维也纳 | 智能电网演进与智慧城市试点

奥地利首都维也纳正在建设一个新的区域，在这个区域内，一个世界一流的实验室正在实时监测建筑、电网和能源市场。该实验室采用了最新的配电网解决方案和节能技术。Aspern Urban Lakeside项目位置过去是一个机场，总面积为2.4平方公里（0.927平方英里），距离维也纳市中心约25分钟的地铁车程。这个项目等远景规划将包括10,500个住宅公寓、办公室、商场、培训机构和小型工业，最终创造20,000个就业机会。投资总额为55亿欧元（60.6亿美元），建设期将持续到2028年。

奥地利国家能源转型的基本目标是减少二氧化碳排放和人均能源消耗，以及确保无故障的能源供应。其特点是越来越分散的能源生产、消费和使用新的储能技术。该研究项目由Aspern Smart City Research GmbH＆Co. KG（简称ASCR）管理，该公司是配网运营商维也纳电力、燃气和区域供热运营商Wiener Netze GmbH之间，于2013年成立的合资企业。其他项目参与方包括：能源服务提供商Wien Energie GmbH，科技公司Siemens AG和维也纳市政府。

Aspern智能城市研究领域

主要的技术创新和挑战

建立这种合作伙伴关系是为了获取和验证未来能源环境所需的一些技术解决方案，特别是在拥有活跃消费者的、新的、实际应用场景的市区。涉及建筑自动化系统的创新方法，以及使居民能够合作和接受新系统的方式，利用建筑物和能源市场手段的能源灵活性。此外，正在探索一种最佳实践来捕获用于电网规划的详细数据和电网状态。所有这些解决方案都是基于全面的信息和通信技术（ICT），以及可行的大数据模型和恰当的分析系统。

智能建筑

本项目是欧洲正在实施的最具创新性和可持续性的节能展示项目之一。实际数据用于研究复杂的相关性以及所有被集成元素和组件。项目执行单位ASCR根据奥地利和国际经验，不仅探索Aspern Urban Lakeside项目的某个特别技术，而且探索整个系统集成的可行性。包括：建筑物、电网、通信和信息技术以及用户行为都在大规模能源研究计划中得到了体现。

与用户的智能互动

ASCR的智能建筑研究目标包括三种建筑类型：

1）住宅楼。包括：213套公寓，7个热泵（800千瓦），太阳能发电光热混合板（65千瓦）和发电（16千瓦），光伏发电（20千瓦），电加热筒（4千瓦热水） ，地热（60千瓦）和热水储热器，电池（2千瓦时）和公寓自动化。

2）学生宿舍。为300名学生提供光伏（220千瓦），一个电池储能（120千瓦时）和电加热（两个8千瓦的热水）。

3）校园。包括幼儿园和小学，配备两个热泵（510千瓦），光伏（29千瓦），太阳能发电（90千瓦）和热水器（两个35千瓦）。

使用复杂的ICT系统管理能源的产生、分配、消费、储存和传输。同时项目还建有两座配备传统技术的建筑，他们将被用作效果对比的基准。

ASCR的优势领域之一是建筑物自身的能源使用优化，因为当前的建筑优化系统无法有效实现预测。然而，随着智能建筑管理系统专注于能源需求的计算和估计，并适当考虑天气预报和其他数据，因此新的技术将改变传统应用。此外，他们还可以提供有关各个建筑单元状况的信息，从而支持预防性维护计划。

除了能源消耗优化外，该公司还主要关注建筑物之外，供能灵活性的潜力。因此，最重要的问题之一是建筑如何利用其能源消费的灵活性，在未来支持当地的中低压电网，或者作为电力市场的积极参与者参与到能源变革。

为了应对这些挑战，必须在少数建筑物内创建一定程度的能源聚合，并且在未来，甚至可以在数千栋建筑物中创建这种聚合。这种能源管理至少包含两个系统，一个是建筑物能源管理系统（BEMS），它位于建筑物本身，并定期计算建筑物的电力消耗和任何灵活性。另一个是能源池管理者（在我们的案例中是分散能源管理 - DERMS），作为个别建筑和电力市场之间的接口。

为了参与平衡能源市场，需要智能电力网络始终可以确定和预测网络状态。

智能电网发展路径

智能电网

ASCR智能电网由24个20/0.4kV配电变压器/变电站组成。它们使用了不同技术的变压器，包括非晶芯、植物油酯、铝和有载分接开关以及五个储能系统。大量的传感器 - 包括三个社区楼宇中的电网监控设备和智能电表，旨在向低压电网控制中心提供电力消耗和电网数据 - 构成了ASCR智能电网试验测试平台的基础设施。

绿色建筑

这里采用的方法是基于智能电网发展路径，不断优化，尽量减少铜的使用并集成智能辅助技术。它作为从无源配电网络向智能电网过渡的指导原则，支持双向互动的负载和通信。这可以被认为是智能电网的必由之路：

• 电网的状态，主要是指深入到用户侧低压应用，必须是透明的。低压网络构成电力网络的最大部分，并且在电网动态和电压波动方面是最活跃的区域。数据采集由智能仪表和自配置现场传感器记录，包括电能质量测量设备或电网监测设备。包含项目网络监控方面的所有需求。

• 智能电表已经过测试，但它们只提供粗略数据。其他测量和传感器会增加项目成本，但它们也可以更准确地描述网络状态。ASCR研究计划的核心目标是确定传感器所需的最低覆盖范围，以便为最佳运行和网络规划提供足够详细的网络状况图，同时充分考虑经济效率。

地源热泵是受监控设备的一部分

低压配电板上安装的监控设备

变压器连接

西门子SICAM监控设备

• 对于智能电网的规划和低压管理，大数据可用于制定不需要任何物理扩容的管理决策。它们代表了最坏情况下模糊的、规划的、有效的替代方案。如果没有主动电网干预，特定的网络数据可以使基础设施更接近其物理极限运行，在建立关键绩效指标（KPI）或需求超过阈值时提供早期预警。

• 积极的电网干预有助于提高电网基础设施的效率。但是，这要求所有组件尽可能具有容错能力。此外，它们在交付或运行期间不应产生任何重大的额外成本。这可以通过组件支持或模块化功能设计的系统解决方案来确保，例如零接触、即插即用、以及自适应配置。

智能用户

用户代表了ASCR研究活动中一个特别重要的部分，因为它最终取决于需要多少能源以及它能提供多大程度的灵活性。然而，该研究计划仅包括已获得书面批准的公寓居民（50％）允许他们的能源消耗和环境控制系统（电、热、冷热水、室温和室内空气质量）等数据用于研究目的。目的是了解由不同人口的建筑如何以最佳方式运作。这需要有关当前使用习惯和未来需求的信息。因此，社会科学家支持项目不断与用户进行合作。

作为家庭自动化的基础，智能测量和控制技术（智能MCT）安装在参与项目的家庭中，以控制住宅的空气质量和温度，以优化建筑能耗。居民可以使用智能MCT进行干预，并通过平板电脑或智能手机远程更改空气质量和温度水平。此外，他们还可以测试创新产品和服务，以控制他们的个人能源消耗（例如，分时电价政策），从而帮助研究团队提出创新思路。

用于发电和热水的屋顶太阳能电池板

总的来说，项目目标是通过激励措施和提高认识来促进可持续的低成本能源使用。今天的范例是：生产遵循消费，它意味着能源生成首先要适应消费。在未来，必须有使消费更多地适应波动的可再生能源发电的应用。

智能ICT

在充分考虑隐私保护准则的情况下，智能ICT使用从建筑物和电网获得的所有数据（温度，室内空气质量，电力消耗，电压等）以及外部数据（例如，天气或其他相关事件）分析电网和建筑物之间的相互作用和相互依赖性。关键因素是来自各个领域的数据的综合视图。

ASCR研究团队使用来自测试领域的真实数据，创建了一个现实的数字化模型（Digital Twins），以模拟任何能量概念以及优化措施。这里的目标是为城市能源平衡开发可扩展、且可行的解决方案。由于建筑物占用率和电网容量利用率不断变化，因此必须连续调整模拟运行的模型。通过自适应自学习算法改进模型，从而构建和实现网络控制机制。

大数据方法用于处理来自各个域的巨大数据量。根据应用领域，可以使用许多不同的数据模型。作为ASCR研究计划的一部分，对Hadoop软件框架风格的大型集中式和分散式数据模型进行了测试。一些数据分析方案如下：

https://hadoop.apache.org/

Apache Hadoop软件库是一个服务框架，允许使用简单的编程模型跨计算机集群，分布式处理大型数据集。它旨在从单个服务器扩展到数千台计算机，每台计算机都提供本地计算和存储。该库本身不依靠硬件来提供高可用性，而是设计用于检测和处理应用层的故障，从而在计算机集群之上提供高可用性服务，同时并不要求每个计算机都处于可用状态。

• 低压电网异常检测 - 在这种情况下，分析大量的细粒度电网测量（电压，功率等）以检测异常值和异常模式。目标是确定相关的区域和时间框架，以便进一步调查、模拟和规划。该描述性分析任务基本上从配网运营商检索，仅考虑来自众多个体的聚合数据。因此，只需要建筑运营商（作为法人实体）同意使用总能量测量数据即可。

• 建筑能源模式的识别 - 该方案侧重于建筑性能数据的分析，其中包括来自异构测量设备（电力，供暖，供水，通风等）的时间序列。此诊断分析任务的目的是分类和比较整个建筑物或建筑部件的能源配置文件。有价值的衍生信息可用于能源消耗计划或定价。此外，如果获得许可，则可以使用来自个人的数据，但通常仅使用整体建筑数据。因此，只有建筑运营商提供数据即可。

• 建立预测 - 确定建筑能源模式的潜在后续任务是建筑物或建筑部件未来行为的预测。此预测分析任务使用历史信息和派生模式来估计不久的将来的能源计划。如有必要，这可提供关键信息，用于开发更灵活的能源市场或电网稳定。从数据的角度来看，主要使用建筑数据和衍生数据。此外，考虑天气等外部因素来估算太阳能发电或消耗。

• 电网预测 - 改善低压电网状态和需求的预测是一项具有挑战性的预测任务，在平衡计划外的电力流量时，电网运营商具有巨大的财务潜力。电网预测基于电网的历史测量和诸如天气或群体性事件的外部数据。与第一种情况类似，分析的数据是从电网运营商处检索的，只需要建筑运营商的同意。

• 公用事业数据的可用性 - 该项目的目标之一是基于跨地区和跨行业的数据集成实现新的业务机会。这种集成为新的智能公用事业奠定了基础，可以通过城市中收集的数据产生新的收入。显然，所有公用事业和业务模型都必须尊重用户的隐私，这给数据治理和监控带来了一些挑战。

已有的观察

项目生成的第一个数据分析结果已经为“非对称负载”和“安装错误”的检测提供了一些启发性效果。ASCR还在住宅区观察到配电网的某些三相不平衡建筑负荷。主要是消费者的白色家电和电视机的影响，因为他们都连接到同一相，用来最大限度地降低内部布线安装的成本。

此外，通过分析所有可用数据，ASCR能够检测到不正确安装的电流传感器。这些分析提供了在未来安装中更快地检查这一点的机会，以避免重复。

ASCR刚刚开始分析所有可用的数据，但最初的结果还是强调了三个合作伙伴的重要性。他们是：Wien Energie，Wiener Netze和西门子，目前在维也纳以合资企业的形式参与合作。

Wiener Netze

Wiener Netze GmbH是Wiener Stadtwerke Holding AG（维也纳市政公用事业公司）的子公司，是奥地利最大的配电系统运营商，为120万客户提供电力，燃气和区域供热。为了保证高度的供应可靠性和供应质量，公用事业公司已着手实施高资本投资的基础设施计划。Wiener Netze的电力部门负责客户服务、网络战略和规划，其他则包括：天然气，区域主供热系统和电网的建设、运营和维护。此外，Wiener Netze负责仪表管理、数据和监管管理。

Wien Energie

维也纳的Energie GmbH是维纳Stadtwerke控股公司（维也纳市政公用事业）的一个子公司，负责确保对大约200万个客户，23万个企业和工业设施，以及4500个农场人口的电力，天然气和供热的可靠供应在大维也纳大都市区。该公用事业公司还负责废物回收，提供与能源有关的建议和服务，设施管理和电信。此外，Wien Energie积极参与欧洲的许多项目。

Wien Energie直接提供供暖、制冷和分散产品，例如市民投资模式。电力和天然气由子公司Wien Energie Vertrieb GmbH＆Co.KG出售。

2015年，Wien Energie的年营业额为18.208亿欧元（20.41亿美元），在营业额方面是奥地利30强企业之一。在2015年业务报告中，员工总数为2680人，使Wien Energie集团成为奥地利首都最大的雇主之一。

致谢

作者希望对西门子工作人员在编写本文时提供的技术支持和帮助表示感谢。