【城市能源数据创新】智慧城市建设中的智慧能源架构构建和任务分析
编者按：国网（苏州）城市能源研究院数据研究中心围绕城市能源数据中心建设、人工智能大数据技术应用、城市能源数据辅助决策、智慧城市和智慧能源4个主要方向，从理论、政策、发展规划等领域开展研究，提供城市能源数据从理论研究、分析工具、到落地应用的全套解决方案。本专栏将围绕城市能源数据中心建设关键问题，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：城市智慧能源是智慧城市的基础和重要组成，是保障城市各子系统高效可靠运转的能量之源。以国内外智慧能源建设探索的实践经验为基础，以实现“三化一中心”为目标，提出智慧能源架构构建的基本原则、展现架构和物理架构，并对智慧能源建设的基础设施、能源供应、能源消费、管理服务四大主要任务进行探讨。
智慧城市建设中的智慧能源
架构构建和任务分析
执笔人：王林钰、周佳伟
国网（苏州）城市能源研究院
1 引言
2014年6月，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上提出“四个革命、一个合作”能源战略思想，我国城市拥有接近60%的人口，消费大约85%左右的能源，是国家能源革命的主战场，持续推进国家能源革命落地实施。2017年，“十九大”报告再次强调，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，智慧能源建设是能源革命的有效抓手，将直接实现城市用能成本降低、用能基础安全、用能环境更加可持续，间接实现城市的高质量可持续发展。与此同时，国家也在发力建设智慧城市，2012年，住建部正式启动了智慧城市试点；2014年，智慧城市首次被纳入国家战略规划；2015年底，时隔37年，中央再次召开城市工作会议，在随后公布的《关于深入推进城市执法体制改革改进城市管理工作的指导意见》中，明确提出“构建智慧城市”，“以智慧城市建设为契机，充分发挥现代信息技术的优势，加快形成与经济社会发展相匹配的城市管理能力”，智慧城市建设进入新的发展阶段。智慧能源是智慧城市的一个重要组成部分，智慧城市建设将带动促进智慧能源的发展。
城市智慧能源是在城市范围内，以能源全生命周期涉及到的对象信息互联和共享为基础，通过感知、分析、优化的方式，形成以信息资源充分共享、应用管理精准高效、系统分配合理稳定等为特征的能源体系新模式。构建一个在结构、规模、经济、节能、环保和服务等方面最优化、合理、安全和先进的能源结构,核心体系是以用户为中心的包括能源互联网+共享的能源数据平台+广泛参与的商业模式和全新业态+低碳高效的能源利用的涉及理念、技术、管理等各个方面的体系。它以能源互联网为基础和核心;以多方参与的全新商业模式和业态为支柱；以推动共享式的能源平台发展为重点；以实现低碳高效的能源经济、便捷普惠的能源服务为目标。
2 国内外智慧能源建设综述
3 智慧能源建设架构
3.1 基本原则
智慧能源建设需要坚持“共建、共治、共享”的基本原则。
“共建”体现在政府引导、企业引领、公众参与。
“共治”体现在人人参与、人人尽责，通过参与实现共治和融合。
“共享”就是坚持普惠共享，各取所得，加强成本效益分析，确保建设成果各方共享。
3.2 展现架构
城市智慧能源是以信息化、数字化、智慧化的方法，实现网络广泛互联、用户灵活参与、多能协同运行、支撑清洁能源大比例开发利用和新业态不断涌现的能源系统。其本质特征是“三化一中心”，即数字化、智慧化、绿色化、以城市高质量发展为中心。
城市智慧能源展现框架包括五个方面：能源系统自身发展方向是清洁低碳、安全高效、灵活便捷；体系架构是纵向分层协同、横向多环节贯通、物理信息应用深度融合；运行机理是数据驱动、市场引导、通过体制变革和商业模式创新实现可持续发展；体现形式是智慧供应、智慧消费、智慧服务、智慧管理等方面；核心内容是以电为核心、多能互补、电网为平台、源网荷储协调的能源互联网建设。智慧能源的展现架构如图1。
3.3 物理架构
物理架构从纵向和横向上主要概括为“三层三级”，同时包括贯穿始终的商业模式和保障机制，通过物理架构的实现体现展现框架的内容。“三层”包括物理层、信息层和应用层，对应智慧城市建设的基础感知层、信息资源层和融合协同层；“三级”包括用户、园区、城市三个不同的物理区域范围。
物理层和信息层的建设主要实现智慧能源数字化和智能化的目标，应用层的建设主要是实现智慧能源建设绿色化的目标，在三层建设基础上，由内至外，引导相关产业和服务发展，最终支撑泰州高质量发展。
物理层主要是构建基于当前基础能源网络的信息感知系统和传输系统，重点在于网络的完善升级和信息抓取和传输网络的建设。从城市能源基础设施来讲，一是城市范围能源传输网络的智能化，包括城市输电网络的节点的智慧化，输气网络的智慧化；二是能源转化设施的智慧化升级，包括电厂、能源站等转化设施的完善；三是终端用能设备的智慧化升级，从厂房到建筑，从交通到用户，形成完整的智慧能源链条。
信息层主要是构建数据存储、清洗、共享的系统和平台。包括需要统一存储管理的数据和各个能源子系统及应用子系统独有的数据集合及相应的共享和融合机制及接口。以横纵结合的方式，从发展基础较好的网络入手，从发展基础较好的用户入手，实现点和线的智慧化升级，构建城市层面的信息汇集分析平台，完成城市能源控制大脑建设。与城市其他领域信息结合，实现全市的立体信息化平台构建。
应用层主要是构建实现城市能源运行监测、决策分析、优化运行及交流展示的运营体系。实现能源生产、转换、消费、存储等各个环节的融合协同，以及与智慧城市其他应用之间的融合协同，共同推进智慧城市建设。
3.4 实施路径
城市智慧能源建设以城市能源互联网建设为依托，遵循顶层和通用优先开展、各自系统在同一规则下独立发展的原则，主要分为四个阶段：
（1）顶层规划设计阶段：形成完善的城市智慧能源顶层规划，从不同层级到不同范围制定完善兼容的架构，形成统一通信协议、数据接口、基础数据类型和元数据格式，建立统一的能源数据传输和存储规范和管理制度，形成满足多方能源数据独立发展和融合共享需求的顶层框架结构；构建城市层面的统一数据平台，开展不同能源主体数据归集试点；研究设计合适的商业模式和保障体系。
（2）子系统级发展阶段：各能源子系统及应用子系统均朝智能、清洁、高效、可靠的方向发展；在紧密融合的能源品种和领域间进一步打破规划壁垒，实现电气冷热等多能源协同规划；初步实现不同能源系统之间的物理连接；进行城市能源互联网的项目示范和商业模式示范。
（3）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。
（4）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且持续运行；智慧城市生态构建完成，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，城市能源智慧化完全实现。
从产生的经济效益角度，智慧能源建设能够从全环节提升能源效率，节约能源消费开支，提高企业产品竞争力，并带动相关产业发展。一是提高能源利用效率，降低能源消费总量，据估算，总体可提高能效约7%-8%水平。二是降低经营成本，提高企业竞争力，主要工业企业单位产值能耗下降8%左右，可以实现综合用能成本下降10%左右。三是促进技术创新、带动相关装备制造、信息通信产业发展。到2030年，智慧能源产值有望达到GDP的0.5%-1%左右。
从产生环境效益的角度，通过智慧能源建设，一是提高能源使用效率，减少化石能源消费量；二是提高可再生能源消纳能力，实现清洁能源替代；三是提高能源转化效率，降低能源转化损耗，三者共同作用，实现能源导致的污染物排放减少和温室气体排放减少。通过提高能源基础设施使用效率，共享能源通道，减少土地使用，提高土地利用效率，缓减生态承载压力。
从产生社会效益的角度，智慧能源建设实现能源供应商与用户的良好互动，能提供简单便捷的能源服务，提高用户的便利性和满意度；能优化能源结构，保障能源安全可靠供应；能提高能源服务效率，优化营商环境，提升城市形象。
4 任务分析
以智慧能源建设框架和路径为依据，因地制宜利用当地的资源优势，高效推进能源物联网建设，引领城市能源变革落地示范。
4.1 完善智慧能源基础设施，发挥能源数据价值潜力
通过进一步优化能源物理基础设施，升级能源系统信息化程度，对数据进行有效的收集、存储、处理和应用，对城市能源体系内电、热、冷、油、气、交通等各个要素的能源数据进行整合和优化，有效地挖掘能源数据的价值。
（1）智慧能源统一数据平台建设。
1、由政府主导建设城市能源数据中心，汇集电、气、油、煤、冷热等各类能源数据资源。
2、通过能源大数据进行能源供需预测、能源关联关系、能效分析等。
3、构建数据共享机制，确保数据安全共享，提升数据之间融合能力。
4、构建数据管理方式，以数据驱动业务。
（2）能源系统信息化建设。
1、由相应能源企业自行建设能源系统中的子系统，汇集生产、传输、存储、计量、使用、营销等多个环节数据，实现信息子系统的可视化独立运行。
2、加强综合能源服务子系统建设，开展基于大数据分析的综合能源服务管理决策，强化服务数字化运营管控，优化能源供给调度网络运行策略，构建服务体系，为客户提供增值服务。
（3）智慧能源标准建设。
1、统一能源物联网基础设施标准化接入。
2、建立工业生产能源消耗标准。
3、建设能效标准数据库。
4.2 构建智慧能源供应体系，保障城市能源安全可靠供应
通过调整城市能源供给结构向多元化目标前进，加大清洁能源推广利用，发挥电网作为资源配置主要载体的基本功能，确保其安全可靠运行，推动多种能源子系统协同运行和互补互济，加快综合能源工程示范落地，实现多能源的互联互通。
多元智慧能源供应体系建设。
1、坚强智能电网建设。主网补强，改造老旧变电站，推动电网基础设施安全运行，提升电能质量保障供电可靠；构建配网标准网架优化供电路径，增强配电网承载各种能源便捷接入能力，试点并推广配电网状态感知技术。
2、天然气石油供应系统升级改造。合理增设布局天然气和石油通道，建设地区储气库群，确保城市供气、油的安全可靠。
3、可再生能源开发利用。充分利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物，缓解用电紧张的局面；因地制宜利用地热能、水能、风能、太阳能等资源，促进清洁能源替代。
4、多站合一示范工程。依托电网信息化良好建设基础，开展“多站合一”试点工程建设，充分利用综合能源站资源，节约通讯基站建设成本，实现多能源的互联互通。
4.3 升级智慧能源消费方式，促进城市能源清洁高效利用
通过清洁替代、智慧化节能改造和智能监控等方式，大力提高能效水平，加快各行各业再电气化进程，构建城市交通、建筑、工业和居民生活全面节能格局。
（1）智慧建筑应用推广建设。
1、公共建筑终端用能监控项目，接入智能插座等用能监测终端，实现能源统计与能耗监测在同一平台上的可视化和动态交互。
2、公共建筑蓄冷、蓄热项目建设，利用峰谷电价政策降低能源消耗费用、提高电网调峰能力。
3、公共建筑空调负荷实时需求响应项目，对用户侧空调负荷集中管理。
4、清洁取暖项目，利用天然气、电、地热、生物质、太阳能、工业余热、清洁化燃煤（超低排放）、核能等清洁化能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的取暖。
（2）绿色交通智慧化建设。
1、智慧车联网建设，缩小充电服务半径，实现“网-桩-车”自主协同运行。
2、智慧路灯管理体系建设，通过远程管理和移动管理降低路灯设施的维护难度和成本，并达到高效节能的效果。
3、因地制宜推出面向不同地区的多样的智慧化措施，如港口岸电、清洁取暖等特色建设。
（3）行业智慧用能优化。
1、工业生产环节用能监测。对高耗能产业接入监控和采集设备，集成能源系统设备状态监视、调度自动化等生产运行信息，实现工业能源系统的高度自动化和信息化。
2、农业生产节能改造。改善当地农业生产条件，提高水资源利用效率和农业综合生产能力；淘汰燃煤、燃油等高污染烘干设施，积极引导用户使用电锅炉、空气源热泵等绿色环保节能采暖烘干技术。
3、服务业用能优化。推广低碳建设，建设全电厨房、电气化线路改造等项目，保障传统服务业安全、清洁用能。
4.4 构建智慧能源管理及服务体系，促进城市高质量发展
探索建立基于大数据、云计算、物联网、人工智能等新技术的新业务应用和增值服务，构建覆盖用户、企业、政府等能源主体的能源管理服务体系，实现透明高效的现代能源监督，指导能源消费总量控制，推动城市高质量发展。
智慧服务能力建设。
1、企业接电、气便捷服务。减少用电、气的审批流程，降低接入成本，提升企业用电、用气获得感。
2、政务信息便捷互通服务。积极推动政府与电网公司、燃气公司政务信息共享，实现地址、身份、公共服务等信息的互联互通，通过APP、公众号等渠道让用户感受政务服务的便捷性。
3、建筑能效评价服务。基于建筑物能源消耗量、用能系统运行情况等检测工作，为公共建筑和居民建筑提供免费能效评价服务，挖掘建筑节能潜力，调动用户参与节能减排的积极性。
4、智能运维服务。通过线上诊断、线下运维的运维服务体系，实现能源站的透明化管理、智能化诊断和辅助决策等核心功能。
5、能源基础信息统计业务。加强区域内能源全环节全过程统计工作，加强对能源基础数据的统计校核工作，掌握城市能源供需实际情况，做实能源相关工作的数据基础。
5 结语
专家介绍
王林钰，博士，国网（苏州）城市能源研究院数据中心主任，高级研究员。长期从事城市能源战略、城市能源数据管理、能源大数据应用等方面的研究，作为项目负责人完成多项国家能源局、国家电网公司科技项目，主笔完成专著两本，获得发明专利授权7项，发表期刊、会议文章数十篇。
周佳伟，硕士，国网（苏州）城市能源研究院数据中心研究员。主要从事智慧能源、数据管理、大数据应用等方面研究。先后参与国家电网公司科技项目、国网江苏省电力公司科技项目、国家电网管理咨询项目等10多项。发表EI论文共2篇，获得发明专利授权1项，参与出版专著编写3本。
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编辑：杨彪
审核：许晓艳
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