智慧城市框架下電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)研究

【摘要】文章對(duì)智慧城市框架下電力基礎(chǔ)設(shè)施的智能化升級(jí)進(jìn)行了研究，介紹了智慧城市的概念與發(fā)展現(xiàn)狀，以及電力基礎(chǔ)設(shè)施的定義與組成。通過(guò)提高供電可靠性和穩(wěn)定性、促進(jìn)可再生能源的利用和低碳發(fā)展、提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，文章探討了電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)的必要性，提出了建設(shè)智能電網(wǎng)、推廣智能電表和用戶端設(shè)備、加速電力調(diào)度和管理的智能化、做好數(shù)據(jù)安全等實(shí)施策略。

【關(guān)鍵詞】智慧城市；電力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；智能化；升級(jí)策略

【中圖分類號(hào)】TU85 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）10-0096-03

0 引言

智慧城市這一理念起源于本世紀(jì)初，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，更多城市都在探索借助智能技術(shù)提高城市管理與服務(wù)水平。近年來(lái)，圍繞電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了諸多研究并取得顯著成效。從國(guó)際上看，美、德、日等發(fā)達(dá)國(guó)家的智能電網(wǎng)技術(shù)較為領(lǐng)先。這些國(guó)家在政策支持與技術(shù)創(chuàng)新下促進(jìn)了電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如美國(guó)“智能電網(wǎng)”規(guī)劃、德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略、日本智能電網(wǎng)項(xiàng)目等均為智慧城市電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這些研究大多集中在智能電網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)（例如分布式能源管理、微電網(wǎng)控制、需求響應(yīng)）以及系統(tǒng)集成等方面。

隨著智慧城市的進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)內(nèi)電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)受到普遍重視。有關(guān)部門(mén)相繼出臺(tái)多項(xiàng)政策文件鼓勵(lì)并扶持電力系統(tǒng)智能化發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，電力基礎(chǔ)設(shè)施的智能化升級(jí)不僅是智慧城市建設(shè)的必然要求，也是推動(dòng)能源革命和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。

1 智慧城市與電力基礎(chǔ)設(shè)施概述

1.1 智慧城市的概念與發(fā)展現(xiàn)狀

隨著全球城市化進(jìn)程不斷加快，信息技術(shù)突飛猛進(jìn)，智慧城市這一概念應(yīng)運(yùn)而生。其定義是利用最新的信息技術(shù)，例如物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等，來(lái)達(dá)到城市管理和服務(wù)的智能化水平，從而促進(jìn)城市運(yùn)行效率，提高居民生活質(zhì)量，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展城市形態(tài)。近些年來(lái)，在《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020年）》等相關(guān)政策的引導(dǎo)下，截至2023年，國(guó)內(nèi)已有500多個(gè)城市在進(jìn)行智慧城市試點(diǎn)建設(shè)，涵蓋智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧安防等多個(gè)領(lǐng)域。智慧城市以智能感知、數(shù)據(jù)采集、信息處理、智能決策等為核心，在城市基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)、社會(huì)管理等方面進(jìn)行綜合感知，綜合分析與協(xié)同控制。具體而言，智慧城市是指通過(guò)布設(shè)海量傳感器與智能設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)獲取城市中每個(gè)角落數(shù)據(jù)并借助云計(jì)算平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行大范圍數(shù)據(jù)處理與分析，利用智能算法實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行狀況精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與優(yōu)化調(diào)度。以智慧交通為例，交通流量監(jiān)測(cè)與智能信號(hào)控制能夠有效地緩解交通擁堵、提升出行效率。智慧醫(yī)療中的遠(yuǎn)程醫(yī)療與健康監(jiān)測(cè)能夠提高醫(yī)療服務(wù)水平與公共衛(wèi)生管理能力[1]。

1.2 電力基礎(chǔ)設(shè)施的定義與組成

電力基礎(chǔ)設(shè)施是支撐電力生產(chǎn)、輸送、分配與消耗的一切物理與技術(shù)設(shè)備匯集在一起，形成城市電力系統(tǒng)中的中堅(jiān)力量，由發(fā)電廠、變電站、輸電線路、配電網(wǎng)絡(luò)及終端用戶設(shè)備幾個(gè)部分組成。發(fā)電廠在電力系統(tǒng)中處于起始地位，它通過(guò)燃燒化石燃料和使用水力或風(fēng)能等可再生資源來(lái)把能源轉(zhuǎn)換為電能。變電站的主要職責(zé)是調(diào)整電壓和分配電能，以確保電力能夠從發(fā)電廠順暢地傳遞到各用電區(qū)域。輸電線路包括高壓電纜、鐵塔等，用于向距離發(fā)電廠較遠(yuǎn)的城市、工業(yè)中心等地區(qū)送電。配電網(wǎng)絡(luò)涵蓋中壓和低壓的配電線路，并進(jìn)一步將電能分配給各終端用戶，包括居民、商業(yè)和工業(yè)用戶，用戶從配電網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)電表、用電設(shè)備等直接獲得電能。另外電力基礎(chǔ)設(shè)施由控制中心、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，保障電力供應(yīng)穩(wěn)定安全?？刂浦行睦孟冗M(jìn)的通信及自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)、輸送及配送整個(gè)過(guò)程監(jiān)視與協(xié)調(diào)，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理，達(dá)到電力調(diào)度與資源配置的最優(yōu)化。整個(gè)電力基礎(chǔ)設(shè)施體系是否能夠高效運(yùn)行是確保城市正常運(yùn)行以及居民生活質(zhì)量的一個(gè)重要依據(jù)[2]。智慧城市建設(shè)下，電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)已經(jīng)成為提高電力系統(tǒng)效率、可靠性以及可持續(xù)性的重點(diǎn)。而新一代信息技術(shù)的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)智能感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)控及自適應(yīng)調(diào)節(jié)等功能，為智慧城市提供堅(jiān)實(shí)電力支持。

2 電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)的必要性

2.1 提高供電可靠性和穩(wěn)定性

電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)可顯著提升供電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。通過(guò)智能傳感器與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合，電力系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)潛在的故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)與報(bào)警。另外，智能調(diào)度系統(tǒng)及自愈控制技術(shù)的運(yùn)用，能夠在電網(wǎng)發(fā)生故障后迅速對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行定位與隔離，并恢復(fù)電源。智能化技術(shù)也為電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)與優(yōu)化調(diào)度提供支撐，降低電力波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的沖擊，保障供電連續(xù)性與穩(wěn)定性[3]。

2.2 促進(jìn)可再生能源的利用和低碳發(fā)展

智能化的電力基礎(chǔ)設(shè)施成為推動(dòng)可再生能源應(yīng)用和促進(jìn)低碳發(fā)展的關(guān)鍵途徑。利用智能電網(wǎng)的技術(shù)手段，可以高效地接入和管理分布式能源，其中包括太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源。該智能化系統(tǒng)能夠?qū)稍偕茉窗l(fā)電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)發(fā)電與并網(wǎng)流程進(jìn)行優(yōu)化、平衡供需以及提高可再生能源利用率。另外，智能電網(wǎng)為電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及其他新型用電設(shè)備接入提供支撐，促進(jìn)能源多元化利用與低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展，有利于降低碳排放并推動(dòng)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展。

2.3 提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和抗風(fēng)險(xiǎn)能力

電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。利用大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)準(zhǔn)確負(fù)荷預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)度、提升能源利用效率、降低運(yùn)行成本。智能運(yùn)維與故障預(yù)測(cè)技術(shù)能夠預(yù)先檢測(cè)出設(shè)備老化及潛在故障并進(jìn)行預(yù)防性維修，縮短故障停電的時(shí)間。智能化系統(tǒng)也能夠提高電力系統(tǒng)彈性與應(yīng)急響應(yīng)能力，當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害或者其他突發(fā)事件時(shí)，能夠迅速地對(duì)電力供應(yīng)策略進(jìn)行調(diào)整，確保電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，從而為城市正常運(yùn)行提供可靠電力保證。

3 電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)的實(shí)施策略

3.1 建設(shè)智能電網(wǎng)

建設(shè)智能電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)發(fā)展的核心內(nèi)容，通過(guò)全面應(yīng)用先進(jìn)的傳感、通信、計(jì)算與控制技術(shù)，來(lái)建設(shè)高效、可靠、靈活、可持續(xù)發(fā)展的電力系統(tǒng)。智能電網(wǎng)利用智能傳感器對(duì)電力系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)，如發(fā)電、輸電、變電、配電和用電進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，確保電力和信息的傳輸是同步的。利用光纖通信，無(wú)線通信以及電力線通信等先進(jìn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸與可靠交換數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控。利用大數(shù)據(jù)與云計(jì)算平臺(tái)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，并利用人工智能算法實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)、故障診斷與優(yōu)化調(diào)度等功能，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率與可靠性。智能電網(wǎng)采用分布式能源管理系統(tǒng)，通過(guò)智能逆變器和控制器，實(shí)現(xiàn)分布式能源的高效接入和協(xié)調(diào)運(yùn)行，優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)并降低碳排放。為了增強(qiáng)用戶的參與度和提高能效管理，智能電網(wǎng)正在推廣智能電表和家庭能源管理系統(tǒng)，這使得用戶能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和管理用電情況，參與需求響應(yīng)，從而提高能源的利用效率。智能電網(wǎng)同時(shí)也關(guān)注電力系統(tǒng)安全性問(wèn)題，借助網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與策略來(lái)預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊與信息泄露等問(wèn)題，確保電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行[4]。

3.2 推廣智能電表和用戶端設(shè)備

推廣智能電表及用戶端設(shè)備對(duì)電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)具有重要意義。借助現(xiàn)代化設(shè)備推廣，強(qiáng)化用戶參與度、提高能源管理效率。智能電表是用戶與電力系統(tǒng)之間的界面，可以對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和傳遞，向用戶及電力公司提供詳盡的用電信息，有利于其對(duì)用電行為進(jìn)行更好的管理，節(jié)約能源、減少電費(fèi)。同時(shí)，智能電表支持分時(shí)電價(jià)，針對(duì)不同時(shí)段用電需求與供應(yīng)情況采取不同電價(jià)策略以激勵(lì)用戶低價(jià)用電，減輕電網(wǎng)峰谷負(fù)荷壓力和電力資源配置優(yōu)化。用戶端設(shè)備智能化，例如智能家居設(shè)備、智能家電以及家庭能源管理系統(tǒng)等，使得用戶能夠通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用或者控制終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制家庭用電設(shè)備，進(jìn)一步提升能源使用便利性與效率。比如用戶可利用手機(jī)APP對(duì)家中各種電器進(jìn)行實(shí)時(shí)用電監(jiān)測(cè)，對(duì)空調(diào)，燈光等裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程切換，并設(shè)置自動(dòng)化場(chǎng)景以達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)又能確保舒適性[5]。

3.3 加速電力調(diào)度和管理的智能化

電力調(diào)度與管理智能化對(duì)于電力基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)至關(guān)重要，借助先進(jìn)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高效、可靠、靈活地運(yùn)行。智能化電力調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，并通過(guò)準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)與需求響應(yīng)來(lái)優(yōu)化電力資源配置以促進(jìn)電網(wǎng)高效運(yùn)行。電力調(diào)度中心利用物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)收集發(fā)電、輸電、配電以及用戶側(cè)的各種數(shù)據(jù)，包括電壓、電流和負(fù)荷、頻率及其他關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)整體全方位的監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)管理。采用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)與智能算法使調(diào)度系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)電力流優(yōu)化調(diào)度并適時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況，保證供需平衡并降低電力損耗。

智能化管理也表現(xiàn)為對(duì)突發(fā)事件、故障反應(yīng)迅速。利用機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的方法，該系統(tǒng)可以對(duì)可能出現(xiàn)的故障點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提前做好預(yù)防措施以減少故障出現(xiàn)的可能性。智能調(diào)度系統(tǒng)在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)能快速定位故障位置、自動(dòng)分離故障區(qū)域，通過(guò)備用電源及自愈技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)電，縮短停電時(shí)間及停電范圍，增強(qiáng)電網(wǎng)可靠性及韌性。智能電力調(diào)度系統(tǒng)也可將分布式能源，儲(chǔ)能系統(tǒng)與微電網(wǎng)集成在一起，以實(shí)現(xiàn)各種能源形式協(xié)調(diào)運(yùn)行與優(yōu)化調(diào)度，為新能源規(guī)模化接入提供支撐，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與低碳轉(zhuǎn)型。

3.4 做好數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)

智能電網(wǎng)及相關(guān)用戶端設(shè)備所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)在為電力系統(tǒng)優(yōu)化管理及用戶服務(wù)等提供重要支撐的同時(shí)，也存在著極大的安全與隱私風(fēng)險(xiǎn)。保證數(shù)據(jù)的安全與用戶隱私的保護(hù)需要在技術(shù)、管理、法規(guī)等諸多層面上采取綜合措施。

1）在技術(shù)層面。利用先進(jìn)加密技術(shù)及身份認(rèn)證機(jī)制，可以保證數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)時(shí)的機(jī)密性與完整性。例如，通過(guò)運(yùn)用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）與區(qū)塊鏈的先進(jìn)技術(shù)，能夠在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中實(shí)現(xiàn)端到端的加密以及可靠的驗(yàn)證，從而有效防止數(shù)據(jù)被非法竊取或篡改。分布式存儲(chǔ)與多層防火墻相結(jié)合的技術(shù)可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心安全、防止網(wǎng)絡(luò)攻擊與數(shù)據(jù)泄露。

2）在管理層面。建立完善數(shù)據(jù)安全管理體系與應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，定期開(kāi)展安全審計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而保障數(shù)據(jù)安全管理有效與持續(xù)。建立嚴(yán)密的訪問(wèn)控制策略與權(quán)限管理制度，以保證僅有被授權(quán)者才能夠?qū)﹃P(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)與操作，避免內(nèi)部人員惡意操作。同時(shí)加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全意識(shí)培訓(xùn)，增強(qiáng)職工及用戶數(shù)據(jù)安全意識(shí)與技能，營(yíng)造人人參與數(shù)據(jù)安全防護(hù)氛圍。

3）在法規(guī)層面。健全數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)相關(guān)法律法規(guī)，厘清數(shù)據(jù)收集、儲(chǔ)存、加工與利用等方面的標(biāo)準(zhǔn)與職責(zé)，確保用戶知情權(quán)與選擇權(quán)。如《網(wǎng)絡(luò)安全法》《數(shù)據(jù)安全法》《個(gè)人信息保護(hù)法》為數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)提供法律依據(jù)與監(jiān)管框架。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，在智慧城市架構(gòu)下電力基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級(jí)既是技術(shù)革新的表現(xiàn)，也是城市實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提高居民生活質(zhì)量的關(guān)鍵途徑。這一過(guò)程從高效能源管理、提升系統(tǒng)韌性、推進(jìn)環(huán)境友好和深化公共服務(wù)等方面，對(duì)現(xiàn)代城市能源血脈進(jìn)行全方位再造。未來(lái)伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的日益融合和革新，智能電力系統(tǒng)會(huì)變得越來(lái)越靈活和智能化，給城市帶來(lái)取之不盡用之不竭的動(dòng)力，帶領(lǐng)人們走向更綠色、更安全、更有效的智慧生活新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫軒，單希政.智慧城市的空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：從功能協(xié)同到數(shù)字協(xié)同[J].電子政務(wù)，2021（12）：80-89.

[2] 魏新.試論新型智慧城市建設(shè)中智慧共享基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用[J].財(cái)經(jīng)界，2021（7）：90-91.

[3] 張培，陸俊，張懿操，等.提升數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維智能化技術(shù)的研究[J].智能建筑與智慧城市，2022（12）：164-168.

[4] 孫瑛澤，王義鵬.“新基建”背景下智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化建設(shè)思路[J].數(shù)字通信世界，2023（7）：166-168.

[5] 季潤(rùn)陽(yáng).基于智慧城市建設(shè)的電網(wǎng)大數(shù)據(jù)發(fā)展技術(shù)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2023，13（5）：73-75.

[作者簡(jiǎn)介]安永亮（1970—），男，廣東深圳人，本科，工程師，研究方向：電力工程電氣。