智能电网在智慧城市中的应用：以益阳市为例

杨 娴，贾志坚，钱昊炜

(1.湖南城市学院 能源感知与边缘计算湖南省重点实验室，湖南 益阳 413002；2.国网湖南省电力有限公司 益阳供电分公司，湖南 益阳 413000)

随着信息技术的发展，人与物、物与物联系越来越紧密，城市形态也逐渐走向智慧化、智能化[1-2].“智慧城市”理念自被提出，就迅速进入建设发展阶段.目前，通过优化资源配置发展低碳经济，有效缓解了“城市病”的症状，在维持社会可持续性发展的同时，提高了市民生活质量[3].

智慧城市和智能电网的发展相辅相成，智慧城市推动了电网智能化，智能电网又服务于城市智慧化[4].智能电网作为智慧城市的核心之一，将是我国未来重点发展方向.电力系统在经济建设中发挥着中流砥柱的作用.随着社会的进步，以化石能源为核心的传统电网的时代终将结束，迎来的将是通过清洁能源供应技术、互联网+应用新技术和先进的服务理念共同打造的智能电网时代[5-6].在智慧城市系统中，城市布局将更加紧凑化，功能设置将更加综合化，管理运行也将更加数字化[7].

1 智慧城市建设发展概述

20 世纪90 年代，IBM 公司首次提出“智慧城市”理念，认为其本质是以新一代信息技术为支撑，将城市各个系统融合为一个整体，从而优化资源利用[8].李德仁院士认为智慧城市是数字城市与物联网二者的结合，即在城市全面数字化基础上更加可视化和智能化[9].基于信息交互方式的创新和优化，构建了平台间的信息共享模式，加强了人与物、物与物之间的互联互通[10].智慧城市的发展有助于各个系统协同运作[11].

“智慧城市”作为城市发展的新模式，虽然尚未形成成熟统一的发展途径，但国外多个国家(企业)根据自身城市特点，对建设智慧城市进行了大胆摸索，提供了许多有借鉴意义的经验[12]，如表1 所示.

表1 国外智慧城市的发展情况

我国对开展智慧城市的建设也进行了有益尝试.如杭州在智慧交通领域取得了显著成绩，“互联网+信号优化配时”的模式创新大大降低了交通拥堵率[13]；南京市政务数据中心和智慧南京中心综合管理平台的建成，不仅极大地提升了南京政府各部门的办公效率，同时也提升了市民和企业对政府的满意度[14]；无锡市政府克服信息标准不统一、信息安全技术欠缺等困难，以人为本，对烈士档案进行智慧化建设[15]；在上海的四季酒店，通过手机终端就可以启动智能系统，客人可随心控制房间内所有设备，与传统方式相比，可节能50%.

2 智能电网建设

智慧城市的建设离不开智能电网的发展.智能电网实质上就是电网智能化，旨在运用科学、可持续发展模式替代传统网络粗放的发展模式.基于先进的传感测量技术、智能控制技术和决策支持系统技术[16]，集能源开发、输配电技术、售电功能和各种用电设备终端为一体的数字信息共享的智能系统[17]，在满足用户电能需求的同时，实现电网的安全、经济、可靠运行.

2.1 益阳市智能电网建设成就

湖南省益阳市积极开展智能电网建设.2021年度消纳光伏扶贫电站上网电量5 538 万kW·h.有序推进21 项数字化建设任务；“两降一控”、同业对标、数据贯通和用电趋势4 类数字技术均发挥积极效用，完成了益阳电网“数字沙盘”建设；为加快推进数字创新示范基地建设，首创沧水铺5G 小镇应用场景，建设“4+”架构，并启动建设了5 座数据中心站；以建设智能电网和数字化企业为抓手，成立市级电动汽车事业部，实现5 大专车市场业务全覆盖，其间，投运64 台充电桩(见图1).

图1 益阳市奥林匹克公园充电桩

2.2 智能电网的发展与智慧城市的建设相统一

从根本上讲，智能电网的发展方向与智慧城市的建设目标是一致的.智能电网通过广泛采用大数据、物联网、云计算等新一代信息技术，提高了城市智能化水平，使城市绿色、低碳、可持续发展.一方面，智能电网是通过分析用户的用电行为而形成的一种新型的电力管理运行机制，针对性地融合新型供电技术和监控技术，提供科学性的供电指导以及合理的电力配置，从而提高电网运行的安全性和鲁棒性[18].因此，智能电网的建设和发展，既能增强用户的融入感和满意度，也能顺应城市的发展.另一方面，智慧城市是当今城市建设的热点之一，其内容丰富，涉及到基础设施、产业发展和管理创新的各方面，城市的智慧化、智能化有助于完善城市治理体系和提高综合管理能力[19]，保持城市经济可持续发展.

中新天津生态城、上海世博园和55 个“互联网+”智慧能源示范项目[20-21]的建成，见证了智能电网技术为促进“智慧城市”发展所做的贡献.

3 智能电网对智慧城市建设的支撑

基于分布式电源、电动汽车和智能园区3 个模块，智能电网对智慧城市建设的支撑见图2.

图2 智能电网在智慧城市建设的应用框架

3.1 分布式电源

分布式电源主要利用天然气等清洁能源，氢气等新能源，风能、水能、太阳能等可再生能源进行发电，同时将发电的余热加以利用，从而提高能源使用效率.由于其所发电能不稳定，通常在用户附近将所发电能就地消纳，实现配电网局部均衡.

为推动益阳市智慧城市的建设，可优先考虑分布式电源的发展.益阳市水资源丰富，仅资江流经市区河段可供发电贮量就达100 万kW·h，现已建成6 个水电站.分布式电源的发展可减缓大型发电厂和高压输电网的建设，不仅节约投资成本，也可减少城市电磁污染；分布式能源清洁且可再生，可缓解能源危机，减少有害物排放，促进城市低碳环保；冷热电联产可分担电网在高峰负荷的供电压力，提高城市居民用电稳定性；当电网发生故障引起连锁反应甚至出现大面积停电时，分布式电源仍可保持正常运行，提高城市供电可靠性.

3.2 电动汽车

作为一种清洁型交通工具，电动汽车对解决空气污染问题具有重要的现实意义.若将益阳市的传统燃油汽车置换为电动汽车，将大幅度减少城市二氧化碳的排放，促进城市绿色发展.

但对电网而言，大规模电动汽车接入电网，可将其视为一种充电负荷.电动汽车既可以选择在充电桩排队等候充电，也可以选择在站点直接更换电池组.当电动汽车在充电桩充电时，采用的是即插即充的形式，通常这种情况下是进行的无序充电，特别是在用电高峰时期，会对电网负荷造成一定的冲击.当电动汽车选择在站点更换电池组时，配送车可将空电池组送往集中型充电站，在集中型充电站经过合理调度、规划充电时间即可进行有序充电，实现“削峰填谷”.这2 种典型的充电模式如图3 所示.

图3 电动汽车能源供给的2 种典型形式

此外，电动汽车也可以作为储能装置.一方面，存储可再生能源发出的电能，提高可再生能源接纳能力，有利于可再生能源大规模发电的推广应用；另一方面，通过V2G(vehicle to grid)技术，充电站/充电桩可将电池储能送至电网，即在合适的时段向电网反馈电能，减少电网峰谷差，优化负荷用电曲线.

3.3 智能园区

基于用电信息采集系统、能效管理系统、用户需求响应系统等基础性服务，综合计算机技术、通信技术、控制技术等多种技术应用，实现益阳市电网与用户间的双向互动，引导用户科学合理用电，促进节能减排，实现“智慧益阳”的绿色可持续发展.智慧园区主要包含3 大模块：智能化应用系统、绿色节能管理和政务办公服务平台.

通过智能化应用系统的建设，基于园区用户数据的采集与分析，一方面可帮助园区在安全、环保、安防管理以及能源管理方面建立统一的组织管理协调架构，实现系统监测和预警；另一方面，根据园区的能源消耗和节能控制需求，综合节能管理系统主要利用智能照明管理、空调节能自控和节水控制等系统，提高用能管理水平.

4 结束语

智能电网作为智慧城市的支撑性基础设施，可为智慧城市的规划和建设提供有力支持；同时，智慧城市的发展对智能电网的运行也提出了更高的要求，二者的发展相辅相成.考虑到益阳市实际情况，本文建议：1)合理接入分布式电源，并充分利用可再生能源发电，特别是加强水电的发展；2)推广电动汽车大规模使用，统筹规划，对电动汽车电池采取集中有序的充放电方式，缓解能源供给压力的同时，对负荷曲线实现“削峰填谷”；3)充分利用智能电网采集的数据并加以分析，引导用户节能减排，增强用户在城市智慧化进程中的参与感，实现“智慧益阳”的绿色可持续发展.