考虑跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法与流程

本发明涉及一种考虑跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法。

背景技术：

随着世界经济的发展以及人口的增加，全球范围内排出的co2逐年增加。为了维护我们人类赖以生存的家园，实现可持续发展，世界各国于2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过，并于2016年4月22日签署了《巴黎协定》。《巴黎协定》规定了一系列条款以限制全球的碳排放量以达到将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内的目标，为了这一目标，需要全人类的共同参与。

为了减少碳排放，维护全球气候，保护我们人类赖以生存的家园，现有技术能够对部分工业产生的co2进行收集，从而减少co2的排放。收集到的co2需要特定的手段进行封存，以真正减少co2排放。现在可行的封存co2的方法有两种，分别是地质封存(geologicalstorage)和海洋封存(oceanstorage)。其中地质封存是指将收集到的co2打入地层中进行封存，海洋封存指的是将co2注入海洋深处存储。对于某些国家来说，由于特定的地理位置等因素，本国进行碳封存的能力很低，就需要在碳捕集过后将co2运输到其他国家进行封存。此外，在某些工业领域，co2也是一种必要的工业原料，能够加工生产出一系列相关的工业产品。因此，各国收集到的co2也能够通过运输转运到工厂进行商品的生产。以上种种因素使得碳交通变得尤为重要，而各个国家和地区见有着特异的地形地势条件，交通运输相关的基础设施水平也不尽相同，可以综合利用陆海空三栖交通工具实现对碳的综合高效利用。因此，亟需一种能够找到最小化碳交通成本的方法，从而统筹全球范围内的碳资源，实现碳资源的最优化配置与高效利用。

此外，如上所述，电力系统中的火电机组作为co2排放的主要来源之一，与碳交通有着千丝万缕的联系。具体来说，电力系统中除了火电机组发电以外，可再生能源装机所占全网装机的比例越来越高。而可再生能源发电在不产生co2排放的同时也不消耗燃料，发电成本低，不同的火电机组发电与可再生能源发电比例，会对碳交通造成一定的影响。因此，为了实现可持续发展，很需要一种能够最小化电网-碳交通成本的决策方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种考虑跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法，该方法以经济性最优为目标，同时符合实际情况的给出各国各地区间碳运输方式，对电网-碳交通广域联合进行优化决策，从而得到合理的运行方案。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种考虑跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：通过对各个国家与地区之间地形地貌以及已建设的基础设施等基本信息的搜集，对已有的碳运输途径和已经存在的碳运输途径进行综合分析，得到各个国家与地区之间可行的碳运输方法；

步骤2：对运用海陆空交通工具在各个国家与地区间进行碳运输的过程建立数学模型；

步骤3：考虑电网与碳交通间的相互影响，建立电网-碳交通广域联合优化决策模型。

进一步地，上述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：建立电网中火电机组在发电过程中产出可运输碳的模型；

步骤3.2：建立电网与碳交通网相互影响的约束，最终形成电网-碳交通广域联合优化决策模型。

进一步地，上述步骤2中具体的数学模型表示如下：

1)碳运输量约束

式中为由国家i运输到国家j的co2总需求量；为通过陆路由国家i运输到国家j的co2量；为通过海路由国家i运输到国家j的co2量；为通过空路由国家i运输到国家j的co2量；n为国家和地区的总数；

2)海陆空最大碳运输量约束

式中为由国家i到国家j的co2陆路运力上限；为由国家i到国家j的co2海路运力上限；为由国家i到国家j的co2空路运力上限；

3)海陆空碳运输成本

式中为由国家i到国家j的co2运输总成本；为通过陆路由国家i到国家j的co2运输成本系数；为通过海路由国家i到国家j的co2运输成本系数；为通过空路由国家i到国家j的co2运输成本系数。

进一步地，上述电网-碳交通相互影响关系表示如下：

1)火电机组碳排放模型

式中cci为国家i的co2总排放量；η为单位发电量的co2排放量；为国家i的火电机组发电总量；

2)电网-碳交通相互影响约束

本发明的有益效果体现在：

本发明通过运用海陆空等不同交通工具，考虑了各国各地区间地形地势等特点，建立了各国各地区间碳运输的模型，以成本最低为目标构建了电网-碳交通广域联合优化方法，使得整个大区域间碳交通采用的方式和运输量的综合经济性最佳，实现资源的优化配置。

附图说明

图1为本发明实施算例中的三个国家间碳交通可行方式的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

(一)模型概述

本发明一种考虑跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法，在充分研究各个国家与地区之间地形地貌特点以及已建设的基础设施情况后，合理的得到各个国家与地区间可行的碳运输方法。之后，对运用海陆空交通工具在各个国家与地区间进行碳运输的过程建立数学模型。对碳交通过程及方式进行约束。最后，考虑电网与碳交通间的相互影响，补充相应的电网模型，建立电网-碳交通广域联合优化决策模型，从而实现电网-碳交通广域联合的最优决策，实现电碳资源的优化配置。

具体的一种运用海陆空交通工具实现跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法的模型如下：

1)目标函数

本发明的目标函数具体包含了火力发电机组运行成本和跨国跨地区碳交通成本。具体目标函数如下所示：

min(ch+cct)，

式中ch为火力发电机组运行成本；cct为跨国跨地区碳交通成本。

a)火力发电机组运行成本

式中n为国家和地区的总数；αi，βi为国家i的火电机组发电量费用参数。

b)跨国碳运输成本

式中为由国家i到国家j的co2运输总成本。

2)约束条件

该模型的约束条件包括碳运输量约束，海陆空最大碳运输量约束，海陆空碳运输成本，电网电量平衡方程，火电机组和可再生能源机组发电量约束，火电机组碳排放模型和电网-碳交通相互影响约束。

具体表达如下所示：

a)碳运输量约束

式中为由国家i运输到国家j的co2总需求量；为通过陆路由国家i运输到国家j的co2量；为通过海路由国家i运输到国家j的co2量；为通过空路由国家i运输到国家j的co2量。该约束表明了国家间整体的碳运输量为通过陆海空三种运输途径所运输的碳的总和。

b)海陆空最大碳运输量约束

式中为由国家i到国家j的co2陆路运力上限；为由国家i到国家j的co2海路运力上限；为由国家i到国家j的co2空路运力上限。该约束限制了各种运输途径碳运输量的上下限。

c)海陆空碳运输成本

式中为通过陆路由国家i到国家j的co2运输成本系数；为通过海路由国家i到国家j的co2运输成本系数；为通过空路由国家i到国家j的co2运输成本系数。该约束定义了国家间进行碳运输的成本。

d)电网电量平衡方程

式中di为国家i的负荷总量；分别为国家i的火电机组发电总量和可再生能源发电量。该方程保证了电网中的总发电量和总负荷需求是平衡的。

e)火电机组和可再生能源机组发电量约束

式中分别为国家i的火力发电量上限和下限；分别为国家i的可再生能源发电量上限和下限。该约束限制了可再生能源的发电量。

f)火电机组碳排放模型

式中cci为国家i的co2总排放量；η为单位发电量的co2排放量。该约束定义了火电机组的发电量与碳排放之间的关系。

g)电网-碳交通相互影响约束

该约束限制了每个国家的碳排放量不能超过该国的碳排放指标。

对以上目标函数及约束条件运用gurobi优化软件进行求解，即可得到运用海陆空交通工具实现跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合最优决策。

(二)仿真算例

此处应用一个仿真算例对本发明所提出的一种考虑跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法进行验证。该算例由三个国家组成，每个国家的电网均有火电机组和新能源机组，且火电机组发电产生二氧化碳量的系数均为0.785(吨/mwh)，每个国家电网的详细数据如表1所示。同时，通过对三个国家间的地形地势及已有交通方式的综合研究，给出了三个国家间进行碳交通的可能的方式，具体的碳交通方式展示在图1中。再对搜集的数据进行量化分析，给出了三国间进行碳交通的具体参数，这些参数由表2给出。

表1三个国家电网数据

表2三个国家间碳交通参数

通过前序工作得出的相关数据，利用一种运用海陆空交通工具实现跨国跨洲碳运输的电网-碳交通广域联合优化方法建立模型，并进行求解。最终求解得到电网-碳交通广域互联的最优决策，所求得的最优决策如表3所示，结果显示该算例最小成本为68100元人民币。由此可以验证该方法的正确性。

表3三个国家间碳交通最优决策