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  山东大学学报(工学版)  2017, Vol. 47 Issue (6): 151-156  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.531
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引用本文 

石访, 张恒旭, 张磊. 全球能源互联网宏观运行特性仿真框架[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(6): 151-156. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.531.
SHI Fang, ZHANG Hengxu, ZHANG Lei. Simulation framework for the macro-operation characteristics ofglobal energy interconnection[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(6): 151-156. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.531.

基金项目

国家电网公司科技资助项目(SGSDDK00KJJS1600061)

作者简介

石访(1982—),男,山东禹城人,讲师,博士,主要研究方向为电力系统稳定分析与控制. E-mail: shifang@sdu.edu.cn

通讯作者

张恒旭(1975—),男,山东德州人,教授,博导,主要研究方向为PMU技术与应用. E-mail: zhanghx@sdu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-09-21
网络出版时间:2017-11-29 15:38:54
全球能源互联网宏观运行特性仿真框架
石访1, 张恒旭1, 张磊2     
1. 全球能源互联网协同创新中心(山东大学),山东 济南 250061;
2. 国网山东省电力公司电力科学研究院,山东 济南 250003
摘要:全球能源互联网的宏观运行特性受到多种因素影响。为分析影响全球能源互联网运行的主要因素之间的相互联系,讨论对内在物理机制进行定量解释的重要性; 设计全球能源互联网宏观运行特性仿真方法的基本方案,并对几项重点技术进行讨论; 基于多通道能量流网络提出能有效模拟全球能源互联网动态特性的仿真软件的设计方案。
关键词全球能源互联网    宏观运行特性    多通道能量流网络    能源经济    仿真    
Simulation framework for the macro-operation characteristics ofglobal energy interconnection
SHI Fang1, ZHANG Hengxu1, ZHANG Lei2     
1. Global Energy Internet Collaborative Innovation Center(Shandong University), Jinan 250061, Shandong, China;
2. Electric Power Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250003, Shandong, China
Abstract: The macroscopic operating features (MOF) of the Global Energy Interconnection(GEI) will be affected by many different reasons. The inter-connection between the dominant factors that influenced the operation of the GEI were analyzed and the importance of the quantitative interpretation of the physical mechanism was discussed. The basic scheme of the simulation method for the MOF of the GEI was designed and several research propositions were discussed. A blue print of the future simulation software for the dynamic characteristic of the GEI was established using a multi-pass energy flow network.
Key words: global energy interconnection    microscopic operating feature    multi-pass energy flow network    energy economics    simulation    
0 引言

随着能源枯竭、环境污染和气候变化等挑战加剧,世界能源消费状况迫切需要得到彻底改善。传统化石能源不仅高排放,而且不可再生、储量有限,以目前消费速度仅可供应未来几十年的使用[1]。此外,化石资源在地球上分布不均,使能源生产与消费之间严重失衡。我国石油对外依存度已经突破60%,关键能源过高依赖进口严重威胁国家安全。推动能源结构性变革是实现能源和环境可持续发展的必要条件。得益于特高压交直流输变电技术和智能电网技术的日益成熟,以可再生能源全球范围内优化配置为目的的全球能源互联网为解决人类面临的能源和环境问题提供了可行方案。

全球能源互联网基于特高压输变电技术、智能电网技术和清洁能源利用技术,以清洁电力大范围优化配置为核心,实现电力传输与其他能源形式传输有机协调,最终实现以电为主的能源综合利用网络[1]。通过全球能源互联网,国家之间可以进行能源交易并构建更加智能、可持续的能源系统。总之,全球能源互联网是实现世界能源清洁、健康、可持续发展的必由之路。

全球能源互联网构想的推进还面临诸多挑战。清洁能源的大规模开发利用的综合成本短期内仍高于化石能源,构建全球能源互联网还需要大量资金投入,需要探讨可行的商业模式。而国际化石能源供需状况,不同国家和政府对于核电、风电、太阳能发电等的态度和补贴政策也将影响清洁能源的替代速度。并且,随着能源、经济、环境问题的全球化趋势,国际政治局势和突发事件也会对全球能源互联网的推进和运行产生各种影响。

全球能源互联网需进行合理的动态规划和估计,以避免盲目建设而导致低效和浪费,错估国际形式而导致投资无法保障。如何定量分析和模拟不同要素对全球能源互联网构建和运行的影响,从而研究全球能源互联网在不同政策情景和经营环境下的宏观运行特性,是规划、指导施工和管理的紧迫要求。借助于仿真技术和系统动力学知识,能够提供有效的解决途径。本研究讨论了模拟全球能源互联网宏观运行特性仿真平台实现方案,分析了涉及的关键技术,提出了多通道能量流网络模型,在此基础上, 提出全球能源互联网动态特性仿真模拟程序基本框架。

1 研究综述

构建全球能源互联网是世界各国共同的愿景,符合全人类的共同利益,国内外学者、工程技术人员均对此展开深入研究。文献[1]通过对10个国家和北极、赤道地区进行实地调研,获取全球能源资源、电力发展和跨国联网等基础数据,并针对能源形势的严峻性、“两个替代”的必然性、全球能源互联网建设的必要性、可行性以及发展前景等方面做了深入讲解,这些均为全球能源互联网宏观运行特性的分析提供了坚实的理论和数据支撑。进一步深入分析全球能源互联网所涉及的“电力系统-经济系统-国际局势”三者间的关联特征,构建统一数值仿真分析模型,预测国际局势或事件等外部因素对国际金融、能源的影响,为全球能源互联网构建中的宏观决策提供技术支持,是逐步推进和落实全球能源互联网战略的重要环节。

关于全球能源互联网宏观运行特性仿真方法,目前国内外尚未有成熟的产品,但在部分基础理论和技术方面已取得若干研究成果和应用经验,如国际局势-经济关系分析的数学建模理论、能源结构与经济发展的关系规律、大规模动态系统的数值计算技术等。

国内外学者均认可国际局势会对国际金融、能源市场等产生影响,但具体影响效果和形式又在不同地区、国家间存在差异[2-3]。目前所采用的分析方法多为基于统计数据的回归分析、实证研究,或者基于简单的因果关系和逻辑推理,但其根据关注的具体问题所采用的假设条件和模型参数各异,对同一问题不同方法甚至得到截然相反的结论,且并未考虑变量间、变量与参数间的相互作用效果或者仅采用简单修正优化最终结果。目前尚未出现可定量考虑各相关要素影响的数学模型,无法精确预测国际经济发展形势。

国际金融经济和能源价格的变化将改变全球能源消费格局和一次、二次能源占比,而不同的国际能源政策和能源供需形势又会影响经济的发展。能源与经济关系的研究始于20世纪70年代,在此之前只把能源消费看作影响经济增长因素中资本的一部分,当选取Cobb-Douglas生产函数模型时只考虑资本和劳动两个因素,并没有将能源消费作为单独的影响因素运用到模型中[4]。早期,国外学者往往采取实证方法,基于实际数据研究能源消费与经济增长间“量与量”的关系,同时侧重分析能源强度的影响因素[5-6];线性回归和时间序列法成为20世纪末期研究能源与经济间关系的主要方法,但对数据要求高、预测结果误差较大;2000年后,基于面板数据的研究逐步处于主导地位。而在研究能源消费与经济增长间的关系时,多采用协整分析和因果关系分析方法[7]

目前,国内外关于经济、能源关系分析的理论体系也在不断完善[8-11],且随着清洁能源的大规模发展,电力交易和消费必将成为全球能源市场的重要因素,一次、二次能源占比也将逐步发生颠覆性变化,亟待发展与之相适应的新模型对其发展趋势进行量化预测研究。国际政治局势-经济系统-能源系统是一个相互耦合的复杂动力学系统,其数学本质是一个高维、非线性、多重反馈的复杂时变系统,适于利用数值仿真方法进行分析研究。数值仿真技术在工业界包括在电力系统领域应用广泛,在物理系统建模、数值计算方法和大规模长时间仿真计算等方面均具有丰富的理论体系支撑和技术经验积累。在经济学领域,系统动力学模型从20世纪80年代就开始被应用于经济、社会、环境间的相互影响和制约关系研究,它强调经济系统的动态演化发展规律。麻省理工学院国家建模团队将美国视为社会整体,对其经济发展进行建模,近些年其模型范围又逐步扩展至能源系统,在子系统划分、模型结构设计、模型行为与实际系统一致性检验等诸多方面均取得一系列成果,完全可以借鉴运用至全球能源互联网宏观特性的统一动力学系统建模和仿真研究过程。

2 研究全球能源互联网宏观运行特性的基本方案

综合考虑全球经济发展、能源需求和国际局势可能产生的影响,建立全球能源互联网环境下的国际能源消费和经济发展的数值仿真模型,考虑电力输送走廊的建设、运行成本和输电损耗,精准预测未来全球经济发展形势和能源需求及全球优化配置情况,做好“一极一带”大规模可再生能源开发和国际、洲际输电走廊的宏观建设规划,是逐步推进全球能源互联网战略的切实举措和重要环节,这就要求相关能源经济理论和数值计算技术与时俱进,适应全球能源互联网环境下的发展需求。

全球能源互联网的宏观运行特性有几个方面需要进一步研究。首先,需定量分析国际时政事件和政治局势变化对于全球金融、能源市场的影响,以及经济发展和能源价格市场变化对能源消费结构和一次、二次能源占比的影响,将粗放的、基于简单因果关系推理的定性分析结论数值化、具体化,在开放环境中考虑不同国际局势和能源经济市场环境对未来规划的影响;其次,需构建能够描述“电力系统-国际经济-政治时局”三者间关系的统一数值仿真模型,考虑各因素间的非线性耦合关系和不同时间尺度的反馈作用,利用动力学系统理论描述全球能源互联网架构内国际经济发展和能量流的动态变化过程;最后,将各种政治事件、宏观环境对全球能源互联网系统宏观运行特性的影响利用数学语言进行描述,并作为在时间序列上逐步体现的扰动或参数改变等形式将其作用施加于系统模型中,采取适当的方法进行子系统划分、自适应变步长交替迭代求解等方法,在保证仿真计算的收敛性、精确性和稳定性基础上,对不同初始条件和事件影响下全球能源互联网的宏观特性进行仿真分析,为战略规划和制定相应预案、对策等提供指导性意见和数据支撑。

全球能源互联网宏观运行特性研究基本方案如图 1所示,具体的仿真目标分为5层。从下到上,基本主题可以归纳为:从历史数据中提取所需信息,从影响全球能源互联网的动态特征的主导因素出发,分离出4个关键要素。对4个要素间的重要关系进行数学建模,通过因果分析、逻辑推理以及一系列数据拟合方法,建立系统综合模型模拟不同要素之间的复杂非线性耦合关系。基于此框架,本研究设计了不同时间步长的复杂动力系统模型,提出具有灵活、开放接口的软件结构。

图 1 主要研究方案 Figure 1 The basic schemes of the research
3 影响全球能源互联网宏观运行特性的主要因素和分析

作为地球上最复杂的人造工业系统,全球能源互联网的宏观运行特性将受到各种因素的影响,可分为两个主要方面。

3.1 国际政治事件的影响

随着全球经济一体化加速,国际金融和能源市场等都受到地缘政治、国际局势和突发事件等多重因素的共同影响,而金融市场和能源价格又会改变能源消费结构和一次、二次能源消费占比。在预测国际金融、能源市场发展时,亦需考虑国际局势和潜在突发事件的影响[12]。从1973年爆发“石油危机”以来,地缘政治和国际局势对全球金融、能源市场的影响受到越来越广泛的重视。伊拉克战争、“911”恐怖袭击、叙利亚危机等,均对国际能源供需和经济发展产生深远影响;日本福岛核泄漏事故,改变了日本、德国等的能源发展策略和方向;以美国页岩气为代表的非常规油气开采技术的革命性突破,导致世界能源供给格局发生重大调整,中东地区长期主导世界能源供给的格局正在改变,地缘政治局势的不稳定性在日益加剧。乌克兰事件持续发酵,引发美、欧、日等西方国家对俄罗斯实施多轮制裁;“伊斯兰国”(ISIS)恐怖主义活动频繁,引发美、欧、俄的联手围剿,并对中东石油产量和经济走势产生影响。地缘政治动荡增大了全球经济运行的不确定性。

当前地缘政治的重要表现即为油气资源丰富国家的时局和政策会对国际能源供需与能源消费国的国家安全产生重要影响。能源地缘政治有其特有特征,能源供应国和能源消费国间可能存在多种关系。目前世界主要能源生产国和消费国间政治博弈的现状和发展趋势已经得到了广泛研究。世界范围内尚存在多处能源地缘政治中心,如作为油气生产地的中东、南美等国,以及作为油气输送关键走廊的马六甲海峡、霍尔木兹海峡等。

目前,国际局势变化对全球金融、能源市场的影响研究大多尚局限于定性分析阶段,未能给出可量化考察经济变化趋势和能源价格走势的数学模型;即便针对某些具体问题粗略抽象出了其数学模型,但精确性难以保证。

国际时政事件和局势会对全球金融市场和经济增长产生冲击,“911”事件对美国在经济上产生了重大而即时的影响,加深了全球经济的萧条。而随着中国等经济体的转型和欧洲空袭加剧,世界经济总体增长乏力;全球金融市场更易受到时局的影响,增加了全球经济发展的不确定性。而近期发生的巴黎恐怖袭击或将导致欧洲消费支出减少和投资疲弱等金融风险,并将削弱经济复苏信心,使欧元区经济面临更加艰难的困境。当前,对于国际政治事件与金融市场间关系的研究也局限于定性分析阶段,仅仅给出了各类事件对金融走势的宏观影响和作用机理,尚未有量化指标界定影响的深度、广度和持续时间,不能预测突发事件后的全球金融市场波动。因而,深入分析上述关联关系的内在物理机理,构建量化分析模型,是增强对全球能源、经济运行趋势预测能力的重要方面。

3.2 能源价格对能源消耗和传播途径的影响

全球能源结构、供需和价格与国际金融、经济发展密切相关。因果检验或协整理论被国内外广泛应用于研究能源与经济增长间的因果关系。不同国家的能源消费与经济增长之间的关系并不相同。目前,学术界对于不同国家能源与经济增长之间的因果关系研究并未达成统一性结论。除对能源消费和经济增长的因果关系进行探讨外,一些学者还采用不同方法考察了能源价格与经济增长的关系,尤其体现在能源价格波动对经济增长造成的影响。库兹涅茨曲线(Kuznets)被广泛应用于研究经济发展和能源之间的关系,可描述能源与经济、环境间的相互作用与制约关系。针对经济合作与发展组织(OECD)34个国家经济数据的实证结果表明,大部分国家人均能源消费随着经济的发展呈先升后降趋势[13-14]。在未来清洁能源大规模开发和电力占总能源消耗比重大幅增加的情况下,能源与经济间的关系很大程度上即为电力与经济的关系。根据经济发展形势预测国际能源消耗的峰值和出现时间,综合考虑资源、环境压力,合理规划发展大规模可再生能源,对于构建全球能源互联网、实现能源全球优化配置具有指导作用。

经济发展对社会、物理系统均会产生深远的影响[15]。世界范围内,传统化石能源价格、发电成本和政府政策扶持是清洁能源发展的重要影响要素,以美国为首的新兴化石燃料国家的页岩气革命改变了全球能源供需格局,导致油气价格大幅度下跌,也对国际能源地缘政治产生深刻影响。如将地缘政治对于能源输送的影响归结为供需矛盾,则全球能量流的输送路径取决于国际能源价格和一次能源供需,以及不同输送路径的能量输送成本。我国的石油、天然气资源对外依存度高,当前关于能量输送路径选择的研究,多集中于油气管道和海上油气输送线路等方面,或采取增强石油储备、能源多元化发展等方法降低油气输送障碍情况下的能源风险。

在全球能源互联网环境下,电力将和石油、天然气、煤炭等传统化石能源一起参与国际流通和交易,其中,电力流的流通路径和承载力需求对于规划建设洲际网架具有重要意义。全球范围来看,直接用于发电的一次能源占总能源消耗的比例呈上升趋势,而未来电力增长更集中在清洁能源的大规模开发利用上,但清洁能源发电规模的增长速度仍存在很大变数。美国页岩气革命降低了国际油气成本,同时在很大程度上减弱了清洁能源的发展动力;英国政府2015年6月宣布降低新能源补贴后,该领域投资随即大幅下降,引发英国本土乃至欧洲对于清洁能源发展能力的担忧;西班牙和德国也于2013年先后调整了新能源补贴政策,德国的可再生能源从2017年起将不再享有固定的上网电价补贴,这些政策均对各国清洁能源的发展产生影响,进而改变不同国家和地区间的电力供应能力。精确抽象和描述含电力的国际能源流的配置模型,寻找可行的能源配置路径,是构建全球能源互联网过程中进行网架规划的重要内容。图 2简要说明了影响全球能源互联网宏观运行特性研究不同因素之间的关系。为提高准确预测全球能源互联网的发展趋势,还需要进一步研究和验证定量仿真模型。

图 2 不同因素之间的基本关系 Figure 2 The basic relationships between different factors
4 全球能源互联网仿真建模

全球能源互联网受多种相互关联的因素影响,并且这种影响是双向的,甚至具有明显的反馈效应。全球能源互联网的建设需根据国际能源、经济发展逐步推进,且处于不断发展变化之中,急需对研究其宏观动态特性的数值仿真程序进行详细需求分析,基于开放性、灵活性、通用性特征对软件进行顶层设计,以满足当前和未来发展需要,其中根据GEI的物理互连,建立基于图和网络理论的数值模拟模型是最佳选择。根据全球能源利用的多样性,更宜采用多通道能量流网络(如图 3所示)作为系统建模和仿真的基础框架。

图 3 全球能源互联网建模仿真图 Figure 3 The diagram of the GEI model for simulation

具体来说,世界一次能源生产和消费领域被抽象为能源输出和输入节点。能源输出节点包括风电场、太阳能发电和传统化石能源发电站,分别显示为圆环、三角形和六边形。能源消耗节点用圆圈表示。其中的节点同时包含当地能源生产和消费量等属性。能量传输路径被抽象为边,包括输电线路,油气管道和运输路线。边的属性包括传输能力,损耗和运输成本。国际政治形势和金融市场对全球能源互联网的影响通过相应节点和边的属性值的变化来描述。综合考虑能源系统,经济系统和社会系统等相关子系统的互动,就可以对整个全球能源互联网系统的动态进行分析。

上述示意模型可用于研究全球能源互联网动态特性。对于实际的全球能源互联网,节点数量以及边的数量会大大增加。基于上述建模方法,立足于国际金融与能源供求形势的宏观调控情况,对于模拟全球能源互联网宏观运行特性并进而规划和指导全球能源互联网项目的构建具有重大意义。系统中所有对象的行为也需要在构建全球能源互联网的过程中逐步进行深入分析。首先,仿真软件的基本框架需要采用灵活性高的开放式设计,将数据管理模块和计算模块相互分离,并综合和总结主要仿真结果以呈现可视化效果;其次,对如此复杂的动力学系统进行数值仿真分析,需要针对性地研究多时间尺度、非线性耦合时变参数、多维复杂动态系统的高效数值计算方法,采用自适应变步长积分、系统分区计算与迭代等方法提高数值算法的精度、效率和计算稳定性;最后,需要通过设定不同形式的扰动,如国际政治事件、经济波动、能源价格波动等不平衡因素来模拟不同扰动下的地理信息系统的动态。以在定量分析GEI的宏观特性和动态演化的同时,验证进化机制和软件的正确性,并对其进行改进。

5 结论

本研究介绍了全球能源互联网的宏观运行特性研究的基本框架。对现有相关工作进行了回顾,并对采用动态系统理论评估全球能源互联网发展情况的可行性进行了探讨。总结了影响全球能源互联网规划运行的若干基本要素,并论述了它们之间的相关性;提出基于多能源通道的系统模型架构,为全球能源互联网宏观运行特性的数值模拟奠定了基础。

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