摘要：當前中國城市智慧能源系統(tǒng)建設還存在建設內容不明、框架不清、與城市規(guī)劃建設脫節(jié)等系列問題，亟需明確城市智慧能源系統(tǒng)頂層架構。在系統(tǒng)梳理世界主要國家城市智慧能源系統(tǒng)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(tǒng)的總體圖景，重點從建設條件、整體規(guī)劃、綜合服務平臺、政策機制等方面對城市智慧能源系統(tǒng)的頂層設計進行了初步探討，并對城市智慧能源系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng)的規(guī)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(tǒng) 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(tǒng)問題、推動能源系統(tǒng)變革的智慧綜合能源系統(tǒng)，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(zhàn)場，匯聚了全球50%人口的城市地區(qū)創(chuàng)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(fā)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(tǒng)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(fā)展核心基礎的能源子系統(tǒng)的規(guī)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(tǒng)的發(fā)展視角。從城市智慧能源系統(tǒng)建設推進細節(jié)來看，整體架構、信息化平臺、新業(yè)態(tài)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(tǒng)的建設推進。本文嘗試對能源變革下城市智慧能源系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)自身發(fā)展，能源系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境之間、能源系統(tǒng)與城市升級之間協調發(fā)展存在的系列問題(見表1)。

結合國際經驗和中國發(fā)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(tài)環(huán)境與城市協同發(fā)展。將能源規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃充分納入城市發(fā)展規(guī)劃當中，以統(tǒng)一發(fā)展視角確立城市發(fā)展的目標、模式、路徑等。二是重視能源系統(tǒng)頂層規(guī)劃與設計，實現有序發(fā)展。通過專業(yè)資源評估、規(guī)劃等形成科學發(fā)展基礎，引導可再生能源資源有序開發(fā)，推進源-網-荷-儲協調發(fā)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(tǒng)條塊分割局面，以多能互補促進綜合能效提升。四是積極發(fā)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(tǒng)調節(jié);建立污染權/碳交易市場，實現生態(tài)環(huán)境約束下的經濟高效發(fā)展。五是以電為核心、電網為平臺，促進可再生能源開發(fā)利用和經濟高質量發(fā)展。通過科技、管理、業(yè)態(tài)等創(chuàng)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(wěn)定性，支撐經濟持續(xù)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(tǒng)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(fā)展慣性。以政策法律為保障，形成合理發(fā)展預期;以財稅、價格等經濟激勵手段打破發(fā)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(yōu)化潛力。八是創(chuàng)新合作模式，建立能源產業(yè)大生態(tài)。以政府或龍頭企業(yè)為核心，依托“雙創(chuàng)”戰(zhàn)略，推進政產學研金深度合作，促進技術、業(yè)態(tài)等創(chuàng)新。

2 城市智慧能源系統(tǒng)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(fā)展。源端清潔替代，以城市分布式可再生能源就地開發(fā)及遠距離大規(guī)?？稍偕茉摧斎霝橹鳎蕴烊粴?、地熱、生物質等其他能源形式開發(fā)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(tǒng)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(qū)域能源資源及能源需求情況，將分布式可再生能源發(fā)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(tǒng)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(fā)電廠、基于新理論和新材料的儲能及可再生能源發(fā)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(tǒng)運營領域，重點開展人工智能、機器人、大云物移、多能交易、區(qū)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(tǒng)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(yōu)化調度。

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

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(tǒng)關鍵要素

城市智慧能源系統(tǒng)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(fā)展。因此，城市智慧能源系統(tǒng)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(fā)點。例如城市的發(fā)展面臨能源短缺、環(huán)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(tǒng)就應強化分布式清潔能源開發(fā)利用、能量分布式存儲、智能交通、聯防監(jiān)控等功能。城市能源系統(tǒng)關鍵要素選取如圖1所示。

圖 1 城市能源系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)發(fā)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(guī)模、供應方式，本地資源開發(fā)及區(qū)外供應潛力，用戶用能品種比例、規(guī)模、特征;二是明確城市其他系統(tǒng)發(fā)展情況，智慧城市各子系統(tǒng)功能升級需求，能源系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的融合程度;三是分析城市特點，包括居民生產生活方式、環(huán)保理念、文化特點等。

2.2.3 城市級綜合能源規(guī)劃要點

(1)“多能互補、源網荷儲協調”的智慧能源系統(tǒng)規(guī)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(huán)節(jié)，統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)耦合優(yōu)化。推動以電為核心，熱、氣等能源系統(tǒng)協同優(yōu)化，科學規(guī)劃熱電聯產、熱泵、燃氣三聯供等多能耦合環(huán)節(jié)的規(guī)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(tǒng)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(tǒng)的基礎組成部分，但又屬于多元市場主體自發(fā)行為，難以統(tǒng)一規(guī)劃建設，因此要把握好大系統(tǒng)與小元素的關系。①保障大系統(tǒng)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(tǒng)與能源系統(tǒng)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(tǒng)的影響。避免大量分散自治元素接入對大系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行產生不利影響，例如規(guī)范分布式新能源發(fā)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(tǒng)等。③規(guī)劃中充分發(fā)揮分散主動元素參與大系統(tǒng)運行的潛力。充分考慮分布式發(fā)電、儲能、電動汽車、需求響應等參與大系統(tǒng)調度運行的方式，在計及其參與系統(tǒng)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(tǒng)規(guī)劃。

(3)城市智慧能源系統(tǒng)中，實現能源系統(tǒng)與外部的深度融合，需要重點把握如下一體化規(guī)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(tǒng)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(tǒng)和交通系統(tǒng)是城市的關鍵子系統(tǒng)，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(guī)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(guī)劃是管廊一體化規(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)自身的安全、高效、穩(wěn)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(tǒng)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(yè)態(tài)、新應用。此外，要實現能源系統(tǒng)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(qū)域內優(yōu)先級最高的多能統(tǒng)一的能源系統(tǒng)調控子平臺。能源系統(tǒng)調控子平臺的主要功能是實現多能統(tǒng)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(fā)揮儲能在平衡能源時空差異方面的作用進行多能統(tǒng)一調控。同時，為了保證整個城市能源系統(tǒng)的安全統(tǒng)一調度，能源系統(tǒng)調控子平臺的調度優(yōu)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(yè)態(tài)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(yè)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(tǒng)基礎設施及固有特性對城市其他子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的運行，如負荷特性異常突變對城市防災系統(tǒng)、應急系統(tǒng)定位的協助等。城市區(qū)域用能優(yōu)先保障，當城市各子系統(tǒng)出現故障時，通過對能源系統(tǒng)調度，實現故障區(qū)域用能優(yōu)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(fā)多方參與，利于催生新業(yè)態(tài)、新模式的數據開放共享子系統(tǒng)。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(tǒng)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(fā)各方參與城市智慧能源系統(tǒng)建設熱情，催生新業(yè)態(tài)。面向各級能源系統(tǒng)建設運行機構、產學研機構、第三方服務商、應用開發(fā)機構等共享數據，引導各方參與，發(fā)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(tǒng)示意如圖5所示。

圖 5 數據開放共享子系統(tǒng)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(fā)布-用戶加載”的業(yè)務鏈條構建應用倉儲，形成城市智慧能源應用生態(tài)系統(tǒng)，保障城市智慧能源系統(tǒng)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(tǒng)作為新興產業(yè)，其發(fā)展初期需要創(chuàng)新體制機制，解決產業(yè)發(fā)展中存在的系列問題，扶持產業(yè)快速健康發(fā)展。一是制定差異化的財稅政策，提高企業(yè)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(jié)機制。除此之外，需要建立雙創(chuàng)、風投及產業(yè)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(tǒng)發(fā)展路徑

城市智慧能源系統(tǒng)的發(fā)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(qū)開展綜合示范工程建設。依托園區(qū)管委會，引導各方積極參與。以用戶痛點問題為出發(fā)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?？偨Y增量園區(qū)建設經驗，提煉出面向智慧能源系統(tǒng)的合理規(guī)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(fā)展。同時，在存量改造過程中不斷積累解決存量優(yōu)化問題的新經驗。

(3)優(yōu)化完善階段。當園區(qū)級智慧能源系統(tǒng)達到一定規(guī)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(fā)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(fā)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(tǒng)進行優(yōu)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(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，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(tǒng)與城市其他子系統(tǒng)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(tǒng)也存在緊密關系，如環(huán)境治理與生態(tài)保護具有聯防聯治等，因此，城市智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃設計也需要考慮城市間能源的統(tǒng)籌協調。

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