聚焦智慧城市中的能源问题

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与能源相关的基础设施是智慧城市基础设施服务中的一个重要组成部分，它们不仅能让一座城市正常而稳定地运转，也担负着减少能源使用对环境造成的负面影响的重任。

以电力为例，几十年来，大多数人对电力并没有太多的想法。然而，由于气候变化、能源价格上涨和技术进步的综合作用，具有高度环保意识的消费者越来越多，他们想要了解能源这类公用事业的情况，并越来越希望参与其中，在电力使用中发挥自身的作用。比如他们想要知道自己使用了多少能量，哪些使用可以被优化，如何使用才能更环保等。可以说，能源产业最令人兴奋的方面之一就是消费者的作用日益增大。不仅在消费者层面如此，近年来，政府层面对气候变化的影响也日益关注，各国政府也纷纷出台相关措施。

目前，全球各地的公用事业部门都在面临着来自多方面的压力：比如要提高可靠性、效率、客户满意度和资产利用率，要减少停机，要避免新的基础设施建设，以及要解决环境保护问题等。同时，越来越多的替代品不断涌现（包括风电和太阳能发电等），电动汽车、能量存储和微电网也已经出现。另外，顾客也开始想要参与管理自身的能源事务。所有这些，都带来了额外的挑战。

但是，现在随着新技术的出现，智能电网已经成为可能，以上这些挑战几乎都可以迎刃而解。通过在智能电网中广泛使用传感器、测量仪表、数字控件和分析工具等，能源的双向流动能够被自动监测和控制。对于公用事业部门（比如电力公司）而言，可以近乎实时地了解消费者的需求，并更有效地管理供应和需求，同时也可以优化电网性能，防止发生断电，做到更快的断电恢复；而对于消费者而言，可以对家中各个网络家电分别进行电量的使用管理，减少电力使用和相关费用，甚至改变他们的行为模式。同时，智能电网也可以将新的可再生能源――如太阳能和风能――纳入其中，并且与本地的分布式电源或插电式电动汽车互动。

作为智慧城市发展中的重要组成部分，本文将阐述智能电网在能源使用中发挥的重要作用，并着重介绍国外智慧能源和智能电网解决方案及具体应用案例，以期为我国的智慧能源和智能电网发展提供借鉴作用。

智能电网概述

智能电网这一概念，实际上就是让信息技术与电网联姻。它能让公用事业具有前所未有的整合和分解新负载与资产的能力。在有智能电网之前，公用事业部门不知道谁家的屋顶使用了太阳能，更不知道这一太阳能被用来做什么。可以说，公用事业对此基本上是视而不见的。而现在随着智能电网的出现，这一切都发生了改变。

智能电网可能会，或者是正在经历三个循环演变阶段：首先，自动化将改造行业的后端，例如输电线路、发电站等；在第二个循环中，消费者与他们自身的能源使用之间、与公用事业之间的交互作用会发生改变；第三个循环可能带有一定的推测性，即将会向第三方供应商开放公用事业领域。作为消费者，人们会开始看到更多的、更好的与公用事业消费――不管是电、气还是水――相关的服务，虽然可能人们并没有意识到这一点。

为了能让消费者管理自己的消费，公用事业正在面临着越来越大的精简业务的压力。例如，各用户所使用的电表是能源使用信息的一个重要来源，但要收集其中的数据往往很困难，而且成本也比较高。不同于抄表员以月为周期查房抄表，智能电网中的智能电表系统使用仪表，将电表与网络基础设施相连，自动定期或按需求收集和传送电表读数。对企业而言，这就意味着大量节约；对消费者而言，就意味着更好的能源管理。使用智能电表系统，公用事业变得更加互联，它将企业内的数据集成起来，从而大幅提高生产效率，降低高峰用电需求；它让客户更加有权、有能力节约用电。在手机和其他一些行业的技术进步已经让设备尺寸缩减、成本降低。而有了智能电网，无疑也能让人们以一个相对较低的价格来实现家中所有能源使用的可视化。

总体而言，智能电网就是在整个电网中增加了一个智慧层，以提高系统的可靠性和效率，改善供给和需求管理，优化操作，精简成本。

智能电网在能源使用中的作用

智能电网对风能的作用

风力发电是最清洁、最丰富的可再生能源形式之一。全球风能理事会（Global Wind Energy Council，GWEC）的2013年市场统计数据显示，全球累积产能总量已经达到了31.8137万兆瓦，在过去五年的增值高达20万兆瓦。但是，目前全球的电力只有2.5%来自于风能。预计到2020年，这一比例将达到8-12%。

风力发电效率很高。数据显示，风力发电厂生成的电力是其消耗的能源的17到39倍，与之相比，核电厂大概是16倍，燃煤电厂大概是11倍。今天，在全球没有一个协调一致的努力来应对气候变化的情况下，风能的成本竞争力成为其在市场上立足的最大优势。在巴西、南非、土耳其、墨西哥和其他一些地方，风能成功地获得了政府的大力资助。

但是，风能是间歇性的，因此要使用风能，电网要面临的挑战是必须要可以不断地调整它所能够吸收的风能的数量，而其他能源，比如水电、天然气和火电就不存在这一问题。也就是说，电网需要有额外的灵活性。例如，如果电网被设定可以接受20%的风能，那么当风力发电的水平下降时，电网运营商就必须及时、准确地做出响应，比如增加另一种电力能源（比如水电）的供电量，从而保证平稳供电。要达到这种灵活性，电网就需要更智能，也就是要具备通过预测、建模和其他功能来识别发电损失的能力，具备在不影响用户的情况下，在正确的时间和地点减少负载的能力。电网的稳定性需要传输系统有即时精确的建模，需要电网元件有快速切换和操纵，从而来减少对系统整体的影响。虽然让电网适应新的可替代能源与适应分布式发电是两类不同的问题，但智能电网却是达到这两个目标的关键推动力。

在智能电网系统中，可以给风力发电厂的涡轮机安装能够传送现场数据的传感器，如涡轮输出和温度等，并将其传送到中央存储库。凭借先进的分析计算，现场数据可以用来产生主动预警和工作状况单等，并显示在仪表板上，从而让运营商对整个风力发电厂的运行状况一目了然。反过来，整个电网系统也变得更高效、更可靠和更自适应，换句话说，就是更智慧。

由于缺乏全球性的气候政策，目前风能部署的主要驱动力还是国家和区域政策。比如，美国断断续续的政策驱动着风能繁荣与萧条的周期；中国支持将风能作为能源战略的一个重要支柱驱动着风能市场的持续的增长；而在欧盟，关于2030年气候和能源政策的争论主导着风能前进。但不管怎样，几乎可以肯定，在未来五年，市场的增长将集中在亚洲、拉丁美洲和非洲，因为这些地方的需求正在迅速增加，而且有强劲的经济增长，并且积极的智能电网建设。

智能电网对电动汽车的作用

一个世纪以前，以电力为动力的汽车多于以汽油为动力的汽车。但是，随着对更长的行驶里程、更实惠的燃料来源以及更可靠的电力基础设施的需求，使内燃机汽车很快主导了汽车运输。现在，随着能源价格的不断上涨，驾驶员正在考虑摆脱汽油而回归电力，并将它作为汽车动力的理想来源。这就是为什么世界各国都开始大力推广电动汽车。

但是，电动汽车的推广除了存在电池这一障碍之外，相关基础设施的不完备也一直是个问题，因为公用事业部门根本不知道车辆要在何时、何地进行充电。现在，智能电网可以帮助公用事业部门更好地平衡供给和需求。当越来越多的电动汽车进入市场之时，这将变得更加重要，它可以通过信息技术基础设施，实现电动汽车的无缝整合，让它们能够基于电网的实际运作情况来优化充电。例如，可以用晚上的风发的电来为电动汽车过夜充电；电网甚至可以被配置成利用充电的汽车来帮助其稳定频率。未来，还将可以使用智能手机预约充电地点。可以预测，随着电池技术和智能电网的发展，在未来五到十年，电动汽车市场将会有巨大的增长，并且或许让人们对交通运输的看法发生根本性转变。

美国伯灵顿市的智慧能源解决方案

在可持续发展方面，美国的伯灵顿市（Burlington）已经取得了长足的进步。但城市的一些努力，包括增加电动汽车的使用、更多地利用太阳能和风能来发电等，在发展的同时，也给城市带来的新的挑战。伯灵顿市希望通过充分利用城市已有的智能电网基础设施和其他投资的优势，实现广泛的温室气体减排，同时加强伯灵顿的经济及其金融地位。

虽然伯灵顿市一直在为减少温室气体排放做出努力，但这些努力是分开、孤岛式地解决各个排放来源，只有有限的整合，而且缺乏一致性。比如，温室气体数据是整合级的，也就是目前尚无可用的跨所有类别的可靠并翔实的数据。但是，要理解模式、趋势和影响，并优化能源结构以实现气候目标，拥有这一级别的数据是先决条件。

另外，自2012年4月以来，市长重点关注的是金融稳定和温室气体减排倡议的可行性。而目前伯灵顿需要的是有效地执行温室气体减排倡议，并通过协调投资为公民提供更广泛的环境效益。为此，就需要有一个集中的方法和计划，协调政府、企业、教育和社区的能力，考虑资金和承受能力，加强地方经济，并改善伯灵顿的财务状况。

令人振奋的是，伯灵顿市有强大的高等教育机构，并有大批学生资源，而且有许多年轻人才具有软件开发和绿色能源方面的技能。同时，在网络服务和可再生能源等方面，伯灵顿市具有较强的创业精神，并有一定数量的初创公司，这无疑为绿色发展提供了条件。

为使伯灵顿成为绿色技术的代名词，该市基于分布式温室气体减排技术，通过接受并传达要将伯灵顿市建设成为可持续发展的领导城市的愿景，以确保配合并加强该市的关键举措和创业精神。同时，城市为“伯灵顿――绿色科技城”创建了协调沟通计划，要通过有效一致的消息，传递“伯灵顿――绿色科技城”这一愿景，并且让伯灵顿社区参与到开放式的对话中来。为此，伯灵顿市决定在四个重点方面进行能源管理：

能源消费管理的总体方案（包括电、天然气和水）方面，要利用智能电网：目前的能源使用是孤岛式的，消费者缺乏相关的数据，对可再生能源的利用是间断式的，用户的取暖费相当高。为此，要充分利用城市的智能电网，例如通过提供统一的资源消费门户，并与事件信息传递系统相结合，可以了解公民的选择，并推动产生可付诸行动的见解，用于保护所有的重要资源。

交通方面，实现电动汽车（EV）共享：在2010年，该市51%的温室气体排放来自交通运输，并且市内一直存在着严重的交通和停车问题，而与此同时，单人使用车辆相当普遍。为此，要带头建立一个大型电动汽车共享计划，并将它集成到现有的公共交通运输系统中，与附近的城市相连，帮助解决交通、停车和温室气体排放方面的挑战，从而使伯灵顿市更具有吸引力。

生物能源方面，优化Joseph C. McNeil发电站：目前，Joseph C. McNeil发电站的效率只有25%，并且要优化的方案迟迟未决，而其对于生物能气化的试产并不成功。为此，要求McNeil业主成立项目团队，该团队被充分授权，并能访问所有需要的资源，从而能在12个月内向公司提出关于如何优化使用发电厂的建议。

能源效率方面，促进能源效率执行（energy efficiency execution，E3）：伯灵顿电力部的不动产房龄长，数量有限，空置率低（出租率高达57%）。为此，需要创造一个团队，其成员包括受过培训的社区和学生志愿者，他们积极鼓励业主采用更高效的解决方案，尤其是那些与解决结构性能量损失相关的方案。具体的能源管理路线图如下：

伯总之，就是要根据伯灵顿市的实际情况，发挥其优势，着眼于利用当地的人才储备和丰富的可再生资源，使伯灵顿市实现其温室气体减排目标。这不仅能增加伯灵顿市的经济实力，而且能通过展示绿色技术来用新的方法吸引游客，从而使城市更具吸引力。最终，伯灵顿市一定会成为绿色技术方面的领导者，成为一个集成、数据感知并且蓬勃发展的城市。

美国博尔德市的智能电网解决方案

美国的博尔德市（Boulder）一直致力于要成为绿色增长（对环境负责的增长）的领导者。在2007年，Xcel能源公司与博尔德市合作，启动了智能电网城市（SmartGridCity，SGC）项目。博尔德市希望能够利用SGC的能力来实现其积极的能源目标，并继续在能源和环境领域保持领先地位。为此，必须首先对城市及其选民的需求和优先事项有一个彻底的理解。

博尔德市的气候行动计划描述了四个关键目标：提供稳定而有竞争力的价格，确保可靠性，增加可再生能源的贡献，以及提高能源效率。但是，来自城市中的各个不同团体的选民――城市和理事会代表、企业、社区和环保团体、各界学术代表等――对气候行动计划的优先排序是有差异的。此时，协调企业和消费者的不同意见特别重要，因为博尔德市大量的能源消耗来自于大型企业的消费者。

现有的SGC基础设施对博尔德市具有重要的价值：高带宽通信介质的部署、数以千计的传感器、智能变压器和智能电表改变了博尔德市的电网。SGC可以实现有效的双向沟通、传感和监控性能、远程控制、自动化以及近乎实时的报告。然而，虽然这些发展已经提高了传输的稳定性，并降低了经营成本，但SGC项目无法提供直接的、明显的客户价值。SGC被标榜为能向客户提供巨大的好处，包括家中实时的信息访问、近乎实时的使用情况信息、电网和家庭设备之间的互操作性等，但现在的系统中却并没有这种功能。这种期望与现实的差距便是公用事业、城市和公民之间摩擦的来源之一。鉴于这些差距在技术、社会和监管上的复杂性，若要同时解决很显然并不明智。为找出需要优先投资的领域，需要评估这些差距对城市能源目标的影响程度，同时也要评估实施和实现价值的难易程度及所需要的时间。

通过评估，城市确定先实施一些与其气候行动目标相一致，但只需要少量资金的试点项目。另外，在项目开展过程中，科研院所的作用不可忽视，该地区的重点机构，如国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）和国家技术标准研究所（National Institute for Standards in Technology，NIST）等，能够提供宝贵的专门知识和资源，以加快城市所选择的重点项目的进度。

同时，城市决定提高插电式混合动力车（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）的普及率，发展太阳能电池和插电式混合动力电动汽车（Solar and plug-in hybrid electric vehicle，SPHEV）。而为了提高能源效率，城市开始广泛地进行绿色基础设施管理，同时关注中小型企业的能源效率，并为此进行有针对性的努力。通过这些措施，博尔德市正在一步步实现其能源目标。

智能电网在其他各国的具体应用案例

爱尔兰

当爱尔兰政府制定可再生能源要占发电量的40%的目标时，爱尔兰的国家电力供应商ESB拟定了一份结合智能电表、先进的能源存储选项和夜间电动汽车充电的应对计划，以缓解高峰和低谷的用电需求。通过在电网管理中融入遥感、智能和自动化，ESB采取积极措施，防止或迅速解决网络中断，在欧洲赢得了最高的客户满意度。

ESB的观点是，要做智能电网，不仅是要关注监管机构和政府，也要关注普通消费者。如果不能让走在大街上的普通消费者理解智能电网的愿景，智能电网的推广就会有问题。事实上，ESB的智能电网解决方案不仅提高了电网的可靠性，缩短了停机恢复时间，而且确实给普通消费者带来了可见的好处：在使用智能电表的家庭中，平均高峰电力消费减少了将近9%，客户满意度提高了15%。

以色列

以色列电力公司（Israel Electric Corporation，IEC）是以色列的主要电力供应商，其生产的电力占该国总电力的95%。高峰需求迫使涡轮发电机组必须满负荷运行，所以意外停机时间就可能会造成灾难性的后果。因此，让机组保持在线并高效运行就变得至关重要。为此，以色列电力公司使用先进的软件建模，对来自于每个涡轮发电机的数据进行聚类分析，从而创建出它们在启动阶段、平稳运行阶段和关闭状态下的“正常”行为模型。根据为每个涡轮发电机建立的基线，公司可以比较它们的性能，并找出常见的问题。这种建模有助于有效地识别并减少每一台设备的燃料费用――据统计，每台涡轮发电机每年可节省7.5万美元的成本。同时，该方案能够改善设备维护效果，减少设备停机时间，从而大幅提高资源效率，获得更高的客户满意度。

英国

Infinis是英国利用可再生能源发电的领先者之一，其位于143个地点的发电机组总装机容量达到571兆瓦，包括123个沼气厂、10个陆上风力发电厂和10个水力发电厂。为在英国的可再生能源生产中占据相当大的比重，Infinis必须平稳经营分布在全国各地的这些发电厂，而要维护这一广泛的基础设施，是个非常复杂的问题。为此，Infinis将各站点的传感器和警报系统集成在其资产管理解决方案中，创建了一个单一的事故管理系统（Incident Management System，IMS），可以自动生成维护作业单、帮助工程师诊断问题并更快地做出反应。

这一系统对故障的根本原因有新的洞察，从而能用更具有预见性的方式进行维护规划。这不仅有助于减少故障发生的平均时间间隔，同时也有助于减少平均修复时间。而对于发电机可用性的总体提高，则有助于提供符合服务水平协议的更可靠的供给。这就意味着公司可以在确保安全、有效、可靠地为国家电网供应电力的同时，保持自身的成本尽可能的低。

用更智慧，或更智能的方法来运作公共事业部门意义重大。仅以美国为例，如果其电网的效率提高5%，就相当于永久消除了由5300万辆汽车所产生的燃料和温室气体排放。因此，世界各地的能源公司也都在努力推广更高效的智能电网，并积极寻找更具创造性的方法。相信，智能电网，或者是智慧能源解决方案，将会在未来智慧城市的建设中发挥着越来越重要的作用，而更神奇的是，人们甚至可能完全意识不到这些作用的发生，因为它们已经融入到了日常生活之中。