聚焦智慧城市中的能源問題

辛妍

與能源相關的基礎設施是智慧城市基礎設施服務中的一個重要組成部分，它們不僅能讓一座城市正常而穩定地運轉，也擔負著減少能源使用對環境造成的負面影響的重任。

以電力為例，幾十年來，大多數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進步的綜合作用，具有高度環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的情況，并越來越希望參與其中，在電力使用中發揮自身的作用。比如他們想要知道自己使用了多少能量，哪些使用可以被優化，如何使用才能更環保等。可以說，能源產業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注，各國政府也紛紛出臺相關措施。

目前，全球各地的公用事業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、客戶滿意度和資產利用率，要減少停機，要避免新的基礎設施建設，以及要解決環境保護問題等。同時，越來越多的替代品不斷涌現（包括風電和太陽能發電等），電動汽車、能量存儲和微電網也已經出現。另外，顧客也開始想要參與管理自身的能源事務。所有這些，都帶來了額外的挑戰。

但是，現在隨著新技術的出現，智能電網已經成為可能，以上這些挑戰幾乎都可以迎刃而解。通過在智能電網中廣泛使用傳感器、測量儀表、數字控件和分析工具等，能源的雙向流動能夠被自動監測和控制。對于公用事業部門（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和需求，同時也可以優化電網性能，防止發生斷電，做到更快的斷電恢復；而對于消費者而言，可以對家中各個網絡家電分別進行電量的使用管理，減少電力使用和相關費用，甚至改變他們的行為模式。同時，智能電網也可以將新的可再生能源——如太陽能和風能——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。

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

智能電網概述

智能電網這一概念，實際上就是讓信息技術與電網聯姻。它能讓公用事業具有前所未有的整合和分解新負載與資產的能力。在有智能電網之前，公用事業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，公用事業對此基本上是視而不見的。而現在隨著智能電網的出現，這一切都發生了改變。

智能電網可能會，或者是正在經歷三個循環演變階段：首先，自動化將改造行業的后端，例如輸電線路、發電站等；在第二個循環中，消費者與他們自身的能源使用之間、與公用事業之間的交互作用會發生改變；第三個循環可能帶有一定的推測性，即將會向第三方供應商開放公用事業領域。作為消費者，人們會開始看到更多的、更好的與公用事業消費——不管是電、氣還是水——相關的服務，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，公用事業正在面臨著越來越大的精簡業務的壓力。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，但要收集其中的數據往往很困難，而且成本也比較高。不同于抄表員以月為周期查房抄表，智能電網中的智能電表系統使用儀表，將電表與網絡基礎設施相連，自動定期或按需求收集和傳送電表讀數。對企業而言，這就意味著大量節約；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，公用事業變得更加互聯，它將企業內的數據集成起來，從而大幅提高生產效率，降低高峰用電需求；它讓客戶更加有權、有能力節約用電。在手機和其他一些行業的技術進步已經讓設備尺寸縮減、成本降低。而有了智能電網，無疑也能讓人們以一個相對較低的價格來實現家中所有能源使用的可視化。

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

智能電網在能源使用中的作用

智能電網對風能的作用

風力發電是最清潔、最豐富的可再生能源形式之一。全球風能理事會（Global Wind Energy Council，GWEC）發布的2013年市場統計數據顯示，全球累積產能總量已經達到了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%來自于風能。預計到2020年，這一比例將達到8-12%。

風力發電效率很高。數據顯示，風力發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，在全球沒有一個協調一致的努力來應對氣候變化的情況下，風能的成本競爭力成為其在市場上立足的最大優勢。在巴西、南非、土耳其、墨西哥和其他一些地方，風能成功地獲得了政府的大力資助。

但是，風能是間歇性的，因此要使用風能，電網要面臨的挑戰是必須要可以不斷地調整它所能夠吸收的風能的數量，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，電網需要有額外的靈活性。例如，如果電網被設定可以接受20%的風能，那么當風力發電的水平下降時，電網運營商就必須及時、準確地做出響應，比如增加另一種電力能源（比如水電）的供電量，從而保證平穩供電。要達到這種靈活性，電網就需要更智能，也就是要具備通過預測、建模和其他功能來識別發電損失的能力，具備在不影響用戶的情況下，在正確的時間和地點減少負載的能力。電網的穩定性需要傳輸系統有即時精確的建模，需要電網元件有快速切換和操縱，從而來減少對系統整體的影響。雖然讓電網適應新的可替代能源與適應分布式發電是兩類不同的問題，但智能電網卻是達到這兩個目標的關鍵推動力。

在智能電網系統中，可以給風力發電廠的渦輪機安裝能夠傳送現場數據的傳感器，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，現場數據可以用來產生主動預警和工作狀況單等，并顯示在儀表板上，從而讓運營商對整個風力發電廠的運行狀況一目了然。反過來，整個電網系統也變得更高效、更可靠和更自適應，換句話說，就是更智慧。

由于缺乏全球性的氣候政策，目前風能部署的主要驅動力還是國家和區域政策。比如，美國斷斷續續的政策驅動著風能繁榮與蕭條的周期；中國支持將風能作為能源戰略的一個重要支柱驅動著風能市場的持續的增長；而在歐盟，關于2030年氣候和能源政策的爭論主導著風能前進。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，而且有強勁的經濟增長，并且積極的智能電網建設。

智能電網對電動汽車的作用

一個世紀以前，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設施的需求，使內燃機汽車很快主導了汽車運輸。現在，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，相關基礎設施的不完備也一直是個問題，因為公用事業部門根本不知道車輛要在何時、何地進行充電。現在，智能電網可以幫助公用事業部門更好地平衡供給和需求。當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基礎設施，實現電動汽車的無縫整合，讓它們能夠基于電網的實際運作情況來優化充電。例如，可以用晚上的風發的電來為電動汽車過夜充電；電網甚至可以被配置成利用充電的汽車來幫助其穩定頻率。未來，還將可以使用智能手機預約充電地點。可以預測，隨著電池技術和智能電網的發展，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的看法發生根本性轉變。

美國伯靈頓市的智慧能源解決方案

在可持續發展方面，美國的伯靈頓市（Burlington）已經取得了長足的進步。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能來發電等，在發展的同時，也給城市帶來的新的挑戰。伯靈頓市希望通過充分利用城市已有的智能電網基礎設施和其他投資的優勢，實現廣泛的溫室氣體減排，同時加強伯靈頓的經濟及其金融地位。

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，溫室氣體數據是整合級的，也就是目前尚無可用的跨所有類別的可靠并翔實的數據。但是，要理解模式、趨勢和影響，并優化能源結構以實現氣候目標，擁有這一級別的數據是先決條件。

另外，自2012年4月以來，市長重點關注的是金融穩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行溫室氣體減排倡議，并通過協調投資為公民提供更廣泛的環境效益。為此，就需要有一個集中的方法和計劃，協調政府、企業、教育和社區的能力，考慮資金和承受能力，加強地方經濟，并改善伯靈頓的財務狀況。

令人振奮的是，伯靈頓市有強大的高等教育機構，并有大批學生資源，而且有許多年輕人才具有軟件開發和綠色能源方面的技能。同時，在網絡服務和可再生能源等方面，伯靈頓市具有較強的創業精神，并有一定數量的初創公司，這無疑為綠色發展提供了條件。

為使伯靈頓成為綠色技術的代名詞，該市基于分布式溫室氣體減排技術，通過接受并傳達要將伯靈頓市建設成為可持續發展的領導城市的愿景，以確保配合并加強該市的關鍵舉措和創業精神。同時，城市為“伯靈頓——綠色科技城”創建了協調溝通計劃，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：目前的能源使用是孤島式的，消費者缺乏相關的數據，對可再生能源的利用是間斷式的，用戶的取暖費相當高。為此，要充分利用城市的智能電網，例如通過提供統一的資源消費門戶，并與事件信息傳遞系統相結合，可以了解公民的選擇，并推動產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，并且市內一直存在著嚴重的交通和停車問題，而與此同時，單人使用車輛相當普遍。為此，要帶頭建立一個大型電動汽車共享計劃，并將它集成到現有的公共交通運輸系統中，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，從而使伯靈頓市更具有吸引力。

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

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

伯總之，就是要根據伯靈頓市的實際情況，發揮其優勢，著眼于利用當地的人才儲備和豐富的可再生資源，使伯靈頓市實現其溫室氣體減排目標。這不僅能增加伯靈頓市的經濟實力，而且能通過展示綠色技術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方面的領導者，成為一個集成、數據感知并且蓬勃發展的城市。

美國博爾德市的智能電網解決方案

美國的博爾德市（Boulder）一直致力于要成為綠色增長（對環境負責的增長）的領導者。在2007年，Xcel能源公司與博爾德市合作，啟動了智能電網城市（SmartGridCity，SGC）項目。博爾德市希望能夠利用SGC的能力來實現其積極的能源目標，并繼續在能源和環境領域保持領先地位。為此，必須首先對城市及其選民的需求和優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鍵目標：提供穩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、社區和環保團體、各界學術代表等——對氣候行動計劃的優先排序是有差異的。此時，協調企業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的消費者。

現有的SGC基礎設施對博爾德市具有重要的價值：高帶寬通信介質的部署、數以千計的傳感器、智能變壓器和智能電表改變了博爾德市的電網。SGC可以實現有效的雙向溝通、傳感和監控性能、遠程控制、自動化以及近乎實時的報告。然而，雖然這些發展已經提高了傳輸的穩定性，并降低了經營成本，但SGC項目無法提供直接的、明顯的客戶價值。SGC被標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、電網和家庭設備之間的互操作性等，但現在的系統中卻并沒有這種功能。這種期望與現實的差距便是公用事業、城市和公民之間摩擦的來源之一。鑒于這些差距在技術、社會和監管上的復雜性，若要同時解決很顯然并不明智。為找出需要優先投資的領域，需要評估這些差距對城市能源目標的影響程度，同時也要評估實施和實現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，該地區的重點機構，如國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）和國家技術標準研究所（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設施管理，同時關注中小型企業的能源效率，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其能源目標。

智能電網在其他各國的具體應用案例

愛爾蘭

當愛爾蘭政府制定可再生能源要占發電量的40%的目標時，愛爾蘭的國家電力供應商ESB擬定了一份結合智能電表、先進的能源存儲選項和夜間電動汽車充電的應對計劃，以緩解高峰和低谷的用電需求。通過在電網管理中融入遙感、智能和自動化，ESB采取積極措施，防止或迅速解決網絡中斷，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，不僅是要關注監管機構和政府，也要關注普通消費者。如果不能讓走在大街上的普通消費者理解智能電網的愿景，智能電網的推廣就會有問題。事實上，ESB的智能電網解決方案不僅提高了電網的可靠性，縮短了停機恢復時間，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商，其生產的電力占該國總電力的95%。高峰需求迫使渦輪發電機組必須滿負荷運行，所以意外停機時間就可能會造成災難性的后果。因此，讓機組保持在線并高效運行就變得至關重要。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電機的數據進行聚類分析，從而創建出它們在啟動階段、平穩運行階段和關閉狀態下的“正常”行為模型。根據為每個渦輪發電機建立的基線，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備的燃料費用——據統計，每臺渦輪發電機每年可節省7.5萬美元的成本。同時，該方案能夠改善設備維護效果，減少設備停機時間，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電的領先者之一，其位于143個地點的發電機組總裝機容量達到571兆瓦，包括123個沼氣廠、10個陸上風力發電廠和10個水力發電廠。為在英國的可再生能源生產中占據相當大的比重，Infinis必須平穩經營分布在全國各地的這些發電廠，而要維護這一廣泛的基礎設施，是個非常復雜的問題。為此，Infinis將各站點的傳感器和警報系統集成在其資產管理解決方案中，創建了一個單一的事故管理系統（Incident Management System，IMS），可以自動生成維護作業單、幫助工程師診斷問題并更快地做出反應。

這一系統對故障的根本原因有新的洞察，從而能用更具有預見性的方式進行維護規劃。這不僅有助于減少故障發生的平均時間間隔，同時也有助于減少平均修復時間。而對于發電機可用性的總體提高，則有助于提供符合服務水平協議的更可靠的供給。這就意味著公司可以在確保安全、有效、可靠地為國家電網供應電力的同時，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部門意義重大。僅以美國為例，如果其電網的效率提高5%，就相當于永久消除了由5300萬輛汽車所產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，并積極尋找更具創造性的方法。相信，智能電網，或者是智慧能源解決方案，將會在未來智慧城市的建設中發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生，因為它們已經融入到了日常生活之中。