基于粒子群算法的陜西省能源消費結構優化研究

霍婧琦

摘要：本文以優化能源結構為主要目標，在考慮能源消費總量、能源強度、經濟增速、碳排放強度等各類條件，利用嶺回歸分析方法，對能源消費結構和陜西省省內GDP關系進行分析，最終建立陜西省能源消費結構的優化模型，再利用粒子群優化算法（PSO）對優化模型計算，對最優能耗、最優能源強度、最優碳強度三種方案進行相應的優化求解，找出滿足該三種方案的最佳能源消費結構。最終比較三種方案，得出最優能源強度方案不僅能超出陜西省GDP增速的規劃值，并且能使能源消費總量低于規劃的約束目標，降低能源強度，反映出能源的利用效率的不斷提高，具有較強的可實施性，為最佳能源消費結構調整方案。

關鍵詞：陜西省;能源消費結構;能源強度;碳強度;粒子群優化算法

為強化能源消費總量和強度雙控，實施能源消費總量和能源強度雙控目標，推進綠色低碳發展，《陜西省“十三五”控制溫室氣體排放工作實施方案》中規定，到2020年，全省單位地區生產總值二氧化碳排放比2015年下降18%，碳排放總量得到有效控制。氫氟碳化物、甲烷等非二氧化碳溫室氣體控制排放力度進一步加大。在考核各設區市能耗強度降低目標的基礎上，增加了能源消費總量的增量控制目標，形成了能源消費總量和能源強度“雙控”的新局面，到2020年，全省能源消費總量控制在1.39億噸標準煤以內，單位地區生產總值能源消費比2015年下降15%，非化石能源消費占比達到13%。大型發電集團單位供電二氧化碳排放水平控制在550克二氧化碳/千瓦時以內。但是短期內在保持經濟增長的同時必須要有足夠能源消耗量，因此要控制全省能源消費量的情況下降低能源強度和碳排放強度，完成十三五規劃的雙控目標。

能源強度指一個國家或地區的生產單位產量的耗費能源總量值，該值體現的是能源用量對經濟系統的重要程度以及能源的使用效率。魏巍賢等[1]對各類不同的發展狀況的國家能源消費強度進行一定的分析研究，通過收斂檢驗和協整性檢驗總結出所有國家都應當存在能源強度收斂的現象。史丹等[2]認為提高能源消耗使用效率是繁雜的綜合性問題，需要與當地地區的能源消費配置方法、各地區生產產業結構綜合水平相結合，總結出若要提高中國各地區的能源利用效率，需要改善各個地區自行穩定的能源配置方式， 充分使能源的主要消耗量流向能源利用效率較高的地區，并且在其中仍需要考慮各類不同條件因素，要相對應實行能耗流動細化目標。Apergis N.&J.E. Payne[3]對20個經濟合作與發展組織國家的1985至2005年期間的可再生能源消耗和GDP增速增長之間的關系進行動態數列分析，對非平穩序列的因果關系的結果表示實際的GDP的增長、可再生能源的消費和勞動力使用之間存在著一定的長期性平衡的關系，并且Granger因果檢驗最終結果表明，無論短期或者長期，可再生能源消費和GDP增長之間都存在著相互關聯的相關關系。

能源強度和碳排放強度在一定程度上具有相關關系。黃芳[4]通過構建 Kaya 恒等式的碳強度拓展模型，對國內碳強度進行研究，得出能源強度因素對于碳強度的降低影響是最大的，其次是能源消費結構的影響，而產業化的結構的變動對于碳強度的影響是較為不穩定的。黃光球等[5]對陜西省能源消費結構和碳排放強度的關系分析得出，煤炭、石油消耗量增加對碳排放強度起到增多的作用，而對于天然氣和其他能源用量的增加對碳排放強度起到減少作用。李雪梅[6]等用LMDI 模型分析對天津市能源消費和碳排放強度之間的關系，總結出對于天津市碳排放而言，天津市經濟規模和能源強度對該城市的碳排放影響較大，說明在一定程度上，能源強度逐漸增大會導致碳排放強度變大。朱妮等[7]研究發現，經過與產業結構調整的作用對比發現，調整優化好能源消費的使用結構會對碳排放強度產生較大的影響，并且在面對碳排放強度調整后的反沖擊的結果上，優化好能源消費的結構表現更加優異。

煤炭在我國能源消費中處于主要的能源消費地位，但是煤炭產生的污染較為嚴重，并且煤炭的能源效率較低[8]，碳排放量較大，能源結構優化的空間較大，碳強度減排潛力較大。主要優化碳強度的方法是進行能源消費結構的調整，從而得到優化后的碳排放強度。因此本文采用優化能源結構的方法，對陜西省的能源結構優化模型進行構建，以便達到降低能源消費總量和能源強度和碳排放強度的最優目標方案，從而加快推進綠色低碳發展提前完成十三五規劃的能耗雙控的總目標。

1. 能源結構優化重點和主要目標

1.1 優化重點

1）降低能耗總量。陜西省發布的《陜西省“十三五”戰略性新興產業發展規劃》，確定了控制最終的能源消費總量，選擇以農業、工業、交通業等各領域能源消費的結構為最終優化重點[9]。并且在達到全省能源消費總量控制的條件下盡可能減少碳排放，陜西省目前還處于工業化中期階段，經濟增長仍然仰仗著一定的能源消費。但是若對化石能源的過度使用，會使得污染性排放氣體超標，超出環境承載力，污染環境。因此降低能源消費總量是陜西省能源消費結構低碳化的重點之一。

2）降低煤炭能源的消費占比，并且提高天然氣和非化石燃料的消費占比，降低單位能源碳排放。能源消費結構低碳化直接體現在單位能源消費的碳排放總量上[10]，所以當能源消費總量無法大幅度下降的時候需要降低單位能源的碳排放量，以達到降低碳排放量的相同目的。相同條件，對比其他能源，煤炭產生的氣體污染和碳排放量是最大的，產生的污染最為嚴重，而陜西省的煤炭消費比重過大，因此直接導致陜西省單位能源消費碳排放量較大，若有效降低煤炭消費使用量則能大幅降低單位能源碳排放量，再輔以提高天然氣、非化石燃料等低碳能源的消費占比，更加有效的降低單位能源的碳排放量。

3）選擇恰當的能源消費方式，加大推動節能減排的力度，提高能源利用效率，必要時采取恰當的社會手段引導社會的能源消費結構，使其在滿足足夠的生產的情況下調整能源消費結構，加大約束能源消費結構，建立好能源消費節約體系，盡可能在最大程度上實現節能減排，提高能源利用效率。主要方法為：大力投入清潔能源的研發基金，大力宣傳低碳環保的創新理念，加快研發新型清潔能源和配套的產業技術，擺脫對高碳高污染的能源依賴。

1.2 優化目標

由《陜西省“十三五”戰略性新興產業發展規劃》、《關于印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知》等提出的指導思想、戰略方針，得出陜西省主要通過促進傳統產業轉型升級，加快新興產業發展，推動能源結構優化等方法來進行優化產業和能源結構[11]，以期達到陜西省“十三五”節能減排方案的總體要求和主要目標

1）調整能源消費結構目標。加強煤炭安全綠色開發和清潔高效利用，推廣使用優質煤、蘭炭等清潔型煤炭，全方位推進煤改氣、煤改電等措施，以著重減少燃煤用量為主。嚴格制定各個地區的用煤標準，加強對煤炭生產、清潔、流通、使用等環節的監督。有序發展水電能，加快風電能的開發，規模化發展光伏發電，增加更多種類的電力供應，降低電力供應的相關費用，吸引能源消費結構的主動轉變。

2）減少能源強度目標。能源強度是指單位GDP的能源消費的強度，是用于衡量不同經濟體能源綜合利用效率，也用于表示能源應用于各類不同經濟體的發展的依賴性強度。能源消費強度的降低主要依賴于工業能源消耗效率的提高[12]，因此必須提高能源的利用效率，進行以產品種類的供需變化為主導的工業消費結構調整，進行高新技術的變革和能源消費管理，使得能源強度降低，減少單位GDP的能源消費強度，以便于完成節能目標。

3）減少碳排放目標。碳減排是指降低能源消耗的碳排放強度。《聯合國氣候變化框架公約》[13]等明確規定，發展中國家不需要強制承擔碳減排目標，自愿減排也主要以相對減排為目標。我國目前仍然是發展中國家，所以，我國的碳減排目標是和GDP相聯系的[14]，也就是和碳強度相關的單位GDP的碳排放量，陜西省的能源消費結構的調整應該以降低碳強度為碳減排目標。

2. 建立優化能源消費結構的數學模型

2.1目標函數

3.2數據設定

1）確定GDP 規劃值。從《陜西統計年鑒》中獲取 2006—2016 年陜西省省內GDP數值，可得2015年陜西省GDP約為18021.86億元《陜西省“十三五”戰略性新興產業發展規劃》、《陜西省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中得出在“十三五”規劃期間陜西省生產總值年均增速8%左右，增速顯著高于全國平均水平。而根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》，我國 GDP增速應當保持在年均6.5%以上;2016年陜西省生產總值增長7.6%，2017年陜西省生產總值增長8.0%，在此根據十三五規劃的既定目標和近幾年的生產總值的增量，預估2016至2020年十三五規劃期間的年均GDP增速為7.6%～8.5%，也即是2020年陜西省GDP值達到25993.27億～27098.69億元之間。

2）能源消耗規劃值確定。根據《陜西省“十三五”節能減排綜合工作方案》中規定能源消費總量控制在1.39億噸標準煤以內。對于煤炭的能源消耗，十三五規定到2020年，煤炭占能源消費總量比重下降到70%左右，也即是煤炭消費占比為67.5%～72.5%之間，也即是9382.5～10077.5萬t標準煤之間。石油相比較2015年必須必2015年石油消耗量低，2015年石油消耗量為1552.57萬噸標準煤，說明2020年石油消費量低于1552.57萬噸標準煤。天然氣占一次能源消費總量的13%左右。即天然氣占比不低于12%，也即是大于1668萬噸標準煤。高于全國天然氣占能源消費比重的8%，超過國家規劃值目標。《陜西省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中規定在2020年要求非化石能源占一次能源消費比重必須達到13%以上，說明非化石能源占能源消費總量的比重不少于13%，即是不少于1807萬噸標準煤。

3）二氧化碳排放規劃值確定。根據《陜西省“十三五”控制溫室氣體排放工作實施方案》確定的二氧化碳排放目標，要求至2020年，全省單位地區生產總值二氧化碳排放（下簡稱“碳排放強度”）比2015年下降18%，2015年陜西省碳排放強度為c=0.430969t碳/萬元，則2020年陜西省碳排放強度應控制為0.3534t碳/萬元。

4）能源強度規劃值。《陜西省“十三五”節能減排綜合工作方案》中規劃的節能減排的約束性目標為，在2020年末，使得陜西省的整體能源強度在2015年末的基礎上下降15%，在2015年陜西省能源強度值為0.65噸標準煤/萬元，則2020年能源強度的值應該不大于0.5525噸標準煤/萬元。

4. 能源結構優化算法分析

4.1粒子群優化算法

本文采用粒子群優化算法進行相應的最優值的結構優化，粒子群優化算法（PSO）是一種并行進化算法[19]，模擬的是鳥類覓食尋找食物的一個過程而得到的一種算法，這種算法和模擬退火算法類似，都是從任選隨機解開始計算，經過一系列迭代尋優過程尋找最優值。這類算法和遺傳算法類似，但是相對遺傳算法較為簡單[20]，尋找最優解的過程中能夠有目的性的尋找最優解，并且粒子群的粒子速度隨機性是受到個體和群體的最優的影響的隨機性，從而能夠相比遺傳算法在小規模計算中具有更大的優勢。PSO算法具有很強的全局尋優的能力，但是相對于其他算法的局部尋優探索能力較差。

粒子群算法的過程[21]為先對粒子群進行位置和速度的初始化，任意選擇每個粒子的位置x0和速度V0，將每一個粒子按照初始速度進行運動，保存粒子運動后的位置xi，將其與個體最優值位置Pbest進行對比，選擇出其中最好的位置保存在Pbest中，再與全局最優值位置Gbest進行比較選擇出其中最好的位置保存在Gbest中，再根據粒子群的速度變化公式（16）和位移變化公式（17）更新該粒子的速度和位置，再次進行下一次的尋優，如此往復，直至達到最大的迭代條件或者粒子群搜索到最優值滿足某一條件閾值后進行終止。

1）在最優能源方案下，2020年陜西省能源消費總量為13568.4347萬噸標準煤，處于約束1.39億噸標準煤之下，滿足規劃要求，其中煤炭消費量為9382.5萬噸標準煤，占能源消費總量的69.15%，降低目標超出十三五規劃預期的2020年煤炭能源占比0.85%，達到減少煤炭用量的目的，相較十二五規劃末期的煤炭能源消費占比減少了3.58%，并且保持GDP增速達到7.6%，超出國家目標0.6%。石油消費量為614.98714萬噸標準煤，占能源消費總量的4.53%，相較于2015年油品下降了60.3%，極大的降低了石油的使用量，完成十三五目標。天然氣消耗量約1763.9476萬噸標準煤，占能源消費總量的13.00%，相較于2015年使用量增長了37.07%，剛好達到了陜西省十三五規劃的預期目標。非化石燃料的消耗量約1807萬噸標準煤，占能源消費總量的13.32%，超出預期強制性目標的0.32%，達2015年非化石燃料消耗量的3.3倍，極大的增加清潔能源的消費占比。2020年陜西省生產總值約為25993.7069億元，省內GDP的增速達到7.6%，低于預期目標0.4%，但高于國家目標1.1%，仍符合要求。較2015年增加了44.23%。能源強度降低為0.52199噸標準煤/萬元，較2015年能源強度降低了0.12801噸標準煤/萬元，降低比率為19.69%，高于預期目標4.69%。碳排放強度降低為0.31373噸碳/萬元，較2015年碳排放強度降低0.117239噸碳/萬元，降低比率為27.20%，高于預期目標9.20%。

2）在最優能源強度方案下，2020年陜西省能源強度降低為0.50151噸標準煤/萬元，較2015年能源強度降低了0.14849噸標準煤/萬元，降低比率為22.84%，高于預期目標7.84%。2020年陜西省能源消費總量為13590.3621萬噸標準煤，處于約束1.39億噸標準煤之下，滿足約束條件，其中煤炭消費量為9382.5萬噸標準煤，占能源消費總量的69.04%，降低目標超出十三五規劃預期的2020年煤炭能源占比0.96%，達到減少煤炭用量的目的，相較十二五規劃末期的煤炭能源消費占比減少了3.69%，并且保持GDP增速達到8.49%。石油消費量為732.8621萬噸標準煤，占能源消費總量的5.39%，相較于2015年油品下降了52.80%，較大的降低了石油的使用量，完成十三五目標。天然氣消耗量約1668萬噸標準煤，占能源消費總量的12.27%，相較于2015年使用量增長了50.28%，在陜西省十三五規劃的預期目標范圍之內。非化石燃料的消耗量約1807萬噸標準煤，占能源消費總量的13.30%，超出預期強制性目標的0.30%，高于2015年非化石燃料消耗量的3.39倍，極大的增加清潔能源的消費占比。2020 年陜西省生產總值約為27098.6891億元，省內GDP的增速達到8.49%，高于預期目標0.49%，并且高于國家目標1.99%，較2015年GDP總量增加了50.37%，滿足經濟增長的需求。并且碳排放強度降低為0.3019噸碳/萬元，較2015年碳排放強度降低0.1291噸碳/萬元，降低比率為29.95%，高于預期目標11.95%。完成陜西省十三五規劃的各項減排指標。

3）在最優碳排放強度方案下，2020年陜西省碳排放強度降低為0.29904噸碳/萬元，較2015年碳排放強度降低0.131929，降低比率為30.61%，高于預期目標12.61%。2020年陜西省能源消費總量為13899.833萬噸標準煤，處于約束1.39億噸標準煤之下，符合規劃要求。其中煤炭消費量為9382.5萬噸標準煤，占能源消費總量的67.50%，目標超出十三五規劃預期的2020年煤炭能源占比2.5%，達到減少煤炭用量的目的，相較十二五規劃末期的煤炭能源消費占比減少了5.23 %，并且保持GDP增速達到8.49%。石油消費量為600.08057萬噸標準煤，占能源消費總量的4.32%，相較于2015年油品下降了61.34%，極大的降低了石油的使用量，完成十三五目標。天然氣消耗量約1668萬噸標準煤，占能源消費總量的12.00%，相較于2015年使用量增長了37.07%，恰好在陜西省十三五規劃的預期目標范圍之內。非化石燃料的消耗量約2249.2524萬噸標準煤，占能源消費總量的16.18%，超出預期強制性目標的3.18%，達2015年非化石燃料消耗量的4.22倍，極大的增加了清潔能源的消費占比。2020 年陜西省生產總值約為27098.6896億元，省內GDP的增速達到8.49%，高于預期目標0.49%，并且還高于國家目標1.99%，較2015年GDP總量增加了50.37%，滿足經濟迅速發展的需求。能源強度降低為0.51293噸標準煤/萬元，較2015年能源強度降低了0.13707，降低比率為21.09%，高于預期目標6.09%。完成陜西省十三五規劃的各項減排指標。

最優能源方案中，能源消費總量相較于其他方案總量最少，完成能耗總量的目標，但是其中煤炭的消費占比相較其他方案最高，仍然完成了十三五規劃的節能減排目標，但是GDP增長速度沒有完全達到陜西省預期目標，但仍能接受;在最優能源強度目標下石油消費量和能耗占比為三種方案中最高的方案，但是相應的能源強度達到最小值，而在其他方面來說都處于最優能源方案和最優碳排放強度方案之間，并且保持了GDP的增速超過陜西省十三五規劃目標;在最優碳減排強度方案下，煤炭石油天然氣的能源占比都為三種方案中的最小值，非化石燃料的能源消耗占比比其他優化方案的非化石燃料能源消耗消耗占比大，在省內GDP保持最大增速的情況下實現了碳強度最小的最終規劃目標，但是導致能源消費總量為三種方案的最大值，達到節能減排規劃值的上限。相較于最優碳排放強度方案和最優能源消費方案，最優能源強度方案在保持能源消費總量未達到約束目標最大值的條件下還提高了GDP的增速，順利的完成了陜西省十三五規劃的節能減排、消費結構優化的重要目標，并且還保證了GDP的增速保持在規劃目標之上，并且具有較強的可實施性，為最佳能源消費結構調整方案。

5. 結論

通過對陜西省十三五能源消費結構和節能減排主要目標的具體分析，在考慮經濟增速保持穩定、減少能源消費總量，減少溫室氣體排放等條件下，建立陜西省能源消費結構的優化模型，并且利用粒子群算法進行尋優，找出滿足最優能源、最優能源強度，最優碳減排強度這三種優化方案的最佳能源結構。最終得出：最優能源消費方案，使得能源消費總量下降至最低，并且滿足各項能源約束指標，但是卻無法達到陜西省既定的經濟增速的目的。最優碳排放強度方案將碳排放強度降至最低，并且滿足GDP增速達標的條件，但是卻會使得能源消耗量上達到最大值。而對于最優能源強度方案，恰好處于兩種方案之間，不僅能超出陜西省十三五規劃的GDP增速目標，并且還能使得能源消費總量低于約束目標，反映出能源的利用效率的不斷提高，具有較強的可實施性，為最佳能源消費結構調整方案。

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