國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無(wú)錫供電分公司 徐 宇 韓哲立 許 歡 許吉強(qiáng)

1 引言

智慧城市是指通過信息技術(shù)和智能化設(shè)備將城市各種數(shù)據(jù)資源整合起來，以提高城市的運(yùn)行效率和管理水平，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展。而電力供應(yīng)作為智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，對(duì)智慧城市的建設(shè)至關(guān)重要。需要在推廣和應(yīng)用方面不斷優(yōu)化。

2 直流配電網(wǎng)的技術(shù)原理、組成和分類

2.1 技術(shù)原理

DC 配電網(wǎng)主要由三個(gè)部分組成：直流源、直流配電線路和直流負(fù)載。直流源通常是一些電池或者是通過變流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。直流配電線路主要由高壓DC（HVDC）和低壓DC（LVDC）兩個(gè)部分組成。HVDC 通常用于長(zhǎng)距離輸電和跨國(guó)電力交換，而LVDC 則更適用于城市和建筑物內(nèi)的短距離輸電和分配。直流負(fù)載可以是任何需要電能的設(shè)備或電子設(shè)備。

2.2 組成

直流配電網(wǎng)是一種基于直流電的電力系統(tǒng)，其組成主要包括直流發(fā)電機(jī)、直流母線、直流變換器、直流負(fù)載等主要部分。直流發(fā)電機(jī)是直流配電網(wǎng)的能量源，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能。直流母線是直流配電網(wǎng)的能量傳輸通道，連接著各個(gè)直流電源和直流負(fù)載，將直流電能傳輸?shù)叫枰牡胤健Ｖ绷髯儞Q器是直流配電網(wǎng)的核心部件，將直流電源提供的電能轉(zhuǎn)換成電壓和電流適合直流負(fù)載使用的形式。直流負(fù)載是直流配電網(wǎng)中的能量消耗者，包括各種設(shè)備和終端用戶，如電動(dòng)車充電站、智能家居等。此外，為了確保直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還需要包括一些輔助設(shè)備，如電池、儲(chǔ)能裝置以及逆變器等。這些設(shè)備可以協(xié)助直流配電網(wǎng)對(duì)電力負(fù)荷變化作出快速響應(yīng)，同時(shí)也可以為城市提供備用電源，保證電力供應(yīng)的可靠性。

2.3 分類

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)特點(diǎn)，DC 配電網(wǎng)分類如下。

一是HVDC 配電網(wǎng)：HVDC 配電網(wǎng)是一種大規(guī)模的直流輸電系統(tǒng)，主要用于長(zhǎng)距離輸電和跨國(guó)電力交換。二是LVDC 配電網(wǎng)：LVDC 配電網(wǎng)是一種適用于城市和建筑物內(nèi)的短距離輸電和分配系統(tǒng)。LVDC 的電壓通常在低于1000V 范圍內(nèi)，能夠有效地減少能量傳輸中的能量損失。三是直流微電網(wǎng)：直流微電網(wǎng)是一種小規(guī)模的DC 配電網(wǎng)，通常用于區(qū)域內(nèi)的能量管理和分配。通常由多個(gè)小型直流源和直流負(fù)載組成，能夠?qū)崿F(xiàn)本地能源的利用和分配。四是直流家庭電力系統(tǒng)：直流家庭電力系統(tǒng)是一種為家庭和辦公室提供電力的DC 配電網(wǎng)。通過將太陽(yáng)能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)等可再生能源裝備在建筑物上，可以有效地利用本地能源來滿足家庭和辦公室的用電需求[1]。

3 直流配電網(wǎng)在智慧城市中的應(yīng)用

直流配電網(wǎng)與可再生能源系統(tǒng)的集成如圖1所示。

圖1 直流配電網(wǎng)與可再生能源系統(tǒng)的集成

3.1 與可再生能源系統(tǒng)的集成

直流配電網(wǎng)與智能電網(wǎng)的集成如圖2所示，直流配電網(wǎng)與可再生能源系統(tǒng)集成，可以實(shí)現(xiàn)電力能量的高效轉(zhuǎn)換和利用。例如，通過智能化技術(shù)，將太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源直接連接至直流配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市能源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。

圖2 直流配電網(wǎng)與智能電網(wǎng)的集成

3.2 與智能電網(wǎng)的集成

直流配電網(wǎng)可以與智能電網(wǎng)結(jié)合，通過智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市能源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，優(yōu)化能源分配和管理，提高城市能源利用效率和減少能源浪費(fèi)。

3.3 與智慧建筑的集成

直流配電網(wǎng)可以與智慧建筑相結(jié)合，采用節(jié)能、環(huán)保、綠色的建筑設(shè)計(jì)和材料，實(shí)現(xiàn)建筑物的能耗降低，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

3.4 與智慧交通的集成

直流配電網(wǎng)可以與智慧交通系統(tǒng)集成，通過智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市交通信號(hào)的控制和優(yōu)化，提高城市交通的效率和安全性[2]。

4 直流配電網(wǎng)在智慧城市中的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

4.1 優(yōu)勢(shì)

4.1.1 能源效率高

直流配電網(wǎng)相較于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)，在能源效率方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)橹绷麟娏髟谳斔瓦^程中的能量損失相對(duì)較小。直流電流的能量損失主要包括導(dǎo)線電阻損耗和電源電壓穩(wěn)定器的損耗，而交流電流的能量損失則還包括由于頻率變化引起的損耗和變壓器的損耗。因此，采用直流配電網(wǎng)可以有效地降低電能傳輸過程中的能量損失，提高能源利用效率，降低能源成本。

4.1.2 可靠性強(qiáng)

直流配電網(wǎng)中使用的是直流電源，與交流電源相比，直流電源具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。直流電源中沒有像交流電源那樣頻繁的電壓和電流變化，因此可以降低電力系統(tǒng)的損耗和故障率，提高供電可靠性；直流配電網(wǎng)中可以采用多級(jí)電壓變換器來提高系統(tǒng)的可靠性。在多級(jí)電壓變換器的配置下，直流配電網(wǎng)中的不同電壓級(jí)別可以分別獨(dú)立控制，因此當(dāng)某一個(gè)電壓級(jí)別出現(xiàn)故障時(shí)，其他電壓級(jí)別可以繼續(xù)運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)供電；直流配電網(wǎng)還可以采用智能化的電力系統(tǒng)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)，從而可以快速定位故障點(diǎn)，迅速排除故障，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.1.3 可控性強(qiáng)

相比傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)可以更精確地控制電流和電壓的分配和傳輸。這使得在智慧城市中使用直流配電網(wǎng)可以更好地滿足對(duì)電力質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求，同時(shí)提高能源利用效率。直流配電網(wǎng)還可以與可再生能源技術(shù)（如太陽(yáng)能和風(fēng)能）更好地集成。這些可再生能源技術(shù)產(chǎn)生的電能通常是直流電，而傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)需要將其轉(zhuǎn)換為交流電才能分配和傳輸。而直流配電網(wǎng)可以直接將可再生能源產(chǎn)生的直流電接入電網(wǎng)中，從而減少能量轉(zhuǎn)換的損失，提高能源利用效率。

4.2 挑戰(zhàn)

4.2.1 成本較高

與傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)需要更多的設(shè)備和技術(shù)支持，包括直流光伏逆變器、直流-直流變換器以及直流儲(chǔ)能設(shè)備等，這些設(shè)備和技術(shù)相對(duì)較新，因此價(jià)格也相對(duì)較高。此外，直流配電網(wǎng)需要更高的技術(shù)和管理成本。由于直流配電網(wǎng)技術(shù)的相對(duì)新穎，需要更高水平的技術(shù)支持和管理，這可能需要額外的人力和資源成本。然而，隨著直流技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，直流配電網(wǎng)的成本也將逐步降低。特別是隨著可再生能源技術(shù)和電動(dòng)交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，直流配電網(wǎng)將成為未來能源系統(tǒng)的重要組成部分，更多的投資和研發(fā)將進(jìn)一步推動(dòng)直流配電網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用。

4.2.2 集成難度大

這是因?yàn)橹绷髋潆娋W(wǎng)需要與其他城市基礎(chǔ)設(shè)施和智能系統(tǒng)進(jìn)行集成，如建筑物、電動(dòng)車充電設(shè)施、智能家居、智能交通系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)可能使用不同的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)和集成，以確保能夠無(wú)縫地協(xié)同工作。此外，直流配電網(wǎng)還需要與傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)進(jìn)行互操作，以確保穩(wěn)定的供電和安全運(yùn)行。因此，集成難度大是直流配電網(wǎng)在智慧城市中面臨的挑戰(zhàn)之一。

4.2.3 安全隱患

直流配電網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)而言，具有較高的電壓和電流等級(jí)，如果安全措施不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、電擊等安全事故。此外，直流配電網(wǎng)采用了新的電力電子器件和控制系統(tǒng)，這些設(shè)備和系統(tǒng)可能存在缺陷和漏洞，可能會(huì)被黑客攻擊，造成數(shù)據(jù)泄漏、網(wǎng)絡(luò)癱瘓等安全問題。在智慧城市中，直流配電網(wǎng)還需要與其他智能系統(tǒng)進(jìn)行集成，這也可能增加系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.4 無(wú)法滿足不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)城市需求

直流配電網(wǎng)在智慧城市中應(yīng)用的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何滿足不同規(guī)模和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的城市需求。智慧城市涉及的電力負(fù)荷類型和容量范圍廣泛，從個(gè)人家庭的微型電網(wǎng)到商業(yè)和工業(yè)用途的大型直流配電網(wǎng)絡(luò)。此外，城市中不同區(qū)域之間的距離和電力需求也存在巨大差異。這些因素共同決定了直流配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以確保其能夠滿足不同的城市需求。因此，設(shè)計(jì)和實(shí)施直流配電網(wǎng)需要考慮城市的地理布局、建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的特征，以及未來的擴(kuò)展和升級(jí)需求。

5 直流配電網(wǎng)在智慧城市中的未來發(fā)展

5.1 直流配電網(wǎng)在智慧城市中的創(chuàng)新應(yīng)用

直流配電網(wǎng)在智慧城市中的創(chuàng)新技術(shù)和研究方向有很多，如智能建筑，利用直流配電網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)的能源管理和控制。通過智能建筑管理系統(tǒng)，可以對(duì)建筑內(nèi)的電力、照明、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行智能化控制，提高建筑的能效和舒適性；電動(dòng)交通，直流配電網(wǎng)可以為城市的電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。通過建設(shè)直流快充站和智能充電網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的高效充電和管理，推動(dòng)城市的智慧交通發(fā)展；分布式能源，利用直流配電網(wǎng)可以將分布式能源系統(tǒng)（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）接入城市電力網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源的高效利用和管理。

5.2 直流配電網(wǎng)在智慧城市中的政策和市場(chǎng)推廣

5.2.1 政策支持

主管部門可以制定并出臺(tái)相關(guān)的政策文件，以推動(dòng)直流配電網(wǎng)在智慧城市中的應(yīng)用和發(fā)展。這些政策可以包括資金扶持政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、產(chǎn)業(yè)政策等，以鼓勵(lì)企業(yè)和機(jī)構(gòu)加強(qiáng)直流配電網(wǎng)技術(shù)研究和應(yīng)用，提高智慧城市建設(shè)的能源效率和可持續(xù)性；提供相關(guān)的資金支持，鼓勵(lì)企業(yè)和機(jī)構(gòu)開展直流配電網(wǎng)的研究和應(yīng)用；有關(guān)部門可以參與制定直流配電網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，出臺(tái)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，促進(jìn)直流配電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和壯大。例如，通過稅收優(yōu)惠、土地配套、專項(xiàng)資金等方式，鼓勵(lì)企業(yè)投資直流配電網(wǎng)的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；有關(guān)部門可以通過各種形式的宣傳和推廣活動(dòng)，提高直流配電網(wǎng)技術(shù)在社會(huì)中的知名度和認(rèn)可度，為智慧城市的建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展?fàn)I造良好的氛圍和環(huán)境。

5.2.2 市場(chǎng)推廣

與智慧城市產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)合，智慧城市產(chǎn)業(yè)鏈包括能源、交通、建筑等多個(gè)領(lǐng)域，直流配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)該與這些領(lǐng)域的相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展；建立示范項(xiàng)目，有關(guān)部門可以在智慧城市建設(shè)中設(shè)置示范項(xiàng)目，展示直流配電網(wǎng)技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用和效果。這樣可以提高公眾的認(rèn)可度和信任度，帶動(dòng)市場(chǎng)需求的增加；拓展應(yīng)用領(lǐng)域，除了在智慧城市建設(shè)中應(yīng)用，直流配電網(wǎng)技術(shù)也可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如工業(yè)制造、物流運(yùn)輸?shù)?。通過擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，可以增加技術(shù)的市場(chǎng)需求，提高技術(shù)的市場(chǎng)份額；推廣智能化應(yīng)用，加強(qiáng)品牌建設(shè)。

6 結(jié)語(yǔ)

直流配電網(wǎng)在智慧城市中的應(yīng)用前景非常廣闊，但在對(duì)研究現(xiàn)狀和創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)推廣和應(yīng)用過程中還存在一些挑戰(zhàn)和問題。為了充分發(fā)揮直流配電網(wǎng)在智慧城市中的優(yōu)勢(shì)，需要在技術(shù)、政策和市場(chǎng)等方面繼續(xù)加強(qiáng)研究和推廣，在政策支持和市場(chǎng)推廣方面，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)直流配電網(wǎng)的政策支持和監(jiān)管，同時(shí)加大市場(chǎng)推廣力度，擴(kuò)大直流配電網(wǎng)在智慧城市中的應(yīng)用。以實(shí)現(xiàn)智慧城市的可持續(xù)發(fā)展。