智能電網(wǎng)在智慧城市中的應(yīng)用：以益陽市為例

楊 嫻，賈志堅(jiān)，錢昊煒

(1.湖南城市學(xué)院 能源感知與邊緣計(jì)算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 益陽 413002；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司 益陽供電分公司，湖南 益陽 413000)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人與物、物與物聯(lián)系越來越緊密，城市形態(tài)也逐漸走向智慧化、智能化[1-2].“智慧城市”理念自被提出，就迅速進(jìn)入建設(shè)發(fā)展階段.目前，通過優(yōu)化資源配置發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，有效緩解了“城市病”的癥狀，在維持社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展的同時(shí)，提高了市民生活質(zhì)量[3].

智慧城市和智能電網(wǎng)的發(fā)展相輔相成，智慧城市推動(dòng)了電網(wǎng)智能化，智能電網(wǎng)又服務(wù)于城市智慧化[4].智能電網(wǎng)作為智慧城市的核心之一，將是我國(guó)未來重點(diǎn)發(fā)展方向.電力系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著中流砥柱的作用.隨著社會(huì)的進(jìn)步，以化石能源為核心的傳統(tǒng)電網(wǎng)的時(shí)代終將結(jié)束，迎來的將是通過清潔能源供應(yīng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用新技術(shù)和先進(jìn)的服務(wù)理念共同打造的智能電網(wǎng)時(shí)代[5-6].在智慧城市系統(tǒng)中，城市布局將更加緊湊化，功能設(shè)置將更加綜合化，管理運(yùn)行也將更加數(shù)字化[7].

1 智慧城市建設(shè)發(fā)展概述

20 世紀(jì)90 年代，IBM 公司首次提出“智慧城市”理念，認(rèn)為其本質(zhì)是以新一代信息技術(shù)為支撐，將城市各個(gè)系統(tǒng)融合為一個(gè)整體，從而優(yōu)化資源利用[8].李德仁院士認(rèn)為智慧城市是數(shù)字城市與物聯(lián)網(wǎng)二者的結(jié)合，即在城市全面數(shù)字化基礎(chǔ)上更加可視化和智能化[9].基于信息交互方式的創(chuàng)新和優(yōu)化，構(gòu)建了平臺(tái)間的信息共享模式，加強(qiáng)了人與物、物與物之間的互聯(lián)互通[10].智慧城市的發(fā)展有助于各個(gè)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作[11].

“智慧城市”作為城市發(fā)展的新模式，雖然尚未形成成熟統(tǒng)一的發(fā)展途徑，但國(guó)外多個(gè)國(guó)家(企業(yè))根據(jù)自身城市特點(diǎn)，對(duì)建設(shè)智慧城市進(jìn)行了大膽摸索，提供了許多有借鑒意義的經(jīng)驗(yàn)[12]，如表1 所示.

表1 國(guó)外智慧城市的發(fā)展情況

我國(guó)對(duì)開展智慧城市的建設(shè)也進(jìn)行了有益嘗試.如杭州在智慧交通領(lǐng)域取得了顯著成績(jī)，“互聯(lián)網(wǎng)+信號(hào)優(yōu)化配時(shí)”的模式創(chuàng)新大大降低了交通擁堵率[13]；南京市政務(wù)數(shù)據(jù)中心和智慧南京中心綜合管理平臺(tái)的建成，不僅極大地提升了南京政府各部門的辦公效率，同時(shí)也提升了市民和企業(yè)對(duì)政府的滿意度[14]；無錫市政府克服信息標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、信息安全技術(shù)欠缺等困難，以人為本，對(duì)烈士檔案進(jìn)行智慧化建設(shè)[15]；在上海的四季酒店，通過手機(jī)終端就可以啟動(dòng)智能系統(tǒng)，客人可隨心控制房間內(nèi)所有設(shè)備，與傳統(tǒng)方式相比，可節(jié)能50%.

2 智能電網(wǎng)建設(shè)

智慧城市的建設(shè)離不開智能電網(wǎng)的發(fā)展.智能電網(wǎng)實(shí)質(zhì)上就是電網(wǎng)智能化，旨在運(yùn)用科學(xué)、可持續(xù)發(fā)展模式替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)粗放的發(fā)展模式.基于先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、智能控制技術(shù)和決策支持系統(tǒng)技術(shù)[16]，集能源開發(fā)、輸配電技術(shù)、售電功能和各種用電設(shè)備終端為一體的數(shù)字信息共享的智能系統(tǒng)[17]，在滿足用戶電能需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行.

2.1 益陽市智能電網(wǎng)建設(shè)成就

湖南省益陽市積極開展智能電網(wǎng)建設(shè).2021年度消納光伏扶貧電站上網(wǎng)電量5 538 萬kW·h.有序推進(jìn)21 項(xiàng)數(shù)字化建設(shè)任務(wù)；“兩降一控”、同業(yè)對(duì)標(biāo)、數(shù)據(jù)貫通和用電趨勢(shì)4 類數(shù)字技術(shù)均發(fā)揮積極效用，完成了益陽電網(wǎng)“數(shù)字沙盤”建設(shè)；為加快推進(jìn)數(shù)字創(chuàng)新示范基地建設(shè)，首創(chuàng)滄水鋪5G 小鎮(zhèn)應(yīng)用場(chǎng)景，建設(shè)“4+”架構(gòu)，并啟動(dòng)建設(shè)了5 座數(shù)據(jù)中心站；以建設(shè)智能電網(wǎng)和數(shù)字化企業(yè)為抓手，成立市級(jí)電動(dòng)汽車事業(yè)部，實(shí)現(xiàn)5 大專車市場(chǎng)業(yè)務(wù)全覆蓋，其間，投運(yùn)64 臺(tái)充電樁(見圖1).

圖1 益陽市奧林匹克公園充電樁

2.2 智能電網(wǎng)的發(fā)展與智慧城市的建設(shè)相統(tǒng)一

從根本上講，智能電網(wǎng)的發(fā)展方向與智慧城市的建設(shè)目標(biāo)是一致的.智能電網(wǎng)通過廣泛采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，提高了城市智能化水平，使城市綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展.一方面，智能電網(wǎng)是通過分析用戶的用電行為而形成的一種新型的電力管理運(yùn)行機(jī)制，針對(duì)性地融合新型供電技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)，提供科學(xué)性的供電指導(dǎo)以及合理的電力配置，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和魯棒性[18].因此，智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，既能增強(qiáng)用戶的融入感和滿意度，也能順應(yīng)城市的發(fā)展.另一方面，智慧城市是當(dāng)今城市建設(shè)的熱點(diǎn)之一，其內(nèi)容豐富，涉及到基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和管理創(chuàng)新的各方面，城市的智慧化、智能化有助于完善城市治理體系和提高綜合管理能力[19]，保持城市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展.

中新天津生態(tài)城、上海世博園和55 個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范項(xiàng)目[20-21]的建成，見證了智能電網(wǎng)技術(shù)為促進(jìn)“智慧城市”發(fā)展所做的貢獻(xiàn).

3 智能電網(wǎng)對(duì)智慧城市建設(shè)的支撐

基于分布式電源、電動(dòng)汽車和智能園區(qū)3 個(gè)模塊，智能電網(wǎng)對(duì)智慧城市建設(shè)的支撐見圖2.

圖2 智能電網(wǎng)在智慧城市建設(shè)的應(yīng)用框架

3.1 分布式電源

分布式電源主要利用天然氣等清潔能源，氫氣等新能源，風(fēng)能、水能、太陽能等可再生能源進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)將發(fā)電的余熱加以利用，從而提高能源使用效率.由于其所發(fā)電能不穩(wěn)定，通常在用戶附近將所發(fā)電能就地消納，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)局部均衡.

為推動(dòng)益陽市智慧城市的建設(shè)，可優(yōu)先考慮分布式電源的發(fā)展.益陽市水資源豐富，僅資江流經(jīng)市區(qū)河段可供發(fā)電貯量就達(dá)100 萬kW·h，現(xiàn)已建成6 個(gè)水電站.分布式電源的發(fā)展可減緩大型發(fā)電廠和高壓輸電網(wǎng)的建設(shè)，不僅節(jié)約投資成本，也可減少城市電磁污染；分布式能源清潔且可再生，可緩解能源危機(jī)，減少有害物排放，促進(jìn)城市低碳環(huán)保；冷熱電聯(lián)產(chǎn)可分擔(dān)電網(wǎng)在高峰負(fù)荷的供電壓力，提高城市居民用電穩(wěn)定性；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障引起連鎖反應(yīng)甚至出現(xiàn)大面積停電時(shí)，分布式電源仍可保持正常運(yùn)行，提高城市供電可靠性.

3.2 電動(dòng)汽車

作為一種清潔型交通工具，電動(dòng)汽車對(duì)解決空氣污染問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.若將益陽市的傳統(tǒng)燃油汽車置換為電動(dòng)汽車，將大幅度減少城市二氧化碳的排放，促進(jìn)城市綠色發(fā)展.

但對(duì)電網(wǎng)而言，大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，可將其視為一種充電負(fù)荷.電動(dòng)汽車既可以選擇在充電樁排隊(duì)等候充電，也可以選擇在站點(diǎn)直接更換電池組.當(dāng)電動(dòng)汽車在充電樁充電時(shí)，采用的是即插即充的形式，通常這種情況下是進(jìn)行的無序充電，特別是在用電高峰時(shí)期，會(huì)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷造成一定的沖擊.當(dāng)電動(dòng)汽車選擇在站點(diǎn)更換電池組時(shí)，配送車可將空電池組送往集中型充電站，在集中型充電站經(jīng)過合理調(diào)度、規(guī)劃充電時(shí)間即可進(jìn)行有序充電，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”.這2 種典型的充電模式如圖3 所示.

圖3 電動(dòng)汽車能源供給的2 種典型形式

此外，電動(dòng)汽車也可以作為儲(chǔ)能裝置.一方面，存儲(chǔ)可再生能源發(fā)出的電能，提高可再生能源接納能力，有利于可再生能源大規(guī)模發(fā)電的推廣應(yīng)用；另一方面，通過V2G(vehicle to grid)技術(shù)，充電站/充電樁可將電池儲(chǔ)能送至電網(wǎng)，即在合適的時(shí)段向電網(wǎng)反饋電能，減少電網(wǎng)峰谷差，優(yōu)化負(fù)荷用電曲線.

3.3 智能園區(qū)

基于用電信息采集系統(tǒng)、能效管理系統(tǒng)、用戶需求響應(yīng)系統(tǒng)等基礎(chǔ)性服務(wù)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等多種技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)益陽市電網(wǎng)與用戶間的雙向互動(dòng)，引導(dǎo)用戶科學(xué)合理用電，促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)“智慧益陽”的綠色可持續(xù)發(fā)展.智慧園區(qū)主要包含3 大模塊：智能化應(yīng)用系統(tǒng)、綠色節(jié)能管理和政務(wù)辦公服務(wù)平臺(tái).

通過智能化應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，基于園區(qū)用戶數(shù)據(jù)的采集與分析，一方面可幫助園區(qū)在安全、環(huán)保、安防管理以及能源管理方面建立統(tǒng)一的組織管理協(xié)調(diào)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警；另一方面，根據(jù)園區(qū)的能源消耗和節(jié)能控制需求，綜合節(jié)能管理系統(tǒng)主要利用智能照明管理、空調(diào)節(jié)能自控和節(jié)水控制等系統(tǒng)，提高用能管理水平.

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)作為智慧城市的支撐性基礎(chǔ)設(shè)施，可為智慧城市的規(guī)劃和建設(shè)提供有力支持；同時(shí)，智慧城市的發(fā)展對(duì)智能電網(wǎng)的運(yùn)行也提出了更高的要求，二者的發(fā)展相輔相成.考慮到益陽市實(shí)際情況，本文建議：1)合理接入分布式電源，并充分利用可再生能源發(fā)電，特別是加強(qiáng)水電的發(fā)展；2)推廣電動(dòng)汽車大規(guī)模使用，統(tǒng)籌規(guī)劃，對(duì)電動(dòng)汽車電池采取集中有序的充放電方式，緩解能源供給壓力的同時(shí)，對(duì)負(fù)荷曲線實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”；3)充分利用智能電網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)并加以分析，引導(dǎo)用戶節(jié)能減排，增強(qiáng)用戶在城市智慧化進(jìn)程中的參與感，實(shí)現(xiàn)“智慧益陽”的綠色可持續(xù)發(fā)展.