文/張東霞 姚良忠 馬文媛，中國電力科學(xué)研究院
智能電網(wǎng)的研究和實踐
美國
1）法案和綱領(lǐng)性文件。
《能源獨立和安全法案 2007》(《EISA2007》)和《復(fù)蘇與再投資計劃法案 2009》(《ARRA2009》)是與智能電網(wǎng)相關(guān)的 2 個重要法案。前者在第 VIII章中確立了智能電網(wǎng)的國家戰(zhàn)略地位；承諾撥付國有專項資金，支持 NIST 編制智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，對全國范圍智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行協(xié)調(diào)；通過投資法案對智能電網(wǎng)研究和示范給予專項資金支持。后者委托能源部撥款 45 億$的政府資金，并帶動國內(nèi)私人投資，支持智能電網(wǎng)的研究和示范。智能電網(wǎng)在美國是國家戰(zhàn)略，政府通過立法和發(fā)布政策框架報告，在智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮組織和引導(dǎo)作用；通過前期資金投入，資助研發(fā)和示范項目，以期激發(fā)電力公司的創(chuàng)新熱情和能力，形成成熟的技術(shù)方案和相適宜的市場機(jī)制和商業(yè)模式，并可激勵各利益相關(guān)方長期參與、投資，推動智能電網(wǎng)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。
2）資金投入和項目分布。
依據(jù) ARRA2009 法案，美國能源部從 2010 年開始陸續(xù)下發(fā)政府資金共 45 億$，支持智能電網(wǎng)的研究、示范和技術(shù)應(yīng)用，國有資金分配及私有資金配套情況如表 2 所示。
ARRA 2009 資金主要支持 99 項智能電網(wǎng)投資項目(Smart Grid Investment Grant，SGIG)和 32 項示范項目(Smart Grid Demonstration Project，SGDP)。SGIG 項目的私有配套資金共 78 億$，其中輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、AMI 和用戶系統(tǒng)分別投入資金 5.8億$、19.6 億$、13.3 億$、39.6 億$，分別占比為 7%、25%、17%、51%，AMI 部署約占 50%。SGDP 項目 32 項，其中 16 項為儲能項目，另外 16 項示范項目重在研究多項技術(shù)的集成，如，加州的一個示范項目是在校園中實現(xiàn)多項技術(shù)的集成，包括網(wǎng)絡(luò)安全、需求響應(yīng)，混合電動汽車接入和互操作標(biāo)準(zhǔn)的驗證等。
除 ARRA2009 資助的項目外，美國電科院(EPRI)開展了 11 項國內(nèi)示范項目和 3 項國際合作(分別與愛爾蘭、法國和加拿大合作)項目。這些項目多屬于集研究和綜合示范于一體的項目，如 EPRI與EDF合作的項目(Production Répartie, Enr et MDE,Intégrées et. Optimisées，PREMIO)，該項目包括：優(yōu)化整合多種分布式能源、儲能系統(tǒng)；光熱發(fā)電；太陽能熱泵和熱儲能耦合，平移房屋供熱負(fù)荷；需求響應(yīng)；智能洗衣機(jī)和烘干機(jī)自動需求響應(yīng)；考證智能電網(wǎng)概念；互操作驗證；多項標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用(CIM，SEP2.0 和 OpenADR)；項目將多項技術(shù)在一個綜合項目中實現(xiàn)了集成。
3）項目進(jìn)展情況。
2012 年 7 月美國能源部發(fā)布 SGIG 階段性報告，預(yù)計 2015 年發(fā)布總報告。階段性報告對項目實施情況進(jìn)行了如下總結(jié)。
輸電系統(tǒng)：主要任務(wù)是部署 PMU、輸電線路監(jiān)測和輸電系統(tǒng)通信網(wǎng)；已完成 287 套 PMU 的部署，待完成 800 套。
配電系統(tǒng)：部署自動開關(guān)、電容器和變壓器的自動傳感器及其控制系統(tǒng)。
AMI：智能電表及其通信系統(tǒng)、表計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；已部署 1080 萬塊智能電表；占現(xiàn)有 1.44 億電表的 8%；目標(biāo)是 1 550 萬；全美預(yù)計 2015 年將部署 6500 萬塊。
用戶側(cè)系統(tǒng)：部署家庭顯示器、可編程恒溫器、用戶側(cè)網(wǎng)關(guān)，實施動態(tài)電價。
階段性報告中列舉了一些成功案例，如：
①田納西州查塔努加市屬電力公司(Electric Power Board，EPB)計劃安裝 1500 套自動開關(guān)，并在 164 回線路上裝設(shè)傳感器。2011 年 4 月，項目實施初期，EPB 使用了 123 套智能開關(guān)，在遭遇 9 次颶風(fēng)襲擊時，避免了 250 輛次施工車出動，且縮短了用戶停電時間。
②俄克拉荷馬燃?xì)夂碗娏?OG&E)在動態(tài)電價激勵下，通過部署用戶側(cè)系統(tǒng)(家庭顯示器，家庭網(wǎng)關(guān)和可編程恒溫器)，實施需求響應(yīng)，降低了負(fù)荷峰值。OG&E 在未來幾年將對 15 萬用戶實施需求響應(yīng)，預(yù)計可減少高峰時的發(fā)電容量 210MW。
③西部電力協(xié)調(diào)委員會(Western ElectricityCoordinating Council，WECC)部署 PMU，涉及 18個輸電公司，跨越 14 個州，安裝了 341 套 PMU 和62 個相量數(shù)據(jù)集中器(phasor data concentrator，PDC)，使加州—俄勒岡互聯(lián)線路輸送容量提高了100 MW。目前已完成 14%安裝計劃，正在開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用軟件，借此可提高電網(wǎng)公司的電網(wǎng)管理水平。
白宮科技委員會于 2011 年發(fā)布的《21 世界電網(wǎng)政策框架——保證未來能源安全》(《A policyframework for the 21st century grid： enabling our secure energy future》)中指出，投資智能電網(wǎng)項目的四項基本原則是：①智能電網(wǎng)項目滿足成本/效益性；②激發(fā)電力部門的創(chuàng)新潛能；③賦予用戶知情權(quán)和決策權(quán)；④保障電網(wǎng)安全。該委員會于2013 年 2 月發(fā)布了《21 世界電網(wǎng)政策框架——進(jìn)展報告》(《A policy framework for the 21St Century grid： A progress report》)，對照上述四項原則，通過實例分析，對智能電網(wǎng)項目的成效給予了肯定，并表示將在繼續(xù)遵循四項原則基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)現(xiàn)代化工作給予持續(xù)的支持。
4）主要技術(shù)解決方案。
發(fā)輸電系統(tǒng)的智能電網(wǎng)技術(shù)主要包括廣域監(jiān)控技術(shù)和先進(jìn)輸電技術(shù)，這些技術(shù)的解決方案各國差別不大。此處主要介紹美國在配用電側(cè)的主要技術(shù)解決方案。
美國智能配電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括高級配電自動化技術(shù)和配電管理 2 個技術(shù)領(lǐng)域。
高級配電自動化技術(shù)解決方案是在傳統(tǒng)的配電自動化系統(tǒng)中增加一些功能，應(yīng)對分布式能源并網(wǎng)、電動汽車接入帶來的問題，降低網(wǎng)損和能源消耗。主要內(nèi)容增加電壓控制，加強對配電系統(tǒng)的監(jiān)測，實現(xiàn)自愈控制等，應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)，主要解決方案包括節(jié)能降壓 (conservation voltage reduction ， CVR) 、集成電壓無功控制 (integrated volt/var control，IVVC)、故障檢測隔離和恢復(fù)(fault detection，isolation & restoration，F(xiàn)DIR)。
CVR 是對一條配電饋線進(jìn)行電壓控制，利用AMI 監(jiān)測用戶末端電壓，依靠饋線中間配置無功補充調(diào)節(jié)無功電壓，其目的是：①在允許范圍內(nèi)盡可能降低負(fù)荷點電壓，從而降低恒阻抗、恒電流負(fù)荷的能耗，同時也可解決分布式能源并網(wǎng)帶來的末端電壓升高問題；②通過線路中間的無功補償，提高饋線的電壓水平，降低線路損耗。IVVC 則是一個配電區(qū)域內(nèi)多目標(biāo)電壓無功控制。FDIR 是借助自動重合閘、通信系統(tǒng)和軟件配置，通過開關(guān)自動隔離故障，并利用備用電源為非故障用戶恢復(fù)供電。配 電管理技術(shù)是將停電管理系統(tǒng) (outagemanagement system，OMS)和 AMI 集成，提高用戶停電管理水平、供電可靠性和工作效率。
美國智能用電的總體解決方案如圖 4 所示，其核心是綠色按鈕動議(Green Button Initiative)和自動需求響應(yīng)。
綠色按鈕是指用戶可在電力公司網(wǎng)站上通過一個“綠色按鈕”，很方便地查詢其能源使用情況。綠色按鈕動議由美國白宮、能源部、國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、電力公司供貨商、智能電網(wǎng)互操作論壇 (Smart Grid Interoperability Panel，SGIP)等共同推動。
實現(xiàn)自動需求響應(yīng)需要如下元素：電力公司需要建設(shè)頭端系統(tǒng)(Head-end)、表計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(meter data management system，MDMS)、需求響應(yīng)管理系統(tǒng)；AMI 部署；動態(tài)電價的實施(尖峰電價CPP、尖峰補償電價 CPR，小時電價/15 分鐘電價)；用戶側(cè)需要建立用戶區(qū)域網(wǎng)(home area network，HAN)、家庭用能顯示器或門戶網(wǎng)站、能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)、控制/繼電保護(hù)/開關(guān)； 廣域網(wǎng)(wide area network，WAN)的建設(shè)(有線通信、無線通信、互聯(lián)網(wǎng))；具備參與需求響應(yīng)的智能用電設(shè)備和研制(恒溫器、智能用電器)以及其他可參與需求響應(yīng)的發(fā)電和用電設(shè)備(分布式能源、電動汽車)的接入。需求響應(yīng)管理系統(tǒng)基于由美國能源部勞倫斯–伯克利實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)開發(fā)、為 OpenADR 工業(yè)聯(lián)盟所有的自動需求響應(yīng)通信規(guī)范規(guī)范(Open Automated Demand Response Communications Specification) 5）標(biāo)準(zhǔn)化工作。
在 EISA 2007 指導(dǎo)下，NIST 于 2009 年啟動智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系研究，2010 年 1 月 NIST 發(fā)布《智能電網(wǎng)互操作標(biāo)準(zhǔn)框架和技術(shù)路線圖》1.0 版，2012 年2 月發(fā)布了 2.0 版。路線圖通過分析研究，識別出 19 項需要優(yōu)先制修訂的標(biāo)準(zhǔn)。為促進(jìn)美國智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，吸引各利益相關(guān)方參與到標(biāo)準(zhǔn)化工作中來，NIST 組織成立了 SGIP。截止至 2012年 11 月 9 日，SGIP 已擁有來自 22 類利益相關(guān)方的782 個組織成員，其中國外組織成員超過 100 家。
SGIP 的工作是卓有成效的：SGIP 組織機(jī)構(gòu)完善，具有體系架構(gòu)常設(shè)委員會、互操作一致性測試委員會、信息安全常設(shè)工作組，對智能電網(wǎng)概念模型和體系架構(gòu)和信息安全等問題進(jìn)行持續(xù)研究，對制修訂后的標(biāo)準(zhǔn)的互操作性進(jìn)行測試；設(shè)有領(lǐng)域工作組，對該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性進(jìn)行分析，識別差距，對該技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定給予指導(dǎo)；通過優(yōu)先行動計劃，指導(dǎo)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組織完成標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。
在 SGIP 的推動和指導(dǎo)下，美國已完成了一系列智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，形成了標(biāo)準(zhǔn)庫(Category of Standards，CoS)。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有得到廣泛認(rèn)同，不具備工程應(yīng)用的條件，但 SGIP 的工作已得到了聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(Federal Energy Regulatory Commission，F(xiàn)ERC)的高度評價，并為美國智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的國際化奠定了堅實的基礎(chǔ)。由于政府資助標(biāo)準(zhǔn)化工作的資金到 2012 年底結(jié)束，SGIP 已轉(zhuǎn)變成會員制機(jī)構(gòu)，將繼續(xù)開展智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。
6）面臨的主要困難。
盡管白宮對美國智能電網(wǎng)項目的進(jìn)展情況給予了充分肯定，但在工業(yè)界和民眾看來，目前智能電網(wǎng)的發(fā)展仍顯緩慢，并未很好地實現(xiàn)政府承諾的目標(biāo)(通過實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間的雙向通信，使各類用戶方便地對自身能源生產(chǎn)和消費進(jìn)行管理；為社會提供更多新的就業(yè)機(jī)會)。在政府資金刺激下，研究和示范尚且算得上進(jìn)展順利，但電力公司及其他私有企業(yè)的投資熱情并不高。繼續(xù)推動智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和技術(shù)的大規(guī)模部署，仍有很多困難需要克服。
EPRI 報告預(yù)計，全美全面部署智能電網(wǎng)技術(shù)，需在 2030 年前投入 3380~4760 億$，即未來 20 年中每年投入 170~240 億$。但就美國目前的情況，持續(xù)的投入面臨困難，主要原因在于：美國電力資產(chǎn)所有權(quán)和管理權(quán)分散，電力設(shè)備投資大、壽命周期長，電力公司需考慮成本/效益問題，很難做出投資決策；電力公司需要確保來自不同廠家的設(shè)備能實現(xiàn)集成，但新制定的標(biāo)準(zhǔn)尚未得到工業(yè)界普遍認(rèn)可，導(dǎo)致智能電網(wǎng)初期投資風(fēng)險較大。
歐洲
1）法案和綱領(lǐng)性文件。
歐洲是世界能源電力改革的積極推動者，也是氣候變化和環(huán)境保護(hù)的主要倡導(dǎo)者。從 1997 年開始，歐盟出臺了一系列促進(jìn)可再生能源能源、清潔能源、提高能源效率的政策。2008 年 12 月，歐盟各成員國一致同意發(fā)起了“歐洲經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計劃”，將綠色技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計劃的有力支撐。所籌 50億歐元經(jīng)費中的一半用來資助低碳項目，10.5 億用于 7 個碳捕獲和儲存項目，9.1 億用于電力聯(lián)網(wǎng)(協(xié)助可再生能源聯(lián)入歐洲電網(wǎng))，5.65 億用于北海和波羅的海的海上風(fēng)能項目。在 2010 年 6 月歐盟夏季峰會上，歐盟 27 個成員國的首腦通過了未來 10 年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，即“2020 戰(zhàn)略”。“2020 戰(zhàn)略”提出了未來 10 年歐盟需要在能源基礎(chǔ)設(shè)施、科研創(chuàng)新等領(lǐng)域投資 1 萬億歐元，以保障歐盟能源供應(yīng)安全和實現(xiàn)應(yīng)對氣候變化目標(biāo)。歐盟能源新戰(zhàn)略的核心內(nèi)容是未來 10 年歐盟國家能源領(lǐng)域的五大優(yōu)先目標(biāo)。這五大優(yōu)先目標(biāo)是：①將節(jié)能擺在首要位置，著力提高能源效率，到 2020 年節(jié)約 20%；②推進(jìn)歐盟內(nèi)部的能源市場一體化進(jìn)程，建立真正的泛歐一體化能源市場；③賦予消費者權(quán)利，達(dá)到最高水平的安全性和可靠性；④確保歐盟國家在能源技術(shù)與創(chuàng)新中的全球領(lǐng)先地位；⑤加強歐盟能源市場的對外尺度。
2）資金投入和項目分布。
歐洲智能電網(wǎng)項目包括歐盟和各國資助的研發(fā)、示范和技術(shù)部署(Demonstration Deployment ，R&D)項目，除此之外，歐盟還實施了由輸電公司和供電公司為研究主體的“歐洲電網(wǎng)計劃”(European Electricity Grid Initiative，EEGI)項目。
為了總結(jié)歐盟智能電網(wǎng)的項目進(jìn)展情況，便于歐盟各國共享經(jīng)驗和教訓(xùn)，歐盟聯(lián)合研究中心(JointResearch Center，JRC)前后 2 次通過問卷形式進(jìn)行調(diào)研，于 2011 年 7 月發(fā)布?xì)W洲智能電網(wǎng)項目的階段性總結(jié)報告，總結(jié)了 219 項項目的進(jìn)展情況，2013 年發(fā)布了新版報告，對 281 項項目的進(jìn)行了總結(jié)分析。
這 281 個項目的預(yù)算經(jīng)費超過 55 億歐元，從項目的分布情況看，歐盟各國智能電網(wǎng)發(fā)展并不均衡：英國、德國、丹麥和西班牙占比最高，這是因為這些國家新能源比例很多，對智能電網(wǎng)有著更為迫切的需要；與 E15 國相比，E12 國開展的項目少得多。
3）歐盟智能電網(wǎng)研發(fā)和示范的技術(shù)重點。
歐盟智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)路線圖如圖 5 所示。
由圖 5 可知：電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)將貫穿整個智能電網(wǎng)建設(shè)過程，這是電網(wǎng)智能化的基礎(chǔ)；智能電表是實現(xiàn)智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，智能電表的部署是一個長期的過程；實現(xiàn)需求響應(yīng)技術(shù)的集成、實現(xiàn)電動汽車的大規(guī)模應(yīng)用是相對較遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)。
歐盟和各國智能電網(wǎng)項目涉及的技術(shù)重點體現(xiàn)在以下幾個方面。
①各種提高電網(wǎng)可觀測性和可控性的自動化技術(shù)，如配電自動化等。這些技術(shù)的部署為適應(yīng)分布式能源并網(wǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
②智能電表的研發(fā)和部署。目前歐盟在智能電表部署上投資已超過 40 億歐元，意大利和瑞典分別為 21 億歐元和 15 億歐元，占比最高。據(jù)估計，到 2020 年，歐盟將部署智能電表 1.7 億~1.8 億塊，至少投入資金 300 億歐元。智能電表的效益主要來自節(jié)能和電力公司運行成本的降低(技術(shù)的和非技術(shù)的損耗)。其他潛在的效益來自實施需求響應(yīng)和提供新的增值服務(wù)。至于智能電表究竟該用什么樣的通信計算，取決于本地的具體情況。但就現(xiàn)在的情況看，最普遍的情況是將 PLC 和全球移動通信系統(tǒng)/ 通 用 分 組 無 線 業(yè) 務(wù) (global system of mobile communication/general packet radio service ,GSM/GPRS)相結(jié)合，前者用于智能電表集中器與變電站的連接，后者用于接入表計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，(measuring data management system，MDMS)。
③提高供電方和用電方的靈活性的各種技術(shù)，包含技術(shù)、市場和二者的集成三方面：
a）技術(shù)層面上，主要研究集中于如何通過部署分布式 ICT 系統(tǒng)(這一架構(gòu)應(yīng)是分布智能化/多代理的)，實現(xiàn)對虛擬電廠(virtual power plant，VPP)的管理(例如分布式能源接入后的電壓協(xié)調(diào)控制)，在這方面由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的控制和通信解決方案，需要利用專門定制的技術(shù)，導(dǎo)致成本很高，限制了參與者的廣泛性。需要就這種架構(gòu)的可擴(kuò)展性做大量的嘗試，特別是要考 慮到滿足實時電網(wǎng)數(shù)據(jù)和實時市場信號的傳送需求。
b）在市場方面，主要針對 VPP 的運行管理和實施需求響應(yīng)的市場機(jī)制和潛力，包括第三方參與模式。市場和監(jiān)管方面的問題是需要消除的關(guān)鍵障礙，需要解決各方如何分擔(dān)成本效益，如何使第三方的參與能得到合理的成本效益等問題。
c）第三方面是技術(shù)和市場的集成，亦即將技術(shù)和市場集成，驗證對 VPP 運行管理的可能性。目前處在示范階段，參與者很少，需要考慮到未來很多用戶參與時的可擴(kuò)展性。
④電動汽車。目前主要關(guān)注如何使充電設(shè)施及其信息通信系統(tǒng)能正常工作，今后需考慮到更為復(fù)雜的應(yīng)用，如 V2G 等。
⑤儲能技術(shù)及其應(yīng)用。從 2012 年開始，將新型儲能技術(shù)作為新的靈活源的研究得到了重視，并成為 2012 年項目的研究重點。
4）EEGI 項目。
EEGI 項 目 由 協(xié) 調(diào) 歐 洲 互 聯(lián) 電 網(wǎng) 規(guī) 劃 的ENTSO-E 和各國配電運營者(Distribution SystemOperator，DSO)發(fā)起，執(zhí)行期為 2010—2018 年。
EEGI 路線圖 1.0 版 2010 年 6 月獲得歐盟和成員國批準(zhǔn)，資金預(yù)算為 20 億歐元，現(xiàn)已下達(dá) 4 億歐元。路線圖 2.0(征求意見稿)發(fā)布于 2012 年 9 月，總結(jié)了項目的進(jìn)展情況，并對后續(xù)工作提出了建議。路線圖 2.0 認(rèn)為，針對歐洲 2020 年的 20-20-20發(fā)展目標(biāo)，研究工作仍顯滯后，為此，調(diào)整了 EEGI項目每年下?lián)苜Y金的額度，從 2014 年起資金投入由原來每年 700 萬歐元增加到每年 1.7 億歐元。路線圖還強調(diào)了研究工作的側(cè)重點：①提高電網(wǎng)靈活性的新技術(shù)、新設(shè)備的研究；②如何將已取得的研究成果予以推廣應(yīng)用。EEGI 項目的主要研究項目分為 3 類：第 1 類由輸電公司牽頭研究；第 2 類由配電公司牽頭研究：第 3 類則由輸電公司和配電公司合作研究。
①輸電公司牽頭承擔(dān)項目及其研究內(nèi)容如下：
a）大電網(wǎng)架構(gòu)及規(guī)劃。歐洲互聯(lián)電網(wǎng)擴(kuò)展方案規(guī)劃、未來歐洲互聯(lián)電網(wǎng)的規(guī)劃方法及規(guī)劃方案的實現(xiàn)(使公眾能接受規(guī)劃方案)。
b）電網(wǎng)新技術(shù)。增加電網(wǎng)靈活性的各種新技術(shù)研發(fā)和示范，創(chuàng)新性電網(wǎng)架構(gòu)的研究和示范，以及大規(guī)?？稍偕茉醇胁⒕W(wǎng)技術(shù)研究和示范。
c）電網(wǎng)運行。提高互聯(lián)電網(wǎng)可觀和可控的創(chuàng)新技術(shù)和新方法，在線穩(wěn)定裕度評估的新技術(shù)和新方法，提高互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)級協(xié)調(diào)能力的技術(shù)和方法，以及歐洲互聯(lián)電網(wǎng)可靠性評估新方法和新工具。
d）市場設(shè)計。歐洲互聯(lián)電網(wǎng)輔助服務(wù)和需求管理的市場工具，發(fā)電方式安排和阻塞管理工具，大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)情況下保證系統(tǒng)充裕度和運行效率的市場設(shè)計及其相關(guān)工具。
e）資產(chǎn)管理。電網(wǎng)資產(chǎn)壽命評估和最大化的方法，基于定量成本/效益分析優(yōu)化資產(chǎn)利用、延長設(shè)備壽命的方法和工具，資產(chǎn)管理新方法歐盟層面的示范。
②配電公司牽頭承擔(dān)項目及其研究內(nèi)容如下：
a）用戶側(cè)系統(tǒng)接入電網(wǎng)。用戶側(cè)系統(tǒng)靈活源的利用以及智能家居/用戶側(cè)能效。
b）分布式能源并網(wǎng)及其新應(yīng)用。小型分布式能源并入中低壓配電網(wǎng)，中型分布式能源并入高壓配電網(wǎng)，儲能并網(wǎng)及其運行管理，以及適應(yīng)電動汽車接入的配網(wǎng)架構(gòu)。
c）配電網(wǎng)運行。低壓配電網(wǎng)監(jiān)控，中壓配電網(wǎng)自動化和控制，配電網(wǎng)管理工具，以及智能電表數(shù)據(jù)管理。
d）配電網(wǎng)規(guī)劃和資產(chǎn)管理。配電網(wǎng)規(guī)劃新方法及配電網(wǎng)資產(chǎn)管理。
e）市場設(shè)計。市場設(shè)計分析的新方法
③輸、配電公司聯(lián)合承擔(dān)項目如下：
a）輸配電網(wǎng)協(xié)調(diào)管理和控制；
b）需求響應(yīng)參與輸配電網(wǎng)運行控制；
c）配電網(wǎng)提供的輔助服務(wù)；
d）輸配電網(wǎng)安全防御。
5）標(biāo)準(zhǔn)化工作。
歐洲的 3 個標(biāo)準(zhǔn)化組織(歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(Comité Européen de Normalisation，CEN)、歐洲電工委員會(European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELE)、歐洲電信協(xié)會(EuropeanTelecommunications Standards Institute，ETSI)組成的聯(lián)合工作組負(fù)責(zé)制定歐洲智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。聯(lián)合工作組于 2010 年 12 月發(fā)布了歐洲智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化研究報告 1.0 版，2011 年 6 月發(fā)布了最終報告(《Final report of the CEN/CENELE/ETSIJoint Working Group on Standards for Smart Grids》)，對歐洲智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作提出了建議。隨后，聯(lián)合工作組轉(zhuǎn)變?yōu)槌ＴO(shè)組織——智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)工作組(Smart Grid Coordination Group，SGCG)，繼續(xù)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和引導(dǎo)歐洲智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。SGCG 和 NIST 曾簽訂合作協(xié)議、發(fā)布白皮書，有意通過合作，共同主導(dǎo)國際智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。SGCG 于 2012 年 10 月完成研究報告(《First Set of Standards Version1.1》)初稿，識別出首批需要制修訂的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化重點可歸結(jié)為2 個方面：①制定電動汽車和電表的歐洲標(biāo)準(zhǔn)；②向 IEC 等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出建議，將歐洲的需求和技術(shù)反映在國際標(biāo)準(zhǔn)中并發(fā)揮主導(dǎo)作用。
6）需要克服的障礙。
JRC 的研究報告認(rèn)為，目前智能電網(wǎng)技術(shù)部署面臨的主要障礙來自監(jiān)管、政策方面，而非技術(shù)因素。主要障礙是：
1）現(xiàn)有技術(shù)之間缺乏互操作性，互操作標(biāo)準(zhǔn)制定工作滯后于發(fā)展需要。
2）在智能電網(wǎng)新應(yīng)用中，角色和職責(zé)存在不確定性，各方成本效益的分?jǐn)偛淮_定，因此帶來商業(yè)模式的不確定，相關(guān)的監(jiān)管機(jī)制與智能電網(wǎng)發(fā)展不相適應(yīng)。
3）缺乏調(diào)動用戶參與積極性的機(jī)制和措施。除政策和標(biāo)準(zhǔn)方面存在著需要克服的障礙外，持續(xù)的資金保障也令人擔(dān)憂。根據(jù) Pike Research 的估算，歐洲建設(shè)智能電網(wǎng)需要的資金巨大，到 2020年歐盟國家在智能電網(wǎng)上的投資將達(dá)到 560 億歐元，其中輸電環(huán)節(jié)占37%。2007—2030需投資15000億投資，包括電網(wǎng)設(shè)施更新。受歐貸危機(jī)的影響，發(fā)展速度和資金投入存在著一定的不確定性。
中國
1）相關(guān)政策。
中國政府在 2009 年向全球承諾，到 2020 年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值 CO2排放比 2005 年下降 40%~45%；非化石能源占一次能源比重達(dá)到 15%。為此，中國政府相繼出臺了一系列支持可再生能源發(fā)展和節(jié)能降耗的政策。此外，在 2010 年和 2011 年政府工作報告中都提出了“加強智能電網(wǎng)建設(shè)”，并將智能電網(wǎng)建設(shè)納入國家國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要中。這表明，智能電網(wǎng)已作為國家戰(zhàn)略予以推進(jìn)實施。
智能電網(wǎng)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作也得到了國家科技部、國家能源局和國際標(biāo)準(zhǔn)委員會的大力支持。2012 年 5 月，國家科技部發(fā)布《智能電網(wǎng)重大科技產(chǎn)業(yè)化工程“十二五”專項規(guī)劃》，明確提出了“十二五”期間智能電網(wǎng)科技發(fā)展思路與原則，確立了總體發(fā)展目標(biāo)，部署了九項重點任務(wù)。該規(guī)劃是智能電網(wǎng)正式納入國家“十二五”規(guī)劃綱要以來，國家部委層面發(fā)布的首個關(guān)于智能電網(wǎng)的相關(guān)規(guī)劃，對明確智能電網(wǎng)發(fā)展思路具有重要價值及指導(dǎo)意義。2013 年 3 月 11 日，科技部和發(fā)改委印發(fā)《“十二五”國家重大創(chuàng)新基地建設(shè)規(guī)劃》，將智能電網(wǎng)與特高壓入圍國家重大創(chuàng)新基地建設(shè)。
2）主要成果。
國家電網(wǎng)公司是國內(nèi)智能電網(wǎng)的主要推動者和建設(shè)者，也是其服務(wù)區(qū)域智能電網(wǎng)建設(shè)的投資者。
國家電網(wǎng)公司組織編制了電網(wǎng)智能化規(guī)劃并完成修編，編制了智能電網(wǎng)全面建設(shè)行動計劃，形成《智能電網(wǎng)全面建設(shè)行動計劃總報告》和 16 個專項分報告，提出了智能電網(wǎng)全面建設(shè)的基本原則、工作思路和重點工作。組織完成新一輪堅強智能電網(wǎng)戰(zhàn)略研究，形成《堅強智能電網(wǎng)戰(zhàn)略研究總報告》、7 個專題報告和 5 個分報告的系列成果，闡明了堅強智能電網(wǎng)對節(jié)能減排、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、資源配置的促進(jìn)作用，提出了智能電網(wǎng)國際化發(fā)展戰(zhàn)略和對外傳播方法，豐富和深化了堅強智能電網(wǎng)戰(zhàn)略理論體系。組織 26 個省公司開展堅強智能電網(wǎng)與地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略研究工作，加強與地方政府的溝通交流，取得了政府的廣泛支持，建設(shè)智能電網(wǎng)被寫入上海、安徽、河南、重慶等省市的“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要。2009 年以來，國家電網(wǎng)公司全面啟動了堅強智能電網(wǎng)研究和實踐工作，結(jié)合各地區(qū)電網(wǎng)特點，開展智能電網(wǎng)試點項目建設(shè)，累計安排 32 類 303 項，已建成試點項目 29 類269 項，試點范圍覆蓋了國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)的 26 個省(自治區(qū)、直轄市)，涵蓋了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度 6 大環(huán)節(jié)和通信信息平臺。2010 年進(jìn)入全面建設(shè)階段后，根據(jù)技術(shù)成熟度和應(yīng)用情況，陸續(xù)選擇了智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)、配電網(wǎng)自動化、用電信息采集等 14 類項目進(jìn)行推廣建設(shè)。
通過智能電網(wǎng)試點及推廣建設(shè)，取得了 8 個方面的重要成果：
①先后建成 3 個世界上電壓最高、容量最大的特高壓交、直流工程，已累計送電超過 800 億 kW h。
②取得多項大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，支撐了新能源的開發(fā)、消納和行業(yè)發(fā)展。經(jīng)營區(qū)域內(nèi)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)已超過 6000 萬 kW。
③一批智能輸電技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了輸電業(yè)務(wù)的精益化管理和電網(wǎng)安全運行決策。已在 15個省完成了輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)部署。
④開展了兩代智能變電站的持續(xù)實踐。在兩批共 74 座試點工程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級原有智能變電站技術(shù)方案，大幅優(yōu)化主接線及平面布局，構(gòu)建一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)并深化高級應(yīng)用功能。已新建并投運智能變電站 500 多座，研制成功多項關(guān)鍵設(shè)備并得到規(guī)模應(yīng)用；6 個 110 和 220kV 電壓等級新一代智能變電站示范工程技術(shù)方案已得到實踐驗證，預(yù)計 2013 年底投運。
⑤配電自動化加速推廣應(yīng)用，在配電網(wǎng)自愈控制等方面取得進(jìn)展，在 64 個城市核心區(qū)建設(shè)配電自動化系統(tǒng)，提升了配電網(wǎng)的智能化運行水平。
⑥累計實現(xiàn) 1.55 億戶用電信息采集，構(gòu)建了大規(guī)模的 AMI 系統(tǒng)，支撐了智能用電服務(wù)的提升。
⑦電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全面推進(jìn)，在26 個省區(qū)建成投運了電動汽車充換電站 360 座、充電樁 15 333 個，帶動了電動汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
⑧智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)全面推廣應(yīng)用，建成投運了 31 個省級以上的智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)，提升了大電網(wǎng)安全運行水平。
3）標(biāo)準(zhǔn)化工作。
2009 年，國家電網(wǎng)公司啟動智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究，2010 年 6 月發(fā)布《堅強智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃》，8 月發(fā)布英文版 SGCC Frameworkand Roadmap for Strong and Smart Grid Standards。建立了由綜合與規(guī)劃、發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度、通信信息 8 個專業(yè)分支、26 個技術(shù)領(lǐng)域、92 個標(biāo)準(zhǔn)系列組成的智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
“十一五”以來，國網(wǎng)公司結(jié)合試點工程建設(shè)，組織編制智能電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 220 項；編制國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 841 項，有效支撐中國智能電網(wǎng)技術(shù)逐步實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用 。
國家電網(wǎng)在參與 IEC、IEEE 智能電網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)研究和制定中也發(fā)揮了重要的作用，顯著提高了中國在智能電網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)工作中的話語權(quán)和影響力。
4）需要克服的障礙。
①歐美國家的智能電網(wǎng)是國家戰(zhàn)略，得到國家的立法保證。中國政府雖然將發(fā)展智能電網(wǎng)列入“十二五”規(guī)劃，但對其發(fā)展的方針和政策尚無明確的法律法規(guī)，增加了智能電網(wǎng)建設(shè)的不確定性和分散性，降低了智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略地位。②智能電網(wǎng)建設(shè)需要大量的投資，應(yīng)由政府主導(dǎo)，并帶動全社會共同參與投資，形成智能電網(wǎng)投資的分?jǐn)倷C(jī)制，但目前中國的智能電網(wǎng)投資方是電網(wǎng)公司。由于電網(wǎng)投資規(guī)模大、回收周期長，短期效益不明顯，給電網(wǎng)公司造成較大的壓力。
③在政策方面，尚未建立可支持智能電網(wǎng)技術(shù)大規(guī)模部署的市場機(jī)制，如電動汽車發(fā)展、需求響應(yīng)的實施都需要建立相應(yīng)的市場機(jī)制和商業(yè)模式，而中國由于缺乏用戶側(cè)電價，對用戶參與電網(wǎng)運行管理造成了障礙。
發(fā)展趨勢
智能電網(wǎng)被看作是一個不斷演變的生態(tài)系統(tǒng)，新技術(shù)的發(fā)展，政策、市場機(jī)制的調(diào)整及標(biāo)準(zhǔn)的形成都將對智能電網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。
1）智能電網(wǎng)的概念正在得到不斷的擴(kuò)展。在智能電網(wǎng)基礎(chǔ)上，智能能源系統(tǒng)、智能社區(qū)、智能城市等新概念被提出，將能源系統(tǒng)從電力擴(kuò)展到水、油、氣，將智能化從能源系統(tǒng)擴(kuò)展到醫(yī)療、交通、安防等方面。此外，美國 GE 公司提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將智能化的機(jī)器、人腦和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，也與智能電網(wǎng)也有著密切的聯(lián)系。這些新概念的研究目前剛剛開始。
2）信息通信技術(shù)和新能源技術(shù)的發(fā)展及其融合對智能電網(wǎng)的發(fā)展有著最重要的影響。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用，已受到了全球范圍的廣泛重視。物聯(lián)網(wǎng)、云計算的研究已有一定的基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)的理論尚不完善，學(xué)術(shù)流派正在形成，大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用價值被看好，但深入系統(tǒng)的研究尚未開展。
3）儲能技術(shù)的突破對電動汽車的發(fā)展有著重要的影響，而儲能技術(shù)和電動汽車的大規(guī)模應(yīng)用又將對智能電網(wǎng)的形態(tài)產(chǎn)生很大的影響。2009 年以來，中國、歐美、日本都加大了儲能技術(shù)的研究力度，特別是對低成本、大容量、長壽命、高效率的電池的研究。
4）歐美國家近期的工作重點在于通過智能化技術(shù)的應(yīng)用，在盡量減緩?fù)顿Y的情況下，應(yīng)對新能源并網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)。對于中遠(yuǎn)期(2030—2050)的電網(wǎng)發(fā)展的研究工作也已啟動，歐盟提出了超級電網(wǎng)的設(shè)想，啟動了歐洲與北非能源數(shù)據(jù)映射體系的建設(shè)工作，為與北非相連形成超級電網(wǎng)展開前期研究。美國風(fēng)能協(xié)會 2008 年提出通過直流“背靠背”將全美交流 765kV 電網(wǎng)互聯(lián)，形成超級電網(wǎng)；美國德州提出采用多端直流技術(shù)及高溫超導(dǎo)輸電實現(xiàn)東西部電網(wǎng)互聯(lián)。中國國家電網(wǎng)提出了采用特高壓輸電技術(shù)形成洲際聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想，并進(jìn)行了初步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。為實現(xiàn)未來超級電網(wǎng)、洲際聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，特高壓輸電技術(shù)、超導(dǎo)輸電技術(shù)或其他新的輸電技術(shù)或?qū)⒌玫酱笠?guī)模的發(fā)展和應(yīng)用，電網(wǎng)的規(guī)模和形態(tài)也將發(fā)生重大的改變。
結(jié)束語
1）大力發(fā)展新能源是世界各國解決能源短缺和環(huán)境污染問題的主要手段之一。然而，由于新能源的隨機(jī)性及波動性，大量新能源電力的集中或分布接入電網(wǎng)，會給傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全性及可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電網(wǎng)只有轉(zhuǎn)變發(fā)展成為智能電網(wǎng)才能應(yīng)對這些新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展智能電網(wǎng)成為近來世界電力工業(yè)發(fā)展的主要趨勢。然而，由于各國能源結(jié)構(gòu)和分布及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相互差異，發(fā)展智能電網(wǎng)的初始起點及發(fā)展路線圖自然也會不完全相同，各國對智能電網(wǎng)的理解也就不完全相同。雖然如此，在智能電網(wǎng)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、安全等特性的認(rèn)識方面，各國看法基本相同。
2）中國風(fēng)電、光伏等新能源近年來發(fā)展迅猛。一方面，八大千萬千瓦級風(fēng)電基地正在加快建設(shè)，呈現(xiàn)大規(guī)模、集約化的開發(fā)的特點；另一方面，分布式新能源及其他形式的發(fā)電方式方興未艾，未來存在爆發(fā)式增長的可能。隨著用戶側(cè)、配網(wǎng)側(cè)分布式電源的快速發(fā)展，尤其是隨著屋頂太陽能發(fā)電、電動汽車的大量使用，電網(wǎng)中電力流和信息流的雙向互動不斷加強，對電網(wǎng)運行和管理水平提出了更高的要求。智能電網(wǎng)也是中國電網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)在需求。
3）中國在智能電網(wǎng)的發(fā)展環(huán)境和基礎(chǔ)方面與歐美存在著明顯的不同，包括電網(wǎng)發(fā)展階段、負(fù)荷特點、電力市場和監(jiān)管機(jī)制、能源分布特點等。這些差異主要來自于中國資源分布及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等等不同于國外，發(fā)展起點不同，由此導(dǎo)致中國與歐美國家在智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)側(cè)重點方面出現(xiàn)較大差異。
4）中國一次能源分布及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡性，決定了資源大規(guī)模跨區(qū)域調(diào)配、全國范圍優(yōu)化配置的必然性。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求持續(xù)快速增長，就地平衡的電力發(fā)展方式與資源和生產(chǎn)力布局不均衡的矛盾日益突出。缺電與窩電現(xiàn)象并存，跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)建設(shè)滯后，區(qū)域間輸送及交換能力不足，電力資源配置范圍和配置效率受到很大限制，更大范圍優(yōu)化資源配置能力亟待提高。為促進(jìn)能源資源的優(yōu)化配置，提升電網(wǎng)接納清潔能源的能力，滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需求，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展、具有“信息化、自動化、互動化”特征的堅強智能電網(wǎng)。這是符合電力工業(yè)的發(fā)展規(guī)律和中國的具體情況的。
5）同傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)需要能夠有效應(yīng)對復(fù)雜多變的系統(tǒng)工況。新技術(shù)的突破，政策和機(jī)制的調(diào)整，商業(yè)模式和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形成，對智能電網(wǎng)的發(fā)展將產(chǎn)生重大的影響。在這一長期的發(fā)展過程中，應(yīng)重視如下幾方面的工作。
①持續(xù)跟蹤研究歐美等發(fā)達(dá)國家智能電網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r。充分借鑒其經(jīng)驗教訓(xùn)，以期在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中少走彎路，同時也有利于中國智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)國際化工作以及其在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的國際合作和技術(shù)輸出。
②歐美國家在智能電網(wǎng)的系統(tǒng)工程方法、架構(gòu)體系研究、技術(shù)產(chǎn)品功能設(shè)計和效益分析、商業(yè)模式設(shè)計與實證研究等方面有著比較深厚的研究基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗，中國應(yīng)加強這方面的研究和實踐。
③在影響智能電網(wǎng)發(fā)展的一些基礎(chǔ)研究和新技術(shù)開發(fā)方面應(yīng)加強科研支持力度，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、儲能技術(shù)等。
④應(yīng)進(jìn)一步確立智能電網(wǎng)的國家戰(zhàn)略地位，由政府主導(dǎo)，頒布相關(guān)法規(guī)、給予充分的資金支持、建立相應(yīng)的政策機(jī)制，吸引全社會參與，持續(xù)推動中國智能電網(wǎng)發(fā)展。
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