本發(fā)明涉及全球能源互聯(lián)網(wǎng)宏觀運行特性領域，具體涉及一種基于最小偏差法的全球能源優(yōu)化配置方法。

背景技術：

隨著世界經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，全球能源消費結構不斷發(fā)生變化，能源消費主體從以化石能源為主逐步過渡為以可再生能源為主。隨著清潔能源大規(guī)模的開發(fā)與使用，電能在能源消費結構中所占比例不斷增加，全球呈現(xiàn)持續(xù)的電氣化趨勢，由此，跨洲際電網(wǎng)的建設對于全球能源的優(yōu)化配置具有極其重要的意義。通過利用電力網(wǎng)以代替部分傳統(tǒng)的海運、陸運方式進行各大洲之間的能源輸送與貿(mào)易，有利于減少能源在輸送過程中所帶來的經(jīng)濟成本。

無論是化石能源還是用于發(fā)電的清潔能源，從全球角度來看，其在地區(qū)間分布是不均勻的，洲際間需要進行大量的能源貿(mào)易與輸送，由此，在建設全球能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，如何選擇合適的能源輸送路徑以及各輸送路徑的能源輸送量以實現(xiàn)全球能源的優(yōu)化配置具有重要意義。

實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置，已經(jīng)引起很多研究人員的關注。但現(xiàn)有研究僅是基于一個或者幾個區(qū)域進行能源的優(yōu)化配置，并未從全球范圍的角度進行考慮。部分現(xiàn)有研究，將煤炭輸送與電網(wǎng)輸送兩種能源輸送方式相比較發(fā)現(xiàn)，在滿足能源輸送量要求的條件下，電網(wǎng)輸送相對于煤炭輸送更具有優(yōu)越性，體現(xiàn)為經(jīng)濟成本的減少，但對于多種能源輸送方式的比較，方法較為復雜。從全球能源的輸送角度來看，不具有實際工程應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于最小偏差法的全球能源優(yōu)化配置方法，本發(fā)明以輸送經(jīng)濟成本與輸送損耗為目標函數(shù)，以各能源各輸送路徑的輸送量為變量，以各輸送路徑的極限輸送量為約束條件，對多種能源在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)合理的優(yōu)化配置，得到全球范圍內(nèi)的能源流流動格局，減少能源在輸送過程中所帶來的成本，為全球能源互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略規(guī)劃提供決策支持。同時，該發(fā)明進行優(yōu)化計算時，不需要考慮目標函數(shù)的相對重要性，能夠將多個目標函數(shù)統(tǒng)一到同一衡量標準下進行優(yōu)化處理，具有實際工程應用價值。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于最小偏差法的全球能源優(yōu)化配置方法，劃分全球地域為多個區(qū)域，采集各個區(qū)域之間跨區(qū)域輸送各能源的數(shù)量和成本數(shù)據(jù)，以輸送經(jīng)濟成本與輸送損耗最小為目標，以各能源各輸送路徑的輸送量為變量，以各輸送路徑的極限輸送量為約束條件，構造多目標優(yōu)化函數(shù)，并基于最小偏差法進行優(yōu)化求解，確定各能源在全球地域的優(yōu)化配置結果。

進一步的，按照地域所屬不同將全球地域劃分為多個區(qū)域。優(yōu)選的，將全球分為六個地區(qū)，包括亞太地區(qū)、中東地區(qū)、北美洲、中南美洲、歐洲及歐亞大陸和非洲。

進一步的，各能源的數(shù)量和成本數(shù)據(jù)具體包括各個地區(qū)需要進行跨洲際輸送的能源需求量p(i)與供給量q(i)、各能源的各輸送路徑交通運力約束值r(i,j)、各能源在輸送過程中所產(chǎn)生的單位運輸費用a(i,j)、各能源在輸送過程中的損耗率b(i,j)。

進一步的，將采集的各能源的數(shù)量和成本數(shù)據(jù)進行預處理，轉換成統(tǒng)一單位下的值。

進一步的，所述多目標優(yōu)化函數(shù)，包括經(jīng)濟成本最小化目標函數(shù)f1(x)與輸送損耗最小化目標函數(shù)f2(x)，構造地區(qū)能源供給約束、能源需求約束和能源輸送路徑交通運力約束條件。

進一步的，構造地區(qū)能源供給約束條件與能源需求約束條件的方法具體為：

構造能源輸送路徑交通運力約束表達式的方法具體為：

xk(i,j)≤rk(i,j)。

進一步的，對構建的多目標優(yōu)化函數(shù)進行線性規(guī)劃求出各目標函數(shù)線性規(guī)劃后的最大值與最小值。

進一步的，基于最小偏差法將求得的兩目標函數(shù)的最大函數(shù)值與最小函數(shù)值，構造統(tǒng)一目標函數(shù)，保持約束條件不變，進行線性規(guī)劃，使該統(tǒng)一目標函數(shù)達到最小值，得到各能源的優(yōu)化輸送路徑以及各輸送路徑的能源輸送量，實現(xiàn)全球能源的優(yōu)化配置。

根據(jù)多目標優(yōu)化函數(shù)各目標函數(shù)線性規(guī)劃后的最大函數(shù)值與最小函數(shù)值構造統(tǒng)一目標函數(shù)的方法具體為：

其中，f為基于最小偏差法構造的統(tǒng)一目標函數(shù)，經(jīng)濟成本最小化目標函數(shù)f1(x)與輸送損耗最小化目標函數(shù)f2(x)線性規(guī)劃后的最大值f1^max，f2^max與最小值f1^min，f2^min。

進一步的，所述方法還包括驗證步驟，將各能源在各輸送路徑實際輸送量與單位輸送費用相乘并將乘積相加求和，得到實際能源輸送經(jīng)濟成本，將各能源在各輸送路徑實際輸送量與損耗率相乘并將乘積相加求和，得到實際輸送損耗量；將能源的實際輸送經(jīng)濟成本與實際輸送損耗與優(yōu)化后的輸送經(jīng)濟成本與輸送損耗相比較，以驗證能源優(yōu)化配置的有效性。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明以輸送經(jīng)濟成本最小與輸送損耗最小為目標函數(shù)，基于最小偏差法以實現(xiàn)全球能源優(yōu)化配置，不需要考慮兩個目標函數(shù)的相對重要性以及考慮其數(shù)學特性。該方法從全球范圍角度出發(fā)，同樣也可以應用于部分地區(qū)的能源優(yōu)化配置，應用范圍廣泛。另外，該方法簡單易于操作，可應用于實際工程中，可為在全球能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的全球能源輸送系統(tǒng)提供參考，為國家與國家之間、地區(qū)與地區(qū)之間、洲與洲之間的跨地區(qū)電能輸送量、電網(wǎng)建設提供決策支持。

同時，本發(fā)明描述一個系統(tǒng)的優(yōu)劣由多個指標來進行衡量，這些指標之間可能是不一致的甚至是矛盾的，最小偏差法將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題，不需要考慮各目標函數(shù)之間的沖突性。

與現(xiàn)有的研究方法相比，該方法簡單，執(zhí)行速度快，應用范圍更廣，工程適用性強。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發(fā)明方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實例中一次能源在全球范圍內(nèi)優(yōu)化配置后的能源流流向圖；

圖3是本發(fā)明實例中一次能源與電能在全球范圍內(nèi)優(yōu)化配置后的能源流流向圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現(xiàn)有技術中存在的配制方法復雜，且不具有實際工程應用價值，為了解決如上的技術問題，本申請?zhí)岢隽艘环N基于最小偏差法的全球能源優(yōu)化配置方法。

本發(fā)明利用全球能源年度跨洲際輸送能源(包括石油、煤炭與天然氣)數(shù)據(jù)，對全球一次能源進行優(yōu)化配置，得到優(yōu)化后的能源輸送經(jīng)濟成本與能源輸送損耗，與實際輸送經(jīng)濟成本與輸送損耗相比較，可以驗證該方法對于實現(xiàn)能源優(yōu)化配置的有效性。由于全球能源互聯(lián)網(wǎng)還未搭建成功，跨洲際電能輸送量為未確定值，為此，保持全球能源總輸送量不變，假定全球電能跨洲輸送量占總輸送量的20％，其他能源輸送量相應減少，將二次能源與一次能源同時進行全球范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，將此時的能源輸送成本與輸送損耗量與優(yōu)化后的單純輸送一次能源的結果相比較，為全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設過程中應該注意的問題提供技術參考。

具體包括以下步驟：

(1)將全球分為六個地區(qū)(i，j＝1,…,6，i，j均代表六個地區(qū)，不同取值代表不同地區(qū))，包括亞太地區(qū)、中東地區(qū)、北美洲、中南美洲、歐洲及歐亞大陸、非洲；

(2)采集各個地區(qū)需要進行跨洲際輸送的石油、煤炭、天然氣數(shù)據(jù)，包括能源需求量p(i)與供給量q(i)、各能源的各輸送路徑交通運力約束值r(i,j)、各能源在輸送過程中所產(chǎn)生的單位運輸費用a(i,j)、各能源在輸送過程中的損耗率b(i,j)。采集電能在輸送過程中所產(chǎn)生的單位輸電費以及網(wǎng)損率；

(3)對各能源的采集數(shù)據(jù)(需求量、供給量、交通運力約束值、單位運輸費用)進行預處理，將煤炭、天然氣、電能的數(shù)據(jù)值轉換成以“百萬噸油當量”為單位的數(shù)據(jù)值；

(4)構造多目標優(yōu)化函數(shù)，包括經(jīng)濟成本最小化目標函數(shù)f1(x)與輸送損耗最小化目標函數(shù)f2(x)。具體表達式為：

其中，ak(i,j)(k＝1,2,3，三個取值分別代表煤炭、石油、天然氣)為地區(qū)i，j之間每單位能源的運輸費用，bk(i,j)為地區(qū)i，j之間各能源輸送過程中的損耗率，xk(i,j)為地區(qū)i，j之間各能源各輸送路徑的能源輸送量，此時，n＝3。

(5)構造地區(qū)能源供給約束表達式，能源需求約束表達式，能源輸送路徑交通運力約束表達式。具體表達式為：

1)能源供給約束表達式

其中，p1(i)，p2(i)，p3(i)分別代表地區(qū)i的煤炭、石油、天然氣的供給量。

2)能源需求約束表達式

其中，q1(i)，q2(i)，q3(i)分別代表地區(qū)i的煤炭、石油、天然氣的需求量。

3)能源需求約束表達式

其中，r1(i,j)，r2(i,j)，r3(i,j)分別代表地區(qū)i，j間各能源輸送路徑的交通運力約束值。

(6)在gams軟件中輸入步驟(4)中構造的目標函數(shù)與步驟(5)中構造的約束條件、步驟(3)中的能源數(shù)據(jù)以及步驟(2)中各能源在輸送過程中的損耗率，執(zhí)行線性規(guī)劃指令，分別求出目標函數(shù)f1(x)，f2(x)在線性規(guī)劃后的最大值與最小值

(7)基于最小偏差法利用步驟(6)求得的兩目標函數(shù)的最大函數(shù)值與最小函數(shù)值，構造統(tǒng)一目標函數(shù)f，在gams軟件中將目標函數(shù)換為f，能源數(shù)據(jù)與約束條件不變，執(zhí)行線性規(guī)劃指令，使目標函數(shù)f達到最小值，便可得到各能源的優(yōu)化輸送路徑以及各輸送路徑的能源輸送量，實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置。目標函數(shù)的具體表達式：

(8)將各能源在各輸送路徑實際輸送量與單位輸送費用相乘并將乘積相加求和，得到實際能源輸送經(jīng)濟成本，將各能源在各輸送路徑實際輸送量與損耗率相乘并將乘積相加求和，得到實際輸送損耗量；

(9)將各能源的實際輸送經(jīng)濟成本與實際輸送損耗與優(yōu)化后的輸送經(jīng)濟成本與輸送損耗相比較，以驗證該方法對于實現(xiàn)能源優(yōu)化配置的有效性；

(10)保持全球能源跨洲總輸送量不變，假定全球電能輸送量占總輸送量的20％，其他能源輸送量相應減少。此時，n＝4,重復步驟(4)至(7)，將電能與一次能源同時進行全球范圍內(nèi)的優(yōu)化配置。將電能與一次能源全球優(yōu)化配置后得到的輸送經(jīng)濟成本與輸送損耗與僅輸送一次能源時的優(yōu)化結果相比較。

本申請的一種典型的實施方式中，如圖1所示，(1)將全球分為六個地區(qū)(i，j＝1,…,6，i，j均代表六個地區(qū)，不同取值代表不同地區(qū))，包括亞太地區(qū)、中東地區(qū)、北美洲、中南美洲、歐洲及歐亞大陸、非洲；

(2)采集2015年各個地區(qū)需要進行跨洲際輸送的石油、煤炭、天然氣數(shù)據(jù)，包括能源需求量p(i)與供給量q(i)、各能源的各輸送路徑交通運力約束值r(i,j)、各能源在輸送過程中所產(chǎn)生的單位運輸費用a(i,j)、各能源在輸送過程中的損耗率b(i,j)。采集電能在輸送過程中所產(chǎn)生的單位輸電費用以及網(wǎng)損率。以石油輸送路徑的交通運力約束數(shù)據(jù)舉例，如表1所示。

表1石油各輸送路徑交通運力約束值(百萬噸油當量)

(3)對各能源的采集數(shù)據(jù)進行預處理，將煤炭、天然氣、電能的數(shù)據(jù)值轉換成以“百萬噸油當量”為單位的數(shù)據(jù)值，以2015年各個地區(qū)需要進行跨洲際輸送的石油、煤炭、天然氣供給/需求量數(shù)據(jù)舉例，如表2所示，表中未標明單位的數(shù)據(jù)其單位均為百萬噸油當量；

表2地區(qū)一次能源供給量/需求量(百萬噸油當量)

(4)構造多目標優(yōu)化函數(shù)，包括經(jīng)濟成本最小化目標函數(shù)f1(x)與輸送損耗最小化目標函數(shù)f2(x)。具體表達式為：

minf1(x)＝a1(i,j)·x1(i,j)+a2(i,j)·x2(i,j)+a3(i,j)·x3(i,j)

minf2(x)＝b1(i,j)·x1(i,j)+b2(i,j)·x2(i,j)+b3(i,j)·x3(i,j)

其中，ak(i,j)(k＝1,2,3，三個取值分別代表煤炭、石油、天然氣)為地區(qū)i，j之間每單位能源的運輸費用，bk(i,j)為地區(qū)i，j之間各能源輸送過程中的損耗率，xk(i,j)為地區(qū)i，j之間各能源各輸送路徑的能源輸送量。

(5)構造地區(qū)能源供給約束表達式，能源需求約束表達式，能源輸送路徑交通運力約束表達式。具體表達式為：

1)能源供給約束表達式

其中，p1(i)，p2(i)，p3(i)分別代表地區(qū)i的煤炭、石油、天然氣的供給量。具體數(shù)據(jù)如表2中各地區(qū)的供給量所示。

2)能源需求約束表達式

其中，q1(i)，q2(i)，q3(i)分別代表地區(qū)i的煤炭、石油、天然氣的需求量。具體數(shù)據(jù)如表2中各地區(qū)的需求量所示。

3)能源需求約束表達式

其中，r1(i,j)，r2(i,j)，r3(i,j)分別代表地區(qū)i，j間各能源輸送路徑的交通運力約束值。以石油為例，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

(6)在gams軟件中輸入目標函數(shù)與約束條件、能源數(shù)據(jù)以及各能源在輸送過程中的損耗率，執(zhí)行線性規(guī)劃指令，分別求出目標函數(shù)f1(x)，f2(x)在線性規(guī)劃后的最大值與最小值在本例中的計算結果如表3所示。

表3目標函數(shù)的最大值與最小值

(7)基于最小偏差法構造統(tǒng)一目標函數(shù)f，在gams軟件中將目標函數(shù)換為f，能源數(shù)據(jù)與約束條件不變，執(zhí)行線性規(guī)劃指令，使目標函數(shù)f達到最小值，便可得到各能源的優(yōu)化輸送路徑以及各輸送路徑的能源輸送量，一次能源在全球范圍內(nèi)優(yōu)化配置后得到是我能源流流向圖如附圖2所示。目標函數(shù)的具體表達式：

(8)將各一次能源在各輸送路徑實際輸送量與單位輸送費用相乘并將乘積相加求和，得到實際能源輸送經(jīng)濟成本243.22043億美元，將各一次能源在各輸送路徑實際輸送量與損耗率相乘并將乘積相加求和，得到實際輸送損耗量0.12350億噸石油量。

(9)將各能源的實際輸送經(jīng)濟成本與實際輸送損耗與優(yōu)化后的輸送經(jīng)濟成本與輸送損耗相比較。如表4所示，無論是輸送經(jīng)濟成本還是輸送損耗量均減少，能源輸送系統(tǒng)得到優(yōu)化，驗證了該方法對于實現(xiàn)能源優(yōu)化配置的有效性。

表4全球一次能源優(yōu)化配置結果與實際值

(10)保持全球能源跨洲總輸送量不變，假定全球跨洲電能輸送量占總輸送量的20％，

表5地區(qū)一次能源供給量/需求量(百萬噸油當量)

其他能源輸送量相應減少，各地區(qū)能源供給/需求量如表5所示。重復步驟(4)至(7)，將電能與一次能源同時進行全球范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，得到如圖3所示的全球能源流流向圖。將不同能源輸送比例下的能源優(yōu)化配置結果相比較，如表6所示。

表6不同能源輸送比例下的全球能源優(yōu)化配置結果比較

從表6結果中可以看出，能源輸送經(jīng)濟成本有所減少，但能源輸送損耗量增加，原因在于跨區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)損率比其他能源的輸送損耗率要大一些。因此，在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設過程中，電網(wǎng)的損耗率應作為一個重要因素考慮，以實現(xiàn)全球能源輸送系統(tǒng)經(jīng)濟和效率的雙優(yōu)化。

從附圖2與附圖3中可以看出，不同的能源消費占比下，能源優(yōu)化配置情況是不同的。以全球最主要的能源消費區(qū)域亞太地區(qū)為例，從中東地區(qū)進口的石油量與未進行電能輸送時進口的石油量相比，減少了約2億噸油當量；從前蘇聯(lián)進口的石油量減少了1887萬噸油當量；從亞歐大陸地區(qū)進口的煤炭量減少了約871萬噸油當量；從中東地區(qū)進口的液化天然氣減少了1932萬噸油當量。取為代之的是電能輸送量的增加。電能輸送量的增加，意味著清潔能源得到有效地開發(fā)利用，代替了以往的化石能源的開采使用，能源配置結構得到優(yōu)化。

以附圖1所示的方法流程為依據(jù)，設計以上算例驗證了本發(fā)明方法的有效性，實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)多種能源的優(yōu)化配置，比較了一次能源與二次能源不同輸送比例下的優(yōu)化配置結果，為全球能源互聯(lián)網(wǎng)在建設過程中應注意的問題提供了技術參考。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內(nèi)。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。