面向多元能源互聯的天津生態城智能電網創新示范區建設

于建成，王旭東，張東，楊宇全

(國網天津市電力公司，天津市300010)

面向多元能源互聯的天津生態城智能電網創新示范區建設

于建成，王旭東，張東，楊宇全

(國網天津市電力公司，天津市300010)

能源革命和第三次工業革命的發展對智能電網在能源互聯和信息互通方面提出了更高的要求。基于天津生態城智能電網創新示范區建設，面向未來電網發展形態，深入分析智能電網發展需求，設計可持續發展的智能電網創新架構，提出基于虛擬電廠和能效電廠的能源互聯網規劃方案，提出基于大數據和信息廣泛互聯的智慧能源信息服務體系架構，以提高社會的參與度和居民感知度為目標，提出智能電網建設模式、運營模式、服務模式和交易模式，充分發揮智能電網的平臺效應，并從根本上改變智慧城市的生產和生活方式。

能源互聯網；生態城；智能電網；多元能源融合；能源大數據

0 引 言

統計表明，截至2013年底，中國能源消費占全球消費量的22.4%，產量占全球總供應量的18.9%，中國是世界上最大的能源消費國和生產國[1]。我國能源發展面臨著需求壓力巨大，供給制約較多，生產和消費對生態環境損害嚴重，技術水平總體落后等挑戰。為有效應對挑戰，中央提出我國能源生產和消費革命的總體要求，從技術和機制兩個方面推動能源結構調整。

作為能源領域的重要基礎設施，智能電網將與物聯網、互聯網深度融合，不斷展現能源互聯和信息互通的平臺效應。一方面，為實現能源配置方式變革，為促進生產生活方式改變發揮重要作用；另一方面，充分利用高級量測體系，建立廣泛的能源信息感知網絡，形成公共信息服務平臺，支撐“信息惠民”工程，提升電網綜合能源服務能力。

自2008年起，我國陸續開展多項智能電網綜合工程建設，進行了新能源并網，輸變電設備狀態監測和控制，配電自動化，智能用電服務等智能電網技術的推廣應用，實現了電網智能化水平的全面提升[2-5]。總體而言，我國智能電網建設分別在發電、輸電、變電、配電、用電、調度、通信信息等各個環節取得了突破性進展[6-9]。然而，當前的智能電網示范工程具有以下不足[10-11]:

(1)圍繞電能本身的優化提升，沒有深入挖掘智能電網在多種能源協調優化控制方面的潛力；

(2)大多數示范工程以電網企業為投資和建設主體，沒有融合多方的優勢和力量，未形成多方共建的發展模式，居民對智能電網成效的感知度不足；

(3)當前的智能電網示范工程的新理念新模式不多，對清潔能源、電動汽車、智慧家居等新產品和新服務市場的發展缺乏充分的考慮。

面向未來電網新形態，本文開展天津生態城智能電網創新示范區規劃，搭建面向能源流、信息流廣泛互聯的能源優化配置和智慧公共服務兩大網絡。深度挖掘智能電網在引領創新示范、弘揚先進理念、提升社會感知、融合多方共建、創新服務模式、推進產業聯動、協同創新發展的潛力，最終提升城市綜合能源利用效率，創新電網運營服務模式，支撐智慧城市建設。

1 智能電網創新示范區整體架構

1.1 需求分析

傳統電網規劃以負荷需求為基礎，智能電網規劃則要從智能提升的需求入手。智能電網創新示范區建設以新技術和新模式的集成示范為重點，注重創新和實用相結合，體現技術進步對能源生產、消費的創新商業模式的推動作用。

生態城具有規模化接入的光伏、風力發電、三聯供機組等分布式電源，地源熱泵、水蓄冷、冰蓄冷等冷熱電分散供能和儲能設備廣泛應用，已形成能源互聯網的基礎架構；城市綜合信息接入機制完善，大數據基礎初步建成，已形成廣泛感知網絡和公共服務的基礎支撐平臺。但是，總體而言，生態城在多能源協調優化、公共服務水平智能化等方面還需要進一步提升。在能源互聯與管理方面，支持分布式電源多種形式廣泛接入和區域多微電網協調優化的技術手段有限；面向豐富的需求側可調資源及多種混合能源，亟需提升電能占終端能源的比重，提高終端能源利用效率；園區可調可控資源眾多，缺乏通過主動協調控制提高清潔能源利用效率的手段。在信息互通與服務方面，生態城已經具備智慧家庭理念和建設基礎，但缺乏平臺、智能設備和移動應用的支撐。電動汽車充換電設備利用效率低，運營管理水平不高，便捷的充換電和公共服務支撐不足。智慧城市數據資源豐富，系統功能齊全，但數據的互融互通和深化應用方面有待提升。

1.2 整體規劃

天津生態城智能電網創新示范區覆蓋總面積約34 km2，規劃人口35萬人。本項目高度整合園區包括電力一次設備、分布式電源、分布式儲能、蓄冷設備、蓄熱機組等在內的多元供能和儲能設備，以及居民、商業樓宇、公共機構、工業等典型用戶側資源在內的物理層；利用廣泛配置的配電終端、智能電表、車載終端、智能家居、環境監測設備建設區域感知層；借助光纖專網、公網、電力無線專網以及移動無線網絡鋪設廣泛覆蓋的高速通信網絡層，為智能電網建設提供堅強的通信支撐；在此基礎上，搭建能源流廣泛互聯的能源優化配置網絡和信息流廣泛互通的智慧公共信息服務網絡，面向電網、企業、政府、公眾，創新電網運營服務模式，最終提升城市綜合能源利用效率，實現綜合能源數據價值的深入挖掘和變現，全面增強智能電網能源優化配置和信息集成的平臺作用。預期實現以下建設目標:

(1)可支持消納分布式電源滲透率大于20%，清潔能源不發生強制“棄風、棄光”現象；

(2)支持分布式電源的“即插即用”，實現分布式電源100%并網；

(3)提高用戶供電可靠性，通過協調方式，使示范區域內供電可靠率高于99.999%；

(4)實現1 000戶居民用戶用電雙向互動和四表抄收；

(5)建立電動汽車充電設施網絡，實現“10 min”充電圈；

(6)夏季峰谷差占最大負荷比例削減7.5%，提高終端用戶能源利用效率3%～8%。

能源互聯網優化配置網絡包含MW級區域多微電網、自動需求側響應和多能源綜合協調控制3個子項。前兩個子項將構建虛擬電廠和能效電廠，形成新的能源單元；后一個子項將建立實現新型能源生產和消費單元互聯與管理的能源網絡。

智慧公共信息服務網絡規劃智慧家庭、電動汽車充換電服務網絡和智慧城市綜合能源數據服務平臺3個子項。智慧公共服務網絡基于三者之間的互動，整合用戶側智慧能源系統，在數據融合的基礎上，擴展綜合能源服務內涵和外延，提高數據利用效率。

創新示范區工程總體架構如圖1所示。

2 多元能源融合的能源互聯網絡

2.1 能源互聯體系

生態城能源互聯網優化調度涉及能源類型、時間尺度和空間尺度3個維度上的多級控制。從能源種類上說，包括冷、熱和電3種能源類型的聯合優化；時間尺度上包含了短期、超短期和準實時三級；在空間尺度上，根據配網的網絡結構特點，劃分為網級、饋線級和臺區級(負荷級)。綜合運用削峰填谷、供需優化平衡等多種調控手段，實現配電網高效運行、高滲透率新能源的充分消納和可靠經濟供用電需求。

多元能源融合的能源互聯網絡各子系統既分布自治又協調優化運行，子系統之間通過信息總線實現信息集成和共享，如圖2所示。通過虛擬電廠技術整合分散的發電資源，提高分布式電源高滲透率下新能源消納率；通過能效電廠技術整合用戶側可控負荷，降低示范區夏季峰谷差占最大負荷比例；通過分級協調優化控制模式，降低配電網損等目標。

圖1 智能電網創新示范區工程總體架構Fig.1 General structure of innovation demonstration area project of smart grid

圖2 能源互聯網優化配置網絡總體架構Fig.2 General structure of optimal allocation network of energy internet

2.2 區域多微電網子系統

智能電網創新示范區在電源控制方面，建設MW級區域多微電網為基礎的虛擬電廠。綜合應用分布式供能技術、地源熱泵技術、冷熱電混合儲能技術、能效管理技術，部署區域能源供需快速采集設備和區域冷熱電能效實時管理系統，響應多級能源協調控制系統的調控指令，實現包含中低壓嵌套式微電網、低壓光儲微電網、分布式電源在內的混合能源聯合調節。

區域多微電網在運行時，各子微網實時將各自的運行狀態信息上傳至區域多微電網綜合協調控制系統。傳送信息包括分布式電源和儲能的運行參數，以及用戶的冷、熱、電負荷需求。綜合協調優化控制系統以準確響應配電網能量調度要求、區域能源利用效率最高、用能成本最低、污染物排放最少為控制目標，優化多微網在不同時段的運行策略，并下發至各個微網的能量管理系統。中低壓嵌套式微網分解上層能量管理系統控制指令，調節三聯供工作模式、儲能充放電功率、光伏發電出力、負荷功率實現綜合協調控制；低壓光儲微網則進行儲能的充放電功率、光伏發電出力以及負荷功率的精細化調控；分布式光伏并網亦可參與到區域多微電網調節。通過上述多級控制，可實現對區域內分布式電源及負荷的能量優化管理，達到最優運行效果。

2.3 自動需求響應子系統

在負荷調控方面，實現生態城專變用戶、智慧家庭用戶和冷熱電能源站在內多種柔性負荷的統一調控。構建具有虛擬發電機組特性的能效電廠，同時為大型工商業用戶、數據中心提供能效提升措施。

自動需求響應系統整體運行流程分為“自動需求響應方案啟動、執行和監測及統計”三大步驟，分別代表自動需求響應執行前、中和后各個環節。系統通過與多級能源協調控制系統交互后，獲取負荷側資源調度曲線，逐次對用戶、區域自動需求響應能力預測，并與負荷側資源調度曲線進行比較。若系統自動需求響應能力容量小于負荷側資源調度容量，那么將系統自動需求響應能力容量發送給多級能源協調控制系統進行修正，請求重新下發負荷側資源調度曲線；若滿足，則對負荷側資源調度曲線進行分解并下發給各用戶，由各用戶根據可調控的柔性負荷(如空調、照明、自備電源、電動汽車、電動機等)進行調度曲線再分解，并形成用戶自動需求響應計劃表，最后向各可調控的柔性負荷下發自動需求響應指令并執行，同時需要考慮通過短信、微信等形式實現自動需求響應信息下發。

2.4 能源互聯管理

在能源網絡方面，建成多級能源綜合協調控制系統為基礎的能源互聯網，通過收集虛擬電廠、能效電廠在考慮冷熱電源-儲-荷能量轉化條件下的可調度電容量，優化系統的可調度容量優化目標曲線，配置各級能源單元的控制指令，實現臺區、饋線、配電網三級能量自治和全局優化。

臺區-饋線-配網之間策略的協調通過在短期、超短期和準實時的時間尺度上通過調度容量和優化的目標曲線作為媒介實現。臺區級的調度容量通過分析由微網能量管理系統和需求側管理系統上報的調度容量數據、分布式電源的電源特性進行綜合分析給出；饋線級的調度容量在綜合各臺區上送的調度容量、饋線的分布式電源特性、大用戶的負荷特性、儲能特性等的基礎上分析給出饋線級的調度容量；配網的調度容量在綜合各饋線上送的調度容量的基礎上給出。

配網優化根據調度容量以整個配網的優化為目標給出各饋線關口的優化曲線，并下發到各饋線級優化模塊；饋線級優化根據各臺區的調度容量以整條饋線的優化為目標，并以配網下發的關口優化曲線為約束條件，給出各臺區的優化目標曲線并下發；而各臺區根據微網、需求側資源等的調度容量以臺區的優化為目標，并以饋線下發的關口優化曲線為約束條件，給出微網、需求側等資源的優化目標曲線并下發給微網和需求側資源等系統。

3 綜合數據融合的信息互通網絡

信息互通網絡的規劃面向智慧城市建設的發展要求，適應智能電網創新服務模式、智慧城市信息互聯互通、政府提升公眾服務能力、居民智慧用能服務、電網公司提升社會形象、電力公司活化企業數據資產的綜合要求，面向居民提供居家便民和綠色出行服務，面向政府、企業和電力公司提供基于多源信息融合的深度綜合能源服務。

綜合數據融合的信息互通網絡中智慧家庭子項主要開展智慧家庭服務設備、客戶端以及服務平臺的建設，實現對用電需求響應支持、提供多能源集中繳費等日常便捷服務。電動汽車充換電服務網絡子項建設生態城“10 min”充電圈，為各類用戶提供多元化增值服務，并推廣電動汽車分時租賃運營模式，促進電動汽車規模化發展，支撐生態城綠色低碳城市發展。

在此基礎上，建設智慧城市綜合能源數據服務平臺，接入多個系統匯集的時序數據、結構化數據和非結構化數據等，實現數據分布式存儲，支持流計算、批量計算等功能，并且可以通過節點動態擴展的方式來滿足數據日益增長的需求，最終達到支持PB級以上規模的數據存儲與運算。一方面為多級能源協調控制系統提供包括水和燃氣在內的基礎數據；另一方面為電力公司、政府部門、企業及公眾提供公共服務、政府管理、能源供需、節能減排、電力企業綜合應用等相關應用及展示服務。智慧城市綜合能源數據服務平臺業務架構如圖3所示。智慧城市綜合能源數據服務平臺的建設包括多源異構數據采集與集成、基于云技術的大數據平臺、基于大數據公共服務應用、基于大數據公共服務的多維度展示等內容。

其中，多源異構數據采集與集成依托信息交互總線實現；基于云技術的大數據平臺包括了系統硬件層和系統軟件層的建設，實現平臺與智慧城市云數據中心、智能電網相關系統之間進行數據交互，并構建面向多業務的大數據處理、挖掘分析引擎，能夠快速將數據挖掘技術和業務系統緊密連接，實現數據價值提升；基于大數據公共服務應用以能源利用、能源分析、能源服務為主線，深度挖掘能源互聯網的各類應用與業務模式，全面支撐智慧城市公共服務和產業優化；基于大數據公共服務的多維度展示，基于互動化營業廳展示大屏，實現對生態城整體概況、能源供應體系、智慧綠色交通體系、智慧便民服務全方位、多維度的綜合展示，多層面詮釋智能電網對智慧城市建設的全面支撐作用。

4 智能電網創新發展模式

智能電網可持續發展不僅依靠持續的技術創新，還依賴發展模式的不斷突破。天津生態城智能電網創新示范將在如下幾個方面開展模式創新。

(1)多方投資、多方共建、多方受益的生態城智能電網工程建設模式。生態城智能電網創新工程最大的特色是整合多方資源，引入科研單位、社會企業、高等院校、節能公司等，探索多方投資、多方共建、多方受益的智能電網建設模式。

(2)面向未來能源互聯網的區域多能源協同運營模式。針對多能源的協調運行，探索多能源供需調度容量有償置換、能源聚合調控等模式，形成以信譽等級評價、消費積分兌現為激勵引導的冷熱電混合能源供應，需求側負荷資源主動參與智能電網互動模式，初步構建多能源協調調控的智能電網運營模式。

(3)基于綜合能源大數據的公共能源全景信息服務模式。建立多元服務平臺大數據共享模式和管理體系，分析信息發布的時效與深度對多方博弈行為的影響，構建未來能源格局下能源參與方的信息服務方式和服務場景，支持基于移動互聯網業務與應用的跨平臺信息整合方式、跨平臺業務配合。

(4)打造基于移動互聯網支付的智慧家庭、綠色交通出行、大數據應用的增值服務模式。基于移動互聯網支付模式，開展面向智慧家庭、綠色交通出行、大數據增值應用服務的移動支付模式，支持家庭四表費用繳納、電動汽車充電費用在線支付、大數據增值服務購買等功能。

圖3 綜合數據融合的信息互通網絡業務架構Fig.3 Information communication business structure of comprehensive data fusion

5 結 論

天津生態城智能電網創新示范區建設的總體目標是構建能源流、信息流廣泛互聯的能源優化配置和智慧公共服務兩大網絡，提升城市綜合能源利用效率，創新電網運營服務模式，支撐智慧城市建設，建成具備國際影響力的智能電網創新工程的示范基地、體驗基地、創新基地。突出新技術和新模式融合，推動能源開發、配置、消費方式改革，實現大規模清潔能源和分布式電源的友好并網，多種能源優化配置的透明開放，提升智能用電和互動服務的全新體驗；突出實用性與展示性結合，基于能源互聯網分析與展示平臺、智能電網公共服務平臺，面向企業、政府與居民進行展示，提高智能電網的社會影響力；突出內外合作，與產業公司、高等院校、科研院所和社會企業開展合作，實踐多方合作共建模式，將智能電網示范區打造成高端、開放的智能電網展示平臺。

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(編輯：劉文瑩)

Innovation Demonstration Area Construction of Tianjin Eco-City Smart Grid Facing Multi Energy Interconnection

YU Jiancheng，WANG Xudong，ZHANG Dong，YANG Yuquan
(State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China)

The development of energy revolution and the third industrial revolutions put forward higher requirements for the energy interconnection and information communication in smart grid.Based on the innovation demonstration area construction of Tianjin eco-city smart grid，this paper focused on the development pattern of future power grid，deeply analyzed the development need of smart grid，designed the innovation structure of smart grid with sustainable development，and proposed the planning scheme of energy internet based on virtual power plant and efficiency power plant，as well as the smart energy information service structure based on big data and extensive information interconnection.In order to improve the participation of society and the perception of residents，this paper proposed smart grid，s construction mode，operation mode，service mode and transaction mode，which could give full play to the platform effect of smart grid and fundamentally change the production and lifestyle of smart city.

energy internet；eco-city；smart grid；multi energy fusion；energy big data

TM 71

A

1000-7229(2015)11-0058-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.009

2015-06-16

2015-10-13

于建成(1977)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為智能電網；

王旭東(1984)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為智能電網；

張東(1985)，男，博士，主要從事用戶側自動需求響應工作，數據挖掘技術在負荷建模上應用，微網優化協調控制，電力市場分析；

楊宇全(1981)，男，高級工程師，主要從事智能電網工程設計與建設工作。

國家電網公司科技項目(SGTJDK00DWJS150009)