中国能源互联网中综合风险的可持续生产导向系统性-动态评估框架

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable production-oriented systematic-dynamic assessment framework for integrated risks in China's energy internet

全球低碳转型背景下，能源互联网（EI）面临多维度风险动态耦合挑战。本研究构建社会-环境、CPS和IES三维评估框架，融合系统动力学与熵权法建立动态风险量化模型，通过内蒙古案例验证发现CPS风险与IES可靠性呈现倒U型演变趋势，揭示技术瓶颈、运维投入与外部环境联动的风险演化机制。该成果为发展中国家能源互联网系统性风险治理提供决策支持，拓展了可持续生产理论的应用边界。

　　

雷旭|林竹|柯森|邓彦飞

西华大学经济学院，成都，610039，中国

摘要

在全球低碳转型和中国双碳战略推进的背景下，作为能源转型的核心平台，能源互联网（EI）由于信息物理系统的融合、多能源的耦合以及社会环境的相互作用，面临着复杂的系统风险，这些风险威胁着其安全运行和可持续生产。现有研究主要集中在对单个子系统的静态评估上，缺乏对多维风险动态耦合的综合性分析。为了解决这一不足，本研究构建了一个涵盖社会环境、信息物理系统（CPS）和综合能源系统（IES）维度的多维风险评估框架，并通过将系统动力学（SD）与熵加权方法相结合，建立了一个动态耦合风险量化模型。基于内蒙古能源互联网示范区的验证结果表明，CPS风险和IES可靠性占主导地位，呈现出倒U型曲线趋势：最初由于技术瓶颈而上升，随后随着技术进步和预防性维护而下降，而社会环境风险保持较低水平并逐渐减少。本研究揭示了EI中耦合风险的动态演变机制，其发现为实际决策提供了可行的策略。这种多维动态评估逻辑为全球能源转型提供了一个以中国为导向的政策框架参考，特别是对于发展中国家而言，它弥合了系统风险理论与可持续生产实践之间的差距。

引言

对全球资源枯竭、环境退化和气候变化的日益关注加速了全球向低碳和可持续能源系统的转型（Wang等人，2024年；Liu等人，2022年）。作为全球气候治理的核心参与者，中国坚定推进了碳达峰和碳中和（双碳）战略，能源互联网（EI）作为整合可再生能源、优化能源分配以及促进能源与信息协同发展的关键平台应运而生（Zhang等人，2025年；Wang等人，2017a）。EI的发展与全球环境效率目标和可持续发展框架密切相关，其多能源耦合和信息物理系统融合的特点符合低碳转型的要求（Giganti和Falcone，2025年），同时其平衡能源安全与环境保护的能力响应了全球对可持续能源利用的呼吁（Giganti等人，2025年）。最近的研究强调，EI在缓解能源供需缺口和减少碳排放方面的作用离不开系统性可持续性框架的支持（Falcone和Errichiello，2025年），其风险管理必须置于社会经济生态协调的背景下（Falcone和Tutore，2025年；Sica等人，2026年）。值得注意的是，EI的架构基础——即整合了信息和物理技术的系统——在学术研究中得到了广泛认可（Kabalci和Yasin，2019年），进一步凸显了其在可持续能源转型中的重要性。

能源互联网是一个以智能电网为中心的开放型能源信息集成系统，它整合了可再生能源接入、大数据和云计算技术，实现了整个能源供应链的实时监控和智能管理（Cao等人，2018年；Wang等人，2017a；Kabalci和Yasin，2019年）。在EI架构中，两个平行子系统对其核心功能起着决定性作用，分别是信息物理系统（CPS）和综合能源系统（IES）。CPS关注信息与物理融合的安全性和可靠性，涵盖了信息传输、物理设备运行和网络威胁之间的相互作用（Akbarzadeh和Katsikas，2023年；Wang等人，2019年）。IES强调多种能源（电力、天然气、热能等）的高效耦合和可靠运行，涉及能源生产、传输、分配和用户侧消费（Jia等人，2024年；Chen等人，2019年）。这两个子系统不是相互包含的，而是平行且互补的，共同实现了EI的能源信息融合和多能源协同的核心价值。图1展示了EI的系统组成概念框架。

尽管EI在低碳转型中扮演着关键角色，但其复杂的集成特性带来了复杂的系统风险。EI继承了现有智能电网的所有风险脆弱性（Hua等人，2021年），技术、社会经济或自然环境的变化会进一步改变其风险特征（Sun等人，2024年；Wang等人，2017b）。现有的EI相关风险评估研究存在明显不足，大多数研究仅关注单个子系统的静态评估，例如，关于CPS风险的研究主要集中在网络攻击和物理设备漏洞上（Pourmadadkar 2024年；Wang等人，2019年；Liu等人，2023年），而IES可靠性的研究仅限于基于情景的静态分析（Su等人，2020年；Yang等人，2023年；Chen等人，2019年），缺乏对风险演变的动态跟踪。此外，多维风险的整合不足，很少有研究将社会环境风险（如政策变化和市场波动）与CPS和IES风险系统地整合起来，忽略了内部和外部风险因素之间的动态耦合效应（Yan等人，2019年；Tariq等人，2022年）。另外，关于EI韧性评估的研究（Gasser等人，2021年）尚未纳入以可持续生产为导向的风险评估框架，相关的动态分析（Sun等人，2024年；Wang等人，2017b）仍然零散。此外，传统评估方法中权重确定的主体性较为明显：一些研究采用电力系统的风险分级模型而不考虑多因素耦合（Zhao等人，2024年；Rahim等人，2023年），而其他研究则缺乏风险因素权重的客观量化工具（Xu等人，2022年），这使得难以准确反映不同风险因素的相对重要性。此外，系统动力学（SD）在动态模拟方面的优势已被应用于能源系统的风险评估（Liu和Zeng，2017年），但现有研究仅关注单一风险维度并采用主观加权，未能解决多维整合和客观量化的问题。

因此，对于EI综合风险（EIIR）的评估，现有研究侧重于单维静态评估，缺乏对社会环境和技术风险的整合。主观加权方法和跨维度风险耦合的忽视限制了结果的全面性和客观性。此外，CPS风险研究强调网络攻击预防和静态脆弱性分析，而IES可靠性研究依赖于情景模拟而缺乏动态跟踪。这些都导致现有研究无法为EI的安全运行和可持续生产提供全面和科学的决策支持。

为了解决这些局限性，本研究通过构建一个涵盖社会环境、CPS和IES维度的多维框架来改进EI风险评估，系统地解决了现有研究中多维整合不足的问题；创新性地将SD与熵加权方法相结合，模拟风险的动态演变和耦合关系，同时熵加权方法客观地确定了每个风险因素的权重，突破了传统静态评估和主观加权的局限。它揭示了EI风险的动态耦合机制，丰富了能源领域系统风险理论的理论内涵。此外，它还建立了EI风险管理与可持续生产以及全球低碳转型之间的内在联系，扩展了可持续生产理论在能源系统研究中的应用范围。

本文的其余部分安排如下：第2节详细阐述了EIIR的系统动态评估框架和评估指标体系。第3节介绍了SD模型的构建和风险值的计算方法。第4节展示了案例模拟结果和敏感性分析。第5节讨论了主要发现、政策意义和未来研究方向。第6节给出了结论。

部分内容摘录

系统动态评估框架

能源互联网是一个复杂的集成系统，通过信息物理系统融合技术将多个IES相互连接，具有独特的层次结构和系统协同性。正如Kabalci和Yasin（2019）所描述的，EI的架构框架由三个相互依赖的层次组成：负责信息传输、处理和决策的网络系统层；作为多能源耦合核心的能源层，包括电力、

系统动力学模型

SD模型包括因果循环图（CLD）和流量图（SFD）（Pérez-Pérez等人，2021）。利用针对EIIR定制的评估指标体系，该模型依次构建了这些因果循环图和流量图，从而能够模拟EIIR的动态变化。

案例研究

以内蒙古为例，该地区既是国内能源互联网的主要枢纽，在总装机发电能力和可再生能源发电能力方面均位居首位，同时在总发电量上也名列前茅，用于说明以可持续生产为导向的EIIR评估。

关键发现的批判性解读

本研究揭示了能源互联网系统的基本特征，这些特征挑战并补充了现有的理解。提出的多维框架突出了单一子系统评估模型的一个关键局限性，即将技术风险与外部环境因素隔离会低估EIIR的复杂性。这与最近关于以可持续性为导向的系统风险评估的呼吁一致（Falcone和Errichiello，2025年；Falcone和Tutore，2025年），同时推动了该领域的发展

结论

本研究构建了一个以可持续生产为导向的能源互联网多维综合风险评估框架，并通过结合SD和熵加权方法建立了动态耦合量化模型。通过内蒙古可再生能源枢纽案例的验证，核心发现表明，CPS风险和IES可靠性在EIIR中占主导地位，呈现出倒U型曲线趋势：随着技术瓶颈和设备磨合期的增加而上升，随着技术进步而下降

CRediT作者贡献声明

雷旭：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，方法论，资金获取，数据管理，概念化。林竹：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，软件，调查。柯森：撰写——初稿，可视化，软件，调查。邓彦飞：撰写——审稿与编辑，监督，方法论，概念化。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号71971175）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金 [项目编号71971175]的支持。作者衷心感谢编辑和审稿人的宝贵意见和建议，这些意见和建议改进了手稿的质量。此外，我们还要感谢所有参与研究过程的人士分享的宝贵信息。