电力结构的SD模型及决策分析，本文主要内容关键词为：模型论文,电力论文,结构论文,SD论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
【内容提要】在国民经济持续高速发展的同时，电力工业的战略地位已引起人们的高度共识，并要求在宏观决策上予以保证。但是，在资源有限条件下，电力结构合理配置是更为重要不可忽视的因素。本文根据系统动态学原理，通过对电力供求作系统动态分析，建立了电力结构的SD模型，并且以华东电网（辖三省一市，即江苏、安徽、浙江省和上海市）为例，摸拟了华东电网电力供求及增长过程，并对电力结构作了多方案的政策分析。结果表明，用SD方法可以为一个地区乃至一个国家确定合理的电力结构，从而为电力投资决策提供依据。此外，通过多方案的模拟，对水、火电不同发展阶段投资效益进行比较，为电力发展总结了一条规律性的经验──在水电发展初期，水电的投资效益高于火电。
能源工业是国民经济发展的基础，而在能源的构成中，电力具有其它能源所不能比拟的优越性及更广泛的用途。发达国家的经验表明，经济要发展，电力须先行。
一、电力结构状况是影响电力发展的重要因素
建国以来，我国电力工业发展十分迅猛，但是，电力供求矛盾仍十分突出，缺电现象异常普遍，并且具有日益严重的趋向；电力调峰容量严重不足，常拉闸限电，供电质量低下，给经济发展造成巨大的障碍和损失，给人民生活带来极大的不便，使电力工业成为国民经济的“瓶颈”产业。究其原因，主要有两个方面：
1.电业投资不足，是造成电力短缺的根本原因。
任何事物的发展都有质和量两个方面。量的增长与相应的投入密切相关。对电力工业的资金投入，是电业大规模发展的首要条件。因此，要提高电力工业的战略地位，必须保证电力的投资在全社会固定资产中占有恰当的比例（即电力投资比重）。纵观我国电力发展不同时期，电力投资比重一般在5%～7%，而发达国家通常达10%～15%。可见，我国的电业投资比重明显偏低。这一局面可能与电力投资所需资金大、见效慢、投资效益低有关。事实上，电力工业作为一基础工业，其投资的间接效益（即电力发展对国民经济的其他行业效益及社会效益）巨大。长期以来我国实行的低电价政策，使电力投资不能得到应有的投资回报，人为降低了电力投资的直接经济效益，从而抑制了电力部门对社会资金的吸纳能力。社会资金大量地流入利润率高的其它行业，而这些行业的发展加大了对电力的需求，又进一步加剧了电力的短缺，由此形成了缺电的恶性循环。
2.在资源有限条件下，电力结构不合理是制约电力发展的直接原因。
我国的电力结构由火电（主要是煤电）、水电和新兴的核电共同构成。各种不同的发电方式，有着不同的技术经济特点，在电网运行中，应该发挥不同的作用。火电的电量效益巨大，是我国现阶段电力结构的主体，但火电的运行需要有较稳定的工况，故适宜在电力负荷图上的基荷部分运行；核电的运行条件类似于火电，且比火电要求更高；而水电的停启较灵活，适宜承担负荷图上峰荷部分的运行，但它受自然条件的限制较大，电量效益小，不能作为电力结构的主体。但是，当火电、水电、核电三者在电网运行中相互协调、相互配合，使电力系统总费用达到最低时，可以实现在有限的投入条件下电业产出最大，此时的火电、水电和核电的比例即为最优的电力结构。
然而，我国目前的电力结构很不合理。我国是世界上水力资源最丰富的国家，但水能资源开发程度却很低。全国水力资源理论蕴藏量6.83亿kW，其中可开发的有3.7亿kW，年可发电量1.9万亿度，但目前实现的装机仅占可开发量的8%。再看我国的水、火电比例，目前水电装机容量不到整个电力容量供给的10%，而且负荷图上峰荷要占30%～40%。这使得电力系统或者要采用部分火电机组以极其不经济的方式担负调峰职能；或者拿用户做备用、调峰手段、频繁拉闸限电。这既影响生产，又使供电质量低下。
为了缓解电力短缺状况，必须针对上述两种原因采取有效的政策措施。目前人们似乎更重视前者，试图通过宏观决策上对电业的产业倾斜，追加更多的电力建设资金，增加电力的供给。这固然是完全必要的。但是在资金有限的条件下，更为行之有效的方法是完善电力结构，提高投资效益及供电质量，从而缓解电力供需矛盾。
那么，什么样的电力结构才是合理的呢？本文从系统宏观的角度采用数学模型方法，对这一问题进行探讨。
二、研究方法的选择
对电力结构的定量研究，常见的方法为线性规划法，但线性规划法有一定局限性，它对数据要求较严格，且因素之间的关系必须是确定的线性关系，而对影响电力结构的非线性的重要因素则难以表达。对此，系统动力学方法具有鲜明的优势，它对数据要求不严格，可以描述非线性的关系，适宜于模拟复杂的社会经济大系统。
系统动力学(System Dynamics，简称SD)，是以反馈理论为基础，在系统理论和方法、决策理论和数字计算机模拟技术基础上发展起来的一种定量模拟方法，使用其专用语言(DYNAMO)来描述系统动态过程，系统要素之间的因素关系可随意决定，没有必要受过去数据的限制，模型具有较大的灵活性。SD模型包括三个基本要素：①水平（系统中的积累量）；②流速（实体流和信息流）；③信息（为了进行决策而使用的信息通道）。另外，SD模型所寻求的不是数学最优解，而是改善系统行为的机会和途径。
三、电力结构的SD模型
1.电力系统运行总体结构分析
系统动力学认为，系统的功能是由系统的结构决定的，所以在目标既定的条件下，分析系统结构是构建SD模型首要的也是关键的一步。在电力增长过程中，当新的电力需要产生时，原有的电力供给相对不足，便会出现电力供求差（即电力需求减电力供给）。通过增加电力投资，扩大电力供给，进而达到供求平衡；但随着经济的发展，新的电力需求更高，原有的电力供给不能与之相适应，便又会产生新的供不应求，又需要增加电力投资和电力供给，以达到新的更高的供求平衡。可见，电力的增长过程是一个负反馈的增长过程，电力供求差是电力增长的动力及内在的源泉。
在我们所研究的系统中，系统功能的优劣是以每年系统总费用现值之和的大小作为标志的。系统总费用包括电力在一定供给结构条件下的各种费用之和以及电力投资额。不同的电力需求总量及结构会产生与之相应的电力供给总量及结构，从而出现不同的系统总费用，根据系统总费用现值之和的大小，我们可以评价各种电力结构的优劣。电力系统的结构与系统总费用的关系可由图1表示。
图1 电力系统运行总体结构图
2.SD模型中若干重要数据计算说明
在该SD模型以华东电网为实例，所有数据均指华东电网。
(1)单位kW投资额
本模型的投资指的是系统总投资，即不仅仅考虑电站本身的投资，还要从系统宏观的角度考察，为了正常地进行电力生产所需的全部投资（包括附加设施投资），即还应包括燃料供应系统投资、输变电投资和环境保护投资。
a.火电系统投资
它包括火电站投资、燃料供应系统投资和环保投资三项。由于火电站距离负荷中心较近，输变电投资可不计。据有关资料统计和估算“七·五”期间已建电站投资为2580元/kW，规划待建电站约为3230元/kW。
b.水电系统投资
它包括水电站工程总投资、输变电投资二项内容，环保投资不计。据有关资料展示，“七·五”期间已建电站投资为1870～2420元/kW，规划待建电站为3000元/kW以上。但水电投资受开发难度影响较大，其单位工程造价随开发难度变化而变化。
C.核电系统投资
它包括核电站投资、燃料供应系统投资和环保投资三项内容。据有关资料估算，核电的系统总投资约为3870元/kW。
可见，从系统总投资的角度，核电的单位kW投资最高，而火电、水电的投资费相近。但随水电的进一步开发，开发难度加大，水电的单位kW投资将高于火电。
(2)年运行费用
根据有关资料统计，华东电网近年来火电的年运行费约为7.26分/kW·h，水电约为1.54分/kW·h，核电为2.8分/kW·h。可见，水电的年运行费最少，火电最高，而核电居中。火电的系统年运行费约是水电的4.7倍。
(3)电力需求预测
根据有关专家及权威部门的预测，随着华东电网所辖三省一市社会经济的增长，至2005年，需电量约2880亿/kW·h，相应的最大负荷为4775万kW；至2010年,需电量约3720亿kW·h，最大负荷为6314万kW。1993～2010年的最大负荷和需电量如表1所示：
表1 1993～2010年需电量和最大负荷预测
3.电力结构SD模型的建立
根据上述对电力系统总体结构的分析，我们可以构造电力供求及系统总费用的因果关系图（略），根据因果图，我们便用SD专用的DYNAMO语言来构造这个模型，进而对电力供求及费用进行宏观模拟。模型中所需所有原始数据均取自华东电网，并由有关实际部门提供，模型的参数由提供的数据分析计算而来或对模型进行多次调试取得，数据的样本为1985～1992年。模拟的结果表明，该模型可以模拟华东电网电力供求及费用的真实状况，与样本年的实际数据基本相符。
通过对本模型的有效性检验，发现参数在边界时，模拟结果仍有意义。可见，本模型是有效的。
通过对本模型的灵敏度检验，发现对非政策性参数的变动，模拟结果不敏感，这符合系统动力学原理，模型呈非线性。
该SD模型以2005年和2010年作为不同目标年，对电力结构的多种方案作了预测。我们通过改变政策性参数，以目标“年系统总费用现值”的大小作为评价方案优劣的标准，进行电力系统结构的模拟。
四、模拟结果及政策分析
根据前述电力需求预测，本模型中的电力、电量需求β及值（峰荷、基荷之比）均是外生的。在模型的模拟中，我们通过改变调峰容量中水、火电的比例，基荷容量中水、火电比例，可以得到多种电力结构（考虑到网内核电很少，仅有秦山核电站，根据权威部门对网内核电发展的预测，此模型中核电的发展规模是已定的方案，不再进行核电增长方案的比较。）通过比较各种电力结构系统总费用现值的大小，可以对各种电力结构作出评价（如表2和表3所示）。
表2 2005年华东电网结构政策分析
表3 2010年华东电网结构政策分析
1.电力最佳结构的确定
表2和表3的电力系统总费用现值的变化趋势基本相同，即从方案Ⅰ─方案Ⅳ，随水电比例的增加，火电比例的下降，目标年系统总费用现值逐步下降，在这个区域内，水电越多越合算；但当水电比例增加到一定程度后（目标年为2005年时为16.3%，目标年为2010年时为22%），即从方案Ⅳ─方案Ⅴ，再增加水电，则系统总费用现值反而上升，即变得不经济。考虑水电发展受水资源的限制，华东电网水电在2005年和2010年可能开发的最高比例都约为15%，所以，2005年及2010年华东电网的结构大约以水电15%、火电83%、核电2%的比例较洽当。
2.电力结构与系统总费用现值的关系──电力发展经济规律的探索
进一步地，我们将电力结构变化与系统总费用现值的关系用曲线来描述，通过缩小水电比例变化区间，扩展变化的边界，并经SD模型模拟，可以得到不同电力结构下的系统总费用现值，电力结构变化与系统总费用现值的大小呈一条开口向上的曲线（图略），这表明：
(1)系统总费用现值具有极小值。在极小值处，是理论上（即不考虑资源约束条件下）的最佳电力结构。但事实上，水电的开发要受水电资源的限制，在本模型中，水电的增长不能达到极值点。
(2)曲线非单调，出现了拐点，呈开口向上形状。这是因为水电站工程投资受自然条件影响很大，不同的水电站由于开发条件不同，单位kW工程造价相距甚远。人们总是先选择条件较好的站址开发，其单位kW工程投资较小。因此，即使不考虑价格的因素，越晚开发的水电站，或者水电开发的累计量越高，开发难度越大，其单位kW工程造价越高。在拐点出现之前，随着水电比例的增加，系统总费用现值下降，说明在这个区域内，水电的投资效益高于火电；在拐点出现之后，随着水电比例的进一步增长，系统总费用现值上升，说明此时水电的投资效益低于火电。这可以说是电力发展的经济规律。这可以解释，发达国家为什么几乎无一例外地在水电发展初期都优先发展水电，待水电开发到一定程度后，再转向其他能源的开发。华东电网水电装机比例目前约为10%，故还应充分发展水电。
(3)水、火电投资效益观念
一些实际工作者及研究者在评价火电的投资效益时，往往仅考虑火电站本身投资所带来的效益，而不考虑火电站的燃料供应系统的投资和环保投资，这样势必得出火电投资效益明显高于水电的结论。我们也曾通过改变火电单位kW投资额（从系统角度的3230元/kW变为火电站本身投资的1936元/kW）对此模型进行模拟，结果表明，不管在何范围内，火电的投资效益均高于水电。
这种仅考虑电站自身投资效益的观念，若就某个具体的火电厂评价而言，尚能合乎情理。但从社会宏观决策层次上确定电力结构时，则不能不以系统的角度，考虑整个火电系统的各方面因素；否则，火电投资效益的评价就是片面的、失真的。另外，水电投资除了具有电能效益外，还有如防洪、溉灌水产养殖、旅游等许多综合效益。若考虑水电的投资由各受益部门分摊，则水电的投资效益将会大大提高（前苏联的做法是，由各受益综合部门分摊75%）。
可见，从系统宏观的角度，在水电发展的初级阶段，水电的投资效益高于火电。
五、结论
1.水电的投资效益随其比例的增加呈非线性。在水电开发初期（水电比例较低），水电的投资效益高于火电；当水电比例的增加突破一定范围，水电的投资效益又低于火电，这是电力发展的规律性结论。
2.用SD方法可以为一个国家或地区寻求一个恰当的电力结构比例，使电力投资的宏观经济效益达到最佳。本文所建立的华东电网电力结构决策模型模拟结果表明，至2005或2010年，华东电力的最佳结构约为：火电83%、水电15%、核电2%。
* 本文为作者完成的《华东水电深度开研究》课题成果的一部分，发表时在原课题基础上作了一定修改。
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