能源系統工程

系統工程的一個門類。關於能源系統的預測、規劃和管理的技術。能源系統是包括能源的開發、供應、轉換、儲備、調度、控制、管理、使用等環節的大系統。能源系統與社會經濟、交通運輸、資源、科技發展等方面都有相互影響。能源系統工程是依靠運籌學、控制論、數量經濟學以及相關的專業學科，以定量的方法或定性與定量相結合的方法，研究世界、國家、地區、部門和企業等不同層次的能源的需求、供應、轉換、節約和新技術開發，以及對能源政策進行評價等問題。能源問題在時間上存在著長周期特性，在空間上與周圍環境有密切的關聯，能源系統工程是解決能源開發和節能問題的重要方法。能源系統工程的主要研究手段是能源模型。能源模型是用數學表達式來描述實際能源系統的結構及其變數間的相互關係，易於改變和控制能源系統中的參數和變數，對能源系統進行定量研究。

發展概況 20世紀40～50年代開始應用數學方法來研究能源問題。1973年出現世界性的石油危機，人們開始認識到過度耗費能源的政策會帶來嚴重後果，許多國家和國際軟科學研究機構開始重視從能源系統的戰略角度出發，應用系統工程方法來全面研究和評價未來能源的供需問題，希望提出相應的能源戰略和政策。1974年美國布魯克黑文國家實驗室在能源系統網路圖的基礎上，應用線性規劃方法首先提出國家能源模型(besom)。1977年，美國又提出由國家能源模型、伊利諾伊大學的能源投入產出模型和赫德森－喬根森宏觀經濟模型聯接組成的國家能源系統模型，用以預測未來的能源供需形勢。1977年世界替代能源戰略研究組經過 3年左右時間的研究提出全球能源系統模型(WAEA)。這個模型把世界劃分成能源進口區和出口區，根據不同的世界經濟發展速度、油價和能源政策等，用線性規劃方法研究未來世界能源的供需形勢和燃料替代戰略。1978年世界能源大會提出世界能源模型(WEC)，用預測方法對未來 40年的能源需求進行預測。國際應用系統分析研究所(IIASA)經過7年時間的研究，1981年發表了有一定影響的世界能源模型，用系統工程方法研究未來50年的世界能源形勢，就未來替代能源系統的建立及其有關技術工藝、資金和時間等提出了分析意見。歐洲共同體委員會在1975年開始組建能源系統分析與建模的研究組織，並於1977年提出歐洲能源系統模型 (EEC)，對歐洲共同體地區的未來能源供需協調進行預測。蘇聯在70年代也提出了由動態投入產出、能源系統優化、能源發展動態等模型組成的國家能源系統模型。中國能源系統工程研究始於1980年，先後採用了宏觀經濟模型、投入產出模型、計量經濟模型、數學規劃模型、投資分析模型、效應分析模型，以及由其中若干模型聯合組成的能源系統模型，對中國未來能源形勢和政策進行預測和分析評價。

能源系統網路圖能源系統網路圖是表示能源系統的活動與關係的一種工具。它描述能源需求估計、能源轉換工藝、燃料構成以及為了滿足這些要求所需要的資源等，構成一個參考能源系統。它是描述一個國家或地區某一年的實際能源系統的幾何模型。由能源系統網路圖可以推導出最優能源結構和能源投入產出模型。①最優能源結構：能源系統網路圖中各個環節可以有多種不同的組合，每個環節由於所用設施和處理工藝不同而有不同的效率、費用和排污量。同一種能源需求，可以經過不同環節從不同資源取得能源，因此可以構成多目標線性規劃模型。它的解是流過不同環節的能源量，稱為一個國家或地區的最優能源結構。②能源投入產出模型：能源系統網路圖上各個環節可以分佈在一個國家或地區的不同地點，各環節的活動又涉及交通運輸、經營管理、計劃分配、進出口貿易和技術革新等，所以能源系統是一個大系統，但又是國民經濟的有機組成部分。通過能源投入產出模型可表示它與其他部門的關係。

能源供需預測 能源系統模型的主要內容包括能源需求預測和能源供應預測兩個方面。①能源需求預測：如給定了預測期內一個國家的經濟發展速度和人民生活水平提高速度，就可以用投入產出模型來預測一個國家在預測期內的能源需求量和能源構成。如果在預測期內一個國家的經濟體制和技術水平沒有突變，還可以用時間序列法、回歸分析法和部門分析法進行能源預測。用一個國家的能源消費彈性係數也可推測未來的能源需求量。②能源供應預測：用能源儲量分析法、趨勢預測法、能源系統分析法等對一個國家或地區的能源供應量的可能範圍作出推測。

能源規劃模型 用以選擇能源戰略和制訂能源政策，並在此基礎上提出能源開發和供應計劃的邏輯框圖或數學模型。能源規劃按規劃期長短可分為近期 (5～10年)、中期（10～20年）、長期（20～50年）和遠期（超過50年）數種。

能源資料庫 能源資料庫是能源系統模型的基礎。能源系統是變數多、關係複雜的大系統。它可能使用幾萬個甚至幾十萬個數據和變數，需要用到多種計算程序，還必須逐年增添統計數據，在一定時期還要根據條件的變化而修改某些參數。能源系統模型，特別是國家級能源模型一般都具有多種功能，可供預測、規劃和政策分析之用。為了便於能源系統的分析運算，必須為各類能源模型配備能源資料庫。能源資料庫中存儲的能源數據分為歷史數據和技術數據兩類。歷史數據包括以往年度、季度和月度的能源統計數據。它們構成能源資料庫的主要部分。此外還存儲有關未來的能源預測數據。技術數據包括效率、安全性、污染等有關能源系統的各個工藝過程的信息。技術數據本身也可分為歷史統計數據和未來的預測數據。

參考書目

劉豹主編:《能源模型與系統分析》,能源出版社，北京，1984。