聚焦智慧城市中的能源問題

辛妍

與能源相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施是智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)中的一個重要組成部分，它們不僅能讓一座城市正常而穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，也擔(dān)負(fù)著減少能源使用對環(huán)境造成的負(fù)面影響的重任。

以電力為例，幾十年來，大多數(shù)人對電力并沒有太多的想法。然而，由于氣候變化、能源價格上漲和技術(shù)進步的綜合作用，具有高度環(huán)保意識的消費者越來越多，他們想要了解能源這類公用事業(yè)的情況，并越來越希望參與其中，在電力使用中發(fā)揮自身的作用。比如他們想要知道自己使用了多少能量，哪些使用可以被優(yōu)化，如何使用才能更環(huán)保等。可以說，能源產(chǎn)業(yè)最令人興奮的方面之一就是消費者的作用日益增大。不僅在消費者層面如此，近年來，政府層面對氣候變化的影響也日益關(guān)注，各國政府也紛紛出臺相關(guān)措施。

目前，全球各地的公用事業(yè)部門都在面臨著來自多方面的壓力：比如要提高可靠性、效率、客戶滿意度和資產(chǎn)利用率，要減少停機，要避免新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及要解決環(huán)境保護問題等。同時，越來越多的替代品不斷涌現(xiàn)（包括風(fēng)電和太陽能發(fā)電等），電動汽車、能量存儲和微電網(wǎng)也已經(jīng)出現(xiàn)。另外，顧客也開始想要參與管理自身的能源事務(wù)。所有這些，都帶來了額外的挑戰(zhàn)。

但是，現(xiàn)在隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為可能，以上這些挑戰(zhàn)幾乎都可以迎刃而解。通過在智能電網(wǎng)中廣泛使用傳感器、測量儀表、數(shù)字控件和分析工具等，能源的雙向流動能夠被自動監(jiān)測和控制。對于公用事業(yè)部門（比如電力公司）而言，可以近乎實時地了解消費者的需求，并更有效地管理供應(yīng)和需求，同時也可以優(yōu)化電網(wǎng)性能，防止發(fā)生斷電，做到更快的斷電恢復(fù)；而對于消費者而言，可以對家中各個網(wǎng)絡(luò)家電分別進行電量的使用管理，減少電力使用和相關(guān)費用，甚至改變他們的行為模式。同時，智能電網(wǎng)也可以將新的可再生能源——如太陽能和風(fēng)能——納入其中，并且與本地的分布式電源或插電式電動汽車互動。

作為智慧城市發(fā)展中的重要組成部分，本文將闡述智能電網(wǎng)在能源使用中發(fā)揮的重要作用，并著重介紹國外智慧能源和智能電網(wǎng)解決方案及具體應(yīng)用案例，以期為我國的智慧能源和智能電網(wǎng)發(fā)展提供借鑒作用。

智能電網(wǎng)概述

智能電網(wǎng)這一概念，實際上就是讓信息技術(shù)與電網(wǎng)聯(lián)姻。它能讓公用事業(yè)具有前所未有的整合和分解新負(fù)載與資產(chǎn)的能力。在有智能電網(wǎng)之前，公用事業(yè)部門不知道誰家的屋頂使用了太陽能，更不知道這一太陽能被用來做什么。可以說，公用事業(yè)對此基本上是視而不見的。而現(xiàn)在隨著智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，這一切都發(fā)生了改變。

智能電網(wǎng)可能會，或者是正在經(jīng)歷三個循環(huán)演變階段：首先，自動化將改造行業(yè)的后端，例如輸電線路、發(fā)電站等；在第二個循環(huán)中，消費者與他們自身的能源使用之間、與公用事業(yè)之間的交互作用會發(fā)生改變；第三個循環(huán)可能帶有一定的推測性，即將會向第三方供應(yīng)商開放公用事業(yè)領(lǐng)域。作為消費者，人們會開始看到更多的、更好的與公用事業(yè)消費——不管是電、氣還是水——相關(guān)的服務(wù)，雖然可能人們并沒有意識到這一點。

為了能讓消費者管理自己的消費，公用事業(yè)正在面臨著越來越大的精簡業(yè)務(wù)的壓力。例如，各用戶所使用的電表是能源使用信息的一個重要來源，但要收集其中的數(shù)據(jù)往往很困難，而且成本也比較高。不同于抄表員以月為周期查房抄表，智能電網(wǎng)中的智能電表系統(tǒng)使用儀表，將電表與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相連，自動定期或按需求收集和傳送電表讀數(shù)。對企業(yè)而言，這就意味著大量節(jié)約；對消費者而言，就意味著更好的能源管理。使用智能電表系統(tǒng)，公用事業(yè)變得更加互聯(lián)，它將企業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)集成起來，從而大幅提高生產(chǎn)效率，降低高峰用電需求；它讓客戶更加有權(quán)、有能力節(jié)約用電。在手機和其他一些行業(yè)的技術(shù)進步已經(jīng)讓設(shè)備尺寸縮減、成本降低。而有了智能電網(wǎng)，無疑也能讓人們以一個相對較低的價格來實現(xiàn)家中所有能源使用的可視化。

總體而言，智能電網(wǎng)就是在整個電網(wǎng)中增加了一個智慧層，以提高系統(tǒng)的可靠性和效率，改善供給和需求管理，優(yōu)化操作，精簡成本。

智能電網(wǎng)在能源使用中的作用

智能電網(wǎng)對風(fēng)能的作用

風(fēng)力發(fā)電是最清潔、最豐富的可再生能源形式之一。全球風(fēng)能理事會（Global Wind Energy Council，GWEC）發(fā)布的2013年市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球累積產(chǎn)能總量已經(jīng)達到了31.8137萬兆瓦，在過去五年的增值高達20萬兆瓦。但是，目前全球的電力只有2.5%來自于風(fēng)能。預(yù)計到2020年，這一比例將達到8-12%。

風(fēng)力發(fā)電效率很高。數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電廠生成的電力是其消耗的能源的17到39倍，與之相比，核電廠大概是16倍，燃煤電廠大概是11倍。今天，在全球沒有一個協(xié)調(diào)一致的努力來應(yīng)對氣候變化的情況下，風(fēng)能的成本競爭力成為其在市場上立足的最大優(yōu)勢。在巴西、南非、土耳其、墨西哥和其他一些地方，風(fēng)能成功地獲得了政府的大力資助。

但是，風(fēng)能是間歇性的，因此要使用風(fēng)能，電網(wǎng)要面臨的挑戰(zhàn)是必須要可以不斷地調(diào)整它所能夠吸收的風(fēng)能的數(shù)量，而其他能源，比如水電、天然氣和火電就不存在這一問題。也就是說，電網(wǎng)需要有額外的靈活性。例如，如果電網(wǎng)被設(shè)定可以接受20%的風(fēng)能，那么當(dāng)風(fēng)力發(fā)電的水平下降時，電網(wǎng)運營商就必須及時、準(zhǔn)確地做出響應(yīng)，比如增加另一種電力能源（比如水電）的供電量，從而保證平穩(wěn)供電。要達到這種靈活性，電網(wǎng)就需要更智能，也就是要具備通過預(yù)測、建模和其他功能來識別發(fā)電損失的能力，具備在不影響用戶的情況下，在正確的時間和地點減少負(fù)載的能力。電網(wǎng)的穩(wěn)定性需要傳輸系統(tǒng)有即時精確的建模，需要電網(wǎng)元件有快速切換和操縱，從而來減少對系統(tǒng)整體的影響。雖然讓電網(wǎng)適應(yīng)新的可替代能源與適應(yīng)分布式發(fā)電是兩類不同的問題，但智能電網(wǎng)卻是達到這兩個目標(biāo)的關(guān)鍵推動力。

在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以給風(fēng)力發(fā)電廠的渦輪機安裝能夠傳送現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳感器，如渦輪輸出和溫度等，并將其傳送到中央存儲庫。憑借先進的分析計算，現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以用來產(chǎn)生主動預(yù)警和工作狀況單等，并顯示在儀表板上，從而讓運營商對整個風(fēng)力發(fā)電廠的運行狀況一目了然。反過來，整個電網(wǎng)系統(tǒng)也變得更高效、更可靠和更自適應(yīng)，換句話說，就是更智慧。

由于缺乏全球性的氣候政策，目前風(fēng)能部署的主要驅(qū)動力還是國家和區(qū)域政策。比如，美國斷斷續(xù)續(xù)的政策驅(qū)動著風(fēng)能繁榮與蕭條的周期；中國支持將風(fēng)能作為能源戰(zhàn)略的一個重要支柱驅(qū)動著風(fēng)能市場的持續(xù)的增長；而在歐盟，關(guān)于2030年氣候和能源政策的爭論主導(dǎo)著風(fēng)能前進。但不管怎樣，幾乎可以肯定，在未來五年，市場的增長將集中在亞洲、拉丁美洲和非洲，因為這些地方的需求正在迅速增加，而且有強勁的經(jīng)濟增長，并且積極的智能電網(wǎng)建設(shè)。

智能電網(wǎng)對電動汽車的作用

一個世紀(jì)以前，以電力為動力的汽車多于以汽油為動力的汽車。但是，隨著對更長的行駛里程、更實惠的燃料來源以及更可靠的電力基礎(chǔ)設(shè)施的需求，使內(nèi)燃機汽車很快主導(dǎo)了汽車運輸。現(xiàn)在，隨著能源價格的不斷上漲，駕駛員正在考慮擺脫汽油而回歸電力，并將它作為汽車動力的理想來源。這就是為什么世界各國都開始大力推廣電動汽車。

但是，電動汽車的推廣除了存在電池這一障礙之外，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的不完備也一直是個問題，因為公用事業(yè)部門根本不知道車輛要在何時、何地進行充電。現(xiàn)在，智能電網(wǎng)可以幫助公用事業(yè)部門更好地平衡供給和需求。當(dāng)越來越多的電動汽車進入市場之時，這將變得更加重要，它可以通過信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)電動汽車的無縫整合，讓它們能夠基于電網(wǎng)的實際運作情況來優(yōu)化充電。例如，可以用晚上的風(fēng)發(fā)的電來為電動汽車過夜充電；電網(wǎng)甚至可以被配置成利用充電的汽車來幫助其穩(wěn)定頻率。未來，還將可以使用智能手機預(yù)約充電地點。可以預(yù)測，隨著電池技術(shù)和智能電網(wǎng)的發(fā)展，在未來五到十年，電動汽車市場將會有巨大的增長，并且或許讓人們對交通運輸?shù)目捶òl(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。

美國伯靈頓市的智慧能源解決方案

在可持續(xù)發(fā)展方面，美國的伯靈頓市（Burlington）已經(jīng)取得了長足的進步。但城市的一些努力，包括增加電動汽車的使用、更多地利用太陽能和風(fēng)能來發(fā)電等，在發(fā)展的同時，也給城市帶來的新的挑戰(zhàn)。伯靈頓市希望通過充分利用城市已有的智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和其他投資的優(yōu)勢，實現(xiàn)廣泛的溫室氣體減排，同時加強伯靈頓的經(jīng)濟及其金融地位。

雖然伯靈頓市一直在為減少溫室氣體排放做出努力，但這些努力是分開、孤島式地解決各個排放來源，只有有限的整合，而且缺乏一致性。比如，溫室氣體數(shù)據(jù)是整合級的，也就是目前尚無可用的跨所有類別的可靠并翔實的數(shù)據(jù)。但是，要理解模式、趨勢和影響，并優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)氣候目標(biāo)，擁有這一級別的數(shù)據(jù)是先決條件。

另外，自2012年4月以來，市長重點關(guān)注的是金融穩(wěn)定和溫室氣體減排倡議的可行性。而目前伯靈頓需要的是有效地執(zhí)行溫室氣體減排倡議，并通過協(xié)調(diào)投資為公民提供更廣泛的環(huán)境效益。為此，就需要有一個集中的方法和計劃，協(xié)調(diào)政府、企業(yè)、教育和社區(qū)的能力，考慮資金和承受能力，加強地方經(jīng)濟，并改善伯靈頓的財務(wù)狀況。

令人振奮的是，伯靈頓市有強大的高等教育機構(gòu)，并有大批學(xué)生資源，而且有許多年輕人才具有軟件開發(fā)和綠色能源方面的技能。同時，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和可再生能源等方面，伯靈頓市具有較強的創(chuàng)業(yè)精神，并有一定數(shù)量的初創(chuàng)公司，這無疑為綠色發(fā)展提供了條件。

為使伯靈頓成為綠色技術(shù)的代名詞，該市基于分布式溫室氣體減排技術(shù)，通過接受并傳達要將伯靈頓市建設(shè)成為可持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)城市的愿景，以確保配合并加強該市的關(guān)鍵舉措和創(chuàng)業(yè)精神。同時，城市為“伯靈頓——綠色科技城”創(chuàng)建了協(xié)調(diào)溝通計劃，要通過有效一致的消息，傳遞“伯靈頓——綠色科技城”這一愿景，并且讓伯靈頓社區(qū)參與到開放式的對話中來。為此，伯靈頓市決定在四個重點方面進行能源管理：

能源消費管理的總體方案（包括電、天然氣和水）方面，要利用智能電網(wǎng)：目前的能源使用是孤島式的，消費者缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)，對可再生能源的利用是間斷式的，用戶的取暖費相當(dāng)高。為此，要充分利用城市的智能電網(wǎng)，例如通過提供統(tǒng)一的資源消費門戶，并與事件信息傳遞系統(tǒng)相結(jié)合，可以了解公民的選擇，并推動產(chǎn)生可付諸行動的見解，用于保護所有的重要資源。

交通方面，實現(xiàn)電動汽車（EV）共享：在2010年，該市51%的溫室氣體排放來自交通運輸，并且市內(nèi)一直存在著嚴(yán)重的交通和停車問題，而與此同時，單人使用車輛相當(dāng)普遍。為此，要帶頭建立一個大型電動汽車共享計劃，并將它集成到現(xiàn)有的公共交通運輸系統(tǒng)中，與附近的城市相連，幫助解決交通、停車和溫室氣體排放方面的挑戰(zhàn)，從而使伯靈頓市更具有吸引力。

生物能源方面，優(yōu)化Joseph C. McNeil發(fā)電站：目前，Joseph C. McNeil發(fā)電站的效率只有25%，并且要優(yōu)化的方案遲遲未決，而其對于生物能氣化的試產(chǎn)并不成功。為此，要求McNeil業(yè)主成立項目團隊，該團隊被充分授權(quán)，并能訪問所有需要的資源，從而能在12個月內(nèi)向公司提出關(guān)于如何優(yōu)化使用發(fā)電廠的建議。

能源效率方面，促進能源效率執(zhí)行（energy efficiency execution，E3）：伯靈頓電力部的不動產(chǎn)房齡長，數(shù)量有限，空置率低（出租率高達57%）。為此，需要創(chuàng)造一個團隊，其成員包括受過培訓(xùn)的社區(qū)和學(xué)生志愿者，他們積極鼓勵業(yè)主采用更高效的解決方案，尤其是那些與解決結(jié)構(gòu)性能量損失相關(guān)的方案。具體的能源管理路線圖如下：

伯總之，就是要根據(jù)伯靈頓市的實際情況，發(fā)揮其優(yōu)勢，著眼于利用當(dāng)?shù)氐娜瞬艃浜拓S富的可再生資源，使伯靈頓市實現(xiàn)其溫室氣體減排目標(biāo)。這不僅能增加伯靈頓市的經(jīng)濟實力，而且能通過展示綠色技術(shù)來用新的方法吸引游客，從而使城市更具吸引力。最終，伯靈頓市一定會成為綠色技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)者，成為一個集成、數(shù)據(jù)感知并且蓬勃發(fā)展的城市。

美國博爾德市的智能電網(wǎng)解決方案

美國的博爾德市（Boulder）一直致力于要成為綠色增長（對環(huán)境負(fù)責(zé)的增長）的領(lǐng)導(dǎo)者。在2007年，Xcel能源公司與博爾德市合作，啟動了智能電網(wǎng)城市（SmartGridCity，SGC）項目。博爾德市希望能夠利用SGC的能力來實現(xiàn)其積極的能源目標(biāo)，并繼續(xù)在能源和環(huán)境領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。為此，必須首先對城市及其選民的需求和優(yōu)先事項有一個徹底的理解。

博爾德市的氣候行動計劃描述了四個關(guān)鍵目標(biāo)：提供穩(wěn)定而有競爭力的價格，確保可靠性，增加可再生能源的貢獻，以及提高能源效率。但是，來自城市中的各個不同團體的選民——城市和理事會代表、企業(yè)、社區(qū)和環(huán)保團體、各界學(xué)術(shù)代表等——對氣候行動計劃的優(yōu)先排序是有差異的。此時，協(xié)調(diào)企業(yè)和消費者的不同意見特別重要，因為博爾德市大量的能源消耗來自于大型企業(yè)的消費者。

現(xiàn)有的SGC基礎(chǔ)設(shè)施對博爾德市具有重要的價值：高帶寬通信介質(zhì)的部署、數(shù)以千計的傳感器、智能變壓器和智能電表改變了博爾德市的電網(wǎng)。SGC可以實現(xiàn)有效的雙向溝通、傳感和監(jiān)控性能、遠程控制、自動化以及近乎實時的報告。然而，雖然這些發(fā)展已經(jīng)提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性，并降低了經(jīng)營成本，但SGC項目無法提供直接的、明顯的客戶價值。SGC被標(biāo)榜為能向客戶提供巨大的好處，包括家中實時的信息訪問、近乎實時的使用情況信息、電網(wǎng)和家庭設(shè)備之間的互操作性等，但現(xiàn)在的系統(tǒng)中卻并沒有這種功能。這種期望與現(xiàn)實的差距便是公用事業(yè)、城市和公民之間摩擦的來源之一。鑒于這些差距在技術(shù)、社會和監(jiān)管上的復(fù)雜性，若要同時解決很顯然并不明智。為找出需要優(yōu)先投資的領(lǐng)域，需要評估這些差距對城市能源目標(biāo)的影響程度，同時也要評估實施和實現(xiàn)價值的難易程度及所需要的時間。

通過評估，城市確定先實施一些與其氣候行動目標(biāo)相一致，但只需要少量資金的試點項目。另外，在項目開展過程中，科研院所的作用不可忽視，該地區(qū)的重點機構(gòu)，如國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）和國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究所（National Institute for Standards in Technology，NIST）等，能夠提供寶貴的專門知識和資源，以加快城市所選擇的重點項目的進度。

同時，城市決定提高插電式混合動力車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）的普及率，發(fā)展太陽能電池和插電式混合動力電動汽車（Solar and plug-in hybrid electric vehicle，SPHEV）。而為了提高能源效率，城市開始廣泛地進行綠色基礎(chǔ)設(shè)施管理，同時關(guān)注中小型企業(yè)的能源效率，并為此進行有針對性的努力。通過這些措施，博爾德市正在一步步實現(xiàn)其能源目標(biāo)。

智能電網(wǎng)在其他各國的具體應(yīng)用案例

愛爾蘭

當(dāng)愛爾蘭政府制定可再生能源要占發(fā)電量的40%的目標(biāo)時，愛爾蘭的國家電力供應(yīng)商ESB擬定了一份結(jié)合智能電表、先進的能源存儲選項和夜間電動汽車充電的應(yīng)對計劃，以緩解高峰和低谷的用電需求。通過在電網(wǎng)管理中融入遙感、智能和自動化，ESB采取積極措施，防止或迅速解決網(wǎng)絡(luò)中斷，在歐洲贏得了最高的客戶滿意度。

ESB的觀點是，要做智能電網(wǎng)，不僅是要關(guān)注監(jiān)管機構(gòu)和政府，也要關(guān)注普通消費者。如果不能讓走在大街上的普通消費者理解智能電網(wǎng)的愿景，智能電網(wǎng)的推廣就會有問題。事實上，ESB的智能電網(wǎng)解決方案不僅提高了電網(wǎng)的可靠性，縮短了停機恢復(fù)時間，而且確實給普通消費者帶來了可見的好處：在使用智能電表的家庭中，平均高峰電力消費減少了將近9%，客戶滿意度提高了15%。

以色列

以色列電力公司（Israel Electric Corporation，IEC）是以色列的主要電力供應(yīng)商，其生產(chǎn)的電力占該國總電力的95%。高峰需求迫使渦輪發(fā)電機組必須滿負(fù)荷運行，所以意外停機時間就可能會造成災(zāi)難性的后果。因此，讓機組保持在線并高效運行就變得至關(guān)重要。為此，以色列電力公司使用先進的軟件建模，對來自于每個渦輪發(fā)電機的數(shù)據(jù)進行聚類分析，從而創(chuàng)建出它們在啟動階段、平穩(wěn)運行階段和關(guān)閉狀態(tài)下的“正常”行為模型。根據(jù)為每個渦輪發(fā)電機建立的基線，公司可以比較它們的性能，并找出常見的問題。這種建模有助于有效地識別并減少每一臺設(shè)備的燃料費用——據(jù)統(tǒng)計，每臺渦輪發(fā)電機每年可節(jié)省7.5萬美元的成本。同時，該方案能夠改善設(shè)備維護效果，減少設(shè)備停機時間，從而大幅提高資源效率，獲得更高的客戶滿意度。

英國

Infinis是英國利用可再生能源發(fā)電的領(lǐng)先者之一，其位于143個地點的發(fā)電機組總裝機容量達到571兆瓦，包括123個沼氣廠、10個陸上風(fēng)力發(fā)電廠和10個水力發(fā)電廠。為在英國的可再生能源生產(chǎn)中占據(jù)相當(dāng)大的比重，Infinis必須平穩(wěn)經(jīng)營分布在全國各地的這些發(fā)電廠，而要維護這一廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施，是個非常復(fù)雜的問題。為此，Infinis將各站點的傳感器和警報系統(tǒng)集成在其資產(chǎn)管理解決方案中，創(chuàng)建了一個單一的事故管理系統(tǒng)（Incident Management System，IMS），可以自動生成維護作業(yè)單、幫助工程師診斷問題并更快地做出反應(yīng)。

這一系統(tǒng)對故障的根本原因有新的洞察，從而能用更具有預(yù)見性的方式進行維護規(guī)劃。這不僅有助于減少故障發(fā)生的平均時間間隔，同時也有助于減少平均修復(fù)時間。而對于發(fā)電機可用性的總體提高，則有助于提供符合服務(wù)水平協(xié)議的更可靠的供給。這就意味著公司可以在確保安全、有效、可靠地為國家電網(wǎng)供應(yīng)電力的同時，保持自身的成本盡可能的低。

用更智慧，或更智能的方法來運作公共事業(yè)部門意義重大。僅以美國為例，如果其電網(wǎng)的效率提高5%，就相當(dāng)于永久消除了由5300萬輛汽車所產(chǎn)生的燃料和溫室氣體排放。因此，世界各地的能源公司也都在努力推廣更高效的智能電網(wǎng)，并積極尋找更具創(chuàng)造性的方法。相信，智能電網(wǎng)，或者是智慧能源解決方案，將會在未來智慧城市的建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，而更神奇的是，人們甚至可能完全意識不到這些作用的發(fā)生，因為它們已經(jīng)融入到了日常生活之中。