執(zhí)筆人：劉林、王雪
（國網能源研究院 能源互聯網研究所）
一、超大型城市能源系統發(fā)展顯著特點
超大型城市能源系統較普通城市能源系統更加龐大復雜，未來隨著超大型城市發(fā)展，其能源系統將“自上而下”由城市大能源系統、區(qū)域能源系統和用戶側能源系統構成。
城市大能源系統，將以低碳能源供需平衡為導向，承擔城市能源供應的核心功能，主要通過特高壓等跨區(qū)互聯工程將區(qū)外大型清潔能源基地電能輸送至城市電網，滿足大部分城市能源消費需求。
區(qū)域能源系統，將以高效和充分利用本地能源為導向，作為城市能源供應的有益補充，主要通過源網荷互動、多能互補、配電自動化等智能電網技術，實現各類本地能源的綜合高效利用，促進大規(guī)模區(qū)外來電的合理消納配置。
用戶側能源系統，將以引導節(jié)能、互動的能源消費行為為導向，主要通過智能建筑、智能家居、車聯網、需求側管理等技術和手段，引導用戶電氣化、互動化的用能習慣，促進節(jié)能，提升用戶生活品質。
圖1 超大型城市能源系統發(fā)展示意圖
未來，超大型城市能源系統發(fā)展將具有以下四個顯著特點：
一是能源互聯網核心要素全面集中體現。全面實現多能互補、源網荷儲協調、物理信息融合，支撐服務多元化。
二是大量同類及各類子系統的復雜協同。相較于一般規(guī)模城市中較少的子系統，超大型城市中同類子系統及各類子系統的數量都十分龐大，規(guī)劃和運行協調的難度很大。
三是先進技術創(chuàng)新和應用的需求更加迫切。城市是能源創(chuàng)新的主戰(zhàn)場、能源新技術的主要使用地，為破解超大城市發(fā)展難題，亟需催生能源利用新技術，誕生能源服務新模式。
四是綜合能源服務價值潛力的更早實現。得益于超大型城市的領先的經濟水平和理念，可以獲得更加超前的綜合能源服務開展的良好內外部條件，提早兌現增值潛力。
二、超大型城市能源互聯網的概念內涵
城市能源互聯網在超大型城市部署落地具有重要示范引領作用。在城鎮(zhèn)化、低碳發(fā)展和技術進步的驅動下，以上海、北京為代表的超大型城市，將率先形成清潔、低碳、高效、電氣化的能源系統新格局。超大型城市能源互聯網是以電為中心，以信息物理一體化融合為基礎，通過環(huán)節(jié)維度的源網荷儲協調、系統維度的多能互補、空間維度的局部與跨區(qū)域優(yōu)化配置，滿足未來超大型城市各類能源使用需求的“三維一體”綜合能源系統。
在環(huán)節(jié)維度，超大型城市能源互聯網中系統調度將以整體最優(yōu)為目標，打破源、網、荷、儲不同環(huán)節(jié)間的壁壘，統籌安排各環(huán)節(jié)運行策略，實現供需雙向互動。隨著波動性新能源并網裝機比例持續(xù)擴大，各類電源調度運行方式將產生明顯變化；電網運行方式將更加靈活，有力支撐清潔能源高效配置；需求響應將更加高頻度地參與供需平衡，提高系統對新能源的消納能力；儲能將在電力系統中發(fā)揮重要調節(jié)作用，跟隨新能源波動運行。超大型城市能源互聯網將充分發(fā)揮各類資源特點，以靈活高效的方式共同推動系統優(yōu)化運行，促進清潔能源高效消納。
在系統維度，超大型城市能源互聯網將打破電、熱、冷、氣等不同能源系統間的壁壘，通過多能源品種跨系統耦合互補，提高能源利用效率、提升能源系統可靠性。電、熱（冷）、氣等不同能源系統在可存儲性、時間慣性、傳輸損耗特性等方面存在一定差異化特征，終端用戶對不同能源品種的需求峰谷分布特性也有所不同，不同能源品種間協調互補潛力巨大。在各能源品類中，電力和熱力都是二次能源，具有多來源、多去向的特征，且可相互轉化，互補空間較大，適合作為超大型城市多能互補的切入點。通過挖掘電-熱互補潛力，利用熱力易存儲、時間慣性大的特點，補充電力系統靈活性，擴大可再生能源利用率。
在空間維度，超大型城市能源互聯網將打破城市內部區(qū)域及不同城市區(qū)域間局地平衡的壁壘，實現供需動態(tài)平衡，促進資源大范圍優(yōu)化配置。大型城市內部區(qū)域及不同城市地域間在能源資源條件、負荷需求特性等方面存在一定互補性，特別是在未來高比例新能源場景下，風電、光伏發(fā)電出力具有較強的波動性、隨機性與反調峰特性，通過擴大城市間聯網范圍，可有效平抑波動，實現等效調峰效果。在空間維實現互聯互通是各種網絡的基本屬性，更是超大型城市能源互聯網的重要屬性。風電、光伏發(fā)電以及負荷需求均具有一定的跨區(qū)域互補效應。通過合理安排跨區(qū)域電力配置方案，可有效降低各區(qū)域凈負荷波動。
在信息物理一體化融合方面，超大型城市能源互聯網將大力推進能源系統與信息系統的深度融合，從而實現設備智能、多能協同、信息對稱和交易開放等功能。信息物理系統將感知傳輸、計算處理、決策控制等信息與控制技術深度融合到物理實體系統中，通過計算過程對物理過程進行感知和控制，實現信息空間與物理世界無縫結合。超大型城市能源互聯網中信息物理一體化融合的核心是加快發(fā)展電力領域信息物理系統一體化融合，其發(fā)展重點包括信息感知、分析處理和智能控制三個方面，共同組成從物理實體到數據空間再到決策空間的閉環(huán)。未來超大型城市電力信息物理融合系統將從單元級、系統級到系統之系統級，即從點到線再到面的不斷深化，推動城市電網向以新一代電力系統為核心的城市能源互聯網轉型升級。
圖2 超大型城市能源互聯網概念示意圖
電能在超大型城市能源互聯網中占據中心地位，以集中式與分布式相結合的方式，通過廣泛互聯的城市電力輸送系統高效利用清潔可再生能源，結合蓄冷、蓄熱、蓄電的能量調節(jié)，實現城市能源的綜合供給；分布式能源系統是超大型城市能源互聯網的有益補充，利用區(qū)域內光電轉換、光熱轉換、風電轉換、地熱能轉換等方式，為區(qū)域提供電能、制冷和熱能，實現多種可再生能源互補利用和優(yōu)化匹配，最終達到城市能源結構由高碳轉向低碳，能源利用由粗放轉向集約，能源服務由單向供給轉向智能互動。
超大型城市能源互聯網將立足城市發(fā)展的階段性趨勢，推動城市能源系統從當前以化石能源為主向以清潔能源為主轉型，是實現價值創(chuàng)造的核心載體。超大型城市能源互聯網在物聯網實體上承載了豐富的功能，可從根本上破解超大型城市發(fā)展中能源環(huán)境等問題，更是在城市發(fā)展模式、生產生活方式以及居民用能行為中逐步促進用能觀念和方式的根本性改變，實現城市可持續(xù)發(fā)展。
三、超大型城市能源互聯網的基本特征
從能源供應看，超大型城市能源互聯網將大幅提升清潔能源在未來能源結構中的占比，成為支撐城市能源結構優(yōu)化轉型的基礎平臺。
清潔能源轉化為電力是最有效、便捷的利用方式。現階段風能、太陽能等可再生能源的間歇性、波動性以及低能流密度成為制約其在能源供應中發(fā)揮主要作用的瓶頸。以智能電網為核心的能源互聯網通過推動電網的智能化發(fā)展、功能升級，并促進多種能源形式的優(yōu)化梯級利用，將最大程度上適應清潔能源發(fā)展的需要。
從體系結構看，超大型城市能源互聯網將是集中式與分布式相結合，系統優(yōu)化與局部自治相得益彰的互聯、分層、融合的城市能源轉化和配置網絡。
以智能電網為核心、具有廣泛互聯和智能化特征的能源輸送網絡將構成骨干網架，實現以電為中心的大范圍余缺互濟、經濟高效配置和系統級安全保障；以多種能源分散、梯級利用為特征的分布式能源系統將構成末端節(jié)點，實現能源的集約高效利用。
從技術特點看，超大型城市能源互聯網將是信息通信技術與能源技術深度融合，信息流即時通暢、能源流經濟高效、業(yè)務流多元互動的新型城市能源信息網絡平臺。
信息的全面滲透和共享增值既是能源互聯網實現高度智能化的技術保障，也是其充分發(fā)揮價值作用的實現基礎。大數據、云計算、互聯網、物聯網技術將與新能源、智能電網技術深度融合，塑造能源互聯網區(qū)別于傳統能源網絡的本質屬性。
從功能屬性看，超大型城市能源互聯網將通過實現原件即插即用、促進互聯網經濟創(chuàng)新融合，發(fā)揮市場在能源系統中的基礎性作用，滿足城市用戶多元身份、自主選擇、開放共享的更高訴求。
伴隨互聯網理念的全面滲透，能源互聯網將更具開放共享、價值創(chuàng)新能力。用戶將依托設備級無縫接入、系統級優(yōu)化配置、能源信息的雙向互動，滿足對能源提供者和多元使用者的身份訴求，并激發(fā)出更具活力的商業(yè)模式，推動能源服務的可持續(xù)發(fā)展。
因此綜上所述，超大型城市能源互聯網將具有七個方面的基本特征，分別是：廣泛互聯、海量主體即插即用、能流雙向快速變化、主體互動、多能協同、高度市場化、廣泛創(chuàng)新。具體來講，
一是具備廣泛互聯的網絡結構，服務范圍廣、安全可靠性高。超大型城市能源互聯網中的能源傳輸網絡具有泛在、多層次結構、不同能源子網間多重耦合的特征，電、熱、冷、氣、儲等多種能源相互耦合，電網、天然氣網、城市熱網、交通網、信息網、微電網、深度融合。能源流動范圍大，服務充分；能源流動路徑多樣，可實現安全穩(wěn)定運行。
二是采用標準的接口與協議，支持海量主體即插即用?？紤]到城市工、商及居民負荷的差異化特性，能量需求場景復雜多樣，而不同能量的轉換則需要不同的能源耦合設備，如充電樁等。超大型城市能源互聯網中能源設備只要采用標準接口即可低成本物理接入，通過統一端口接納和送出能量的標準，構建標準傳輸“協議”，支撐海量主體即插即用，便捷參與。
三是能量/信息流雙向快速變化，交互頻繁，信息規(guī)模量大。分布式能源大量出現，能源消費者轉變?yōu)楫a消者，加之可再生能源自身波動，造成能源流動雙向快速變化。由于城市內同一時刻存在大量場景，能量流與信息流頻繁交互，因而產生海量的信息。
四是注重能源/信息的雙向流動，激發(fā)主體互動。超大型城市能源互聯網將借能源傳輸雙向化的機遇，在用戶接收和生產能源（包括實際生產和可控負荷減少用電實現的虛擬生產等）的過程中，調動用戶積極參與系統調節(jié)；此外還通過加強信息雙向傳輸，讓用戶及時傳遞需求信息，讓服務主體積極傳遞供應信息，促進供需互動。
五是注重多系統間協同，形成協同效應。多能協同是超大型城市能源互聯網的重要特征，它通過發(fā)揮不同能源品種的各自優(yōu)勢，利用不同能源的特性互補，實現余缺互濟，形成協同效應，使能源供應更加經濟、高質、高效。
六是通過打破信息不對稱，實現高度市場化。超大型城市能源互聯網中各主體間信息廣泛、高效傳播，打破傳統能源系統內部的信息壁壘，充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，促進價值發(fā)現和廣泛競爭。
七是廣泛創(chuàng)新、高速發(fā)展。超大型城市能源互聯網將以用戶為中心，緊扣用戶需求，利用各種技術創(chuàng)新、服務創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新，通過綜合能源服務推動城市能源系統內生快速增長。
四、超大型城市能源互聯網發(fā)展路徑
與一般的城市能源互聯網相比，超大型城市的能源互聯網發(fā)展有以下特點：
（1）從能源互聯網的要素來看，基于超前多元的發(fā)展需求，超大型城市能源互聯網的要素種類更加豐富、規(guī)模更大，形成的子系統、子平臺的數量更大，大量基礎要素和子系統的匯聚產生的不僅僅是疊加的效果，類似科學計算中的“維數災”問題，一些傳統的系統架構設計、運行方式可能不再適用，需要對海量設備終端形成的系統進行重新解構，引入先進技術，滿足超大型城市能源轉型發(fā)展的需求。
（2）從能源互聯網的發(fā)展過程來看，基于超大型城市能源互聯網的復雜性、高約束、高目標，其發(fā)展過程更加需要科學地進行頂層路線設計?？v觀國內外的城市能源互聯網，一般規(guī)模較小或者資源條件優(yōu)異，往往是從下而上的發(fā)展，即首先出現區(qū)域或者局域的各類微電網、微能網等終端，在下層發(fā)展到一定程度和規(guī)模后，再進行互通和系統集成，開發(fā)上層平臺。而對超大型城市能源互聯網，分散式發(fā)展之后再集成的方式并不適用，更加需要進行超前性前瞻性的自上而下的頂層設計，來保證能源互聯網建設的科學性和經濟性。
（3）從能源互聯網的系統復雜度來看，超大型城市能源互聯網的三個發(fā)展階段：子系統發(fā)展階段、跨系統發(fā)展階段和平臺級發(fā)展階段，體現了能源系統不斷演化的規(guī)律，但同時具有時序的先后性和并行性，即可能某些子系統在提升發(fā)展，另外的一些子系統已經實現了跨系統級的發(fā)展，具備條件的情況下也可以提前開展平臺級建設。
（一）子系統級發(fā)展階段
各子系統均朝智能、清潔、高效、可靠的方向發(fā)展；并進一步打破規(guī)劃壁壘，實現多能源協同規(guī)劃；初步實現不同能源系統之間的物理連接；各子系統關鍵技術取得突破；確定搭建基礎物理平臺需要研制的核心設備；進行城市能源互聯網的項目示范。重點子系統包括：
（1）交直流主動配電網：主動配電網(active distribution network，ADN)是在主網配網協同控制基礎上，具有分布式發(fā)電、儲能、電動汽車和需求側響應等電源負荷調控手段，能夠針對電力系統的實際運行狀態(tài)，以經濟性安全性為控制目標，自適應調節(jié)其網絡、發(fā)電及負荷的配電網。在主動配電網中，大量分布式發(fā)電從不同節(jié)點接入后將使配電網由輻射狀的網絡變?yōu)楸椴贾行‰娫春陀脩舻幕ヂ摼W絡，從單純的“配電系統”轉化成為一個“電力交換系統”，由于分布式能源和儲能裝置的特點和負荷的供電需求，通過交直流的主動配電網能夠實現將分布式電源在更廣域的潮流范圍內調度，交直流混合配電網是未來主動配電網的重要實現形式之一；
（2）供冷系統：供冷系統由供冷管網組成，與電—冷轉化設備、地源熱泵、冷熱電聯供設備和儲冷裝置相連接，滿足用戶對供冷的需求；
（3）熱力系統：由熱力管網組成，與冷熱電聯供機組、光熱機組、鍋爐以及儲熱裝置相連接，以實現對熱能的統一匯集與調配；
（4）燃料系統：包含石油、天然氣等燃料的供應管網，是城市能源互聯網的重要組成部分，通過燃油汽車和燃氣汽車與交通系統進行互聯，并分別通過燃氣機組和燃氣鍋爐與電力系統和熱力系統進行互聯；
（5）交通系統：由各種交通形式交通混合組成的系統，通過電動汽車和電氣化軌道交通與電力系統互聯，通過燃油汽車和燃氣汽車與燃料系統進行互聯；
（6）信息網絡與工業(yè)控制系統。是城市能源互聯網中能源調控中心的重要構成部分，工業(yè)控制過程在電網中相當于調度系統，信息網絡大多是基于計算機互聯網技術進行實現的，它也是整個城市能源互聯網得以正常、高效地實現現實優(yōu)勢的基礎保證。
圖3 子系統發(fā)展階段示意圖
（二）跨系統級發(fā)展階段
基本打破能源系統之間的物理壁壘，通過各種能量之間的轉化，實現城市能源互聯網內部的能量流通；通過多樣化能源系統中的量測設備、通信轉化協議、信息挖掘技術、數據存儲分析技術等實現城市能源互聯網內的信息共享，構建城市能源互聯網的信息物理融合系統；對示范項目進行推廣應用。
（1）物理信息一體化融合基本實現：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）能源交通一體化基本實現：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(guī)劃的核心。
（3）覆蓋新模式新業(yè)態(tài)的能源交易子系統：能源交易子系統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。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。
（4）綜合能源大數據管理系統：采用大數據處理與挖掘分析、智能應用、智能消息推送、社會化協作、服務化架構等云計算關鍵技術，把能源互聯網云計算平臺建設成為全新一代的松耦合、高效和高可用、高度可伸展、安全可靠的應用服務支撐平臺，為各種規(guī)模和各種類型的云應用，提供統一的開發(fā)、運行和管理服務。
圖4 跨系統發(fā)展階段示意圖
（三）平臺級發(fā)展階段
城市能源互聯網綜合平臺及各類子平臺建立；打破市場壁壘，能源資源高效配置?；趨^(qū)塊鏈等各種新興技術和能源市場的價格響應機制，各方都能主動地參與到能量流的優(yōu)化中，實現能量流、信息流和價值流的統一。
（1）城市能源綜合服務平臺建成。作為集系統調控、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。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(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。
（2）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(fā)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(yōu)先級高于能源配網各能源品種自身的調度。多源協同優(yōu)化運行決策的核心內容是對整個能源互聯網中的可控資源進行聯合調度，既包括常規(guī)電能，也包括冷、熱、氣等資源的調度。
（3）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(qū)域用能優(yōu)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(qū)域用能優(yōu)先保障等。
（4）多源大數據平臺。能源互聯網包含多種能源形式，單以一家企業(yè)難以管理和運營，需要打通各方的數據通路。依托大數據技術，多源大數據平臺可以整合多方的數據源，進行統一的數據管理，包括：1）系統類數據，包括調度自動化、配網自動化、用電管理、智能電表(AMI)、地理信息系統等；2）設備類數據，包括用能終端的采集設備、燃氣網、熱力網等，如儲能、微燃機、空氣源熱泵、太陽能熱、生物質能、電動汽車充電樁等信息；3）宏觀經濟政策與環(huán)境、氣候等數據；4）其他來源數據。
圖5 平臺級發(fā)展階段示意圖
作者介紹
劉林，國網能源研究院能源互聯網研究所主任工程師。電力系統自動化專業(yè)博士，高級工程師、管理咨詢師、注冊咨詢師，國家電網公司優(yōu)秀專家人才。主要從事能源互聯網、智能電網、商業(yè)模式創(chuàng)新、國際能源等研究。曾參與編寫起草國家促進智能電網發(fā)展指導意見、國家電網公司智能電網十二五及十三五規(guī)劃、配電網發(fā)展十三五規(guī)劃等；主筆編寫出版《世界能源清潔發(fā)展與互聯互通評估藍皮書》等著作；多次獲得國家能源局軟科學成果獎、國家電網公司科技進步獎、國家電網公司軟科學成果獎等。
