城市能源数字化转型白皮书

城市能源数字化转型白皮书 腾讯研究院 清华大学能源互联网创新研究院 2023年6月 报告研究团队 咨询专家 行业专家：孙宏斌、刘建明、宋晔皓 腾讯顾问：汤道生、李强、司晓、石梅、刘立萍、徐樱丹、刘琼、王磊、宋芳 撰写团队 腾讯研究院：李瑞龙、王鹏、吴朋阳、李孜、张翼、刘莫闲、徐一平清华大学能源互联网创新研究院：高峰、郭庆来、曹灿、王雁河 清华大学建筑学院：武廷海、夏成艳 支持团队 腾讯云能源和资源行业：郑毅、孙福杰、张越、刘公博、熊星、吾米提·吐尔逊、王德喜叶东林、王鹏、熊鹏、郎正熠、许庆、张瑞军、梁星 腾讯云与智慧产业市场部：郑鑫、梁坤 序言一 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 序言二 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 CONTENTS 目录 PART01 引言01 PART02 城市能源数字化的形态特征 2.1城市能源系统的基本形态05 (一)能源系统内部互联06 (二)能源系统联动多系统08 (三)区域能源多主体协同10 2.2城市能源数字化的核心架构12 (一)多能协同能源网络13 (二)信息物理能源系统14 (三)创新模式能源运营16 (四)公平高效能源机制17 PART03 城市能源数字化的关键技术 3.1数字能源装备技术21 (一)柔性直流配电网技术21 (二)电力电子装备技术22 (三)功率半导体技术24 (四)设备虚拟化技术25 3.2数字基础共性技术29 (一)泛在低耗精确传感技术29 (二)高速无阻多元通信技术30 (三)全域多维数字孪生技术31 (四)高效弹性数字平台技术33 (五)自主学习人工智能技术36 (六)分布自治边缘计算技术37 (七)可信区块隐私计算技术38 3.3数字集成应用技术41 (一)多能流能量管理41 (二)智能发电服务42 (三)综合能源服务平台46 (四)能源服务机器人48 (五)电碳服务平台50 PART04 趋势一：能源终端即插即用 56 城市能源数字化的发展趋势 趋势二：能源设备模块组合 57 趋势三：能源网络软件定义 58 趋势四：能源系统信物融合 60 趋势五：能源管理多级联动 61 趋势六：能源交易多方互动 63 趋势七：能源数据多域赋能 64 趋势八：能源服务共创共享 65 趋势九：能源生态共建共赢 66 PART05结语 68 PART06 附录： 城市能源数字化的典型案例 案例一：珠海市城市-园区双级能源互联网示范70 案例二：广州市四网融合能源互联网示范71 案例三：苏州市主动配电网综合示范72 案例四：北京市建筑智慧能源综合体74 案例五：雄安高铁站片区智慧绿色综合能源服75 务示范项目 案例六：泰州市智慧能源生态平台78 案例七：广州市能源管理与辅助决策平台79 案例八：常州市能源碳计量平台80 案例九：北京城市副中心数字化低碳城市电网建设82 案例十：雄安新区近零碳智慧楼宇83 案例十一：青岛能源集团有限公司“双化协同”的智慧84 供热管控平台 案例十二：德国“细胞”形态城市能源互联网示范85 案例十三：美国“蜂窝”形态城市能源互联网示范86 案例十四：日本柏叶智慧新城88 案例十五：英国伦敦特大城市零碳规划90 -引言- 03 -引言- 01 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” 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。 -引言- 03 -城市能源数字化的形态特征- 04 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。 2.1 城市能源系统的基本形态 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）。 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 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