摘 要

能源是国家发展的重要物质基础，是我国经济稳定、长足发展的重要保障，作为世界上能源生产量和消费量最大的发展中国家，随着经济的发展，我国对能源的需求标准在不断发生变化，由此产生的矛盾也逐渐突出。为解决这些矛盾，针对我国综合能源系统的科学分析和理论研究非常具有现实意义。

1. 本文从两个层面分析了我国综合能源系统的结构，对我国不同地区能源的供应和需求差异进行分析，对我国综合能源系统结构进行说明。
2. 本文以总成本最小化为目标函数建立统一流数学模型，并结合国家相关政策标准作为模型约束条件，求出模型最优解，可以为相关决策提供一定的支持。
3. 同时，本文分析了我国综合能源系统的脆弱性，结合我国能源现状及政策的影响，研究了在不同情形下我国综合能源系统结构受到的影响和变化。

本文通过对我国综合能源系统进行统一流模型研究，为我国综合能源系统提供了较优的能源运输方案，并分析了系统脆弱性。

关键词：综合能源系统；网络结构；模型

Abstract

Energy is an important material basis for the development of the country and an important guarantee for economic stability and rapid development of China. As the developing country with the largest amount of energy production and consumption in the world, with the development of the economy, energy demand standards of China continue changing, and the resulting contradictions are also becoming increasingly prominent. In order to resolve these contradictions, it is of practical significance to aim at the scientific analysis and theoretical research of integrated energy system of China.

1. The structure of integrated energy system of China from two levels and the differences in energy supply and demand in different regions of China are analyzed in this dissertation, and the structure of integrated energy system of China is also analyzed.
2. A unified flow model is established in this dissertation based on the minimization of total cost, and the relevant national policy criteria is regarded as a model constraint to obtain the optimal solution of the model, which can provide certain support for relevant decisions.
3. At the same time, the vulnerability of integrated energy system of China is analyzed in this dissertation, combined with the impact of energy status and policies of China, and the impact and changes of integrated energy system structure of China under different circumstances is studied.

The unified flow model of integrated energy system of China is studied and a better energy transportation scheme for the integrated energy system is provided in this dissertation, and the system vulnerability is also analyzed.

Key words：integrated energy system; network structure; model

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 3

1.3.3 综合能源系统模型 3

1.4 研究内容及目标 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 研究目标 6

1.5 章节安排 6

第2章 我国综合能源系统结构 8

2.1 综合能源系统 8

2.2 我国综合能源系统供需结构 9

2.2.1 国家层面能源供需结构 9

2.2.2 国内各省能源供需结构 12

2.3 本章小结 15

第3章 约束模型的建立 16

3.1 模型假设 16

3.1.1 传输线路的表示 16

3.1.2 节点的转换 16

3.1.3 成本和效率的线性化 17

3.2 符号表示 17

3.3 模型建立 18

3.3.1 目标函数 18

3.3.2 约束条件 19

3.3.3 约束模型 20

3.4 本章小结 20

第4章 模型优化求解 21

4.1 求解算法 21

4.2 优化对象选取 22

4.3 煤炭网络模型求解 24

4.4 天然气网络模型求解 25

4.5 电力网络模型求解 26

4.6 我国综合能源系统网络模型求解 28

4.7 本章小结 31

第5章 综合能源系统分析 32

5.1 煤炭网络脆弱性分析 32

5.2 天然气网络脆弱性分析 33

5.3 模型经济性分析 34

5.4 模型环保性分析 35

5.5 本章小结 35

第6章 总结与展望 36

6.1 全文总结 36

6.2 研究展望 36

参考文献 38

致谢 40

附录 41

绪论

研究背景

能源在人类生产生活中起着十分重要的作用。从世界各国的发展历史来看，能源的变革推动了世界的进步，随着世界各国的逐渐发展，能源需求量也逐渐加大。我国作为世界上最大的发展中国家，近年来对能源的需求量也在不断加大^[1]。目前我国所取得的巨大成就离不开我国综合能源系统的支撑。我国经济的发展离不开能源的支撑，能源系统的稳定是保证我国国民经济持续、稳定、健康发展的重要基础之一。因此，针对我国综合能源系统的科学分析和理论研究非常具有现实意义。

我国作为世界第二大经济体，是世界上人口最多的国家，同时也是世界上第一大能源生产国和第一大能源消费国。近年来，我国宏观经济稳中向好态势持续发展，这也带动了我国综合能源消费需求继续保持回暖^[2]。随着能源消费者对能源需求的不断变化，我国由能源引发的矛盾也日渐显现出来，未来，我国能源供需矛盾将进一步突出，主要原因如下：

1. 我国人均能源消费低且消费潜力大。

目前我国人均消耗能源仅3.2吨标准煤，而德国、法国和日本在5吨左右，美国在10吨左右，从数据来看，我国人均能源消费量与发达国家的人均量差距还很大。随着新型工业化、城镇化持续推进，人民生活水平不断提高，未来我国能源消费总量还将持续增加^[3]，从而由能源需求量增大引发的供需矛盾将日益突出。

1. 我国综合能源的生产和消费结构之间存在矛盾。

2017年底入冬以来，我国大部分地区天然气价格暴涨，液化天然气价格上涨至历史新高，据统计估计，全国天然气缺口超过113亿立方米。导致天然气需求矛盾激增的主要因素是国家推行“煤改气”工程，许多地区天然气需求量急剧增加，以取代煤炭。为缓解需求矛盾，相关部门紧急出台了相关政策，提出相关的解决方案，并且这次的“天然气荒”并非首次出现。类似“天然气荒”这样的事件说明我国综合能源生产和消费结构之间的矛盾已经暴露出来。

1. 我国综合能源利用率较低。

2002-2010年，我国省际能源利用效率在总体上是呈下降趋势的，能源利用低效率问题仍然比较突出^[4]，目前我国能源综合利用率仅30％，而欧洲等发达国家的能源综合利用率为42％左右，日本和美国的能源综合利用率可以达到51％^[5]。能源利用率较低也是我国目前亟待解决的问题。

1. 我国能源关键处理技术相对缺乏。

习总书记在十九大报告中提出，坚持人与自然和谐共生，坚持节约资源和保护环境的基本国策。同时，自2018年1月1日起，《中华人民共和国环境保护税法》开始施行。这意味着以往部分企业只注意能源的生产，不注意后续处理的现象会进一步受到严格把关，而这就需要掌握能源关键处理技术，使用后产生的能源废弃物如何处理是我国目前面临的问题，这个难题也一直困扰着我国综合能源系统的稳定和发展。

研究目的及意义

能源具有十分重要的作用，而我国综合能源系统矛盾日益突出，存在人均能源消费低且消费潜力大、综合能源的生产和消费结构之间存在矛盾、能源综合利用率低等多种矛盾。因此，对我国综合能源系统进行研究具有重要意义。

本文研究我国综合能源系统与其他国家或地区的供需关系，以及国内各省之间综合能源的生产、消费及供需结构，通过对我国综合能源系统结构进行分析，我国综合能源系统的结构更加清晰，为目前对我国综合能源系统供需格局进行现状研究及优化提供了一定的帮助。通过建立相关统一流数学模型，分析相关国家政策标准约束条件，能够求出我国综合能源系统供需关系的流量最优解，这有利于对我国综合能源进行统一调配，满足不同地区对不同能源类型的需求，实现供需平衡，有助于缓解我国能源生产和消费结构之间的矛盾。