【能源互联网洞悉】超大型城市能源互联网发展路径研究
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：能源互联网在超大型城市部署落地具有重要示范引领作用。在城镇化、低碳发展和技术进步的驱动下，以上海、北京为代表的超大型城市，将率先形成清洁、低碳、高效、电气化的能源系统新格局。基于超大型城市能源互联网的复杂性、高约束、高目标，其发展过程更加需要科学地进行顶层路线设计。从发展路径看，超大型城市能源互联网将经历三个发展阶段：子系统发展阶段、跨系统发展阶段和平台级发展阶段，体现能源系统不断演化的规律。
超大型城市能源互联网发展路径研究
执笔人：刘林、王雪
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
一、超大型城市能源系统发展显著特点
超大型城市能源系统较普通城市能源系统更加庞大复杂，未来随着超大型城市发展，其能源系统将“自上而下”由城市大能源系统、区域能源系统和用户侧能源系统构成。
城市大能源系统，将以低碳能源供需平衡为导向，承担城市能源供应的核心功能，主要通过特高压等跨区互联工程将区外大型清洁能源基地电能输送至城市电网，满足大部分城市能源消费需求。
区域能源系统，将以高效和充分利用本地能源为导向，作为城市能源供应的有益补充，主要通过源网荷互动、多能互补、配电自动化等智能电网技术，实现各类本地能源的综合高效利用，促进大规模区外来电的合理消纳配置。
用户侧能源系统，将以引导节能、互动的能源消费行为为导向，主要通过智能建筑、智能家居、车联网、需求侧管理等技术和手段，引导用户电气化、互动化的用能习惯，促进节能，提升用户生活品质。
图1 超大型城市能源系统发展示意图
未来，超大型城市能源系统发展将具有以下四个显著特点：
一是能源互联网核心要素全面集中体现。全面实现多能互补、源网荷储协调、物理信息融合，支撑服务多元化。
二是大量同类及各类子系统的复杂协同。相较于一般规模城市中较少的子系统，超大型城市中同类子系统及各类子系统的数量都十分庞大，规划和运行协调的难度很大。
三是先进技术创新和应用的需求更加迫切。城市是能源创新的主战场、能源新技术的主要使用地，为破解超大城市发展难题，亟需催生能源利用新技术，诞生能源服务新模式。
四是综合能源服务价值潜力的更早实现。得益于超大型城市的领先的经济水平和理念，可以获得更加超前的综合能源服务开展的良好内外部条件，提早兑现增值潜力。
二、超大型城市能源互联网的概念内涵
城市能源互联网在超大型城市部署落地具有重要示范引领作用。在城镇化、低碳发展和技术进步的驱动下，以上海、北京为代表的超大型城市，将率先形成清洁、低碳、高效、电气化的能源系统新格局。超大型城市能源互联网是以电为中心，以信息物理一体化融合为基础，通过环节维度的源网荷储协调、系统维度的多能互补、空间维度的局部与跨区域优化配置，满足未来超大型城市各类能源使用需求的“三维一体”综合能源系统。
在环节维度，超大型城市能源互联网中系统调度将以整体最优为目标，打破源、网、荷、储不同环节间的壁垒，统筹安排各环节运行策略，实现供需双向互动。随着波动性新能源并网装机比例持续扩大，各类电源调度运行方式将产生明显变化；电网运行方式将更加灵活，有力支撑清洁能源高效配置；需求响应将更加高频度地参与供需平衡，提高系统对新能源的消纳能力；储能将在电力系统中发挥重要调节作用，跟随新能源波动运行。超大型城市能源互联网将充分发挥各类资源特点，以灵活高效的方式共同推动系统优化运行，促进清洁能源高效消纳。
在系统维度，超大型城市能源互联网将打破电、热、冷、气等不同能源系统间的壁垒，通过多能源品种跨系统耦合互补，提高能源利用效率、提升能源系统可靠性。电、热（冷）、气等不同能源系统在可存储性、时间惯性、传输损耗特性等方面存在一定差异化特征，终端用户对不同能源品种的需求峰谷分布特性也有所不同，不同能源品种间协调互补潜力巨大。在各能源品类中，电力和热力都是二次能源，具有多来源、多去向的特征，且可相互转化，互补空间较大，适合作为超大型城市多能互补的切入点。通过挖掘电-热互补潜力，利用热力易存储、时间惯性大的特点，补充电力系统灵活性，扩大可再生能源利用率。
在空间维度，超大型城市能源互联网将打破城市内部区域及不同城市区域间局地平衡的壁垒，实现供需动态平衡，促进资源大范围优化配置。大型城市内部区域及不同城市地域间在能源资源条件、负荷需求特性等方面存在一定互补性，特别是在未来高比例新能源场景下，风电、光伏发电出力具有较强的波动性、随机性与反调峰特性，通过扩大城市间联网范围，可有效平抑波动，实现等效调峰效果。在空间维实现互联互通是各种网络的基本属性，更是超大型城市能源互联网的重要属性。风电、光伏发电以及负荷需求均具有一定的跨区域互补效应。通过合理安排跨区域电力配置方案，可有效降低各区域净负荷波动。
在信息物理一体化融合方面，超大型城市能源互联网将大力推进能源系统与信息系统的深度融合，从而实现设备智能、多能协同、信息对称和交易开放等功能。信息物理系统将感知传输、计算处理、决策控制等信息与控制技术深度融合到物理实体系统中，通过计算过程对物理过程进行感知和控制，实现信息空间与物理世界无缝结合。超大型城市能源互联网中信息物理一体化融合的核心是加快发展电力领域信息物理系统一体化融合，其发展重点包括信息感知、分析处理和智能控制三个方面，共同组成从物理实体到数据空间再到决策空间的闭环。未来超大型城市电力信息物理融合系统将从单元级、系统级到系统之系统级，即从点到线再到面的不断深化，推动城市电网向以新一代电力系统为核心的城市能源互联网转型升级。
图2 超大型城市能源互联网概念示意图
电能在超大型城市能源互联网中占据中心地位，以集中式与分布式相结合的方式，通过广泛互联的城市电力输送系统高效利用清洁可再生能源，结合蓄冷、蓄热、蓄电的能量调节，实现城市能源的综合供给；分布式能源系统是超大型城市能源互联网的有益补充，利用区域内光电转换、光热转换、风电转换、地热能转换等方式，为区域提供电能、制冷和热能，实现多种可再生能源互补利用和优化匹配，最终达到城市能源结构由高碳转向低碳，能源利用由粗放转向集约，能源服务由单向供给转向智能互动。
超大型城市能源互联网将立足城市发展的阶段性趋势，推动城市能源系统从当前以化石能源为主向以清洁能源为主转型，是实现价值创造的核心载体。超大型城市能源互联网在物联网实体上承载了丰富的功能，可从根本上破解超大型城市发展中能源环境等问题，更是在城市发展模式、生产生活方式以及居民用能行为中逐步促进用能观念和方式的根本性改变，实现城市可持续发展。
三、超大型城市能源互联网的基本特征
从能源供应看，超大型城市能源互联网将大幅提升清洁能源在未来能源结构中的占比，成为支撑城市能源结构优化转型的基础平台。
清洁能源转化为电力是最有效、便捷的利用方式。现阶段风能、太阳能等可再生能源的间歇性、波动性以及低能流密度成为制约其在能源供应中发挥主要作用的瓶颈。以智能电网为核心的能源互联网通过推动电网的智能化发展、功能升级，并促进多种能源形式的优化梯级利用，将最大程度上适应清洁能源发展的需要。
从体系结构看，超大型城市能源互联网将是集中式与分布式相结合，系统优化与局部自治相得益彰的互联、分层、融合的城市能源转化和配置网络。
以智能电网为核心、具有广泛互联和智能化特征的能源输送网络将构成骨干网架，实现以电为中心的大范围余缺互济、经济高效配置和系统级安全保障；以多种能源分散、梯级利用为特征的分布式能源系统将构成末端节点，实现能源的集约高效利用。
从技术特点看，超大型城市能源互联网将是信息通信技术与能源技术深度融合，信息流即时通畅、能源流经济高效、业务流多元互动的新型城市能源信息网络平台。
信息的全面渗透和共享增值既是能源互联网实现高度智能化的技术保障，也是其充分发挥价值作用的实现基础。大数据、云计算、互联网、物联网技术将与新能源、智能电网技术深度融合，塑造能源互联网区别于传统能源网络的本质属性。
从功能属性看，超大型城市能源互联网将通过实现原件即插即用、促进互联网经济创新融合，发挥市场在能源系统中的基础性作用，满足城市用户多元身份、自主选择、开放共享的更高诉求。
伴随互联网理念的全面渗透，能源互联网将更具开放共享、价值创新能力。用户将依托设备级无缝接入、系统级优化配置、能源信息的双向互动，满足对能源提供者和多元使用者的身份诉求，并激发出更具活力的商业模式，推动能源服务的可持续发展。
因此综上所述，超大型城市能源互联网将具有七个方面的基本特征，分别是：广泛互联、海量主体即插即用、能流双向快速变化、主体互动、多能协同、高度市场化、广泛创新。具体来讲，
一是具备广泛互联的网络结构，服务范围广、安全可靠性高。超大型城市能源互联网中的能源传输网络具有泛在、多层次结构、不同能源子网间多重耦合的特征，电、热、冷、气、储等多种能源相互耦合，电网、天然气网、城市热网、交通网、信息网、微电网、深度融合。能源流动范围大，服务充分；能源流动路径多样，可实现安全稳定运行。
二是采用标准的接口与协议，支持海量主体即插即用。考虑到城市工、商及居民负荷的差异化特性，能量需求场景复杂多样，而不同能量的转换则需要不同的能源耦合设备，如充电桩等。超大型城市能源互联网中能源设备只要采用标准接口即可低成本物理接入，通过统一端口接纳和送出能量的标准，构建标准传输“协议”，支撑海量主体即插即用，便捷参与。
三是能量/信息流双向快速变化，交互频繁，信息规模量大。分布式能源大量出现，能源消费者转变为产消者，加之可再生能源自身波动，造成能源流动双向快速变化。由于城市内同一时刻存在大量场景，能量流与信息流频繁交互，因而产生海量的信息。
四是注重能源/信息的双向流动，激发主体互动。超大型城市能源互联网将借能源传输双向化的机遇，在用户接收和生产能源（包括实际生产和可控负荷减少用电实现的虚拟生产等）的过程中，调动用户积极参与系统调节；此外还通过加强信息双向传输，让用户及时传递需求信息，让服务主体积极传递供应信息，促进供需互动。
五是注重多系统间协同，形成协同效应。多能协同是超大型城市能源互联网的重要特征，它通过发挥不同能源品种的各自优势，利用不同能源的特性互补，实现余缺互济，形成协同效应，使能源供应更加经济、高质、高效。
六是通过打破信息不对称，实现高度市场化。超大型城市能源互联网中各主体间信息广泛、高效传播，打破传统能源系统内部的信息壁垒，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，促进价值发现和广泛竞争。
七是广泛创新、高速发展。超大型城市能源互联网将以用户为中心，紧扣用户需求，利用各种技术创新、服务创新、商业模式创新，通过综合能源服务推动城市能源系统内生快速增长。
四、超大型城市能源互联网发展路径
与一般的城市能源互联网相比，超大型城市的能源互联网发展有以下特点：
（1）从能源互联网的要素来看，基于超前多元的发展需求，超大型城市能源互联网的要素种类更加丰富、规模更大，形成的子系统、子平台的数量更大，大量基础要素和子系统的汇聚产生的不仅仅是叠加的效果，类似科学计算中的“维数灾”问题，一些传统的系统架构设计、运行方式可能不再适用，需要对海量设备终端形成的系统进行重新解构，引入先进技术，满足超大型城市能源转型发展的需求。
（2）从能源互联网的发展过程来看，基于超大型城市能源互联网的复杂性、高约束、高目标，其发展过程更加需要科学地进行顶层路线设计。纵观国内外的城市能源互联网，一般规模较小或者资源条件优异，往往是从下而上的发展，即首先出现区域或者局域的各类微电网、微能网等终端，在下层发展到一定程度和规模后，再进行互通和系统集成，开发上层平台。而对超大型城市能源互联网，分散式发展之后再集成的方式并不适用，更加需要进行超前性前瞻性的自上而下的顶层设计，来保证能源互联网建设的科学性和经济性。
（3）从能源互联网的系统复杂度来看，超大型城市能源互联网的三个发展阶段：子系统发展阶段、跨系统发展阶段和平台级发展阶段，体现了能源系统不断演化的规律，但同时具有时序的先后性和并行性，即可能某些子系统在提升发展，另外的一些子系统已经实现了跨系统级的发展，具备条件的情况下也可以提前开展平台级建设。
（一）子系统级发展阶段
各子系统均朝智能、清洁、高效、可靠的方向发展；并进一步打破规划壁垒，实现多能源协同规划；初步实现不同能源系统之间的物理连接；各子系统关键技术取得突破；确定搭建基础物理平台需要研制的核心设备；进行城市能源互联网的项目示范。重点子系统包括：
（1）交直流主动配电网：主动配电网(active distribution network，ADN)是在主网配网协同控制基础上，具有分布式发电、储能、电动汽车和需求侧响应等电源负荷调控手段，能够针对电力系统的实际运行状态，以经济性安全性为控制目标，自适应调节其网络、发电及负荷的配电网。在主动配电网中，大量分布式发电从不同节点接入后将使配电网由辐射状的网络变为遍布中小电源和用户的互联网络，从单纯的“配电系统”转化成为一个“电力交换系统”，由于分布式能源和储能装置的特点和负荷的供电需求，通过交直流的主动配电网能够实现将分布式电源在更广域的潮流范围内调度，交直流混合配电网是未来主动配电网的重要实现形式之一；
（2）供冷系统：供冷系统由供冷管网组成，与电—冷转化设备、地源热泵、冷热电联供设备和储冷装置相连接，满足用户对供冷的需求；
（3）热力系统：由热力管网组成，与冷热电联供机组、光热机组、锅炉以及储热装置相连接，以实现对热能的统一汇集与调配；
（4）燃料系统：包含石油、天然气等燃料的供应管网，是城市能源互联网的重要组成部分，通过燃油汽车和燃气汽车与交通系统进行互联，并分别通过燃气机组和燃气锅炉与电力系统和热力系统进行互联；
（5）交通系统：由各种交通形式交通混合组成的系统，通过电动汽车和电气化轨道交通与电力系统互联，通过燃油汽车和燃气汽车与燃料系统进行互联；
（6）信息网络与工业控制系统。是城市能源互联网中能源调控中心的重要构成部分，工业控制过程在电网中相当于调度系统，信息网络大多是基于计算机互联网技术进行实现的，它也是整个城市能源互联网得以正常、高效地实现现实优势的基础保证。
图3 子系统发展阶段示意图
（二）跨系统级发展阶段
基本打破能源系统之间的物理壁垒，通过各种能量之间的转化，实现城市能源互联网内部的能量流通；通过多样化能源系统中的量测设备、通信转化协议、信息挖掘技术、数据存储分析技术等实现城市能源互联网内的信息共享，构建城市能源互联网的信息物理融合系统；对示范项目进行推广应用。
（1）物理信息一体化融合基本实现：物理信息融合是城市智慧能源系统智慧化的基础，能源装置与信息采集设备的融合标准、能源网络与信息网络的协同设计是物理信息一体化的关键。
（2）能源交通一体化基本实现：能源系统和交通系统是城市的关键子系统，充电桩布局、电动汽车充放电量控制和交通流量控制之间的匹配是能源交通一体化规划的核心。
（3）覆盖新模式新业态的能源交易子系统：能源交易子系统主要提供多样化的能源交易方式，可以满足用户和企业的多元化的能源交易需求，如 B2C的互动交易和价格套餐、B2B的双边合约、集中撮合、标准合约、电子拍卖等。能源交易协议生效与调控指令生成联动，满足多主体间多能源品种的高效交易。
（4）综合能源大数据管理系统：采用大数据处理与挖掘分析、智能应用、智能消息推送、社会化协作、服务化架构等云计算关键技术，把能源互联网云计算平台建设成为全新一代的松耦合、高效和高可用、高度可伸展、安全可靠的应用服务支撑平台，为各种规模和各种类型的云应用，提供统一的开发、运行和管理服务。
图4 跨系统发展阶段示意图
（三）平台级发展阶段
城市能源互联网综合平台及各类子平台建立；打破市场壁垒，能源资源高效配置。基于区块链等各种新兴技术和能源市场的价格响应机制，各方都能主动地参与到能量流的优化中，实现能量流、信息流和价值流的统一。
（1）城市能源综合服务平台建成。作为集系统调控、市政协调、市场交易、数据共享、应用接口等功能为一身的综合体，是城市智慧能源系统的大脑，也是其“智慧”的根本所在。城市能源综合服务平台一方面要保证城市能源系统自身的安全、高效、稳定运行和开放的能源交易，另一方面也需要与城市其他子系统进行协调互动，形成城市功能的有机体。同时，需要通过数据开放共享的方式吸引、激励相关机构参与城市能源互联网的建设并催生新业态、新应用。此外，要实现能源系统中多主体间的能源交易。长远来看，平台还将具有能源应用的植入接口和仓储功能，实现微能网和用户层面应用的加载使用。
（2）多能统一的能源系统调控子平台。能源系统调控子平台的主要功能是实现多能统一调度。通过建立网络波动性和随机性的平抑策略和风险控制策略，充分考虑集群性负荷响应特性和多能之间的转换替代，发挥储能在平衡能源时空差异方面的作用进行多能统一调控。同时，为了保证整个城市能源系统的安全统一调度，能源系统调控子平台的调度优先级高于能源配网各能源品种自身的调度。多源协同优化运行决策的核心内容是对整个能源互联网中的可控资源进行联合调度，既包括常规电能，也包括冷、热、气等资源的调度。
（3）市政交互子平台。利用遍布整个城市的能源基础设施，支撑其他子系统的高效运行。利用能源负荷特性与用户行为之间的关联关系支撑其他子系统的运行，如负荷特性异常突变对城市防灾系统、应急系统定位的协助等。城市区域用能优先保障，当城市各子系统出现故障时，通过对能源系统调度，实现故障区域用能优先保障等。
（4）多源大数据平台。能源互联网包含多种能源形式，单以一家企业难以管理和运营，需要打通各方的数据通路。依托大数据技术，多源大数据平台可以整合多方的数据源，进行统一的数据管理，包括：1）系统类数据，包括调度自动化、配网自动化、用电管理、智能电表(AMI)、地理信息系统等；2）设备类数据，包括用能终端的采集设备、燃气网、热力网等，如储能、微燃机、空气源热泵、太阳能热、生物质能、电动汽车充电桩等信息；3）宏观经济政策与环境、气候等数据；4）其他来源数据。
图5 平台级发展阶段示意图
作者介绍
刘林，国网能源研究院能源互联网研究所主任工程师。电力系统自动化专业博士，高级工程师、管理咨询师、注册咨询师，国家电网公司优秀专家人才。主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究。曾参与编写起草国家促进智能电网发展指导意见、国家电网公司智能电网十二五及十三五规划、配电网发展十三五规划等；主笔编写出版《世界能源清洁发展与互联互通评估蓝皮书》等著作；多次获得国家能源局软科学成果奖、国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
王雪，国网能源研究院能源互联网研究所高级研究员，电力系统自动化专业硕士，主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究，先后承担国务院发展研究中心、国家能源局、国家电网公司委托的重大课题30余项，主笔编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，多次获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：蒋东方
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