摘要：當前中國城市智慧能源系統建設還存在建設內容不明、框架不清、與城市規劃建設脫節等系列問題，亟需明確城市智慧能源系統頂層架構。在系統梳理世界主要國家城市智慧能源系統建設情況的基礎上，分析了其可供借鑒的建設經驗，描繪了中國城市智慧能源系統的總體圖景，重點從建設條件、整體規劃、綜合服務平臺、政策機制等方面對城市智慧能源系統的頂層設計進行了初步探討，并對城市智慧能源系統的發展路徑進行了展望，對未來能源互聯網和城市智慧能源系統的規劃、建設、運行等提供參考。

關鍵詞：城市能源變革 城市智慧能源系統 綜合服務平臺 頂層設計

引言

能源互聯網是解決當前能源系統問題、推動能源系統變革的智慧綜合能源系統，對提高可再生能源比重、促進化石能源清潔高效利用、提升能源綜合效率具有重要意義[1-2]。城市是能源變革的主戰場，匯聚了全球50%人口的城市地區創造了80%的全球GDP、消費了75%的全球自然資源和80%的能源供應，產生了約75%的全球碳排放[3]。

從世界范圍內來看，智慧城市發展存在多方面的探索，但就能源角度來看，基本都停留在智慧能源城市即“新能源”城市的認識層面，更深入的城市智慧能源系統研究與設計基本處于空白。從國內來看，中國智慧城市建設偏重城市的信息化升級，而忽略了作為城市發展核心基礎的能源子系統的規劃建設，同時也缺少從城市整體角度去綜合考慮城市能源系統的發展視角。從城市智慧能源系統建設推進細節來看，整體架構、信息化平臺、新業態新模式等關鍵要素及各要素間關系尚不明確，一定程度上阻礙了能源互聯網和城市智慧能源系統的建設推進。本文嘗試對能源變革下城市智慧能源系統的整體概貌和關鍵要素進行分析展望，以期對未來城市智慧能源系統建設、升級、改造提供參考。

1 城市能源變革國際經驗與啟示

從世界范圍內來看，歐美等發達經濟體在城市能源變革方面進行了初步探索，重點解決城市能源系統自身發展，能源系統與生態環境之間、能源系統與城市升級之間協調發展存在的系列問題(見表1)。

結合國際經驗和中國發展實際，推進城市能源變革應當從八方面著手。一是加強能源、生態環境與城市協同發展。將能源規劃、生態環境規劃充分納入城市發展規劃當中，以統一發展視角確立城市發展的目標、模式、路徑等。二是重視能源系統頂層規劃與設計，實現有序發展。通過專業資源評估、規劃等形成科學發展基礎，引導可再生能源資源有序開發，推進源-網-荷-儲協調發展。三是加快能源體制改革，促進互補增效。通過推行PPP、混合所有制等方式，打破能源系統條塊分割局面，以多能互補促進綜合能效提升。四是積極發揮市場的高效配置作用，降低需求波動并提升靈活性資源利用水平。建立多層次能源市場，通過靈活的價格實現需求側高效管理、有效引導靈活性資源參與系統調節;建立污染權/碳交易市場，實現生態環境約束下的經濟高效發展。五是以電為核心、電網為平臺，促進可再生能源開發利用和經濟高質量發展。通過科技、管理、業態等創新，提升電網對可再生能源廣泛、高效配置能力;以電氣化增強終端能源的能量密度和穩定性，支撐經濟持續增長。六是重視信息基礎設施建設，將綜合能源服務平臺作為城市能源系統的重要建設內容。通過加強能源數據的采集、分析和共享，打通各方參與通道，共同提升能源服務水平。七是推行多樣化管理模式，破除發展慣性。以政策法律為保障，形成合理發展預期;以財稅、價格等經濟激勵手段打破發展慣性，加速能源轉型;建立和實行強制性/自愿性能效標準，挖掘各方優化潛力。八是創新合作模式，建立能源產業大生態。以政府或龍頭企業為核心，依托“雙創”戰略，推進政產學研金深度合作，促進技術、業態等創新。

2 城市智慧能源系統頂層設計

2.1 總體圖景描述

(1)以“兩個替代”實現城市能源綠色化和高效化發展。源端清潔替代，以城市分布式可再生能源就地開發及遠距離大規模可再生能源輸入為主，以天然氣、地熱、生物質等其他能源形式開發為輔，清潔能源逐步替代其他能源形式;用端電能替代，以電代油、以電代煤，電能逐步替代其他能源形式。

(2)能源系統各類元素深度融合互動，以微網形式實現能源按需轉換和多能協調互補。結合區域能源資源及能源需求情況，將分布式可再生能源發電/制熱、小型冷熱電三聯供、小型地熱、燃料電池、P2G、儲熱/儲冷/儲氣/儲電、智能家居、智能建筑、充電樁等各要素有機結合，形成微網并統一控制，實現網內電、氣、熱、冷等多種能源形式間的按需轉換和協調互濟。

(3)跨領域技術深度集成融合。在多能協同領域，重點開展能源路由器、虛擬發電廠、基于新理論和新材料的儲能及可再生能源發電技術、多能流能量管理、柔性直流、交直流混聯等技術研究;在物理信息融合領域，重點開展NB-IoT、LoRa等低功耗低成本物聯網技術、SDN網絡、確定性網絡等網絡安全技術、智能傳感等技術研究;在系統運營領域，重點開展人工智能、機器人、大云物移、多能交易、區塊鏈等技術研究。

(4)依托已有電網設施，建立與城市其他子系統間的緊密聯系，實現能源調度、數據共享、能源交易、應用接口、集中展示等功能。升級電網已有設施，實現數據采集源網荷儲全覆蓋和安全可靠傳輸，基于海量數據資源池實現數據共享、集中展示功能，通過人工智能和大數據分析，實現能源優化調度。

(5)以用戶為中心，激發新業態、新模式、新應用，形成城市能源商業生態系統。以市場為導向、客戶為中心，廣聚參與主體，開展商業模式創新，形成涵蓋能源生產、輸送、交易、利用全鏈條，包含系統優化與運維、綜合解決方案提供、數據管理、應用開發、金融服務等關鍵業態的城市能源商業生態系統。

2.2 關鍵要素頂層設計

2.2.1 從支撐城市治理角度選取能源系統關鍵要素

城市智慧能源系統的一個重要功能是有效支撐城市治理，推動城市健康快速發展。因此，城市智慧能源系統的關鍵要素選取要以解決當前及未來城市存在的一系列問題為根本出發點。例如城市的發展面臨能源短缺、環境污染、交通擁堵、應急遲緩等一系列問題，城市智慧能源系統就應強化分布式清潔能源開發利用、能量分布式存儲、智能交通、聯防監控等功能。城市能源系統關鍵要素選取如圖1所示。

圖 1 城市能源系統關鍵要素選取示意

Fig. 1 Schematic diagram of key elements ion of urban energy system

2.2.2 建設條件分析

不同的城市在建設城市智慧能源系統前，應明確城市的建設基礎和建設條件：一是明確當前城市能源系統發展現狀，包括對城市供能的能源骨干網傳輸能力，能源品種、規模、供應方式，本地資源開發及區外供應潛力，用戶用能品種比例、規模、特征;二是明確城市其他系統發展情況，智慧城市各子系統功能升級需求，能源系統與其他系統的融合程度;三是分析城市特點，包括居民生產生活方式、環保理念、文化特點等。

2.2.3 城市級綜合能源規劃要點

(1)“多能互補、源網荷儲協調”的智慧能源系統規劃中，在追求經濟性基礎上，需把握4點。①最大化利用城市內外部清潔能源。在能源供應環節，統籌考慮本市能源資源條件與可通過大電網等渠道獲取的外部資源，優化平衡內外部資源搭配，以最大限度利用清潔能源。②以電為核心設計跨系統耦合優化。推動以電為核心，熱、氣等能源系統協同優化，科學規劃熱電聯產、熱泵、燃氣三聯供等多能耦合環節的規模和布局。③以高效替代、再電氣化等理念分析各能源品類終端需求。④以獲得必要靈活裕度為目標合理配置能源的多元存儲，提高綜合能源系統靈活性，促進清潔能源消納。

(2)鑒于微能網等分散自治元素是城市智慧能源系統的基礎組成部分，但又屬于多元市場主體自發行為，難以統一規劃建設，因此要把握好大系統與小元素的關系。①保障大系統能夠支持分散自治元素大量接入、即插即用。建設新型配電網以支持分布式電源與V2G等可能產生的局部雙向潮流，改造燃氣管網以保障三聯供機組實時用氣需求，推動信息系統與能源系統深度融合以提高多元主體實時交互能力。②把控分散自治元素接入對大系統的影響。避免大量分散自治元素接入對大系統安全穩定運行產生不利影響，例如規范分布式新能源發電涉網性能標準，要求微能網配備足夠儲能，避免將劇烈波動傳導到大系統等。③規劃中充分發揮分散主動元素參與大系統運行的潛力。充分考慮分布式發電、儲能、電動汽車、需求響應等參與大系統調度運行的方式，在計及其參與系統電力平衡、調峰調頻、備用等方面潛力與促進清潔能源消納作用的條件下進行城市綜合智慧能源系統規劃。

(3)城市智慧能源系統中，實現能源系統與外部的深度融合，需要重點把握如下一體化規劃要點。①物理信息一體化：物理信息融合是城市智慧能源系統智慧化的基礎，能源裝置與信息采集設備的融合標準、能源網絡與信息網絡的協同設計是物理信息一體化的關鍵。②能源交通一體化：能源系統和交通系統是城市的關鍵子系統，充電樁布局、電動汽車充放電量控制和交通流量控制之間的匹配是能源交通一體化規劃的核心。③城市地下廊道一體化：城市土地稀缺，管網建設投資大，進行電、氣、冷、熱管網布局綜合規劃是管廊一體化規劃的核心。

2.2.4 綜合服務平臺頂層設計

城市能源綜合服務平臺是集系統調控、市政協調、市場交易、數據共享、應用接口等功能為一身的綜合體，是城市智慧能源系統的大腦，也是其“智慧”的根本所在[9]。城市能源綜合服務平臺一方面要保證城市能源系統自身的安全、高效、穩定運行和開放的能源交易，另一方面也需要與城市其他子系統進行協調互動，形成城市功能的有機體。同時，需要通過數據開放共享的方式吸引、激勵相關機構參與城市能源互聯網的建設并催生新業態、新應用。此外，要實現能源系統中多主體間的能源交易。長遠來看，平臺還將具有能源應用的植入接口和倉儲功能，實現微能網和用戶層面應用的加載使用[10]。

(1)打造區域內優先級最高的多能統一的能源系統調控子平臺。能源系統調控子平臺的主要功能是實現多能統一調度。通過建立網絡波動性和隨機性的平抑策略和風險控制策略，充分考慮集群性負荷響應特性和多能之間的轉換替代，發揮儲能在平衡能源時空差異方面的作用進行多能統一調控。同時，為了保證整個城市能源系統的安全統一調度，能源系統調控子平臺的調度優先級高于能源配網各能源品種自身的調度。能源調控子平臺示意如圖2所示。

圖 2 能源調控子平臺示意

Fig. 2 Schematic diagram of the energy control sub-platform

(2)打造以用戶為中心，以電動汽車等新業態為市場關鍵元素的能源交易子平臺。能源交易子平臺主要提供多樣化的能源交易方式，可以滿足用戶和企業的多元化的能源交易需求，如B2C的互動交易和價格套餐、B2B的雙邊合約、集中撮合、標準合約、電子拍賣等[11]。能源交易協議生效與調控指令生成聯動，滿足多主體間多能源品種的高效交易。能源交易子平臺示意如圖3所示。

圖 3 能源交易子平臺示意

Fig. 3 Schematic diagram of the energy trading sub-platform

(3)圍繞智慧能源系統基礎設施及固有特性對城市其他子系統的支撐作用，打造市政交互子平臺。利用遍布整個城市的能源基礎設施，支撐其他子系統的高效運行。利用能源負荷特性與用戶行為之間的關聯關系支撐其他子系統的運行，如負荷特性異常突變對城市防災系統、應急系統定位的協助等。城市區域用能優先保障，當城市各子系統出現故障時，通過對能源系統調度，實現故障區域用能優先保障等。市政交易子平臺示意如圖4所示。

圖 4 市政交易子平臺示意

Fig. 4 Schematic diagram of the municipal transaction sub-platform

(4)打造充分激發多方參與，利于催生新業態、新模式的數據開放共享子系統。首先，政府層面通過制定政策機制，激勵多方數據開放共享，包括用能數據、交易數據、系統運行數據等。其次，構建相應的數據安全策略、校驗策略和風險防范機制，通過數據清洗，邏輯校驗等提升數據開放的安全性，提高數據質量[12]。最后，廣泛共享，引導、激發各方參與城市智慧能源系統建設熱情，催生新業態。面向各級能源系統建設運行機構、產學研機構、第三方服務商、應用開發機構等共享數據，引導各方參與，發揮各方能動性，助推新模式、新理念產生。數據開放共享子系統示意如圖5所示。

圖 5 數據開放共享子系統示意

Fig. 5 Schematic diagram of the data opening and sharing subsystem

(5)圍繞遠期形成城市智慧能源應用App操作平臺目標，打造滿足用戶多元化服務需求的應用倉儲子平臺。按照“應用接入-審核發布-用戶加載”的業務鏈條構建應用倉儲，形成城市智慧能源應用生態系統，保障城市智慧能源系統的安全和高效運行[13]。應用倉儲子平臺示意如圖6所示。

圖 6 應用倉儲子平臺示意

Fig. 6 Schematic diagram of the application warehousing sub-platform

2.3 政策機制

城市智慧能源系統作為新興產業，其發展初期需要創新體制機制，解決產業發展中存在的系列問題，扶持產業快速健康發展。一是制定差異化的財稅政策，提高企業參與積極性;二是構建市場進入退出機制，對不同層次的能源互聯網參與主體實行差別化準入機制，保證市場活力并確保能源安全;三是構建城市現貨、期貨等能源市場，建立市場價格形成機制，建立“市場主導、政府指導”價格調節機制。除此之外，需要建立雙創、風投及產業基金機制、市政綜合管理機制、政產學研金用媒協作機制、數據開放共享機制等。

3 城市智慧能源系統發展路徑

城市智慧能源系統的發展大致將經歷圖7所示的3個階段。

(1)示范階段。選取新增園區開展綜合示范工程建設。依托園區管委會，引導各方積極參與。以用戶痛點問題為出發點，制定綜合解決方案，并在此過程中探索切實有效的技術應用方案、管網整合方案、利益分配方案等。

(2)經驗推廣階段。總結增量園區建設經驗，提煉出面向智慧能源系統的合理規劃運行方法、組織管理架構、投融資模式、政策機制等。主動為存量客戶推介改造方案，以經濟效益吸引客戶參與，實現增量帶動存量發展。同時，在存量改造過程中不斷積累解決存量優化問題的新經驗。

(3)優化完善階段。當園區級智慧能源系統達到一定規模后，建立城市綜合能源管理平臺，實現城市級管理。根據城市發展定位及特點，確定城市能源變革的分階段目標，同時對城市能源變革所處進程進行量化評估，準確掌握城市能源變革所處的發展階段，與分階段目標進行對比，對于不符合階段目標定位的城市智慧能源系統進行優化調整。

圖 7 城市能源變革整體路徑示意

Fig. 7 The overall path of the urban energy revolution

4 結語

城市智慧能源系統是一個復雜的系統，其建設運營需要在充分考慮各能源品種間相互融合的同時，考慮能源系統與城市其他子系統的協調互濟，此外，從城市群的角度來看，城市群內各城市間的能源系統也存在緊密關系，如環境治理與生態保護具有聯防聯治等，因此，城市智慧能源系統規劃設計也需要考慮城市間能源的統籌協調。

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