能源是城市发展进步的重要支柱,在城市能源需求日益增长的同时,环境污染、能源供需不平衡的问题不断加剧。因此,对建设具有更高能源利用效率、更多清洁能源接入的城市能源系统的需求愈发迫切。随着智慧能源概念的提出,面向城市范围内能源应用的城市智慧能源系统的建设成为城市能源问题的一种解决方案,其中,体系架构是城市智慧能源系统研究非常重要的部分。由于城市智慧能源系统的研究总体处于起步阶段,对其详细的架构设计极少,文章提出城市智慧能源系统的一种信息物理架构与功能架构,并通过架构下的功能应用设计研究验证提出架构的合理性。首先从城市建设角度与专家观点角度出发,研究城市智慧能源系统内涵,从技术特性、功能需求与指标需求三大方面归纳总结城市智慧能源系统的发展需求,并给出一种对应的城市智慧能源系统定义。接着对现有具有代表性的能源系统FREEDM系统、伯克利信息化能源系统与自能源系统进行架构研究与对比分析。在内涵研究与现有能源系统架构研究的基础上,基于CPS思想与CPS层次性理论设计提出了一种终端智能设备-能源管理站-能源智慧服务平台三级组成结构的城市智慧能源系统信息物理架构,在架构决策问题上运用帕累托占优方法,构建出稳定性、安全性、经济性、高效性与环保性五维权衡空间,根据专家小组评分结果获得了帕累托前沿的架构集合,完成架构选择。进一步,对提出的终端智能设备、能源管理站、能源智慧服务平台三大CPS组成部件的概念给出CPS思想指导下的设计说明。根据城市智慧能源系统能源内涵研究中得到的功能层面需求,设计了功能架构的能源系统安全、能源协同控制、能源数据服务、能源交易市场四大模块组成,提出一种与基于CPS设计的信息物理架构相匹配的城市智慧能源系统功能架构。针对提出的城市智慧能源系统功能模块,梳理构成城市智慧能源系统功能架构的功能要素,基于解释结构模型方法构建功能要素的层次结构,在此基础上,对功能要素进行耦合协同分析。最后,在提出的城市智慧能源系统体系架构下,考虑居民小区电动汽车有序充电场景,设计城市智慧能源系统功能架构下的功能应用,针对现有电动汽车有序充电算法不具有灵活风电接入能力的缺点,提出一种考虑风电消纳与风电扩展性的有序充电实时控制算法,并对其进行算例设计与功能仿真。仿真结果证明,提出的充电控制算法具有有效的风电消纳能力,也印证了为居民小区电动汽车有序充电提供平台的城市智慧能源系统体系架构的逻辑自洽性。