在我国生态文明建设和区域协调发展战略的推进下，为适应城市群的发展趋势，能源系统结构应当随之相应调整和升级。我国能源结构逐步由化石能源向多元化供应方式转变。城市群综合能源系统将与能源规划、运营、管理等环节相协调，实现多种能源的联动互补。在此背景下，有必要对城市群综合能源系统进行系统分析。分析了城市群综合能源系统的内涵、特点和作用机理，构建了一套评价指标体系。这些研究思路和方法可以应用于适应城市群发展的能源开发、利用和管理场景，为能源系统管理和评价提供科学的分析工具。

我国城市在多元化发展的同时，呈现出集聚和两极分化的趋势，逐步形成以京津冀地区和长三角为代表的城市群。城市群的形成，一方面扩大了城市之间资源配置的范围，另一方面需要协调城市空间和资源。这些也给能源系统带来了更大的挑战，需要解决能源供应子系统之间缺乏有效协调、局部不平衡、能源效率低下等问题。城市群综合能源系统通过电、热、冷、气系统的互补耦合，对提高能源和基础设施综合效率，促进可再生能源开发利用具有重要作用。然而，由于综合能源系统还处于初级发展阶段，对城市群能源系统的研究还很少。研究其效益评价技术对城市群综合能源系统中长期发展具有重要意义。

一、城市群综合能源系统的发展

立足生态文明建设，能源系统正逐步向绿色发展转变，就是要发挥电力能源枢纽的作用，推动能源的绿色转型和清洁生产，提供优质、多样化的能源服务，从而促进社会的绿色转型和可持续发展，最终实现生态文明社会。综合能源系统是指在规划、建设、运营过程中，对能源的生产、输配、转换、储存等环节进行有机协调和优化，形成的多能源、全链条的一体化系统，城市群综合能源系统是基于城市资源和负荷特性的差异，适应不同城市发展趋势的能源系统。整合区域内煤炭、石油、天然气、电力、热能等多种能源，实现不同能源子系统协调规划、优化运行、协同管理、互补的综合能源体系的地理和功能表现，如图所示。

二、城市群综合能源系统特性

综合能源系统基于不同形式能源系统的网络化集成，具有能源生产、传输、转换、存储、使用等多种功能，集成的物理系统实现了部门和用户之间的深度集成。

在空间上，一体化能源系统打破了传统模式和区域分供的束缚。各种能源系统通过转换设备相互转换和支持，提供额外的能源供应途径，提高系统的可靠性和成本效益。

在时间上，综合能源系统通过能源的协调利用，实现调峰填谷。联合供能改变了高峰时段对单一能源的过度依赖，提高了能源设备的利用率。

在方式上，一体化能源系统实现了分布式、灵活、经济、多样化的能源共供。

在价格方面，综合能源系统通过多种能源的综合利用，为向更清洁、更廉价、更高效的能源转化和利用提供了机会，通过优化调控，有效降低了系统总成本。

三、城市群综合能源系统协同机理

城市群综合能源系统打破了电、热、冷、气、交通等不同能源系统之间的物理壁垒，实现了多种能源之间的互补融合，并接入风能、太阳能、潮汐能、地热能、生物能等多种可再生能源。综合能源系统是横向“多能互补”和纵向“源-网-荷-储”的有机结合，集中式电网与分布式能源网络相协调。

1、纵向“源-网-荷-储”协调

能源系统协同演化可以看作是整体电力系统中各演化主体为了达到统一的协同演化目标而产生变异的全过程，协同演化的目标是每个层次的演化主体间的协同演化效果相匹配并且与整体电力系统的演化方向相一致，这一过程不是单独发生的，而是与自身的多个层次和环境的不断交感中进行的。电力系统具有层次性，每一个层次的演化参与主体的演化发展既受到其他层次演化主体的影响，同时每一层次的演化主体的演化又反过来影响其他层次，同时，每个演化参与主体都具有协同演化能力，每个演化影响因素都拥有协同演化作用，演化参与主体和演化影响因素间的交互作用形成了不同阶段电力系统的关联关系矩阵。

在能源系统的协同演化过程中，各演化主体具备各自的协同演化能力，在不同的演化阶段演化能力有高有低；演化驱动因素提供了协同演化作用，作用力在不同的演化阶段作用程度不同。本文用演化主体的协同演化能力和演化驱动因素的协同演化作用来描述电力系统的协同演化过程，因此，能源系统的协同演化过程包括两个维度：协同演化能力（Co-evolution Ability）和协同演化作用（Co-evolution Function），协同演化能力由高到低，协同演化作用由小变大，故形成了 4 个演化象限，这四个演化象限刻画出了电力系统的协同演化的 4 种状态以及 5 种协同演化路径。而且，每个演化状态都拥有自己的演化目标，如：演化主体的协同演化能力低且驱动因素的协同演化作用小，能源系统处于协同演化初始阶段；演化主体的协同演化能力低但驱动因素的协同演化作用大，电力系统进入了被驱动的协同演化阶段，这个阶段的演化目标是为了完善相应的演化体制；演化主体的协同演化能力提高后驱动因素的协同演化作用力反而减少，此时电力系统进入被抑制的协同演化阶段，进入这个阶段后，各演化主体旨在实现各自的系统功能；演化主体的协同演化能力高且驱动因素的协同演化作用大时，单个能源系统达到最优协同演化阶段。在驱动因素的作用下，每个阶段都可以进入更高阶的其他演化阶段。

能源系统在协同演化初始期的演化特征表现为演化参与主体的协同演化能力低且驱动因素的协同演化作用小，在这个时期，电力系统演化刚刚开始；随着驱动因素的协同演化作用增强，系统进入了被驱动的协同演化阶段，在这个阶段需要完善演化体制的修订工作；接下来，随着演化参与主体协同演化能力的提升，系统近一步进入了被抑制的协同演化阶段，在这个阶段需要逐步实现演化参与主体的系统新功能，匹配新的系统需求；在演化后期，演化参与主体的协同演化能力和驱动因素的协同演化作用力都得到了增强，达到了一个较高的水平，整体系统进入了协同状态。

2、横向“多能互补”

城市群综合能源供应系统内部子系统之间具有相互影响、相互作用的关系。在城市群综合能源系统中，不同类型能量通过冷热电联机组等设备相互耦合，不同能源品种相互补充互济。城市群综合能源供应系统内部子系统之间协同发展将实现可再生能源的大规模利用和共享，电力系统与供热系统、燃气管网之间的耦合将越切紧密。

多能互补是指不同能源之间的相互转化、互为补充、相互替代的影响关系。城市群综合能源供应系统中的多能互补是指电力、煤炭、供热以及天然气供应系统等不同能源之间的协调互补。按照不同资源条件和用能对象，采取多种能源互相补充，能够合理利用自然资源，取得较好的经济、社会和环境效益。多能互补涵盖源侧综合能源系统、用户侧综合能源系统和能源传输网络。

四、能源供应系统协同发展的评价

城市群综合能源供应系统协同发展水平是指在特定时段内城市群综合能源供应系统的状态和所达到的高度。描述城市群综合能源供应系统发展水平的指标体系，既包括反映各环节发展水平的指标，还包括一些可以反映能源系统发展水平的综合指标。

城市群综合能源供应系统功能的发挥，是所有构成子系统及其要素共同作用的结果，子系统和要素之间必然存在着不同程度的联系。因此，用来描述各子系统发展水平的一些指标，可能不仅仅描述某个子系统的某些状态，而是可以用来描述多个子系统的发展状态的。

根据城市群综合能源供应系统对能源系统的影响机理分析，依据层次性、科学性、可度量的原则，分别从基础功能、清洁发展、能源安全、能源效率四个方面构建评价指标，如表所示。同时，考虑到不同维度指标特性，提供了每个指标的具体计算方法和变量说明。