智慧能源城市系列——智慧能源城市與能源互聯(lián)網(wǎng)

2022-12-23

摘要：智慧城市是城市未來的發(fā)展趨勢，智能能源為智能城市的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。城市形式的變化總是與能源的支持是分不開的。城市智能的核心點(diǎn)是智能能源的發(fā)展。本文的重點(diǎn)是智能城市的能源水平。

1.什么是智能能源城市？

智慧城市的概念首先來自美國 IBM 公司 2008 智慧地球的概念11月提出。按照 IBM 公司的定義，智能地球包括以下三個特點(diǎn)：第一，能夠感知和衡量世界的本質(zhì)和變化；第二，世界更全面地相互聯(lián)系；第三，一切、過程和運(yùn)營模式都更加智能，實現(xiàn)更智能的洞察力。智慧地球的核心是利用新一代信息技術(shù)，以智慧的方式改變?nèi)祟惖幕樱岣呋拥那逦取⑿省㈧`活性和響應(yīng)速度，使政府、企業(yè)和公民能夠做出更明智的決策。IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛認(rèn)為，智能地球應(yīng)該包括智能醫(yī)療、智能交通、智能電力、智能食品、智能貨幣、智能零售、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能城市等。

其中，智慧城市往往與數(shù)字城市、感知城市、無線城市、智能城市、生態(tài)城市、低碳城市等區(qū)域發(fā)展理念相交叉。各行各業(yè)對智慧城市概念的解讀往往根據(jù)其不同的行業(yè)有自己的重點(diǎn)。有人認(rèn)為關(guān)鍵在于技術(shù)應(yīng)用，有人認(rèn)為關(guān)鍵在于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，有人認(rèn)為關(guān)鍵在于創(chuàng)新，有人認(rèn)為關(guān)鍵在于智慧效應(yīng)。根據(jù)不同的重點(diǎn)，智慧城市被廣泛定義。城市形態(tài)千變?nèi)f化，始終離不開能源的支持，城市智慧，核心點(diǎn)是發(fā)展智慧能源。本文的重點(diǎn)是智慧城市的能源水平，我們稱之為智慧能源城市。

智慧能源城的重點(diǎn)是智慧能源城能源是我們通常所說的智能能源。智能能源的定義是：利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)實時監(jiān)控、分析能源生產(chǎn)、存儲、運(yùn)輸和使用，在大數(shù)據(jù)、云計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行實時檢測、報告和優(yōu)化，形成最佳狀態(tài)、開放、透明、分散、廣泛的自愿參與綜合管理體系，利用綜合管理體系獲得新的能源生產(chǎn)和利用形式。能源互聯(lián)網(wǎng)是智能能源實現(xiàn)的組織模式和形式。

能源互聯(lián)網(wǎng)的概念在能源行業(yè)形成了廣泛的共識，已成為促進(jìn)能源革命和確保能源可持續(xù)供應(yīng)的重要因素。根據(jù)規(guī)模，可分為城市能源互聯(lián)網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)。城市能源互聯(lián)網(wǎng)可以理解為智能能源城市血管與神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)合，為城市能源和信息的流通提供載體。城市能源互聯(lián)網(wǎng)無疑應(yīng)該通過城市能源清潔、區(qū)域、智能和互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級來實現(xiàn)。

城市能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，將解決城市能源和電力平衡的瓶頸，促進(jìn)各種能源和電力轉(zhuǎn)化，提高清潔能源在供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)的比例，優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率，促進(jìn)清潔能源的開發(fā)利用，最終實現(xiàn)城市能源消費(fèi)的基本無碳化。

因此，可以說，能源互聯(lián)網(wǎng)（特別是城市能源互聯(lián)網(wǎng)）是促進(jìn)城市快速穩(wěn)定發(fā)展、科技創(chuàng)新、城市信息化發(fā)展、創(chuàng)造更好用戶體驗的保障，最終實現(xiàn)智慧城市。

二、為什么要建設(shè)智能能源城市？

2016年世界城市狀況報告（The World Cities Report）》指出，世界五分之一的人口居住在目前排名前600的主要城市，對全球國內(nèi)生產(chǎn)總值的貢獻(xiàn)高達(dá)60%。據(jù)聯(lián)合國人口基金會介紹，到2030年，約66%或50億人口將在城市。全球人口超過1000萬的超級城市將從2016年的28座增加到2030年的41座。這無疑會給城市交通、食品供應(yīng)、給排水和廢物管理以及最關(guān)鍵的能源供應(yīng)帶來前所未有的壓力。城市人口的快速發(fā)展將是城市建設(shè)和管理的巨大挑戰(zhàn)，但也是改善數(shù)十億人生活的重要機(jī)遇。面對這一挑戰(zhàn)，世界各地的工程師都在努力利用各個層面，利用各種數(shù)字智能技術(shù)，努力建設(shè)智能城市，解決未來的城市危機(jī)。

能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的血液。作為社會進(jìn)步的動力，第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命將繼續(xù)推進(jìn)。然而，由于化石能源的枯竭和能源面臨的革命，能源利用的科學(xué)管理非常重要。通過建立智能能源管理體系，在能源需求側(cè)實施有效、按需的能源管理和利用體系，將大大提高能源利用效率，避免無效的能源浪費(fèi)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展、人工智能的普及、新能源的成熟和儲能技術(shù)的發(fā)展，有可能建立一個高效、智能的能源管理系統(tǒng)。

隨著分布式能源基礎(chǔ)設(shè)施的增加，能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，隨著城市的擴(kuò)張，用戶側(cè)能源曲線更加動態(tài)，能源數(shù)據(jù)無論是數(shù)量、類型還是動態(tài)隨機(jī)性，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)能源時代，只有人力不能及時、有效、準(zhǔn)確地判斷和控制分布式能源供需曲線，此時需要有效的輔助工具人工智能，做海量數(shù)據(jù)優(yōu)化、分析、判斷、決策，而不是人腦發(fā)出指令。因此，人工智能將在能源互聯(lián)網(wǎng)中得到很好的應(yīng)用，以支持能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

　　在能源互聯(lián)網(wǎng)的幫助下，人們可以利用探測系統(tǒng)實時監(jiān)控城市電力數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，通過智能電網(wǎng)自動調(diào)節(jié)電力質(zhì)量；利用新材料和新設(shè)計技能建造的智能建筑，結(jié)合數(shù)字技術(shù)構(gòu)建智能社區(qū)，提高各種能源系統(tǒng)的效率，減少能源浪費(fèi)；屋頂太陽能電池板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、地?zé)岚l(fā)電、新能源汽車和儲能系統(tǒng)構(gòu)建智能微網(wǎng)和城市分布式能源系統(tǒng)，實現(xiàn)新能源自給自足。

能源互聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)新能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、光伏、風(fēng)電、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能等新能源，因地制宜地整合到城市能源結(jié)構(gòu)中，利用智能系統(tǒng)準(zhǔn)確部署，彌補(bǔ)新能源隨時空變化的不足，確保新能源的有效供應(yīng)，為傳統(tǒng)能源的可持續(xù)利用提供保障。

能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？

能源互聯(lián) ** 鍵技術(shù)包括但不限于新能源發(fā)電技術(shù)、先進(jìn)電力電子技術(shù)、先進(jìn)儲能技術(shù)、先進(jìn)信息技術(shù)、需求響應(yīng)技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)，還包括關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。

新能源發(fā)電技術(shù)

新能源發(fā)電包括風(fēng)能、太陽能電，如風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能。新能源發(fā)電技術(shù)包括各種高效發(fā)電技術(shù)、運(yùn)行控制技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)等。在新能源發(fā)電技術(shù)方面，研究規(guī)模光伏發(fā)電技術(shù)、太陽能集熱發(fā)電技術(shù)、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式電源技術(shù)、燃料電池功率調(diào)節(jié)技術(shù)、諧波抑制技術(shù)、高精度新能源發(fā)電預(yù)測技術(shù)、新能源電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)、電力轉(zhuǎn)換設(shè)備、資源深度利用技術(shù)、智能控制和群控優(yōu)化技術(shù)和綜合優(yōu)化技術(shù)。同時，結(jié)合微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、小型儲水電廠等發(fā)電技術(shù)，可以有效利用能源，最大限度地減少新能源發(fā)電帶來的不穩(wěn)定性。

先進(jìn)的電力電子技術(shù)

先進(jìn)的電力電子技術(shù)包括高壓、大容量或小容量、低損耗電力電子設(shè)備技術(shù)、控制技術(shù)和新設(shè)備技術(shù)。以SiC、GaN以寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的發(fā)現(xiàn)，使人類的反向截止電壓超過20kV限制成為可能。由新型半導(dǎo)體材料制成的新器件(如SiC和Si與半導(dǎo)體設(shè)備相比，半導(dǎo)體設(shè)備具有開關(guān)損耗低、耐高溫、反向截止電壓高的特點(diǎn)，可能成為新一代高壓、低損耗、大功率電力電子設(shè)備的主要組成部分。在控制策略方面，由于數(shù)字信號處理器性能的升級，系統(tǒng)控制策略靈活多樣。各種非傳統(tǒng)控制策略，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測控制等控制技術(shù)，能夠適應(yīng)電網(wǎng)臨時過程的復(fù)雜控制策略，整合了一系列軟開關(guān)控制方法、系統(tǒng)級并聯(lián)控制方法、重復(fù)控制、故障檢測等復(fù)雜算法DSP大大提高了新型電力電子設(shè)備的靈活性和系統(tǒng)的可靠性。

儲能技術(shù)先進(jìn)

先進(jìn)的儲能技術(shù)包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能、超導(dǎo)儲能、超電容器儲能、冷熱儲能、氫儲能、P2G等儲能技術(shù)；在物理形式上，包括可用于大電網(wǎng)峰值調(diào)整和頻率調(diào)整輔助服務(wù)的儲能設(shè)備，以及家庭、建筑和公園級的儲能模塊。風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電設(shè)備的輸出功率會隨環(huán)境因素而變化，儲能裝置可以及時儲存和釋放能量，保證供電的可持續(xù)性和可靠性。超導(dǎo)儲能和超電容儲能系統(tǒng)可有效改善風(fēng)電輸出功率和系統(tǒng)頻率波動，實現(xiàn)平滑風(fēng)電輸出功率和參與電網(wǎng)頻率控制的雙重目標(biāo)；壓縮空氣儲能是能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、長能儲存的儲能技術(shù)之一。儲能技術(shù)和新型節(jié)能材料在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，將對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、用電等環(huán)節(jié)產(chǎn)生根本影響，是電力技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵方向。

先進(jìn)的信息技術(shù)

先進(jìn)的信息技術(shù)由智能感知、云計算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)組成，代表了能源領(lǐng)域信息技術(shù)的發(fā)展方向。能源互聯(lián)網(wǎng)開放平臺是利用云計算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建的開放管理和服務(wù)軟件平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、管理、分析和互動服務(wù)功能，支持電力交易、新能源配額交易、分布式電源和電動汽車充電設(shè)施監(jiān)控和運(yùn)行維護(hù)、節(jié)能服務(wù)、互動電力、需求響應(yīng)等新業(yè)務(wù)。

1)數(shù)字測量技術(shù)。智能感知技術(shù)包括數(shù)據(jù)感知、采集、傳輸、處理、服務(wù)等。智能傳感器獲取能源互聯(lián)網(wǎng)中輸配電網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)、信息通信網(wǎng)、天然氣網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及用戶側(cè)各種網(wǎng)絡(luò)能源設(shè)備、分布式電源和微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、收集和分析，提供了改進(jìn)的控制策略。IEC微信、IEEE1888等標(biāo)準(zhǔn)可作為數(shù)據(jù)采集和傳輸標(biāo)準(zhǔn)的參考。利用基于IPV6.開放式多服務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持端到端業(yè)務(wù)，實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的互動，實現(xiàn)各種智能設(shè)備的即插即用。除智能電表外，還支持其他非電表設(shè)備的無縫接入。

2)云計算技術(shù)。云計算(cloudcomputing)計算資源(包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用和服務(wù)等。)可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地、按需、方便地獲取，提高其可用性，實現(xiàn)隨時、隨地、隨身的高性能計算[46-47]。互聯(lián)網(wǎng)營銷技術(shù)包括實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)營銷的電子商務(wù)平臺技術(shù)和相應(yīng)的營銷模式；能源互聯(lián)網(wǎng)將支持B2B(business to business)、B2C(business toconsumer)、C2C(customer to consumer)利用互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的互聯(lián)能力，支持各種市場實體的交易活動，如發(fā)電商(包括分布式電源和微網(wǎng)運(yùn)營商)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、用戶、批發(fā)或零售電力公司。

3)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)是指傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具在一定時間內(nèi)無法提取、管理和處理其內(nèi)容的數(shù)據(jù) ** 。管網(wǎng)安全監(jiān)控、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、能源交易、用戶電能計量、燃?xì)庥嬃俊⒎植际诫娫础㈦妱悠嚨刃仑?fù)荷數(shù)據(jù)的訪問將遠(yuǎn)大于智能電能表數(shù)據(jù)。從大數(shù)據(jù)處理過程來看，大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)包括：大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)預(yù)處理、大數(shù)據(jù)存儲與管理、大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)顯示與應(yīng)用（大數(shù)據(jù)檢索、大數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)安全等。

需要響應(yīng)技術(shù)

需求響應(yīng)是指用戶對電價或其其他激勵，改變用電方式。通過實施需求響應(yīng)，不僅可以在短時間內(nèi)減少負(fù)荷需求，還可以在未來一定時間內(nèi)調(diào)整負(fù)荷，實現(xiàn)峰值移動和填充。除了相應(yīng)的技術(shù)支持外，該技術(shù)還需要制定相應(yīng)的電價政策和市場機(jī)制。一般來說，需要建立需求響應(yīng)系統(tǒng)，包括主站系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和智能終端，實現(xiàn)電價激勵信號、用戶選擇和執(zhí)行信息的雙向交互，實現(xiàn)用戶負(fù)荷自主可控的目的。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，優(yōu)化調(diào)度各用戶側(cè)需求響應(yīng)資源將提高能源綜合利用效率。

微能源網(wǎng)技術(shù)

微能源網(wǎng)絡(luò)是指可以與公共能源網(wǎng)絡(luò)連接并獨(dú)立運(yùn)行的城鄉(xiāng)社區(qū)或公園、工廠和學(xué)校的微能源網(wǎng)絡(luò)。微能源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可再生清潔能源發(fā)電、靈活方便的充電設(shè)施、太陽能、生物質(zhì)發(fā)電或氫能等可再生能源通過能源路由器進(jìn)入微能源網(wǎng)絡(luò)。各種可再生能源發(fā)電可由個人和企業(yè)以多種方式建設(shè)和運(yùn)營。當(dāng)然，節(jié)能服務(wù)模式的建設(shè)和運(yùn)維微能源網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是一種重點(diǎn)探索的方式。微能源網(wǎng)絡(luò)的主體實現(xiàn)了電力、發(fā)電、電力銷售等業(yè)務(wù)的整合。微能源網(wǎng)將為綠色城鎮(zhèn)化和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)樹立榜樣。微能源網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)包括多能源協(xié)調(diào)規(guī)劃、多能源轉(zhuǎn)控制與管理、分布式發(fā)電預(yù)測等。

標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系可由規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)運(yùn)營、運(yùn)維管理、交易服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)組成。能源互聯(lián)網(wǎng)首先需要建立標(biāo)準(zhǔn)體系，逐步推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。能源互聯(lián)網(wǎng)涉及多種設(shè)備、系統(tǒng)和接口，首先是能源互聯(lián)網(wǎng)開放平臺標(biāo)準(zhǔn)，包括接口標(biāo)準(zhǔn)。能源互聯(lián)網(wǎng)涉及各種能源轉(zhuǎn)換、交易、服務(wù)和多元化市場實體。必須跟進(jìn)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和能源貿(mào)易法規(guī)，以確保能源互聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行。

參考資料：

能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析

智慧能源催生城市能源精細(xì)化管理新機(jī)遇

中國智慧能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告-2014

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