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美國電網(wǎng)正經(jīng)歷著巨大的變革，包括鼓勵(lì)可再生能源和分布式能源發(fā)展政策推動(dòng)下的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，重視極端天氣過后的恢復(fù)以及電力用戶和商家越來越多的參與到能源管理和生產(chǎn)中?！?009年美國復(fù)蘇與再投資法案》頒布后，自2010年以來，超過90億美元的大型公共和私人投資加快了先進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)的部署，提供了有關(guān)技術(shù)成本和收益的真實(shí)數(shù)據(jù)以及最佳實(shí)踐。上述部署的成效正在逐漸顯現(xiàn)，電網(wǎng)運(yùn)行、能源效率、資產(chǎn)利用率和可靠性都在逐步改善。
智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多方面進(jìn)步
智能電網(wǎng)包括先進(jìn)的通信、控制技術(shù)應(yīng)用和電力輸送基礎(chǔ)設(shè)施，其技術(shù)正在全部電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用，包括輸電、配電和基于消費(fèi)者的終端系統(tǒng)。其中，先進(jìn)測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)，包括智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)和信息管理系統(tǒng)，正在提高公共事業(yè)的運(yùn)作效率，為電力客戶提供信息以更有效地控制能源消費(fèi)。據(jù)估計(jì)，截止到2015年，美國將安裝6500萬個(gè)智能儀表，超過電力客戶的1/3。
基于消費(fèi)者的技術(shù)，比如住宅用戶的可編程通信控制器以及商業(yè)和工業(yè)用戶的建筑能源管理系統(tǒng)，與智能電表共同使用，為消費(fèi)者提供了能源的使用數(shù)據(jù)。在美國俄克拉荷馬州天然氣與電力公司，AMI與家用終端顯示技術(shù)相結(jié)合，大大降低了電站的峰值需求。
智能電網(wǎng)應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、隔離錯(cuò)誤，從而減少故障，動(dòng)態(tài)地優(yōu)化電壓和無功功率，提高用電效率、監(jiān)測(cè)并指導(dǎo)維修。2012年7月5日，美國查特怒加市曾遭受嚴(yán)重風(fēng)暴襲擊，但很快通過使用自動(dòng)饋電開關(guān)恢復(fù)了一半居民的供電。此外，公用事業(yè)正在升級(jí)和整合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而提高電網(wǎng)合并運(yùn)行的效率。
先進(jìn)的傳感器和高速通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用提高了高壓變電站和整個(gè)輸電網(wǎng)的檢測(cè)能力和控制運(yùn)行能力。同步相量技術(shù)通過相量測(cè)量單元在整個(gè)輸電網(wǎng)的應(yīng)用，使數(shù)據(jù)傳輸速度提高了100倍，并且使電網(wǎng)運(yùn)營商能確定和校正系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，增大電力傳輸量。
西部電力協(xié)調(diào)委員會(huì)已確定，使用同步相量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可將加利福尼亞州—俄勒岡州電力網(wǎng)的電流大幅提高，在沒有任何新高電壓投資的情況下，預(yù)計(jì)40年可降低3500萬~7500萬美元的能源成本。美國復(fù)蘇和再投資法案在同步相量技術(shù)方面的投資也將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)相量測(cè)量單元從2009年的166增加到2015年的1000。
智能電網(wǎng)技術(shù)的采用率在美國并不平衡，在很大程度上取決于各州的政策、獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制及公共事業(yè)部門的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)水平。公用事業(yè)機(jī)構(gòu)、消費(fèi)者和社會(huì)充分接受智能電網(wǎng)技術(shù)、評(píng)估技術(shù)的成本和收益都需要一段時(shí)間。不過，在部署了智能電網(wǎng)的地區(qū)，提高運(yùn)行效率、能源利用率和可靠性已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。
此外，電力輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新功能需要智能電網(wǎng)技術(shù)，這些功能是原有電網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到的?，F(xiàn)代電網(wǎng)變得更加復(fù)雜，需要解決輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)中可再生能源利用、來自分布式能源及其他資源的雙向電力流動(dòng)、消費(fèi)者和商業(yè)機(jī)構(gòu)積極管理和發(fā)電、內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)下的先進(jìn)通信與控制技術(shù)等問題。
智能電網(wǎng)系統(tǒng)包括用以協(xié)調(diào)多樣電網(wǎng)進(jìn)程的數(shù)字傳感、通信、控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。更智能的電網(wǎng)還包括信息技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用，用于處理新數(shù)據(jù)，并使得公用事業(yè)機(jī)構(gòu)能夠更有效、更動(dòng)態(tài)地管理電網(wǎng)運(yùn)行。通過智能電網(wǎng)系統(tǒng)所提供的信息，客戶也能夠?qū)δ茉词褂梅绞阶龀雒髦堑倪x擇。
在2010年~2013年期間，美國電力行業(yè)總計(jì)花費(fèi)了180億美元用于智能電網(wǎng)技術(shù)部署。全美國的年度智能電網(wǎng)支出在2011年的時(shí)候創(chuàng)下了新高，為52億美元，符合高峰期部署的支出。2014年，全美國的年度智能電網(wǎng)支出則減少到了預(yù)計(jì)的25億美元。投資減少的原因主要是先進(jìn)的測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施的花費(fèi)減少了。然而，根據(jù)行業(yè)分析師的預(yù)計(jì)，智能電網(wǎng)分配系統(tǒng)的年度花費(fèi)量仍然會(huì)逐漸增多，由2011年的12億美元預(yù)計(jì)會(huì)增加到2017年的19億美元，而先進(jìn)的測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施的花費(fèi)仍然會(huì)降低。
截至2013年3月，在ARRA框架下，智能電網(wǎng)撥款計(jì)劃中公共和私人聯(lián)合支出總額為63億美元，是ARRA投資中最大的部分。2009年~2015年，美國能源部和電力行業(yè)將為智能電網(wǎng)撥款計(jì)劃投資超過79億美元，涉及200多家電力企業(yè)和其他組織，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全、提高互操作性、收集影響智能電網(wǎng)運(yùn)營和收益的實(shí)用性資料。在同一時(shí)間內(nèi)，額外的16億美元將撥款到成本分?jǐn)偦鹬?，用來支持?chǔ)能示范和區(qū)域示范，以評(píng)估新興的智能電網(wǎng)。另外還有1億美元的聯(lián)邦資金，用來支持52項(xiàng)智能電網(wǎng)職工培訓(xùn)項(xiàng)目。
跨領(lǐng)域發(fā)展智能電網(wǎng)技術(shù)
智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用增加了傳統(tǒng)公用事業(yè)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)。每個(gè)智能電網(wǎng)應(yīng)用都要求有各自的帶寬和延遲時(shí)間，這需要公用事業(yè)機(jī)構(gòu)使用不同的通信技術(shù)。這些技術(shù)可以被部署在現(xiàn)有的公共網(wǎng)絡(luò)，這種方式較為經(jīng)濟(jì)和普遍，還可以部署在有許可的專用網(wǎng)絡(luò)。
雖然一些公用事業(yè)機(jī)構(gòu)在使用專用通信網(wǎng)絡(luò)，但是較低的成本和較高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)正在令公共網(wǎng)絡(luò)受到公用事業(yè)機(jī)構(gòu)的青睞。近日，公眾蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商紛紛下調(diào)AMI通信的每兆字節(jié)收費(fèi)，使得無線寬帶技術(shù)更受歡迎。然而，在某些應(yīng)用中，如饋線開關(guān)和同步相量，需要的速度比蜂窩網(wǎng)絡(luò)更快。雖然美國也在使用光纖電纜，但基于無線電頻率的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)使AMI和配電自動(dòng)化部署在北美成為領(lǐng)先技術(shù)，許多美國市政公用設(shè)施也使用微波或無線網(wǎng)絡(luò)廣域通信的AMI回程和配電應(yīng)用。為了滿足高速、高安全性需求，西部電力協(xié)調(diào)委員會(huì)使用安全的光纖廣域網(wǎng)，建成了與國家空中交通管制網(wǎng)絡(luò)同一水平、發(fā)送PMU數(shù)據(jù)不到30毫秒的電網(wǎng)控制中心。
為應(yīng)對(duì)13636號(hào)行政命令，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)在2014年2月發(fā)布了提高關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全的框架，提供優(yōu)先、靈活、可重復(fù)和廉價(jià)的方法來應(yīng)對(duì)跨部門產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。同月，美國能源部公布了電力網(wǎng)絡(luò)安全界別能力成熟度模型的第二個(gè)版本，通過使用自我評(píng)價(jià)方法，幫助電網(wǎng)運(yùn)營商評(píng)估其網(wǎng)絡(luò)安全能力，改善網(wǎng)絡(luò)安全問題。迄今為止，已經(jīng)有104家公用事業(yè)機(jī)構(gòu)覆蓋下的6900萬用戶下載了這個(gè)工具。美國能源部在2012年發(fā)布的風(fēng)險(xiǎn)管理程序，結(jié)合即將推出的網(wǎng)絡(luò)安全采購語言，為公用事業(yè)機(jī)構(gòu)提供了跨業(yè)務(wù)流程中網(wǎng)絡(luò)安全最佳實(shí)踐的整體視圖。
2009年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所為了加快互操作性的發(fā)展，成立了公私智能電網(wǎng)互操作性小組(SGIP)。截止到2013年，SGIP吸收了800個(gè)組織和1900名會(huì)員，成為獨(dú)立的、成員資助的組織。NIST則協(xié)調(diào)SGIP發(fā)展和更新智能電網(wǎng)互操作性標(biāo)準(zhǔn)的框架和藍(lán)圖。SGIP積極致力于減少差距和更新審核標(biāo)準(zhǔn)，迄今已加速形成了消費(fèi)者交換能源使用數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn);定義能源使用計(jì)劃、價(jià)格和需求響應(yīng)信號(hào);并且有助于擴(kuò)展SEP2信息模型，以支持電動(dòng)汽車充電。
日益嚴(yán)重的環(huán)境問題和技術(shù)價(jià)格的降低導(dǎo)致分布式能源被越來越多地采用，包括分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車及能量存儲(chǔ)。分布式能源在美國發(fā)電量的比重非常小，但在未來10年中，其安裝規(guī)模和速度將有所增加，特別是在政策和可持續(xù)性配額制鼓勵(lì)的地區(qū)。
補(bǔ)貼、退稅、稅收優(yōu)惠和融資激勵(lì)機(jī)制促進(jìn)了分布式能源的利用。降低成本和地方獎(jiǎng)勵(lì)政策使光伏太陽能電池板在2013年增加了41%，2013年年底達(dá)到1.21萬MW的裝機(jī)容量。2013年，非公用事業(yè)太陽能電池板裝機(jī)容量為1904MW，零售電源的系統(tǒng)成本對(duì)一些消費(fèi)者來說很有競(jìng)爭(zhēng)力。
分布式能源技術(shù)正在以不同的速度被美國的各個(gè)區(qū)域接受。普及率高的州，如加利福尼亞州、亞利桑那州、新澤西州和夏威夷，都在一線積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，對(duì)不同資源進(jìn)行有效整合。例如，在亞利桑那州，凈計(jì)量電價(jià)法律通過為太陽能業(yè)主提供支持，帶動(dòng)了屋頂太陽能的發(fā)展，但造成的后果是公共事業(yè)的稅收減少。由于屋頂太陽能用戶越來越多，亞利桑那公共服務(wù)公司稱，非太陽能用戶現(xiàn)在不得不承受較高的用電成本來維持電網(wǎng)。每個(gè)太陽能系統(tǒng)安裝費(fèi)用多達(dá)1000美元，因?yàn)檫@些費(fèi)用都計(jì)入到用電的度數(shù)中。為了緩解這種交叉補(bǔ)貼的問題，亞利桑那公司委員會(huì)在2013年11月規(guī)定，新客戶在簽署太陽能安裝合同時(shí)，除了使用的電功以外，每月還需繳納0.70美元/千瓦的固定費(fèi)用。
此外，越來越多提供可變功率的可再生能源并入電網(wǎng)，像屋頂太陽能，可能需要儲(chǔ)能系統(tǒng)來有效平衡發(fā)電和需求量的快速變化。例如，2013年10月，加州公共事業(yè)委員會(huì)(CPUC)為3個(gè)投資者擁有的電站設(shè)立的目標(biāo)是在2014年前達(dá)到1325MW的儲(chǔ)能。
積極布局 應(yīng)對(duì)未來趨勢(shì)和挑戰(zhàn)
美國能源部與美國電力研究協(xié)會(huì)為公用事業(yè)機(jī)構(gòu)制定了一個(gè)一致的、按部就班的框架。隨著新數(shù)據(jù)涌現(xiàn)和額外收益產(chǎn)生，通過將可用技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有智能電網(wǎng)中，提高互操作性和系統(tǒng)集成將使公用事業(yè)的智能電網(wǎng)技術(shù)之間實(shí)現(xiàn)新的協(xié)同效應(yīng)。
美國的監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在考慮為估價(jià)技術(shù)和投資決策提供新的收益流。即當(dāng)向監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交智能電網(wǎng)技術(shù)的成本/效益分析時(shí)，提供減少客戶停電損失的估計(jì)，而不是僅提供停電的持續(xù)時(shí)間和頻率。這些增值服務(wù)會(huì)有助于監(jiān)管機(jī)構(gòu)了解采用自動(dòng)支流轉(zhuǎn)換和其他系統(tǒng)升級(jí)帶來的好處。
行業(yè)分析師預(yù)測(cè)，美國實(shí)用數(shù)據(jù)分析市場(chǎng)每年將增長(zhǎng)33%，從2011年的2.15億美元增加到2016年的9.02億美元。IT基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)分析將使更多的公用事業(yè)機(jī)構(gòu)超越基本的傳感和通信技術(shù)部署，利用智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)完善運(yùn)營和政策。
各種極端天氣帶來的災(zāi)害激發(fā)了人們對(duì)提高現(xiàn)代電網(wǎng)可靠性和應(yīng)對(duì)能力的關(guān)注。2012年，11次極端天氣造成的破壞損失平均值超過了10億美元，包括颶風(fēng)桑迪造成的65億美元損失，這也使2012年成為自1980年以來災(zāi)難損失最大的一年。在2012年的超級(jí)風(fēng)暴桑迪之后，紐約州和新澤西州州長(zhǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)化和升級(jí)制定了數(shù)十億美元的投資計(jì)劃。新澤西州的電力和天然氣公共服務(wù)公司提出了能源強(qiáng)化計(jì)劃，將在10年內(nèi)投資39億美元，以提高和強(qiáng)化脆弱的變電站，提高對(duì)智能電網(wǎng)技術(shù)故障的檢測(cè)和應(yīng)對(duì)，并加強(qiáng)或埋藏配電線路等。
對(duì)應(yīng)對(duì)能力和持久性的關(guān)注也增加了美國發(fā)展微電網(wǎng)的興趣。微電網(wǎng)可以在緊急情況下提供專用電源和隔離能力。行業(yè)分析師預(yù)測(cè)北美的微電網(wǎng)容量可能從2013年的992MW增加到2020年的6000MW。不過，理想的微電網(wǎng)交互和微電網(wǎng)功能需要應(yīng)用先進(jìn)的傳感、開關(guān)和控制技術(shù)，有效整合配電自動(dòng)化技術(shù)與分布式發(fā)電的高級(jí)智能系統(tǒng)。因?yàn)橛休^大的需求和良好的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，終端用戶如軍事設(shè)施、醫(yī)院以及大學(xué)校園可能是微電網(wǎng)的早期嘗試者。
展望未來，美國的電網(wǎng)商業(yè)模式必須考慮到市場(chǎng)新成員已從消費(fèi)者變成生產(chǎn)者，配電所扮演的角色也從供應(yīng)商變成分布式發(fā)電和能源資源的高度協(xié)調(diào)者。傳統(tǒng)公共事業(yè)的商業(yè)模式可能會(huì)受到收益減少、成本增加、低盈利潛力的威脅。監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能需要考慮新的費(fèi)率結(jié)構(gòu)，確定如何才能最好地回收智能電網(wǎng)的實(shí)施成本，同時(shí)在用戶和第三方商家中公平分配電網(wǎng)管理和維護(hù)的費(fèi)用。
為有效地整合數(shù)以千計(jì)的新設(shè)備和市場(chǎng)參與者，電網(wǎng)電力公司需要具有復(fù)雜的通信和IT技術(shù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)。這需要更復(fù)雜的智能電網(wǎng)，在高度分布式能源和負(fù)荷之間隨時(shí)管理電流，同時(shí)保持高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和恢復(fù)力?？赡苄枰粋€(gè)能源框架，其中公用事業(yè)、消費(fèi)者和其他市場(chǎng)參與者可以找出最好的技術(shù)、配置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化功率流和地區(qū)市場(chǎng)的金融交易，同時(shí)系統(tǒng)還能保持更高的穩(wěn)定性和效率。
長(zhǎng)期的投資策略，可以考慮優(yōu)化技術(shù)和資產(chǎn)部署，從而協(xié)調(diào)可靠性、效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保目標(biāo)的利益競(jìng)爭(zhēng)。馬薩諸塞州公共事業(yè)部門已經(jīng)提出，每個(gè)配電公司開發(fā)并提交一個(gè)電網(wǎng)現(xiàn)代化的10年戰(zhàn)略計(jì)劃，包括減少停電影響、優(yōu)化需求量、整合分散的資源、提高員工素質(zhì)和資產(chǎn)管理。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要一個(gè)協(xié)調(diào)戰(zhàn)略來平衡對(duì)最佳電網(wǎng)設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。
隨著可并入電網(wǎng)的可再生能源和分布式能源量的增加，顛覆性的挑戰(zhàn)即將來臨，這需要一個(gè)日益智能化的高級(jí)電網(wǎng)。公用事業(yè)機(jī)構(gòu)在部署新的信息管理和控制系統(tǒng)時(shí)，互操作性和系統(tǒng)集成的挑戰(zhàn)將會(huì)持續(xù)。美國還將面臨許多長(zhǎng)久性的挑戰(zhàn)。短期內(nèi)，促進(jìn)未來電網(wǎng)現(xiàn)代化將需要決策者考慮技術(shù)選擇、成本回收機(jī)制和投資規(guī)劃周期，以確保清潔、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的電力輸送目標(biāo)。
