新一代能源規(guī)劃建模理念探討
徐志成 魯剛
（國網(wǎng)能源研究院有限公司）
能源是現(xiàn)代經(jīng)濟的重要支撐，能源戰(zhàn)略是國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，能源規(guī)劃模型是分析研判能源戰(zhàn)略的有力工具，模型背后所蘊含的理念認(rèn)識將直接影響能源決策判斷的質(zhì)量。當(dāng)前，世界政治、經(jīng)濟格局深刻調(diào)整，能源供求關(guān)系深刻變化，我國能源資源約束日益加劇，生態(tài)環(huán)境問題突出，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大，能源發(fā)展的內(nèi)外部形勢和發(fā)展階段出現(xiàn)重大變化，能源規(guī)劃模型的建模理念、理論和方法等應(yīng)充分考慮這些新變化。
一、能源發(fā)展趨勢及能源規(guī)劃模型演變過程簡要回顧
能源規(guī)劃模型的演變與能源發(fā)展形態(tài)緊密相連，不同時期的能源發(fā)展形態(tài)影響了能源規(guī)劃模型的規(guī)劃理念、規(guī)劃對象、建模方法和精細化程度等。因此，在研究新一代能源規(guī)劃模型時需對能源發(fā)展形態(tài)進行分析研判，提出與新一代能源形態(tài)相適應(yīng)的能源規(guī)劃模型。
（一）能源發(fā)展趨勢
縱觀人類能源史，能源的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的薪柴時代、異軍突起的煤炭時代、全面爆發(fā)的石油時代、激流勇進的天然氣時代、蓬勃發(fā)展的電氣時代和新能源時代。歸納分析能源發(fā)展軌跡能清晰的認(rèn)識其發(fā)展脈絡(luò)，為研判未來能源變化趨勢提供思路。
從能源物理形態(tài)上看，能源發(fā)展史是一個從固體（如薪柴和煤）到液體（石油）、氣體（天然氣）再到波、場（風(fēng)能、光能可視為光波的直接利用）等形態(tài)變化的利用過程。
從能源化學(xué)構(gòu)成上看，能源轉(zhuǎn)型是一個不斷氫化的過程。木柴中氫碳原子數(shù)比例為1:10，煤炭為1:2，石油為2:1，天然氣則為4:1。據(jù)專家計算，目前的能源結(jié)構(gòu)中有2/3是氫原子，海夫納1甚至預(yù)言21世紀(jì)內(nèi)剩余的1/3碳原子將會全被消除，為人類提供完全依賴氫能的可持續(xù)能源系統(tǒng)，這將是能源大轉(zhuǎn)型的最終格局。
從能源利用形式上看，能源轉(zhuǎn)型是一個從太陽能的間接利用到直接利用的過程。煤油氣等化石能源均是太陽能經(jīng)漫長的地質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來，風(fēng)能、光能等新能源則省去了很多中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，變?yōu)樘柲艿闹苯永谩Ｔ撨^程中能源的能量密度呈逐漸降低的趨勢，風(fēng)能、光能等低能源品質(zhì)的開發(fā)利用需配合儲能等手段改善能源利用品質(zhì)。
綜上判斷，未來能源系統(tǒng)將朝著以風(fēng)能、光能等低密度能源為主的太陽能直接利用方式轉(zhuǎn)變，走可再生能源和新能源的能源發(fā)展新路是不斷減緩能源系統(tǒng)“熵增”的過程，建立新一代能源系統(tǒng)是構(gòu)建環(huán)境友好和諧社會的重要基礎(chǔ)。
（二）能源規(guī)劃模型演變
伴隨著能源發(fā)展趨勢的不同，能源規(guī)劃模型也經(jīng)歷了不同階段。從建模方法來看，傳統(tǒng)刻畫能源技術(shù)與能源經(jīng)濟的模型主要有自上而下、自下而上以及綜合模型等。自下而上模型的歷史可以追溯到上世紀(jì)70年代，1973年Hoffman開發(fā)出BESOM模型，自此拉開了自下而上模型發(fā)展的序幕，這一時期的代表模型有國際能源署（IEA）開發(fā)的MARKAL模型等；此后，為分析石油危機等能源問題對經(jīng)濟的影響，很多自上而下模型得以開發(fā)，以美國太平洋西北實驗室1991年開發(fā)的SGM模型較為有名；之后，基于以上兩類模型開發(fā)的基礎(chǔ)，很多機構(gòu)開發(fā)出混合模型，如美國Brookhaven實驗室和斯坦福大學(xué)開發(fā)的MARKAL-MACRO模型。自此，能源系統(tǒng)模型進入了快速發(fā)展時期。隨著一般均衡理論的發(fā)展，一大批以GREEN、PAGE和EPPA為代表的可計算一般均衡（CGE）模型得到了快速發(fā)展；之后以AIM、MESSAGE和TIMES模型為代表的自下而上模型，以及以MERGE、MESSAGE-MACRO和IPAC等模型為代表的綜合評價模型也不斷涌現(xiàn)出來。
從國內(nèi)外已有研究進展來看，雖然相關(guān)成果側(cè)重于能源系統(tǒng)規(guī)劃模型的應(yīng)用，但缺乏對能源轉(zhuǎn)型路徑設(shè)計、場景描述的系統(tǒng)性思考，也忽視了能源系統(tǒng)參與主體對能源規(guī)劃的影響。
二、對新一代能源規(guī)劃模型的新思考
能源規(guī)劃模型常因模型變量作用關(guān)系不準(zhǔn)確、變量缺失、數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確等因素導(dǎo)致構(gòu)建的模型僅僅是對高維復(fù)雜非線性能源系統(tǒng)的一個簡化近似，故其具有天然的局限性2。雖然未來能源的發(fā)展不會完全按照能源規(guī)劃模型研判的結(jié)果去推進和演化，但我們?nèi)钥赏ㄟ^模型去揭示能源發(fā)展的部分規(guī)律，探索可能的轉(zhuǎn)型路徑，這正是其受到青睞的根本價值所在。綜合能源規(guī)劃模型的發(fā)展歷史及未來能源新形勢要求，新一代能源規(guī)劃建模應(yīng)考慮以下因素：
（一）規(guī)劃者的雙重角色
傳統(tǒng)的基于全局優(yōu)化的能源規(guī)劃模型存在以下不足：一是人為將規(guī)劃者和參與者分割，忽略了參與者對能源規(guī)劃本身的影響。在現(xiàn)實中，制定能源戰(zhàn)略及規(guī)劃的主體，同時也是完成規(guī)劃的參與者，存在雙重身份，其對能源規(guī)劃的實施和執(zhí)行效果的影響不容忽略，應(yīng)在能源規(guī)劃模型中將“人”（規(guī)劃者本身）的因素納入其中。二是由于規(guī)劃者的雙重角色，存在“觀察者效應(yīng)”3，當(dāng)我們一旦給出能源規(guī)劃的目標(biāo)后，人們?yōu)閷崿F(xiàn)該目標(biāo)采取的各項行為往往會加快或降低該目標(biāo)的實現(xiàn)過程，導(dǎo)致在能源發(fā)展中存在能源目標(biāo)實現(xiàn)的“測不準(zhǔn)”現(xiàn)象。因此，能源規(guī)劃永遠是一個不斷迭代的反饋過程，能源規(guī)劃模型難以給出靜態(tài)的精確解，它更多是一個動態(tài)演化模型，并勾勒出未來能源發(fā)展大趨勢。
（二）有限理性思維視角下的多主體復(fù)雜系統(tǒng)建模思路
當(dāng)前大部分基于優(yōu)化規(guī)劃的能源模型都是基于“完全理性人”假設(shè)進行的完全理性決策理論，認(rèn)為所有參與者均能按照最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)追求理性。經(jīng)濟學(xué)規(guī)律揭示這是一種難以用于指導(dǎo)實踐的理想狀態(tài)，并提出有限理性決策理論。能源系統(tǒng)作為“經(jīng)濟人”社會的一部分，也具備有限理性的特點。
傳統(tǒng)的能源規(guī)劃模型主要對能源的開采、運輸、加工、轉(zhuǎn)換、利用等各環(huán)節(jié)進行物理層面的靜態(tài)刻畫，對參與其中的不同主體及社會經(jīng)濟等因素的動態(tài)變化所帶來的影響刻畫不足。在有限理性的背景下，將多主體行為的刻畫納入常規(guī)的靜態(tài)能源模型中顯得尤為重要，并可觀察能源系統(tǒng)各主體的有限理性行為（如市場環(huán)境下的用戶行為等變化）對能源規(guī)劃產(chǎn)生的影響。由此，新一代能源規(guī)劃模型應(yīng)具備自我調(diào)節(jié)功能，是一種基于用戶有限理性的市場思維下的反饋式規(guī)劃，其具有多主體下復(fù)雜系統(tǒng)的特點。
（三）基于多路徑演化的能源推演
傳統(tǒng)能源模型是目標(biāo)導(dǎo)向式的建模，只能給出不同水平年能源狀態(tài)的靜態(tài)規(guī)劃結(jié)果，并未指明從一種能源狀態(tài)向另一種能源狀態(tài)轉(zhuǎn)變的可行路徑。從實施和執(zhí)行的角度，能源轉(zhuǎn)型路徑的研究與科學(xué)轉(zhuǎn)型目標(biāo)的確定同等重要，共同決定了方向、節(jié)奏及最終的質(zhì)量。新一代能源規(guī)劃模型在規(guī)劃出能源發(fā)展目標(biāo)的同時，應(yīng)注重路徑規(guī)劃，給出可行路徑、演化過程及優(yōu)劣比較等。
一段時期內(nèi)，能源轉(zhuǎn)型不變的是目標(biāo)，可變的是路徑。不同內(nèi)外部環(huán)境（后文稱為“轉(zhuǎn)型阻力”，當(dāng)然技術(shù)、經(jīng)濟性、政策等很多變化發(fā)揮的是促進作用，但總體而言轉(zhuǎn)型需要克服的是阻力）的改變對實現(xiàn)能源目標(biāo)的具體路徑都會產(chǎn)生影響，如何適應(yīng)變化去追求相對固定的目標(biāo)，成為能源規(guī)劃模型的重要功能。
圖1展示了在相同轉(zhuǎn)型起點和轉(zhuǎn)型目標(biāo)下，不同轉(zhuǎn)型阻力對轉(zhuǎn)型路徑的影響。圖中左側(cè)場景下，有四條可行轉(zhuǎn)型路徑，當(dāng)內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生改變后，僅有三條可行轉(zhuǎn)型路徑，且其具體路徑形態(tài)亦發(fā)生改變。
圖 1 轉(zhuǎn)型目標(biāo)不變時不同情景下的能源轉(zhuǎn)型路徑集合變化情況示意圖
（四）能源轉(zhuǎn)型從“最短路徑”到“最速路徑”的轉(zhuǎn)變
當(dāng)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)確定后，其從轉(zhuǎn)型起點到轉(zhuǎn)型目標(biāo)間將有多種可行路徑，多樣性的轉(zhuǎn)型路徑將形成能源轉(zhuǎn)型路徑集合。為研判何種路徑更適合未來發(fā)展趨勢，需進行“最優(yōu)路徑”的選擇。
傳統(tǒng)能源規(guī)劃建模的重點是基于全社會供能成本最低的優(yōu)化方法，可以將這一建模理念稱之為一種追求轉(zhuǎn)型“最短路徑”的方式，所謂“最短”僅用來表達靜態(tài)下的選擇邏輯，綜合成本、綠色、安全等的最優(yōu)多目標(biāo)考量也可視之為“最短”。但能源轉(zhuǎn)型除了有目標(biāo)的限制還有時限的約束，故能源轉(zhuǎn)型的速度也是影響能源轉(zhuǎn)型是否順利完成的重要維度，甚至是剛性條件。由此，能源轉(zhuǎn)型是在最短的時間內(nèi)以較低的成本實現(xiàn)轉(zhuǎn)型目標(biāo)。
物理規(guī)律顯示兩點之間線段最短，但最短的線段并非是最快的，兩點間存在一條“最速路徑”。更為特別的是，位于“最速路徑”上不同起點的物體到達終點的時間相同，因而該“最速路徑”也稱為等時曲線。類比可知，在能源轉(zhuǎn)型路徑集合中存在一條“最速路徑”，其在內(nèi)外部環(huán)境構(gòu)成的合力驅(qū)動下，總是沿著阻力最小的路徑演化，實現(xiàn)最快速的能源轉(zhuǎn)型，且其與能源轉(zhuǎn)型的起點關(guān)系不大，最終將以相同的速度到達轉(zhuǎn)型目標(biāo)。當(dāng)然在克服阻力的過程中，不同能源現(xiàn)狀下的轉(zhuǎn)型所需要付出的代價不同。
圖 2 能源轉(zhuǎn)型從“最短路徑”到“最速路徑”的轉(zhuǎn)變
由上述分析可知，新一代能源模型將以轉(zhuǎn)型阻力4最小而非單純的系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)函數(shù)，在內(nèi)外部轉(zhuǎn)型合力驅(qū)動下實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型從“最短路徑”到“最速路徑”的轉(zhuǎn)變。
（五）基于場景思維實現(xiàn)“不測而測”
能源規(guī)劃模型不是為了預(yù)測未來，而是基于多場景模擬及仿真提供在不同時期可能的能源發(fā)展路徑。能源模型的實踐意義在于：通過多種典型場景和極端場景（如安全事故、氣象災(zāi)害、網(wǎng)絡(luò)安全、戰(zhàn)爭、其他行業(yè)帶來的聯(lián)動影響等）的研究，發(fā)現(xiàn)多路徑，并基于不同時期的當(dāng)下實踐，選擇最佳的能源轉(zhuǎn)型應(yīng)對之法和轉(zhuǎn)型策略，而非單純的預(yù)測未來。實際中，由于內(nèi)外部環(huán)境的變化及不可預(yù)測性，任何企圖通過模型規(guī)劃進行預(yù)測未來的嘗試往往事與愿違。
不同場景下，能源轉(zhuǎn)型將有不同的“最速路徑”，某時段內(nèi)的“最速路徑”通常是由多個子時段不同場景下的“最速路徑”拼接而成。由此，新一代基于場景的能源模型實質(zhì)是形成盡可能涵蓋各種場景的場景集合，并得到不同場景下的“最速路徑”集合，通過識別實際能源發(fā)展情景屬于場景集合中的哪一種，給出與該場景相適應(yīng)的能源轉(zhuǎn)型應(yīng)對策略即“最速路徑”，從而達到“不測而測”、以“策”代“測”的目的。
以圖3為例說明，模擬了三個不同場景，并得到3條“最速路徑”，結(jié)合實際情況，四個子時段所處的實際能源發(fā)展情景分別與場景3、場景2、場景1和場景3相對應(yīng)，則整體的能源轉(zhuǎn)型路徑即為4段不同場景下的“最速路徑”的組合。隨著場景組合數(shù)的增多，其仿真過程將極為復(fù)雜，為便于決策者從未來多種可能形勢變化中研判得到一系列可視化的“最速路徑”，大數(shù)據(jù)、人工智能將在場景構(gòu)建、“最速路徑”分析，尤其在挖掘海量“路徑集”找出潛藏關(guān)鍵規(guī)律方面將發(fā)揮獨特作用。
圖 3 不同場景集合下的“最速路徑”集合及其應(yīng)對策略
（六）構(gòu)建多時空尺度下多層級的能源規(guī)劃模型體系
能源模型隨著時空尺度的不同，其規(guī)劃理念及方法呈現(xiàn)一定的相似性，同時也將表現(xiàn)一定的差異性。針對不同的時間尺度、空間尺度和應(yīng)用場景有必要構(gòu)建一套能涵蓋多時空尺度下的多層級能源規(guī)劃模型體系，兼顧宏觀和微觀、整體和局部間的協(xié)同規(guī)劃。
在時間方面，新一代能源系統(tǒng)中場景刻畫具備針對長期（5～10年及以上）、中期（5年及以下）、短期（月及日等）的仿真能力，且不同時間尺度及級別上的場景能互相校驗和生成，避免各時間尺度下的場景相對分割且獨立，即大時間尺度上的場景應(yīng)由小時間尺度場景演化得到，小時間尺度下的場景應(yīng)服從大時間尺度下場景的變化趨勢。在空間方面，應(yīng)針對園區(qū)級、省級、區(qū)域級、國家級能源系統(tǒng)搭建簡易程度不同、刻畫精度各異的一套規(guī)劃模型體系，便于不同空間尺度模型的對接和校核，提升能源規(guī)劃模型的自檢能力及適應(yīng)性。
1.羅伯特·海夫納三世，《能源大轉(zhuǎn)型——氣體能源的崛起與下一波經(jīng)濟大發(fā)展》，中信出版社，
2013年。
2.英國統(tǒng)計學(xué)家George E. P. Box.曾說過“ All models are wrong, but some are useful”。
3.所謂觀察者效應(yīng)，指的是被觀察的現(xiàn)象會因為觀察行為而受到一定程度或者很大程度的影響。
4.轉(zhuǎn)型阻力包含技術(shù)因素、成本約束、政策環(huán)境、外部約束等多種內(nèi)外部因素。
原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年6月19日第24、25期
