城市能源数字化的规划方法

---

原创 武廷海、李瑞龙 腾讯研究院

武廷海 清华大学建筑学院城市规划系主任、教授

李瑞龙 腾讯研究院智慧产业研究中心副主任

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，可划分为三个层次。

能源系统内部互联

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。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。

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。

能源系统内部互联

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。

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。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%。

能源系统内部互联的信号处理

能源系统联动多系统

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。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。

能源系统联动多系统

德国柏林欧瑞府能源科技园（EUREF）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。

能源系统联动多系统在 Equigy 区块链电网平台也有着较好的展现。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。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。

Equigy平台工作原理

区域能源多主体协同

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。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。

区域能源多主体协同

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。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。

TYNDP 2022的三种场景

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T YNDP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。