基于情景分析改進馬爾可夫的能源消費結構預測

陳金祥，鄭銳峰，王 彬

（國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011）

近年來隨著可持續發展理念的深入，人們密切關注能源的碳排放和綠色發展問題。保障能源安全，掌握能源消費趨勢，優化能源體系對促進我國能源綠色轉型、低碳發展具有重要意義。當前我國處于實現“雙碳”目標的關鍵期，在該背景下，調整優化能源消費結構可以為順利實施能源發展規劃提供保障。

能源一直是國內外學者研究的熱點，研究方向較為豐富，主要包括能源政策與法律[1-2]、能源系統[3-5]、能源效率[6-7]、能源轉型[8-10]、能源安全[11-12]、能源合作[13-14]和能源消費[15-16]等，在碳減排背景下國內外學者針對能源消費進行了深入研究，并取得了一些豐碩的研究成果。國內對于能源消費的研究側重于影響因素、預測模型和優化策略等。孫永波等[17]運用空間數據分析方法構建空間模型進行實證分析,研究各因素對能源消費強度的影響。郭煜等[18]研究基于2種情景采用彈性系數法和灰色關聯分析法預測2035年及2050年陜西省能源消費和經濟增長情況。楊明等[19]探討了各種能源預測方法與能源發展方向問題。李輝等[20]對比了我國與其他能源消費國的能源發展現狀，針對我國能源消費結構與模式問題提出優化建議。而國外文獻則注重于新能源和能源政策對能源消費影響的研究。Albatayneh等[21]調查了能源補貼對能源使用結果及住宅部門內消費模式的影響。Borozan[22]證明在1997—2019年期間，G7國家在控制收入、制度和創新后，政策帶來的不確定性如何影響可再生能源消費等問題。Gyimah等[23]基于歷史數據，采用格蘭杰因果關系和中介模型對加納實證分析發現了可再生能源消費增加能夠促進經濟增長。El[24]采用格蘭杰因果關系和向量自回歸（VAR）檢驗來檢測海灣合作委員會（海合會）國家的CO2排放、能源消耗和人均國內生產總值3個變量之間的因果關系，提出制定能源政策，減少能源消耗和控制CO2排放的建議。Tutak等[25]確定了以可再生能源為基礎的能源的使用對經濟指標和對傳統能源消費的影響，發現可再生能源基礎上的能源消費對經濟增長、溫室氣體排放的減少和減排具有積極的影響。

通過分析總結可以看出國內外學者預測能源消費結構的模型主要集中于：灰色GM（1，1）模型[26-27]、ARIMA模型[28]、馬爾可夫模型[29-30]和情景分析[31-32]等，每個模型都有一定的適用性和可行性。顯然，能源消費結構的狀態轉移也具有馬爾可夫鏈的無后效性特點，但與此同時能源消費結構會受到政策、經濟水平和資源稟賦等因素的影響，僅考慮馬爾可夫模型會影響預測結果的準確性，因此本文采用情景分析改進的馬爾可夫模型對能源消費結構進行預測。在預測過程中考慮無規劃約束和有規劃約束2種情景下的能源消費結構預測，通過中國某省歷史數據實證分析驗證了有規劃約束的馬爾可夫預測模型對優化能源消費結構，促進政策落地，保障規劃目標實現具有重要的參考意義，最后就預測結果對能源綠色轉型的實現提出建議。

1 能源消費結構預測模型

1.1 馬爾可夫鏈

馬爾可夫鏈（Markov鏈）是一種任意狀態轉移只涉及上一時點狀態而不涉及歷史狀態，將來狀態亦只涉及現在狀態的隨機過程，其無后效性使得其對過去和將來關聯性不強的事件進行分析時容易理解。

馬爾可夫鏈包含3個主要概念：隨機變量、狀態空間和條件概率關系。設隨機變量序列{Xt，t∈T}，滿足對于任意的xt∈S，t∈T={0，1，2，…}，其中，S為狀態空間，隨機變量是離散或者連續的，有P{Xt=xt|X0=x0，X1=x1…Xt-1=xt-1}=P{Xt=xt|Xt-1=xt-1}，則稱{Xt，t∈T}為馬爾可夫鏈或馬爾可夫過程。記Pij=（Xt=i|Xt-1=j）為具有n個狀態的馬爾可夫鏈在時刻（t-1）處于狀態j轉移到時刻t狀態i的轉移概率，且滿足，則稱矩陣為馬爾可夫鏈的一次轉移概率矩陣

1.2 模型步驟

1.2.1 轉移概率及轉移矩陣的計算

假設{Xt，t∈T}為有n個狀態的隨機過程，則馬爾可夫預測系統的狀態轉移概率計算規則如下。

（1）當系統由t時刻轉移至t+1時刻時，對于能源消費結構來說，若某一種能源消費的比重份額沒有改變或提高，說明該種能源消費的比重在狀態轉移期間不轉移給其他能源比重，或者說其他能源無法吸收這種能源消費轉移所產生的附加比重，因此該種能源消費比重轉移可能性為1，其他能源比重轉移可能性為0。

（2）當某能源消費比重由t時刻轉移到t+1時刻下降時，表明狀態轉移期間該種能源消費比重將轉移到其他能源消費比重中，則可以根據該種能源t+1時刻比重除以t時刻比重來計算該種能源消費比重的保留概率。

因此，對于n個狀態的隨機過程{Xt，t∈T}，可得系統能源結構從t時刻到t+1時刻的一步轉移概率矩陣為

若設能源i在t時刻的消費占比值為在t+1，則時刻的消費占比值為

1.2.2 馬爾可夫預測模型

設馬爾可夫鏈系統初始狀態的概率向量為S(0)=（p1(0)，p2(0)，…pn(0)），則當轉移概率矩陣P不變時，由Chapman-Kolmogorov方程可得系統經過k步狀態轉移后的狀態為

通常，上式中的P用k步狀態轉移后的平均轉移矩陣代替，即

當有外部條件作用于馬爾可夫轉移過程時，則需要根據條件約束改變轉移概率矩陣P，系統從初始狀態S（0）經過k步狀態轉移后的狀態為

2 案例分析

2.1 適用性分析

為了能夠全面、客觀、真實地驗證模型有效性和適用性，本案例以中國某省2010—2020年實際能源消費結構歷史數據為依據，根據馬爾可夫鏈運算規則對該省的能源消費結構進行預測。該省能源消費歷史數據（見表1），利用公式（3）計算出該省2010—2020年能源消費結構中煤炭、石油、天然氣及電力的轉移概率矩陣見表2，利用公式（5）得出該省2010—2020年能源消費結構平均轉移概率矩陣P1見表3。

表1 2010—2020年中國某省能源消費結構占比歷史數據

表2 2010—2020年中國某省能源消費結構的轉移概率矩陣

表3 2010—2020年中國某省能源消費結構平均轉移概率矩陣

根據馬爾可夫預測模型，以中國某省2020年能源消費結構占比為初始值，以2010—2020年的平均轉移概率矩陣P1為轉移概率矩陣，運用式（4）對該省2021年的能源消費結構預測為：S(2021)=S(2020)×P1，計算出該省2021年的能源消費結構占比為（55.757 9%，19.015 8%，8.831 4%，16.394 9%），與實際值（56%，18.5%，8.9%，16.6%）吻合良好，誤差均在控制范圍內，表明模型適用性強。

為保證預測結果可靠性，結合該省2021年實際能源消費結構占比情況，以該省2010—2021年能源消費結構的平均轉移概率矩陣P2為轉移概率矩陣，結果見表4。

表4 2010—2021年中國某省能源消費結構平均轉移概率矩陣

從平均轉移概率矩陣P2的第一行可以看出，石油、天然氣和電力替代煤炭的概率分別為0.31%、0.60%和1.13%，可見在保障煤炭安全穩定供應基礎進行能源消費結構綠色轉型中，電力的促進作用比較大。

從主對角線上較高的保留概率可以看出，該省的能源消費結構相對比較穩定。在2010—2021年間，每年消費煤炭、石油、天然氣和電力的份額仍保持上一年份額的評價概率為97.97%，99.45%，100%和99.03%，煤炭的保留概率最低，說明以煤炭為主導的能源消費結構正在改變。

2.2 能源消費結構預測模型

2.2.1 無規劃約束預測模型

以該省2021年的能源消費結構占比S(2021)=（56%，18.5%，8.9%，16.6%）為初始狀態，該省2010—2021年能源消費結構的平均轉移概率矩陣P2為轉移概率矩陣，不考慮國家和中國某省的各種政策方針和規劃目標，而僅根據以往能源結構演變規律預測其未來狀態，可應用馬爾可夫鏈模型預測出無規劃約束下該省2022—2030年能源消費結構占比。預測結果見表5。

表5 中國某省2022—2030年能源消費結構占比預測

2.2.2 有規劃約束預測模型

碳達峰和碳中和戰略目標的提出，對我國能源的低碳化和去碳化發展提出了挑戰，也為能源消費結構的綠色轉型指明方向。為在保障能源安全穩定供應的基礎上實現綠色轉型，以中國某省為例，根據“雙碳”目標及《“十四五”現代能源體系規劃》目標對該省能源消費進行無規劃約束和有規劃約束2種情景預測，并對結果進行對比分析，探討推動該省能源轉型和降低碳排放強度的路徑與對策，以期為能源消費的綠色轉型提供參考。

無規劃約束下該省2022—2030能源消費結構預測結果表明，2030年非化石能源消費比重（電力比重）為20.532 7%，而該省“十四五”能源發展規劃提到2030年非化石能源消費比重要達到25%，以促進綠色發展方式和生活方式的形成，說明無規劃約束條件下的預測結果與規劃提出的更高目標相比存在一定差距?；诖?，本文認為在未來該省經濟高質量發展過程中，應該充分考慮到“十四五”期間非化石能源消費增加而引起的資源環境問題，通過優化產業結構來實現節能減排和綠色轉型。為此，以下將在該能源發展規劃中確定的目標為約束下，對轉移概率矩陣按照2030年目標進行調整，從而對預測結果進行校正。

由于該省《“十四五”現代能源體系規劃》要求穩中有序降低化石能源尤其是煤炭的消費比重，未對其他能源消費比重提出明確規劃目標?；诖吮疚募僭O在2022—2030年期間，該省石油和天然氣消費比重的變動依然保持無規劃約束時的基本趨勢；而電力消費比重增加由減少煤炭的比重來補充。由此可以計算出有規劃約束下的該省2030年能源消費結構占比，結果見表6。

表6 2030年2種情景下該省能源消費結構

設在有規劃約束情景下，從2022年到2030年調整的平均轉移概率矩陣為P3，則式S(2030)=S(2021)×P39成立，根據無規劃約束情景下能源消費比重的預測結果，可知除煤炭外其他3種能源的消費比重持續增加，因此P3的第二行、第三行和第四行向量為（0，1，0，0）、（0，0，1，0）和（0，0，0，1），可根據公式（6）計算P3為

根據平均轉移概率矩陣P3和該省2021年的能源消費結構向量S(2021)，可以預測出有規劃約束下該省2022—2030年能源消費結構占比，結果見表5。

2.3 結果分析

將無規劃約束和有規劃約束2種情景下的預測結果進行分析，結果如圖1所示。

圖1 2種情景下該省2022—2030年能源消費結構預測結果對比分析

從圖1可以看出：（1）無規劃約束和有規劃約束2種情景下預測的每年石油和天然氣的消費比重幾乎看不到誤差，且有規劃約束情景下截至2030年電力占比可達到25%的目標，滿足預期要求。且由預測數據計算可得煤炭消費占比無規劃約束下每年的減少率為1.7%，有規劃約束下為2.8%。如2030年無規劃約束下煤炭消費占比減少率=（48.622 2%-47.794%）/48.622 2%。

（2）化石能源用于電力轉化是當前技術水平下最高效、最經濟和最清潔的利用方式，有規劃約束下從2024年開始電力消費占比開始超過石油和天然氣的占比，成為低碳發展的有效主力，進一步說明了該省“十四五”規劃關于加大電力需求側響應管理，推進完善電力輔助服務市場機制、深化電力革命和加快電源結構優化的先進性。

（3）總體結構來看該省能源消費仍以煤炭為主，這與該省的資源稟賦有很大的關系，低碳轉型必須在保證能源安全穩定供應的基礎上進行，所以今后幾年內煤炭在該省能源消費中仍發揮著壓艙石作用。該省目前的能源消費結構尤其是煤炭的清潔利用水平，對于“雙碳”目標的按期實現仍然存在一定的威脅，未來9年低碳問題仍然比較嚴峻。因此，該省必須采取措施改進以煤炭為主的能源消費結構，提高化石能源的清潔利用。

3 結論

發現能源消費規律，預測能源消費結構有助于了解能源消費趨勢，對制定規劃目標，調整產業結構、保障能源低碳發展具有重要意義。本文在建立能源消費結構的馬爾可夫預測模型基礎上對中國某省能源消費結構進行了無規劃約束情景預測和有規劃約束情景預測，研究發現能源綠色轉型要在保障能源安全穩定供應的基礎上進行，發揮壓艙石作用的煤炭能源不會被立刻取代，在短期內改變以煤炭為主的能源消費結構很難[33]，電力取代煤炭成為主要能源消費類型仍有很長的路要走。結果表明，有規劃約束的馬爾可夫鏈預測模型對保證“雙碳”目標實現，優化能源結構，保障能源消費綠色轉型有很重要的參考意義和指導作用。因此能源綠色轉型可以從以下幾方面入手。

（1）優化能源消費結構。從預測結果可以看出未來一段時間該省能源消費仍以煤炭為主。我國應加強政策引導和信息引導，從政策和體制機制角度強化煤炭消費控制的保障能力，促進能源目標的實現[34]。此外提高化石能源尤其是煤炭的開發利用效率本身就是碳減排，該省要實現低碳轉型，必須立足于現有的自然資源和能源現狀，深度利用煤炭資源，提高化石能源尤其是煤炭清潔利用率，減少碳排放，推進能源高質量轉型發展。

（2）大力發展可再生清潔能源。該省可再生能源種類齊全，儲量豐富，如風能、地熱能、太陽能和生物質能等清潔能源發展潛力巨大，在煤炭保障能源安全穩定供應的基礎上增加清潔能源消費比例，促進新能源消費，推進能源低碳轉型升級。

（3）依據規劃目標加快電力行業多元化清潔能源供應體系。規劃對于能源消費的綠色轉型有著指導作用，所有行動必須在規劃目標下有序進行，根據規劃要求，堅持生態優先、綠色發展，壯大清潔能源產業，在降低煤炭占比的基礎上持續實施清潔能源替代行動，增加電能在能源消費的比例，推動構建新型電力系統，支撐未來能源轉型。

（4）全面優化能源消費結構評估指標體系。能源消費結構影響著社會民生、生態環境和國民經濟，應用物聯網、云計算和人工智能等技術，借鑒成功經驗建立能源指標體系，評估能源消費現狀，反映能源發展問題，為能源綠色低碳發展提供參考指標，為能源決策提供依據[35]。

能源消費結構預測對于“雙碳”目標的實現和可持續發展具有重要意義，希望本文提出的基于規劃約束的馬爾可夫預測模型可以提供一定的參考。同時本文也存在著一些不足和局限，比如本文是通過平均轉移概率矩陣來預測能源消費結構，隨著經濟的發展和科技的進步，模型轉移概率矩陣的確定也會產生新的方向，此外，能源消費的影響因素非常復雜，可在規劃約束的基礎上進一步考慮其他因素來進行預測，后續研究人員可從這2方面對能源消費結構預測進行改進。