所有ΕΡΡ的运行费用。
[0032]
式中，为各年考虑推广补贴的新增ΕΡΡ固定投资之和；表示各年考虑运行补 贴的所有能效电厂运行费用之和。
[0033] (3)排放费用CEmi 包含规划期内各年各类*厂的&仇―
田- 式中，Cg、Cjf、分别表示各年co2、S02、Ν0Χ的排放费用之和。
[0034] (二)约束条件的确定 河南省综合资源战略规划模型(HNIRSP)涉及电源、电网、EPP各个环节，如下表所示： 表1河南省综合资源战略规划模型约束条件表
(3)边界条件的确定 (1)功能区域划分 根据河南区域特点、经济发展状况，各地市资源及需求特点，将河南分为安鹤濮、焦新、 豫西、豫中东、豫西南、豫东南6大区域进行电源布局的研究。
[0035] (2)装机类型 全省装机类型考虑火电、水电、气电、风电、光伏、核电、生物质、能效电厂几大类分类。 其中包括19种常规电源类型、7种能效电厂类型。
[0036] (3)电力供需 取河南省各区域各发电类型最大装机极限作为区域装机研究边界条件。其中：河南省 相关电厂实际投资选取各类装机单位投资，作为研究边界条件;各区域未来水平年输电通 道容量结合河南省2030年目标网架相关区间输电能力得出；区外来电规模根据全国特高压 规划得出；火电厂装机利用年限按照30年计算，考虑到新机组投产一般都在下半年，投产当 年利用率按30%计;水电、火电、气电、风电、光伏、抽水蓄能利用小时参照2010-2014年河南 省各类电厂、各区域机组利用小时平均值;核电机组利用小时采用设计值;电力需求根据国 网能源研究院对河南省2010-2030年分区域电量预测和负荷预测确定。
[0037] 各类机组运行费参照常规各类机组运行费用，火电厂运行费用根据各区域电厂煤 炭来源，煤炭价格不同并计及运输费的不同，不同区域有一定的差值。
[0038] (4)能效电厂 能效电厂的发电量系数和出力系数计算公式如下： 能效电厂的发电量系数=节能设备发电量/节能设备用电量 能效电厂的出力系数=出力/设备容量 根据调研典型能效电厂数据，设定各类EPP发电量系数和出力系数如下表所示： 表2各类能效电厂发电量系数和出力系数
根据国网能源研究院对河南地区能效电厂的估算，按照各区域未来负荷情况，测算各 区域各类EPP潜力。
[0039] (5)排放约束 根据未来全国⑶2、S〇2和NOx排放约束，X指代1或2，即包括一氧化氮和二氧化氮，由河 南各区域用电量情况分解得到各区域C02、S02和NOx排放约束。各类污染物排放成本不高于 全国水平值。
[0040] (6)电源平衡 进行电源优化平衡时，各区域备用率均取15%。
[0041](四）模型构建及测算 本项目构建的HNIRSP模型研究2014-2030年河南电力优化布局。模型包含安鹤濮、焦 新、豫西、豫中东、豫西南、豫东南6大区域电网（也可以按照每个地市作为一个区域）的电 源、EPP规划。运用代数建模系统（General Algebraic Modeling System，即GAMS)进行非 线性规划，并使用来自ARKI Consulting & Development A/S的⑶NOPT非线性求解器进行 问题的优化。
[0042]情景分析是在设定情景的基础上对分析、预测各情景对目标产生的影响，在能源 经济研究中，情景分析法主要用于能源供求分析、能源政策、能源技术方面的研究。考虑河 南新经济发展形势的要求以及各区域经济发展需要，情景设定如下： 情景设定一:根据对前述未来河南新经济发展形势的预测，以安鹤濮、焦新、豫西、豫中 东、豫西南、豫东南各年6大区域未来电力、电量需求划定情景边界。未来指2014-2030年。或 2014-2022年。
[0043]情景设定二:根据河南未来6大区域常规电源装机极限和EPP推广潜力，考虑外来 电和6区域电网间的跨区输电电力、电量约束，考虑C02、S02、氮氧化物排放影响，以社会总投 入最小为目标，实现6区域各类电源装机和EPP的整体规划。
[0044]情景设定三:研究2014-2030年河南电力布局的发展路径，保障河南区域电力布局 与区域经济的协调发展。
[0045]在推进河南省分区域电力综合资源战略规划的情况下，基于Lenovo M6300t计算 平台，从以下几个方面进行情景分析。
[0046] (1)投资情景分析 从图1可知，河南2014-2030年间常规电源和EPP总投资约为2279.23亿元，年均增长约 6.21%，其中2014-2020年常规电源和EPP投资年均增速10.63% ,2021-2025年年均增速为 5.63% ,2026-2030年年均增速为1.70%，增速呈现逐步放缓的趋势，这与特高压工程相继 建成、外来电逐年增加规模密切相关。
[0047]从图2可知，由于未来电力需求快速增长在豫中东和豫东南地区，该两区域电力需 求增量较大，2014-2030年间豫中东和豫东南地区电源投资占比最大，豫西南、豫西、焦新地 区次之，安鹤濮最小；从常规电源和EPP投资增长速度看，豫东南地区增速最高，2014-2030 年年均增速达到9.91 %，豫西地区增速最小，为3.77%。各区域不同阶段年均增速均呈现逐 年降低的趋势。
[0048] (2)装机情景分析 根据情景模拟结果，河南2014-2030年将新增火电49031MW，占总新增装机比重的 30.12%，新增火电主要分布在焦新和豫西南地区。2014-2030年风电新增18917MW，占总新 增装机比重的11.62%，豫西、豫西南和豫东南地区成为河南风电增长最快的地区。2014-2030年太阳能新增装机10880丽，占总新增装机的比重约为6.68%，安鹤濮、豫西、豫东南 光伏增长最快。河南2014-2030年水电新增1292MW，占新增装机的0.79%，新增水电主要集 中在豫东南和豫西南地区。河南2014-2030年各类EPP将新增约36044MW，占总新增装机的比 重约为22.1 %。总体来看，在绿色电力发展的影响下，风电、光伏、能效电厂的比重将在2020 年以后得到迅速发展，比重迅速上升。
[0049] 从图3可知，河南2030年期末火电装机将约为97618MW，占总装机的70.28%，相较 2014火电装机比重下降了22.2个百分点，火电集中地区由豫西和豫中东，向焦新、豫西和豫 西南地区发展。风电2030年将成为河南第二大常规电力来源，期末装机约为19186MW，占总 装机的13.81%，较2014年增长13.1个百分点，豫西和豫西南、豫东南地区的风电资源将得 到大力地开发;河南太阳能装机2030年将达到10900MW，占总装机的7.85%，较2014年增长 7.53个百分点，太阳能主要分布在安鹤濮、豫西和豫东南地区。作为需求侧管理重要补充的 能效电厂资源，河南2030年各类EPP将达到38678MW，其中豫西、豫中东和豫东南地区将提供 超过24712MW的各类EPP。豫东南地区，由于受资源限制，该区域未来装机构成中，将主要以 绿色电源为主，区外来电、风电、光伏、能效电厂以及省内区域输电将成为该区域电力支撑 的主要来源。
[0050] (3)发电量情景分析 根据情景模拟结果，河南省2014-2030年发电量（区内常规电源和外来电）约84950 X 108kWh。其中，河南2014-2030年发电仍将以火电为主，火电发电量约61677.86X 108kWh，占 总发电量的72.60%。外来电将成为河南重要的供电来源，2014-2030年通过特高压的外来 电约为13155.7 X 108kWh，占总发电量的15.49%。河南2014-2030年风电供电量达到2803.5 X108kWh，占总发电量的3.3 %，豫西、豫西南和豫东南地区风电占比较大。河南太阳能 2014-2030年的供电量为634.56 X 108kWh，占总发电量的0.75%，太阳能主要集中在豫西、 安鹤濮和豫东南地区。受资源限制，河南水电2014-2030年发电量仅为1803.3 X 108kWh，占 总供电量的2.12%，主要分布在焦新、豫西和豫西南地区。河南气电2014-2030年供电量为 1786.74X108kWh，占总发电量的2.10%，主要集中在豫中东和豫东南地区。能效电厂(EPP) 在河南得到了快速发展，可以提供约2046.9 XIOSkWh的效电量，占总发电量的比例 将达 2.41%，除豫中东地区EPP发展速度较快外，其他区域的EPP增长比较平均，见图4。
[0051] (4)交换电量情景分析 由于全省资源和需求逆向分布，电源布局受资源状况制约，电源布局的不均衡需要通 过建设电网，通过区域间电力输送来弥补各地区的电力电量缺额。
[0052]随着区域不均衡性的趋势的更加明显，河南各区域间电量交换呈现上升趋势， 2014-2030年间合计交换电量5361.8X108kWh，年均增长17.23%，其中2014-2020年各区域 间电量交换约 1770 X 108kWh，2021-2025年约 1515 · 57 X 108kWh，2026-2030年约2076 · 22 X 108kWh，增长速度不断加快，其中主要是焦新-安鹤濮、焦新-豫中东、豫西-豫中东、豫西-豫 西南、豫西南-豫东南。
[0053]从图5可知，根据全省各区域间交互电量变化趋势，可见，近期区域间电量交互较 大，2018年前后，全省缺能地区特高压区外电力的引入，使得相应缺能地区电力缺额变小， 电量交互减少，远期又呈逐年增大的趋势。未来网架的构建也是主要基于全省6大区域，根 据其各自区域送受端的电网功能定位来定。
[0054] (5)排放量情景分析 从图6可知，随着绿色电力的发展，全省C02减排强度逐年降低，降低速度逐年增大。从 C02排放情况看，外来电、风电、光伏发电以及EPP资源的利用，替代化石能源效果显著， 2014-2030年间合计排放5865百万吨C0 2,增长速度呈现逐年放缓的趋势，其中2014-2020年 各区域⑶2排放约1815百万吨，2021-2025年约2196.7百万吨，2026-2030年约2196.72百万 吨，增长速度不断放缓。
[0055]从图7可知，分区域看，除豫西地区排放增长一直比较平稳外，其他区域排放均逐 步放缓，安鹤濮地区增速下降幅度最大。
[0056]基于已有的综合资源战略规划模型的基础上，针对河南省经济社会和资源禀赋贴 点，通过建立考虑跨区输电的多区域河南省综合资源战略规划模型(HNIRSP)，研究实现河 南各地区资源的整体优化。在河南省电力综合资源规划电力布局情境下，2014-2030年全省 需要新增装机的需求总量为13300万千瓦，除去EPP后，全省新增装机需求约为9695万千瓦， 与全省装机空间平衡结果相比，减少装机容量3225万千瓦，可直接减少全社会投资约108.6 亿元，减排二氧化碳约11627万吨，减排二氧化硫约37.7万吨，减排氮氧化物约32.8万吨。 [0057] 河南2014-2030年间常规电源和EPP总投资约为2279.23亿元，年均增长约6.21 %， 增速呈现逐步放缓的趋势。分区域来看，由于未来电力需求快速增长在豫中东和豫东南地 区。受电源结构影响，未来全省火电装机将仍占较大比重，风电、光伏、能效电厂的比重将在 2020年以后得到迅速发展。河南2030年期末火电装机将约为97618MW，占总装机的70.28%; 风电、太阳能2030年将成为河南第二大常规电力来源，期末装机约为30086MW，占总装机的 21.66%。在外来电、清洁能源以及能效电厂稳步增长的趋势下，河南逐步调整依赖火电的 局面，其电源结构将更趋于合理。作为需求侧管理重要补充的能效电厂资源，河南2030年各 类EPP将达到38678MW，其中豫西、豫中东和豫东南地区将提供超过24712MW的各类EPP。 [0058]豫东南地区的未来装机构成中，将主要以绿色电源为主，区外来电、风电、光伏、能 效电厂以及省内区域输电将成为该区域电力支撑的主要来源。由于全省资源和需求逆向分 布，电源布局受资源状况制约，电源布局的不均衡需要通过建设电网，通过区域间电力输送 来弥补各地区的电力电量缺额。随着区域不均衡性的趋势的更加明显，河南各区域间电量 交换呈现上升趋势，2014-2030年间合计交换电量5361.8亿千瓦时，年均增长17.23%，增长 速度逐年加大，主要是区内6大区域送受端间的直接输送。
[0059]随着绿色电力的发展，全省C02减排强度逐年降低，降低速度逐年增大。从C02排放 情况看，外来电、风电、光伏发电以及EPP资源的利用，替代化石能源效果显著，2014-2030年 间合计排放5865百万吨C0 2，增长速度呈现逐年放缓的趋势。
【主权项】
1. 一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征在于:包括以下 步骤： 1) 区域电力综合资源战略规划模型构建； 2) 根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景 分析。2. 如权利要求1所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤： a. 构建目标函数； b. 基于区位因素确定约束条件； c. 根据区位因素确定边界条件； d. 模型构建。3. 如权利要求1所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤： ① 情景边界设定； ② 资源环境约束情景设定； ③ 经济协调性情景设定； ④ 具体情景分析。4. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述目标函数为规划期内总成本f最小，包括电源成本Cee3n、EPP成本CEPP和排放成本 gEmi| minf=Ceen+CEPP+CEmi。5. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述基于区位因素确定约束条件按环节包括电源环节、电网环节、EPP环节、源-荷环 节和源-网-荷环节。6. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述基于区位因素确定约束条件细分为装机规模约束、污染物排放约束、盈利约束、 跨区电力约束、跨区电量约束、规模约束、补贴约束。7. 如权利要求2所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于：区位因素边界条件包括区域功能区划分、全区域装机类型、电力供需、能效电厂、排放 约束和电源平衡。8. 如权利要求3所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于：所述模型运用代数建模系统进行非线性规划，并使用来自ARKIConsulting& DevelopmentA/S的CONOPT非线性求解器进行问题的优化。9. 如权利要求3所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于:所述情景边界依据对区域经济形势的发展预测，以主体功能区未来每一年的电力需 求为边界。10. 如权利要求3所述的考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，其特征 在于：所述资源环境约束情景根据主体功能区的电源装机极限和EPP推广潜力，考虑C02、 S〇2、氮氧化物排放影响，C〇2、S〇2、氮氧化物排放成本不高于全国水平值，以社会总投入最小 为目标，实现区域各类电源装机和EPP的整体规划； 所述经济协调性情景包括进行中长期区域电力布局的发展路径设定，保障区域电力布 局与区域经济的协调发展； 所述具体情景分析包括投资情景分析、装机情景分析、发电情景分析、交换电量情景分 析、排放量情景分析。
【专利摘要】本发明公开了一种考虑资源环境约束的区域电力综合资源战略规划方法，包括以下步骤：1）区域电力综合资源战略规划模型构建；2）根据区域电力综合资源战略规划模型对区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析。所述区域电力综合资源战略规划模型构建，包括以下步骤：a.构建目标函数；b.基于区位因素确定约束条件；c.根据区位因素确定边界条件；d.模型构建。所述区域细分下的电力综合资源战略规划情景分析包括以下步骤：①情景边界设定；②资源环境约束情景设定；③经济协调性情景设定；④具体情景分析。本发明基于资源环境约束的大背景，建立了资源环境约束下的中长期区域电力综合资源战略规划布局模型，对区域电力布局进行综合规划。
【IPC分类】G06Q50/06
【公开号】CN105488735
【申请号】CN201510864988
【发明人】白宏坤, 刘永民, 郑雅楠, 王江波, 尹硕, 李虎军, 杨萌, 李文峰, 刘军会, 宋大为, 李宗
【申请人】国家电网公司, 国网河南省电力公司经济技术研究院, 国网能源研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月1日
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