基于粒子群算法的陕西省能源消费结构优化研究

霍婧琦

摘要：本文以优化能源结构为主要目标，在考虑能源消费总量、能源强度、经济增速、碳排放强度等各类条件，利用岭回归分析方法，对能源消费结构和陕西省省内GDP关系进行分析，最终建立陕西省能源消费结构的优化模型，再利用粒子群优化算法（PSO）对优化模型计算，对最优能耗、最优能源强度、最优碳强度三种方案进行相应的优化求解，找出满足该三种方案的最佳能源消费结构。最终比较三种方案，得出最优能源强度方案不仅能超出陕西省GDP增速的规划值，并且能使能源消费总量低于规划的约束目标，降低能源强度，反映出能源的利用效率的不断提高，具有较强的可实施性，为最佳能源消费结构调整方案。

关键词：陕西省;能源消费结构;能源强度;碳强度;粒子群优化算法

为强化能源消费总量和强度双控，实施能源消费总量和能源强度双控目标，推进绿色低碳发展，《陕西省“十三五”控制温室气体排放工作实施方案》中规定，到2020年，全省单位地区生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%，碳排放总量得到有效控制。氢氟碳化物、甲烷等非二氧化碳温室气体控制排放力度进一步加大。在考核各设区市能耗强度降低目标的基础上，增加了能源消费总量的增量控制目标，形成了能源消费总量和能源强度“双控”的新局面，到2020年，全省能源消费总量控制在1.39亿吨标准煤以内，单位地区生产总值能源消费比2015年下降15%，非化石能源消费占比达到13%。大型发电集团单位供电二氧化碳排放水平控制在550克二氧化碳/千瓦时以内。但是短期内在保持经济增长的同时必须要有足够能源消耗量，因此要控制全省能源消费量的情况下降低能源强度和碳排放强度，完成十三五规划的双控目标。

能源强度指一个国家或地区的生产单位产量的耗费能源总量值，该值体现的是能源用量对经济系统的重要程度以及能源的使用效率。魏巍贤等[1]对各类不同的发展状况的国家能源消费强度进行一定的分析研究，通过收敛检验和协整性检验总结出所有国家都应当存在能源强度收敛的现象。史丹等[2]认为提高能源消耗使用效率是繁杂的综合性问题，需要与当地地区的能源消费配置方法、各地区生产产业结构综合水平相结合，总结出若要提高中国各地区的能源利用效率，需要改善各个地区自行稳定的能源配置方式， 充分使能源的主要消耗量流向能源利用效率较高的地区，并且在其中仍需要考虑各类不同条件因素，要相对应实行能耗流动细化目标。Apergis N.&J.E. Payne[3]对20个经济合作与发展组织国家的1985至2005年期间的可再生能源消耗和GDP增速增长之间的关系进行动态数列分析，对非平稳序列的因果关系的结果表示实际的GDP的增长、可再生能源的消费和劳动力使用之间存在着一定的长期性平衡的关系，并且Granger因果检验最终结果表明，无论短期或者长期，可再生能源消费和GDP增长之间都存在着相互关联的相关关系。

能源强度和碳排放强度在一定程度上具有相关关系。黄芳[4]通过构建 Kaya 恒等式的碳强度拓展模型，对国内碳强度进行研究，得出能源强度因素对于碳强度的降低影响是最大的，其次是能源消费结构的影响，而产业化的结构的变动对于碳强度的影响是较为不稳定的。黄光球等[5]对陕西省能源消费结构和碳排放强度的关系分析得出，煤炭、石油消耗量增加对碳排放强度起到增多的作用，而对于天然气和其他能源用量的增加对碳排放强度起到减少作用。李雪梅[6]等用LMDI 模型分析对天津市能源消费和碳排放强度之间的关系，总结出对于天津市碳排放而言，天津市经济规模和能源强度对该城市的碳排放影响较大，说明在一定程度上，能源强度逐渐增大会导致碳排放强度变大。朱妮等[7]研究发现，经过与产业结构调整的作用对比发现，调整优化好能源消费的使用结构会对碳排放强度产生较大的影响，并且在面对碳排放强度调整后的反冲击的结果上，优化好能源消费的结构表现更加优异。

煤炭在我国能源消费中处于主要的能源消费地位，但是煤炭产生的污染较为严重，并且煤炭的能源效率較低[8]，碳排放量较大，能源结构优化的空间较大，碳强度减排潜力较大。主要优化碳强度的方法是进行能源消费结构的调整，从而得到优化后的碳排放强度。因此本文采用优化能源结构的方法，对陕西省的能源结构优化模型进行构建，以便达到降低能源消费总量和能源强度和碳排放强度的最优目标方案，从而加快推进绿色低碳发展提前完成十三五规划的能耗双控的总目标。

1. 能源结构优化重点和主要目标

1.1 优化重点

1）降低能耗总量。陕西省发布的《陕西省“十三五”战略性新兴产业发展规划》，确定了控制最终的能源消费总量，选择以农业、工业、交通业等各领域能源消费的结构为最终优化重点[9]。并且在达到全省能源消费总量控制的条件下尽可能减少碳排放，陕西省目前还处于工业化中期阶段，经济增长仍然仰仗着一定的能源消费。但是若对化石能源的过度使用，会使得污染性排放气体超标，超出环境承载力，污染环境。因此降低能源消费总量是陕西省能源消费结构低碳化的重点之一。

2）降低煤炭能源的消费占比，并且提高天然气和非化石燃料的消费占比，降低单位能源碳排放。能源消费结构低碳化直接体现在单位能源消费的碳排放总量上[10]，所以当能源消费总量无法大幅度下降的时候需要降低单位能源的碳排放量，以达到降低碳排放量的相同目的。相同条件，对比其他能源，煤炭产生的气体污染和碳排放量是最大的，产生的污染最为严重，而陕西省的煤炭消费比重过大，因此直接导致陕西省单位能源消费碳排放量较大，若有效降低煤炭消费使用量则能大幅降低单位能源碳排放量，再辅以提高天然气、非化石燃料等低碳能源的消费占比，更加有效的降低单位能源的碳排放量。

3）选择恰当的能源消费方式，加大推动节能减排的力度，提高能源利用效率，必要时采取恰当的社会手段引导社会的能源消费结构，使其在满足足够的生产的情况下调整能源消费结构，加大约束能源消费结构，建立好能源消费节约体系，尽可能在最大程度上实现节能减排，提高能源利用效率。主要方法为：大力投入清洁能源的研发基金，大力宣传低碳环保的创新理念，加快研发新型清洁能源和配套的产业技术，摆脱对高碳高污染的能源依赖。

1.2 优化目标

由《陕西省“十三五”战略性新兴产业发展规划》、《关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知》等提出的指导思想、战略方针，得出陕西省主要通过促进传统产业转型升级，加快新兴产业发展，推动能源结构优化等方法来进行优化产业和能源结构[11]，以期达到陕西省“十三五”节能减排方案的总体要求和主要目标

1）调整能源消费结构目标。加强煤炭安全绿色开发和清洁高效利用，推广使用优质煤、兰炭等清洁型煤炭，全方位推进煤改气、煤改电等措施，以着重减少燃煤用量为主。严格制定各个地区的用煤标准，加强对煤炭生产、清洁、流通、使用等环节的监督。有序发展水电能，加快风电能的开发，规模化发展光伏发电，增加更多种类的电力供应，降低电力供应的相关费用，吸引能源消费结构的主动转变。

2）减少能源强度目标。能源强度是指单位GDP的能源消费的强度，是用于衡量不同经济体能源综合利用效率，也用于表示能源应用于各类不同经济体的发展的依赖性强度。能源消费强度的降低主要依赖于工业能源消耗效率的提高[12]，因此必须提高能源的利用效率，进行以产品种类的供需变化为主导的工业消费结构调整，进行高新技术的变革和能源消费管理，使得能源强度降低，减少单位GDP的能源消费强度，以便于完成节能目标。

3）减少碳排放目标。碳减排是指降低能源消耗的碳排放强度。《联合国气候变化框架公约》[13]等明确规定，发展中国家不需要强制承担碳减排目标，自愿减排也主要以相对减排为目标。我国目前仍然是发展中国家，所以，我国的碳减排目标是和GDP相联系的[14]，也就是和碳强度相关的单位GDP的碳排放量，陕西省的能源消费结构的调整应该以降低碳强度为碳减排目标。

2. 建立优化能源消费结构的数学模型

2.1目标函数

3.2数据设定

1）确定GDP 规划值。从《陕西统计年鉴》中获取 2006—2016 年陕西省省内GDP数值，可得2015年陕西省GDP约为18021.86亿元《陕西省“十三五”战略性新兴产业发展规划》、《陕西省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中得出在“十三五”规划期间陕西省生产总值年均增速8%左右，增速显著高于全国平均水平。而根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，我国 GDP增速应当保持在年均6.5%以上;2016年陕西省生产总值增长7.6%，2017年陕西省生产总值增长8.0%，在此根据十三五规划的既定目标和近几年的生产总值的增量，预估2016至2020年十三五规划期间的年均GDP增速为7.6%～8.5%，也即是2020年陕西省GDP值达到25993.27亿～27098.69亿元之间。

2）能源消耗规划值确定。根据《陕西省“十三五”节能减排综合工作方案》中规定能源消费总量控制在1.39亿吨标准煤以内。对于煤炭的能源消耗，十三五规定到2020年，煤炭占能源消费总量比重下降到70%左右，也即是煤炭消费占比为67.5%～72.5%之间，也即是9382.5～10077.5万t标准煤之间。石油相比较2015年必须必2015年石油消耗量低，2015年石油消耗量为1552.57万吨标准煤，说明2020年石油消费量低于1552.57万吨标准煤。天然气占一次能源消费总量的13%左右。即天然气占比不低于12%，也即是大于1668万吨标准煤。高于全国天然气占能源消费比重的8%，超过国家规划值目标。《陕西省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中规定在2020年要求非化石能源占一次能源消费比重必须达到13%以上，说明非化石能源占能源消费总量的比重不少于13%，即是不少于1807万吨标准煤。

3）二氧化碳排放规划值确定。根据《陕西省“十三五”控制温室气体排放工作实施方案》确定的二氧化碳排放目标，要求至2020年，全省单位地区生产总值二氧化碳排放（下简称“碳排放强度”）比2015年下降18%，2015年陕西省碳排放强度为c=0.430969t碳/万元，则2020年陕西省碳排放强度应控制为0.3534t碳/万元。

4）能源强度规划值。《陕西省“十三五”节能减排综合工作方案》中规划的节能减排的约束性目标为，在2020年末，使得陕西省的整体能源强度在2015年末的基础上下降15%，在2015年陕西省能源强度值为0.65吨标准煤/万元，则2020年能源强度的值应该不大于0.5525吨标准煤/万元。

4. 能源结构优化算法分析

4.1粒子群优化算法

本文采用粒子群优化算法进行相应的最优值的结构优化，粒子群优化算法（PSO）是一种并行进化算法[19]，模拟的是鸟类觅食寻找食物的一个过程而得到的一种算法，这种算法和模拟退火算法类似，都是从任选随机解开始计算，经过一系列迭代寻优过程寻找最优值。这类算法和遗传算法类似，但是相对遗传算法较为简单[20]，寻找最优解的过程中能够有目的性的寻找最优解，并且粒子群的粒子速度随机性是受到个体和群体的最优的影响的随机性，从而能够相比遗传算法在小规模计算中具有更大的优势。PSO算法具有很强的全局寻优的能力，但是相对于其他算法的局部寻优探索能力较差。

粒子群算法的过程[21]为先对粒子群进行位置和速度的初始化，任意选择每个粒子的位置x0和速度V0，将每一个粒子按照初始速度进行运动，保存粒子运动后的位置xi，将其与个体最优值位置Pbest进行对比，选择出其中最好的位置保存在Pbest中，再与全局最优值位置Gbest进行比较选择出其中最好的位置保存在Gbest中，再根据粒子群的速度变化公式（16）和位移变化公式（17）更新该粒子的速度和位置，再次进行下一次的寻优，如此往复，直至达到最大的迭代条件或者粒子群搜索到最优值满足某一条件阈值后进行终止。

1）在最优能源方案下，2020年陕西省能源消费总量为13568.4347万吨标准煤，处于约束1.39亿吨标准煤之下，满足规划要求，其中煤炭消费量为9382.5万吨标准煤，占能源消费总量的69.15%，降低目标超出十三五规划预期的2020年煤炭能源占比0.85%，达到减少煤炭用量的目的，相较十二五规划末期的煤炭能源消费占比减少了3.58%，并且保持GDP增速達到7.6%，超出国家目标0.6%。石油消费量为614.98714万吨标准煤，占能源消费总量的4.53%，相较于2015年油品下降了60.3%，极大的降低了石油的使用量，完成十三五目标。天然气消耗量约1763.9476万吨标准煤，占能源消费总量的13.00%，相较于2015年使用量增长了37.07%，刚好达到了陕西省十三五规划的预期目标。非化石燃料的消耗量约1807万吨标准煤，占能源消费总量的13.32%，超出预期强制性目标的0.32%，达2015年非化石燃料消耗量的3.3倍，极大的增加清洁能源的消费占比。2020年陕西省生产总值约为25993.7069亿元，省内GDP的增速达到7.6%，低于预期目标0.4%，但高于国家目标1.1%，仍符合要求。较2015年增加了44.23%。能源强度降低为0.52199吨标准煤/万元，较2015年能源强度降低了0.12801吨标准煤/万元，降低比率为19.69%，高于预期目标4.69%。碳排放强度降低为0.31373吨碳/万元，较2015年碳排放强度降低0.117239吨碳/万元，降低比率为27.20%，高于预期目标9.20%。

2）在最优能源强度方案下，2020年陕西省能源强度降低为0.50151吨标准煤/万元，较2015年能源强度降低了0.14849吨标准煤/万元，降低比率为22.84%，高于预期目标7.84%。2020年陕西省能源消费总量为13590.3621万吨标准煤，处于约束1.39亿吨标准煤之下，满足约束条件，其中煤炭消费量为9382.5万吨标准煤，占能源消费总量的69.04%，降低目标超出十三五规划预期的2020年煤炭能源占比0.96%，达到减少煤炭用量的目的，相较十二五规划末期的煤炭能源消费占比减少了3.69%，并且保持GDP增速达到8.49%。石油消费量为732.8621万吨标准煤，占能源消费总量的5.39%，相较于2015年油品下降了52.80%，较大的降低了石油的使用量，完成十三五目标。天然气消耗量约1668万吨标准煤，占能源消费总量的12.27%，相较于2015年使用量增长了50.28%，在陕西省十三五规划的预期目标范围之内。非化石燃料的消耗量约1807万吨标准煤，占能源消费总量的13.30%，超出预期强制性目标的0.30%，高于2015年非化石燃料消耗量的3.39倍，极大的增加清洁能源的消费占比。2020 年陕西省生產总值约为27098.6891亿元，省内GDP的增速达到8.49%，高于预期目标0.49%，并且高于国家目标1.99%，较2015年GDP总量增加了50.37%，满足经济增长的需求。并且碳排放强度降低为0.3019吨碳/万元，较2015年碳排放强度降低0.1291吨碳/万元，降低比率为29.95%，高于预期目标11.95%。完成陕西省十三五规划的各项减排指标。

3）在最优碳排放强度方案下，2020年陕西省碳排放强度降低为0.29904吨碳/万元，较2015年碳排放强度降低0.131929，降低比率为30.61%，高于预期目标12.61%。2020年陕西省能源消费总量为13899.833万吨标准煤，处于约束1.39亿吨标准煤之下，符合规划要求。其中煤炭消费量为9382.5万吨标准煤，占能源消费总量的67.50%，目标超出十三五规划预期的2020年煤炭能源占比2.5%，达到减少煤炭用量的目的，相较十二五规划末期的煤炭能源消费占比减少了5.23 %，并且保持GDP增速达到8.49%。石油消费量为600.08057万吨标准煤，占能源消费总量的4.32%，相较于2015年油品下降了61.34%，极大的降低了石油的使用量，完成十三五目标。天然气消耗量约1668万吨标准煤，占能源消费总量的12.00%，相较于2015年使用量增长了37.07%，恰好在陕西省十三五规划的预期目标范围之内。非化石燃料的消耗量约2249.2524万吨标准煤，占能源消费总量的16.18%，超出预期强制性目标的3.18%，达2015年非化石燃料消耗量的4.22倍，极大的增加了清洁能源的消费占比。2020 年陕西省生产总值约为27098.6896亿元，省内GDP的增速达到8.49%，高于预期目标0.49%，并且还高于国家目标1.99%，较2015年GDP总量增加了50.37%，满足经济迅速发展的需求。能源强度降低为0.51293吨标准煤/万元，较2015年能源强度降低了0.13707，降低比率为21.09%，高于预期目标6.09%。完成陕西省十三五规划的各项减排指标。

最优能源方案中，能源消费总量相较于其他方案总量最少，完成能耗总量的目标，但是其中煤炭的消费占比相较其他方案最高，仍然完成了十三五规划的节能减排目标，但是GDP增长速度没有完全达到陕西省预期目标，但仍能接受;在最优能源强度目标下石油消费量和能耗占比为三种方案中最高的方案，但是相应的能源强度达到最小值，而在其他方面来说都处于最优能源方案和最优碳排放强度方案之间，并且保持了GDP的增速超过陕西省十三五规划目标;在最优碳减排强度方案下，煤炭石油天然气的能源占比都为三种方案中的最小值，非化石燃料的能源消耗占比比其他优化方案的非化石燃料能源消耗消耗占比大，在省内GDP保持最大增速的情况下实现了碳强度最小的最终规划目标，但是导致能源消费总量为三种方案的最大值，达到节能减排规划值的上限。相较于最优碳排放强度方案和最优能源消费方案，最优能源强度方案在保持能源消费总量未达到约束目标最大值的条件下还提高了GDP的增速，顺利的完成了陕西省十三五规划的节能减排、消费结构优化的重要目标，并且还保证了GDP的增速保持在规划目标之上，并且具有较强的可实施性，为最佳能源消费结构调整方案。

5. 结论

通过对陕西省十三五能源消费结构和节能减排主要目标的具体分析，在考虑经济增速保持稳定、减少能源消费总量，减少温室气体排放等条件下，建立陕西省能源消费结构的优化模型，并且利用粒子群算法进行寻优，找出满足最优能源、最优能源强度，最优碳减排强度这三种优化方案的最佳能源结构。最终得出：最优能源消费方案，使得能源消费总量下降至最低，并且满足各项能源约束指标，但是却无法达到陕西省既定的经济增速的目的。最优碳排放强度方案将碳排放强度降至最低，并且满足GDP增速达标的条件，但是却会使得能源消耗量上达到最大值。而对于最优能源强度方案，恰好处于两种方案之间，不仅能超出陕西省十三五规划的GDP增速目标，并且还能使得能源消费总量低于约束目标，反映出能源的利用效率的不断提高，具有较强的可实施性，为最佳能源消费结构调整方案。

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