智能電網在智慧城市中的應用：以益陽市為例

楊 嫻，賈志堅，錢昊煒

(1.湖南城市學院 能源感知與邊緣計算湖南省重點實驗室，湖南 益陽 413002；2.國網湖南省電力有限公司 益陽供電分公司，湖南 益陽 413000)

隨著信息技術的發展，人與物、物與物聯系越來越緊密，城市形態也逐漸走向智慧化、智能化[1-2].“智慧城市”理念自被提出，就迅速進入建設發展階段.目前，通過優化資源配置發展低碳經濟，有效緩解了“城市病”的癥狀，在維持社會可持續性發展的同時，提高了市民生活質量[3].

智慧城市和智能電網的發展相輔相成，智慧城市推動了電網智能化，智能電網又服務于城市智慧化[4].智能電網作為智慧城市的核心之一，將是我國未來重點發展方向.電力系統在經濟建設中發揮著中流砥柱的作用.隨著社會的進步，以化石能源為核心的傳統電網的時代終將結束，迎來的將是通過清潔能源供應技術、互聯網+應用新技術和先進的服務理念共同打造的智能電網時代[5-6].在智慧城市系統中，城市布局將更加緊湊化，功能設置將更加綜合化，管理運行也將更加數字化[7].

1 智慧城市建設發展概述

20 世紀90 年代，IBM 公司首次提出“智慧城市”理念，認為其本質是以新一代信息技術為支撐，將城市各個系統融合為一個整體，從而優化資源利用[8].李德仁院士認為智慧城市是數字城市與物聯網二者的結合，即在城市全面數字化基礎上更加可視化和智能化[9].基于信息交互方式的創新和優化，構建了平臺間的信息共享模式，加強了人與物、物與物之間的互聯互通[10].智慧城市的發展有助于各個系統協同運作[11].

“智慧城市”作為城市發展的新模式，雖然尚未形成成熟統一的發展途徑，但國外多個國家(企業)根據自身城市特點，對建設智慧城市進行了大膽摸索，提供了許多有借鑒意義的經驗[12]，如表1 所示.

表1 國外智慧城市的發展情況

我國對開展智慧城市的建設也進行了有益嘗試.如杭州在智慧交通領域取得了顯著成績，“互聯網+信號優化配時”的模式創新大大降低了交通擁堵率[13]；南京市政務數據中心和智慧南京中心綜合管理平臺的建成，不僅極大地提升了南京政府各部門的辦公效率，同時也提升了市民和企業對政府的滿意度[14]；無錫市政府克服信息標準不統一、信息安全技術欠缺等困難，以人為本，對烈士檔案進行智慧化建設[15]；在上海的四季酒店，通過手機終端就可以啟動智能系統，客人可隨心控制房間內所有設備，與傳統方式相比，可節能50%.

2 智能電網建設

智慧城市的建設離不開智能電網的發展.智能電網實質上就是電網智能化，旨在運用科學、可持續發展模式替代傳統網絡粗放的發展模式.基于先進的傳感測量技術、智能控制技術和決策支持系統技術[16]，集能源開發、輸配電技術、售電功能和各種用電設備終端為一體的數字信息共享的智能系統[17]，在滿足用戶電能需求的同時，實現電網的安全、經濟、可靠運行.

2.1 益陽市智能電網建設成就

湖南省益陽市積極開展智能電網建設.2021年度消納光伏扶貧電站上網電量5 538 萬kW·h.有序推進21 項數字化建設任務；“兩降一控”、同業對標、數據貫通和用電趨勢4 類數字技術均發揮積極效用，完成了益陽電網“數字沙盤”建設；為加快推進數字創新示范基地建設，首創滄水鋪5G 小鎮應用場景，建設“4+”架構，并啟動建設了5 座數據中心站；以建設智能電網和數字化企業為抓手，成立市級電動汽車事業部，實現5 大專車市場業務全覆蓋，其間，投運64 臺充電樁(見圖1).

圖1 益陽市奧林匹克公園充電樁

2.2 智能電網的發展與智慧城市的建設相統一

從根本上講，智能電網的發展方向與智慧城市的建設目標是一致的.智能電網通過廣泛采用大數據、物聯網、云計算等新一代信息技術，提高了城市智能化水平，使城市綠色、低碳、可持續發展.一方面，智能電網是通過分析用戶的用電行為而形成的一種新型的電力管理運行機制，針對性地融合新型供電技術和監控技術，提供科學性的供電指導以及合理的電力配置，從而提高電網運行的安全性和魯棒性[18].因此，智能電網的建設和發展，既能增強用戶的融入感和滿意度，也能順應城市的發展.另一方面，智慧城市是當今城市建設的熱點之一，其內容豐富，涉及到基礎設施、產業發展和管理創新的各方面，城市的智慧化、智能化有助于完善城市治理體系和提高綜合管理能力[19]，保持城市經濟可持續發展.

中新天津生態城、上海世博園和55 個“互聯網+”智慧能源示范項目[20-21]的建成，見證了智能電網技術為促進“智慧城市”發展所做的貢獻.

3 智能電網對智慧城市建設的支撐

基于分布式電源、電動汽車和智能園區3 個模塊，智能電網對智慧城市建設的支撐見圖2.

圖2 智能電網在智慧城市建設的應用框架

3.1 分布式電源

分布式電源主要利用天然氣等清潔能源，氫氣等新能源，風能、水能、太陽能等可再生能源進行發電，同時將發電的余熱加以利用，從而提高能源使用效率.由于其所發電能不穩定，通常在用戶附近將所發電能就地消納，實現配電網局部均衡.

為推動益陽市智慧城市的建設，可優先考慮分布式電源的發展.益陽市水資源豐富，僅資江流經市區河段可供發電貯量就達100 萬kW·h，現已建成6 個水電站.分布式電源的發展可減緩大型發電廠和高壓輸電網的建設，不僅節約投資成本，也可減少城市電磁污染；分布式能源清潔且可再生，可緩解能源危機，減少有害物排放，促進城市低碳環保；冷熱電聯產可分擔電網在高峰負荷的供電壓力，提高城市居民用電穩定性；當電網發生故障引起連鎖反應甚至出現大面積停電時，分布式電源仍可保持正常運行，提高城市供電可靠性.

3.2 電動汽車

作為一種清潔型交通工具，電動汽車對解決空氣污染問題具有重要的現實意義.若將益陽市的傳統燃油汽車置換為電動汽車，將大幅度減少城市二氧化碳的排放，促進城市綠色發展.

但對電網而言，大規模電動汽車接入電網，可將其視為一種充電負荷.電動汽車既可以選擇在充電樁排隊等候充電，也可以選擇在站點直接更換電池組.當電動汽車在充電樁充電時，采用的是即插即充的形式，通常這種情況下是進行的無序充電，特別是在用電高峰時期，會對電網負荷造成一定的沖擊.當電動汽車選擇在站點更換電池組時，配送車可將空電池組送往集中型充電站，在集中型充電站經過合理調度、規劃充電時間即可進行有序充電，實現“削峰填谷”.這2 種典型的充電模式如圖3 所示.

圖3 電動汽車能源供給的2 種典型形式

此外，電動汽車也可以作為儲能裝置.一方面，存儲可再生能源發出的電能，提高可再生能源接納能力，有利于可再生能源大規模發電的推廣應用；另一方面，通過V2G(vehicle to grid)技術，充電站/充電樁可將電池儲能送至電網，即在合適的時段向電網反饋電能，減少電網峰谷差，優化負荷用電曲線.

3.3 智能園區

基于用電信息采集系統、能效管理系統、用戶需求響應系統等基礎性服務，綜合計算機技術、通信技術、控制技術等多種技術應用，實現益陽市電網與用戶間的雙向互動，引導用戶科學合理用電，促進節能減排，實現“智慧益陽”的綠色可持續發展.智慧園區主要包含3 大模塊：智能化應用系統、綠色節能管理和政務辦公服務平臺.

通過智能化應用系統的建設，基于園區用戶數據的采集與分析，一方面可幫助園區在安全、環保、安防管理以及能源管理方面建立統一的組織管理協調架構，實現系統監測和預警；另一方面，根據園區的能源消耗和節能控制需求，綜合節能管理系統主要利用智能照明管理、空調節能自控和節水控制等系統，提高用能管理水平.

4 結束語

智能電網作為智慧城市的支撐性基礎設施，可為智慧城市的規劃和建設提供有力支持；同時，智慧城市的發展對智能電網的運行也提出了更高的要求，二者的發展相輔相成.考慮到益陽市實際情況，本文建議：1)合理接入分布式電源，并充分利用可再生能源發電，特別是加強水電的發展；2)推廣電動汽車大規模使用，統籌規劃，對電動汽車電池采取集中有序的充放電方式，緩解能源供給壓力的同時，對負荷曲線實現“削峰填谷”；3)充分利用智能電網采集的數據并加以分析，引導用戶節能減排，增強用戶在城市智慧化進程中的參與感，實現“智慧益陽”的綠色可持續發展.