徐科，羅鳳章，魏冠元，王世舉，劉洪，高爽

（1.國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072）

面向城市能源互聯(lián)網(wǎng)的城市能源消費特征量化對比分析

徐科1，羅鳳章2，魏冠元2，王世舉1，劉洪2，高爽2

（1.國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072）

日益嚴(yán)峻的城市能源和環(huán)境污染問題催生了適應(yīng)城市可持續(xù)發(fā)展理念的“城市能源互聯(lián)網(wǎng)”概念的提出。立足于城市能源的消費環(huán)節(jié)，該文提出了面向城市能源互聯(lián)網(wǎng)的城市能源消費特征量化對比分析體系。該體系能夠從經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性、便捷性等方面對消費環(huán)節(jié)的城市能源消費特征給出全面的量化對比分析。實際對比分析結(jié)果表明，文中方法可以從多方面反映城市各能源消費的特點與優(yōu)勢，輔助尋求城市能源的最優(yōu)利用方式，有助于提升城市能源的使用效率、降低城市環(huán)境污染，對提升我國能源消費意識、推進我國能源消費方式轉(zhuǎn)變具有重要意義。

城市能源互聯(lián)網(wǎng)；電能替代；能源消費

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。人類對能源的利用，從薪柴到石油等化石能源，再到風(fēng)能等清潔能源發(fā)電，每一次變遷都伴隨著生產(chǎn)力的巨大飛躍和人類文明的重大進步[1]。然而，全球工業(yè)飛速發(fā)展近300年的經(jīng)驗表明：依靠傳統(tǒng)化石能源滿足能源需求并推動社會經(jīng)濟發(fā)展的格局已難以為繼。在此形勢下，國家電網(wǎng)公司提出了電能替代的理念，意圖在能源消費上以電能替代煤炭、石油、天然氣等化石能源，從而提高電能在終端能源消費中的比重。

城市作為全球人口的集中地，不僅是能源消耗的高強度地區(qū)，同時也是環(huán)境污染最為集中的地區(qū)。城市的面積占地球表面不到1%，卻消耗了全球76%的煤炭、63%的石油和82%的天然氣。2014年全球能源消費總量達(dá)到12 928×106t油當(dāng)量，全球300個主要城市2.5億人口的能源消費占到50%以上，人均能源消費量是其他地區(qū)的31.7倍[2]。2013年以來，我國部分省市霧霾天氣頻現(xiàn)，嚴(yán)重影響人民的健康生活。據(jù)統(tǒng)計，我國80%的PM2.5污染問題與能源相關(guān)，70%以上的溫室氣體排放與化石燃料的消費有關(guān)[3]。隨著城市能源資源的逐漸匱乏及其造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，構(gòu)建承接和融入全球能源互聯(lián)網(wǎng)[4]、實現(xiàn)更大范圍的能源資源配置、促進各類能源與電能轉(zhuǎn)換、提高清潔能源在發(fā)電側(cè)和電能在消費側(cè)使用比重的城市能源互聯(lián)網(wǎng)顯得尤為重要。

電能是清潔、高效、便捷的二次能源，其能源利用率高，使用過程清潔、零排放[1]。國內(nèi)外已有大量的文獻闡述了電能替代的必要性與重點[5-6]，并對電能替代效益做了一些研究。例如，文獻[7]以電能替代在熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析電能替代所帶來的經(jīng)濟與環(huán)境效益。文獻[8-9]從節(jié)能減排的角度對電能替代進行了評價與分析。文獻[10]對比分析了我國煤、電、油的單位GDP能源消費強度的變化，并且運用Laspeyres分解方法，最終得出用電結(jié)構(gòu)調(diào)整最為關(guān)鍵的重要結(jié)論。文獻[11]運用投入產(chǎn)出模型分析了電價的提高對其他產(chǎn)業(yè)價格的影響。Reis等[12-13]通過分析得出需求側(cè)參與電能替代可以提高電能替代交易的效率。上述針對能源替代方面的研究大多集中在宏觀層面上能源替代的理論研究以及能源替代在環(huán)保性和經(jīng)濟性方面的評價與應(yīng)用[14-16]方面，針對局部城市范圍層面的城市能源替代與城市各能源對比分析的相關(guān)研究還需繼續(xù)深入。

為此，本文立足城市能源的消費環(huán)節(jié)，提出面向城市能源互聯(lián)網(wǎng)的城市能源消費形態(tài)特征量化對比分析體系與方法，從經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性和便捷性等方面對城市能源的消費特征進行多角度、全面地量化對比分析。對比分析結(jié)果將從多方面反映城市各能源消費的特點與優(yōu)勢，輔助尋求城市能源的最優(yōu)利用方式。

1 城市能源消費特征量化對比分析思路

本文提出的城市能源消費特征量化對比分析流程如圖1所示，主要包括3方面內(nèi)容。

（1）城市能源消費特征對比體系構(gòu)建。立足于城市范圍內(nèi)的能源消費環(huán)節(jié)，綜合考慮城市能源消費的特點，明確城市能源的對比對象與對比環(huán)境，選取合適的指標(biāo)類型，構(gòu)建合適的城市能源對比指標(biāo)體系。

（2）城市能源消費各方面特征量化表征建模。針對城市能源消費端的各類型能源消費形式，重點從消費經(jīng)濟性、消費安全性、消費環(huán)保性、消費便捷性等4個方面的特征進行分析，分別建立適宜的量化模型刻畫其所具有的特征，為城市能源消費各方面特征的量化分析比較奠定基礎(chǔ)。

（3）城市能源消費特征綜合對比分析實施。基于城市能源消費特征對比體系和指標(biāo)量化模型，引入指標(biāo)的權(quán)重體系和評價標(biāo)準(zhǔn)體系，通過綜合評價理論的加權(quán)求和得到城市能源消費的綜合對比結(jié)果，并對比較結(jié)果進行綜合分析，給出城市能源的最優(yōu)利用方式。

2 城市能源消費特征量化指標(biāo)體系與模型

2.1 城市能源消費特征對比體系

城市是世界GDP的主要貢獻者，同時也是能源消費的主體，對能源需求巨大。然而，一方面，城市中化石能源的儲存和開采量均十分有限，城市能源資源供需矛盾十分突出，能源供應(yīng)存在著較大缺口，絕大部分能源需要從外部輸入，面臨著嚴(yán)重的資源匱乏問題。另一方面，作為能源消費和碳排放的主體，城市的一次能源消費仍然以原油、天然氣和原煤等化石能源為主，可再生能源占總消費量的比例僅有2%，導(dǎo)致城市能源系統(tǒng)存在環(huán)境惡化、生態(tài)污染等問題。可再生能源的開發(fā)以及清潔能源的輸入是解決城市能源需求和環(huán)境污染問題的主要途徑。

推動城市能源的可持續(xù)發(fā)展，必須正確認(rèn)識和把握城市各能源的特點及優(yōu)勢，以推動城市能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，形成以清潔能源為主導(dǎo)，以優(yōu)勢能源為中心，以城市為資源配置平臺的能源發(fā)展新格局。

目前，消費側(cè)常用的城市能源主要包括電能、天然氣、煤炭和油類等[17-18]。根據(jù)城市能源的消費特點，結(jié)合用戶側(cè)的需求，主要考慮城市能源消費的經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性和便捷性方面構(gòu)建對比分析指標(biāo)體系，并對相關(guān)方面的指標(biāo)進行量化建模。

2.2 城市能源消費特征量化模型

2.2.1 能源消費經(jīng)濟性模型

城市能源消費的經(jīng)濟性，考慮主要通過考察提供同等數(shù)量的熱量所需消耗的能源消耗量來進行量化。其計算式為

式中：Ei表示提供一定熱量所需第i種能源的消耗量；Q表示消耗的熱量值；Ci表示第i種能源的熱值；ηi表示第i種能源消耗的轉(zhuǎn)換效率。

式中：Pi代表第i種能源消耗的經(jīng)濟成本；pi代表第i種能源的單價。

2.2.2 能源消費安全性模型

城市能源消費的安全性，主要考慮通過考察在城市能源消費過程中由于安全事故問題所造成的經(jīng)濟損失來進行量化。其計算式為

式中：Si代表第i種能源的安全性成本；Ai表示單位時間內(nèi)（1 a）第i種能源消費中的事故總數(shù)；si表示第i種能源消費中平均每場事故的經(jīng)濟損失。

2.2.3 能源消費環(huán)保性模型

城市能源消費的環(huán)保性，主要考慮通過考察城市能源消過程中所造成的污染物排放量來進行量化?？梢酝ㄟ^式（4）、式（5）和式（6）予以表達(dá)。

式中：Oi代表第i種能源消耗的CO2排放量；oi代表第i種能源的CO2排放因子。

式中：Gi代表第i種能源消耗的SO2排放量；gi代表第i種能源的SO2排放因子。式中：Ni代表第i種能源消耗的NOx排放量；ni代表第i種能源的NOx排放因子。

2.2.4 能源消費便捷性建模

對消費者來說，城市中某種能源可獲取的便利性將是一個重要的考量指標(biāo)。類似于城市電網(wǎng)領(lǐng)域“供電半徑”的概念，這里針對城市能源消費的便捷性，主要考慮通過考察用戶消費某種能源所需移動的平均距離，即用能半徑來進行量化。本文采用αi代表第i種能源的用能半徑。

綜合上述對城市能源消費的經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性和便捷性等方面的綜合對比分析，將可以輔助尋找城市能源的最優(yōu)利用方式。

3 城市能源消費特征綜合對比分析體系設(shè)置

3.1 城市能源消費特征綜合對比權(quán)重體系

考慮到城市能源消費特征評價中數(shù)據(jù)難以獲取的實際特點，本文主要采用德爾菲法確定指標(biāo)權(quán)重。綜合來自北京、天津、山東、湖南、河南等省市專家先獨立打分后討論修正，最終確定的城市能源消費特征對比權(quán)重體系如表1所示。

3.2 城市能源消費特征評價標(biāo)準(zhǔn)

從城市能源的消費特點來看，城市能源4方面的評價函數(shù)均為成本型函數(shù)。同時，由于各方面數(shù)據(jù)是離散的，導(dǎo)致實際計算得到的數(shù)據(jù)通常并非位于所確定的點上，因此采用線性差值的方法建立線性分段的評分函數(shù)，進而方便計算綜合得分。

各指標(biāo)的評價函數(shù)如表2所示。

4 算例分析

根據(jù)城市能源消費的實際情況，本文主要對比分析電能、天然氣、煤炭和油類4類能源消費的各方面特征。其中，煤炭以標(biāo)煤為例，油類以柴油為例。在能源經(jīng)濟性和環(huán)保性層面，本文以燒開100 kg水為分析目標(biāo)，考察各種能源的消耗量和污染物排放。在安全性層面，主要基于2014年全國城市能源消費側(cè)的安全事故所造成的經(jīng)濟損失數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。在便捷性層面，主要考察各能源消費環(huán)節(jié)的用能半徑。分析計算所需的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3所示。

基于表3各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）～式（6）得到的城市主要能源消費4方面特征的對比分析計算結(jié)果如圖2～圖5所示。

基于上述量化結(jié)果，根據(jù)表1和表2評價指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)評價函數(shù)得到的城市能源消費特征的綜合對比結(jié)果如表4所示。

上述綜合對比雷達(dá)圖如圖6所示。

針對電、天然氣、煤、石油等城市消費能源的主要形式，通過前述經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性、便捷性4方面的對比分析結(jié)果可以清楚地看出：除經(jīng)濟性和環(huán)保性以外，無論是從單方面的安全性、便捷性等指標(biāo)，還是整體的綜合指標(biāo)來看，電能相對其他能源使用形式均具有較強的優(yōu)勢。需要說明的是，上述分析結(jié)果中的環(huán)保性指標(biāo)主要采用目前所通行的由集中發(fā)電側(cè)的平均指標(biāo)進行歸算的做法，未來隨著清潔能源滲透率的提升，相關(guān)方面的指標(biāo)將會大大改善。同時考慮到氣、油、煤等其他能源使用形式均可以較為方便地轉(zhuǎn)化為電能后使用，因此可以說電能是城市能源的最優(yōu)利用方式。

5 結(jié)語

本文提出了面向城市能源互聯(lián)網(wǎng)的城市能源消費形態(tài)特征量化對比分析體系與方法。算例結(jié)果表明，該對比分析體系的分析結(jié)果可以從多方面反映城市各能源消費的特點與優(yōu)勢，輔助尋求城市能源的最優(yōu)利用方式，有助于提高城市能源的使用效率、減低城市環(huán)境污染，對提升我國能源消費意識、推進我國能源消費方式轉(zhuǎn)變具有重要意義。同時，電能作為城市能源的最優(yōu)利用方式，隨著清潔能源供應(yīng)的大幅增加，未來電能利用將有更廣大的發(fā)展前景，實施電能替代將成為城市能源可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

[1]劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2]BP Group.BP Statistical Review of World Energy June 2014[EB/OL].http：//www.commodities-now.com/reports/ power-and-energy/16971-bp-statistical-review-of-worldenergy-2014.html，2014.

[3]王偉，黃珂（WangWei，Huang Ke）.電能替代戰(zhàn)略：機遇，挑戰(zhàn)與政策選擇（The strategy of electric power al?teration：opportunities，challenges and policy options）[J].華北電力大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版（Journal of North China Electric Power University：Social Sciences），2014（4）：1-5.

[4]蔣菱，袁月，王崢，等（Jiang Ling，Yuan Yue，Wang Zheng，etal）.智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)評估指標(biāo)及評價方法（Evaluation index system and comprehen?sive evaluation method of energy internet in innovative demonstration area of smartgrid）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2016，28（1）：39-45.

[5]張云（Zhang Yun）.電能替代：走清潔、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展之路（Electric energy alternative：walking the road of clean，environmental protection and sustainable develop?ment）[J].國家電網(wǎng)（StateGrid），2013（10）：36-40.

[6]牛東曉，張燁，谷志紅（Niu Dongxiao，Zhang Ye，Gu Zhi? hong）.電能在終端能源中的替代研究（Research on the substitution ofelectric energy in terminalenergy）[J].現(xiàn)代經(jīng)濟（Modern Property Management），2008，7（13）：61-62，65.

[7]曹東莉，袁越，李志祥（Cao Dongli，Yuan Yue，Li Zhixi?ang）.電能替代應(yīng)用及效益評價（Application and effi?ciency evaluation ofalternative energy）[J].電網(wǎng)與清潔能源（Power Systems and Clean Energy），2011，27（4）：30-34.

[8]尹航（Yin Hang）.節(jié)能減排環(huán)境下電能替代其他能源評價方法研究（Energy Conservation and Emission Reduc?tion Environment Power to Substitute Other energy Evalu?ation Method research）[D].北京：華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院（Beijing：School of Economics and Manage?ment，North China Electric Power University），2013.

[9]趙胤慧（Zhao Yinhui）.北京環(huán)境減排目標(biāo)下能源替代分析與優(yōu)化模型研究（The Analysis and Optimization Model of Beijing′s Energy Substitution for the Environ?mentReduction Targets）[D].北京：華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院（Beijing：School of Economics and Manage?ment，North China Electric Power University），2014.

[10]Steenhof PA.Decomposition ofelectricity demand in Chi?na′s industrial sector[J].Energy Economics，2006，28（3）：370-384.

[11]Nguyen KQ.Impacts ofa rise in electricity tariffon prices of other products in Vietnam[J].Energy Policy，2008，36（8）：3135-3139.

[12]Reis M C J，Coda H B.Physical and geometrical non-lin?ear analysis of plane frames considering elastoplastic semi-rigid connections by the positional FEM[J].Latin American Journal of Solids&Structures，2014，11（7）：1163-1189.

[13]Yang Y T，F(xiàn)ishbain B，Hochbaum D S，et al.The super?vised normalized cutmethod for detecting，classifying，and identifying special nuclearmaterials[J].Informs Jour?nalon Computing，2014，26（1）：45-58.

[14]梁曉麗，盧文冰，周海明（Liang Xiaoli，Lu Wenbing，Zhou Haiming）.能源轉(zhuǎn)型中的電能替代（Alternativeen?ergy in the energy network）[J].智能電網(wǎng)（Smart Grid），2015，3（12）：1192-1196.

[15]閆慶友，朱明亮，湯新發(fā)（Yan Qingyou，Zhu Mingliang，Tang Xinfa）.基于成本效用分析的電能替代實證研究（Electrical energy alternative research based on the cost utility analysis）[J].運籌與管理（Operations Research and ManagementScience），2015，24（6）：176-183.

[16]董旭，祝勇剛，王楓，等（Dong Xu，Zhu Yonggang，Wang Feng，etal）.電能替代戰(zhàn)略實施下的湖北地區(qū)未來電網(wǎng)發(fā)展模式探究（North China’s energy strategy under al?ternative developmentmodel to explore the future ofgrid）[J].應(yīng)用能源技術(shù)（Applied Energy Technology），2015（11）：38-40.

[17]梁競，張力?。↙iang Jing，Zhang Lixiao）.中國省會城市能源消費的空間分布特征分析（Analysison spatialdis?tribution characteristics of urban energy consumption among capital cities in China）[J].資源科學(xué)（Resources Science），2009，31（12）：2086-2092.

[18]杭雷鳴（Hang Leiming）.我國能源消費結(jié)構(gòu)問題研究（Research On Energy Structure in China）[D].上海：上海交通大學(xué)管理學(xué)院（Shanghai：College of Economics and Management，Shanghai Jiao Tong University），2007.

[19]孫振清，汪國軍，陳嚴(yán)男（Sun Zhenqing，Wang Guojun，Chen Yannan），基于能源平衡表的碳排放清單核算不確定性分析（Analysis on the uncertainty of carbon emis?sion accounting based on energy balance sheet）[J].生態(tài)經(jīng)濟（Ecological Economy），2015，31（7）：33-38.

[20]賀雷，葛秀坤，郝永梅，等.（He Lei，Ge Xiukun，Hao Yongmei，etal）.城市天然氣管網(wǎng)泄漏事故發(fā)生規(guī)律研究（Research on ocurrence laws of leakage accidents for urban naturalgas pipeline network）[J].廣東化工（Guang?dong Chemical Industry），2016，43（1）：64-65.

[21]劉福鎖，李威，方勇杰，等.（Liu Fusuo，LiWei，F(xiàn)ang Yongjie，etal）.計及電力安全事故責(zé)任的穩(wěn)定控制系統(tǒng)風(fēng)險管理（Riskmanagementof stability control system considering electrical security accidents responsibility）[J].電力系統(tǒng)自動化（Automation of Elentric Power Ay?stems），2013,37（22）：106-110.

[22]中創(chuàng)碳投.2011年和2012年中國區(qū)域電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子發(fā)布，溫室氣體排放報送進程加快[EB/OL]. http：//www.tanpaifang.com/tanjiliang/2014/0928/38588. html，2014.

Quantitative Com parison and Analysisof Urban Energy-consum ption Features for Urban Energy Internet

XUKe1，LUOFengzhang2，WEIGuanyuan2，WANGShiju1，LIUHong2，GAOShuang2
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.Key Laboratory of SmartGrid of Ministry ofEducation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The growing problemsofurban energy and environmentalpollution lead to the proposalof“Urban Energy In?ternet”，which adapts to the idea of sustainable urban development.Based on the consumption sectorsofurban energy，a quantitative comparison and analysis system ofurban energy-consumption features is proposed in this paper，which is geared to the needs of Urban Energy Internet.This system can compare and analyze the urban energy-consumption fea?tures in consumption sectors comprehensively from differentaspects，such aseconomicalefficiency，security，environ?mentalprotection and convenience.The resultsof real cases indicate that the proposedmethod can reflect the character?istics and advantages of each urban energy-consumption type from many aspects，and help seek the optimal use of ur?ban energy.Moreover，it can improve the utilization efficiency ofurban energy and reduce the environmental pollution，which isof significance to the promotion ofenergy-consumption consciousnessand the speed-up of the transformation of energy-consumption pattern in China.

urban energy internet；electric energy substitution；energy consumption

TM715

A

1003-8930（2017）03-0050-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.008

徐科（1979—），男，博士，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃方面的管理和研究。Email：18202667823@163.com

2016-08-29；

2016-09-28

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2014AA051901）；國家自然科學(xué)基金項目（51207101）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2013M530113）；國家電網(wǎng)公司科技項目（XM2014040042804）

羅鳳章（1980—），男，通信作者，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃、智能電網(wǎng)方面的研究。Email：luofeng?zhang@tju.edu.cn

魏冠元（1992—），男，碩士研究生，研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃、智能電網(wǎng)方面的研究。Email：wgy19920204@163.com