一種智能電網支撐智慧城市新技術
作者：張毅
客觀地講，智能電網和智慧城市是相互間不能完全包含的兩大體系，但是在城市建設領域它們有很大的交集。在這個交集范圍內，智能電網對智慧城市具有多方面的支撐作用。目前智能電網對智慧城市建設的支撐作用還有很大的提升空間．相比于傳統(tǒng)電網的簡單、單向供電服務，智能電網對智慧城市的支撐作用應該是全方位的、立體的、互動的和系統(tǒng)性的。全面梳理智能電網支撐智慧城市建設的關鍵技術框架，無論對于智慧城市建設，還是對于智能電網自身的發(fā)展都有重要意義。
本文在剖析智慧城市的內涵和特征基礎上，挖掘智慧城市對智能電網的關鍵技術需求，系統(tǒng)地提出智能電網支撐智慧城市的關鍵技術框架，并分類對各項關鍵技術進行分析，以期對未來智慧城市建設提供參考。
1 智慧城市的內涵和特征
目前全球還沒有城市實現(xiàn)完整意義上的智慧城市．也并沒有形成完全統(tǒng)一的智慧城市的概念和理論模型，各研究機構、組織和企業(yè)也從不同的視角出發(fā)．依據(jù)不同的技術背景、所處的經濟發(fā)展階段，提出了不同的智慧城市概念。國際電工委員會(IEC)在其智慧城市的白皮書中給出的智慧城市是：信息通信技術(ICT)與城市傳統(tǒng)基礎設施結合，使眾多系統(tǒng)集成為一個新系統(tǒng)，用以實現(xiàn)解決環(huán)境污染問題、方便城市管理者更高效管理城市以及向市民提供高質的生活、交通及其他系統(tǒng)，滿足市民進行經濟、文化、社會性等一系列活動需求的目標。英國標準協(xié)會( BritishStandard Institution, BSI)提出智慧城市是在城市層面通過捕捉整個城市的信息，并進行數(shù)據(jù)分析，達到對整個城市資源的實時監(jiān)控。歐洲智慧城市理念以人為本，突出環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)經濟的可持續(xù)增長，具有用戶創(chuàng)新、開放創(chuàng)新、大眾創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新的鮮明特點。國內學者也在智慧城市方面開展了廣泛研究，比較有代表性的智慧城市理念是：借助物聯(lián)網、互聯(lián)網、云計算等新一代信息技術，以透徹感知、深度互聯(lián)和智能應用為特征，強調物理空間和網絡空間的交互及公眾的廣泛參與互動，使城市運轉更高效便捷、
和諧宜居、綠色環(huán)保，進而實現(xiàn)社會、生態(tài)、經濟可持續(xù)發(fā)展的城市形態(tài)。
不同區(qū)域城市的產業(yè)結構、信息化基礎、發(fā)展階段及面臨的問題不同．所處的發(fā)展階段及采取的發(fā)展路徑、關注的領域也有所不同。雖然對于當前大多數(shù)智慧城市所處的發(fā)展階段有各種看法，但縱觀國內外智慧城市有關的理論研究以及建設實踐，筆者認為智慧城市的核心愿景在于經濟可持續(xù)、社會可持續(xù)、生態(tài)可持續(xù)，而其關鍵特征包括：(1)廣泛覆蓋的信息感知網絡：(2)多種網絡的深度互聯(lián)：(3)各種資源體系協(xié)同共享；(4)海量信息的智能處理；(5)信息的充分開放應用；(6)城市發(fā)展低碳化、生態(tài)化；(7)宜居的綠色生活環(huán)境。
2智慧城市對智能電網的關鍵需求
列出了智能電網與智慧城市間的關系，認為智能電網與智慧城市形成供應與需求關
系，智能電網為智慧城市提供能源保障．是智慧城市建設的基礎和重要驅動力。作為能源技術主要組成部分的智能電網，已經從傳統(tǒng)電網的簡單、單向供電服務，逐步向堅強可靠、經濟高效、清潔環(huán)保、透明開發(fā)、友好互動的階段發(fā)展。智慧城市對智能電網的需求也不再僅局限于單純的供電服務，而呈現(xiàn)出如圖1所示的更豐富、更深層次的要求。
(1)充足、可靠、經濟、優(yōu)質供電：智慧城市發(fā)展的基礎有賴于穩(wěn)定的能源供應，提供智慧城市發(fā)展的能源基礎是智能電網的基本功能。隨著國民經濟和科學技術的發(fā)展，城市經濟社會生活對充足、可靠、優(yōu)質供電的要求也越來越高。同時電力成本也是影響城市經濟發(fā)展的重要岡素。電力供應的穩(wěn)定直接制約著城市經濟的發(fā)展、社會的穩(wěn)定。
(2)完備的電網信息感知網絡：廣泛覆蓋的信息感知網絡是智慧城市的基本特征．電網作為城市的一部分，也同樣需要加強信息感知網絡建設，對提升電力自動化水平、提高供電可靠性也有巨大的作用。
(3)電力信息資源的開發(fā)和利用：對電力技術的發(fā)展及智慧城市建設有巨大作用，這一點已成為廣泛共識，還有巨大的提升空間。
(4)電力通信技術的深化應用：經過多年的建設，電力通信資源已經非常豐富，但目前還主要是在電力系統(tǒng)中得到應用。電力通信技術因其在路由資源上所具有的特殊優(yōu)勢，以及其自身特點，作為城市資源的重要組成部分，隨著智慧城市建設對通信資源的強大需求，電力通信技術有很大的應用空間。
(5)發(fā)展環(huán)保電力技術：智慧城市建設對于生態(tài)可持續(xù)及城市發(fā)展低碳化、生態(tài)化的需求不斷提升，電力作為城市中的重要組成部分．也不斷面臨著環(huán)保、節(jié)能的需求。對于配電網、城市變電站、電源建設、智能用電等電力各環(huán)節(jié)都有重要影響和需求。
(6)開發(fā)分布式和可再生能源技術：能源可持續(xù)是城市經濟、社會、生態(tài)可持續(xù)的基礎。新能源和可再生能源技術對于城市的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要作用，智慧城市需要智能電網積極發(fā)展分布式和可再生能源技術．從而減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴。
(7)與其他社會應用系統(tǒng)的協(xié)同互動：智慧城市需要城市各個領域的應用系統(tǒng)間的協(xié)同互動,實現(xiàn)資源利用最大限度的集約化、自動化和智能化。電力系統(tǒng)也需要不斷提高開放程度，實現(xiàn)與城市中其他領域應用系統(tǒng)的協(xié)同共享水平。
3關鍵技術框架
在綜合智慧城市特征及其對智能電網關鍵需求，以及國內外智能電網研究和建設現(xiàn)狀的基礎上，提出了如圖2所示的智能電網支撐智慧城市關鍵技術框架。
智能電網通過各類電力技術和應用，對智慧城市提供支撐，但是各項技術需要合理地組合，需要一定的理論支撐，需要相關政策體系、建設策略、商業(yè)模式、評價指標體系、技術標準體系的配合，才能在智慧城市的政務、經濟、醫(yī)療、流動、環(huán)境、交通、人群、教育、居住、水務、家居、建筑、社區(qū)、公共交通等各業(yè)務系統(tǒng)中充分發(fā)揮支撐作用。
智能電網對智慧城市的支撐作用，可以分為2種基本的形式。一是直接提供支撐，為最終用戶提供服務，如基本的供電服務、電動汽車充換電服務、分布式能源接入等；二是通過與智慧城市中其他各業(yè)務系統(tǒng)的交互，相互合作，共同提供服務，如智能電網在城市應急響應、多源信息綜合互動服務、城市電力需求響應服務等業(yè)務中提供服務。
智慧城市中多業(yè)務系統(tǒng)的交互，是智慧城市建設的重要內容．也是智慧城市實現(xiàn)其綠色、智能、節(jié)約的可持續(xù)發(fā)展的基礎。
4智能電網支撐智慧城市的關鍵技術
根據(jù)目前智慧城市對智能電網的關鍵需求，梳理出智能電網對智慧城市的關鍵支撐技術，包括：信息通信技術、分布式能源發(fā)電并網技術、綠色輸變電工程技術、先進儲能技術、主動配電網和微網技術、需求響應技術、電動汽車和電網互動技術、智能用電和用戶用能行為分析技術、智能電網業(yè)務互動技術、城市能源互聯(lián)網技術等。智能電網技術對智慧城市關鍵需求的響應如圖3所示。
4.1 信息通信技術
信息通信支撐技術是實現(xiàn)智能電網與智慧城市業(yè)務互動的底層基礎設施，不僅包括目前已在智慧城市中越來越引起重視的4G通信、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、 “互聯(lián)網+”等社會公共信息通信技術，也包括電力大數(shù)據(jù)、電力光纖通信等電力行業(yè)特有的電力信息和通信技術。
4.1.1 電力大數(shù)據(jù)技術
電力大數(shù)據(jù)來自電力生產和使用的各環(huán)節(jié)，與智能電網、智慧城市緊密相連，是未來電力發(fā)展的重要資源。電力大數(shù)據(jù)以體量大、類型多、價值高、處理速度快、準確性高為顯著特點，包含數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等關鍵技術。電力大數(shù)據(jù)與人們生產生活數(shù)據(jù)、政府企業(yè)等多行業(yè)數(shù)據(jù)相結合，將激發(fā)更多更大的價值增值潛力，實現(xiàn)電力大數(shù)據(jù)價值在電網外部的延伸和發(fā)展。在山東德州高鐵新區(qū)智能電網綜合建設工程、山東青島中德生態(tài)園智能電網項目巾已經初步開展了電力大數(shù)據(jù)挖掘平臺的應用探索。
4.1.2 電網感知網絡和信息化建設
智能感知技術包括數(shù)據(jù)感知、采集、傳輸、處理、服務等技術。城市電力感知網絡以電力綜合通信網和電力調度數(shù)據(jù)網等電力通信網絡建設為基礎，主要包括軟交換、SDN（軟件定義網絡）、流媒體、可視化等各類信息通信技術在城市電網中的應用，電網內部及其與城市中其他業(yè)務系統(tǒng)的一體化平臺研究和應用，以及所涉及的電力資產全壽命、能量全過程業(yè)務和應用系統(tǒng)等。
智慧城市的建設也非常重視信息化建設，啟動了數(shù)據(jù)中心、云計算模式等新型信息化應用。應該加強電網信息化成果在系統(tǒng)外的應用，加強與智慧城市其他業(yè)務部門信息化系統(tǒng)的互聯(lián)互通，提高自動化和智能化水平。
4.1.3 電力信息安全支撐技術
電網的信息安全是電網安全運行的基礎，也是城市正常運轉的基礎。在智慧城市中，由于開放性、互動性的要求，電力信息安全問題更加重要。其主要內容包括城市電網信息安全主動防御體系、信息安全運行控制與治理體系、大規(guī)模的信息安全監(jiān)測與預警技術、智能電網安全接入平臺、智能移動安全終端及相關的安全標準規(guī)范等。
4.1.4 電力通信資源的社會化使用
為推進電力光纖到戶研究和應用．助力智能電網建設，服務電信網、廣播電視網和互聯(lián)網“三網融合”，電力通信資源和技術的社會化使用主要包括光纖復合低壓電纜光電分離技術、電力光纖到戶網絡統(tǒng)一承載多業(yè)務技術、光纖復合低壓電纜及其配套設備、電力光纖到戶標準化建設及商業(yè)運營模式設計等。
4.2分布式能源發(fā)電并網技術
未來智慧城市對生態(tài)環(huán)境越來越重視，隨著國家分布式能源政策的引導．分布式能源在城市中的滲透率將會逐步提高．是實現(xiàn)智慧城市綠色發(fā)展的關鍵。在建立統(tǒng)一、規(guī)范的相關技術標準和體系前提下．完善分布式能源并網技術，大力提高電力電子技術應用水平。在分布式能源滲透率逐步提高的情況下，不斷提高相關的負荷預測、運行控制技術水平。根據(jù)各種電源的性質以及當?shù)鼐唧w情況．科學選擇集中接人中壓配電網或者分散接入低壓配電網等方式，做到因地制宜、靈活接入。開發(fā)適應分布式能源滲透率逐步提高的新型調度技術，克服分布式能源波動性、隨機性、反調峰特性在累積作用下對調度造成的重要影響。解決分布式能源大規(guī)模接入所帶來的電能質量、與微電網系統(tǒng)的協(xié)同、與儲能系統(tǒng)的配合等新的
技術問題。
4.3綠色輸變電工程技術
城區(qū)綠色輸電技術．從緊湊型輸電、地下輸電、新型輸電線路、動態(tài)增容等方面節(jié)省占地、提高工程經濟性，從噪聲污染、電磁影響、無線電干擾等方面提高環(huán)保程度，不斷滿足城市注重美觀、節(jié)約土地、注重環(huán)保的需求。
隨著城市規(guī)模的擴大，智慧城市在環(huán)保、穩(wěn)定可靠、高效等方面對變電站的要求越來越高。智能變電站作為支撐智能電網變電環(huán)節(jié)的關鍵,經歷了一系列的技術研究、產品研發(fā)、標準制定、工程建設、檢測調試和運行維護等工作。到2014年年底,國家電網公司已有1 000多座智能變電站以及6座新一代智能變電站試點工程建成投運．為國內智能變電站技術的推廣應用及建設經驗的積累奠定了堅實的基礎。目前，已初步實現(xiàn)了“系統(tǒng)高度集成、結構布局合理、技術裝備先進、經濟節(jié)能環(huán)保”的目標。
4.4 先進儲能技術
儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能、超導磁儲能、儲熱／冷以及鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池等各類電池儲能技術。儲能技術的應用包括在城市電網中保障電能質量．調節(jié)控制電網頻率．節(jié)約剩余電能，為用戶提供不間斷電源供應和用電電壓支撐等。同時儲能技術在城市分布式能源系統(tǒng)、微電網和配電網、電動汽車發(fā)展中也有廣闊的應用空間。將電能存儲并回饋到電網已成為共識,把電能轉化成氫能的儲能方式也已引起關注。隨著電生氫技術的逐漸實用化，可以推動氫能源在智慧城市、智慧社區(qū)的規(guī)模化應用．有效促進能源互聯(lián)網的多源協(xié)同發(fā)展。
4.5主動配電網和微電網技術
主動配電網和微電網技術主要包括新能源高滲透率情況下的綜合規(guī)劃技術、分層分布協(xié)調控制技術、新的潮流特性下的配電網保護技術、全局優(yōu)化能量管理技術以及多目標經濟性評估等，將成為未來城市能源互聯(lián)網的核心載體。主動配電網技術把單純的“配電系統(tǒng)”轉化成為一個“電力交換系統(tǒng)”用以解決高滲透率的分布式電源的接入，支持負荷連續(xù)轉移，實現(xiàn)負載均衡，提高供電可靠性、配送能力和設備利用率。主動配電網與微電網具有協(xié)同運行作用，微電網作為柔性負荷．有利于主動配電網利用微電網中的儲能設備消納新能源。
4.6 需求響應技術
需求響應是智能電網框架下重要的互動資源，通過價格信號或激勵機制引導用戶做出響應進而調整用電方式．可以靈活部署，快速響應系統(tǒng)要求。需求響應改變了傳統(tǒng)的發(fā)電跟蹤負荷變化的運行模式．將大量用電負荷的響應行為作為系統(tǒng)運行備用以平抑功率波動，可有效解決或減輕系統(tǒng)備用短缺、輸配電能力不足等問題，從而提高供電可靠性，提高電網設備資產的使用效率和壽命．同時增強電力負荷響應的靈活性及電網與用戶間的互動性。需求響應作為一種虛擬的綠色電廠，對于智慧城市綠色、可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
4.7 電動汽車與電網互動技術
電動汽車作為可控型負荷和支持電網運行的分布式儲能資源技術已引起學術界和產業(yè)界的關注．可以在不同的地點和層面對電力系統(tǒng)提供支持．是城市智慧交通發(fā)展的要求，特別是在城市區(qū)域中，將獲得優(yōu)先發(fā)展。同時，城市電動汽車的發(fā)展反過來也會給電網帶來顯著影響。大量的電動汽車的充換電活動會給電網運行特別是配用電網絡，帶來新的問題和挑戰(zhàn)。
4.8 智能用電及用戶用能行為分析技術
智能用電是綜合利用高級量測、實時通信、負荷協(xié)調控制和需求側響應等技術，形成電網與用戶“三流合一”（電力流、信息流、業(yè)務流）的實時互動的新型供用電關系。智能用電的基礎是用電信息采集系統(tǒng)。城市智能用電技術包括智能量測和用電信息采集技術、雙向互動運行模式及支撐技術、管理和服務平臺、用能評測與管理、智能家居、用電系統(tǒng)節(jié)能技術、大數(shù)據(jù)分析及應用以及相關的標準、系統(tǒng)與終端等。
用戶用能行為分析技術是指以智能電表匯聚的海量用戶信息為基礎，采用大數(shù)據(jù)分析技術，分析用戶用能行為監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立用戶用能行為分析模型，能夠挖掘用戶用電量與煤、氣、油等其他能源間此消彼長的耦合信息，使能源企業(yè)針對用戶的行為習慣制定出更加有效的營銷策略和調控方案．進而調動用戶調整用能方式的積極性，使用戶參與在能源市場中發(fā)揮越來越重要的作用。
4.9 智能電網業(yè)務互動技術
友好互動是智能電網的基本內涵之一，同時協(xié)同互動也是智慧城市的基本特征和要求。
智能電網、業(yè)務互動要求智能電網與包括最終用戶在內的城市中其他各個業(yè)務系統(tǒng)實現(xiàn)互動，主要技術包括信息和通信支撐技術、互動業(yè)務系統(tǒng)框架、業(yè)務流設計、相關通信和應用接口標準規(guī)范等．其中互動業(yè)務系統(tǒng)框架指實現(xiàn)智能電網與智慧城市業(yè)務互動的系統(tǒng)體系框架，主要面對城市巾各業(yè)務系統(tǒng)條塊分割的現(xiàn)狀，如何在系統(tǒng)架構層次實現(xiàn)智能電網與智慧城市的業(yè)務互動，而業(yè)務流設計和相關通信、應用接口標準，則是智能電網與智慧城市互動業(yè)務的具體技術實現(xiàn)。
4.10城市能源互聯(lián)網
目前國家電網公司已經提出了全球能源互聯(lián)網的建設目標和構想，以特高壓電網為骨干網架（通道）、以輸送清潔能源為主、全球互聯(lián)的堅強智能電網，實現(xiàn)清潔替代和電能替代。能源互聯(lián)網是能源技術與互聯(lián)網信息技術相結合的產物，是國家明確的“互聯(lián)網+”的11個重點行動領域之一。能源互聯(lián)網的研究已引起了國內外眾多研究機構的重視。甚至有觀點認為未來的智能電網就是能源互聯(lián)網。城市能源互聯(lián)網的發(fā)展必將促進高滲透率可再生能源發(fā)展，滿足未來構建可持續(xù)能源供應體系的需要，適應分布式電源、電動汽車的發(fā)展，推動智慧能源產業(yè)升級的需要。
5結語
智能電網是智慧城市的重要基礎和客觀需要，智慧城市的發(fā)展為智能電網建設營造了良好的外部環(huán)境，二者相互促進，共同發(fā)展。本文從智慧城市的內涵、特征和對智能電網的關鍵需求分析出發(fā)，給出了一個智能電網支撐智慧城市建設的關鍵技術框架，并具體分類梳理了相關智能電網支撐技術。后續(xù)，還需要進一步細化考慮智慧城市不同發(fā)展階段，智能電網相關支撐技術的具體作用、期望和應用方案。
6摘要：智能電網對智慧城市建設具有強大的支撐潛力。闡述了智慧城市的內涵與特征，及其對智能電網的關鍵需求。通過梳理二者的關系認為智能電網是智慧城市的重要組成部分，以智能電網為基礎構建智慧城市是智慧城市發(fā)展的重要途徑。在智能電網建設中，需要深化應用信息通信類技術、分布式能源發(fā)電并網技術、綠色輸變電工程技術、先進儲能技術、主動配電網和微網技術、需求響應技術、電動汽車與電網互動技術、智能用電及用戶用能行為分析技術、智能電網業(yè)務互動技術城市能源互聯(lián)網等關鍵技術，使智能電網為智慧城市的發(fā)展提供強大的支撐。
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