智慧能源战略框架及全过程实施方案

陶佳，丁腾波，宁康红，张农

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江省 杭州市 310012）

0 引言

智慧能源项目不是传统的单项能源供应项目,往往涉及发输配用储各个环节，而且也不似微电网，虽然发配用储均涉及，但以海岛或偏远地区的可再生能源替代为主。智慧能源项目更多的是承担了能源转型和革命、两个替代、能源电力体制改革和市场多元化建设的历史使命，涵盖了发输配用储、热电联产、新能源车替代、综合能源服务的数字化管理提升以及生态建设等方面几乎全部的内容[1]。

因此，智慧能源项目的示范建设或真正推广，都必须从项目全生命周期价值、核心商业模式、技术路线定位、衍生价值创新、生态建设以及产业提升和市场建设等多个维度进行统筹规划，是单纯项目层面的分析所不能涵盖的，战略规划、项目规划、运营技术体系战略规划和实施规划、金融和管理规划等，缺一不可。而从咨询方角度看，成熟的服务能力必须站在投资和运营的层面，狭义的咨询已成为伪命题。因此，在产业发展初期，智慧能源项目必然是全过程咨询的产物，也是现代能源资金、技术、咨询和资源方通力合作的历史见证人。

本文从社会诉求层面剖析智慧能源的核心线索，从战略框架层面分析智慧能源的中长期路线和商业模式，并从基础设施、数字化运营、一体化规划的角度阐述智慧能源的全过程实施方案框架。

1 智慧能源的社会诉求

1.1 社会生存发展需求

社会生存发展的基本诉求迫切要求：提升电源侧和用能侧可再生替代比例；提升输配侧可再生电源消纳能力；提升运输、零散供热、孤岛供电领域电能替代比例；提升热网、电网梯次利用水平；优化需求侧响应及习惯、降低峰值供能成本。这是智慧能源发展的核心线索，其主要通过规划和运营优化等层面的技术手段实现，具体涉及领域包括专家规划知识、物联网测控体系、云平台及运营优化应用软件。

1.2 产业环境建设需求

产业环境的建设，是智慧能源发展过程中需要同时考量的重要因素。需要分布式能源(包括储能)、电动汽车、增量配网及多元化交易的发展和电改政策的同步推进；需要在推动关联领域协作发展的同时，提供能源转型、能效提升的市场化环境。主要通过价格、所有权结算权、补贴等层面的市场化政策手段实现，具体涉及区域交易中心、虚拟电厂体系、综合能源服务体系、分布式总账系统等软硬基础设施的建设。

1.3 产业转型升级需求

智慧能源的建设过程和商业落地，是相关产业规模化和深度合作化的结果。其表现形式是借助物联网测控体系、云平台共享计算机制、大数据及人工智能分析手段的布局和建设，重置传统能源电力体系的价值重心和发展重心，通过构建数字服务体系，提升服务质量和效率、发掘衍生价值。主要通过能源、信息通信技术(information communication technology，ICT)跨界研发的技术手段以及能源、金融跨界研究的 Fintech手段实现，具体涉及跨界软硬件体系架构能力和跨界应用专家知识[2]。

2 智慧能源战略框架

2.1 重资产优化及转型

谈及治霾，德国的实战经验及成效都令所有国人惊愕，其核心仅仅2个字，即“节能”。相比用能，节能对应的能耗变化整整低一个数量级，其对应关系令人费解。而事实上，德国通过覆盖减排设备成本的节能技术收益及能源管理合同服务，从利益上彻底掌控排放的治理和监控2个关键点，其实质是市场化技术及服务所衍生的社会断面治理能力。而我国的传统能源服务行业，也应该从服务的关键诉求和核心技术发展的角度建立落地而可持续的长效变革机制[3]。

2.1.1 煤油气

传统能源产业发展过程中，因国家战略与政策操作时序衔接问题造成的供给项目资源错配不胜枚举，以大型煤电和天然气顶峰电厂为例，应充分利用小时数较低的存量电厂资源，就地进行供热服务，整合场地和余热资源，为数据中心等高耗能但支撑未来产业的基础设施提供高能效、高增值服务，同时以这类高密度热电负荷为基点，拓展周边用户进行综合能源服务，积极构建供能服务转型用能服务的市场化氛围，在技术、服务能力统筹建设的基础上，在电力体制改革进程中真正掌握配售电核心竞争力。

另一方面，即使ICT程度最高的电力系统，其配电网元件和断面的观测水平仍然处于一个相当低的水平，一方面受制于输配人力资源的不平衡配给，一方面确实也受制于低成本的物联技术发展进程。对于综合能源服务供应商而言，应当借助业已成熟的低成本、低功耗物联网技术，构建油、气、热、电的一体化在线状态平台，不仅要通过对能耗、损耗、排放和收益等指标进行内部供能结构的多目标调整优化，降低社会综合成本，而且要通过在线化改造提升终端用户的真实体验并掌握前述的社会影子成本掌控能力[4]。

相对于存量重资产，需要做的是提升资产利用率、服务能力和信息可视化能力。

2.1.2 可再生能源

毫无疑问，能源生产侧的可再生替代，是能源转型和革命的重心之一和起步点，对于综合能源服务商而言，配置合理规模的可再生能源系统，是满足碳排放配额指标的唯一出路，也是起步分布式能源服务能力的必经之路，是奠定储能系统、虚拟电厂和V2G运营能力的基础。

2.1.3 发输配用储

能源电力体制改革的进程是国人有目共睹的，改革的核心主要包括价格改革、市场建设、配送市场化3个层面，而所有具体的努力，都是围绕分布式能源等产业的发展、社会用能成本的发现、对地方实体经济和财政的支持这几个方面展开的。

从社会资本和新型能源服务商的角度看，体制改革一方面降低了原有能源服务的保底市场，一方面又提供了掌握能源经济新断面的机会，而攫取市场化份额、保持对新断面的持续掌控，则必须依靠对供应链成本控制、损耗控制、供需优化技术以及终端用户服务黏性等层面的持续投入来完成，具体到电厂精细化管理、管网静态和动态降损、需求侧响应、储能资产的复用、资产营销工艺模型一体化、交通和家居等领域的资产复用等，缺一不可[5]。

2.1.4 电动汽车

现代经济体系的内生性要求，决定了全球各国终端能源结构转型的生存性使命，即运输工具的电能替代，而目前主流发达国家和包括中国在内的发展中国家，其全社会终端公路运输能耗均占全社会终端能耗的10%~30%。因此，能源服务行业真正的重资产转型，只有电动汽车。

另外，根据我国交通能耗结构统计信息，目前全社会汽油能耗约为柴油能耗的50%。因此，公交和货运的电能替代是终端能源转型的关键。

2.1.5 重资产与数字资产

能源电力系统一直是典型的重资产服务领域，作为历史上最早实施工业级信息化应用的产业，却对包含传感、表计、网关、后台以及历史和在线数据在内的ICT资产和数字资产的重视程度很低，特别是软件系统中最为关键的基础图模和数据结构引擎、中间件平台、高级应用以及智能硬件的核心代码，均被大幅低估人力成本，不仅销售价格恶性竞争，系统升级和维护也近乎免费。包工头薪资高于软件架构师、建筑工人薪资高于程序员的情况屡见不鲜，与之形成鲜明对比的是面向个人消费体验的移动应用APP。

毫无疑问，在能源服务商由供能转型用能服务之前，数字资产的价值重估、持续投入机制以及数字资产前沿变革跟踪能力的建设，将是综合能源服务方的战略转型重点之一。

2.2 全过程优化与核心商业模式

2.2.1 规划定量优化

智慧能源产业发展的基本环境之一，便是处于能源电力体制改革的进程之中，价格机制、市场化建设和配送市场化的体系化改革，为智慧能源项目的运营提供了多种可能，同时也为运营方带来了兵刃相见的市场竞争压力。

智慧能源产业发展的过程中，充分运用概率统计、数学规划等必要手段，建立科学有效的商用化供能可靠性准则，摆脱规划的“鬼话”和直觉性计划的缺陷，为用户提供差异化、套餐化的务，是综合能源服务商健康发展的第一步。

2.2.2 工程设计整合

智慧能源基础设施与传统能源电力设施的工程设计差异，包括成本控制、新兴技术利用和框架重构等内容，具体则更多地表现在一次设施的结构优化和二次ICT系统的建设强度之上，针对工程设计过程自身而言，设计手段、设计流程并没有发生根本变化，因此，在咨询阶段确定智慧能源项目的顶层技术路线和关键设施的具体优化形式，是工程设计深化智慧能源项目建设质量的关键所在。

2.2.3 组织架构战略

作为新兴的具有显著跨界和重组特征的重资产服务领域，智慧能源行业组织架构的完备性、适应性和开放性，决定了社会能源转型和革命的生存发展需求、产业环境建设以及产业转型升级需求的持久满足能力。

从整体业务转型和区域综合项目推进的角度看，智慧能源产业组织架构的战略调整主要反映在能源服务企业的本部组织架构转型和区域综合性项目公司的组织架构设置2个层面。

1）本部组织架构转型与数字资产。

目前智慧能源技术正处于转型升级阶段，是人才资源和能源生产消费资源的最佳整合阶段，在圈地圈资源的同时，通过战略合作对产学研精英进行固化，将电热领域资深专家、系统研发人员、工程设计人员、智慧能源战略分析人员以及高校产学研精英内化成研发核心团队，背靠国企的资本体量及市场孵化先天优势、借力民企的灵活机动特性，进行持续高效的产品研发投入，是将智慧能源核心竞争力提升至国内甚至国际领先水平的有效方式。

而上述诉求的满足，不仅仅需要建立完整的业务部门体系，更重要的是引入类似智慧能源研究院的机构，一方面通过持续研究智慧能源技术及产业的动态发展过程，避免技术路线和运营战略出现水土不服的情况，另一方面通过该机构并结合战略投资方，对外部资金、技术和市场的整合进行统筹考虑，规避所有者缺失对长期决策思路的负面影响。

2）区域综合性项目公司的组织架构。

从项目实施的角度看，区域综合性项目公司组织架构的合理搭建，是贯彻本部智慧能源战略框架的基础，不仅要正常开展项目设计、建设和运营等具体工作，也要将一线的技术、市场信息通过在线或离线的方式有效反馈于本部的战略决策机构，以求能够在第一时间甚至提前对智慧能源业务的布局和规划进行良性修正。

2.2.4 在线供需优化

如前所述，传统能源服务行业在成本控制方面存在较大不足，一方面主要体现在基础设施建设规模的优化规划和市场化供能可靠性准则的制订上，另一方面则体现在供需的在线响应和优化能力上。

在线的供需优化，主要得益于目前低成本、低功耗物联网器件的技术和商业发展水平，通过构建精细化的在线统计体系，全时把握用户的用能细节以提高负荷预测准确度，或通过非侵入负荷分析，即利用频域手段对负荷特性进行元件级的反算分类来提高负荷预测准确度，最终通过供能侧的数学规划优化问题求解，尽可能提升供能系统的资产利用率，并在能源现货市场中降低供能偏差的考核成本。

2.2.5 实时生产优化

智慧能源体系的价值，更加体现在资产的实时运营优化层面。运营的优化主要反映在工艺的在线或实时优化上，如区域电源的调频调压辅助服务、配电网的动态无功优化和降损、动态无功体系的供电质量动态监测和控制等。在能源电力体制的市场化建设趋于成熟、且终端元件的计量有效覆盖之后，该领域市场将快速打开，其节能降耗空间较为广阔。

2.2.6 能源金融渠道

传统能源项目从建设伊始，即可借助间接融资手段降低资本金压力及综合资金机会成本，以提升规模化建设推进速度，也可通过资产证券化等手段快速回笼未来现金流，以降低生命周期总利润作为代价提升资本金利用效率并降低投资风险。

智慧能源项目，不仅需要通过技术的升级提升能效、促进可再生能源替代并促进市场的多元化建设，也需要通过金融技术(Fintech)实现相对传统能源项目更低成本的融资过程。

2.2.7 市场颠覆技术

智慧能源产业的发展过程中，不仅要关注能源生产、能源配送和能源质量控制以及能源消费体验方面的提升，更应该关注互联网基础技术以及由之而来的市场格局和生态变革的可能性。

以区块链技术为代表的分布式总账技术，已经在金融中介、审计和医药信息领域展现出了极具颠覆性的发展特征，而分布式能源交易的去中介化、分布式能源设施控制的去中心化以及能源金融创新(以降低融资成本为目的)形式也已经映入了能源人的眼帘。与媒体所报道的如区块链融资定性为非法集资等币圈负面信息大相径庭的是，在链圈层面，分布式总账的技术正在多个拥有强烈降低中介和信用背书成本诉求的领域飞速发展，包括能源领域[6]。

3 智慧能源项目全过程实施方案

3.1 基础设施规划

3.1.1 负荷调研及预测分析

智慧能源项目的财务基础是稳定和可预测的热电负荷[7]。因此，立项前需要对所在区域的存量负荷及特性、曲线级负荷时间特性、企业级负荷空间分布特性、计划性迁入负荷体量以及近中期负荷培育能力、招商引资主题与投资主体等情况进行全面搜资和预测分析。

3.1.2 能源禀赋及电源、热源分析

智慧能源项目的投资强度和收益水平主要取决于所在区域的能源禀赋及对应的供能基础设施方案[8]。因此，立项前需要结合所在区域的天然气供应、水力资源、光资源、风力资源、生物质燃料体量水平、水文资源、地热资源、地质条件等情况，从综合能效、可再生替代水平等角度，对电源类型、热源热泵的具体技术类型和建设规模进行初步分析。

3.1.3 热电系统可行与优化规划

智慧能源项目的实施前提条件之一是源网荷的接入可行性，其二是节能、能效和可再生替代层面的优化空间[9]。因此，在基本具备立项条件后，可通过取得最新的一手资料，对项目与存量热力管网、电网的接入关系进行半定量研究，排除接入的技术颠覆性可能。

同时，可以对所在区域的配网网架、项目内电源接入思路、主动配网及直流配网技术架构进行初步分析，对供热分区、换热站及管网规划进行初步分析，对综合管廊方案进行初步研究。

另外，可以结合具体的指标提升目标，对储能系统的类型、分布及规模进行初判，并对热电初步规划进行迭代。

3.1.4 开放式智慧能源通信自动化规划

鉴于智慧能源的概念定义、功能诉求和技术特性，导致其在实践过程中对传统的电力系统通信、信息、自动化等相关技术提出了不同的需求。

1）网络构架。传统的电力系统采用集中式的专用调度数据网络构架来实现全网调控数据的集中式管理、存储和决策，高额成本、高度冗余、严格专用分层分区下的数据网络可以有效地保障大电网的安全可靠运行，但主要侧重点在于发、输、变、调环节；而智慧能源基于分布式能源的接入，更加侧重在区域范围的多种能源有效互补、资源优化配置，侧重于配、用、调(小范围区域性)，更加贴近用户侧，强调的是效率和效益并兼顾安全，因此智慧能源在进行网络构架设计时，采用的是分布式、经济性、混合型的网络构架。

2）终端节点。传统的电力系统包括智能电网在设计和建设电网节点时，主要侧重于电网结构中的骨干节点，如大中型电厂、骨干枢纽变电站(主网变电站)、地区市及以上调度机构，一是出于传统的保供给思路，二是由于高昂的投资限制；而智慧能源中强调需求侧的管理，依靠灵活可控的变配用设备和线路拓扑来保障供电，依靠精准的用户负荷预测和用能习惯大数据分析来优化运营，更加强调对大量终端设备、线路、用户节点的测量控制，同时由于节点数量巨大、负荷特性多样，往往需要依靠多种技术手段在经济性和可靠性之间寻求平衡。

3.2 数字化运营系统规划

与传统能源项目最大的不同之处在于，智慧能源项目对于数字化运营或数字资产的依赖需求度基本已经达到了数字即服务的具体位置，数字化运营系统的框架设计、相邻产业协同设计和布局、技术和管理数字化同步以及人工智能替代化都已经成为了智慧能源发展的基础而非锦上添花[10]。

从实现角度看，一方面以上诉求亟需跨界能源电力市场、能源服务、能源技术、信息技术以及金融和公关的综合性团队的有效推动，涉及人才梯队的定向培育，另一方面也将技术路线设定、技术研发与商业模式、生态建设紧紧的绑定在了一起。因此，智慧能源的核心竞争力即数字化运营的有效发展需要决策层的直接主导。

3.3 综合智慧能源一体化规划

综合型智慧能源项目，不同于单纯的智慧能源项目，具有较强的业务开拓性质或围点示范性质，不论是战略组织架构的转型、资产运营转型规划、中远期技术路线迭代、基础商业模式研究、核心产品线规划、生态建设规划还是外部资源合作策略以及人力资源培育规划，都可能是该核心项目落地前的必备工作[11]。综合智慧能源一体化规划并不是每一个普通智慧能源项目所必须的。

从核心技术框架角度看，面向智慧能源领域，需要结合计量、测控、结算、交易、调控、工艺管理、用户管理、金融创新等层面的行业痛点、产业发展诉求、前沿技术(目前更多的是技术在框架、协议和理念层面的突破)、商业化进程以及政策方向和趋势等具体情况，聚焦需求反馈和需求引导之间的契合基点，进行开放框架式的在线化、云平台化、精细化和人工智能化的系统重构或新建[12]。

一体化规划的最后一步才是将上述部署具体落实于核心示范或开拓型项目的基础设施规划和项目公司，规避项目指导战略或者战略拖死项目的诸多窘境，以求找到最小自循环商业模式，并以此为基点快速借势核心技术亮点，最终构建有限而稳健的智慧能源生态体系并不断迭代完善。

4 结论

1）智慧能源发展的社会根本诉求在于源侧和终端侧能源转型的生存诉求、能效节能提升的需要、协同发展的产业环境建设以及能源电力系统借助物联网、大数据、人工智能等技术实现转型升级的内部动因。

2）智慧能源发展路线是全社会一次能源结构优化调整、发输配用储上下游协同发展、新能源汽车提前布局和数字资产常态化的综合线索交集，是全过程优化并利用颠覆性技术释放社会福利的产业升级过程。

3）智慧能源项目的全过程实施是基础设施精细化优化、架构开放化和智能化建设的过程，是基于数字化运营平台系统性规划的建设常态，是战略组织架构转型、资产运营转型规划、中远期技术路线迭代、基础商业模式研究、核心产品线规划、生态建设规划、外部资源合作策略以及人力资源培育规划的综合实现。

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