美国智能电网建设概述

美国智能电网建设概述

《中国计算机报》记者姜洋

国际金融危机爆发以来，美国把新能源产业发展提升到了前所未有的高度。智能电网（Smart Grid）建设更是被奥巴马政府选择为刺激美国经济振兴的核心主力和新一轮国际竞争的战略制高点。

智能电网成美国经济新增长点

根据美国2007年12月通过的《能源独立和安全法案》（EISA）第1305节的描述，智能电网是一个涵盖现代化发电、输电、配电、用电网络的完整的信息架构和基础设施体系，具有安全性、可靠性和经济性三个特点。通过电力流和信息流的双向互动（two-way），智能电网可以实时监控、保护并自动优化相互关联的各个要素，包括高压电网和配电系统、中央和分布式发电机、工业用户和楼宇自动化系统、能量储存装置，以及最终消费者和他们的电动汽车、家用电器等用电设备，以实现更智慧、更科学、更优化的电网运营管理，并进而实现更高的安全保障、可控的节能减排和可持续发展的目标。

与传统电网相比，美国能源部（DOE）认为，智能电网具有七大不同功能：

一是鼓励消费者在知情情况下的高度参与。在智能电网中，用户要么改变以往的用电习惯，要么为高峰负荷时用电而承担高昂的电价。而用户的节能行为和通过网络电量计量向电网卖电的行为将得到相应的补偿。这样，企业用户及个人用户等能源消费者会选择最合适自己的供电方案和电价，既可以减少用户的整体电费开支，又可以降低电网设备容量，减少电网工程造价。美国能源部西北太平洋国家实验室2008年的一项调查结果表明，利用智能电网技术监控并调整家中能耗后，家庭用户每年的电费平均降低了10%；如果智能电网得到广泛部署的话，每年能够将公用电网高峰负载降低15%，相当于超过100千兆瓦的电量。而为了获取这些电量，在美国未来20年内就需要建设100座大型燃煤发电厂，也就是说，通过对电网的智能化改造，未来20年美国将节省新电厂和电网投资达2000亿美元，相当于减少了3000万路面行驶车辆。

二是能够适应所有的电源种类和电能储存方式。智能电网允许即插即用地连接任何电源和电能储存设备。智能电网不仅支持传统型电力，同时也能够无缝连接燃料电池、可再生能源以及其他分布式的地方或区域性发电技术。这种对小规模、地方化或就地发电形式的融合，能够有效提升电网可靠性和电能质量，减少电力成本并为消费者提供更多选择。

三是支持新产品、新服务的开发，刺激经济发展。有专家预计，如果完成电网智能化改造，美国消费者每年可节省的电力成本将高达5000亿美元。目前美国大约有1.5亿块电表，如果包括计算机、变压器、传感器和网络系统的投资在内，智能电网建设将拉动超过1万亿美元以上的投资。再加上智能电网之后的超导电网改造和可再生能源领域的变革，美国的电网变革将衍生成为一场跨行业、跨越式的新技术革命，它将引起电力、IT等行业的深度裂变，同时导致建筑业、汽车业、新材料行业、通信行业等多个产业的重大变革，并催生出一系列新兴产业。该专家预计，这场新技术能源产业革命在未来5～8年内会形成20万～30万亿美元的产业规模。思科公司的研究显示，美国智能电网将带来1000亿美元商机，其中通讯部分为200亿美元。

四是提供适应21世纪数字经济发展需求的电能质量。停电和电能质量问题平均每年给

美国商业造成的损失超过1200亿美元。而智能电网可以提供清洁的、可靠的电力供应，断电概率更低。更加重要的是，智能电网可更高效地利用能源，降低能源消耗。美国能源部研究发现，如果能在非高峰期用电的话，电网闲置的生产能力就可为轿车和轻型卡车提供70%的能源需求。而随着电网进入计算机时代，现代化的数字电网将使美国减少一半的石油进口，减少二氧化碳排放量的25%，减少城市空气污染物排放量的40%～90%。

五是优化电力资源调配，提高电网营运效率。研究表明，美国现有电力资源没有被充分利用，分配严重失衡。每年负荷最高峰的时间大约是400小时，只占全年发电和配电量的5%，但这5%的用电高峰却占用了25%的配电资源和10%的发电资源。智能电网应用最新的技术，可最大限度地应用已有设备，协调当地配电状况与跨区域的、不同输电线路的拥堵状况，提高现有电网资产的使用率，减少电网堵塞和瓶颈，并最终达到为用户节约成本的目的。在美国，发电约占人为二氧化碳排放的40%。即使目前电网的效率只提高了5%，由此产生的能源节约等于减少了5300万辆汽车的燃料消耗和温室气体排放。

六是通过自动检测、控制和修复来预防系统事故故障。智能电网可以快速发现电网故障并做出反应，迅速解决或减少停电时间和经济损失。比如在设计上使用互联拓扑结构，可以将输电线路故障对终端用户的影响降低为零。

七是可在自然及人为事故下保持平稳运行。智能电网嵌入各种传感器、摄像头、自动开关等设备，不论是对变电站、电线杆等物理设备的攻击，还是对软件、通信等信息系统的攻击，智能电网都能够进行自动抵抗和自我恢复。比如隔离受影响区域并重新分配受损设备周围的电流等。

此外，智能电网建设还可创造大量的就业机会。2008年11月，美国政府智囊机构——信息技术创新基金会在与IBM公司共同提交的研究报告中指出，投资100亿美元建设可提高供电效率的智能电网和密切监控电力行业输变电设备，可创造23.9万个工作岗位。美国智能电网联盟（Gridwise Alliance）2009年1月发布了联盟成员——荷兰KEMA公司撰写的《智能电网就业报告》（The Smart Grid Jobs Report）。报告预计，在未来四年内，联邦投资智能电网160亿美元可拉动智能电网一期项目（Smart Grid1 Projects）640亿美元的投资，并可直接创造出28万个新的就业机会，其中，到2009年底将创造出超过15万个就业岗位。而在智能电网项目完成后，将有近14万个新的就业机会永久存在。报告同时认为，太阳能等分布式可再生能源、即插即拔式电动车等行业也将创造出大量间接的“绿色就业机会”。

当前美国智能电网建设进展

尽管最终的路线图目前仍不清晰，但在政府的强力支持下，美国智能电网建设已在稳步推进中。主要体现在政策、标准、应用三个领域。

在政策方面，2009年1月，奥巴马政府将智能电网作为其新能源经济“救市计划”中至关重要的组成部分，并制定了雄心勃勃的短期和长期目标：到2012年，实现可再生能源发电占到总发电量的10%，到2025年，这一数字将达到25%。奥巴马宣称，将铺设或更新3000英里输电线路，在未来三年内为美国家庭安装4000万个智能电表。在随后于2月颁布的总投资达7870亿美元的“美国经济重建和再投资计划”（The American Recovery and Reinvestment Act）中，联邦财政在清洁能源和效能项目上的投入超过400亿美元，智能电网获得了其中投入最大的一笔资金110亿美元。

2009年4月，美国副总统拜登又公布了一项总数约40亿美元的智能电网投资资助计划，

以协助电网管理者转变运行方式、增加储能以及加快风能、太阳能等可再生资源与电网的集成。其中，智能电网拨款项目（Smart Grid Investment Grant Program）总投资33.75亿美元。根据计划，能源部将为智能电网技术开发项目提供50万～2000万美元不等的资助，为智能监控仪器开发项目提供10万～500万美元不等的资助。该项目还将为电力公用事业和其他机构实施智能电网技术的投资计划提供最高50%的资金匹配。

智能电网示范项目（Smart Grid Demonstration Projects）总投资6.15亿美元。能源部确定了三个示范领域：一是智能电网地区示范，对智能电网成本和收益进行量化，验证技术可行性和新的商业模式。二是公用事业规模储能示范，包括与先进蓄电池系统、超级电容器、飞轮和压缩空气储能系统相关的技术，风电和光伏发电集成和电网阻塞疏导的应用。三是电网监控示范，鼓励高分辨率同步相量测量单元（PMU）的安装和联网。能源部规定，上述每个示范项目必须与拥有电网设施的电力公用事业机构合作开展，鼓励由产品和服务供应者、终端用户、州和市级政府组成联合开发团队，同时项目承担方须分担至少50%非联邦资金。

2009年5月，能源部又宣布对参与智能电网建设的硬件和软件企业提供1000万美元资助，智能电网投资项目资助最多可达2亿美元，较原来提高10倍。智能电网示范项目的资助也从4000万美元提高到1亿美元。

此外，每年美国政府的财政预算中都有6000万～7000万美元用于支持电力技术研发工作。美国国家科学基金会还在2008年9月建立了未来可再生电能传输和管理（FREEDM）系统中心。这是一个研究即插即用型一体化分布发电和蓄电技术的工程研究中心，主要研究方向为应用宽能隙电力电子技术控制并保护电网。

在标准方面，美国负责智能电网标准制定的机构有15家，包括美国国家标准与技术研究所（NIST）、美国电力研究所（EPRI）、美国电气电子工程师学会（IEEE）、美国国际电工委员会（IEC）、美国机动车工程师学会（SAE）、美国国家可再生能源实验室（NREL）等。其中，美国国家标准与技术研究所承担“智能电网互操作性框架”（Smart Grid Interoperability Framework）项目，全面负责美国智能电网标准的制定，项目总金额为1000万美元；美国电气电子工程师学会主要致力于互通入网、计量设备的接入（如智能电表）和时间同步性的标准制定；美国机动车工程师学会主要关注机动车接入智能电网的标准；美国国际电工委员会主要负责信息自动化的模式和环境标准的制定等。

2009年3月，美国联邦能源管理委员会（FERC）发布了智能电网政策声明与行动计划提议（Smart Grid Policy）。联邦能源管理委员会认为，应主要通过以下四个方面实现智能电网的标准治理。

信息安全（Cybersecurity）：要能够保证可互操作性标准与协议能够与所有现行的可靠性标准保持一致，如与现有的关键基础架构保护（CIP）标准等的兼容。联邦能源管理委员会同时还提出了智能电网技术必须解决的其他问题，如通信数据的完整性、智能网格设备的物理保护、防止未经授权者使用等。

系统间通信和协调能力（Inter-system Communication and Coordination）：要开发通用框架标准和通信软件模型，以使智能电网各组成部分能够在巨大的能源系统中顺畅地通信。

广域情景意识（Wide-Area Situational Awareness）：互联的系统要能够彼此实时可见，且保证可靠的相互协调性。要保证电力系统的工作人员拥有必要的设备和技术，可以完整地

看到整个系统并进行有效地监控和操作，还要能够分析系统中出现的异常情况和事故等问题并有效地解决。各个区域性转送组织（RTO）之间要具有良好的通信和协同能力，联邦能源管理委员会鼓励区域性转送组织在这方面起主导作用。

传统电力系统与高新技术之间的协调（Coordination of Bulk Power Systems with New and Emerging Technologies）：技术与标准要能够帮助引入或者扩展可再生资源、响应需求和电能存储技术，以解决电力系统运营的问题，顺应技术发展的趋势。

除此之外，联邦能源管理委员会还要求智能电网的开发信息要与能源部的智能电网研究信息进行共享、在设计时要考虑电网的后续升级、公共事业机构要优先使用智能电网技术等。

在联邦能源管理委员会加快智能电网标准制定进程的提议下，2009年4月，美国国家标准与技术研究所与美国电力研究所宣布，将共同制定智能电网的结构和制定初步的关键性标准，并于今年底向联邦能源监管委员会上交标准建议书。5月，美国商务部和能源部共同发布了第一批16个智能电网的行业标准，标志着美国政府正式启动了智能电网项目。成立于2009年3月的美国电气电子工程师学会智能电网标准制定小组（IEEE P2030）也于同月启动了一项名为《IEEE P2030指南：能源技术及信息技术与电力系统（EPS）、最终应用及负载的智能电网互操作性》的标准制定项目，并于6月召开了首次会议讨论了这份智能电网指南。

在应用方面，美国智能电网技术将主要应用在智能电网平台、电网监控和管理、智能计量、需求方管理、集成可再生能源、充电式油电混合车或全充电式汽车电网等方面。

早在2008年8月，美国科罗拉多州的波尔得（Boulder）就完成了智能电网的第一期工程，成为全美第一个智能电网城市。波尔得的每户家庭都安装了智能电表，人们不仅可以直观地了解即时电价，从而错开用电量和电价的峰平谷阶段，还可以优先使用风电和太阳能等清洁能源。变电站可收集到每家每户的用电情况，一旦出现问题，可以重新配备电力。目前，美国政府已经在多个州开始设计智能电网，从2003年开始一直致力于智能电网研究的得克萨斯州首府奥斯汀市已开始试运行智能电网。

此外，通用、Xcel、IBM、西门子、谷歌、英特尔、思科等企业都积极加入到美国智能电网建设中，并展开了激烈的竞争。IBM将自己的软件和服务器应用到智能电网系统之中，参与各地的智能电网建设。思科主攻链接计量器、转化器、数字化电站、发电厂之间的网络系统。通用生产计量器和部分相关软件。美国最大电力供应公司之一的Xcel在2008年3月在波尔得智能电网建设上投资了1亿美元。谷歌2009年2月已开发成功利用电表节约电费的应用软件PowerMeter，并在员工家庭试用。