智能電網：一種有效地減少溫室效應的“綠色電網”

特約通訊員 梁思琴

所謂智能電網，就是電網的智能化，也被稱為“電網2.0”，它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感技術、測量技術、設備技術、控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術的應用，實現(xiàn)電網的可靠、安全、經濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。在美國對智能電網的定義中，智能電網有七大特性：自愈、互動、安全、提供適應21世紀需求的電能質量、適應所有的電源種類和電能儲存方式、可市場化交易、優(yōu)化電網資產提高運營效率。

智能電網具有良好的發(fā)展勢潮，受到了世界各國的青睞。美國欲搶先一步成立智能電網的國際組織，來推進相關技術標準的制定和新技術的研發(fā)，以爭取更大的話語權。在2009年，美國對智能電網的投入達45億美元，并在未來3年以內將為美國家庭安裝4000萬個智能電表。中國在這一新興領域也不甘落后。2009年5月，中國國家電網公司正式發(fā)布了舉世矚目的“建設堅強智能電網”的研究報告，首次向社會公布了“智能電網”的發(fā)展計劃。此外，歐盟也提出了發(fā)展跨越歐盟、北非、中東等國家和地區(qū)的“超級智能電網”；日本政府也在戰(zhàn)略中提出了擴大包括海外市場在內的環(huán)保業(yè)務，并將智能電網定位為重中之重。

智能電網為什么能夠得到世界各國的青睞呢？這些因素有許多，各國又不盡相同。以美國為例，積極組建智能電網的主要原因在于：（1）電網設備比較落后，急需進行更新改造，提高電網運營的可靠性；（2）提高能源效率；（3）滿足客戶不同的用電需求。遺憾的是，基于不同的實際應用和市場需求，減少溫室氣體的排放并沒有成為美國組建智能電網必須考慮的一個因素。然而，基于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的角度來說，這卻是非常必要的，因為這能夠有效地減少溫室效應。有研究表明，以2005年為基準，通過智能電網，每年溫室氣體的排放量可以減少5-9%，這樣到2030年總共將減少排放二氧化碳7億噸，即約是Waxman-Markey議案所提出的排放量的四分之一。

智能電網的應用代表了電力行業(yè)的發(fā)展趨勢。智能電網提高了能源效率，減少了線路損耗，有利于可再生能源的融合和電動汽車的充電，從而有效地減少了溫室氣體的排放。如果通過網絡優(yōu)先的方式在統(tǒng)一電網上組建智能電網，這個效果將更加顯著。

智能電網為什么能夠減少溫室氣體的排放？

據(jù)統(tǒng)計，電力部門的溫室氣體排放量大約占據(jù)了溫室氣體總排放量的40%,所以如果電力部門采取有力的措施減少溫室氣體的排放，這將對全球減少溫室效應具有重要意義。由于發(fā)電產生了大部分的溫室氣體，我們很自然地想到如何直接地在發(fā)電廠減少溫室氣體的排放，例如CCS(碳的捕獲和隔離)和核能發(fā)電。然而在現(xiàn)實情況中，這些措施受到了限制，并且其費用是十分昂貴的。因此，為了使發(fā)電廠獲得良好的經濟效率和降低運行風險，一般不改變原有的先進發(fā)電技術，而是在電力傳輸設施里考慮如何減少溫室氣體的排放。

智能電網為有效地減少溫室氣體的排放提供了一個重要的契機，因為它能提高能源利用效率（包括能量節(jié)約和電網效率），能夠更好的整合可再生資源（包括公共事業(yè)項目和分布式發(fā)電資源）。另外，智能電網還能夠廣泛地應用于交通用電，這樣不但可以大量減少排放溫室氣體的內燃汽車的數(shù)量，而且還減少了石油進口，增強了能源安全和貿易平衡。

由于為消費者提供了實時的能量使用情況和不同時間段的電價信息，智能電網能夠提高終端用戶的能源利用率。許多研究表明，有了實時的、詳細的用電數(shù)據(jù)以及價格信息，用戶可以更好地控制自己的能源賬單，達到最佳的能源利用率，從而減少了5-15%的能源消耗。根據(jù)美國電力科學研究院（EPRI）2008年報告，智能電網的測量表也能夠使用在連續(xù)的建筑群上，單單這個就可以節(jié)電15%。預計智能電網的終端用戶可以節(jié)能2%，這樣將減少排放6千萬噸的溫室氣體。

由于使用了電網配電自動化裝置（如電容器組）和自適應控制技術（如無功電壓優(yōu)化），智能電網能夠減少線路損耗和最大化地降低無功功率損耗。保守估計，這樣將減少1%的能源損耗和6千萬噸溫室氣體的排放。

智能電網能夠減少溫室氣體的排放的另外一個原因就是將可再生資源發(fā)電架構接入了智能電網。這將獲得許多好處。首先，由于使用了智能電網的響應需求（通過直接負載控制和計價程序獲得）以適應有源負載，這將減少了電網運行風險和優(yōu)化了公共事業(yè)的風能和太陽能項目的負載類型。其次，具有可靠的分布式可再生資源的智能電網為電力部門識別和解決由分散發(fā)電所引起的問題（如作業(yè)工人人身安全和電壓變化）起著至關重要的作用。公共事業(yè)和分布式的可再生資源都受益于智能電網的網絡能量存儲，這有助于在能源市場里將可再生資源發(fā)電由以前的價格接受者變?yōu)閮r格制定者。預計到2030年，智能電網將會增加10%的可再生資源發(fā)電的電量，從而減少排放3億噸的溫室氣體。

電動汽車也將大量減少溫室氣體的排放，因為它用電能取代了內燃機。電動汽車在非用電高峰期時進行充電將會大量減少碳的排放量。這種分時段充電要求智能電網允許電動汽車的接入，即電動汽車成了智能電網的一個臨時節(jié)點。這樣在智能電網就可以很方便地了解和管理電動汽車的充電情況。如果電動汽車在非智能電網充電，將產生一些問題。要清楚的是，電動汽車耗電大：一輛電動汽車的充電量相當于兩臺中央空調的用電損耗。如果用戶晚上下班回到家后對電動汽車進行充電，同時其鄰近的用戶也在對另外的兩臺電動汽車進行充電，這樣他們的用電總量將超過現(xiàn)有變壓器的容量。顯然，這種情況是不允許發(fā)生的。解決這個問題，就必須要使用智能電網（如配電自動化）的解決方案。此外，如果電動汽車在非用電高峰期時不是利用傳統(tǒng)的化石燃料進行充電，而是充分利用可再生資源發(fā)電（如在夜間，美國大部分地區(qū)的可再生資源主要是風能）進行充電，這種充電的媒介就必須使用智能電網了，同時這也將潛在地減少了溫室氣體的排放。如果電動汽車的普及率達到50%，將會減少1億噸溫室氣體的排放；如果這些電動汽車都是利用可再生資源發(fā)電進行充電的，這又將減少1億噸溫室氣體的排放。

如何組建智能電網以更好地減少溫室效應？

從上面的分析可以很清楚地看到，智能電網作為一個公共基礎設施很好地幫助了電力部門減少溫室氣體的排放。然而，有什么途徑能夠確保充分發(fā)揮智能電網的優(yōu)點呢？這里直接提出這樣的一個途徑：通過網絡優(yōu)先的方式在統(tǒng)一電網上組建智能電網。這種途徑將有利于智能電網加快減少溫室氣體排放的速度，并且使其成本更低。

網絡優(yōu)先

盡管大多數(shù)人普遍地關注智能電網的設備和應用前景，但是智能電網的核心在于通信和計算技術。通過這些技術，電力部門可以在任何一個指定時間里了解和分析智能電網的每一個節(jié)點的情況。使用網絡優(yōu)先的方法部署智能電網就是要優(yōu)先考慮智能電網聯(lián)網技術的性能、互動性和壽命，因為這些因素將會影響到對智能電網的設備應用和未來的投資。這些因素的關鍵點分別如下：

性能：（1）終端節(jié)點數(shù)據(jù)速率和電網容量：要求多快和多大？成本多少？隨著時間的推移，成本會增加嗎？（2）時延：要求智能電網的反應速度達到多快以滿足大多數(shù)分時段可預見的應用？

非互動性：智能電網在多大程度上可以利用已廣泛應用的聯(lián)網標準，如互連網協(xié)議？這些標準能夠在多大程度上與NIST（美國科學和技術研究院）現(xiàn)有的智能電網互動性標準兼容呢？

壽命：針對智能電網的威脅模型因素的安全設計是基于幾十年的？如何有效地、快速地、安全地升級固件以改善智能電網內在的安全性？

統(tǒng)一電網

電力部門并不是為每種不同類型的設備的每一個新應用各自組建一個獨立電網，而是組建一個統(tǒng)一的智能電網平臺。統(tǒng)一電網的組建應該要借鑒互連網的組網方式。統(tǒng)一電網給電力部門帶來了顯著的好處。首先，由于統(tǒng)一電網避免了多余的通信系統(tǒng)，所以這不單節(jié)省了成本，而且還極大地提高了新的設備和應用的反應速度。值得注意的是，后臺服務系統(tǒng)的融合是這些設備和應用的關鍵瓶頸。此外，核心通信平臺的整合和諸如互連網協(xié)議的開放標準的使用，也使這些設備和應用實現(xiàn)更快、更有效地運行。因此，和沒有統(tǒng)一電網的智能電網比較起來，統(tǒng)一電網將會加快減少溫室氣體的排放。

參考資料：

1.http://www.silverspringnet.com/

2.覃澤文.且看美國智能電網如何成長[N].中國能源報，2010年1月18日：第11版.