燃气专项规划柔性规划方法研究_工程实践

摘要

摘要：介绍了柔性规划方法。结合燃气专项规划实例，探讨了柔性规划在燃气专项规划中的应用，得到了综合考虑初始投资额与补偿投资额的总体最优方案。提高了规划方案对规划区域发展

摘要：介绍了柔性规划方法。结合燃气专项规划实例，探讨了柔性规划在燃气专项规划中的应用，得到了综合考虑初始投资额与补偿投资额的总体最优方案。提高了规划方案对规划区域发展建设水平的适应性，增强了方案的灵活性。

关键词：燃气专项规划；柔性规划；不确定性；等微增率准则；多场景预估方法

1 概述

燃气专项规划^[1～2]是以城市总体规划和详细规划为基础，结合当地输配系统发展特点编制的综合技术成果。由于其上位规划在编制、实施过程中不可避免地存在不确定性，因此燃气专项规划应在适度超前、合理配置的原则指导下，统筹气源分配，考虑系统适度冗余，使规划成果对城市发展具备一定弹性，满足规划区域发展要求。

随着我国城市化进程持续提速，城市规划、发展、建设过程中的不确定性越发显著，这类不确定性在城市周边新兴工业、产业园区的建设过程中体现得更为突出。因此科学合理规划城市燃气输配系统，保证系统技术经济合理可行的同时，对城市发展建设保有适当弹性，是当前城市燃气规划编制过程中应考虑的重要问题。

2 规划不确定性的影响与常规应对方法

市场经济中的规划认为未来是不确定的^[3]。当前我国城市燃气专项规划对上位规划实施过程中的不确定性考虑较少，造成输配系统过度冗余或短时间内不能满足用户需求。

输配系统过度冗余的影响仅限于技术经济层面，对于系统运行无不利影响，但将造成人力、物力、财力的大量浪费，系统投资回报率低，经济性差。输配系统规模偏小则不能满足用户需求，需要对现状供气系统进行改造，往往涉及破路施工，对燃气输配系统的正常运行、周边地区交通运输和市容环境造成负面影响，对路面下其他专业管道构成潜在威胁，同时浪费了有限的路由资源。

目前为了应对规划区域发展的不确定性，常采用的方法有人为增大系统冗余度、敷设综合管沟、预留管道走廊等。由于这些方法造价过高或主观性过强，在工程实践中应用效果不佳。

3 柔性规划方法概述

考虑到使用常规规划方法难以解决燃气专项规划编制过程中，由于上位规划实施的不确定性带来的负面影响，本次研究尝试使用柔性规划方法解决此类问题。

柔性规划方法目前主要应用于电网规划中，该方法通过考虑各不确定因素对规划结果的影响，使最终规划方案能够适应未来环境的可能变化，并以最小的代价弥补因可能出现的环境变化而造成的损失^[4]。假设有两个燃气输配系统规划方案(S₁与S₂)，S₁是运用传统启发式规划法^[5]得到的最优方案，S₂则是考虑了不确定性因素影响的柔性规划方案。两方案在不同环境下的费用比较见图1。

图1中，波动费用是指当预想环境变化至可能环境后，方案S₁、S₂为了适应变化而增加的费用。可见虽然在预想环境下S₁比S₂投资费用省，但当未来环境发生变化后，S₁比S₂付出了更多的追加费用(y₁-y₂)，因此S₂比S₁具有更好的灵活性与适应性。柔性规划的意义在于通过在规划前期增加少量资金投入，使系统能够更加适应未来可能的变化，即无论未来环境如何变化，柔性规划方案都能以较少的追加投入来适应这种变化。采用柔性规划方法总体上可以节省大量的资金和物资。

本次研究把柔性规划方法的理念引入燃气输配系统规划中，通过对燃气输配系统规划方案进行柔性规划校核，得到更能适应城市发展的规划方案。

4 柔性规划方法在燃气专项规划中的应用

根据规划边界条件的不同和不确定信息的处理方法差异，柔性规划方法分为柔性约束规划法、基于盲数模型的柔性规划法、考虑线路被选概率的柔性规划法和基于等微增率准则的柔性规划法。结合燃气专项规划特点，选择基于等微增率准则的柔性规划法进行研究，该方法实施步骤如下。

① 负荷增长不确定性的处理

负荷增长的不确定性是燃气输配系统规划中的主要不确定性因素，可用多场景预估方法处理。根据历史用气负荷和上位规划提供的基础数据，采用常规方法得到规划区域的燃气负荷预测值，称为基本场景用气负荷q₀。对该区域发展前景与目标实现程度进行判断，以基本场景用气负荷q₀为基础，提出多个可能场景用气负荷q_i，可用下式表示：

q_i=xq₀ (1)

式中q_i——第i种可能场景用气负荷，m³/h

x——可能场景用气负荷与基本场景用气负荷之间的关系系数

q₀——基本场景用气负荷，m³/h

从机理上讲，多场景预估方法类似于枚举法，不同于对不确定性信息直接建模的处理方式。多场景预估方法绕过了对不确定性信息的直接分析与处理，将规划中的不确定性问题转化为多个确定性问题，降低了求解难度，提高了计算速度。式(1)中，x的取值范围可以通过德尔菲法、专家调查法、层次分析法等多种方法获得。

② 负荷增长不确定性的校核

得到关系系数x后，需要进行校核工作。要根据规划区域上游气源的供应规划，校核最大可能场景用气负荷是否在上游气源供应能力范围之内。若超出上游气源供应能力范围，应以上游气源对规划区域的最大供气量作为可能场景用气负荷的最大值，并指导燃气用户发展，确保有限的燃气资源得到合理利用。

③ 初始投资额与补偿投资额的确定

通过对负荷增长不确定性的处理与校核，每种可能场景中的负荷量已经确定，因此采用常规方法即可求得该场景下燃气输配系统的最优投资方案及最优投资额C_i，C_i也称为初始投资额。当由可能场景变为负荷最大场景时，在最优投资额基础上的投资额增量△C_i称为补偿投资额。在工程实际中，初始投资额与补偿投资额往往成相反趋势关系，且二者之和并不单调上升。

④ 建立投资模型

根据柔性规划原理，寻找最能适应规划不确定性的方案，即寻找下式中F的最小值。

F=C+△C (2)

式中F——可能场景下的总投资额，元

C——可能场景下的初始投资额，元

△C——可能场景下的补偿投资额，元

根据上文的分析，将C与△C简化为只与负荷q有关，则有：

C=f(g) (3)

△C=g(g) (4)

将式(3)、(4)代入式(2)，得：

F=f(q)+g(q) (5)

⑤ 基于等微增率准则的规划方案求解

规划方案中初始投资额与补偿投资额的关系见图2。

根据式(5)和图2可知，欲使F最小，需要在横轴上找到一点A(用气负荷为q_a)，过点A作横轴的垂线，该垂线与初始投资额曲线和补偿投资额曲线相交所得到的线段最短，曲线与垂线交点的斜率就是该点的等微增率，即

用气负荷q_a对应的负荷场景即为规划最佳负荷场景，求出q_a后，该场景下由常规方法得到的最优燃气输配系统方案即为最优的柔性规划方案。

5 应用实例

在我国西南某市国际中心区燃气专项规划的编制过程中，由于规划区域开发建设水平存在较大不确定性，且工程工期紧，燃气输配系统拟按照专项规划成果随规划区内主要道路同期开展建设。根据该工程特点，决定采用柔性规划法进行专项规划编制。

① 确定基本场景及可能场景用气负荷

预计规划期末规划区域内的人口将达90×10⁴人，建设用地面积为4576×10⁴m²，以居住用地、公共设施用地为主，采用管道天然气。根据规划区域所在地的燃气用气量指标及用气规律，计算得到规划期末天然气的年用气量为2.7656×10⁸m³/a，高峰小时用气量为13.35×10⁴m³/h，即基本场景用气负荷q₀=13.35×10⁴m³/h。采用德尔菲法确定可能场景用气负荷变化范围为0.7q₀～1.5q₀，并以0.1q₀为间隔选取9个场景进行研究。

② 最大可能场景用气负荷的校核

本规划实例中，最大可能场景用气负荷为1.5q₀，即规划区域年用气量达4.1484×10⁸m³/a，高峰小时用气量达20.03×10⁴m³/h。规划区域周边天然气资源丰富，通过对上位气源供应规划进行研究并与供气单位协商，认为规划区域上游气源能够满足最大可能场景用气负荷，即可能场景用气负荷变化范围选择合理。

③ 初始投资额与补偿投资额的计算

根据式(2)建立投资模型，应用传统启发式规划法得到每种可能场景用气负荷下的初始投资额、补偿投资额和总投资额，见表1。

表1 每种可能场景用气负荷下的初始投资额、补偿投资额和总投资额

可能场景负荷	初始投资额/元	补偿投资额/元	总投资额/元
0.7q₀	26751×10⁴	28984×10⁴	55735×10⁴
0.8q₀	29837×10⁴	25878×10⁴	55715×10⁴
0.9q₀	32820×10⁴	18632×10⁴	51452×10⁴
1.0q₀	35855×10⁴	17080×10⁴	52935×10⁴
1.1q₀	36680×10⁴	12939×10⁴	49619×10⁴
1.2q₀	44263×10⁴	9834×10⁴	54097×10⁴
1.3q₀	46178×10⁴	8799×10⁴	54976×10⁴
1.4q₀	47741×10⁴	6728×10⁴	54469×10⁴
1.5q₀	51757×10⁴	0×10⁴	51757×10⁴

计算过程中的要点如下：

a. 可能场景下的负荷分配

规划区域内天然气用气类型以居民生活用气和商业用气为主，因此可能场景用气负荷可在基本场景用气负荷的基础上进行等比例变化。

b. 管网水力计算边界条件

为了确保各种可能场景下的投资额具有可比性，在管网方案计算过程中采用相同的水力计算边界条件。

c. 补偿方案确定与补偿投资额的计算

各种可能场景下的最优规划方案在最大可能负荷时的补偿方案按照修建复线方式考虑，补偿投资额包括工程费用及二次开挖、树木伐移等相关补偿费用，不考虑由于路由条件限制补偿工程无法实施的情况。

④ 最优化柔性规划方案求解

对表1中的数据，运用最小二乘法进行拟合，得到q与C、q与△C的函数关系式：

C=1482q²+28 216q+6168.4

△C=11259q²-58152q+63913

根据式(6)知，拟合关系式中二次项系数不互为相反数，则总投资额存在唯一的最小值。根据式(6)求得规划最佳负荷场景q_a=1.17q₀，即年用气量达3.2358×10⁸m³/a、高峰小时用气量达15.62×10⁴m³/h时所对应的最优规划方案就是最优柔性规划方案。该方案初投资额为3.9359×10⁸元，对最大可能负荷场景下的补偿投资额为9867×10⁴元，总投资额合计4.9226×10⁸元。

与基本场景用气负荷q₀下的最优规划方案相比，最优柔性规划方案中部分管道的管径有所增大，初期投资额相应增长，补偿投资额大幅下降，总投资额呈现下降趋势。按计划，未来几年内规划区域的燃气输配系统将全部配套到位，考虑到规划区域的发展定位以及未来系统扩建存在的不可预见风险，将最优柔性规划方案列为推荐方案。

柔性规划方法通过少量增加初期投资额，得到了综合考虑初始投资额与补偿投资额的总体最优方案，实质上将城市规划、发展、建设中不确定性因素造成系统损失的概率最小化，提高了系统抗风险能力，更好地保障了供气的安全性与稳定性，在全局层面实现了系统技术经济最优化。

6 结论与建议

① 随着我国城市化进程的不断深入，城市燃气输配系统在适度超前、合理配置的原则指导下，对城市发展建设保持适度弹性具有重要意义。

② 负荷增长的不确定性是燃气输配系统规划中的主要不确定性因素，引入柔性规划方法可以在量化不确定性因素的基础上，得到综合考虑初始投资额与补偿投资额的总体最优方案，提高了系统抗风险能力，更好地保障了供气的安全性与稳定性，在全局层面实现了系统技术经济最优化。

③ 采用基于等微增率准则的柔性规划方法得到的最佳场景负荷值q_a，可能大于、等于或小于基本场景用气负荷q₀。由于理论计算时未考虑路由资源的唯一性及补偿工程实施的可行性，q_a小于q₀时，应结合规划区域特点，慎重决策是否将柔性规划方案选为推荐方案。q_a大于q₀时，柔性规划方案实施的可行性也应结合实际情况，进行充分论证。

④ 规划方案编制过程中应对最大可能负荷进行气源供应能力校核，一旦最大可能负荷大于气源供气能力，应以上游气源最大供应能力作为可能场景负荷的最大值，并指导燃气用户发展，确保有限的燃气资源得到合理利用。

⑤ 在合理确定补偿工程实施时序的基础上，采用动态经济分析方法可以进一步提高柔性规划方法计算结果的准确性。

参考文献：

[1] 赵斌，王洲，田刚，等.县城燃气专项规划的探讨[J].煤气与热力，2010，30(6)：A34-A35.

[2] 王洲，孙项菲，曹诚，等.燃气专项规划中气源与负荷的确定[J].煤气与热力，2010，30(5)：A33-A35.

[3] 于立.城市规划的不确定性分析与规划效能理论[J].城市规划汇刊，2004，2(17)：37-42.

[4] 程浩忠.电力系统规划[M].北京：中国电力出版社，2008：160-162.

[5] 王吉权，赵玉林.电网规划的研究方法及特点[J].农村电气化，2006(2)：20-22.

(本文作者：牛亚楠洪昌富中国城市规划设计研究院北京 100037)