城市能源變革下智慧能源系統(tǒng)建設(shè)研究

魯 剛，王 雪，陳 昕，姜怡喆

（國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209）

1 背景

新時期正在同步推進的城市升級與能源變革，愈發(fā)顯現(xiàn)雙軌融合趨勢，為彼此提供了相互驅(qū)動、發(fā)生“化學(xué)反應(yīng)”的歷史機遇。城市是能源變革的主戰(zhàn)場，聚集了全球50%的人口，創(chuàng)造了80%的GDP，也消費了80%的能源并產(chǎn)生了75%的碳排放。預(yù)計到2050年，中國將有80%的人口集中在城市地區(qū)。因此，推動城市能源變革將成為打破傳統(tǒng)發(fā)展模式慣性、實現(xiàn)城市升級和能源革命雙目標(biāo)、引領(lǐng)工業(yè)文明和生態(tài)文明融合發(fā)展的重要路徑。學(xué)界及相關(guān)各方先后提出城市智慧能源系統(tǒng)是城市升級與能源轉(zhuǎn)型的融合點，所孕育的新模式、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)空間巨大，未來發(fā)展前景廣闊［1—5］。能源行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等跨界進入者開展了不同程度的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型、商業(yè)模式創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化等嘗試，地方政府也意識到城市能源變革對落實供給側(cè)改革、促進新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、改善生態(tài)、實現(xiàn)城市更高質(zhì)量升級的重大作用，但這一新生事物從構(gòu)想到落地還面臨大量挑戰(zhàn)。

目前，智慧城市是城市升級的主要方向，全國有近300個智慧城市建設(shè)試點，但就整體而言，能源仍被視為基礎(chǔ)設(shè)施，在智慧城市發(fā)展中仍處于邊緣位置，各方對能源轉(zhuǎn)型將驅(qū)動城市升級還缺少意識，也沒有系統(tǒng)的指導(dǎo)理論。單從能源角度看，世界范圍內(nèi)的城市升級也僅停留在“新能源”、“低碳”城市等層面，更多是單純的能源系統(tǒng)的清潔低碳化轉(zhuǎn)型，仍缺乏與城市其他系統(tǒng)的深度融合、系統(tǒng)設(shè)計與實踐?，F(xiàn)實中，除雄安等增量城市可以像一張白紙勾勒藍圖外，大部分城市都是存量升級改造，城市能源變革面臨著大規(guī)模已有沉淀資產(chǎn)和各類能源品種既有“豎井式”發(fā)展慣性等技術(shù)性、經(jīng)濟性、體制性的綜合性困難，城市智慧能源系統(tǒng)建設(shè)總體上仍處于概念層面，實踐中，城市智慧能源系統(tǒng)的整體解決方案最高只做到園區(qū)級，有大量理論與實踐問題需要厘清。本文嘗試對能源轉(zhuǎn)型驅(qū)動城市發(fā)展、城市智慧能源系統(tǒng)發(fā)展前景進行展望。

2 城市升級與能源轉(zhuǎn)型

新時代我國社會主要矛盾在城市能源領(lǐng)域的體現(xiàn)之一是城市升級所蘊含的能源消費模式升級需求與現(xiàn)有城市能源系統(tǒng)不同程度存在的高污染、高排放、高能耗之間的矛盾。研判城市智慧能源系統(tǒng)發(fā)展前景要放在這個大背景下思考，一方面是城市升級帶來的能源轉(zhuǎn)型需求，即消費模式升級拉動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新；另一方面，往往被各方忽視的是新時期能源轉(zhuǎn)型將驅(qū)動城市升級。

新時期能源轉(zhuǎn)型成為城市升級的重要新舊動能轉(zhuǎn)化點，將由基礎(chǔ)性位置轉(zhuǎn)為創(chuàng)新動力地位。“互聯(lián)網(wǎng)＋”成為當(dāng)今時代重大創(chuàng)新動力源泉。而從人類歷史長河來看，能量作為與信息一樣的基礎(chǔ)要素，實際上已經(jīng)歷多輪“能源＋”過程，從柴薪、煤炭、油氣到可再生能源，均帶來生產(chǎn)生活的巨變。尤其是工業(yè)革命以來，能源革命更成為先導(dǎo)，每輪變革都帶來生產(chǎn)力大幅提升。這是驅(qū)動社會發(fā)展到成為基礎(chǔ)設(shè)施再演化為新一輪驅(qū)動力的過程。正在推進的清潔低碳、安全高效能源體系建設(shè)，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、城市升級提供了新動能。

能源轉(zhuǎn)型驅(qū)動城市升級將帶來用能方式巨變。能源互聯(lián)網(wǎng)將成為未來能源系統(tǒng)主要形態(tài)［6—7］。隨著互聯(lián)互通能力增強、技術(shù)進步、產(chǎn)品與服務(wù)豐富、組織模式與市場模式進化，在未來極有可能像“互聯(lián)網(wǎng)＋”破除各行各業(yè)的信息壁壘一樣，以“能源＋”或“能源互聯(lián)網(wǎng)＋”的形態(tài)改進各類高污染、高排放、高能耗生產(chǎn)生活方式，推動全社會綠色可持續(xù)發(fā)展。

本輪能源轉(zhuǎn)型驅(qū)動城市升級具有新特點:一是圍繞氣候變化、生態(tài)問題、資源緊缺的這次能源轉(zhuǎn)型，改變了一次能源利用由低能量密度向高能量密度進化的路徑，廣泛使用分散、低能量密度、高波動的新能源。這種不同引發(fā)了不同于化石能源時代產(chǎn)業(yè)鏈條、商業(yè)模式的進化；二是隨著電氣化水平提升、能源消費者向產(chǎn)銷者轉(zhuǎn)變、電網(wǎng)平臺能力增強，以用戶為中心、互動性更強成為能源系統(tǒng)典型新特征，這將為更高效地解決有關(guān)城市病、發(fā)展智慧城市提供更多新途徑；三是由能源領(lǐng)域科技進步單一驅(qū)動轉(zhuǎn)為深度結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)思維，以跨界融合、更智能方式創(chuàng)新發(fā)展模式和業(yè)態(tài)。

綜上，城市能源變革將成為本輪城市升級的核心內(nèi)容，城市智慧能源系統(tǒng)將成為智慧城市的有機體，并由基礎(chǔ)性、保障性的位置轉(zhuǎn)為驅(qū)動性、核心位置，為智慧城市建設(shè)提供新思維、新手段、新模式、新業(yè)態(tài)，進一步豐富和延伸智慧城市產(chǎn)業(yè)鏈，為城市生產(chǎn)生活提供更豐富的能源產(chǎn)品與服務(wù)。

3 設(shè)計思路與功能架構(gòu)

3.1 理論基礎(chǔ)

能源轉(zhuǎn)型驅(qū)動城市升級的新定位和新特點為城市能源智慧系統(tǒng)建設(shè)指明了方向，其建設(shè)發(fā)展需要以系統(tǒng)論為指導(dǎo)，遵循智慧城市理論和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)律。城市智慧能源系統(tǒng)首先是一個高度復(fù)雜的有機體，其建設(shè)發(fā)展要以形成具有特定功能的系統(tǒng)為目標(biāo)，并按照系統(tǒng)所應(yīng)具備的結(jié)構(gòu)性與層次性特征、開放性與發(fā)展性特征、感知性與自適應(yīng)性特征、進化性特征設(shè)計。其次，世界范圍內(nèi)以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為驅(qū)動力、以人為本的智慧城市建設(shè)積累了正反兩方面經(jīng)驗，形成的規(guī)律認識、體系架構(gòu)、治理機制等是城市智慧能源系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的重要根基。城市智慧能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)在城市側(cè)的具體落地，既順應(yīng)能源轉(zhuǎn)型趨勢，也有助于通過融入能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展新要素進一步發(fā)展智慧城市理論。

3.2 設(shè)計原則

按照創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，城市智慧能源系統(tǒng)建設(shè)要遵循五大原則。一是以問題為導(dǎo)向，解決城市當(dāng)前存在的一系列“城市病”，促進城市可持續(xù)發(fā)展；二是以平臺化為目標(biāo)，著眼未來能源系統(tǒng)發(fā)展形態(tài)，激發(fā)基于城市智慧能源系統(tǒng)平臺的城市發(fā)展活力與創(chuàng)造力；三是以一體化設(shè)計為基礎(chǔ)，城市智慧能源系統(tǒng)設(shè)計不能局限于能源系統(tǒng)自身，應(yīng)與能源、信息、市場等要素有機融合，實現(xiàn)能源系統(tǒng)與城市其他基礎(chǔ)設(shè)施一體化融合；四是秉承綠色發(fā)展理念，充分考慮城市區(qū)域清潔能源資源開發(fā)潛力，最大程度地利用清潔能源，實現(xiàn)城市綠色低碳發(fā)展；五是注重系統(tǒng)的開放包容性，滿足各類能源品種、能源形式的接入，滿足各類設(shè)備的即插即用，滿足多主體的廣泛參與，系統(tǒng)具有可擴展性。

3.3 總體功能

立足當(dāng)前城市的發(fā)展面臨能源短缺、環(huán)境污染、交通擁堵、粗放管理等一系列問題，城市智慧能源系統(tǒng)應(yīng)具備解決相關(guān)城市病的功能，促進城市可持續(xù)發(fā)展。未來城市智慧能源系統(tǒng)應(yīng)具備3項基本功能:一是能源領(lǐng)域類“集成電路”功能，高效解決整個能源系統(tǒng)效率、排放、便捷度等方面的系列問題；二是智慧功能，具有自我感知、自我適應(yīng)、自我進化功能，動態(tài)支撐智慧城市發(fā)展；三是平臺功能，具有入口、聯(lián)接、激發(fā)屬性，實現(xiàn)廣泛主體間能源、信息、市場等整合，形成能源領(lǐng)域的“蘋果系統(tǒng)”，即智慧能源應(yīng)用App的操作平臺。

3.4 功能架構(gòu)

城市智慧能源系統(tǒng)將以現(xiàn)有能源體系架構(gòu)為主體和基礎(chǔ)，通過存量升級和增量換代逐步形成下一代能源系統(tǒng)?？梢詮?個維度進行解構(gòu):一是物理信息融合系統(tǒng)加上社會系統(tǒng)，包括能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲和消費的物理層，信息采集、傳輸、處理和存儲的信息層，以及廣泛的用戶互動、市場交易、增值服務(wù)、監(jiān)管治理、政策體系等社會層；二是多層次的存量與增量并存，包括煤、油、氣、電、熱等多個能源品種的獨立系統(tǒng)與多能互補的融合系統(tǒng)并存，封閉的能源子系統(tǒng)、能源和城市其他子系統(tǒng)一體化建設(shè)并存。存量相對獨立、封閉，增量相對融合、開放，目前增量主要存在于各類園區(qū)、大工業(yè)用戶等末端。

具體而言，即是由設(shè)備、中樞控制系統(tǒng)、業(yè)態(tài)和政策體系構(gòu)成。

?設(shè)備包括城市各類能源配網(wǎng)，大型冷熱電三聯(lián)供、垃圾燃燒發(fā)電/制熱、大中型地?zé)峁嵴镜燃泄├?熱站，以及由分布式可再生能源發(fā)電/制熱、小型冷熱電三聯(lián)供、小型地?zé)?、燃料電池、P2G、儲熱/儲冷/儲氣/儲電、智能家居、充電樁、微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)構(gòu)成的分布式能源系統(tǒng)。

?城市能源綜合服務(wù)平臺是智慧能源系統(tǒng)的中樞，實現(xiàn)城市能源的安全調(diào)控、市場交易、數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用接口等功能。

?以新業(yè)態(tài)為內(nèi)生動力，促進市場主體積極參與，實現(xiàn)內(nèi)生式發(fā)展。

?創(chuàng)新城市綜合能源政策本身就是城市智慧能源系統(tǒng)建設(shè)的有機組成，沒有數(shù)據(jù)開放共享機制、各類能源“豎井式”壁壘破除、體制突破、政策扶持紅利，城市能源變革將很難扭轉(zhuǎn)發(fā)展慣性。

4 發(fā)展路徑與重點內(nèi)容

4.1 發(fā)展路徑

能源互聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)的再延伸［8］，城市智慧能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)在城市側(cè)落地，以智能電網(wǎng)為平臺推進系統(tǒng)建設(shè)可能是最佳路徑。具體而言，需要關(guān)注增量整體規(guī)劃設(shè)計和存量升級改造兩大場景。增量場景是相對概念，從新增工業(yè)用戶、新建園區(qū)到雄安新城建設(shè)等都是增量，應(yīng)從整體角度進行頂層設(shè)計，從規(guī)劃建設(shè)階段就推動打破壁壘，實現(xiàn)能源系統(tǒng)中各能源品種有效統(tǒng)籌。對于大量城市升級改造的存量場景，應(yīng)主要著眼于當(dāng)前城市發(fā)展存在的系列問題以及未來城市發(fā)展目標(biāo)和定位，將問題、目標(biāo)與城市智慧能源系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，結(jié)合城市改造計劃，分步驟推進。

城市智慧能源系統(tǒng)建設(shè)要大處著眼、小處著手，總體布局、由下而上。一是以園區(qū)、工業(yè)企業(yè)等為重點，因地制宜推進綜合能源整體解決方案，以點帶面，逐步推動城市能源整體變革；二是以整個城市為對象，以城市整體實現(xiàn)能源變革為目標(biāo)，重點加強城市級綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃，推動數(shù)據(jù)開放，建設(shè)城市級綜合能源服務(wù)平臺，開展標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計等全局性工作；三是存量升級改造過程要立足綠色低碳能源轉(zhuǎn)型大趨勢，充分發(fā)揮智能電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)核心平臺作用，推進跨能源系統(tǒng)耦合升級。

4.2 城市級綜合能源規(guī)劃要點

在未來“多能互補、源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)”的智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃中，追求經(jīng)濟性基礎(chǔ)上，需把握4個重點:一是統(tǒng)籌考慮本市能源資源條件與可通過大電網(wǎng)等渠道獲取的外部資源，優(yōu)化平衡內(nèi)外部資源搭配，以最大程度利用清潔能源；二是在充分考慮不同能源品種在滿足終端用戶用能需求上的等效替代關(guān)系基礎(chǔ)上，以電能替代等理念評估各能源品種的消費需求及增長潛力；三是電與其他能源形式相比，具有速度快、效率高的特點，在能源加工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，推動以電為核心，熱、氣等能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化，科學(xué)規(guī)劃熱電聯(lián)產(chǎn)、熱泵、燃氣三聯(lián)供等多能耦合環(huán)節(jié)的規(guī)模和布局；四是以獲得必要靈活裕度為目標(biāo)，根據(jù)城市能源利用特點，合理配置儲電、儲熱、制氫等多元存儲方式。

鑒于分布式能源系統(tǒng)多是市場行為、分散自治元素，難以統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，要把握好整體規(guī)劃與自治元素的協(xié)調(diào)。要圍繞能夠支持分散自治元素大量接入、即插即用規(guī)劃大系統(tǒng)。通過制定標(biāo)準(zhǔn)、配備儲能等，平抑分散各自治元素的波動，避免波動跨級上傳，影響大系統(tǒng)。要充分計及分布式發(fā)電、儲能、電動汽車、需求響應(yīng)等分散主動元素參與大系統(tǒng)調(diào)度運行作用。

實現(xiàn)能源子系統(tǒng)與城市其他子系統(tǒng)的深度融合，加強一體化規(guī)劃。實現(xiàn)物理信息一體化，能源裝置與信息采集設(shè)備的融合標(biāo)準(zhǔn)、能源網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計是關(guān)鍵。能源交通一體化過程中，實現(xiàn)充電樁布局、充放電調(diào)節(jié)和交通流量疏導(dǎo)等匹配。由于城市土地稀缺，電、氣、冷、熱管網(wǎng)布局宜綜合規(guī)劃，實施管廊一體化規(guī)劃。

4.3 建設(shè)城市能源綜合服務(wù)平臺

城市能源綜合服務(wù)平臺集系統(tǒng)調(diào)控、市政協(xié)調(diào)、市場交易、數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用接口等功能為一體，是城市智慧能源系統(tǒng)的中樞，是自我感知、自我進化的關(guān)鍵所在，也是與城市其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)互動、形成城市功能有機體的重點，其中關(guān)鍵之一是數(shù)據(jù)安全開放共享，以此催生新業(yè)態(tài)、新應(yīng)用。

4.4 培育新模式和新業(yè)態(tài)

能源轉(zhuǎn)型驅(qū)動城市升級，將帶來綜合能源服務(wù)、能源大數(shù)據(jù)、綠色金融、“光伏＋特色產(chǎn)業(yè)”、“地?zé)幔?、“新一代人工智能＋能源”等能源與信息要素之間、能源與其他產(chǎn)業(yè)之間融合創(chuàng)新形成的新模式和新業(yè)態(tài)。其中，電動汽車充換電服務(wù)是能源子系統(tǒng)與交通子系統(tǒng)深度融合的關(guān)鍵節(jié)點，與光伏云網(wǎng)等一樣是城市級的應(yīng)用，商業(yè)模式創(chuàng)新空間較大，對于引導(dǎo)用戶能源消費新模式，激發(fā)城市能源新業(yè)態(tài)具有重要作用。儲能大發(fā)展將改變能源系統(tǒng)運行模式，釋放用戶互動潛力，大幅提高能源交易靈活性，從用戶安裝到退役動力電池梯次利用的儲能全生命周期會形成不同商業(yè)模式，將成為新模式、新業(yè)態(tài)創(chuàng)新的樞紐。

4.5 關(guān)注城市電網(wǎng)建設(shè)面臨的新挑戰(zhàn)

城市電網(wǎng)作為城市智慧能源系統(tǒng)的重要組成部分，將面臨潛在的新挑戰(zhàn)。城市智慧能源系統(tǒng)是多能源品種高度融合的復(fù)雜系統(tǒng)，其安全運行不確定性風(fēng)險較傳統(tǒng)單一能源品種系統(tǒng)顯著增加，對電網(wǎng)運行安全裕度提出了更高要求。城市能源變革將帶來海量分布式可再生能源接入的新局面，將在配網(wǎng)層面帶來新能源消納挑戰(zhàn)。面對綜合能源系統(tǒng)多能轉(zhuǎn)換、交易、調(diào)控高頻變化等新情況，電作為最優(yōu)轉(zhuǎn)換媒介，要求電網(wǎng)的靈活性和響應(yīng)速度進一步提升。面對城市多能源品種新業(yè)態(tài)、新模式、新應(yīng)用的廣泛發(fā)展，電網(wǎng)作為智能化程度最高、基礎(chǔ)最好的子系統(tǒng)，需要提高智慧車聯(lián)網(wǎng)、光伏云網(wǎng)對新應(yīng)用的靈活擴展能力。

5 結(jié)束語

新時期能源轉(zhuǎn)型驅(qū)動城市升級面臨不同于其他歷史時期的困難與挑戰(zhàn)，各方面的實踐已經(jīng)廣泛開展，但城市智慧能源系統(tǒng)建設(shè)從構(gòu)思到落地還有大量理論、技術(shù)、實踐難題，需要集成創(chuàng)新，更需要體制機制的變革。

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