城市能源戰略發展指標評價體系研究

李順昕，高峰，張靖，張絢，趙敏，岳云力

（1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京100038；2.清華大學能源互聯網創新研究院，北京100085）

一、前言

能源是人類生存和發展的重要基石，是社會經濟運行的動力和基礎。隨著化石能源的逐漸枯竭與能源消費引起的環境問題不斷加重，未來人類發展與傳統能源結構不可持續的矛盾日益凸顯。推動可再生能源利用，加快能源結構轉型，實現能源高效、清潔供應，保護生態環境，已在國際社會達成共識。“以深入融合可再生能源與互聯網信息技術為特征的能源互聯網的提出，將是實現能源清潔低碳替代和高效可持續發展的關鍵所在”[1]。《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中提出“將推進能源與信息等領域新技術深度融合，統籌能源與通信、交通等基礎設施網絡，建設‘源-網-荷-儲’協調發展、集成互補的能源互聯網”。2016年7月26日，國家能源局發布了《國家能源局關于組織實施 “互聯網+”智慧能源（能源互聯網）示范項目的通知》，通過開展不同類型、不同規模的能源互聯網試點示范，促進能源互聯網健康發展，推進能源領域結構性改革。能源互聯網已成為國內外各界關注的焦點。

進入21世紀以來，能源技術在政治、經濟、文化等各個領域不斷滲透和推陳出新，正深刻改變著人類社會的運作方式和創新模式，驅動能源系統及社會經濟快速實現轉型升級。我國社會的主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。在能源不斷發展演化的過程中，科學評價能源戰略發展水平，并進一步總結發展經驗、提出發展策略，是世界各國的政府部門、行業組織普遍關注的重要課題。能源戰略發展指標評價對踐行能源革命具有指導意義，對能源政策制定具有參考價值。

在國際上，德國于2008年提出“E-Energy”計劃，力圖打造新型能源網絡，在整個能源供應體系中實現數字化互聯及計算機控制和監測。另外，德國政府在《德國2020高技術戰略》[2]中提出了“工業4.0”的發展戰略。瑞士聯邦理工學院致力于研究應用于智慧能源的能量集線器（energy hub）概念模型，采集并整合了實時負荷預測與實時監測的分布式電源、配電網潮流數據，對各發電側及受控負荷側進行優化控制。美國國家科學基金會在北卡羅萊納州立大學的FREEDM系統創新平臺致力于將電力電子技術和信息技術引入電力系統，效仿通信網絡中路由器的概念，提出了能源路由器的概念并實施了初步開發。美國國家可再生能源實驗室一直從事智慧能源的研究，將可再生能源接入作為最重要目標，認為未來的能源網絡是“電力，熱/冷，燃料+數據”的形式。德國國際合作機構（GIZ）和國家可再生能源中心共同發布了中德新能源示范城市能源規劃，致力于實現甘肅省敦煌市的零排放目標。埃森哲公司發布了《2015年全球能源架構績效指數報告》[3]以確定當前國家能源系統的績效基準，并在全球能源格局不斷變化的背景下為決策提供信息。

二、城市能源戰略發展

為了確保生態環境根本好轉，美麗中國目標基本實現，未來的城市能源戰略要向能源互聯網方向轉型。能源互聯網是一種互聯網理念，技術與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的新型生態化能源系統。能源互聯網是構建智慧城市的重要元素，它利用能源技術、信息技術等各種先進技術以及智能化手段，提高能源的優化利用效率，促進生態文明建設，實現智慧城市低碳、節能、高效、環保的目標，在智慧城市能源和環保體系中，發揮重要的作用[4]。

城市能源戰略發展的架構體系主要分三層：第一層是基礎設施層，電、油、氣、水、通信、環保、交通、熱力管網等是城市運轉架構體系中不可缺少的基礎設施，能源及相關設施的互聯互通、高效利用是智慧城市的保障。第二層是信息應用層，通過能源互聯網對能源信息采集分析和控制，分析城市的能源現狀、用能特性和用能預測等，結合各種能源使用情況，最大化利用新能源和可再生能源。分析并評估用能設備能效情況，提供用能建議引導低碳環保的生活方式，采集分析電動汽車的用能信息，識別重點排放源，采集監控城市環境質量數據，對環境風險進行預警，并對關鍵問題給出解決方案。第三層是決策交易層，利用能源互聯網中能源、交通、環境的信息，對能源結構、生態環境、市政和居民生活特點進行分析，對城市決策提供支持。同時，進行價值挖掘，創新的商業模式能源運營，用互聯網的思維來改變整個能源產業鏈。

在指標評價領域，華北電力大學新能源電力系統國家實驗室構建了基于層次分析法的配電網能效指標體系[5]，采用層次分析法確定各單項指標權重，結合單項指標狀態值，獲得被評估配電網綜合能效分值,找出配電網能效薄弱環節。中國石油大學石油天然氣工程學院基于雙重結構的能源利用效率新指標分析提出，應當降低煤炭結構，提高清潔能源比例，控制第二產業粗放型發展，提高其能源使用效率，加大第三產業比例[6]。江蘇省智能電網技術與裝備重點實驗室進行了基于電力系統能效評估的技術節能評價及優化[7]。華南理工大學利用天然氣分布式冷熱電聯供（DES/CCHP）系統和區域能源利用效率計算方法及影響因素分析，提出了區域的能效評價指標及計算方法[8]。

清華大學能源互聯網創新研究院構建的城市能源戰略發展指標評價體系，結合國內外城市能源轉型發展實踐，力求從多層面、多視角反映我國能源戰略發展的真實水平，建立了城市能源戰略發展指標評價體系，為制定科學合理的能源政策奠定堅實的基礎。及時納入能源新革命、新技術、新業態、新商業模式，設計了能源供給、能源消費、能效提升、再電氣化、綠色低碳等指標，力求使指標評價體系與時俱進。城市能源系統通過多種能源協同、供給與消費協同、集中式與分布式協同，大眾廣泛參與，實現物質流、能量流、信息流、業務流、資金流的優化配置，促進能源系統更高質量、更有效率、更加公平、更可持續發展。本文在以往研究的基礎上，從能源生產、傳輸、消費、存儲、轉換的不同環節，進一步研究和分析了城市能源戰略發展指標評價體系。

三、指標體系及評價方法

（一）指標設計原則

評價指標體系設計工作堅持導向性、系統性、可比性、科學性、可操作性、動態優化等設計原則，具體如下。

1.導向性原則

指標體系的設計以促進能源戰略發展為目標，以國家政策方針、經濟發展規律、能源清潔低碳發展需求為導向，體現國家能源戰略發展的總體要求。指標體系作為一個整體系統應該能夠反映城市能源戰略發展的主要影響因素和特征。同時在指標要素和權重設置方面，對能源戰略發展重點關注的方向進行傾斜，從而充分體現其引導性作用。

2.系統性原則

能源發展是一個有機體系，經濟社會各主體、各領域之間均存在著緊密聯系，指標體系不是指標的簡單堆砌，而是一個層次分明的整體，不同維度的指標處于不同層級，形成一定的秩序，同層級指標之間、指標層與指標層之間具有清晰的邏輯關系。指標體系中的單個指標能反映能源戰略發展的某個側面，而指標的綜合又能反映整體情況。清華大學電機工程與應用電子技術系提出過適用于多能協同園區能效評估的能源綜合利用率指標及能源互聯網綜合能效評估方法[9,10]。

3.可比性原則

可比性包括評價結果的橫向對比和縱向對比。不同區域能源戰略發展指數的比對，可以發現區域資源稟賦、能源系統、生態環境、技術水平、政策保障、經濟發展等方面的差異。同一個地區在不同年度的指數比較，可以發現該地區能源戰略發展的方向、水平和速度。清華大學建筑技術科學系構建了能量轉換系數（ecc/ECC）指標, 對一系列用能環節的能源利用效率進行對比評價[11]。

4.科學性原則

科學性原則主要體現在，一是指標的選擇應盡量排除主觀因素的影響，以定量指標為主，定性指標為輔；二是指標體系力求嚴謹、準確反映能源戰略發展的現實情況和未來潛力。科學性是能源戰略發展評價指數設計遵循的主要原則，從而確保評價指數的結果，能夠客觀反映能源戰略發展的趨勢方向、現實水平以及變化速度。

5.可操作性原則

能源戰略發展評價指標設計面臨的問題是理論模型的合理性與數據可獲得性之間的不一致性，在理論上非常理想的測度指標往往面臨數據難以獲得的困境。在現實中很容易獲得的數據，卻可能與指標設計的相關性不高。因此，能源戰略發展評價指標的設計力求在理論科學性和數據可獲得性之間取得平衡。例如，目前對可再生能源利用率的具體算法尚未統一。華北電力大學和中國建筑設計研究院明確了可再生能源替代量、可再生能源利用量的不同含義算法，給出了可再生能源利用率算法[12]。另外，不同的能源之間難以相互比較，一般采用一次能耗的計算方法，將煤、天然氣等不同種類的能源按照熱值折合成標準煤，根據燃煤電廠發電過程中的煤耗將電能折算為標準煤[13,14]。

6.動態優化原則

能源發展是一個動態發展的過程，能源基礎設施的升級、能源技術的變革、數據可獲得性的變更、新數據源的出現以及評價目標的調整，都會導致能源戰略發展評價指標的動態演化。在保持指標體系總體框架基本穩定的前提下，綜合權衡能源發展的階段態勢，適時對指標進行動態補充調整，可以更加全面客觀地反映能源發展狀況。城市指標體系對于不同類型城市具有動態靈活的可變成分，為不同類型城市在不同時期的決策提供優化指導。

（二）構建指標評價體系

城市能源戰略發展指標評價體系共分為兩級，一級指標初步共計11個：能源供給、能源消費、能效提升、電能替代、系統靈活、綠色低碳、創新發展、產業發展、安全可靠、經濟效益、能源體制，一級指標權重0.05～0.15；二級指標初步共計14個：可再生能源裝機占比、清潔能源消納比例、可再生能源消費占比、新能源車普及率、綜合能源利用效率、電力占終端用能比重、跨區輸電通道容量、儲能容量、二氧化碳減排、研發投入、注冊企業量、中心城市停電時長、投資收益率、政策數量，二級指標權重0.5～1，詳見圖1。

圖1 城市能源戰略發展指標評價體系

（三）構建指標評價模型

在上述工作的基礎上，初步構建起城市能源戰略發展指標評價模型，對能源戰略多級指標進行定量分析測算，主要包括指數計算，指標權重，指標值計算方法和案例分析四部分。

1. 指數計算

能源戰略發展評價指標體系基本指數的構建，主要通過查詢文獻、數據庫或發放業內專家調查問卷，得出與經濟周期同步的定量指標在不同時刻的取值，對其設定閾值并去量綱，從而計算得出基本指數。

式（1）中，Bi(t)為第i個指標在t時刻的未加權基本指數，di(t)是第i個指標在t時刻的取值；Ti(t)是第i個指標t時刻的閾值，i=1, 2, 3, …。

得出i個不同指標的基本指數后，設定其權重，計算得出加權后t時刻的指數結果：

式（2）中，Wi為第i個指標的權重；N為指標個數；Bi(t)為第i個指標t時刻的未加權的基本指數；Ii(t)為第i個指標t時刻的指數結果。

指數計算初步選取11個一級指標，根據公式（1）得出基本指數Bi(t)，經過等權重加權后根據公式（2）得出各項二級指標的指數計算結果I(t)，對其求和得到Ii(t)。

2. 指標權重

能源戰略發展指標體系權重的確定，采用層次分析法（AHP），具體計算過程如下：首先，建立層次結構模型，依據設定的能源戰略發展指標評價體系，對指標間的相互關系進行分層。然后構造判斷矩陣，在確定各層次、各指標之間的權重時，采用一致矩陣法進行兩兩比較，盡可能減少性質不同因素相互比較的困難，提高準確度。其次，開展層次單排序，對于上一層某因素而言，對本層次各因素的重要性排序，進行判斷矩陣的一致性檢驗。再次，開展層次總排序，確定某層所有因素對于總目標相對重要性的排序權值過程。初步一級指標權重取0.05～0.15，二級指標權重取0.5～1。

3. 綜合指標

綜合指標評分計算采用線性加權方法按照指標層級逐層疊加,加權計算公式為：

式（3）中，i為一級指標個數；j為第i個一級指標對應的二級指標個數；Pi為第i個指標值；αi為一級指標權重；βj為第k個一級指標下對應的第j個二級指標權重；D為城市能源戰略發展指數。

4.指標評價案例分析——以張家口市為例

當前，中國河北省張家口市樹立創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，搶抓京津冀協同發展、京張攜手籌辦冬奧會、建設國家可再生能源示范區三大機遇，大力培育大生態、大旅游、大數據、大健康和新能源、新技術、高端制造“四大兩新一高”主導產業，著力打造水源涵養功能區、綠色產業聚集區、可再生能源示范區、國際休閑運動旅游城市和奧運名城。按照張家口市特色豐富了二級指標，再將2017年張家口市能源指標相應數據輸入模型，并采用綜合指標評價方法計算得出城市能源戰略發展指數，結果見表1。

根據國家能源領域的“十三五”發展規劃及中長期規劃，對張家口市2020及2030年的城市能源戰略發展指數值進行模擬計算得出結果，見表2和表3。

張家口市城市能源戰略發展指標評價結果見圖2。

四、結論與建議

本研究從能源供給、消費、能效等不同角度，提出了城市能源戰略發展指標評價體系，并給出計算方法，提高了城市能源戰略發展指標評價的全面性、科學性和實用性。用此方法進行驗證，張家口市在能源消費、再電氣化、能源體制等指標方面有較強基礎，2030年在創新發展、產業發展指標方面有較大的發展潛力。2017—2020年該城市在能源供給、綠色低碳、安全可靠等指標方面亟待技術突破，2020—2030年該城市在能效提升、系統靈活、經濟效益指標方面需要較強的技術支持及政策推進力度。進而提出了張家口市未來“1+5”發展目標：“打造生態宜居、具有國際領先示范效應的體制-技術-產業綠色創新示范區——張家口”+國家核心區能源基地、張家口綠色用能城市、綠色智能慧谷、低碳冬奧專區、綠色達沃斯崇禮和電網發展目標。

表1 2017年張家口市城市能源戰略發展指數

表2 2020年張家口市城市能源戰略發展指數

表3 2030年張家口市城市能源戰略發展指數

圖2 張家口市城市能源戰略發展指標評價結果