城市能源戰(zhàn)略發(fā)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(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京100038；2.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京100085）

一、前言

能源是人類生存和發(fā)展的重要基石，是社會經(jīng)濟運行的動力和基礎(chǔ)。隨著化石能源的逐漸枯竭與能源消費引起的環(huán)境問題不斷加重，未來人類發(fā)展與傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)不可持續(xù)的矛盾日益凸顯。推動可再生能源利用，加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)能源高效、清潔供應(yīng)，保護生態(tài)環(huán)境，已在國際社會達成共識?！耙陨钊肴诤峡稍偕茉磁c互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)的提出，將是實現(xiàn)能源清潔低碳替代和高效可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在”[1]?！秶窠?jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中提出“將推進能源與信息等領(lǐng)域新技術(shù)深度融合，統(tǒng)籌能源與通信、交通等基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)‘源-網(wǎng)-荷-儲’協(xié)調(diào)發(fā)展、集成互補的能源互聯(lián)網(wǎng)”。2016年7月26日，國家能源局發(fā)布了《國家能源局關(guān)于組織實施 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源（能源互聯(lián)網(wǎng)）示范項目的通知》，通過開展不同類型、不同規(guī)模的能源互聯(lián)網(wǎng)試點示范，促進能源互聯(lián)網(wǎng)健康發(fā)展，推進能源領(lǐng)域結(jié)構(gòu)性改革。能源互聯(lián)網(wǎng)已成為國內(nèi)外各界關(guān)注的焦點。

進入21世紀以來，能源技術(shù)在政治、經(jīng)濟、文化等各個領(lǐng)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(chuàng)新模式，驅(qū)動能源系統(tǒng)及社會經(jīng)濟快速實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。我國社會的主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。在能源不斷發(fā)展演化的過程中，科學(xué)評價能源戰(zhàn)略發(fā)展水平，并進一步總結(jié)發(fā)展經(jīng)驗、提出發(fā)展策略，是世界各國的政府部門、行業(yè)組織普遍關(guān)注的重要課題。能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價對踐行能源革命具有指導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)，在整個能源供應(yīng)體系中實現(xiàn)數(shù)字化互聯(lián)及計算機控制和監(jiān)測。另外，德國政府在《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》[2]中提出了“工業(yè)4.0”的發(fā)展戰(zhàn)略。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院致力于研究應(yīng)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(yù)測與實時監(jiān)測的分布式電源、配電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)，對各發(fā)電側(cè)及受控負荷側(cè)進行優(yōu)化控制。美國國家科學(xué)基金會在北卡羅萊納州立大學(xué)的FREEDM系統(tǒng)創(chuàng)新平臺致力于將電力電子技術(shù)和信息技術(shù)引入電力系統(tǒng)，效仿通信網(wǎng)絡(luò)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(fā)。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(wǎng)絡(luò)是“電力，熱/冷，燃料+數(shù)據(jù)”的形式。德國國際合作機構(gòu)（GIZ）和國家可再生能源中心共同發(fā)布了中德新能源示范城市能源規(guī)劃，致力于實現(xiàn)甘肅省敦煌市的零排放目標。埃森哲公司發(fā)布了《2015年全球能源架構(gòu)績效指數(shù)報告》[3]以確定當前國家能源系統(tǒng)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(zhàn)略發(fā)展

為了確保生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國目標基本實現(xiàn)，未來的城市能源戰(zhàn)略要向能源互聯(lián)網(wǎng)方向轉(zhuǎn)型。能源互聯(lián)網(wǎng)是一種互聯(lián)網(wǎng)理念，技術(shù)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的新型生態(tài)化能源系統(tǒng)。能源互聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)建智慧城市的重要元素，它利用能源技術(shù)、信息技術(shù)等各種先進技術(shù)以及智能化手段，提高能源的優(yōu)化利用效率，促進生態(tài)文明建設(shè)，實現(xiàn)智慧城市低碳、節(jié)能、高效、環(huán)保的目標，在智慧城市能源和環(huán)保體系中，發(fā)揮重要的作用[4]。

城市能源戰(zhàn)略發(fā)展的架構(gòu)體系主要分三層：第一層是基礎(chǔ)設(shè)施層，電、油、氣、水、通信、環(huán)保、交通、熱力管網(wǎng)等是城市運轉(zhuǎn)架構(gòu)體系中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，能源及相關(guān)設(shè)施的互聯(lián)互通、高效利用是智慧城市的保障。第二層是信息應(yīng)用層，通過能源互聯(lián)網(wǎng)對能源信息采集分析和控制，分析城市的能源現(xiàn)狀、用能特性和用能預(yù)測等，結(jié)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(shè)備能效情況，提供用能建議引導(dǎo)低碳環(huán)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(jiān)控城市環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，對環(huán)境風(fēng)險進行預(yù)警，并對關(guān)鍵問題給出解決方案。第三層是決策交易層，利用能源互聯(lián)網(wǎng)中能源、交通、環(huán)境的信息，對能源結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)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(chuàng)新的商業(yè)模式能源運營，用互聯(lián)網(wǎng)的思維來改變整個能源產(chǎn)業(yè)鏈。

在指標評價領(lǐng)域，華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家實驗室構(gòu)建了基于層次分析法的配電網(wǎng)能效指標體系[5]，采用層次分析法確定各單項指標權(quán)重，結(jié)合單項指標狀態(tài)值，獲得被評估配電網(wǎng)綜合能效分值,找出配電網(wǎng)能效薄弱環(huán)節(jié)。中國石油大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院基于雙重結(jié)構(gòu)的能源利用效率新指標分析提出，應(yīng)當降低煤炭結(jié)構(gòu)，提高清潔能源比例，控制第二產(chǎn)業(yè)粗放型發(fā)展，提高其能源使用效率，加大第三產(chǎn)業(yè)比例[6]。江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點實驗室進行了基于電力系統(tǒng)能效評估的技術(shù)節(jié)能評價及優(yōu)化[7]。華南理工大學(xué)利用天然氣分布式冷熱電聯(lián)供（DES/CCHP）系統(tǒng)和區(qū)域能源利用效率計算方法及影響因素分析，提出了區(qū)域的能效評價指標及計算方法[8]。

清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院構(gòu)建的城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價體系，結(jié)合國內(nèi)外城市能源轉(zhuǎn)型發(fā)展實踐，力求從多層面、多視角反映我國能源戰(zhàn)略發(fā)展的真實水平，建立了城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價體系，為制定科學(xué)合理的能源政策奠定堅實的基礎(chǔ)。及時納入能源新革命、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新商業(yè)模式，設(shè)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(tǒng)通過多種能源協(xié)同、供給與消費協(xié)同、集中式與分布式協(xié)同，大眾廣泛參與，實現(xiàn)物質(zhì)流、能量流、信息流、業(yè)務(wù)流、資金流的優(yōu)化配置，促進能源系統(tǒng)更高質(zhì)量、更有效率、更加公平、更可持續(xù)發(fā)展。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，從能源生產(chǎn)、傳輸、消費、存儲、轉(zhuǎn)換的不同環(huán)節(jié)，進一步研究和分析了城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價體系。

三、指標體系及評價方法

（一）指標設(shè)計原則

評價指標體系設(shè)計工作堅持導(dǎo)向性、系統(tǒng)性、可比性、科學(xué)性、可操作性、動態(tài)優(yōu)化等設(shè)計原則，具體如下。

1.導(dǎo)向性原則

指標體系的設(shè)計以促進能源戰(zhàn)略發(fā)展為目標，以國家政策方針、經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律、能源清潔低碳發(fā)展需求為導(dǎo)向，體現(xiàn)國家能源戰(zhàn)略發(fā)展的總體要求。指標體系作為一個整體系統(tǒng)應(yīng)該能夠反映城市能源戰(zhàn)略發(fā)展的主要影響因素和特征。同時在指標要素和權(quán)重設(shè)置方面，對能源戰(zhàn)略發(fā)展重點關(guān)注的方向進行傾斜，從而充分體現(xiàn)其引導(dǎo)性作用。

2.系統(tǒng)性原則

能源發(fā)展是一個有機體系，經(jīng)濟社會各主體、各領(lǐng)域之間均存在著緊密聯(lián)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(guān)系。指標體系中的單個指標能反映能源戰(zhàn)略發(fā)展的某個側(cè)面，而指標的綜合又能反映整體情況。清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系提出過適用于多能協(xié)同園區(qū)能效評估的能源綜合利用率指標及能源互聯(lián)網(wǎng)綜合能效評估方法[9,10]。

3.可比性原則

可比性包括評價結(jié)果的橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ取２煌瑓^(qū)域能源戰(zhàn)略發(fā)展指數(shù)的比對，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域資源稟賦、能源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)水平、政策保障、經(jīng)濟發(fā)展等方面的差異。同一個地區(qū)在不同年度的指數(shù)比較，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)能源戰(zhàn)略發(fā)展的方向、水平和速度。清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系構(gòu)建了能量轉(zhuǎn)換系數(shù)（ecc/ECC）指標, 對一系列用能環(huán)節(jié)的能源利用效率進行對比評價[11]。

4.科學(xué)性原則

科學(xué)性原則主要體現(xiàn)在，一是指標的選擇應(yīng)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(zhàn)略發(fā)展的現(xiàn)實情況和未來潛力。科學(xué)性是能源戰(zhàn)略發(fā)展評價指數(shù)設(shè)計遵循的主要原則，從而確保評價指數(shù)的結(jié)果，能夠客觀反映能源戰(zhàn)略發(fā)展的趨勢方向、現(xiàn)實水平以及變化速度。

5.可操作性原則

能源戰(zhàn)略發(fā)展評價指標設(shè)計面臨的問題是理論模型的合理性與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)難以獲得的困境。在現(xiàn)實中很容易獲得的數(shù)據(jù)，卻可能與指標設(shè)計的相關(guān)性不高。因此，能源戰(zhàn)略發(fā)展評價指標的設(shè)計力求在理論科學(xué)性和數(shù)據(jù)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(tǒng)一。華北電力大學(xué)和中國建筑設(shè)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(jù)燃煤電廠發(fā)電過程中的煤耗將電能折算為標準煤[13,14]。

6.動態(tài)優(yōu)化原則

能源發(fā)展是一個動態(tài)發(fā)展的過程，能源基礎(chǔ)設(shè)施的升級、能源技術(shù)的變革、數(shù)據(jù)可獲得性的變更、新數(shù)據(jù)源的出現(xiàn)以及評價目標的調(diào)整，都會導(dǎo)致能源戰(zhàn)略發(fā)展評價指標的動態(tài)演化。在保持指標體系總體框架基本穩(wěn)定的前提下，綜合權(quán)衡能源發(fā)展的階段態(tài)勢，適時對指標進行動態(tài)補充調(diào)整，可以更加全面客觀地反映能源發(fā)展狀況。城市指標體系對于不同類型城市具有動態(tài)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(yōu)化指導(dǎo)。

（二）構(gòu)建指標評價體系

城市能源戰(zhàn)略發(fā)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(tǒng)靈活、綠色低碳、創(chuàng)新發(fā)展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、安全可靠、經(jīng)濟效益、能源體制，一級指標權(quán)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(qū)輸電通道容量、儲能容量、二氧化碳減排、研發(fā)投入、注冊企業(yè)量、中心城市停電時長、投資收益率、政策數(shù)量，二級指標權(quán)重0.5～1，詳見圖1。

圖1 城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價體系

（三）構(gòu)建指標評價模型

在上述工作的基礎(chǔ)上，初步構(gòu)建起城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價模型，對能源戰(zhàn)略多級指標進行定量分析測算，主要包括指數(shù)計算，指標權(quán)重，指標值計算方法和案例分析四部分。

1. 指數(shù)計算

能源戰(zhàn)略發(fā)展評價指標體系基本指數(shù)的構(gòu)建，主要通過查詢文獻、數(shù)據(jù)庫或發(fā)放業(yè)內(nèi)專家調(diào)查問卷，得出與經(jīng)濟周期同步的定量指標在不同時刻的取值，對其設(shè)定閾值并去量綱，從而計算得出基本指數(shù)。

式（1）中，Bi(t)為第i個指標在t時刻的未加權(quán)基本指數(shù)，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(shù)后，設(shè)定其權(quán)重，計算得出加權(quán)后t時刻的指數(shù)結(jié)果：

式（2）中，Wi為第i個指標的權(quán)重；N為指標個數(shù)；Bi(t)為第i個指標t時刻的未加權(quán)的基本指數(shù)；Ii(t)為第i個指標t時刻的指數(shù)結(jié)果。

指數(shù)計算初步選取11個一級指標，根據(jù)公式（1）得出基本指數(shù)Bi(t)，經(jīng)過等權(quán)重加權(quán)后根據(jù)公式（2）得出各項二級指標的指數(shù)計算結(jié)果I(t)，對其求和得到Ii(t)。

2. 指標權(quán)重

能源戰(zhàn)略發(fā)展指標體系權(quán)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(jié)構(gòu)模型，依據(jù)設(shè)定的能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價體系，對指標間的相互關(guān)系進行分層。然后構(gòu)造判斷矩陣，在確定各層次、各指標之間的權(quán)重時，采用一致矩陣法進行兩兩比較，盡可能減少性質(zhì)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(quán)值過程。初步一級指標權(quán)重取0.05～0.15，二級指標權(quán)重取0.5～1。

3. 綜合指標

綜合指標評分計算采用線性加權(quán)方法按照指標層級逐層疊加,加權(quán)計算公式為：

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

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(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，搶抓京津冀協(xié)同發(fā)展、京張攜手籌辦冬奧會、建設(shè)國家可再生能源示范區(qū)三大機遇，大力培育大生態(tài)、大旅游、大數(shù)據(jù)、大健康和新能源、新技術(shù)、高端制造“四大兩新一高”主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，著力打造水源涵養(yǎng)功能區(qū)、綠色產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)、可再生能源示范區(qū)、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(yīng)數(shù)據(jù)輸入模型，并采用綜合指標評價方法計算得出城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指數(shù)，結(jié)果見表1。

根據(jù)國家能源領(lǐng)域的“十三五”發(fā)展規(guī)劃及中長期規(guī)劃，對張家口市2020及2030年的城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指數(shù)值進行模擬計算得出結(jié)果，見表2和表3。

張家口市城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價結(jié)果見圖2。

四、結(jié)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(zhàn)略發(fā)展指標評價體系，并給出計算方法，提高了城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價的全面性、科學(xué)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(chǔ)，2030年在創(chuàng)新發(fā)展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展指標方面有較大的發(fā)展?jié)摿Α?017—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(shù)突破，2020—2030年該城市在能效提升、系統(tǒng)靈活、經(jīng)濟效益指標方面需要較強的技術(shù)支持及政策推進力度。進而提出了張家口市未來“1+5”發(fā)展目標：“打造生態(tài)宜居、具有國際領(lǐng)先示范效應(yīng)的體制-技術(shù)-產(chǎn)業(yè)綠色創(chuàng)新示范區(qū)——張家口”+國家核心區(qū)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(qū)、綠色達沃斯崇禮和電網(wǎng)發(fā)展目標。

表1 2017年張家口市城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指數(shù)

表2 2020年張家口市城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指數(shù)

表3 2030年張家口市城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指數(shù)

圖2 張家口市城市能源戰(zhàn)略發(fā)展指標評價結(jié)果