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14.智能电网对智慧城市的支撑作用研究

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14.智能电网对智慧城市的支撑作用研究

第43卷 第11期 电力系统保护与控制 Vol.43 No.11 2015年6月1日 Power System Protection and Control Jun. 1, 2015 智能电网对智慧城市的支撑作用研究 高志远 1 ,姚建国 1 ,郭昆亚 2 ,曹 阳 1 ,宋宁希 3 ,李 强 4 ,孙 芊 4 1.中国电力科学研究院,江苏 南京 210003; 2.国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司,辽宁 沈阳 110811; 3.河南电力调度通信中心, 河南 郑州 450052; 4.国网河南省电力公司电力科学研究院,河南 郑州 450052 摘要智能电网在智慧城市建设中的支撑地位、作用还没有得到充分的挖掘。在系统化梳理智慧城市体系架构的 基础上,分析了智能电网和智慧城市相互之间的促进和制约作用,并对两者间的协调和支撑作用做了定量分析, 最后对智能电网支撑智慧城市建设的关键技术和应用做了系统梳理。指出能源技术和信息、通信技术一样是智慧 城市的基本支撑技术,智能电网和智慧城市在其交集范围内具有相互促进或者制约的关系,智能电网中各环节的 技术和应用对智慧城市建设的支撑作用依据其密切程度呈现层次化分布的特点。 关键词智能电网;智慧城市;变权综合;均衡函数;能源技术;信息通信技术 Study on the supporting role of smart grid to the construction of smart city GAO Zhiyuan 1 , YAO Jianguo 1 , GUO Kunya 2 , CAO Yang 1 , SONG Ningxi 3 , LI Qiang 4 , SUN Qian 4 1. China Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China; 2. Shenyang Power Supply Company, Shenyang 110811, China; 3. State Grid Henan Electric Power Company, Zhengzhou 450052, China; 4. State Grid HAEPC Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052, China Abstract The status and role of smart grid in smart city construction has not been fully excavated. Based on the systematic combing smart city architectures, the mutual promotion and restriction effects between smart grid and smart city are analyzed, and some quantitative analysis is made for the coordination and supporting effects. Finally, the key technologies and applications of smart grid to support the construction of smart city are systematically researched. It is pointed out that energy technology is the basic support technology of smart city as information communication technology ICT, smart grid and smart city have a relationship of mutual promotion or restriction within the scope of their intersection, a hierarchical distribution characteristic is shown for the technologies and applications of smart grid according to their effects of supporting to smart city construction. Key words smart grid SG; smart city SC; variable weights; balanced functions; energy technology; information communication technology ICT 中图分类号 TM619 文献标识码A 文章编号 1674-3415201511-0148-06 0 引言 城市化过程是人类文明的重要特征,智慧城市 建设更是目前世界各国的发展趋势。以国内为例, 住建部早在2012、2013年就已先后启动2批次共 193个智慧城市试点。截至2014年2月,国内已有 总计约230多个城市提出或在建智慧城市,包括 95的副省级以上城市、76的地级以上城市 [1] 。 它主要有两方面的技术背景1 上世纪后半叶以来 基金项目国家电网公司科技项目;北京市自然科学基金资 助项目 3132035 信息通信技术的发展和应用为城市建设注入了新的 动力。2 面对长期以来城市建设面临的能源、环境、 空间、人口等多重瓶颈和多元化的需求,前期有关 新城市运动、生态城市、数字城市等理论的研究和 实践为城市发展奠定了坚实的基础 [2-5] 。 2004年以后IBM、CISCO、Siemens等IT厂商 陆续正式提出有关智慧城市理念 [6] ,强调通过加强 信息通信等基础设施建设实现全面的感知和互联, 并在能源、交通、水、政务、公共安全、食品等领 域实现深入和广泛的智能应用。其特征在于感知、 互联、智能、高效物质最佳循环,能量充分利用。 随着认识的深入,这种技术导向型的理念目前已逐 高志远,等 智能电网对智慧城市的支撑作用研究 - 149 - 步向知识导向型发展,人们在数字化、智能化基础 上赋予了城市更多的内涵,它实际上代表了一种集 约的、绿色的、智能的、可持续的、和谐的城市生 产和生活方式,强调创新,并最终实现经济、社会 和生态可持续发展的良性循环 [7] 。 智能电网是本世纪初世界电力工业最大的变革 和创新,已引起了世界性的研究和建设热潮 [8-9] 。从 2011年开始,国家电网公司智能电网建设从试点阶 段走入了全面建设阶段。但是目前各类智慧城市建 设中,对于智能电网的重视不够,通常仅仅是归入 智能能源应用中。大部分电网功能被社会认为是局 部的、电力行业应该完成的。例如在对几个国内典 型智慧城市的调研中发现,除了基本的供电服务, 政府主管部门极少对电力部门提出过更进一步的要 求,智能电网在当地智慧城市标志性建设项目中也 没有得到多少展现机会。住建部2012年底发布的 国家智慧城市区、镇试点指标体系试行的5 7个3级指标中,与智能电网直接相关的仅有2项 智慧能源和照明系统,但实际上,智能电网对 其他如网络、信息、绿色建筑和节能、应急安全社 区,家居、环保、交通等指标都有巨大的作用潜力。 我们认为目前以智能电网为主体的有关能源技 术在智慧城市中的地位、作用还没有充分地挖掘和 如实地体现;智能电网与智慧城市两大体系的相互 制约、促进作用有待深入研究;智能电网支撑智慧 城市的关键技术和应用亟需系统化梳理。 有鉴于此,本文在已有的相关研究 [10-15] 基础上, 从智慧城市的体系架构和发展阶段、智能电网对智 慧城市的支撑作用、实例分析等方面进行了深入研 究。以下智能电网简称SG,智慧城市简称SC,信 息通信技术简称ICT 1 能源技术的基础支撑作用 目前普遍认为SC的基本支撑技术是ICT技术, 但本文认为能源技术同样是基本支撑技术之一。其 原因如下1 能源技术关系到SC所有的愿景、特 征和应用,对于建立绿色、可持续的生产和生活方 式,其影响的全面性不次于ICT。2 能源技术包含 大量信息、通信技术之外的专业性内容,是ICT技 术所不能覆盖的。能源技术中包含ICT的应用,反 过来ICT中也包含能源技术的应用。3 生态可持续 是当前城市发展的突出问题,雾霾问题已成为我国 目前社会关注度最高的问题之一,而能源技术是其 中最重要的影响因素 [16] 。4 能源系统的建设是城市 发展的基础,特别是SG技术对于城市非化石能源 占一次能源消费的比重、二氧化碳排放强度等约束 性指标意义重大。作为能源技术主要部分的SG, 许多应用需要电力系统外广大用户和部门参与,直 接以基本电力供应外的形式影响城市生活。可见, 能源技术是城市发展中具有广泛影响的全局性技 术,其专业性、重要性、关注度决定了其基础支撑 地位。 因此,本文在已有的各类架构 [4-7,10] 的基础上梳 理了如图1所示的5层SC体系架构,能源技术作 为底层基础支撑技术之一,直接关系到SC的技术 方案、应用、特征等各个层面,是SC实现可持续 发展目标的最重要基础。 图1智慧城市体系架构 Fig. 1 Overall system architecture of smart city 2 智慧城市的发展阶段 SC在不同的时空条件下具有不同的特征。为便 于研究,在国内外各类SC研究的基础上,划分了 如表1所示的4个具有典型意义的SC发展阶段。 表1 智慧城市发展阶段 Table 1 Development stages of smart city 阶段 特点 现代城市 现代社会进入工业化后,尚未明确发展SC的阶段。 技术导 向型 随着信息、通信等现代技术的发展和应用,城市发 展在集约化、互联化、智能化等方面获得长足的进步, 正是目前世界上大多数SC所处的阶段。 知识导 向型 随着SC建设的深入,关注的焦点不再局限于基础 硬件设施的建设,而更重视城市建设的软实力、各类应 用的深层次知识挖掘和应用。 协调智慧 发展 理想的城市可持续发展状态。 为了从经济、社会生活、生态可持续角度对SC 发展阶段做进一步刻画,采用专家打分方式对SC 各个阶段进行了量化评估,如表2所示。 - 150 - 电力系统保护与控制 表2 智慧城市各发展阶段的多维度评估 Table 2 Multidimensional evaluation of smart city in different stages 现代城市 技术导向 阶段 知识导向 阶段 协调智慧发展 阶段 经济可持续 4 6 8 8 社会可持续 3 5 7 8 生态可持续 4 4.5 6.5 9 总体 3.623 5.118 7.131 8.316 注评估分数范围010。表中的分数是相对的,假定未来理想智慧城 市评估分数为满分10分。 表2中“总体”一行是经计算得出的该阶段SC 发展水平的总体评价。SC的发展需要在经济、社会 和生态方面的均衡,例如当经济超高速发展,生活 极端便利,但是生态环境也同样以超高速向不适宜 居住方向发展,这种“智慧城市”显然不可取。为 此选取了如下的惩罚型变权均衡函数 [17-19] 。 ∑ 3 1 321 ,, i ii xxxxwZ 1 其中Z表示总体评价结果;x i 表示某一分项评价 结果; 321 ,, xxxw i 是惩罚型变权均衡函数,定义 如式2。 ∑ − − 3 1 10 10 321 ,, k kk ii i xw xw xxxw α α 2 其中 0 i w表示预先给定的常权,假定对经济、社 会、生态同等重视,所以 0 3 0 2 0 1 www ; 10 ≤α,表示特征指数,当1α变成常权,当 0α,则最注重因素间均衡的评估,取 3 1 α; 321 ,, xxxw i 具有归一性、连续性和惩罚性特征 [19] , 其中w i 是x i 的单调减函数,当ji≠时,w i 是x j 的 单调增函数,当某一项指标特别差时,其总体评价 也趋于0,即 123 0 ,, 0 lim i x Zxxx → 。 3 智能电网对智慧城市的支撑作用分析 智能电网对SC提供的支撑,基础是能源供应, 但已经扩展到环境新能源、减排、节能、交通电 动汽车、新用能生活方式微网、用电、需求响应、 分布式能源等、信息电力数据综合应用、经济生 产需求响应、能效系统等各个方面。为此,分环 节详细梳理了各类SG技术其中电力市场、调度、 参与主体等因素归在信息通信环节对SC的支撑作 用,其层次化分布如图2所示。 图2 智能电网支撑智慧城市的层次化体系 Fig. 2 Hierarchical architecture of the supporting functions for smart city from smart grid 对于图2中各类典型SG技术和应用,采用专 家打分方式,在经济、社会、生态等方面进行了评 估,得到如表3所示的对SC建设的典型贡献度。 表3智能电网关键技术和应用的多维度贡献 Table 3 Multidimensional contributions of key technologies and applications of smart grid 领域 技术和应用 经济可持续 社会可持续 生态可持续 参照 电子政务参照 8 8 4 调度和信 息通信 电力信息综合应用 7 6 7 电力通信技术 6 4 3 发电 分布式能源 8 7 10 清洁能源和新能源 8 8 10 减排发电厂 3 3 8 储能系统应用 3 3 7 输电 经济环保紧凑输电 8 8 5 变电 经济环保紧凑变电 8 8 5 配电 微网 5 5 8 可靠配电网 8 8 4 电能质量监测和治 理定制电力 7 6 4 用电 电动汽车 4 5 10 需求响应 5 3 7.5 智能用电互动服 务、智能家居 5 9 6.5 能效管理平台 6 4 8 用电信息采集 6 6 4 智能电表 6 6 4 高志远,等 智能电网对智慧城市的支撑作用研究 - 151 - 同一项SG技术或应用在SC的不同发展阶段 其支撑作用是不同的。SC对于最符合当前阶段发展 特征的技术需求度最大。结合表2、表3数据,对 各项SG技术的支撑度计算为 ∑ 3 1i ijij wdR 3 其中j取值14,表示SC的发展阶段;i取值13; d i 表示该技术对于经济、社会和生态的贡献度如表 3; 321 ,, xxxw ij 是激励型变权处理函数 ∑ − − 3 1 10 10 321 ,, k kk ii ij xw xw xxxw α α 4 其中 0 i w、x i 含义同式1、式2;10 ≤α表 示特征指数,当1α则变成常权,当0α,则 最注重对个别因素激励评估,取 3 1 α,该函数 满足归一性、连续性和激励性特征要求。不同于式 2,w ij 是x i 的单调增函数,当ki≠时,w ij 是x k 的单调减函数。当x i 趋向于0时,其权重也趋于0, 即 123 0 ,, 0 lim i ij x wxxx → 。计算结果如表4。 表4智能电网关键技术在智慧城市不同阶段的支撑作用 Table 4 Supporting effects from key technologies of smart grid in different stages of smart city 领域 技术和应用 现代城市 阶段 技术导向 阶段 知识导向 阶段 协调智慧 发展阶段 调度和信 息通信 电力信息综合应用 6.708 6.673 6.672 6.676 电力通信技术 4.354 4.433 4.405 4.298 发电 分布式能源 8.416 8.282 8.297 8.378 清洁能源和新能源 8.708 8.609 8.625 8.702 减排发电厂 4.770 4.522 4.563 4.755 储能系统应用 4.416 4.218 4.250 4.404 输电 经济环保紧凑输电 6.938 7.087 7.062 6.947 变电 经济环保紧凑变电 6.938 7.087 7.062 6.947 配电 微网 6.062 5.913 5.938 6.053 可靠配电网 6.584 6.782 6.750 6.596 电能质量监测和治 理定制电力 5.646 5.760 5.734 5.622 用电 电动汽车 6.416 6.154 6.204 6.431 需求响应 5.300 5.108 5.125 5.229 智能用电互动服 务、智能家居 6.700 6.763 6.783 6.824 能效管理平台 6.124 5.956 5.968 6.053 用电信息采集 5.292 5.391 5.375 5.298 智能电表 5.292 5.391 5.375 5.298 在表4的基础上,采用取平均值的方式可以获 得SC的四个发展阶段中智能电网的总体支撑作用为 3 11 n i ij ji p dw R n      ∑∑ 5 其中R p 为所计算的总体支撑作用;d i 和w ij 同式3 中的定义。 选取分布式能源、清洁能源和新能源、减排发 电厂、储能系统应用、微网、电动汽车、需求响应 等SG核心应用,计算了SG核心技术支撑作用。 又考虑到各项SG技术的实施需要一定的基础条 件,所以根据SC发展阶段的不同加入了可行度如 式6。 n wdf R n j i iij pf                     ∑ ∑ 1 3 1 6 其中,f j 表示第j项技术在当前SC阶段中的可行度 因素,其取值10 ≤≤ j f。计算结果如表5所示。 表5 智能电网对智慧城市不同阶段的总体支撑作用 Table 5 Overall supporting effects from key technologies of smart grid in different stages of smart city 现代 城市 技术导向 阶段 知识导向 阶段 协调智慧 发展 能源技术 智能电网 6.157 6.125 6.129 6.148 智能电网 核心应用 6.298 6.115 6.143 6.279 能源技术 智能电网 加入可行度因素 2.334 4.331 5.041 5.611 在现代城市阶段,对ICT的需求是落后于对能 源技术的需求的,这可以理解为智慧城市发展前期 和初期,可靠和高质量供电的需求是整个社会发展 的基础;随着城市建设进入技术导向阶段,对于以 智能电网为特征的新型能源技术的要求逐步落后于 对于ICT的需求,这时通过ICT的智能化应用可以 迅速和显著地实现城市整体资源优化和智慧化的效 果;当ICT应用得到一定普及,城市建设进入知识 导向阶段时,对于ICT的需求又缓慢让步于智能电 网技术,最后当能源和环境生态问题成为全世界关 注的焦点时,智能电网技术的重要性逐步凸显,成 为智慧城市可持续发展的最重要基础。 4 实例分析 为验证以上框架体系和分析结论,对国内部分 - 152 - 电力系统保护与控制 开展SC建设的典型城市进行了考察调研。 表6是一座小型煤炭工业城市2009年以来的 重要统计数据。该市面积2 182 km 2 ,2013年底人 口192万。从2011年开始正式启动智慧城市建设, 目前正在加紧4G宽带网覆盖和基于云计算的数据 中心部署。从表中数据看,随着SC建设的开展, 信息和通信也得到长足的发展,而对于电力的需求 则基本保持平稳。 表6 智能电网对智慧城市不同阶段的总体支撑作用 Table 6 Overall supporting effects from key technologies of smart grid in different stages of smart city 2009 2010 2011 2012 2013 全年生产 总值/亿元 377.52 427.74 510.93 553.35 622.12 发电量/ 亿度 106.63 113.75 124.68 107.84 106.69 信息、计算 机和软件 投资/ 万元 300 1 000 500 9 500 水利、环境 和公共设 施投资/ 亿元 14.38 21.32 27.43 46.85 25.96 实际上,该市SG建设在SC正式开始建设之前 一年就已开始,目前其对于SC建设的支撑作用已 经基本能够满足需求,很少体现出制约作用。SC 建设中对于SG也没有什么特殊要求。预计随着该 市SC建设进入知识导向阶段,对于生态、社会、 经济要求的逐次深入,SG将逐渐体现出对于SC的 制约作用,进而SC对于SG的需求度大大提高。 表7是某大型海滨旅游城市2009年以来的重要 表7某大型智慧城市近年发展统计数据 Table 7 Development statistical data of a large smart city in recent years 2009 2010 2011 2012 2013 全年生产总值/ 亿元 4 890.33 5 666.19 6 615.60 7 302.11 8 006.60 发电量/亿度 181.93 173.69 174.7 全社会用电量/ 亿度 259.4 292.97 313.44 318 339.3 电力、热力、燃 气及水的生产 和供应业/亿元 29.4 70.5 64.9 52.1 71.2 信息传输、软件 和信息技术服 务业/亿元 1.7 4.4 8.4 22.8 23.3 水利、环境和公 共设施投资/ 亿元 234.0 227.5 187.2 232.5 273.7 统计数据。该市面积11 282 km 2 ,2013年底常住 总人口为896.4万人。该市智慧城市建设声势浩 大,举办过多次智慧城市研讨会,其经济、人居、 生态保持等方面的成就在国内比较领先。但调研 中也发现,除了基础供电服务,政府也从未对电 力部门提出过什么特殊要求,也没有任何SG技 术和应用被作为该市SC建设的重点工程。虽然 该市电力通信资源“非常丰富”,但社会化使用 基本为零,也基本没有参与到全市光纤到户工程 建设中。当前该市分布式能源和电动汽车充换电 站建设还处于前期摸索试点阶段,规模很小。表 7中的数据也清晰地体现出,该市SC建设以信 息、通信基础设施建设为重点,电力消费和生产 基本保持平稳发展。 5 结语 能源技术和信息、通信技术一样是智慧城市的 基本支撑技术,而智能电网和智慧城市建设这两大 体系存在着相互制约和促进的作用。经过长期的发 展,目前国内电力系统基本能够满足经济社会的发 展需求,SG对SC的制约作用不突出,而SC对SG 的需求一般仅限于有足够的电力供应和通过配电自 动化等提高供电可靠性方面。未来随着能源和环境 系统对SC发展的制约作用逐渐突出,SG中各类技 术和应用对SC发展的促进作用将逐步加强。合理 地利用这种相互作用,既可以实现整个社会角度的 整体最优,也可以最终实现两大体系的“双赢”。 在后续研究和建设实践中,亟需持续地深入分 析、选择和推进智慧城市建设中的智能电网应用, 在确保可靠优质供电服务的基础上,逐步把各类智 能电网应用深入融合到智慧城市建设中。 参考文献 [1] 丁吉林, 武琪. 中国智慧城市发展之路任重道远 访国家信息中心信息化研究部副主任、中国智慧城市 发展研究中心秘书长单志广[J]. 财经界, 2013, 7 12-15. 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The ordinary variable weight principle and multiobjective decision-making[J]. Systems Engineering- theory Practice, 2000, 203 1-11. 收稿日期2014-08-24; 修回日期2014-10-29 作者简介 高志远1972-,男,硕士,高级工程师,主要从事智 能电网、厂站自动化系统的应用研究; E-mail gaozhiyuan epri. sgcc.com.cn 姚建国1963-,男,教授级工程师,主要从事智能电 网、智能调度等方面的研究工作。 郭昆亚1967-,男,高级工程师,研究方向为电力系 统自动化。 编辑 葛艳娜 智能电网对智慧城市的支撑作用研究 作者 高志远, 姚建国, 郭昆亚, 曹阳, 宋宁希, 李强, 孙芊, GAO Zhiyuan, YAO Jianguo, GUO Kunya , CAO Yang, SONG Ningxi, LI Qiang, SUN Qian 作者单位 高志远,姚建国,曹阳,GAO Zhiyuan,YAO Jianguo,CAO Yang中国电力科学研究院,江苏 南京,210003, 郭昆 亚,GUO Kunya国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司,辽宁 沈阳,110811, 宋宁希,SONG Ningxi河南电力 调度通信中心,河南 郑州,450052, 李强,孙芊,LI Qiang,SUN Qian国网河南省电力公司电力科学研究院 ,河南 郑州,450052 刊名

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