面向多元能源互联的天津生态城智能电网创新示范区建设

于建成，王旭东，张东，杨宇全

(国网天津市电力公司，天津市300010)

面向多元能源互联的天津生态城智能电网创新示范区建设

于建成，王旭东，张东，杨宇全

(国网天津市电力公司，天津市300010)

能源革命和第三次工业革命的发展对智能电网在能源互联和信息互通方面提出了更高的要求。基于天津生态城智能电网创新示范区建设，面向未来电网发展形态，深入分析智能电网发展需求，设计可持续发展的智能电网创新架构，提出基于虚拟电厂和能效电厂的能源互联网规划方案，提出基于大数据和信息广泛互联的智慧能源信息服务体系架构，以提高社会的参与度和居民感知度为目标，提出智能电网建设模式、运营模式、服务模式和交易模式，充分发挥智能电网的平台效应，并从根本上改变智慧城市的生产和生活方式。

能源互联网；生态城；智能电网；多元能源融合；能源大数据

0 引 言

统计表明，截至2013年底，中国能源消费占全球消费量的22.4%，产量占全球总供应量的18.9%，中国是世界上最大的能源消费国和生产国[1]。我国能源发展面临着需求压力巨大，供给制约较多，生产和消费对生态环境损害严重，技术水平总体落后等挑战。为有效应对挑战，中央提出我国能源生产和消费革命的总体要求，从技术和机制两个方面推动能源结构调整。

作为能源领域的重要基础设施，智能电网将与物联网、互联网深度融合，不断展现能源互联和信息互通的平台效应。一方面，为实现能源配置方式变革，为促进生产生活方式改变发挥重要作用；另一方面，充分利用高级量测体系，建立广泛的能源信息感知网络，形成公共信息服务平台，支撑“信息惠民”工程，提升电网综合能源服务能力。

自2008年起，我国陆续开展多项智能电网综合工程建设，进行了新能源并网，输变电设备状态监测和控制，配电自动化，智能用电服务等智能电网技术的推广应用，实现了电网智能化水平的全面提升[2-5]。总体而言，我国智能电网建设分别在发电、输电、变电、配电、用电、调度、通信信息等各个环节取得了突破性进展[6-9]。然而，当前的智能电网示范工程具有以下不足[10-11]:

(1)围绕电能本身的优化提升，没有深入挖掘智能电网在多种能源协调优化控制方面的潜力；

(2)大多数示范工程以电网企业为投资和建设主体，没有融合多方的优势和力量，未形成多方共建的发展模式，居民对智能电网成效的感知度不足；

(3)当前的智能电网示范工程的新理念新模式不多，对清洁能源、电动汽车、智慧家居等新产品和新服务市场的发展缺乏充分的考虑。

面向未来电网新形态，本文开展天津生态城智能电网创新示范区规划，搭建面向能源流、信息流广泛互联的能源优化配置和智慧公共服务两大网络。深度挖掘智能电网在引领创新示范、弘扬先进理念、提升社会感知、融合多方共建、创新服务模式、推进产业联动、协同创新发展的潜力，最终提升城市综合能源利用效率，创新电网运营服务模式，支撑智慧城市建设。

1 智能电网创新示范区整体架构

1.1 需求分析

传统电网规划以负荷需求为基础，智能电网规划则要从智能提升的需求入手。智能电网创新示范区建设以新技术和新模式的集成示范为重点，注重创新和实用相结合，体现技术进步对能源生产、消费的创新商业模式的推动作用。

生态城具有规模化接入的光伏、风力发电、三联供机组等分布式电源，地源热泵、水蓄冷、冰蓄冷等冷热电分散供能和储能设备广泛应用，已形成能源互联网的基础架构；城市综合信息接入机制完善，大数据基础初步建成，已形成广泛感知网络和公共服务的基础支撑平台。但是，总体而言，生态城在多能源协调优化、公共服务水平智能化等方面还需要进一步提升。在能源互联与管理方面，支持分布式电源多种形式广泛接入和区域多微电网协调优化的技术手段有限；面向丰富的需求侧可调资源及多种混合能源，亟需提升电能占终端能源的比重，提高终端能源利用效率；园区可调可控资源众多，缺乏通过主动协调控制提高清洁能源利用效率的手段。在信息互通与服务方面，生态城已经具备智慧家庭理念和建设基础，但缺乏平台、智能设备和移动应用的支撑。电动汽车充换电设备利用效率低，运营管理水平不高，便捷的充换电和公共服务支撑不足。智慧城市数据资源丰富，系统功能齐全，但数据的互融互通和深化应用方面有待提升。

1.2 整体规划

天津生态城智能电网创新示范区覆盖总面积约34 km2，规划人口35万人。本项目高度整合园区包括电力一次设备、分布式电源、分布式储能、蓄冷设备、蓄热机组等在内的多元供能和储能设备，以及居民、商业楼宇、公共机构、工业等典型用户侧资源在内的物理层；利用广泛配置的配电终端、智能电表、车载终端、智能家居、环境监测设备建设区域感知层；借助光纤专网、公网、电力无线专网以及移动无线网络铺设广泛覆盖的高速通信网络层，为智能电网建设提供坚强的通信支撑；在此基础上，搭建能源流广泛互联的能源优化配置网络和信息流广泛互通的智慧公共信息服务网络，面向电网、企业、政府、公众，创新电网运营服务模式，最终提升城市综合能源利用效率，实现综合能源数据价值的深入挖掘和变现，全面增强智能电网能源优化配置和信息集成的平台作用。预期实现以下建设目标:

(1)可支持消纳分布式电源渗透率大于20%，清洁能源不发生强制“弃风、弃光”现象；

(2)支持分布式电源的“即插即用”，实现分布式电源100%并网；

(3)提高用户供电可靠性，通过协调方式，使示范区域内供电可靠率高于99.999%；

(4)实现1 000户居民用户用电双向互动和四表抄收；

(5)建立电动汽车充电设施网络，实现“10 min”充电圈；

(6)夏季峰谷差占最大负荷比例削减7.5%，提高终端用户能源利用效率3%～8%。

能源互联网优化配置网络包含MW级区域多微电网、自动需求侧响应和多能源综合协调控制3个子项。前两个子项将构建虚拟电厂和能效电厂，形成新的能源单元；后一个子项将建立实现新型能源生产和消费单元互联与管理的能源网络。

智慧公共信息服务网络规划智慧家庭、电动汽车充换电服务网络和智慧城市综合能源数据服务平台3个子项。智慧公共服务网络基于三者之间的互动，整合用户侧智慧能源系统，在数据融合的基础上，扩展综合能源服务内涵和外延，提高数据利用效率。

创新示范区工程总体架构如图1所示。

2 多元能源融合的能源互联网络

2.1 能源互联体系

生态城能源互联网优化调度涉及能源类型、时间尺度和空间尺度3个维度上的多级控制。从能源种类上说，包括冷、热和电3种能源类型的联合优化；时间尺度上包含了短期、超短期和准实时三级；在空间尺度上，根据配网的网络结构特点，划分为网级、馈线级和台区级(负荷级)。综合运用削峰填谷、供需优化平衡等多种调控手段，实现配电网高效运行、高渗透率新能源的充分消纳和可靠经济供用电需求。

多元能源融合的能源互联网络各子系统既分布自治又协调优化运行，子系统之间通过信息总线实现信息集成和共享，如图2所示。通过虚拟电厂技术整合分散的发电资源，提高分布式电源高渗透率下新能源消纳率；通过能效电厂技术整合用户侧可控负荷，降低示范区夏季峰谷差占最大负荷比例；通过分级协调优化控制模式，降低配电网损等目标。

图1 智能电网创新示范区工程总体架构Fig.1 General structure of innovation demonstration area project of smart grid

图2 能源互联网优化配置网络总体架构Fig.2 General structure of optimal allocation network of energy internet

2.2 区域多微电网子系统

智能电网创新示范区在电源控制方面，建设MW级区域多微电网为基础的虚拟电厂。综合应用分布式供能技术、地源热泵技术、冷热电混合储能技术、能效管理技术，部署区域能源供需快速采集设备和区域冷热电能效实时管理系统，响应多级能源协调控制系统的调控指令，实现包含中低压嵌套式微电网、低压光储微电网、分布式电源在内的混合能源联合调节。

区域多微电网在运行时，各子微网实时将各自的运行状态信息上传至区域多微电网综合协调控制系统。传送信息包括分布式电源和储能的运行参数，以及用户的冷、热、电负荷需求。综合协调优化控制系统以准确响应配电网能量调度要求、区域能源利用效率最高、用能成本最低、污染物排放最少为控制目标，优化多微网在不同时段的运行策略，并下发至各个微网的能量管理系统。中低压嵌套式微网分解上层能量管理系统控制指令，调节三联供工作模式、储能充放电功率、光伏发电出力、负荷功率实现综合协调控制；低压光储微网则进行储能的充放电功率、光伏发电出力以及负荷功率的精细化调控；分布式光伏并网亦可参与到区域多微电网调节。通过上述多级控制，可实现对区域内分布式电源及负荷的能量优化管理，达到最优运行效果。

2.3 自动需求响应子系统

在负荷调控方面，实现生态城专变用户、智慧家庭用户和冷热电能源站在内多种柔性负荷的统一调控。构建具有虚拟发电机组特性的能效电厂，同时为大型工商业用户、数据中心提供能效提升措施。

自动需求响应系统整体运行流程分为“自动需求响应方案启动、执行和监测及统计”三大步骤，分别代表自动需求响应执行前、中和后各个环节。系统通过与多级能源协调控制系统交互后，获取负荷侧资源调度曲线，逐次对用户、区域自动需求响应能力预测，并与负荷侧资源调度曲线进行比较。若系统自动需求响应能力容量小于负荷侧资源调度容量，那么将系统自动需求响应能力容量发送给多级能源协调控制系统进行修正，请求重新下发负荷侧资源调度曲线；若满足，则对负荷侧资源调度曲线进行分解并下发给各用户，由各用户根据可调控的柔性负荷(如空调、照明、自备电源、电动汽车、电动机等)进行调度曲线再分解，并形成用户自动需求响应计划表，最后向各可调控的柔性负荷下发自动需求响应指令并执行，同时需要考虑通过短信、微信等形式实现自动需求响应信息下发。

2.4 能源互联管理

在能源网络方面，建成多级能源综合协调控制系统为基础的能源互联网，通过收集虚拟电厂、能效电厂在考虑冷热电源-储-荷能量转化条件下的可调度电容量，优化系统的可调度容量优化目标曲线，配置各级能源单元的控制指令，实现台区、馈线、配电网三级能量自治和全局优化。

台区-馈线-配网之间策略的协调通过在短期、超短期和准实时的时间尺度上通过调度容量和优化的目标曲线作为媒介实现。台区级的调度容量通过分析由微网能量管理系统和需求侧管理系统上报的调度容量数据、分布式电源的电源特性进行综合分析给出；馈线级的调度容量在综合各台区上送的调度容量、馈线的分布式电源特性、大用户的负荷特性、储能特性等的基础上分析给出馈线级的调度容量；配网的调度容量在综合各馈线上送的调度容量的基础上给出。

配网优化根据调度容量以整个配网的优化为目标给出各馈线关口的优化曲线，并下发到各馈线级优化模块；馈线级优化根据各台区的调度容量以整条馈线的优化为目标，并以配网下发的关口优化曲线为约束条件，给出各台区的优化目标曲线并下发；而各台区根据微网、需求侧资源等的调度容量以台区的优化为目标，并以馈线下发的关口优化曲线为约束条件，给出微网、需求侧等资源的优化目标曲线并下发给微网和需求侧资源等系统。

3 综合数据融合的信息互通网络

信息互通网络的规划面向智慧城市建设的发展要求，适应智能电网创新服务模式、智慧城市信息互联互通、政府提升公众服务能力、居民智慧用能服务、电网公司提升社会形象、电力公司活化企业数据资产的综合要求，面向居民提供居家便民和绿色出行服务，面向政府、企业和电力公司提供基于多源信息融合的深度综合能源服务。

综合数据融合的信息互通网络中智慧家庭子项主要开展智慧家庭服务设备、客户端以及服务平台的建设，实现对用电需求响应支持、提供多能源集中缴费等日常便捷服务。电动汽车充换电服务网络子项建设生态城“10 min”充电圈，为各类用户提供多元化增值服务，并推广电动汽车分时租赁运营模式，促进电动汽车规模化发展，支撑生态城绿色低碳城市发展。

在此基础上，建设智慧城市综合能源数据服务平台，接入多个系统汇集的时序数据、结构化数据和非结构化数据等，实现数据分布式存储，支持流计算、批量计算等功能，并且可以通过节点动态扩展的方式来满足数据日益增长的需求，最终达到支持PB级以上规模的数据存储与运算。一方面为多级能源协调控制系统提供包括水和燃气在内的基础数据；另一方面为电力公司、政府部门、企业及公众提供公共服务、政府管理、能源供需、节能减排、电力企业综合应用等相关应用及展示服务。智慧城市综合能源数据服务平台业务架构如图3所示。智慧城市综合能源数据服务平台的建设包括多源异构数据采集与集成、基于云技术的大数据平台、基于大数据公共服务应用、基于大数据公共服务的多维度展示等内容。

其中，多源异构数据采集与集成依托信息交互总线实现；基于云技术的大数据平台包括了系统硬件层和系统软件层的建设，实现平台与智慧城市云数据中心、智能电网相关系统之间进行数据交互，并构建面向多业务的大数据处理、挖掘分析引擎，能够快速将数据挖掘技术和业务系统紧密连接，实现数据价值提升；基于大数据公共服务应用以能源利用、能源分析、能源服务为主线，深度挖掘能源互联网的各类应用与业务模式，全面支撑智慧城市公共服务和产业优化；基于大数据公共服务的多维度展示，基于互动化营业厅展示大屏，实现对生态城整体概况、能源供应体系、智慧绿色交通体系、智慧便民服务全方位、多维度的综合展示，多层面诠释智能电网对智慧城市建设的全面支撑作用。

4 智能电网创新发展模式

智能电网可持续发展不仅依靠持续的技术创新，还依赖发展模式的不断突破。天津生态城智能电网创新示范将在如下几个方面开展模式创新。

(1)多方投资、多方共建、多方受益的生态城智能电网工程建设模式。生态城智能电网创新工程最大的特色是整合多方资源，引入科研单位、社会企业、高等院校、节能公司等，探索多方投资、多方共建、多方受益的智能电网建设模式。

(2)面向未来能源互联网的区域多能源协同运营模式。针对多能源的协调运行，探索多能源供需调度容量有偿置换、能源聚合调控等模式，形成以信誉等级评价、消费积分兑现为激励引导的冷热电混合能源供应，需求侧负荷资源主动参与智能电网互动模式，初步构建多能源协调调控的智能电网运营模式。

(3)基于综合能源大数据的公共能源全景信息服务模式。建立多元服务平台大数据共享模式和管理体系，分析信息发布的时效与深度对多方博弈行为的影响，构建未来能源格局下能源参与方的信息服务方式和服务场景，支持基于移动互联网业务与应用的跨平台信息整合方式、跨平台业务配合。

(4)打造基于移动互联网支付的智慧家庭、绿色交通出行、大数据应用的增值服务模式。基于移动互联网支付模式，开展面向智慧家庭、绿色交通出行、大数据增值应用服务的移动支付模式，支持家庭四表费用缴纳、电动汽车充电费用在线支付、大数据增值服务购买等功能。

图3 综合数据融合的信息互通网络业务架构Fig.3 Information communication business structure of comprehensive data fusion

5 结 论

天津生态城智能电网创新示范区建设的总体目标是构建能源流、信息流广泛互联的能源优化配置和智慧公共服务两大网络，提升城市综合能源利用效率，创新电网运营服务模式，支撑智慧城市建设，建成具备国际影响力的智能电网创新工程的示范基地、体验基地、创新基地。突出新技术和新模式融合，推动能源开发、配置、消费方式改革，实现大规模清洁能源和分布式电源的友好并网，多种能源优化配置的透明开放，提升智能用电和互动服务的全新体验；突出实用性与展示性结合，基于能源互联网分析与展示平台、智能电网公共服务平台，面向企业、政府与居民进行展示，提高智能电网的社会影响力；突出内外合作，与产业公司、高等院校、科研院所和社会企业开展合作，实践多方合作共建模式，将智能电网示范区打造成高端、开放的智能电网展示平台。

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(编辑：刘文莹)

Innovation Demonstration Area Construction of Tianjin Eco-City Smart Grid Facing Multi Energy Interconnection

YU Jiancheng，WANG Xudong，ZHANG Dong，YANG Yuquan
(State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China)

The development of energy revolution and the third industrial revolutions put forward higher requirements for the energy interconnection and information communication in smart grid.Based on the innovation demonstration area construction of Tianjin eco-city smart grid，this paper focused on the development pattern of future power grid，deeply analyzed the development need of smart grid，designed the innovation structure of smart grid with sustainable development，and proposed the planning scheme of energy internet based on virtual power plant and efficiency power plant，as well as the smart energy information service structure based on big data and extensive information interconnection.In order to improve the participation of society and the perception of residents，this paper proposed smart grid，s construction mode，operation mode，service mode and transaction mode，which could give full play to the platform effect of smart grid and fundamentally change the production and lifestyle of smart city.

energy internet；eco-city；smart grid；multi energy fusion；energy big data

TM 71

A

1000-7229(2015)11-0058-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.009

2015-06-16

2015-10-13

于建成(1977)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为智能电网；

王旭东(1984)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为智能电网；

张东(1985)，男，博士，主要从事用户侧自动需求响应工作，数据挖掘技术在负荷建模上应用，微网优化协调控制，电力市场分析；

杨宇全(1981)，男，高级工程师，主要从事智能电网工程设计与建设工作。

国家电网公司科技项目(SGTJDK00DWJS150009)