支撑城市能源数字化转型的关键技术可以分为三类：
(一) 柔性直流配电网技术
城市配电网是连接能源生产和消费的基础平台，是保障城市发展和满足人民美好生活的重要 保障。传统的城市配电网一般是开环结构、辐射型交流网络。然而，随着数字经济的发展，城市数 字新基建的建设，海量新型负荷不断涌现，数据中心、5G基站、电动汽车等均为实质性的直流负 荷，城市配电网需要适应这样的用电类型的改变。此外，在“双碳”目标的带动下，以屋顶光伏、光 伏一体化建筑等为代表的分布式电源将迅猛发展，城市配电网将由传统的给终端用户单向供电的 方式，逐步向着供需互动的方向发展。在新型能源体系中，城市配电网不仅仅承担着电力配置的作 用，还承担着和热能、氢能、天然气等联动交互的平台作用。新形势下，城市能源的供给和消费的 不确定性显著增加，传统依赖平衡、同步传输的交流配电网面临巨大挑战，柔性直流配电网技术 将是解决之道。
城市柔性直流配电网由直流配电线路、直流断路器、电力路由器等组成。直流配电网 的控制、能量变换、故障保护等环节核心设备均采用计算机和电力电子技术，可控环节和可控点 多，控制速度快，控制功能丰富。其可以实现电力网络灵活重构、电能按需流动，在重大安全/危机 （疫情）发生时，可以比传统配电网更好的保障供电安全，减少经济损失。直流配电网技术可以减 少配用电过程中转化的中间环节，提高配用电的效率、可靠性和灵活性，其线路损耗小，可以改善用户侧电能质量，提高供电容量，隔离故障区域，以及可以灵活便捷接入分布式新能源、电动汽车 和储能系统并解决其接入以后的系统稳定问题，进一步保障能源安全和支撑能源转型。更为重要 的是，其具有更高的能量密度，可以有效节约城市土地和空间资源。
直流配电网技术发展的关键方向，除下述电力电子装备技术外，包括高可靠柔性直流互联供 电系统方案设计、直流系统的主回路拓扑结构设计、低损耗的直流负荷、新能源及储能接入方案 设计，直流系统建模与仿真技术研究，智能化直流系统特性及功率互济和协调控制保护方法与策 略设计，过电压及雷电特性、防护措施等。
( 二 ) 功率半导体技术
柔性直流配电网及电力电子装备中，需要利用高压大容量的功率半导体器件实现能量的变换。 目前主流的功率半导体器件主要包括可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO），IGCT，栅 极注入增强晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT），IGBT 等。晶体管类器件 IGBT 和 IEGT 通过门极电压控制开通关断，所需的驱动功率小，驱动电路设计也较为简单，允许工作的 开关频率较高。
目前主流的 IGBT 器件是采用模块封装方式。但是 ABB 等公司也开发 Press Pack （压接式） IGBT， 尤其最近几年压接式封装安全可靠性优势使其在高压直流输电系统中越来越受欢迎。晶闸 管器件通常能够实现更大的电流等级，因此早期的高压大功率器件主要是晶闸管类器件，如 GTO 和 IGCT。
相比于交流电网应用，在直流电网中，中高压大容量 AC-DC 换流器、直流变压器以及直流断路 器等关键设备均具有很多新的特点， 这些特点很大程度上规避了 IGCT 运行频率较低（<1kHz）的 劣势，为 IGCT 在直流电网中的应用带来了契机。清华大学与株洲中车时代电气股份有限公司合作， 在 2019 年成功研制了直流电网用新一代 IGCT-Plus 器件。
( 三) 设备虚拟化技术
分布式 调控技术
面对城市生活中大规模、多种类的分布式光伏设备、电池设备、可调负荷、储 能装备等资源，通过分布式调控技术解决分布式能源资源接入导致的波动性、随 机性、不确定性等问题，提高用户的供能质量。分布式调控技术的特点在于城市区 域内的分布式资源可以互相通信，交换设备状态、设备性能、设备告警等信息，并 根据得到的信息进行更新迭代、安全模型运算，达到系统内部的功率动态平衡的 过程。分布式调控技术也是后续综合能源系统技术、虚拟电厂技术的基础技术支撑。
虚拟电厂
虚拟电厂是将分布式发电机组 (distributed generation，DG)、可控负荷 (dispatchable load，DL) 和分布式储能设施 (distributed energy storage，DES) 有机结合，通过 配套的调控技术、 通信技术实现对各类 DER 进行整合调控的载体。虚拟电厂结构区别于 传统电厂的典型不受地域分布上的分散性的限制。从某种意义讲， 虚拟电厂可以看作是一 种先进的区域性电能集中管理模式，该模式无需对电网进行结构改造就能有效整合区域内 各种形态和特性的电源与用电负荷，对区域内的发电和用电单元实施经济高效的控制，虚 拟电厂作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行 ，对外可等效成一个可控的电力管理系 统。这个系统对外既可作为“正电厂”向系统供电，也可作为“负电厂”消纳系统的电力。
虚拟电厂应该实现如下功能 ：网络通信及管理功能 ；分布式资源发电管理功能 ；新 能源发电功率预测功能 ；用电负荷预测及管理功能 ；数据管理及分析功能 ；实时数据监 控功能 ；分布式资源协同控制功能 ；电力市场中的交易经营能力。虚拟电厂具有多样化分 布式电源集成的互补性和丰富的调控手段。因此， 虚拟电厂在电力市场中既可以参与前期 市场报价、实时市场交易等，也可以参与调峰、调频等辅助市场服务辅助平衡市场，改变可 再生能源一向被动的局面。
因此，虚拟电厂是一种可以主动参与电力市场化交易的技术，可以参与前期的 市场报价、实时电力市场交易，也可以参与电网的需求侧响应、调峰、调频等辅助市场服务 等，加强可再生能源的灵活调节性，挖掘可调负荷的沉默成本，改变被动的局面。
云储能
云储能是一种基于已建成的现有电网的共享式储能技术，可以将存量巨大 而利用率极低、碎片化存在的电池储能设备（如铅酸电池、磷酸铁锂电池、三元电池等） 通过互联网化能量管控和运营来提高有效利用率，使用户可以随时、随地、按需使用由 集中式或分布式的储能设施构成的共享储能资源，并按照使用需求而支付服务费。通过 互联网化的能量管控与协同，根据不同省份峰谷电价的波动与不同时间用电负载变化， 使这些碎片化的储能设备在峰电价时放电，谷电价时储电，达到削峰填谷，降低用户侧 用电成本的目的。通过能量信息化与网络化管控，可以将碎片化的电池以物流配送方式 配送，实现“能量跟着用户走”，挖掘电池资源的沉没成本，这有效提高电池的利用率， 降低用户购买与使用电池的成本，同时也可以实现电池资产在能量需求层面的细粒度复 用，实现电池的有效梯次利用。
云储能依赖于共享资源而达到规模效益，使用户可以更加方便地使用低价地电网电 能和自建的分布式电源电能。云储能可以综合利用集中式的储能设施或聚合分布式的储 能资源为用户提供储能服务。云储能可将原本分散的用户侧的储能装置集中到云端，用 云端的虚拟储能容量来代替用户侧的实体储能。云端的虚拟储能容量以大规模的储能设 备为主要支撑，以分布式的储能资源为辅助，可以为大量的用户提供分布式的储能服务。
车网互动
作为清洁、节能的新型交通工具，电动汽车在城市能源数字化的发展下有 着举足轻重的作用。由于汽车燃油的巨大消耗将危及中国的能源安全，且燃油 汽车的尾气排放导致多个城市出现不同程度的雾霾天气，大力发展以电动汽车 为代表的新能源汽车，已上升到了中国的国家战略层面。同时中国政府也高度 重视电动汽车充电基础设施的建设，将充电设施列为新兴的城市基础设施。一 方面，大规模电动汽车接入电网充电导致负荷增长，若大量电动汽车集中在负 荷高峰时段充电，则将进一步加剧电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担，对系 统运行的可靠性和经济性产生负面影响。另一方面，电动汽车可以作为分布式 储能资源参与电网的互动，如调峰、调频、需求响应等，并且可以提高城市区域 的消纳新能源发电能力。因此，为解决电动汽车充电时间和空间分布的不确定 性给电网带来的随机性，电动汽车与电网的互动技术至关重要,包括电动汽车接 入电网充电技术、电动汽车电池向电网放电技术、智能电网与电动汽车互联互 通协同技术。通过电动汽车与智能电网的互动，实现电网大规模地接入电动汽 车，通过电能在电动汽车和电网间的双向流动，实现削峰填谷、节能降耗目标。 具体技术包括通过对电动汽车集群的分层、分布式充放电优化控制策略、有序 充放电控制等，实现对电动汽车充放电的控制引导和与负荷、新能源的有效互 动，通过对电动汽车的控制平抑负荷波动、消纳新能源,基于大数据分析的实时 信息发布机制，通过反映发电成本、阻塞成本、电网固定成本的实时节点电价， 引导电动汽车到合适的充电站充电，从而缓解电网阻塞，提升电网安全经济运 行水平。
(一) 泛在低耗精确传感技术
城市能源数字化下的传感器信号采集远比目前丰富，需要对城市的基础设施、环境、分布式能 源设备等方面信息进行识别、采集、监控。例如：通过广泛使用的智能插座，实时获取终端用户电 能质量监测数据；通过成本低廉、可靠性高的电压、电流传感器，获取用户负荷数据和系统内实时 频率、潮流等；通过光照、风速等传感器，预测分布式能源出力信息等等。将传感器连接成网络并 进行数据的收集与处理已成为各个工业领域产业升级的重要方向，也成为物联网、工业互联网、能 源互联网等概念的主要标志之一。
在城市能源数字化中，传感器网络是人们观察各种能源从“发”到“用”全过程的“眼睛”。从 火电厂的发电机到居民区的变压器，从风力发电机的叶片到太阳能光伏板，低成本、高质量的传感器能够收集海量的数据，并为城市数字化能源系统内的相关机构提供可用的信息，如在电厂安全 运行监控和故障预警方面，通过使用温度、电压、电流、烟感、水浸等传感器的应用，电厂维护人员 可以对电厂内的发电设备进行运行状态的监控，对设备的监控数据进行故障分析预警等操作，降 低电厂内部及发电设备的安全风险，并减少人力维护成本。经过进一步的分析与处理，传感器网络 所提供的信息能够在如下的几个方面产生巨大的价值：①提高城市能源系统中设备的运行效率、 可靠性与预期寿命；②提高包含电力网络在内的多能源系统的稳定性与可靠性；③提高城市能源 系统各个环节预测与调度等工作的灵活性和有效性；④完善城市能源系统事故前预警机制及事故 后快速反应与恢复机制；⑤有效地减少城市能源系统各环节中的人力成本。数字化的城市能源系 统有可能成为智能终端传感器和传感网络使用的最大用户。海量信息采集技术为城市能源数字化 下更多类型、更广分布范围、更大数量规模的分布式电源和负荷的计量、监测提供基础支撑。
清华大学研制了基于磁纳米技术的微型磁场/电流传感器件和基于集成光学的电场/电压传感 器件，覆盖从直流到GHz级的稳态、暂态信号测量。开发了基于微型传感器件的宽频测量 系统，已在广东、四川电网投入运行。
(二) 高速无阻多元通信技术
借助电力线作为传输媒介、利用电力线通信方式支持信息的高速、双向传输，可有效节省布线 资源，使电网集控制终端、数据通信、能量传输于一身。随着近期技术的发展，电力线通信系统物 理层的数据传输率已超过了200Mbps。当工作带宽进一步提高且充分考虑利用电力线三相之间 形成的多输入多输出构架后，系统物理层有望达到Gbps的量级。电力线通信应用范围可扩展到包 括Internet接入、家庭联网、家庭智能控制、新能源监控及电力安全生产等众多领域。依托能源网 络实现信息传输的电力线通信技术，将在能源互联多种能源与信息的有机融合发挥至关重要的 作用。
另外通过公共网络(如互联网、电信网、广播电视网等)或专用网络（根据行业特性单独组建的 有线网络、无线网络）为城市能源的数字化提供大容量、高带宽、低时延的光网络和全程覆盖的无 线宽带网络，可以接入用电信息采集传感器、配变电监控、负荷控制、应急通信等能源用电业务。
(三) 全域多维数字孪生技术
数字孪生被定义为以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算 法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。数字孪生有助于优化业 务绩效，能够对真实世界实现基于跨一系列维度的、大规模的、实时的测量。
在城市能源数字化下，数字孪生构建的关键技术环节包括物理系统的量测感知、数字空间建 模、仿真分析决策以及云计算环境。量测感知是对能源互联网物理实体分析控制的前提。为此，需 要在物理系统中布置众多传感器，并且还需解决与数据量测、传输、处理、存储、搜索相关的一系 列技术问题。在数字空间中如何进行建模取决于应用的需求，可以通过建立不同类型的数学模型 反映物理实体不同时间尺度和空间尺度的特征，只要这些特征和物理实体当前状态相符即可。仿 真分析决策环节首先对数字空间的能源互联网进行优化计算，然后通过仿真验证决策的合理性和 有效性，再对数字能源互联网进行复杂不确定场景的沙盘推演，最终得到合理决策指令并下发至 物理系统。云计算环境是连接物理系统和数字空间的桥梁，可以利用已经掌握的能源互联网物理 规律和传感器量测数据，再借助大数据分析和高性能仿真技术，实现对能源互联网的数字建模和 仿真模拟，计算结果可实时反馈至物理系统，传感器数据同样可实时传递给数字镜像以实现 同步。
( 一 ) 多能流能量管理
在能源传输环节， 多能流能量管理尤为重要。多能流是城市能源网区别于传统电网的关键特 征，冷、热、电、气等多类能量在能源网中的流动，充分体现了多类能量相互转换、耦合和作用的物 理特性。多能流能量管理通过信息流调控能量流，可看作电力系统运行的大脑和神经中枢， 其核 心技术包括电力系统的监测、状态估计、潮流分析、安全分析、优化调度与闭环控制。
多能流是能源网区别于传统电网的关键特征，冷、热、电、气等多类能量在能源网中的流动，充 分体现了多类能量相互转换、耦合和作用的物理特性。新一代能源能量管理系统，需要在能源互 联网基础上，基于物联网、云计算和大数据分析等先进技术，突破原有不同能量形式割裂化管理 的窠臼，实现冷、热、电、气、交通等多种能量形式的协同调度和实时动态管理，以用户为中心，满足其 不同品位的能量需求，实现能源梯度利用。能量管理系统（Energy Management System，EMS）在 功能上可以实现数据采集和监控、态势感知、协同优化调度、安全分析和安全控制等，安全分析功 能保证了电力系统处于安全运行状态，当感知到系统处于不安全状态时，通过安全控制策略将系 统拉回安全状态。
将传统电网能量管理问题拓展到包含电力、 天然气和冷热等多能流系统的综合能量管理问 题，提出涵盖不同动态特性的多能流耦合建模与状态估计技术 ；通过多能流的协同计算，统一求 解电网潮流、热网水力和热力工况及天然气网工况，进而提出多能流系统多时间尺度安全分析方 法和严重性评估指标 ；通过多能流协同能量管理，可显著提高终端用户的综合用能水平。
另外，通过“云边端”的能源管理技术，可以将城市分散区域的能量管理系统搬到云端，将基 础的数据采集服务、设备控制执行留在本地，通过通信技术实现远程的监控与管理，在云端进行 数据汇集、大数据分析、数据预警等，提供关于监控、分析、优化、交易等一系列的解决方案综合 能源服务。
(二) 智能发电服务
在数字化技术日新月异发展的背景下，数字化赋能传统产业转型升级步入新常态，发电侧需要 转变粗放型管理模式，推进提升管控力度、降本增效，在此背景下，智能发电服务的兴起既顺应时 代发展，又是传统发电侧自我革新的必经之路。
基于大数据服务、AI服务、工业APP、SaaS化服务、数字孪生等的智能发电服务对传统电厂进 行系统升级，建设更安全、更高效、更经济、更环保的现代化智慧电厂。“智能发电”是以自动化、 数字化、信息化为基础，综合应用互联网、大数据等资源，充分发挥计算机的信息处理能力，集成 统一的一体化数据平台、一体化管控系统、智能传感与执行、智能控制和优化算法、数据挖掘以及 精细化管理决策等技术，形成一种具备自趋优、自学习、自恢复、自适应、自组织等特征的智能发 电运行控制与管理模式，以实现安全、高效、环保的运行目标，并具有强大的外界环境适应能力。
通过建设发电设备状态检测、厂级监控、运行优化、故障诊断和评估等系统，可以对发电机组 启动、调试、正常运行、停运和维修进行全过程的电能质量、发电煤耗、环保排放等质量问题进行 在线诊断追溯，及时发现异常原因并进行相应处置，实现发电生产过程质量问题全程追溯，以消 除各类生产质量问题，保障发电生产持续开展。
(三) 综合能源服务平台
目前，综合能源服务面临着多种需求寻找不同供应商建设应用、集成成本高，不同项目不同平 台产生数据孤岛，线上线下连接困难、难以形成用户与数据积累等问题。综合能源服务平台可以 通过积木式组装不同供应商应用、轻松连接数据孤岛，满足各类细分场景需求，包括用能企业能 源管理、园区能源管理、地方能源产业平台、地方大数据平台等，提供配电监测、设备用能监测、建 筑用能监测等能耗在线监测与多种能源统一监测、储能管理、用能深度分析、电费与交易管理等综 合能源管理，形成源-网-荷-储智能协同的智慧能效管理解决方案。
综合能源服务平台可以为城市能源的数字化转型提供一揽子的综合服务，如虚拟电厂、新能 源发电站建设维护、碳排放核查、售电服务等，是城市进行综合能源服务商转变的基础。针对售电 业务，城市售电公司通过与上游发电企业协商，降低客户和自身的购电成本，通过电力交易平台开 展双边协商交易或集中交易。在此过程中，售电公司需要完全打通发电方和购电方，一方面要把发 电厂的发电成本实时统计出来，一方面要精准预测用电量，帮助企业更经济稳定的运营，平台需要 具备供购售电竞价、成本计算、售电营销、客户服务、合同管理、购电管理、负荷预测、能效管理、 偏差考核等全方位信息化的解决方案。
