面向城市能源互联网的城市能源消费特征量化对比分析

徐科，罗凤章，魏冠元，王世举，刘洪，高爽

（1.国网天津市电力公司，天津300010；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

面向城市能源互联网的城市能源消费特征量化对比分析

徐科1，罗凤章2，魏冠元2，王世举1，刘洪2，高爽2

（1.国网天津市电力公司，天津300010；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

日益严峻的城市能源和环境污染问题催生了适应城市可持续发展理念的“城市能源互联网”概念的提出。立足于城市能源的消费环节，该文提出了面向城市能源互联网的城市能源消费特征量化对比分析体系。该体系能够从经济性、安全性、环保性、便捷性等方面对消费环节的城市能源消费特征给出全面的量化对比分析。实际对比分析结果表明，文中方法可以从多方面反映城市各能源消费的特点与优势，辅助寻求城市能源的最优利用方式，有助于提升城市能源的使用效率、降低城市环境污染，对提升我国能源消费意识、推进我国能源消费方式转变具有重要意义。

城市能源互联网；电能替代；能源消费

能源是经济社会发展的重要物质基础。人类对能源的利用，从薪柴到石油等化石能源，再到风能等清洁能源发电，每一次变迁都伴随着生产力的巨大飞跃和人类文明的重大进步[1]。然而，全球工业飞速发展近300年的经验表明：依靠传统化石能源满足能源需求并推动社会经济发展的格局已难以为继。在此形势下，国家电网公司提出了电能替代的理念，意图在能源消费上以电能替代煤炭、石油、天然气等化石能源，从而提高电能在终端能源消费中的比重。

城市作为全球人口的集中地，不仅是能源消耗的高强度地区，同时也是环境污染最为集中的地区。城市的面积占地球表面不到1%，却消耗了全球76%的煤炭、63%的石油和82%的天然气。2014年全球能源消费总量达到12 928×106t油当量，全球300个主要城市2.5亿人口的能源消费占到50%以上，人均能源消费量是其他地区的31.7倍[2]。2013年以来，我国部分省市雾霾天气频现，严重影响人民的健康生活。据统计，我国80%的PM2.5污染问题与能源相关，70%以上的温室气体排放与化石燃料的消费有关[3]。随着城市能源资源的逐渐匮乏及其造成的环境污染问题日益严峻，构建承接和融入全球能源互联网[4]、实现更大范围的能源资源配置、促进各类能源与电能转换、提高清洁能源在发电侧和电能在消费侧使用比重的城市能源互联网显得尤为重要。

电能是清洁、高效、便捷的二次能源，其能源利用率高，使用过程清洁、零排放[1]。国内外已有大量的文献阐述了电能替代的必要性与重点[5-6]，并对电能替代效益做了一些研究。例如，文献[7]以电能替代在热水供应系统中的应用，分析电能替代所带来的经济与环境效益。文献[8-9]从节能减排的角度对电能替代进行了评价与分析。文献[10]对比分析了我国煤、电、油的单位GDP能源消费强度的变化，并且运用Laspeyres分解方法，最终得出用电结构调整最为关键的重要结论。文献[11]运用投入产出模型分析了电价的提高对其他产业价格的影响。Reis等[12-13]通过分析得出需求侧参与电能替代可以提高电能替代交易的效率。上述针对能源替代方面的研究大多集中在宏观层面上能源替代的理论研究以及能源替代在环保性和经济性方面的评价与应用[14-16]方面，针对局部城市范围层面的城市能源替代与城市各能源对比分析的相关研究还需继续深入。

为此，本文立足城市能源的消费环节，提出面向城市能源互联网的城市能源消费形态特征量化对比分析体系与方法，从经济性、安全性、环保性和便捷性等方面对城市能源的消费特征进行多角度、全面地量化对比分析。对比分析结果将从多方面反映城市各能源消费的特点与优势，辅助寻求城市能源的最优利用方式。

1 城市能源消费特征量化对比分析思路

本文提出的城市能源消费特征量化对比分析流程如图1所示，主要包括3方面内容。

（1）城市能源消费特征对比体系构建。立足于城市范围内的能源消费环节，综合考虑城市能源消费的特点，明确城市能源的对比对象与对比环境，选取合适的指标类型，构建合适的城市能源对比指标体系。

（2）城市能源消费各方面特征量化表征建模。针对城市能源消费端的各类型能源消费形式，重点从消费经济性、消费安全性、消费环保性、消费便捷性等4个方面的特征进行分析，分别建立适宜的量化模型刻画其所具有的特征，为城市能源消费各方面特征的量化分析比较奠定基础。

（3）城市能源消费特征综合对比分析实施。基于城市能源消费特征对比体系和指标量化模型，引入指标的权重体系和评价标准体系，通过综合评价理论的加权求和得到城市能源消费的综合对比结果，并对比较结果进行综合分析，给出城市能源的最优利用方式。

2 城市能源消费特征量化指标体系与模型

2.1 城市能源消费特征对比体系

城市是世界GDP的主要贡献者，同时也是能源消费的主体，对能源需求巨大。然而，一方面，城市中化石能源的储存和开采量均十分有限，城市能源资源供需矛盾十分突出，能源供应存在着较大缺口，绝大部分能源需要从外部输入，面临着严重的资源匮乏问题。另一方面，作为能源消费和碳排放的主体，城市的一次能源消费仍然以原油、天然气和原煤等化石能源为主，可再生能源占总消费量的比例仅有2%，导致城市能源系统存在环境恶化、生态污染等问题。可再生能源的开发以及清洁能源的输入是解决城市能源需求和环境污染问题的主要途径。

推动城市能源的可持续发展，必须正确认识和把握城市各能源的特点及优势，以推动城市能源互联网建设，形成以清洁能源为主导，以优势能源为中心，以城市为资源配置平台的能源发展新格局。

目前，消费侧常用的城市能源主要包括电能、天然气、煤炭和油类等[17-18]。根据城市能源的消费特点，结合用户侧的需求，主要考虑城市能源消费的经济性、安全性、环保性和便捷性方面构建对比分析指标体系，并对相关方面的指标进行量化建模。

2.2 城市能源消费特征量化模型

2.2.1 能源消费经济性模型

城市能源消费的经济性，考虑主要通过考察提供同等数量的热量所需消耗的能源消耗量来进行量化。其计算式为

式中：Ei表示提供一定热量所需第i种能源的消耗量；Q表示消耗的热量值；Ci表示第i种能源的热值；ηi表示第i种能源消耗的转换效率。

式中：Pi代表第i种能源消耗的经济成本；pi代表第i种能源的单价。

2.2.2 能源消费安全性模型

城市能源消费的安全性，主要考虑通过考察在城市能源消费过程中由于安全事故问题所造成的经济损失来进行量化。其计算式为

式中：Si代表第i种能源的安全性成本；Ai表示单位时间内（1 a）第i种能源消费中的事故总数；si表示第i种能源消费中平均每场事故的经济损失。

2.2.3 能源消费环保性模型

城市能源消费的环保性，主要考虑通过考察城市能源消过程中所造成的污染物排放量来进行量化。可以通过式（4）、式（5）和式（6）予以表达。

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

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

2.2.4 能源消费便捷性建模

对消费者来说，城市中某种能源可获取的便利性将是一个重要的考量指标。类似于城市电网领域“供电半径”的概念，这里针对城市能源消费的便捷性，主要考虑通过考察用户消费某种能源所需移动的平均距离，即用能半径来进行量化。本文采用αi代表第i种能源的用能半径。

综合上述对城市能源消费的经济性、安全性、环保性和便捷性等方面的综合对比分析，将可以辅助寻找城市能源的最优利用方式。

3 城市能源消费特征综合对比分析体系设置

3.1 城市能源消费特征综合对比权重体系

考虑到城市能源消费特征评价中数据难以获取的实际特点，本文主要采用德尔菲法确定指标权重。综合来自北京、天津、山东、湖南、河南等省市专家先独立打分后讨论修正，最终确定的城市能源消费特征对比权重体系如表1所示。

3.2 城市能源消费特征评价标准

从城市能源的消费特点来看，城市能源4方面的评价函数均为成本型函数。同时，由于各方面数据是离散的，导致实际计算得到的数据通常并非位于所确定的点上，因此采用线性差值的方法建立线性分段的评分函数，进而方便计算综合得分。

各指标的评价函数如表2所示。

4 算例分析

根据城市能源消费的实际情况，本文主要对比分析电能、天然气、煤炭和油类4类能源消费的各方面特征。其中，煤炭以标煤为例，油类以柴油为例。在能源经济性和环保性层面，本文以烧开100 kg水为分析目标，考察各种能源的消耗量和污染物排放。在安全性层面，主要基于2014年全国城市能源消费侧的安全事故所造成的经济损失数据进行统计分析。在便捷性层面，主要考察各能源消费环节的用能半径。分析计算所需的各类基础数据如表3所示。

基于表3各类基础数据，根据式（1）～式（6）得到的城市主要能源消费4方面特征的对比分析计算结果如图2～图5所示。

基于上述量化结果，根据表1和表2评价指标权重和指标评价函数得到的城市能源消费特征的综合对比结果如表4所示。

上述综合对比雷达图如图6所示。

针对电、天然气、煤、石油等城市消费能源的主要形式，通过前述经济性、安全性、环保性、便捷性4方面的对比分析结果可以清楚地看出：除经济性和环保性以外，无论是从单方面的安全性、便捷性等指标，还是整体的综合指标来看，电能相对其他能源使用形式均具有较强的优势。需要说明的是，上述分析结果中的环保性指标主要采用目前所通行的由集中发电侧的平均指标进行归算的做法，未来随着清洁能源渗透率的提升，相关方面的指标将会大大改善。同时考虑到气、油、煤等其他能源使用形式均可以较为方便地转化为电能后使用，因此可以说电能是城市能源的最优利用方式。

5 结语

本文提出了面向城市能源互联网的城市能源消费形态特征量化对比分析体系与方法。算例结果表明，该对比分析体系的分析结果可以从多方面反映城市各能源消费的特点与优势，辅助寻求城市能源的最优利用方式，有助于提高城市能源的使用效率、减低城市环境污染，对提升我国能源消费意识、推进我国能源消费方式转变具有重要意义。同时，电能作为城市能源的最优利用方式，随着清洁能源供应的大幅增加，未来电能利用将有更广大的发展前景，实施电能替代将成为城市能源可持续发展的重要方向。

[1]刘振亚.全球能源互联网[M].北京：中国电力出版社，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]王伟，黄珂（WangWei，Huang Ke）.电能替代战略：机遇，挑战与政策选择（The strategy of electric power al⁃teration：opportunities，challenges and policy options）[J].华北电力大学学报：社会科学版（Journal of North China Electric Power University：Social Sciences），2014（4）：1-5.

[4]蒋菱，袁月，王峥，等（Jiang Ling，Yuan Yue，Wang Zheng，etal）.智能电网创新示范区能源互联网评估指标及评价方法（Evaluation index system and comprehen⁃sive evaluation method of energy internet in innovative demonstration area of smartgrid）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2016，28（1）：39-45.

[5]张云（Zhang Yun）.电能替代：走清洁、环保、可持续发展之路（Electric energy alternative：walking the road of clean，environmental protection and sustainable develop⁃ment）[J].国家电网（StateGrid），2013（10）：36-40.

[6]牛东晓，张烨，谷志红（Niu Dongxiao，Zhang Ye，Gu Zhi⁃ hong）.电能在终端能源中的替代研究（Research on the substitution ofelectric energy in terminalenergy）[J].现代经济（Modern Property Management），2008，7（13）：61-62，65.

[7]曹东莉，袁越，李志祥（Cao Dongli，Yuan Yue，Li Zhixi⁃ang）.电能替代应用及效益评价（Application and effi⁃ciency evaluation ofalternative energy）[J].电网与清洁能源（Power Systems and Clean Energy），2011，27（4）：30-34.

[8]尹航（Yin Hang）.节能减排环境下电能替代其他能源评价方法研究（Energy Conservation and Emission Reduc⁃tion Environment Power to Substitute Other energy Evalu⁃ation Method research）[D].北京：华北电力大学经济与管理学院（Beijing：School of Economics and Manage⁃ment，North China Electric Power University），2013.

[9]赵胤慧（Zhao Yinhui）.北京环境减排目标下能源替代分析与优化模型研究（The Analysis and Optimization Model of Beijing′s Energy Substitution for the Environ⁃mentReduction Targets）[D].北京：华北电力大学经济与管理学院（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，Fishbain 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]梁晓丽，卢文冰，周海明（Liang Xiaoli，Lu Wenbing，Zhou Haiming）.能源转型中的电能替代（Alternativeen⁃ergy in the energy network）[J].智能电网（Smart Grid），2015，3（12）：1192-1196.

[15]闫庆友，朱明亮，汤新发（Yan Qingyou，Zhu Mingliang，Tang Xinfa）.基于成本效用分析的电能替代实证研究（Electrical energy alternative research based on the cost utility analysis）[J].运筹与管理（Operations Research and ManagementScience），2015，24（6）：176-183.

[16]董旭，祝勇刚，王枫，等（Dong Xu，Zhu Yonggang，Wang Feng，etal）.电能替代战略实施下的湖北地区未来电网发展模式探究（North China’s energy strategy under al⁃ternative developmentmodel to explore the future ofgrid）[J].应用能源技术（Applied Energy Technology），2015（11）：38-40.

[17]梁竞，张力小（Liang Jing，Zhang Lixiao）.中国省会城市能源消费的空间分布特征分析（Analysison spatialdis⁃tribution characteristics of urban energy consumption among capital cities in China）[J].资源科学（Resources Science），2009，31（12）：2086-2092.

[18]杭雷鸣（Hang Leiming）.我国能源消费结构问题研究（Research On Energy Structure in China）[D].上海：上海交通大学管理学院（Shanghai：College of Economics and Management，Shanghai Jiao Tong University），2007.

[19]孙振清，汪国军，陈严男（Sun Zhenqing，Wang Guojun，Chen Yannan），基于能源平衡表的碳排放清单核算不确定性分析（Analysis on the uncertainty of carbon emis⁃sion accounting based on energy balance sheet）[J].生态经济（Ecological Economy），2015，31（7）：33-38.

[20]贺雷，葛秀坤，郝永梅，等.（He Lei，Ge Xiukun，Hao Yongmei，etal）.城市天然气管网泄漏事故发生规律研究（Research on ocurrence laws of leakage accidents for urban naturalgas pipeline network）[J].广东化工（Guang⁃dong Chemical Industry），2016，43（1）：64-65.

[21]刘福锁，李威，方勇杰，等.（Liu Fusuo，LiWei，Fang Yongjie，etal）.计及电力安全事故责任的稳定控制系统风险管理（Riskmanagementof stability control system considering electrical security accidents responsibility）[J].电力系统自动化（Automation of Elentric Power Ay⁃stems），2013,37（22）：106-110.

[22]中创碳投.2011年和2012年中国区域电网平均二氧化碳排放因子发布，温室气体排放报送进程加快[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，高级工程师，研究方向为电网规划方面的管理和研究。Email：18202667823@163.com

2016-08-29；

2016-09-28

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2014AA051901）；国家自然科学基金项目（51207101）；中国博士后科学基金资助项目（2013M530113）；国家电网公司科技项目（XM2014040042804）

罗凤章（1980—），男，通信作者，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为电网规划、智能电网方面的研究。Email：luofeng⁃zhang@tju.edu.cn

魏冠元（1992—），男，硕士研究生，研究方向为电网规划、智能电网方面的研究。Email：wgy19920204@163.com