美國芝加哥正在建設中的太陽(yáng)能電動(dòng)汽車(chē)智能充電站。新華社發(fā)(蔣新彤 攝）

    作為應對全球變暖的對策之一，世界各國對智能電網(wǎng)均充滿(mǎn)期待。智能電網(wǎng)的構建，將使傳統電力基礎設施發(fā)生根本性變化，從而產(chǎn)生新的商機。氣候組織2008年的一項研究數據指出，“到2020年，智能電網(wǎng)的應用可以減少全球電力系統二氧化碳排放量的14%�！庇�國能源及氣候變化部也預測，未來(lái)五年內全球智能電網(wǎng)市場(chǎng)規模將達270億英鎊。本文作者對美國當前發(fā)展智能電網(wǎng)可能遇到的障礙和亟須發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出智能電網(wǎng)應上升至國家戰略進(jìn)行頂層設計，充分利用和整合我國現有的基礎，網(wǎng)絡(luò )“堅強”和智能并重，政府必須履行監管責任，把握好智能電網(wǎng)投資建設節奏……

    美國智能電網(wǎng)：新技術(shù)帶來(lái)的潛在效益

　　美國皮尤研究中心(PEW　research　centre)發(fā)布的名為“智能電網(wǎng)”的報告，對美國當前發(fā)展智能電網(wǎng)需要處理好的多方面產(chǎn)業(yè)關(guān)系和亟需發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，在全景式展示的基礎上，提出了有借鑒意義的政策建議。

　　現有電網(wǎng)存在的問(wèn)題

　　美國電網(wǎng)是一個(gè)龐大和極復雜的系統，包括集中電廠(chǎng)、輸電線(xiàn)路和配電網(wǎng)絡(luò )，承載和持續保持著(zhù)8500億瓦電力的供求平衡。它的運行可靠性達到了99.97%，每年停運的時(shí)間約為160分鐘。
　　然而，傳統電網(wǎng)的設計沒(méi)有采用最新技術(shù)，不能為提高能源效率、節能和實(shí)現低碳經(jīng)濟目標提供保障。
　　智能電網(wǎng)可以處理以下問(wèn)題，但這些問(wèn)題同溫室氣體減排并不直接相關(guān)。
　　首先，電力中斷和電能儲運損失耗資每年超過(guò)1500億美元。對消費者而言，每年平均有2.5小時(shí)的電力中斷，這是相當大的經(jīng)濟損失。對于普通消費者，電力質(zhì)量干擾可能只是燈光閃爍或燈光變暗，但對于依賴(lài)高品質(zhì)電力(如通信網(wǎng)絡(luò )和管線(xiàn))的高科技制造業(yè)和關(guān)鍵基礎設施來(lái)說(shuō)，這些事件則會(huì )破壞運營(yíng)和花費數百萬(wàn)的經(jīng)費。
　　其次，對電網(wǎng)峰負荷管理效率低。峰負荷是指一天、一季或一年之內最高的電力需求時(shí)段。電力需求表現為周期性和多變性，為滿(mǎn)足這種需求的變化，電力成本也不斷變化。但由于發(fā)電企業(yè)需求管理的工具有限，因此電力供應必須不斷跟蹤需求進(jìn)行調整。此外，電網(wǎng)必須不斷保持超額供應的緩沖儲備，從而導致效率低、排放高和更高的成本。
　　第三，難以管理和處理復雜的信息。例如，接到消費者電話(huà)通知發(fā)電企業(yè)才能發(fā)現停電狀況。此外，消費者很少了解電力如何定價(jià)以及他們正在使用的能源在不同時(shí)段具有不同價(jià)格等方面的信息。這些也是限制提高效率、節約能源和需求響應的因素。
　　第四，使用可再生能源的挑戰�？稍偕�能源發(fā)電由于其特點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生比較大的波動(dòng)(如風(fēng)能和太陽(yáng)能)�，F有電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電的支持水平，使超過(guò)大約20%的能量難以確定。
　　第五，對分布式發(fā)電支持不足。由于現有電網(wǎng)是以發(fā)電站為中心，輸送電流到最終用戶(hù)的單向設計，因此為支持小型分布式發(fā)電，它必須升級到支持雙向電流的設計。添加如屋頂太陽(yáng)能或微型風(fēng)力發(fā)電等分布式發(fā)電單元，對現有的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，都會(huì )使管理更為困難。
　　第六，插件式混合動(dòng)力車(chē)的部署對電網(wǎng)壓力大。在未來(lái)幾十年，插件式混合動(dòng)力車(chē)的部署是電力系統面臨的主要壓力。由于插件式混合動(dòng)力車(chē)周期充電的特性，對現有的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，不僅成本高昂而且技術(shù)實(shí)現也比較困難。

　　智能電網(wǎng)的潛在效益

　　智能電網(wǎng)的概念指的是將數字技術(shù)應用到電力部門(mén)，即運用IT技術(shù)自動(dòng)控制電力供求平衡的第二代供電網(wǎng)。智能電網(wǎng)并非一項具體的技術(shù)，相反，它由一系列提高電網(wǎng)性能、可靠性和可控性的技術(shù)組成。其中許多技術(shù)已在其他經(jīng)濟部門(mén)應用，比如電信業(yè)和制造業(yè)，它們運用數字技術(shù)進(jìn)行現代化，提高了效率，產(chǎn)生新機會(huì )和獲得更強的生產(chǎn)力。相比這些經(jīng)濟部門(mén)，電力行業(yè)已然落后，許多發(fā)電廠(chǎng)仍然在應用20世紀60年代和70年代的設計。
　　智能電網(wǎng)技術(shù)提供了以下幾方面潛在的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益：
　　增加可靠性；提高資產(chǎn)利用率；更好地集成插件式混合動(dòng)力車(chē)和可再生能源的應用；減少發(fā)電企業(yè)的運營(yíng)成本；減少家庭和企業(yè)的用電支出；提高效率和效用；支持新的組件和應用；降低溫室氣體和其他排放。
　　在提高效率和效用、可再生能源集成和插件式混合動(dòng)力汽車(chē)應用等三個(gè)方面的效益為：
　　提高效率和效用。
　　智能電網(wǎng)通過(guò)提高能源效率和儲能措施能夠使潛在的溫室氣體排放量減少一半以上，比如：通過(guò)對分布式系統更好地管理減少傳輸損耗；實(shí)時(shí)設備監控，通過(guò)對設備情況更好的把握，發(fā)電企業(yè)能夠使設備的重要部分保持高效率運作；通過(guò)需求反饋管理高峰負荷，從而代替常規的旋轉備用；提高電力價(jià)格的透明度，幫助客戶(hù)了解電力的真實(shí)成本。為消費者提供持續的電力使用直接反饋看似簡(jiǎn)單，但如果消費者根據價(jià)格和消費信息及時(shí)作出調整，到2030年預計可以減少每年3100萬(wàn)噸到1.14億噸的二氧化碳排放量。
　　可再生能源集成。
　　美國電力科學(xué)研究院估計，通過(guò)智能電網(wǎng)應用增加的可再生能源產(chǎn)生的電能，在2030年可以減少相當于每年1900萬(wàn)噸到3700萬(wàn)噸二氧化碳的溫室氣體排放。兩個(gè)獨立的組件可以更好地集成可再生能源：
　　支持分布式發(fā)電�？刂萍夹g(shù)使分布式可再生能源發(fā)電的集成更安全和更可靠(例如，屋頂的太陽(yáng)能裝置)。智能電表能夠更準確地計算分布式發(fā)電，使得網(wǎng)絡(luò )計量更具吸引力。
　　對不穩定的可再生能源電力具備全網(wǎng)響應能力。需求響應資源能夠緩沖電力供應的變化。提供插件式混合動(dòng)力汽車(chē)分布式能源存儲和配套服務(wù)。更好的定價(jià)機制和需求方管理，可以減少輸電阻塞，使更多規模發(fā)電企業(yè)的可再生能源項目接入電網(wǎng)。
　　插件式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)得以應用。汽車(chē)尾氣是美國溫室氣體最大的排放源之一。插件式混合動(dòng)力汽車(chē)的排放要比應用汽油內燃發(fā)動(dòng)機的傳統汽車(chē)低。美國電力科學(xué)研究院估計，通過(guò)啟用智能電網(wǎng)應用插件式混合動(dòng)力汽車(chē)，在2030年可以減少相當于每年1000萬(wàn)噸到6000萬(wàn)噸二氧化碳的溫室氣體排放，而對智能電網(wǎng)本身不會(huì )造成過(guò)大的壓力�！�
　　智能充電。通過(guò)實(shí)時(shí)價(jià)格和全系統范圍的價(jià)格信號，插件式混合動(dòng)力汽車(chē)可以做到主要在非高峰期充電，避免昂貴的使用成本和減少發(fā)電廠(chǎng)峰谷時(shí)的負擔�！�
　　單車(chē)到電網(wǎng)。插件式混合動(dòng)力汽車(chē)的應用可以起到調節電網(wǎng)電力的功能，且部分替代依賴(lài)化石燃料發(fā)電。

    智能電網(wǎng)技術(shù)的五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域

　　解決現有電網(wǎng)缺點(diǎn)的智能電網(wǎng)技術(shù)，就是提供可控智能和加強管理能力，來(lái)提高運營(yíng)效率和性能。這些技術(shù)現都已開(kāi)始應用，包括Xcel能源、太平洋煤氣和電力和美國電力公司等特大型發(fā)電企業(yè)，已采取措施予以實(shí)現。根據美國能源技術(shù)實(shí)驗室的研究，智能電網(wǎng)技術(shù)包含五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域：
　　通信集成。在所有電網(wǎng)組件中實(shí)現高速、規范、雙向的信息交流，是實(shí)時(shí)信息反饋和決策的必要條件。一些現有的技術(shù)，包括廣域無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，可以提供所需的通信基礎設施。
　　傳感與度量。傳感和度量裝置讓發(fā)電企業(yè)和消費者能夠了解并對電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)作出反應。例如，住戶(hù)可以通過(guò)鏈接電網(wǎng)中智能設備和具備顯示裝置的智能電表，監測其能源需求和現時(shí)電價(jià)。
　　先進(jìn)功能組件。先進(jìn)的功能組件，如全球定位系統、限流導體、先進(jìn)能源存儲和電力電子學(xué)的發(fā)展將提高電廠(chǎng)發(fā)電、輸電和配電的能力以及運營(yíng)的智能水平。
　　先進(jìn)控制。隨著(zhù)提供給電網(wǎng)控制器的信息越來(lái)越多和響應時(shí)間要求越來(lái)越快，電網(wǎng)管理的任務(wù)變得更為復雜。需要先進(jìn)的控制系統快速發(fā)現和處理重要信息，使業(yè)務(wù)精簡(jiǎn)并向操作人員提供明確的指令。
　　改進(jìn)接口和決策支持。新的工具，如任何尺度(從個(gè)人鄰里到整個(gè)國家電網(wǎng))的可視化軟件，為操作人員提供更多的態(tài)勢感知和診斷，從而使規劃者、操作者和決策者作出明智的決定。
　　智能電網(wǎng)形成促進(jìn)智能技術(shù)的應用平臺：
　　自動(dòng)抄表允許發(fā)電企業(yè)直接閱讀用電、用水、用煤氣的電子數據，而不需要每家每月報表。自動(dòng)抄表的下一步，就是增加雙向通信，允許發(fā)電廠(chǎng)根據電表信息，采取實(shí)時(shí)調整價(jià)格和及時(shí)應對停電或電能質(zhì)量等方面的事項。
　　實(shí)時(shí)定價(jià)是指動(dòng)態(tài)地改變電力價(jià)格以反映電力市場(chǎng)的真實(shí)需求，優(yōu)于以往的峰谷定價(jià)機制。成功的實(shí)時(shí)定價(jià)取決于電力的價(jià)格需求彈性，讓市場(chǎng)信號明確并為消費者提供合理的價(jià)格區間。智能電網(wǎng)讓消費者區分電力使用的優(yōu)先次序和監測其用電，能夠有效節約成本和形成更經(jīng)濟有效的電力市場(chǎng)。
　　需求響應允許發(fā)電廠(chǎng)降低峰谷負荷時(shí)段的需求，從而避免高成本的發(fā)電機組經(jīng)常處在最低效的情況。需求響應可以顯著(zhù)區分有價(jià)值和低優(yōu)先級的電力使用，例如，在不影響關(guān)鍵電力服務(wù)的條件下，減弱燈光和調整空調溫度。
　　插件式混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)會(huì )大大增加電網(wǎng)負荷。一輛插件式混合動(dòng)力車(chē)可能比一個(gè)普通家庭的耗電還要多。智能充電設備通過(guò)發(fā)電廠(chǎng)的信息，使插件式混合動(dòng)力車(chē)在低價(jià)格、對電網(wǎng)低影響以及低排放(使用可再生能源發(fā)電時(shí))時(shí)段充電。單車(chē)到電網(wǎng)概念，則是更進(jìn)一步允許插件式混合動(dòng)力車(chē)將他們的電能回饋到電網(wǎng)，來(lái)幫助穩定電壓和頻率，減少對旋轉備用和監管服務(wù)的需要，從而避免發(fā)電機組由于提供這些服務(wù)而產(chǎn)生的排放。
　　自動(dòng)化配電系統可以在故障發(fā)生時(shí)重新配置電力，將問(wèn)題限制到一個(gè)較小的區域。這就降低了備用發(fā)電機運行的數量和減少了總的停運時(shí)間。
　　通過(guò)提供更大的容錯性和孤島檢測，智能電網(wǎng)為分布式發(fā)電單元，如屋頂太陽(yáng)能裝置、為商業(yè)樓宇供熱電的小型天然氣渦輪機、風(fēng)力集成系統等，提供更安全和更可靠的接入。

    鏈接：
    美國智能電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的障礙
    美國：政策傾斜為智能電網(wǎng)開(kāi)道
    中國：進(jìn)行頂層設計不可簡(jiǎn)單復制