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清洁低碳、智慧高效、经济安全。
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WeCity低碳城市研究组
通过技术创新和新业态孵化，可以构建更灵活、更有弹性和更高效的能源网络。随着环保压力的不断加大，以及可再生能源成本持续降低等因素，越来越多的国家开始大力推动从传统化石能源到可再生能源的转向，重视使用数字技术来提升能源的使用效率，并取得了非常可观的成果。根据国家电网的数据，预计到2050年全球年度电力需求将比2017年增加57％。全球政府能源部门面临的挑战不仅是在脱碳时满足未来的需求，更是在此过程中如何利用新兴数字技术与新能源技术融合创新，优化能源结构，提升能源效率，创建清洁低碳、智慧高效、经济安全的能源体系。
在低碳城市的建设发展过程中，能源的高效化、创新化、价值化利用是其中极为重要的低碳化实现路径。那么，数字技术将如何重塑能源供给、传输、分配、利用、消费等环节，并进一步扩展企业和个人的能源利用创新模式？本文讨论了全球城市如何使用数字技术对电网、电厂、充电等场景进行赋能与改造，呈现数字化助力低碳城市建设在能源领域的典型应用。
基于人工智能的智能电网
随着人工智能技术与可再生能源的相互融合，能源行业将经历一次前所未有的深度变革。在未来，人工智能将成为智能电网的大脑，通过接入数以百万计的传感器数据，可对电力进行实时分配、分析和决策，使能源分配与使用效率实现更大化。
人工智能在新能源领域的应用取代了人工标准化、程式化工作和管理内容，通过精准识别与预警以规避意外风险。除此之外，其还能在有别于传统能源场景的自动维护、优化、监控等方面起到意想不到的效果。Raycatch （以色列初创公司） 利用人工智能技术进行太阳能发电厂的管理与运营。该公司推出了基于AI的诊断和优化解决方案，可获取并分析太阳能发电厂所有的生产数据，并对日常管理进行优化和指导。目前，Raycatch在全球范围内管理着约1GW的光伏项目，覆盖35000个逆变器和400万块控制面板。“DeepSolar 2.0”是Raycatch推出的一种基于AI的软件即服务 （SaaS） 解决方案，将全自动诊断软件程序用于光伏电站的成本优化维护和监控，为太阳能电站所有者提供全面的投资回报率信息和数据驱动的运营监测服务。此外，诊断系统还可以识别技术问题的根源，评估解决问题的成本并根据工厂需求提出更佳建议。
在数字技术的深度应用下，新能源的生产或将不再只是某几个大型企业的特权，人工智能也正在将清洁能源的生产权力与能力向个人进行释放。bluWave-ai （一家基于人工智能的可再生能源公司） 将人工智能、边缘计算和基于云的超级计算等创新技术引入分布式可再生能源领域，其电网能源优化平台可实时平衡不同能源 （包括可再生能源和不可再生能源） 的成本、可用性和碳足迹与能源需求。bluWave-ai借助先进的数字技术来优化发电和使用过程，推动集中式传统能源模式转变为分布式能源生产模式，同时，基于能源优化应用的数据资源与AI模型也成为一种可访问、可共享、可二次开发的平台化能力。
2021年，bluWave-ai和萨默赛德市合作开发了北美端到端AI优化电网，将能源网络转向更大限度地利用可再生能源，实现可再生能源的资产优化整合。2022年初，bluWave-ai正式启动加拿大智能电网AI卓越中心。这一中心由风电场、太阳能电池阵列、电池存储、电网连接、智能计量资产和基于云的人工智能优化平台等部分组成，为全球的国际客户提供技术支持。目前，AI卓越中心1.0版已全面运行，通过将萨默赛德市公用事业公司的分布式可再生能源和bluWave-ai基于云的边缘和中心平台相结合，推出各种智能电网软件产品，从实时采集原始数据到优化电网运行，在云端执行端到端的电网优化服务。其中bluWave-ai云平台由bluWave-ai Edge和bluWave-ai Center两个模块组成：bluWave-ai Edge主要包含服务协议等固定参数，以及可再生能源发电和电池充电状态等变量参数；bluWave-ai Center主要使用实时运营数据不断改进人工智能模型，以实现优化能源成本和其他运营目标。未来，加拿大和国际上第三方研究人员及实验室将能够访问和加载云平台的合成数据与人工智能模型。
bluWave-ai的运营模式为我们理解人工智能如何在低碳能源领域发挥作用提供思路。人工智能技术与算法模型的应用不仅改善和优化了本地化能源需求与交付体验，同时还可能实现能力延伸与扩展，成为为全球同类城市提供智慧能源算法模型的开放平台。
虚拟电厂：分布式能源供给的智能创新
全球能源紧缺、气候变化以及环境污染等问题日益严峻，这对电力系统的发展提出了新的挑战。新形势下，各国电力系统的发展重点正在逐渐转变，电力系统中的发电资源呈现出清洁型、分散型的发展趋势。这些分布式发电资源规模较小、布局分散，导致其难以真正参与电力系统的经济调度，乃至电力市场的竞争，难以通过市场发现其经济价值。为缓解负面效应，充分发挥新型能源资源的积极作用，虚拟电厂 （Virtual power plant，Vpp） 引起了人们的广泛关注。
简单地说，虚拟电厂(Vpp)并不是真实存在的电厂，它是用户与大电网互动的“桥梁”，是一种智能电网技术与虚拟能源系统。虚拟电厂模式无需对电网进行改造，而是通过物联网、大数据、区块链、人工智能等数字技术，将点多、面广、单体容量小的分布式资源聚合到“虚拟电厂”，实现电源侧的多能互补和负荷侧的灵活互动，给电网提供电能和辅助服务。
在南澳大利亚州政府的支持下，Tesla （美国电动汽车及能源公司特斯拉） 和Energy Locals （澳大利亚电力零售商） 合作开发了世界上更大的虚拟电厂项目——SA Vpp。该项目于2018年推出，分阶段设计，旨在探索虚拟电厂的可行性，为用户提供更实惠、可靠和安全的电力。项目由特斯拉负责设计和开发，并负责管理南澳大利亚家庭太阳能和Tesla powerwall家用电池系统的安装；Energy Locals则作为SA Vpp所有家庭的电力供应商和零售商参与进来。项目试验阶段包含1100个Housing SA物业配备太阳能和Tesla powerwall家用电池系统，已于2019年完成安装。目前SA Vpp项目纳入了3000个Housing SA物业，涉及家庭达到50000户，免费安装到家，并负责电力交易和控制。SA Vpp项目直接改变了南澳州的能源结构，降低了能源价格，提高了能源的稳定性，使每个网络中的家庭单元获得了实实在在的利益。
2019年4月，英国政府宣布为4个Vpp项目提供1.025亿英镑资金，项目包括“Energy Superhub Oxford” （牛津试点的能源超级枢纽项目） ，“ReFLEX Orkney” （奥克尼试点的向应试灵活性项目） ，“project Leo （Local Energy Oxfordshire） ” （牛津郡的Leo项目） 和“Smart Hub SLES （West Sussex） ” （西萨塞克斯的能源管理项目） 。其中“Energy Superhub Oxford”项目负责在牛津安装世界上个传输连接的锂离子和氧化还原液混合电池。该项目将包含一个由320个地源热泵组成的网络，以社会住房为对象，依靠社区参与运作，借助云计算和人工智能驱动的软件算法进行能源需求/供应和电池寿命的预测与管理。“ReFLEX Orkney”项目旨在创建一个“智能能源岛”，展示未来的能源系统，减少并最终消除对化石燃料的需求。该项目首创了一个虚拟能源系统 (VES) ，以数字化方式将分布式和间歇性可再生能源发电与现实需求联系起来，将当地电力、运输和热力网络连接成一个可控的总体系统，通过软件平台可实现智能监控，在发电高峰期充电，在需求高峰期放电。“project Leo （Local Energy Oxfordshire） ”项目旨在探索如何将最新的能源创新结合起来，为用户提供更便宜、更清洁的能源。该项目以社区为中心，采用配电系统运营商 (DSO) 的方式在牛津郡实施新能源项目，即创建一个本地能源市场，实现电力负载的虚拟聚合、灵活调度和本地点对点交易。项目拥有约90个低碳能源项目组合，与DSO的数据接口将实现更好的主动网络管理和本地风险预测。“Smart Hub SLES （West Sussex） ”项目旨在整合社会住房、交通、基础设施以及私人住宅和商业物业的能源管理，彻底改变能源的生产、存储、共享和消耗方式。该项目汇集了最新的技术系统和融资模式，使用智能控制的机器学习算法分析数据，提供可复制、可扩展的分布式能源管理系统。
虚拟电厂不仅在能源的传输与应用上深度融合了数字技术的价值，同时在运行逻辑和架构思路上采用了云计算“虚拟主机”的概念，实现全网用户共享共用、按需付费的能源交互利用模式。此外，虚拟电厂还在能源的交付体验上充分考虑到了单个用户的价值，在个人付费方面降低能源价格，并充分掌控和管理个人能源消耗的数据，以体现个体在实现低碳城市进程中的参与感与主体性。
p2p能源交易：基于区块链，生态平台的能源低碳化应用
伴随着电力系统分散化、去中心化的趋势，分布式能源资源逐年增长，这为消费者p2p交换剩余能量提供了可能性。power Ledger （澳大利亚能源技术公司） 试图通过区块链技术解决能源问题，致力于利用屋顶太阳能，使家庭能够自行设定电价，并通过提供低成本电网，实现区域能源自主。2016年，power Ledger在澳大利亚西部巴瑟尔顿的村庄中进行初步试用之后，又于同一年在新西兰奥克兰的500个站点完成实验。
2019年，power Ledger与KEpCO （日本关西电力公司） 在大阪开始了一系列基于区域链系统的联合试验，并尝试启动post-FIT （后FIT时代，FIT即新能源补贴政策） 新时代，作用于新能源补贴后的剩余电力。项目实验从小规模开始，让虚拟电厂中发电的消费者能够通过基于区块链的对等平台为其社区提供更便宜的能源，并通过其可再生能源的投资获利。智能电表收集相关数据并上传至power Ledger交易平台，而平台可根据数据分析参与者之间的能源交易。该实验证明无论光伏发电和客户需求的波动如何，p2p剩余电力交易都可以自动完成并进行加密货币结算,它不仅可以部署在独立式住宅中，还可以部署在大小型公寓中。
power Ledger平台是一个生态系统，具有高度的包容性、扩展性和灵活性。其提供了透明的管理框架，让多样化的市场管理和定价机制与代币体系之间实现互操作性，允许各种应用接入和政府监管介入，允许全球能源市场与power Ledger生态无缝连接，让更多消费者获益。power Ledger重新定义了托管方（ 如电力公司、零售商、财产管理人等） 和消费者之间的关系。power Ledger生态系统可以支持多种能源交易应用，通过区块链的点对点交易体系，可以实现低成本低结算费用，购电用户可以降低费用，剩余能源拥有人可以售出多余能源获得经济回报。
powerpeers （荷兰阿姆斯特丹的初创公司） 也是一家构建数字化、互动式的能源区块链平台的企业。powerpeers通过连接荷兰数家太阳能、风力与水力发电企业，让社区的住户自由选择电力供给渠道，组成自己的能源社区。同时，其可以让社区的住户分享或交易他们多余的太阳能电力。也就是说，powerpeers的区块链平台并不只是让住户直接进行电力的交易，还能够强化使用者之间的交流。透过powerpeers，消费者可以轻松地邀请他人来使用自己生产的电力，既可以自由地选择要购买哪些人的电力，也可以成为一个生产者。
因此，区块链技术的应用不仅在改变能源的生产、传输、供应与消费模式，也在让不同的主体逐步拥有新能源时代的“能源自主权”，包括使用什么能源、购买谁的能源以及将自己多余的能源分享给谁使用。除此之外，区块链能源平台的构建还将实现多种不同能源的平衡，实现能源供需的双向自由流动。
智能充电：数字赋能的三种模式
数字化、智能化与新能源的融合应用，使电动汽车快速发展，不仅特斯拉、蔚来等明星企业逐步崛起，以丰田、宝马、大众等为代表的传统厂商也逐步推出自有品牌的电动汽车。很显然，城市交通的能源结构与驾乘体验正在面临重大变革。而智能充电不仅是电动汽车发展的重要基础设施，同时也是电动汽车转型的重要推动力，可以很好地平衡客户需求和电网限制。如果将智能充电视为一种新能源时代的基础性服务，那么，基于智能云平台、区块链生态系统以及数字孪生技术的智能充电模式，则可视为数字赋能电动汽车充电的三种基本形态。
基于智能云平台实现电动汽车智能充电运营。 2021年，ObE power （智能分布式电动汽车充电器专用网络运营商） 和Driivz （以色列软件开发商） 启动合作。ObE power拥有一个为站点主机、电动汽车司机和利益相关者提供运营和管理服务的电动汽车(EV)集成生态系统；Driivz平台则涵盖了电动汽车充电运营、能源管理、计费功能和驾驶员自助服务工具，二者联合打造了端到端电动汽车充电和智能能源管理平台。该平台支持跨平台集成、车队运营和车辆-到电网 (V2G) 连接，为客户和充电点运营商(CpO)提供“电动汽车充电即服务” (EV CaaS) 商业模式。通过对充电器状态的实时监控和远程自我修复 （主动解决高达80%的充电器问题） 实现对EV充电网络的高效运营。为了进一步降低总成本，该平台还提供智能能源管理，根据需求优化电力成本。
基于区块链生态系统的充电桩共享经济模式。 共享充电桩模式能够解决多家充电公司支付协议复杂、支付方式不统一、充电桩相对稀缺、充电费用计量不精准等问题。Innogy （德国能源巨头） 和Slock.it （物联网平台企业） 合作推出了基于区块链的电动汽车点对点充电项目，该区块链组成节点包括多个运营商运营的充电桩、交易平台、运营商节点和充电车辆。用户无需与电力公司签订任何供电合同，只需在智能手机上安装Share&Charge App，完成用户验证，即可在Innogy广布欧洲的充电桩上进行充电，电价由后台程序自动根据当时、当地的电网负荷情况实时确定。需要充电时，用户可以从App中找到附近可用的充电站，按照智能合约中的价格付款给充电站主人。由于采用了区块链技术，整个充电过程和定价过程完全可追溯和可查询，极大地降低了用户的信任成本。
数字孪生技术优化电动汽车充电管理。 Itron （公共事业和城市解决方案提供商埃创） 依托数字孪生技术，为电动汽车充电运营商和能源供应商提供电动汽车 (EV) 充电优化器解决方案。其构建的数字孪生平台通过仿真模拟、虚拟装配、重复试验、需求分析等数字化手段，检验电动汽车充电管理和电网管理系统的可靠性和弹性。这使管理者能够优化设置、部署、监控和管理端到端电动汽车充电项目，有效降低项目利益相关者的成本，使充电资产能够与电网协调工作，达到简化电动汽车充电和电网基础设施的规划、建设和运营的目的。Itron声称，该解决方案可以通过管理充电为最终客户节省超过三分之一 （35%） 的能源成本，考虑到电网基础设施投资和管理的持续性，方案每年可以为公用事业节省至少五分之一的能源成本。
随着智能云平台、区块链、数字孪生技术加入到智能充电的生态，平台化、服务化、定制化的智能充电模式基本形成，其不仅提升充电企业精细化管理能力，增加能源供应的弹性，也为电动汽车车主在充电付费、能源消耗控制等方面提供了更为便捷的体验方式。
小结
本文总结了全球城市低碳能源发展的典型路径和手段。借助传感器和人工智能加持电网系统，将使能源分配与使用效率实现更大化；依托数字手段发展分布式能源系统，将电力、热力、制冷与蓄能技术相结合，是未来清洁能源技术发展的重要方向，而虚拟电厂是目前分布式能源供给最实用的智慧创新。基于区块链技术的p2p能源交易让剩余能量交换流通起来，能源将不再是“从供到需”的单向流动关系。智能充电技术作为能源与交通在需求侧的完美契合，让电动汽车成为可再生能源系统的能源存储器。
未来能源的绿色低碳转型发展，要求加快能源技术变革。伴随新能源技术与前沿信息通信技术、新兴数字技术的深度融合，能够优化能源结构，提升能源效率，创建更加清洁低碳、智慧高效、经济安全的能源体系。
参考资源来源：
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https://www.icax.co.uk/SmartHubs_SLES.html
https://www.energy-storage.news/tesla-powerpacks-add-japanese-trains-to-osaka-virtual-power-plant/
https://www.smartcitiesworld.net/special-reports/future-energy-systems-decentralisation-and-virtual-power-plants
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1598724232223518365&wfr=spider&for=pc
https://blog.csdn.net/lanhubiji/article/details/103512476
https://www.smartcitiesworld.net/news/japan-progresses-plans-to-upgrade-electric-vehicle-charging-infrastructure-5542
https://www.smartcitiesworld.net/news/company-plans-to-expand-smart-charging-network-across-us-and-latam-7240
https://www.itron.com/na
https://www.smartcitiesworld.net/smart-grids/digital-twin-platform-aims-to-optimise-ev-charging-management-7378
https://www.smartcitiesworld.net/news/osaka-rolls-out-demonstrator-smart-lighting-project-5624
https://www.smartcitiesworld.net/lighting/lighting/brussels-deploys-intelligent-streetlighting-solution-7258
https://www.smartcitiesworld.net/news/news/city-of-vaughan-to-deploy-smart-streetlighting-system-6672
https://www.smartcitiesworld.net/news/news/us-town-of-scarborough-switches-to-cloud-based-smart-lighting-controller-6357
https://www.smartcitiesworld.net/lighting/lighting/companies-collaborate-on-end-to-end-smart-lighting-solution-7364
本文来自微信公众号 “腾讯研究院”（ID：cyberlawrc），作者：WeCity低碳城市，36氪经授权发布。
