城市能源变革下智慧能源系统建设研究

鲁 刚，王 雪，陈 昕，姜怡喆

（国网能源研究院有限公司，北京 102209）

1 背景

新时期正在同步推进的城市升级与能源变革，愈发显现双轨融合趋势，为彼此提供了相互驱动、发生“化学反应”的历史机遇。城市是能源变革的主战场，聚集了全球50%的人口，创造了80%的GDP，也消费了80%的能源并产生了75%的碳排放。预计到2050年，中国将有80%的人口集中在城市地区。因此，推动城市能源变革将成为打破传统发展模式惯性、实现城市升级和能源革命双目标、引领工业文明和生态文明融合发展的重要路径。学界及相关各方先后提出城市智慧能源系统是城市升级与能源转型的融合点，所孕育的新模式、新产业、新业态空间巨大，未来发展前景广阔［1—5］。能源行业、互联网行业等跨界进入者开展了不同程度的业务转型、商业模式创新、产业化等尝试，地方政府也意识到城市能源变革对落实供给侧改革、促进新兴产业发展、改善生态、实现城市更高质量升级的重大作用，但这一新生事物从构想到落地还面临大量挑战。

目前，智慧城市是城市升级的主要方向，全国有近300个智慧城市建设试点，但就整体而言，能源仍被视为基础设施，在智慧城市发展中仍处于边缘位置，各方对能源转型将驱动城市升级还缺少意识，也没有系统的指导理论。单从能源角度看，世界范围内的城市升级也仅停留在“新能源”、“低碳”城市等层面，更多是单纯的能源系统的清洁低碳化转型，仍缺乏与城市其他系统的深度融合、系统设计与实践。现实中，除雄安等增量城市可以像一张白纸勾勒蓝图外，大部分城市都是存量升级改造，城市能源变革面临着大规模已有沉淀资产和各类能源品种既有“竖井式”发展惯性等技术性、经济性、体制性的综合性困难，城市智慧能源系统建设总体上仍处于概念层面，实践中，城市智慧能源系统的整体解决方案最高只做到园区级，有大量理论与实践问题需要厘清。本文尝试对能源转型驱动城市发展、城市智慧能源系统发展前景进行展望。

2 城市升级与能源转型

新时代我国社会主要矛盾在城市能源领域的体现之一是城市升级所蕴含的能源消费模式升级需求与现有城市能源系统不同程度存在的高污染、高排放、高能耗之间的矛盾。研判城市智慧能源系统发展前景要放在这个大背景下思考，一方面是城市升级带来的能源转型需求，即消费模式升级拉动产业创新；另一方面，往往被各方忽视的是新时期能源转型将驱动城市升级。

新时期能源转型成为城市升级的重要新旧动能转化点，将由基础性位置转为创新动力地位。“互联网＋”成为当今时代重大创新动力源泉。而从人类历史长河来看，能量作为与信息一样的基础要素，实际上已经历多轮“能源＋”过程，从柴薪、煤炭、油气到可再生能源，均带来生产生活的巨变。尤其是工业革命以来，能源革命更成为先导，每轮变革都带来生产力大幅提升。这是驱动社会发展到成为基础设施再演化为新一轮驱动力的过程。正在推进的清洁低碳、安全高效能源体系建设，为产业转型、城市升级提供了新动能。

能源转型驱动城市升级将带来用能方式巨变。能源互联网将成为未来能源系统主要形态［6—7］。随着互联互通能力增强、技术进步、产品与服务丰富、组织模式与市场模式进化，在未来极有可能像“互联网＋”破除各行各业的信息壁垒一样，以“能源＋”或“能源互联网＋”的形态改进各类高污染、高排放、高能耗生产生活方式，推动全社会绿色可持续发展。

本轮能源转型驱动城市升级具有新特点:一是围绕气候变化、生态问题、资源紧缺的这次能源转型，改变了一次能源利用由低能量密度向高能量密度进化的路径，广泛使用分散、低能量密度、高波动的新能源。这种不同引发了不同于化石能源时代产业链条、商业模式的进化；二是随着电气化水平提升、能源消费者向产销者转变、电网平台能力增强，以用户为中心、互动性更强成为能源系统典型新特征，这将为更高效地解决有关城市病、发展智慧城市提供更多新途径；三是由能源领域科技进步单一驱动转为深度结合大数据、人工智能等技术和互联网思维，以跨界融合、更智能方式创新发展模式和业态。

综上，城市能源变革将成为本轮城市升级的核心内容，城市智慧能源系统将成为智慧城市的有机体，并由基础性、保障性的位置转为驱动性、核心位置，为智慧城市建设提供新思维、新手段、新模式、新业态，进一步丰富和延伸智慧城市产业链，为城市生产生活提供更丰富的能源产品与服务。

3 设计思路与功能架构

3.1 理论基础

能源转型驱动城市升级的新定位和新特点为城市能源智慧系统建设指明了方向，其建设发展需要以系统论为指导，遵循智慧城市理论和能源互联网发展规律。城市智慧能源系统首先是一个高度复杂的有机体，其建设发展要以形成具有特定功能的系统为目标，并按照系统所应具备的结构性与层次性特征、开放性与发展性特征、感知性与自适应性特征、进化性特征设计。其次，世界范围内以互联网技术为驱动力、以人为本的智慧城市建设积累了正反两方面经验，形成的规律认识、体系架构、治理机制等是城市智慧能源系统建设发展的重要根基。城市智慧能源系统作为能源互联网在城市侧的具体落地，既顺应能源转型趋势，也有助于通过融入能源互联网发展新要素进一步发展智慧城市理论。

3.2 设计原则

按照创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，城市智慧能源系统建设要遵循五大原则。一是以问题为导向，解决城市当前存在的一系列“城市病”，促进城市可持续发展；二是以平台化为目标，着眼未来能源系统发展形态，激发基于城市智慧能源系统平台的城市发展活力与创造力；三是以一体化设计为基础，城市智慧能源系统设计不能局限于能源系统自身，应与能源、信息、市场等要素有机融合，实现能源系统与城市其他基础设施一体化融合；四是秉承绿色发展理念，充分考虑城市区域清洁能源资源开发潜力，最大程度地利用清洁能源，实现城市绿色低碳发展；五是注重系统的开放包容性，满足各类能源品种、能源形式的接入，满足各类设备的即插即用，满足多主体的广泛参与，系统具有可扩展性。

3.3 总体功能

立足当前城市的发展面临能源短缺、环境污染、交通拥堵、粗放管理等一系列问题，城市智慧能源系统应具备解决相关城市病的功能，促进城市可持续发展。未来城市智慧能源系统应具备3项基本功能:一是能源领域类“集成电路”功能，高效解决整个能源系统效率、排放、便捷度等方面的系列问题；二是智慧功能，具有自我感知、自我适应、自我进化功能，动态支撑智慧城市发展；三是平台功能，具有入口、联接、激发属性，实现广泛主体间能源、信息、市场等整合，形成能源领域的“苹果系统”，即智慧能源应用App的操作平台。

3.4 功能架构

城市智慧能源系统将以现有能源体系架构为主体和基础，通过存量升级和增量换代逐步形成下一代能源系统。可以从2个维度进行解构:一是物理信息融合系统加上社会系统，包括能源生产、转换、传输、存储和消费的物理层，信息采集、传输、处理和存储的信息层，以及广泛的用户互动、市场交易、增值服务、监管治理、政策体系等社会层；二是多层次的存量与增量并存，包括煤、油、气、电、热等多个能源品种的独立系统与多能互补的融合系统并存，封闭的能源子系统、能源和城市其他子系统一体化建设并存。存量相对独立、封闭，增量相对融合、开放，目前增量主要存在于各类园区、大工业用户等末端。

具体而言，即是由设备、中枢控制系统、业态和政策体系构成。

•设备包括城市各类能源配网，大型冷热电三联供、垃圾燃烧发电/制热、大中型地热供热站等集中供冷/热站，以及由分布式可再生能源发电/制热、小型冷热电三联供、小型地热、燃料电池、P2G、储热/储冷/储气/储电、智能家居、充电桩、微网能源管理系统等各环节构成的分布式能源系统。

•城市能源综合服务平台是智慧能源系统的中枢，实现城市能源的安全调控、市场交易、数据共享、应用接口等功能。

•以新业态为内生动力，促进市场主体积极参与，实现内生式发展。

•创新城市综合能源政策本身就是城市智慧能源系统建设的有机组成，没有数据开放共享机制、各类能源“竖井式”壁垒破除、体制突破、政策扶持红利，城市能源变革将很难扭转发展惯性。

4 发展路径与重点内容

4.1 发展路径

能源互联网是智能电网的再延伸［8］，城市智慧能源系统是能源互联网在城市侧落地，以智能电网为平台推进系统建设可能是最佳路径。具体而言，需要关注增量整体规划设计和存量升级改造两大场景。增量场景是相对概念，从新增工业用户、新建园区到雄安新城建设等都是增量，应从整体角度进行顶层设计，从规划建设阶段就推动打破壁垒，实现能源系统中各能源品种有效统筹。对于大量城市升级改造的存量场景，应主要着眼于当前城市发展存在的系列问题以及未来城市发展目标和定位，将问题、目标与城市智慧能源系统的建设内容相关联，结合城市改造计划，分步骤推进。

城市智慧能源系统建设要大处着眼、小处着手，总体布局、由下而上。一是以园区、工业企业等为重点，因地制宜推进综合能源整体解决方案，以点带面，逐步推动城市能源整体变革；二是以整个城市为对象，以城市整体实现能源变革为目标，重点加强城市级综合能源系统规划，推动数据开放，建设城市级综合能源服务平台，开展标准设计等全局性工作；三是存量升级改造过程要立足绿色低碳能源转型大趋势，充分发挥智能电网作为能源互联网核心平台作用，推进跨能源系统耦合升级。

4.2 城市级综合能源规划要点

在未来“多能互补、源网荷储协调”的智慧能源系统规划中，追求经济性基础上，需把握4个重点:一是统筹考虑本市能源资源条件与可通过大电网等渠道获取的外部资源，优化平衡内外部资源搭配，以最大程度利用清洁能源；二是在充分考虑不同能源品种在满足终端用户用能需求上的等效替代关系基础上，以电能替代等理念评估各能源品种的消费需求及增长潜力；三是电与其他能源形式相比，具有速度快、效率高的特点，在能源加工转换环节，推动以电为核心，热、气等能源系统协同优化，科学规划热电联产、热泵、燃气三联供等多能耦合环节的规模和布局；四是以获得必要灵活裕度为目标，根据城市能源利用特点，合理配置储电、储热、制氢等多元存储方式。

鉴于分布式能源系统多是市场行为、分散自治元素，难以统一规划建设，要把握好整体规划与自治元素的协调。要围绕能够支持分散自治元素大量接入、即插即用规划大系统。通过制定标准、配备储能等，平抑分散各自治元素的波动，避免波动跨级上传，影响大系统。要充分计及分布式发电、储能、电动汽车、需求响应等分散主动元素参与大系统调度运行作用。

实现能源子系统与城市其他子系统的深度融合，加强一体化规划。实现物理信息一体化，能源装置与信息采集设备的融合标准、能源网络与信息网络的协同设计是关键。能源交通一体化过程中，实现充电桩布局、充放电调节和交通流量疏导等匹配。由于城市土地稀缺，电、气、冷、热管网布局宜综合规划，实施管廊一体化规划。

4.3 建设城市能源综合服务平台

城市能源综合服务平台集系统调控、市政协调、市场交易、数据共享、应用接口等功能为一体，是城市智慧能源系统的中枢，是自我感知、自我进化的关键所在，也是与城市其他子系统协调互动、形成城市功能有机体的重点，其中关键之一是数据安全开放共享，以此催生新业态、新应用。

4.4 培育新模式和新业态

能源转型驱动城市升级，将带来综合能源服务、能源大数据、绿色金融、“光伏＋特色产业”、“地热＋”、“新一代人工智能＋能源”等能源与信息要素之间、能源与其他产业之间融合创新形成的新模式和新业态。其中，电动汽车充换电服务是能源子系统与交通子系统深度融合的关键节点，与光伏云网等一样是城市级的应用，商业模式创新空间较大，对于引导用户能源消费新模式，激发城市能源新业态具有重要作用。储能大发展将改变能源系统运行模式，释放用户互动潜力，大幅提高能源交易灵活性，从用户安装到退役动力电池梯次利用的储能全生命周期会形成不同商业模式，将成为新模式、新业态创新的枢纽。

4.5 关注城市电网建设面临的新挑战

城市电网作为城市智慧能源系统的重要组成部分，将面临潜在的新挑战。城市智慧能源系统是多能源品种高度融合的复杂系统，其安全运行不确定性风险较传统单一能源品种系统显著增加，对电网运行安全裕度提出了更高要求。城市能源变革将带来海量分布式可再生能源接入的新局面，将在配网层面带来新能源消纳挑战。面对综合能源系统多能转换、交易、调控高频变化等新情况，电作为最优转换媒介，要求电网的灵活性和响应速度进一步提升。面对城市多能源品种新业态、新模式、新应用的广泛发展，电网作为智能化程度最高、基础最好的子系统，需要提高智慧车联网、光伏云网对新应用的灵活扩展能力。

5 结束语

新时期能源转型驱动城市升级面临不同于其他历史时期的困难与挑战，各方面的实践已经广泛开展，但城市智慧能源系统建设从构思到落地还有大量理论、技术、实践难题，需要集成创新，更需要体制机制的变革。

［1］ 李伟阳，王琳钰.能源变革在城市全面发展中大有可为［N］.中国能源报，2017-03-20（4）.

［2］ 黄仁乐，蒲天骄，刘克文，等.城市能源互联网功能体系及应用方案设计［J］.电力系统自动化，2015（9）:26-33，40.

［3］ 韩小伟.基于智慧能源建设的智慧城市发展的研究［D］.北京:华北电力大学，2016.

［4］ 牛署斌，刘志波，毛知新.低碳城市建设与智慧能源系统［J］.能源评论，2017（V00）:84-87.

［5］ 蒲天骄，刘克文，陈乃仕，等.基于主动配电网的城市能源互联网体系架构及其关键技术［J］.中国电机工程学报，2015（14）:3 511-3 521.

［6］ 埃森哲.中国能源互联网商业生态展望［R］.2017.

［7］ 里夫金.第三次工业革命:新经济模式如何改变世界［M］.张体伟，孙豫宁，译.北京:中信出版社，2012:46-56.

［8］ 董朝阳，赵俊华，文福拴，等.从智能电网到能源互联网:基本概念与研究框架［J］.电力系统自动化，2014，38（15）:1-11.