智慧能源城市系列——智慧能源城市與能源互聯網

摘要：智慧城市是城市未來發展趨勢，智慧能源則為智慧城市的發展提供了基礎。城市形態千變萬化，始終離不開能源的支持，城市智慧化，核心要點是發展智慧能源。本文側重點則在於智慧城市中的能源層面。

一、什麼是智慧能源城市

「智慧城市」這個概念最先來源於美國 IBM 公司 2008 年11月提出的「智慧地球」概念。按照 IBM 公司的定義，「智慧地球」包含了以下三個特徵：第一，能夠感應和度量世界的本質和變化；第二，世界更全面地互聯互通；第三，所有事物、流程、運行方式實現更深入的智能化，並實現更智能的洞察。智慧地球的核心是利用新一代信息技術，以一種「智慧」的方法改變人類相互交互的方式，以提高交互的明確性、效率、靈活性和響應速度，使政府、企業和市民可以做出更明智的決策。IBM公司首席執行官彭明盛認為，智慧地球應包括智慧醫療、智慧交通、 智慧電力、智慧食品、智慧貨幣、智慧零售業、智慧基礎設施以及智慧城市等等。

其中，智慧城市經常與數字城市、感知城市、無線城市、智能城市、生態城市、低碳城市等區域發展概念相交叉混雜。各行各業對智慧城市概念的解讀，根據其行業不同也經常各有側重，有人認為關鍵在於技術應用，有人認為關鍵在於基礎設施建設，有人認為關鍵在創新，有的觀點認為關鍵在於智慧效果。智慧城市根據側重點不同，定義十分廣泛。城市形態千變萬化，始終離不開能源的支持，城市智慧化，核心要點是發展智慧能源。本文側重點則在於，智慧城市中的能源層面，這裡我們將其稱為智慧能源城市。

智慧能源城市的重點在於「智慧+能源」，即我們通常所說的智慧能源。智慧能源的定義是：應用互聯網、物聯網等新一代信息技術對能源的生產、存儲、輸送和使用狀況進行實時監控、分析，並在大數據、雲計算的基礎上進行實時檢測、報告和優化處理，以形成最佳狀態的、開放的、透明的、去中心化和廣泛自願參與的綜合管理系統，並利用這個綜合管理系統獲得的一種新的能源生產及利用形式。能源互聯網則是智慧能源實現的組織方式和形態。

能源互聯網理念在能源行業已形成廣泛共識，成為推進能源革命、保障能源可持續供應的重要因素，按照規模可分為城市能源互聯網和全球能源互聯網。城市能源互聯網可以理解為智慧能源城市的血管和神經系統的結合，為城市能源和信息的流通提供了載體。城市能源互聯網無疑要通過城市能源清潔化、區域化、智能化和互聯網化轉型升級而實現。

構建城市能源互聯網，將解決城市能源電力就地平衡的瓶頸，促進各類能源與電能轉換，提高清潔能源在供給側和電能在消費側的使用比重，優化城市能源結構、提高能源利用效率、促進清潔能源開發利用，最終實現城市能源消費的基本無碳化。

因此可以說，能源互聯網（此處特指城市能源互聯網）是促進城市快速穩定的發展，推動科技的創新，促進城市信息化的發展，營造更好的用戶體驗，並為最終實現智慧城市的保障。

二、為什麼要建設智慧能源城市

《2016世界城市狀況報告（The World Cities Report）》指出，目前排名前600位的主要城市中居住著五分之一的世界人口，對全球國內生產總值的貢獻高達60％。根據聯合國人口基金會，預計到2030年，大約66％，或50億人口將在城市。生活全球人口超過1千萬的超級都市將會從2016年的28座增加至2030年的41座。這無疑將給城市交通，食物供給，給排水和廢物管理以及最關鍵的能源供給等一系列基礎設施問題，帶來空前巨大的壓力。迅速的城市人口發展將為建設和管理城市的巨大挑戰，但與此同時也是改善數十億人生活的重要機會。面對這一挑戰，全球的工程師正在努力利用在各個層面，利用各種數字化智能化技術，力求打造智慧型城市，以解決未來城市危機。

能源是驅動現代社會發展的血液，作為社會前進的動力，推動了第一次工業革命和第二次工業革命，並且將繼續推動第三次工業革命。然而，由於化石能源的枯竭，能源正面臨的一場革命，能源利用的科學管理十分重要。通過建立智慧的能源管理體系，在能源需求側實施有效的、按需使用的能源管理和利用體系，將極大的提高能源的利用效率，避免能源的無效浪費。互聯網技術的迅速發展，人工智慧的火熱，新能源的成熟，儲能技術的發展，為建設高效智能的能源管理系統帶來可能。

隨著分散式能源的基礎設施越來越多，能源生產結構愈加複雜，隨著城市擴張，用戶側用能曲線也更加動態，能源數據無論是從數量、類型還是從動態隨機性上說，都遠比傳統能源時代要上一個台階，僅憑人力無法及時、有效、準確地對分散式能源的供需曲線進行判斷和管控，這時候就需要一種有效的輔助工具———人工智慧，代替人腦做海量數據優化、分析、判斷、決策，發出指令。因此，在能源互聯網中，人工智慧將得到很好的應用，支撐能源互聯網的發展。

　　在能源互聯網的幫助下，人們可以使用探測系統實時監視城市用電數據，結合大數據分析，通過智能電網自動調節電能質量；利用由新材料和新設計技巧所建的智能建築，結合數字化技術，構造智能社區，提高各用能系統的效率，減少能源浪費；屋頂太陽能板、小型風力發電機、地熱發電、新能源汽車以及儲能系統構建智能微網及城市分散式能源系統，實現新能源自給自足。

能源互聯網將實現新能源產業的革新，將光伏、風電、地熱、生物質能等新能源，因地制宜地整合到一座城市的能源結構中，利用智能系統加以精準調配，彌補了新能源隨時間、空間變動的缺點，保障了新能源有效的供應，同時為傳統能源的可持續利用提供了保障。

三、能源互聯網的關鍵技術有哪些？

能源互聯網關鍵技術是包括，但不僅限於新能源發電技術、先進電力電子技術、先進儲能技術、先進信息技術、需求響應技術、微網技術，也包括關鍵裝備技術和標準化技術。

新能源發電技術

新能源發電包括風能、太陽能和生物質能等可再生能源發電，新能源發電技術包括各種高效發電技術、運行控制技術、能量轉換技術等。在新能源發電技術方面，研究規模光伏發電技術和太陽能集熱發電技術、變速恆頻風力發電系統的商業化開發，微型燃氣輪機分散式電源技術，以及燃料電池功率調節技術、諧波抑制技術、高精度新能源發電預測技術、新能源電力系統保護技術；研究動力與能源轉換設備、資源深度利用技術、智能控制與群控優化技術和綜合優化技術。同時與微型燃氣輪機機組發電、小型抽蓄水電廠等發電技術結合，可實現能源有效利用，最大化減少新能源發電帶來的不穩定性。

先進電力電子技術

先進電力電子技術包括高電壓、大容量或小容量、低損耗電力電子器件技術、控制技術及新型裝備技術。以SiC、GaN為代表的寬禁帶半導體材料的發現，使得人類為取得反向截止電壓超過20kV的限度成為可能。新型半導體材料製成的新器件(如SiC功率器件)，與Si半導體器件相比，具有開關損耗低、耐高溫、反向截止電壓高的特點，在未來的輸電和配電系統中有可能成為新一代高電壓、低損耗、大功率電力電子裝置的主要組成器件。 在控制策略方面，由於數字信號處理器性能的升級，使得系統控制策略靈活多樣。多種非傳統控制策略，如模糊控制、神經網路控制、預測控制等控制技術，可以適應電網暫態過程的複雜控制策略，一系列軟開關控制方法、系統級並聯控制方法，重複控制，故障檢測等複雜演算法被整合在DSP內實現，極大地增強了新型電力電子設備的靈活性與系統的可靠性。

先進儲能技術

先進儲能技術包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能、超導儲能、超級電容器儲能、冰蓄冷熱、氫存儲、P2G等儲能技術；從物理形態上講，包括可用於大電網調峰、調頻輔助服務的儲能裝備，也包括用於家庭、樓宇、園區級的儲能模塊。風電、光伏等可再生能源發電設備的輸出功率會隨環境因素變化，儲能裝置可以及時地進行能量的儲存和釋放，保證供電的持續性和可靠性。超導儲能和超級電容儲能系統能有效改善風電輸出功率及系統的頻率波動；通過對飛輪儲能系統的充放電控制，實現平滑風電輸出功率、參與電網頻率控制的雙重目標；壓縮空氣儲能是一項能夠實現大規模和長時間電能存儲的儲能技術之一。儲能技術及新型節能材料在電力系統中的廣泛應用將在發、輸、配、用電的各個環節給傳統電力系統帶來根本性的影響，是電工技術研發的重點方向。

先進信息技術

先進信息技術由智能感知、雲計算和大數據分析技術等構成，代表能源領域信息技術的發展方向。能源互聯網開放平台是利用雲計算和大數據分析技術構建的開放式管理及服務軟體平台，實現能源互聯網的數據採集、管理、分析及互動服務功能，支持電能交易、新能源配額交易、分散式電源及電動汽車充電設施監測與運維、節能服務、互動用電、需求響應等多種新型業務。

1）數字化測量技術。 智能感知技術包括數據感知、採集、傳輸、處理、服務等技術。智能感測器獲取能源互聯網中輸配電網、電氣化交通網、信息通信網、天然氣網運行狀態數據及用戶側各類聯網用能設備、分散式電源及微電網的運行狀態參數，感測器數據經過處理、聚集、分析並提供改進的控制策略。IEC61850、IEEE1888等標準可作為數據採集、傳輸標準的參考借鑒。利用基於IPV6的開放式多服務網路體系，支持端到端的業務，實現用戶與電網之間的互動，而且可實現各種智能設備的即插即用，除了智能電能表以外，還支持其他各種非電錶設備的無縫接入。

2）雲計算技術。 雲計算(cloudcomputing)是一種能夠通過網路隨時隨地、按需方式、便捷地獲取計算資源(包括網路、伺服器、存儲、應用和服務等)並提高其可用性的模式，實現隨時、隨地、隨身的高性能計算[46-47]。互聯網營銷技術包括實現互聯網營銷的電子商務平台技術和相應的營銷模式；能源互聯網將支持B2B(business to business)、B2C(business toconsumer)、C2C(customer to consumer)等，利用互聯網強大的互聯互通能力，支持發電商(含分散式電源與微網經營者)、網路運營商、用戶、批發或零售型售電公司等多種市場主體任何時間、任何地點的交易活動。

3）大數據分析技術。 大數據是指無法在一定時間內用傳統資料庫軟體工具對其內容進行提取、管理和處理的數據集合。能源互聯網中管網安全監控、經濟運行、能源交易和用戶電能計量、燃氣計量及分散式電源、電動汽車等新型負荷數據的接入，其數據量將較智能電能表數據量大得多。從大數據的處理過程來看，大數據關鍵技術包括：大數據採集、大數據預處理、大數據存儲及管理、大數據分析、大數據展現和應用(大數據檢索、大數據可視化、大數據應用、大數據安全等。

需求響應技術

需求響應是指用戶對電價或其他激勵做出響應改變用電方式。通過實施需求響應，既可減少短時間內的負荷需求，也能調整未來一定時間內的負荷實現移峰填谷。這種技術除需要相應的技術支撐外，還需要制定相應的電價政策和市場機制。一般來說，需要建立需求響應系統，包括主站系統、通信網路、智能終端，依照開放互聯協議，實現電價激勵信號、用戶選擇及執行信息等雙向交互，達到用戶負荷自主可控的目的。在能源互聯網中，多種用戶側需求響應資源的優化調度將提高能源綜合利用效率。

微能源網技術

微能源網是指一個城鄉社區或園區、工廠、學校等可與公共能源網路連接，又可獨立運行的微型能源網路。微能源網實現園區內工業、商業、居民用戶主要或全部使用可再生清潔能源發電，靈活便利的充電設施，太陽能、生物質發電或氫能等可再生能源通過能源路由器接入微能源網。各種可再生能源發電可由個人、企業以多種方式建設、運營，當然，節能服務方式建設、運維微能源網應是可重點探索的方式，微能源網主體實現了用電、發電、售電等業務的融合。微能源網將可能為綠色城鎮化和美麗鄉村建設樹立典範。微能源網主要技術包括多能源協調規劃、多能源轉換、優化協調控制與管理、分散式發電預測等技術。

標準化技術

能源互聯網標準體系可由規劃設計、建設運行、運維管理、交易服務等標準構成。能源互聯網需要首先構建標準體系，分步驟推進標準體系建設。能源互聯網涉及眾多設備、系統和介面，第一位的是能源互聯網開放平台標準，包括介面標準。 能源互聯網在多環節涉及多種能源的轉換、交易、服務及多元市場主體，相應的技術標準規範、能源貿易法規，須配套跟進，確保能源互聯網正常運行。

參考資料：

能源互聯網發展及關鍵技術分析

智慧能源催生城市能源精細化管理新機遇

中國智慧能源產業發展報告-2014

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