城市能源数字化的九大发展趋势

腾讯研究院

发布于 2023-11-16 21:03:44

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发布于 2023-11-16 21:03:44

在新能源转型的背景下，电网波动性加剧，无法单纯凭借电气装置达到平衡，需要依靠数字化手段进行调节，数字技术从原本的降本增效转向，成为实现电网平衡的刚需，能源数字化转型将会是新一代数字技术和能源融合发展的必然产物；通过云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等先进的数字技术，打破电、热、冷、气、交通等不同能源形式之间相互割裂的现状，将成为构建下一代能源网络的基本要求；在此基础上实现能源生产、传输、存储、使用等全链条的协同，推动能源行业与其他行业的深度融合、互动和集成，形成分布与集中协调、可再生能源充分利用、能源高效集成、智能管理与控制、能源服务和商业繁荣的现代能源体系；具体来说，笔者认为城市能源数字化转型存在以下九大核心趋势：

趋势一：能源终端即插即用

能源终端即插即用是城市更好地服务能源终端用户，更充分地利用本地可再生能源资源，更灵活地盘活海量分布式能源资源的重要基础。《指导意见》明确提出：“推动不同能源网络接口设施的标准化、模块化建设，支持各种能源生产、消费设施的‘即插即用’与‘双向传输’，大幅提升可再生能源、分布式能源及多元化负荷的接纳能力”。

Extended Power Range

即插即用（Plug-and-Play）来源于计算机术语，表示计算机能够自动识别设备如板卡的插入和拔出等，最具代表性且广为人知的就是 USB（通用串行总线）标准及相关设备。其实在能源尤其是电力领域，终端设备早已实现即插即用。用户只需要将插头插入插座，台灯就能亮起，电视就能打开，洗衣机就能运转。尤其是近来随着 USB 的发展，用电终端的即插即用到了新的阶段。现在一个 USB Type-C 的充电头既可以输出 5 伏 2 安给手机充电，还可以输出 20 伏 5A 给笔记本电脑供电。在 2021 年 5 月 25 日USB-IF 组织更新的 v2.1 版本 USB Type-C 线缆和接口标准中，其供电能力最高可达 240 瓦，并被命名为扩展电力范围（Extended Power Range）。随着相应的技术和标准的不断发展，各种用电设备可能不再需要用户关注电压、电流和功率，实现“盲插”级的即插即用。

USB Type-C 体现了一个真正的数字化供电特征。供电前先通过数字手段进行联系，双方商量好电压、电流，实现数据级的握手，再实现电力握手。在未来，这样的形态将延伸到能源供给端和网络端。分布式发电并网不再像传统方式检同期，即电压幅值相同、相角相同、频率相同才可以并网，而是采用数字化手段直流自动控制实现即插即用。在城市能源互联网中，新的设备或者系统接入时，可被自动地感知和识别，进而被自动地管理，也可以随时断开，具有良好的可扩展性和即插即用性。能源路由器、能源集线器、微网、代理、集群、虚拟电厂等技术的发展为设备的即插即用提供有效手段，分层控制、分布式控制、对等控制等控制技术发展也将支撑开放对等接入。

趋势二：能源设备模块组合

能源设备模块组合、灵活适配，是有效提升能源系统效率的重要趋势。传统的发电机、变压器等设备都是大块头，而且越大的块头一般对应更高的最佳运行效率。实现最佳运行效率需要设备处在额定功率下，但随着用能需求的逐日、逐月、逐年的变化，城市电力系统的各个设备并不能时刻保持在额定功率下。事实上，以目前的系统设计建设的方式，设备的额定功率会按照用能负荷最大值设计，这就意味着除了在年度负荷峰值的那短短的时间里，99%以上的情况下设备运行在低效率的状态，造成了巨大的浪费。在新能源为主体的新型电力系统形态下，新能源将带来更大的波动性，使得传统发电机、变压器等设备处于最佳运行效率工况下的时间更加短暂，带来更加巨大的损耗。

设备从0到N的组合控制

随着电力电子技术的发展，电力设备将从“模拟”态转变为“数字”态。从发电角度看，风电场、光伏电站这样的新能源已经改变了传统的发电机的模式。这样的新能源电站在总体上和一个火电机组功率相当，但其是由一个可以独立关断、可以实现0/1控制的风机或者光伏组件组合而成的。传统的单个大型发电机组变成了一个模块式的、独立小型个体组合式的发电群组。这样的发电群组可以实现0到N的自由组合控制。从变电角度看，模块化的变流器尤其是新能源并网核心装备逆变器将更大规模更快增速的发展。国内领先的逆变器企业都对传统集中逆变器进行重大革新，发布了其模块化逆变器产品，通过并联扩展实现灵活配置，实现新能源电站设计更灵活、发电量更高、运维更高效。在储能角度，集装箱式锂电池储能系统是模块化储能地代表。

能源设备模块组合实现了各模块独立运行，当单一模块出现故障，其他模块可正常运行，确保设备更高在线率，减少停运损失。设备模块化也能有效提升运维效率，缩短维护时间，设备内部地的器件也能够实现如同计算机内存那样轻松更换、即插即用极大降低运维成本。此外，模块化还能够实现能源设备灵活移动，从而支撑系统更高效地配置与优化，尤其在应急保障中具有不可替代的作用。2021年7月，为应对河南地区洪涝灾害带来的供电问题，电网公司和燃气发电公司调动大量应急供电车、微燃气轮机，有效缓解了民众生活受到的影响。

趋势三：能源网络软件定义

能源网络实现软件定义既是能源系统在运行时随着工况变化动态组织实现效率最优，又是能源系统在应对扰动、故障时自动恢复实现可靠运行的必然趋势。

传统的能源网络是单向网络，由配电方对用户进行电力调配和传输。随着新能源尤其是用户侧分布式新能源占比不断提升，能源网络上的能量流动已经由单向朝着双向改变。此外，随着终端用能逐步被电力替代，城市电网将越来越复杂。因此，城市能源网络安全稳定运行和灵活经济调控的压力越来越大。2022年5月投产的粤港澳大湾区直流背靠背电网工程是探索能源网络软件定义的重要尝试，其运用柔性直流技术把分区电网进行柔性互联，正常时可以相互送电，在故障情况下可以在不到0.1秒的时间里快速进行功率支援，大幅提高了粤港澳大湾区电网的安全稳定水平。

软件定义网络（Software Deﬁned Network, SDN），是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。互联网作为双向传输网络，其网络架构也正在向去中心化、异构化演进。能源网络可以充分可以参考和借鉴SDN的技术和架构，使网络架构更为灵活，还可以支撑未来业务和技术的发展。

实现能源网络软件定义需要“软硬兼施”，其基础支撑需要前述的能源终端即插即用和能源设备模块组合，还需要基于电力电子技术的能源路由器的广泛部署，此外还需要能源虚拟化技术的快速发展和应用。虚拟化是指通过软件方式将物理资源抽象成虚拟资源，以提升物理资源利用率。能源虚拟化在物理基础层按照共享、可调度、可重用的模式设计而形成物理资源池，以按需分配、灵活组装、动态调度的方式来提供物理资源服务。通过对物理资源的描述、抽象、配置、调度等，来实现物理资源池的虚拟化。多个虚拟资源聚合形成虚拟资源池，在虚拟资源池之上，形成虚拟网络。虚拟化前，无论是电力系统还是石油天然气网络系统，其硬件与软件资源独立，软件必须与硬件紧耦合。虚拟化后，硬件和软件资源抽象成共享资源池；软件与硬件解耦，上层操作系统从资源池中分配资源。当软件与硬件彻底解耦时，可以实现软件定义一切（Software Deﬁned Everything，SDE）。

能源网络软件定义

趋势四：能源系统信物融合

能源系统的信息物理融合是前述所有趋势的基础。《指导意见》指出：“推进信息系统与物理系统在量测、计算、控制等多功能环节上的高效集成，实现能源互联网的实时感知和信息反馈；建设信息系统与物理系统相融合的智能化调控体系，以‘集中调控、分布自治、远程协作’为特征，实现能源互联网的快速响应与精确控制。”

在传统的有关信息系统和物理系统的观念中，信息空间与物理空间是相对解耦的，在能源系统信物融合的趋势下，通过在物理系统中嵌入计算与通信内核，可以实现计算进程与物理进程的一体化。计算进程与物理进程通过反馈循环方式相互影响，从而实现嵌入式计算机与网络对物理进程可靠、实时和高效的监测、协调与控制。如腾讯推出的产品能源数字孪生 Tencent EnerTwin可以快速构建 3D 可视化模型，实现远程高逼真、沉浸式的能源管控；同时，依靠高性能运算和 AI 技术，能源数字孪生可以对监控图像、视频数据进行智能分析，自动识别设备缺陷和环境异常，全面提升能源企业生产效率和安全水平。这对生产线、海上风电场等复杂设施、高危作业环境尤为关键。

EnerTwin一站建模

要构建信息物理融合的系统（Cyber-Physical System），首先要实现信息物理融合的个体，可称为信息物理综合体（Cyber-Physical Synthesis）。信息物理综合体是把传感器、边缘计算等数字化技术充分应用到各级设备中。智能电网时代的智能装备如智能变压器、智能断路器是信息物理综合体的源起。智慧能源时代的智能风机是典型的信息物理综合体，一台风机拥有数百个传感器，通过数百万行代码，实现自学习、自组织、自运行，支持优化控制。随着数字技术尤其是传感器技术的水平得以大幅提升，使得信息物理综合体得以在能源系统广泛涌现。

一个个的智能风机在一起，就成为一个智能的风电厂，也就是场站级的信息物理系统。风电、光伏、储能、各类用户、电网等各种信息物理系统有机结合，就构成一个真正的信息物理融合的能源系统。

趋势五：能源管理多级联动

能源管理是能源系统的大脑，在能源系统信物融合的支撑下，其将实现多级联动，成为能源网络软件定义的各级指挥中心。包括各级各类的源、网、荷、储等城市能源系统的每一个信息物理综合体、每一个信息物理子系统，都将具备一个能量管理系统（Energy Management System, EMS）。各个、各级EMS会根据自身的目标和获取的信息进行自主决策，并和其他EMS进行互动，从而形成多级协同的EMS家族。

面向城市能源互联网的EMS家族，其管理对象不仅包括电力系统，还包括供热系统、天然气系统等其他能源系统，也覆盖能量生产、传输和使用的所有环节，并采取了新的互联网、计算机技术。EMS平台通过将不同能源、不同环节的信息流进行协同处理，从而可以实现多种能源系统的协同管理，打破原来不同能源系统的鼓励、割裂管理的状况，发挥多能协同系统的优势。多能协同能量管理平台由众多分布的EMS构成，这些EMS组成EMS家族，以自律-协同的方式实现能源互联网的运行与控制。另外，多能协同能量管理平台需要一套适应调度系统需求的支撑平台，并能够满足电、热、冷、天然气多能协同系统的综合能量管理需求。多能协同能量管理平台采用基于冗余的开放式分布应用环境，整个软硬件体系结构满足开放性、安全性、标准化和模块化要求。其各个模块都需要突破原来只以电为对象的限制，而要把电、热、冷、天然气多能协同系统作为管理对象，解决复杂系统带来的问题，实现EMS的升级。

腾讯基于能源连接器EnerLink数据汇接和碳计算引擎，建立园区能源数据采集和集成，内置算法和排放因子计算模板，可以快速搭建应用计算和模拟各场景的碳排放；基于能源数字孪生 EnerTwin的数字孪生和AI能力，协助园区综合利用能源结构优化、用能设备降耗、工艺优化降碳、能源尾气回收等手段实现能碳全过程、全周期管理，实现从高碳到低碳、低碳到零碳的转变。

多能协同能量管理系统

趋势六：能源交易多方互动

还原能源商品属性是能源体制革命的重要方向，市场交易是商品属性的根本特征，参与主体的多元化是市场交易发展水平的核心体现，数字技术则是能源交易多方互动的基础保障。《指导意见》指出：“发挥市场在资源配置中的决定性作用，推动建立公平竞争、开放有序的能源市场交易体系。建立健全能源市场的准入制度，鼓励第三方资本、小微型企业等新兴市场主体参与市场，促进各类所有制企业的平等、协同发展。允许市场主体自主协商或通过交易平台集中竞价等多种方式开展能源商品及灵活性资源等能源衍生品服务交易，最大限度地激发市场活力。”

随着双碳目标的提出，能源交易将和碳交易紧密联动，绿色交易将成为市场化新动能，数字技术的基础保障价值将进一步凸显。以物联网为基础的能源、碳排放计量监测体系，可以实时采集各个设备的能源生产、能源消费、碳排放、碳汇集等各类数据。5G等新型通信技术可以为数据及时传递提供高速度、低时延、泛在的通信基础，而数据中心、云平台可以提供交易结算、出清等业务的算力支撑与业务支撑。区块链技术通过数据全过程链式结构存储，结合高强度加密以保证数据不可篡改和不可伪造，从而构成了交易系统的确权支撑体系。

此外，基于大数据、人工智能为代表的数据技术，结合各类能源数据要素的多方交易服务也将加速涌现，支持B2B（企业对企业）、B2C（企业对消费者）、C2B（消费者对企业）、C2C（消费者对消费者）、O2O（线上线下）等多种形态的商业模式，培育能源云服务、虚拟能源货币等新型商业模式。例如，需求侧响应作为能源交易多方互动趋势下的典型场景，通过电力供给侧和需求侧的双向互动，提升持城市电力系统的稳定性、提高电网对可再生能源的消纳能力，降低电力系统峰谷差、延缓电网的建设投资。数字技术可以为参与的用户提供用能优化建议，为负荷聚合商提供最优获益模式。

能源交易多方互动

趋势七：能源数据多域赋能

以大数据深度挖掘和融合应用为主要特征的数字经济，正成为我国经济社会高质量发展的新动能。2022年6月22日，中央全面深化改革委员会第二十六次会议，审议通过了《关于构建数据基础制度更好发挥数据要素作用的意见》。习近平总书记在主持会议时继续强调要促进数据高效流通使用、赋能实体经济。能源数据具有覆盖面广、实时性强、准确性高的特点，蕴藏着大量的经济信息和民生信息，不仅可以准确反映国民经济的运行情况，辅助预测经济发展趋势，为制定宏观经济调控政策提供参考，还能了解产业发展状况、居民生活情况和消费结构，为产业转型发展和民生保障提供数据支撑。

能源领域已经开展了积极和广泛的行动。行业政策从《指导意见》到《“十四五”现代能源体系规划》（发改能源〔2022〕210号）均体现了对能源大数据的重视和引领。能源企业相继成立大数据的专门机构，为国家大数据战略实施和经济发展提供电力数据支撑。多个省市相继建立能源大数据中心，探索能源数据在经济、环保、交通、水利、健康、旅游、民生等领域的创新应用。例如，电网公司通过“电力大数据+社区网格化”算法，精准判断区域内人员流动量和分布，对地方政府科学决策与准确行动提供了坚实支撑。

能源大数据在国计民生多领域赋能方面具有嵌入性、链接性的鲜明特点，有助于提升各个领域的相关主体的数据搜集、处理和分析能力，时效性、精准性和有效性；有助于打破各个主体、领域之间的隔阂障碍，促进信息共享与沟通互动，实现效益最大化。例如通过打通用电量数据、用户档案信息，综合电网数据、气象数据、社会经济数据等，建立宏观经济预测模型，研判区域产业协同状况，可以为城市建设部门了解和预测行业、产业发展状况及用能状况提供基础，为政府在能源规划、产业结构调整、经济调控等方面做出合理决策提供依据，辅助支撑政府推进城市群区域整体规划发展。

能源大数据多领域赋能

趋势八：能源服务共创共享

能源数据多域赋能将产生海量的服务供给与需求，需要大众创新、多方参与，实现能源服务共创共享。《指导意见》指出：“促进基于能源大数据的创新创业，开展面向能源生产、流通、消费等环节的新业务应用与增值服务；鼓励能源生产、服务企业和第三方企业投资建设面向风电、光伏等能源大数据运营平台，为能源资源评估、选址优化等业务提供专业化服务；鼓励发展基于能源大数据的信息挖掘与智能预测业务，对能源设备的运行管理进行精准调度、故障诊断和状态检修；鼓励开展面向能源终端用户的用能大数据信息服务，对用能行为进行实时感知与动态分析，实现远程、友好、互动的智能用能控制。”

此外，在能源革命、数字转型的双轮驱动下，城市能源系统的规划、建设、运行、管理等各项业务，都需要通过系统性、整体性、协同性地方式开展。随着城市能源系统愈加复杂，单一主体很难独立完成。需要实现城市能源系统地管理者、建设者、运行者、使用方、供应方等多个相关主体协同一致地完成共同目标，构建多方合作、效益倍增、互利共赢的城市能源服务生态。需要通过数字化手段，打通设备、数据、业务，实现能源服务生态各主体内外部协同连接，赋能各主体最大化发挥自身能力，减少重复投入，实现能源服务的共创共享。

腾讯能源连接器（Tencent EnerLink）是一款多技术融合的数字平台产品，提供可依托大数据、物联网、边缘计算等技术，实现综合能源数据汇集、可视、分析和预测，盘查碳足迹；提供腾讯会议、腾讯千帆、腾讯企点等 200 多个应用连接工具，配合低代码开发工具，助力企业一站式自由搭建能源管理协同平台；基于小程序、企业微信等连接工具，帮助企业快速触达用户和产业链上下游伙伴，实现智慧营销、供电管理、代运维等能力，持续助力生态构建和拓展。

腾讯EnerLink产品能力

趋势九：能源生态共建共赢

“营造开放共享的能源互联网生态体系”是国家能源互联网发展十大重点发展方向之一。需要充分利用数字技术领域的快速迭代创新能力，发挥互联网创新模式在变革能源产业中的基础作用，加快形成以开放、共享为主要特征的能源发展新形态。《指导意见》指出，需要推动能源基础设施合理开放，促进能源生产与消费融合，提升大众参与程度与用户体验，建立面向多种应用和服务场景下能源系统互联互通的开放接口、网络协议和应用支撑平台，支持海量和多种形式的供能与用能设备的快速、便捷接入；从局部区域着手，推动能源网络分层分区互联和能源资源的全局管理，支持终端用户实现基于互联网平台的平等参与和能量共享。

新型电力系统作为能源领域实现双碳目标的核心形态，成败关键在于共建新型能源生态。发输配用、源-网-荷-储，整个产业链条上的各环节都需要实现协同，需要新能源企业、化石能源企业、电网、用户等共同参与，共建生态，合作推进。实现新型电力系统离不开综合能源多网协同。电力系统将与天然气、交通、建筑等多领域互联互通，智能电网将与热力管网、天然气管网、交通网络进行互联互通，形成综合能源供应，构成综合能源系统。以智能合约、区块链为代表的数字技术可以通过构建能源价值互联网，有效解决综合能源系统面临的多主体合作困难问题，实现各主体之间通过线下谈判、决策+线上智能合约+区块链防篡改的运营新模式，更好的促进综合能源落地，实现共建共赢。

实现能源生态共建共赢，需要通过隐私计算为代表的数字技术，保护数据安全的同时实现多源数据跨域合作，实现数据在发挥价值地同时“可用不可见”、“可算不可识”和“可用不可拥”。通俗地说，就是让数据少跑路，让算法多跑路，通过“数据不动模型动”破解数据保护与融合应用难题。