2023城市能源数字化转型白皮书.pdf

城市能源数字化转型白皮书城市能源数字化转型白皮书|目录 能源是攸关国家安全和发展的重点领域。世界百年未有之大变局和中华民族伟大复兴的战略全局，要求加快推进能源革命，实现能源高质量发展。2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会上，提出了“碳达峰、碳中和”的庄严承诺，绿色、低碳转型已成为当前能源系统的核心任务之一，而能源供给的绿色化、能源传输的低碳化、能源消费的高效化则是转型工作的重要抓手。与此同时，随着新一轮科技革命和产业变革的兴起，以数字化为核心特征、以数据为关键生产要素、以数字技术为驱动力的新型生产方式蓬勃发展，人类社会正快速步入数字经济时代。随着数字化技术渗入到人类生产生活的各个角落，整个社会的数字化转型已经是大势所趋，在“十四五”规划纲要中，国家明确了“加快数字化发展，建设数字中国”的重要任务，以人工智能、云计算、5G、物联网、大数据为代表的新一代信息技术，将与能源的绿色生产、安全传输与高效应用实现有机融合。能源数字化将是我国能源革命的重要产物，也必将是我国城市能源的主要业态。这是因为我国城市集中了超过50%的人口、75%的资源消费及80%的GDP，更是碳排放的主体。利用数字化技术，通过对城市各个与能源有关环节的精准控制，可以有效减少或者避免各种损失，从而得到城市能源的全面有效利用。这其中离不开各环节的科技创新，以大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等为代表的先进信息技术与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场等环节深度融合，持续催生具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等特征的能源数字化新技术、新模式、新业态。很高兴看到这本城市能源数字化转型白皮书的诞生，期待通过白皮书的发布与应用，引领广大科技工作者协助推动城市能源数字化的科技创新和推广示范，为实现“双碳”目标，建设绿色低碳的城市高质量发展作出贡献。中国工程院院士序言一城市能源数字化转型白皮书|目录 实现碳达峰碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求。二十大报告提出：“积极稳妥推进碳达峰碳中和，立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动，深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用，加快规划建设新型能源体系，积极参与应对气候变化全球治理。”目前，我国已进入新发展阶段，推进“双碳”工作是破解资源环境约束突出问题、实现可持续发展的迫切需要，是顺应技术进步趋势、推动经济结构转型升级的迫切需要，是满足人民群众日益增长的优美生态环境需求、促进人与自然和谐共生的迫切需要，是主动担当大国责任、推动构建人类命运共同体的迫切需要。城市是经济发展的中心，集聚了大量人口，伴随着产业的集聚和资源消耗规模持续扩大，城市单位土地面积的能源消费量巨大。因此，城市能源在总体能源消费中具有“高占比”和“高密度”的典型特征。构建数字化的城市新型能源体系，是提高城市用能效率、促进绿色低碳发展、推动社会整体能效提升的重要手段。数字化技术与能源产业正在逐步相互渗透、深度融合，伴随人工智能、物联网、大数据等技术在能源领域更加深入广泛的应用，城市能源数字化应用场景越来越广泛，改变着能源的生产、传输、交易、消费和监管等模式，社会的运行方式，以及人们的生活习惯。城市能源数字化转型白皮书聚焦城市能源数字化的形态特征与关键技术，深入分析了城市能源数字化的发展趋势，梳理了国内外城市能源数字化的典型案例，为城市决策者、管理者和建设者，能源从业者以及数字技术服务商等提供了系统性的参考，达到科学决策，提高效率，少走弯路，降低成本的效果，必将加速数字技术赋能城市能源转型的发展趋势。希望城市能源数字化转型白皮书既能指导相关从业者的工作实践，又能引起共鸣，起到桥梁纽带作用，为大家交流与互动提供一个便捷的平台。让我们在深入的交流探讨过程中得到共同提高，在“双碳”战略与数字化转型的时代浪潮中，为建设新型电力系统和构建新型能源体系贡献力量。中国能源研究会副理事长兼秘书长序言二目录CONTENTS城市能源数字化转型白皮书|目录 PART01引言01PART02城市能源数字化的形态特征050608101314161721222425293031333637384142464850122.1 城市能源系统的基本形态 (一)能源系统内部互联 (二)能源系统联动多系统 (三)区域能源多主体协同 2.2 城市能源数字化的核心架构 (一)多能协同能源网络 (二)信息物理能源系统 (三)创新模式能源运营 (四)公平高效能源机制PART03城市能源数字化的关键技术2129413.1 数字能源装备技术 (一)柔性直流配电网技术 (二)电力电子装备技术 (三)功率半导体技术 (四)设备虚拟化技术3.2 数字基础共性技术 (一)泛在低耗精确传感技术 (二)高速无阻多元通信技术 (三)全域多维数字孪生技术 (四)高效弹性数字平台技术 (五)自主学习人工智能技术 (六)分布自治边缘计算技术 (七)可信区块隐私计算技术3.3 数字集成应用技术 (一)多能流能量管理 (二)智能发电服务 (三)综合能源服务平台 (四)能源服务机器人 (五)电碳服务平台城市能源数字化转型白皮书|目录 PART04城市能源数字化的发展趋势565758606163646566趋势一：能源终端即插即用 趋势二：能源设备模块组合 趋势三：能源网络软件定义 趋势四：能源系统信物融合趋势五：能源管理多级联动趋势六：能源交易多方互动趋势七：能源数据多域赋能趋势八：能源服务共创共享趋势九：能源生态共建共赢PART05结语68PART06附录：城市能源数字化的典型案例707172747578798082838485868890珠海市城市-园区双级能源互联网示范广州市四网融合能源互联网示范 苏州市主动配电网综合示范北京市建筑智慧能源综合体雄安高铁站片区智慧绿色综合能源服 务示范项目泰州市智慧能源生态平台广州市能源管理与辅助决策平台 常州市能源碳计量平台北京城市副中心数字化低碳城市电网建设雄安新区近零碳智慧楼宇青岛能源集团有限公司“双化协同”的智慧供热管控平台德国“细胞”形态城市能源互联网示范美国“蜂窝”形态城市能源互联网示范日本柏叶智慧新城英国伦敦特大城市零碳规划案 例 一：案 例 二：案 例 三：案 例 四：案 例 五：案 例 六：案 例 七：案 例 八：案 例 九：案 例 十：案例十一：案例十二：案例十三：案例十四：案例十五：03-引言-01-引言-引言城市作为人类活动的主要场所，为经济和社会发展提供了空间基础条件。同时，城市也是能源消费的重点区域，城市能源系统的运转带来了大量的温室气体排放。随着城市经济社会的发展，人民生活水平的提高，以及城市化进程的加快，导致城市能源需求的进一步增加，加剧了城市能源系统温室气体的排放速度。据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告，全球城市所产生的与能源相关的碳排放量占全球总排放量的71%76%，成为碳排放的主力军。因此，要积极稳妥推进“碳达峰、碳中和”（简称“双碳”）目标，就要以能源革命战略思想为指导，加快规划建设新型能源体系，构建清洁低碳安全高效的现代城市能源体系。2014年6月，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议提出了“四个革命、一个合作”的能源安全新战略，为国家能源转型发展指明了方向。能源行业举起能源革命的大旗，朝着这个方向前行，多年来取得了辉煌的成绩。我国风电、光伏发电装机容量已位居世界首位，为全世界提供了一半以上的新能源装备。这些成绩也给国家提出并实现“双碳”目标夯实了底气。然而，中国作为世界最大的发展中国家，碳排放总量仍居世界首位，减排压力巨大，必须采取有效手段实现转型发展。目前，我国能源活动产生的二氧化碳排放约占碳排放总量的85%，电力碳排放在能源排放中占约40%。因此，实现“双碳”目标，能源是主战场，电力是主力军。2021年3月，习近平总书记主持中央财经委员会第九次会议，强调：“要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。”构建现代城市能源体系和新型电力系统离不开能源和电力系统的数字化转型，数字技术将成为其赋能者和加速器。“十四五”国家信息化规划中明确指出要“深入推进绿色智慧生态文明建设，推动数字化绿色化协同发展”，“双化协同”是指数字化与绿色化两大战略相互协同、相互促进，在数字化转型中同步实现绿色化，以绿色化带动数字化，在绿色化转型中充分发挥数字化赋能作用，大力发展绿色数字融合新技术，培育绿色数字产业新生态。2022年11月，中央网信办、国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、国家能源局联合印发通知，确定在10个地区首批开展“双化协同”城市能源数字化转型白皮书|引言 02城市能源数字化转型白皮书|引言03综合试点。城市能源数字化转型也是“双化协同”转型发展的重点领域。能源数字化转型是新一代数字技术和能源融合发展的必然产物。其以现代网络为载体，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，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。城市作为实现“双碳”目标的关键主体，作为数字技术广泛应用的最佳载体，必将成为能源数字化转型、构建现代能源体系的引领者。本报告希望通过对城市能源数字化的形态特征、关键技术、典型案例和发展趋势的分析和阐述，为城市管理者、能源从业者、数字技术提供者等相关主体和个人带来一些思路和参考。03-引言-04-城市能源数字化的形态特征-userid:206478,docid:131059,date:2023-06-29,城市能源系统的基本形态 城市能源数字化的形态特征城市能源系统的发展受到能源环境政策、经济社会发展等宏观因素及地区资源禀赋、区域能源发展等特定因素的影响，逐渐形成了多层级互联的城市能源系统特征。而城市作为实现“双碳”目标的关键主体，作为数字技术广泛应用的最佳载体，必将成为能源数字化转型的引领者。结合城市能源系统特征及未来城市的数字化趋势，城市能源数字化逐渐形成由多能协同能源网络、信息物理能源系统、创新模式能源运营及公平高效能源机制组成的“三横一纵”的形态特征。能源与未来城市息息相关。城市建设、人口集聚、经济发展离不开能源支撑。工业革命以来，电力、天然气、石油化工等能源已然深刻的嵌入城市生活，影响着人们衣食住行的方方面面。人类正在经历大规模快速城市化，随着城市化的日益临近，巨量的能源消耗带来严峻的环境危机，威胁到人类在自然中的生存。当前，国际社会呼吁节能、减碳的战略与行动，能源系统的变革与转型将对城市和人类的未来带来深远影响。对中国而言，能源革命是生态文明建设的重要动力和表征，面向未来城市的能源规划是当务之急。以电能与互联为核心是能源系统转型的重要依托，在国内外的相关实践中，逐渐涌现出了多层级互联的城市能源系统特征（图1）。通过联动“源-网-荷-储”等多个环节，围绕人的需求，在“即时预测-及时行动”的循环中，实时调节供能、用能和储能模式，来实现能源系统的综合管理、整体优化。跨系统的联动也日益增强，典型的相关系统包括建筑、交通、环境等。这是因为信息通信技术（ICT）为多系统之间的智能联动与交互提供了技术支撑和统一标准，进而提高了多系统跨领域的协同能力。由于能源的生产与使用往往涉及广阔的空间范围，因此需要通过制定能源的中长期规划来协调各个领域的相关利益主体，让企业、政府、社会公众达成共识，共同创造多主体协同的可持续城市未来。05图 1：多层级互联的城市能源系统能源系统内部互联能源系统联动多系统区域能源多主体协同规划类别互联对象核心特征实时的“预测-行动”“源-网-荷-储”的联动以人为本面向实施的项目计划能源、交通、建筑、环境等系统的联动智能调节中长期的总体战略规划若干利益相关主体的联动综合集成在能源系 统 内 部在涉及能源的各个系统之间在区域尺度上2.1 城市能源系统的基本形态能源系统内部互联以人为核心，通过联动“源-网-荷-储”等多个环节，实时调节供能、用能和储能模式（图2）。其中，以人为核心不仅是指面向人的需求，更要调节人的行为。“源-网-荷-储”联动则是指电源、电网、负荷与储能四部分通过多种交互手段，更经济、高效、安全地提高电力系统的动态平衡能力。能源系统内部互联需要充分发挥人与信息的积极作用。能源系统内部互联在社区尺度有着广泛的实践。社区作为城市的基本构成单元，是能源互联的基本单位。21 世纪以来，能源社区（energy community）、公民能源社区（citizen energy communities）、可再生能源社区（renewable energy communities）等概念与实践不断涌现，在一定程度上促进了地方能源系统（Local Energy Systems，LESs）的激活与使用，以及可再生能源（renewable energy sources，RES）能源生产的快速增长。能源系统内部互联需要采取“即时预测-及时行动”的循环动态规划模式。这是为了应对供用电需求波动大、储能端容量有限等挑战所提出的解决方案。该模式通过预先感知用户用电行为，进而对用户用电行为进行预测，以此为依据协调能源的管理与分配，平衡用电高峰与低谷，以更好实现用能需求端的响应与管理，减少电力消耗，提高用能效率。在城市能源系统中，人将在能源生产、储能和需求侧管理中扮演积极角色，能源网络将实现由被动用户组成的中央系统向以能源社区为特色的灵活的主动用户网络的转变。而信息将助力“即时预测-及时行动”的循环，通过用能需求端响应、预测与管理，以及虚拟电厂综合能源管理与分配，平衡局域用能需求，实现能源系统的综合管理、整体优化。06图 2：能源系统内部互联源荷人储网城市能源系统的基本形态(一)能源系统内部互联能源系统内部互联在德国E-Energy联合能源计划中的Meregio项目中得到较好的体现，该项目以实现基于信息通信技术（ICT）的未来能源系统为目标，通过智能电表与交通灯电价系统两大举措，实现“即时预测-及时行动”的规划模式（图3）。其中，智能电表通过用户实时负荷数据上传与统计分析，建立用户负载特性曲线，预测用户用电行为，寻找电力供需不匹配的薄弱节点加以调控，并在用户用电行为异常时发送智能提醒。交通灯电价系统则是以电价为调控要素，调整用户用电行为，助力电力削峰填谷。在交通灯电价系统中，红色代表高电价，黄色代表中等电价，绿色代表低电价。实践发现，交通灯电价可有效引导用电习惯的改变，缓解电力消纳问题。在实践的前3个月，当电价灯在红绿转换时，电力消耗波动为25%-35%，黄绿转换时，波动为10%-22%，红黄转换时，波动为3%-15%。3个月后用户用电行为得到有效调整，用电行为逐渐与供电峰谷相契合，达到稳定状态。当电价灯在红绿转换时，电力消耗波动降至7%-12%，黄绿转换时，波动降至4%-7%，红黄转换时，波动降至2%-4%1。07图 3：能源系统内部互联的信号处理网格控制系统（NLS）需求侧管理（DSM）“核心”市场3821579410613102456782DSM通过IBM“核心”将每个连接点的当前用电时间表转发到NLSVNB或NLS确定电力瓶颈情况流程查询：通过市场、DSM到家庭的负载转移潜力选择符合市场要求的DSM报价的协商流程DSM在家庭层面实施附加费城市能源系统的基本形态1资料来源：E-Energy:MeRegio，https:/ Energy made in Germany，https:/www.digitale-technologien.de/DT/Redak-tion/DE/Downloads/Publikation/abschlussbroscchuere-e-energy.html信息通信技术（ICT）的引入，使得能源系统与建筑、交通、环境等多系统之间的交互联动更为智能，跨领域协同能力得到提高（图4）。城市能源规划需要推动多种能源相关系统在能源生产、传输、消耗等环节耦合，充分利用不同形式的能源进行互济互补，以实现多系统的集成联动，构建多种能源优化互补、供需互联开放共享的能源生态系统，实现经济、可靠、灵活的城市能源规划目标。其中，能源相关系统的内涵包含能源系统转型优化、工业系统转型升级、交通系统清洁发展、建筑系统能效提升、负碳技术开发利用等等。图 4：能源系统联动多系统08图 5：EUREF园区的充电点布局4德国柏林欧瑞府能源科技园（EUREF）3是能源系统联动多系统的典型代表。园区内拥有围绕新能源和低碳技术的完整产业生态圈，通过能源、交通、建筑、环境等系统的协同，推动可持续园区建设与示范。该科技园始建于2008年，占地5.5公顷，早在2014年便已超前实现了德国联邦政府制定的二氧化碳减排80%的2050年气候保护目标。这一目标主要通过以下多个系统的协同而实现：（1）智能电网建设。连接建筑、交通、环境及基础设施系统，使得各系统在计量层面可以经济实惠、气候友好地互联；（2）建筑系统能效提升。园区内楼宇和设备技术的建设以最高能效为首要目标，并通过智能化的能源管理系统集中控制；（3）交通系统清洁发展（图5）。由太阳能顶棚、智能电线杆、移动电表等设备向车辆输送可再生电力，电动汽车则作为移动储电设备接入智能电网，退役汽车的电池还可用作固定电池存储设备；（4）气候中性能源供应。建设能源中心，充分利用沼气、太阳能、风能等能源，环保的发电发热。如热电联产设备燃烧沼气发电，余热用于加热水，又如在园区内安装风机与太阳能设备以充分利用风光资源，光伏园区和风机电能产能过剩时就会被报备在能源中心，将过剩的电能存在水中。能 源源荷储网建筑环境交通城市能源系统的基本形态(二)能源系统联动多系统3资料来源：https:/euref.de/en/welcome/4资料来源：https:/euref.de/en/euref-campus_en/#smart-transport-concept5资料来源：https:/ Equigy 区块链电网平台5也有着较好的展现。Equigy 区块链电网平台通过能源、交通、建筑系统的协同，应对小规模的弹性分布式能源统筹运营问题。由于当前欧洲处于能源转型期，用能状态日益多变、分布式能源越来越多，需要更为灵活的能源运营系统。在此背景下，2020 年，IBM 与欧洲三家电网运营商（TenneT、Terna 和 Swissgrid）建立了 Equigy 区块链电网平台，旨在制定欧洲跨行业标准，建立一个可靠高效的电力系统。Equigy 以区块链技术为依托，通过可信赖的信息中心（如家用电池和电动汽车的原始设备制造商、智能电表和充电点等物联网设备），在输电系统运营商（transmission system operator，TSO）与配电系统运营商（distribution system operator，DSO）之间搭建桥梁，将能源消费者一端的储能设备（如家用电池、电动汽车等）接入电网，平衡电网波动（图 6）。这一解决方案让可再生能源市场中的大小参与者均能加入能源互联交易市场，生产和存储能源，并促进利益相关者之间的数据交换。当前，Equigy 平台的应用以项目试点为主。以在瑞士的一个试点项目为例，项目目标是使用存储技术来提供能源初级控制，通过小型分散能源的支持来平衡输电网的短期波动。该项目由 Swissgrid（瑞士输电系统运营商）与 Alpiq（瑞士能源服务提供商和电力生产商）合作，借助 Equigy人群平衡平台（The Crowd Balancing Platform），采用区块链技术和物联网（IoT）技术，将小型、分散的单元（例如与光伏系统、小型水电系统、热泵技术甚至电动汽车相结合的家用电池存储设备）集成到能源控制市场。Alpiq在其中扮演商业聚合器的角色，将控制可控资源的技术聚合器与Swissgrid 联系起来。在项目中，一个1.2 兆瓦的电池即可被用作一种灵活的能源。09图 6：Equigy平台工作原理输电系统运营商区块链验证聚合器配电系统运营商城市能源系统的基本形态在共同目标的引导下，城市能源规划在区域层面的战略规划制定，不可避免地要面对协调较大空间范围内复杂利益主体的问题（图7）。区域能源的核心理念在于区域范围内的能源集成优化，这一理念的实现离不开多主体协同。在城市能源规划实践过程中，任一环节的任一主体均有其特色的价值主张和利益诉求。在此背景下，倘若对各个主体顾此失彼，或是缺乏对能源系统规划全生命周期的经济性与可行性统筹，将直接影响到项目的长期可持续运营。城市能源规划在区域层面需要注重多能源网络耦合、多利益主体协同，推动实现系统优化运行。通过持续更新战略规划，指导能源系统的近期建设、反思尚待提升的不足之处、向着最终目标不断迈进。欧盟的能源规划是区域能源多主体协同的典型代表。欧盟及泛欧盟地区具有电网联盟的深厚基础，而电网发展也是实现欧洲“2050年零碳”目标的核心工具。ENTSO-E（欧洲输电网运营商联盟）每两年发布一次十年网络发展计划（Ten Years Network Development Plan，以下简称“TYNDP”）6，是重要的能源领域的区域规划。TYNDP的制定是一个为期两年的过程。首先是构建2030年和2040年欧洲电力系统的场景。例如在2022年的场景报告（Scenario Report）中便构建了三种场景：成员国发展趋势（National Trends），分布式能源（Distributed Energy），国际影响（Global Ambition）三类场景（图8）。6资料来源：https:/tyndp.entsoe.eu/.图 7：区域能源多主体协同10城市能源系统的基本形态(三)区域能源多主体协同建筑区域能源协同环境交通社会公众 相关部门 创新企业在场景构建之后，系统需求的识别（Identification of System Needs）是十分重要的一环。一方面，系统需求研究的结果对新项目的开发具有引导作用；另一方面，每两年一次开展系统需求研究可以及时更新项目背后的实际需求。对欧盟而言，系统需求因不同区域而有所差异，因此，在总体研究之外，还会同步制定各区域的详细投资计划与敏感性研究。在前述报告的基础上，项目发起人发起项目，TYNDP制定团队对收集到的若干项目进行成本效益分析，评估其是否有助于满足场景及系统需求，并生成该年的TYNDP主报告及项目清单（如TYNDP 2020共涉及154个传输和26个存储项目）。在2020年的主报告中展示了区域能源战略规划最终落实在实际工程项目中的详细过程：1）明确需求，2）明确解决方法，3）初步的项目设计和成本收益分析，4）讨论是否将该项目纳入国家发展计划和TYNDP，5）申请欧洲“共同利益项目”，6）工程设计和许可程序，7）融资和最终投资决策，8）建设和调试，9）项目应用与追踪。在“2030碳中和与2060碳达峰”的要求下，我国的区域能源协同同样需要相关部门、创新企业以及社会公众的共同协作，欧盟的能源规划方法能够对大尺度的能源互联提供参考。在面对复杂的多个利益主体时，未来的发展存在巨大的不确定性，场景分析与系统需求研讨有助于在若干种假设的未来中，通过对比与模拟辨析关键问题、明确核心发力点，继而指引各个利益相关主体的项目设立与实施。在每两年一轮的更新中，能源战略向着最终的目标不断完善，在突发事件到来时能够及时做出新的反馈，更有效地牵引实际的能源工程。这些场景利用新的行业耦合方法和专用建模工具来优化整体系统效率和灵活性，从而更好地协调不同的地理范围的各个终端和多种能源类型。图 8：TYNDP 2022的三种场景11TYNDP场景范围2022评估符合巴黎协定的路径成员国发展趋势最佳预估分布式能源国际影响2025203020402050城市能源系统的基本形态12图 9：城市能源数字化的核心架构城市能源数字化的核心架构机制层公平高效能源机制应用层：创新模式能源运营信息层：信息物理能源系统物理层：多能协同能源网络线上+线下一体化智能服务营业厅能源+块数据服务城市智慧能源管理系统（CIEMS）电流冷、热、电气、水.电压 用水 冷热 压力无所不在的智能传感多元通信万物智联双向互动多表合一综合能源网（电、冷、热、水气管网）智慧路灯智能家居无线用能直流用能智能无线充电公交站综合能源站（供电、供热、供冷.）智慧交通综合能源体（充电站、塔，轨交供能站.）2.2 城市能源数字化的核心架构信息革命带来的技术创新突飞猛进，单个城市的复杂性也与日俱增,未来城市是由人居、交通、能源等不同系统组成的一个体系（system of systems），若干系统既独立运行又相互交叉协作，相互之间的关联错综复杂，信息通过空前的快速流动和相互作用，影响了组成未来城市的系统，也模糊了系统之间的边界，并且作用于城市生活中的每一个人。以数据为载体的信息与既有的城市空间相叠加，将革命性的形塑未来城市。城市中每天都会产生海量的数据，无处不在的信息网络让万物互联，人们能够在有限的时空范围内获得无限时空范围内的经验。未来城市将涌现出信息空间，打破物理空间与社会空间之间的隔阂，并交织重组，浸润城市中的万事万物，时时刻刻影响人们的日常行为。因此，未来城市必将打破物理惰性结构的支配，信息带来的正反馈将改变城市的实体布局。换言之，信息感知、匹配、安排将是未来城市的关键领域，未来城市数字化势在必行。在未来城市中，能源是保障城市运行必不可少的基础设施,在碳达峰、碳中和要求下亟须实现生产、消费、储能的结构转型，未来城市能源供给将由大机组批量化、集中式产能转向由数字化保障的能源生产、传输、存储、使用等全链条协同，实现能源的“源-网-荷-储”深度互动。因此，城市能源数字化转型是未来城市数字化的重中之重。城市能源数字化的核心架构可以通过四个方面体现，即多能协同能源网络（物理层）、信息物理能源系统（信息层）、创新模式能源运营(应用层)及公平高效能源机制（机制层），如图9所示。城市能源数字化的物理层是为实现多能协同能源网络而搭建的基础设施层。其以电力网络为主体骨架，融合气、热等网络，覆盖包括能源生产、能源传输、能源消费、能源存储、能源转换的整个能源链。城市能源数字化的物理层以电力系统为核心，并结合冷、热、水、天然气等其他能源类型形成复杂的设备级、站点级和微网级能源系统，涉及能源生产、消费、存储等能源链全环节。设备级能源系统适用于城市中的建筑楼宇，包括燃气发电机组、制冷机组、余热利用机组等组成的冷热电联供系统，通过在需求侧内部或附近发电，大大减少电力在输配过程中的传输损失，并利用发电产生的余热来满足冷热需求，从而提高系统能源的综合利用率。站点级的能源站系统适用于城市一般商业住宅园区等，光伏、生物质、燃气等发电机组、地源热泵、制冷机组、电锅炉等各类机组按季节分时段间歇运行。微网级的多能互补系统适用于城市工业园区、公共商业和民用建筑的采暖、制冷、电力、蒸汽、热水和除湿等多种能源的联供需求，由微型电源、负荷、电力网络、热力网络、储能系统、电子电力装备、通信设备等能源系统各类元素组成，通过深度融合互动，以微网形式实现能源按需转换和多能协调互补。结合城市各区域能源资源及能源需求情况，多能互补系统将天然气冷热电系统、分布式可再生能源发电/制热、储热/储冷/储气/储电、智慧交通综合能源体、智能家居、智能建筑等能源系统结合为一体，形成微网，为城市用户提供多种能源服务，促进电力削峰填谷，实现冷、热、气、电的多重保障供应，提高城市供能可靠性（图 10）。13(一)多能协同能源网络城市能源数字化的核心架构依赖于高度可靠、安全的主体网架（电网、管网、路网）具备柔性、可扩展的能力支持分布式能源（生产端、存储端、消费端）的即插即用。能源、交通、水资源、环保、ICT、热力管网是城市运转架构体系中不可缺少的基础设施，各种能源的互联互通高效利用是生态环保的基础、是城市的保障。多能协同能源网络具备以下几点基本特征：城市能源数字化的信息层是融合信息物理能源系统的重要衔接层。物联网、大数据、移动互联网等信息技术的飞速发展,可为涵盖能源生产、传输、消费、存储、转换整个能源链条的效率、经济、安全提供有效支撑。信息物理融合系统（CPS）紧密耦合，信息流将贯穿于能源互联网的全生命周期，包括规划、设计、建设、运营、使用、监控、维护、资产管理和资产评估与交易。如图9所示，能源互联网信息层包括“无所不在的智能传感”、“多元通信、万物互联”及“双向互动、多表合一”。14图 10：城市多能协同能源网络多能协同能源网络居民负荷工商业负荷分布式可再生能源发电冷热电、天然气等储能电动汽车无所不在的智 能 传 感“无所不在的智能传感”指部署终端智能电表及非入侵式测量设备等，以实现对电力系统、水/电/气等各种能源信息的全景感知，完成数据的初始采集。应用于城市能源数字化的智能传感需要充分考虑城市能源系统“点多面广、场景庞杂”的特点，对其各个环节全面进行实时监测，从而为城市能源数字化转型提供有效的数据支撑。(二)信息物理能源系统城市能源数字化的核心架构15图 11：信息层智慧能源解决方案多 元 通 信万 物 互 联全面高效的智能传感使得海量物联终端源源不断地产生数据，因此对传输能力提出了更高的要求。“多元通信、万物互联”指以高带宽光纤为骨干，5G、Wi-Fi、传感器网络为补充的通信系统，深度融合电网与“云大物移智链”等数字化技术，从而建立立体化、高效的传输网络，解决能源业务传输需求与能力不匹配问题。双 向 互 动多 表 合 一“双向互动、多表合一”指通过协同控制的管控平台等对各类能源进行统一调度管理，保证能源自身的安全、高效、稳定运行和能源子系统间的协调互动，从而实现高效便捷的综合能源服务。信息层是能源互联网的智慧支撑，主要是通过建立安全高速的通信系统和全面高效的综合管控平台，实现能源系统高度智能、可管可控，实现物理层和应用层信息的互联互通。如图11所示，在信息层，智慧能源解决方案通过红外图像、视频监控、轴系振动等智能传感实现发电机组智能感知与数据采集，并通过大数据平台、移动平台等智能平台对数据汇集和整理，实现场站、集控中心、区域运营中心、集团的统一调度管理，从而实现全面智能化。城市能源数字化的核心架构H5/SVG大数据平台接口平台开发平台服务平台移动平台硬件平台平台管理集中监控智能值守运行优化智能启停功率预测运行预警设备资产管理可视化展示生产运营管控智能电站发电机组智能感知展示层应用层智能平台智能安全智能运行智能检维安全管理风险预控电子两票电子门禁人员定位作业监控应急指挥仿真培训智能装备ARVR大屏展示移动应用三维可视化运营管理领导驾驶舱工作协同任务看板场站通信场站监控无人机机器人场站涉网功率预测场站安全电子围栏轴系振动机舱位移红外图像叶片噪声塔筒振动风机PLC油质监测机舱安全塔筒沉降变流器DSP变桨PLC视频监控远程专家支持故障诊断预警智能电子巡检健康态势感知检维知识图谱16城市能源数字化的应用层是通过创新模式实现能源运营的价值增值层。创新模式能源运营要充分运用互联网思维,以用户为中心,实现业务价值。在具有活力的市场环境下,包括能源生产、传输、消费、存储、转换的整个能源链相关方均能广泛参与,改变原有能源系统“条块分割”的状况，把电、热、冷、气等多种能源形式耦合起来，并能够基于大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术，使得能源链各个环节的商业模式发生颠覆性的变革。此时，在能源消费侧，用户关于不同形式能源的需求是可调整、可转化的；在能源供应侧，将出现多家竞争性的能源服务供应商，甚至用户本身也可以成为能量供应者。而互联网以信息为纽带，以数据为资源，以互联为手段，一方面能够充分测量、采集、分析能源从生产到消费全流程丰富的数据信息，使得各个环节变得更加可观、可测和可控，使得用户对于自身的能源消费行为能够具有更加深刻的了解，系统运营商对于设备的运行状态能够具有更加准确的判断；另一方面，则是以互联网为载体，能够将能源系统中分散化的用户、差异化的能源、多元化的商业主体紧密联系起来，扩大市场成员的交互范围与频度，降低交易成本，显著提高市场成员参与能源交易的便利性与存在感。多种能源形式的融合和互联网精神的渗透必将催生一个竞争充分、多边对等、主动参与的全新的城市能源系统生态圈。如图12所示，城市能源数字化下，互联网+能源供应商、能源服务商、能源监管者、能源终端用户的各种创新模式能源运营应运而生，在此过程中，第三方平台的接入可以使得主体间的管理和交易更加高效。能源服务商在建立与能源供应商、能源终端用户的线上线下连接中，面临着不同平台数据孤岛难以解决的问题，而综合能源服务平台作为模式创新的第三方平台，以数字化技术为图 12：能源互联网创新模式能源运营能量供应商能量服务商第三方平台（管理&交易等）能源监管者能源流信息流能源终端用户(三)创新模式能源运营城市能源数字化的核心架构图 13：2011-2021年政策文件类型分类最后，城市能源系统需要通过公平高效的体制机制作为保障，其贯穿于基础底层到应用创新。体制机制作为城市能源数字化的政策保障体系，涵盖国际条约、宏观战略、法律法规、标准导则、部门规章及规范性文件多层级（图13），涉及领域包括城市能源数字化的组织管理、财税扶持、辅助服务、分布式能源交易、增量配网、数据服务、电动汽车等。基础，轻松连接数据孤岛，满足能源服务商各类细分场景需求。另外，能够提供精准灵活碳排放盘查的碳盘查平台可为能源监管者和能源终端用户提供增值服务：对企业终端用户来说，纳入国家要求控排和碳交易的企业可通过碳盘查平台自行接入数据源，自由进行多种碳盘查计算并进行数据分析、方案对比、数据存证；对于政府监管机构，建立碳盘查平台可以降低收集辖区内碳中和数据的难度，对大量、琐碎、分散的数据进行高效整合，降低监管的人力成本和时间成本。此外，还有面向能源供应商的智慧电厂底座平台、工业大数据平台，面向能源终端用户的充电站数字化平台，面向监管者的新能源充电安全监管大数据平台等，都是通过模式创新实现能源运营的各种新的业态与商业模式，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。17(四)公平高效能源机制城市能源数字化的核心架构2014年2021年政策文件类型分类2014年至2021年共发布政策法规1317 项国际条约宏观战略法律法规标准导则部门规章及规范性文件18城市能源数字化的核心架构图14：城市能源数字化政策类型财税扶持的体制机制涵盖对可再生能源配额、碳交易配额、可再生能源补贴、燃气发电基于装机容量的资金补贴、燃气三连供备用容量及基金附加的补贴等指标及配额的相关政策。此外，还包括针对参与数字化转型先行先试用户给予政策上的扶持（如税收减免或者准入等），及针对城市能源数字化转型示范项目的专项资金扶持，或采取降低融资成本的政策等。组织管理包括明确城市能源数字化项目核准、涉及、施工归口管理部门，验收流程标准及资质要求，包括分布式能源的多用户分布式核准，市政管网（电网、气网、水网）的施工设计核准。组织管理还包括受城市能源数字化影响的监管机制转变由以人力监管为主的传统监管方式逐步向以数字化技术和互联网平台为支撑的新型智能监管手段转变。组织管理财税扶持财税扶持 财税减免 土地优先批复 人才优先 专项经费扶持增量配网 区域划分与产权归属电动汽车 电池可追溯监管平台分布式能源交易 交易偏差电量规则 交易平台构建 过网费核定 绿证交易机制交易平台开放组织管理一体化报批核准 地方政府连责机制 明确源网主体 项目技术指导 示范项目宣传 数据服务建立产品推荐目录 数据开放整合机制 信息模型标准化 建立技术验证平台 辅助服务辅助服务效果评估 辅助服务市场机制 32%32%13%12%7%3%1%19分 布 式能源交易增量配网城市能源数字化的核心架构城市能源