在我國生態(tài)文明建設(shè)和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的推進下，為適應(yīng)城市群的發(fā)展趨勢，能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)隨之相應(yīng)調(diào)整和升級。我國能源結(jié)構(gòu)逐步由化石能源向多元化供應(yīng)方式轉(zhuǎn)變。城市群綜合能源系統(tǒng)將與能源規(guī)劃、運營、管理等環(huán)節(jié)相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)多種能源的聯(lián)動互補。在此背景下，有必要對城市群綜合能源系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析。分析了城市群綜合能源系統(tǒng)的內(nèi)涵、特點和作用機理，構(gòu)建了一套評價指標(biāo)體系。這些研究思路和方法可以應(yīng)用于適應(yīng)城市群發(fā)展的能源開發(fā)、利用和管理場景，為能源系統(tǒng)管理和評價提供科學(xué)的分析工具。
我國城市在多元化發(fā)展的同時，呈現(xiàn)出集聚和兩極分化的趨勢，逐步形成以京津冀地區(qū)和長三角為代表的城市群。城市群的形成，一方面擴大了城市之間資源配置的范圍，另一方面需要協(xié)調(diào)城市空間和資源。這些也給能源系統(tǒng)帶來了更大的挑戰(zhàn)，需要解決能源供應(yīng)子系統(tǒng)之間缺乏有效協(xié)調(diào)、局部不平衡、能源效率低下等問題。城市群綜合能源系統(tǒng)通過電、熱、冷、氣系統(tǒng)的互補耦合，對提高能源和基礎(chǔ)設(shè)施綜合效率，促進可再生能源開發(fā)利用具有重要作用。然而，由于綜合能源系統(tǒng)還處于初級發(fā)展階段，對城市群能源系統(tǒng)的研究還很少。研究其效益評價技術(shù)對城市群綜合能源系統(tǒng)中長期發(fā)展具有重要意義。
一、城市群綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展
立足生態(tài)文明建設(shè)，能源系統(tǒng)正逐步向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)變，就是要發(fā)揮電力能源樞紐的作用，推動能源的綠色轉(zhuǎn)型和清潔生產(chǎn)，提供優(yōu)質(zhì)、多樣化的能源服務(wù)，從而促進社會的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展，最終實現(xiàn)生態(tài)文明社會。綜合能源系統(tǒng)是指在規(guī)劃、建設(shè)、運營過程中，對能源的生產(chǎn)、輸配、轉(zhuǎn)換、儲存等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)和優(yōu)化，形成的多能源、全鏈條的一體化系統(tǒng)，城市群綜合能源系統(tǒng)是基于城市資源和負(fù)荷特性的差異，適應(yīng)不同城市發(fā)展趨勢的能源系統(tǒng)。整合區(qū)域內(nèi)煤炭、石油、天然氣、電力、熱能等多種能源，實現(xiàn)不同能源子系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運行、協(xié)同管理、互補的綜合能源體系的地理和功能表現(xiàn)，如圖所示。
二、城市群綜合能源系統(tǒng)特性
綜合能源系統(tǒng)基于不同形式能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成，具有能源生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲、使用等多種功能，集成的物理系統(tǒng)實現(xiàn)了部門和用戶之間的深度集成。
在空間上，一體化能源系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)模式和區(qū)域分供的束縛。各種能源系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換設(shè)備相互轉(zhuǎn)換和支持，提供額外的能源供應(yīng)途徑，提高系統(tǒng)的可靠性和成本效益。
在時間上，綜合能源系統(tǒng)通過能源的協(xié)調(diào)利用，實現(xiàn)調(diào)峰填谷。聯(lián)合供能改變了高峰時段對單一能源的過度依賴，提高了能源設(shè)備的利用率。
在方式上，一體化能源系統(tǒng)實現(xiàn)了分布式、靈活、經(jīng)濟、多樣化的能源共供。
在價格方面，綜合能源系統(tǒng)通過多種能源的綜合利用，為向更清潔、更廉價、更高效的能源轉(zhuǎn)化和利用提供了機會，通過優(yōu)化調(diào)控，有效降低了系統(tǒng)總成本。
三、城市群綜合能源系統(tǒng)協(xié)同機理
城市群綜合能源系統(tǒng)打破了電、熱、冷、氣、交通等不同能源系統(tǒng)之間的物理壁壘，實現(xiàn)了多種能源之間的互補融合，并接入風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮?、生物能等多種可再生能源。綜合能源系統(tǒng)是橫向“多能互補”和縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”的有機結(jié)合，集中式電網(wǎng)與分布式能源網(wǎng)絡(luò)相協(xié)調(diào)。
1、縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)
能源系統(tǒng)協(xié)同演化可以看作是整體電力系統(tǒng)中各演化主體為了達到統(tǒng)一的協(xié)同演化目標(biāo)而產(chǎn)生變異的全過程，協(xié)同演化的目標(biāo)是每個層次的演化主體間的協(xié)同演化效果相匹配并且與整體電力系統(tǒng)的演化方向相一致，這一過程不是單獨發(fā)生的，而是與自身的多個層次和環(huán)境的不斷交感中進行的。電力系統(tǒng)具有層次性，每一個層次的演化參與主體的演化發(fā)展既受到其他層次演化主體的影響，同時每一層次的演化主體的演化又反過來影響其他層次，同時，每個演化參與主體都具有協(xié)同演化能力，每個演化影響因素都擁有協(xié)同演化作用，演化參與主體和演化影響因素間的交互作用形成了不同階段電力系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣。
在能源系統(tǒng)的協(xié)同演化過程中，各演化主體具備各自的協(xié)同演化能力，在不同的演化階段演化能力有高有低；演化驅(qū)動因素提供了協(xié)同演化作用，作用力在不同的演化階段作用程度不同。本文用演化主體的協(xié)同演化能力和演化驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用來描述電力系統(tǒng)的協(xié)同演化過程，因此，能源系統(tǒng)的協(xié)同演化過程包括兩個維度：協(xié)同演化能力（Co-evolution Ability）和協(xié)同演化作用（Co-evolution Function），協(xié)同演化能力由高到低，協(xié)同演化作用由小變大，故形成了 4 個演化象限，這四個演化象限刻畫出了電力系統(tǒng)的協(xié)同演化的 4 種狀態(tài)以及 5 種協(xié)同演化路徑。而且，每個演化狀態(tài)都擁有自己的演化目標(biāo)，如：演化主體的協(xié)同演化能力低且驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用小，能源系統(tǒng)處于協(xié)同演化初始階段；演化主體的協(xié)同演化能力低但驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用大，電力系統(tǒng)進入了被驅(qū)動的協(xié)同演化階段，這個階段的演化目標(biāo)是為了完善相應(yīng)的演化體制；演化主體的協(xié)同演化能力提高后驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用力反而減少，此時電力系統(tǒng)進入被抑制的協(xié)同演化階段，進入這個階段后，各演化主體旨在實現(xiàn)各自的系統(tǒng)功能；演化主體的協(xié)同演化能力高且驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用大時，單個能源系統(tǒng)達到最優(yōu)協(xié)同演化階段。在驅(qū)動因素的作用下，每個階段都可以進入更高階的其他演化階段。
能源系統(tǒng)在協(xié)同演化初始期的演化特征表現(xiàn)為演化參與主體的協(xié)同演化能力低且驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用小，在這個時期，電力系統(tǒng)演化剛剛開始；隨著驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用增強，系統(tǒng)進入了被驅(qū)動的協(xié)同演化階段，在這個階段需要完善演化體制的修訂工作；接下來，隨著演化參與主體協(xié)同演化能力的提升，系統(tǒng)近一步進入了被抑制的協(xié)同演化階段，在這個階段需要逐步實現(xiàn)演化參與主體的系統(tǒng)新功能，匹配新的系統(tǒng)需求；在演化后期，演化參與主體的協(xié)同演化能力和驅(qū)動因素的協(xié)同演化作用力都得到了增強，達到了一個較高的水平，整體系統(tǒng)進入了協(xié)同狀態(tài)。
2、橫向“多能互補”
城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間具有相互影響、相互作用的關(guān)系。在城市群綜合能源系統(tǒng)中，不同類型能量通過冷熱電聯(lián)機組等設(shè)備相互耦合，不同能源品種相互補充互濟。城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間協(xié)同發(fā)展將實現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模利用和共享，電力系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)之間的耦合將越切緊密。
多能互補是指不同能源之間的相互轉(zhuǎn)化、互為補充、相互替代的影響關(guān)系。城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)中的多能互補是指電力、煤炭、供熱以及天然氣供應(yīng)系統(tǒng)等不同能源之間的協(xié)調(diào)互補。按照不同資源條件和用能對象，采取多種能源互相補充，能夠合理利用自然資源，取得較好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。多能互補涵蓋源側(cè)綜合能源系統(tǒng)、用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)和能源傳輸網(wǎng)絡(luò)。
四、能源供應(yīng)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的評價
城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展水平是指在特定時段內(nèi)城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)和所達到的高度。描述城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展水平的指標(biāo)體系，既包括反映各環(huán)節(jié)發(fā)展水平的指標(biāo)，還包括一些可以反映能源系統(tǒng)發(fā)展水平的綜合指標(biāo)。
城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)功能的發(fā)揮，是所有構(gòu)成子系統(tǒng)及其要素共同作用的結(jié)果，子系統(tǒng)和要素之間必然存在著不同程度的聯(lián)系。因此，用來描述各子系統(tǒng)發(fā)展水平的一些指標(biāo)，可能不僅僅描述某個子系統(tǒng)的某些狀態(tài)，而是可以用來描述多個子系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)的。
根據(jù)城市群綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)對能源系統(tǒng)的影響機理分析，依據(jù)層次性、科學(xué)性、可度量的原則，分別從基礎(chǔ)功能、清潔發(fā)展、能源安全、能源效率四個方面構(gòu)建評價指標(biāo)，如表所示。同時，考慮到不同維度指標(biāo)特性，提供了每個指標(biāo)的具體計算方法和變量說明。
