智慧能源城市系列——智慧能源城市與能源互聯網

2022-12-23

摘要：智慧城市是城市未來的發展趨勢，智能能源為智能城市的發展提供了基礎。城市形式的變化總是與能源的支持是分不開的。城市智能的核心點是智能能源的發展。本文的重點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：第一，能夠感知和衡量世界的本質和變化；第二，世界更全面地相互聯系；第三，一切、過程和運營模式都更加智能，實現更智能的洞察力。智慧地球的核心是利用新一代信息技術，以智慧的方式改變人類的互動，提高互動的清晰度、效率、靈活性和響應速度，使政府、企業和公民能夠做出更明智的決策。IBM公司首席執行官彭明盛認為，智能地球應該包括智能醫療、智能交通、智能電力、智能食品、智能貨幣、智能零售、智能基礎設施、智能城市等。

其中，智慧城市往往與數字城市、感知城市、無線城市、智能城市、生態城市、低碳城市等區域發展理念相交叉。各行各業對智慧城市概念的解讀往往根據其不同的行業有自己的重點。有人認為關鍵在于技術應用，有人認為關鍵在于基礎設施建設，有人認為關鍵在于創新，有人認為關鍵在于智慧效應。根據不同的重點，智慧城市被廣泛定義。城市形態千變萬化，始終離不開能源的支持，城市智慧，核心點是發展智慧能源。本文的重點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：利用互聯網、物聯網等新一代信息技術實時監控、分析能源生產、存儲、運輸和使用，在大數據、云計算的基礎上進行實時檢測、報告和優化，形成最佳狀態、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和利用形式。能源互聯網是智能能源實現的組織模式和形式。

能源互聯網的概念在能源行業形成了廣泛的共識，已成為促進能源革命和確保能源可持續供應的重要因素。根據規模，可分為城市能源互聯網和全球能源互聯網。城市能源互聯網可以理解為智能能源城市血管與神經系統的結合，為城市能源和信息的流通提供載體。城市能源互聯網無疑應該通過城市能源清潔、區域、智能和互聯網轉型升級來實現。

城市能源互聯網的建設，將解決城市能源和電力平衡的瓶頸，促進各種能源和電力轉化，提高清潔能源在供給側和消費側的比例，優化城市能源結構，提高能源利用效率，促進清潔能源的開發利用，最終實現城市能源消費的基本無碳化。

因此，可以說，能源互聯網（特別是城市能源互聯網）是促進城市快速穩定發展、科技創新、城市信息化發展、創造更好用戶體驗的保障，最終實現智慧城市。

二、為什么要建設智能能源城市？

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，對全球國內生產總值的貢獻高達60%。據聯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、給排水和廢物管理以及最關鍵的能源供應帶來前所未有的壓力。城市人口的快速發展將是城市建設和管理的巨大挑戰，但也是改善數十億人生活的重要機遇。面對這一挑戰，世界各地的工程師都在努力利用各個層面，利用各種數字智能技術，努力建設智能城市，解決未來的城市危機。

能源是現代社會發展的血液。作為社會進步的動力，第一次工業革命和第二次工業革命將繼續推進。然而，由于化石能源的枯竭和能源面臨的革命，能源利用的科學管理非常重要。通過建立智能能源管理體系，在能源需求側實施有效、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。隨著互聯網技術的快速發展、人工智能的普及、新能源的成熟和儲能技術的發展，有可能建立一個高效、智能的能源管理系統。

隨著分布式能源基礎設施的增加，能源生產結構越來越復雜，隨著城市的擴張，用戶側能源曲線更加動態，能源數據無論是數量、類型還是動態隨機性，遠比傳統能源時代，只有人力不能及時、有效、準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，做海量數據優化、分析、判斷、決策，而不是人腦發出指令。因此，人工智能將在能源互聯網中得到很好的應用，以支持能源互聯網的發展。

　　在能源互聯網的幫助下，人們可以利用探測系統實時監控城市電力數據，結合大數據分析，通過智能電網自動調節電力質量；利用新材料和新設計技能建造的智能建筑，結合數字技術構建智能社區，提高各種能源系統的效率，減少能源浪費；屋頂太陽能電池板、小型風力發電機、地熱發電、新能源汽車和儲能系統構建智能微網和城市分布式能源系統，實現新能源自給自足。

能源互聯網將實現新能源產業創新、光伏、風電、地熱、生物質能等新能源，因地制宜地整合到城市能源結構中，利用智能系統準確部署，彌補新能源隨時空變化的不足，確保新能源的有效供應，為傳統能源的可持續利用提供保障。

能源互聯網的關鍵技術有哪些？

能源互聯 ** 鍵技術包括但不限于新能源發電技術、先進電力電子技術、先進儲能技術、先進信息技術、需求響應技術、微網技術，還包括關鍵設備技術和標準化技術。

新能源發電技術

新能源發電包括風能、太陽能電，如風能、太陽能和生物質能。新能源發電技術包括各種高效發電技術、運行控制技術、能量轉換技術等。在新能源發電技術方面，研究規模光伏發電技術、太陽能集熱發電技術、變速恒頻風力發電系統、微型燃氣輪機分布式電源技術、燃料電池功率調節技術、諧波抑制技術、高精度新能源發電預測技術、新能源電力系統保護技術、電力轉換設備、資源深度利用技術、智能控制和群控優化技術和綜合優化技術。同時，結合微型燃氣輪機發電、小型儲水電廠等發電技術，可以有效利用能源，最大限度地減少新能源發電帶來的不穩定性。

先進的電力電子技術

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

儲能技術先進

先進的儲能技術包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能、超導儲能、超電容器儲能、冷熱儲能、氫儲能、P2G等儲能技術；在物理形式上，包括可用于大電網峰值調整和頻率調整輔助服務的儲能設備，以及家庭、建筑和公園級的儲能模塊。風電、光伏等可再生能源發電設備的輸出功率會隨環境因素而變化，儲能裝置可以及時儲存和釋放能量，保證供電的可持續性和可靠性。超導儲能和超電容儲能系統可有效改善風電輸出功率和系統頻率波動，實現平滑風電輸出功率和參與電網頻率控制的雙重目標；壓縮空氣儲能是能夠實現大規模、長能儲存的儲能技術之一。儲能技術和新型節能材料在電力系統中的廣泛應用，將對傳統電力系統的發電、輸電、配電、用電等環節產生根本影響，是電力技術研發的關鍵方向。

先進的信息技術

先進的信息技術由智能感知、云計算和大數據分析技術組成，代表了能源領域信息技術的發展方向。能源互聯網開放平臺是利用云計算和大數據分析技術構建的開放管理和服務軟件平臺，實現數據收集、管理、分析和互動服務功能，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施監控和運行維護、節能服務、互動電力、需求響應等新業務。

1)數字測量技術。智能感知技術包括數據感知、采集、傳輸、處理、服務等。智能傳感器獲取能源互聯網中輸配電網、電氣化交通網、信息通信網、天然氣網的運行狀態數據以及用戶側各種網絡能源設備、分布式電源和微電網的運行狀態參數。傳感器數據經過處理、收集和分析，提供了改進的控制策略。IEC微信、IEEE1888等標準可作為數據采集和傳輸標準的參考。利用基于IPV6.開放式多服務網絡系統支持端到端業務，實現用戶與電網的互動，實現各種智能設備的即插即用。除智能電表外，還支持其他非電表設備的無縫接入。

2)云計算技術。云計算(cloudcomputing)計算資源(包括網絡、服務器、存儲、應用和服務等。)可以通過網絡隨時隨地、按需、方便地獲取，提高其可用性，實現隨時、隨地、隨身的高性能計算[46-47]。互聯網營銷技術包括實現互聯網營銷的電子商務平臺技術和相應的營銷模式；能源互聯網將支持B2B(business to business)、B2C(business toconsumer)、C2C(customer to consumer)利用互聯網強大的互聯能力，支持各種市場實體的交易活動，如發電商(包括分布式電源和微網運營商)、網絡運營商、用戶、批發或零售電力公司。

3)大數據分析技術。大數據是指傳統數據庫軟件工具在一定時間內無法提取、管理和處理其內容的數據 ** 。管網安全監控、經濟運行、能源交易、用戶電能計量、燃氣計量、分布式電源、電動汽車等新負荷數據的訪問將遠大于智能電能表數據。從大數據處理過程來看，大數據關鍵技術包括：大數據采集、大數據預處理、大數據存儲與管理、大數據分析、大數據顯示與應用（大數據檢索、大數據可視化、大數據應用、大數據安全等。

需要響應技術

需求響應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，不僅可以在短時間內減少負荷需求，還可以在未來一定時間內調整負荷，實現峰值移動和填充。除了相應的技術支持外，該技術還需要制定相應的電價政策和市場機制。一般來說，需要建立需求響應系統，包括主站系統、通信網絡和智能終端，實現電價激勵信號、用戶選擇和執行信息的雙向交互，實現用戶負荷自主可控的目的。在能源互聯網中，優化調度各用戶側需求響應資源將提高能源綜合利用效率。

微能源網技術

微能源網絡是指可以與公共能源網絡連接并獨立運行的城鄉社區或公園、工廠和學校的微能源網絡。微能源網絡實現可再生清潔能源發電、靈活方便的充電設施、太陽能、生物質發電或氫能等可再生能源通過能源路由器進入微能源網絡。各種可再生能源發電可由個人和企業以多種方式建設和運營。當然，節能服務模式的建設和運維微能源網絡應該是一種重點探索的方式。微能源網絡的主體實現了電力、發電、電力銷售等業務的整合。微能源網將為綠色城鎮化和美麗鄉村建設樹立榜樣。微能源網絡的主要技術包括多能源協調規劃、多能源轉控制與管理、分布式發電預測等。

標準化技術

能源互聯網標準體系可由規劃設計、建設運營、運維管理、交易服務等標準組成。能源互聯網首先需要建立標準體系，逐步推進標準體系建設。能源互聯網涉及多種設備、系統和接口，首先是能源互聯網開放平臺標準，包括接口標準。能源互聯網涉及各種能源轉換、交易、服務和多元化市場實體。必須跟進相應的技術標準和能源貿易法規，以確保能源互聯網的正常運行。

參考資料：

能源互聯網發展及關鍵技術分析

智慧能源催生城市能源精細化管理新機遇

中國智慧能源產業發展報告-2014

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