從智能電網(wǎng)的發(fā)展看基于物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施智能化

廖小偉 廖毅敏

從智能電網(wǎng)的發(fā)展看基于物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施智能化

廖小偉 廖毅敏

在經(jīng)歷了金融危機(jī)的劇烈沖擊后，世界經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入緩慢復(fù)蘇的軌道。然而日本關(guān)東大地震、國際政治格局的新動蕩令全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的前景更趨曲折，國際金融體系的修復(fù)面臨更多不確定性。為應(yīng)對金融危機(jī)對實(shí)體經(jīng)濟(jì)的影響，一些主要國家都把爭奪經(jīng)濟(jì)、科技制高點(diǎn)作為戰(zhàn)略重點(diǎn)，大力關(guān)注對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全具有重大影響力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的培育，并作為尋找新一輪經(jīng)濟(jì)增長的動力。

以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息通信技術(shù)正引領(lǐng)著全球新一輪信息科技革命的浪潮。在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能家居、環(huán)境保護(hù)、工業(yè)自動控制、醫(yī)療衛(wèi)生、精準(zhǔn)農(nóng)牧業(yè)、金融服務(wù)業(yè)、公共安全、國防軍事等領(lǐng)域，已形成了許許多多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的典型范例。特別是電網(wǎng)、交通、水利等關(guān)系國計(jì)民生的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，只有建立在信息通信技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)之上，才能確保其安全高效、穩(wěn)定運(yùn)行和質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，才能實(shí)現(xiàn)性能最佳、配置最優(yōu)、響應(yīng)最快的穩(wěn)健運(yùn)行。

以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施的智能化改造

2009年以來，IBM所提出的“智慧地球”概念已上升為美國的國家理念。該戰(zhàn)略理念認(rèn)為，IT業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，尤其是把傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、公路、供水系統(tǒng)、油氣管道、大壩、建筑等各種物體中，在普遍連接之間形成“物聯(lián)網(wǎng)”。之后，歐盟、日本等也相繼提出基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)行動計(jì)劃或國家戰(zhàn)略，以達(dá)到改善整體社會的生活質(zhì)量、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多重目標(biāo)。

目前，從全球來看，基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造相對成熟的領(lǐng)域集中在電網(wǎng)、水利等方面。隨著全球氣候變化和能源安全供應(yīng)問題日益嚴(yán)峻，智能電網(wǎng)引起了各國政府的普遍重視。例如，美國奧巴馬政府在其應(yīng)對金融危機(jī)、拉動經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的一攬子計(jì)劃中，投入超過百億美元的電網(wǎng)智能化改造被認(rèn)為是美國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重心。通過智能電網(wǎng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，美國期望降低能源對外依存度、節(jié)約能源投資，并再次主導(dǎo)全球技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的制高點(diǎn)。除美國以外，日本、英國、法國、德國、韓國等都已提出或即將提出智能電網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃。從圖1可以看出，各國正在著手強(qiáng)化電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施改造，電網(wǎng)智能化發(fā)展已成為全球發(fā)達(dá)國家共識。

在水利智能化改造方面，各種傳感探測器的安裝與應(yīng)用，給各國的水利治理帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。例如，美國加州的水源監(jiān)視系統(tǒng)，用傳感器監(jiān)視當(dāng)?shù)氐乃兴聪到y(tǒng)、輸水管道系統(tǒng)，可隨時(shí)對輸水管道的破裂和斷裂進(jìn)行警示，以便加快維修進(jìn)度，提高水源與輸水管道系統(tǒng)的應(yīng)急抗災(zāi)能力。由歐盟的13個(gè)國家資助建設(shè)的洪水易發(fā)地區(qū)緊急事件應(yīng)對與遠(yuǎn)程信息處理項(xiàng)目，旨在建立一套綜合的、可操作的智能系統(tǒng)，主要處理城市洪水應(yīng)急事件，該系統(tǒng)結(jié)合遠(yuǎn)程通信技術(shù)和氣象、水文專業(yè)技術(shù)等，可以管理遙測獲得的信息，并將信息和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸入處理，以預(yù)測洪水情況，支撐洪水防御機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)急決策和處理。

在其他基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造方面，例如城市供水管理，也取得了良好的進(jìn)展。2010年，以色列研究人員開發(fā)出了管道智能監(jiān)測系統(tǒng)，并用于對城市供水系統(tǒng) 的監(jiān)測，可有效減少水管滲漏或斷裂，其中的智能水表系統(tǒng)也隨著現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)、傳感技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及社會化需求的發(fā)展而不斷普及應(yīng)用，極大地提升了對 城市供水需求側(cè)的管理能力。

全球智能電網(wǎng)發(fā)展最新走向

隨著安全高效的電力供應(yīng)、清潔環(huán)保的能源需求、能源短缺和可持續(xù)發(fā)展問題的凸顯，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今全球電力行業(yè)發(fā)展的共識。智能電網(wǎng)利用現(xiàn)代信息通信、控制技術(shù)，提升電網(wǎng)的智能化水平，適應(yīng)接納新能源電力、滿足雙向互動等電網(wǎng)服務(wù)需求，提供可靠的電力供應(yīng)。作為電力技術(shù)和信息技術(shù)的高度融合應(yīng)用，國外主要發(fā)達(dá)國家為搶占技術(shù)和產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)、創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，先后出臺了發(fā)展智能電網(wǎng)的重大國家戰(zhàn)略。

世界主要發(fā)達(dá)國家智能電網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃

美國制定智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略框架，加大現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施投入

2017年7月以來，按照中央環(huán)保督察反饋意見和整改方案，湖南省委書記、省長先后21次主持召開與中央環(huán)保督察整改工作有關(guān)的會議，9次深入整改一線調(diào)研督導(dǎo)，20次對環(huán)保督察整改工作做出批示，督促地方加快解決突出環(huán)境問題。各地堅(jiān)持高位推進(jìn)，集中資源，倒排工期，全力推進(jìn)整改攻堅(jiān)，加快解決了一批長期未得到有效解決的突出問題。

美國戰(zhàn)略框架：從遠(yuǎn)景規(guī)劃到立法為國策

2003年美國能源部頒布的《電網(wǎng)2030規(guī)劃》（Grid2030）提出了美國智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，即一個(gè)完全自動化的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)視和控制每個(gè)用戶和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，保證從電廠到終端用戶整個(gè)輸配電過程中所有節(jié)點(diǎn)之間的信息和電能的雙向流動，實(shí)現(xiàn)分布式智能、寬帶通信和自動化控制，提供用戶和電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)交易和無縫接口。

2007年12月美國國會頒布了《能源獨(dú)立與安全法案2007》（EISA2007），用法律形式確立了智能電網(wǎng)的國策地位。法案中要求利用信息通信和控制技術(shù)提高電網(wǎng)可靠性、安全性和效率，強(qiáng)調(diào)信息安全，支持動態(tài)優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行和資源，支持分布式能源、可再生能源的接入和一體化運(yùn)行，挖掘和利用需求側(cè)響應(yīng)和需求側(cè)資源，開發(fā)實(shí)時(shí)自動交互的智能技術(shù)用于電網(wǎng)運(yùn)行和狀態(tài)有關(guān)的測量、通信和自動化，支持混合動力汽車等先進(jìn)的電能存儲和移峰技術(shù)的采用。EISA2007法案還授權(quán)美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）牽頭制定智能電網(wǎng)互操作框架標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模化發(fā)展，同時(shí)，還明確規(guī)定了智能電網(wǎng)實(shí)施過程中的定期報(bào)告、組織形式、技術(shù)研究、示范工程、政府資助、協(xié)調(diào)合作框架、各州職責(zé)、及智能電網(wǎng)安全性等問題。

美國政府投資促進(jìn)智能電網(wǎng)快速進(jìn)入實(shí)施階段

2009年2月美國國會頒布了《復(fù)蘇與再投資法案2009》（ARRA2009），美國智能電網(wǎng)建設(shè)正式進(jìn)入到緊鑼密鼓的實(shí)施階段。奧巴馬政府宣稱將鋪設(shè)或更新3000英里輸電線路，在未來三年內(nèi)為美國家庭安裝4000萬個(gè)智能電表。

根據(jù)ARRA209，美國政府在今后2-3年期間投資電網(wǎng)的經(jīng)費(fèi)為110億美元，其中能源部的電力傳輸與能源可靠性辦公室（OE）獲得45億美元，用于推動智能電網(wǎng)發(fā)展；能源部的BPA電力局和WAPA電力局各獲得32.5億美元的國庫借款，用于加強(qiáng)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是新建線路，以滿足可再生能源并網(wǎng)的需求；將智能電網(wǎng)項(xiàng)目配套資金由2007年的20%提高到50%。OE的45億美元中，有34億美元用于智能電網(wǎng)項(xiàng)目資助計(jì)劃，6.15億美元用于示范工程建設(shè)。美國能源部確定了三個(gè)智能電網(wǎng)示范領(lǐng)域并開始示范工程建設(shè)，包括智能電網(wǎng)地區(qū)示范、電網(wǎng)公用事業(yè)規(guī)模儲能示范、電網(wǎng)用電監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)示范。2009年11月能源部宣布了所有入選的32項(xiàng)示范工程，帶動私有部門投資超過10億美元。

目前，美國政府已經(jīng)在多個(gè)州開始設(shè)計(jì)并部署智能電網(wǎng)。2008年8月，美國科羅拉多州的波爾得（Boulder）完成了智能電網(wǎng)的第一期工程，成為全美第一個(gè)智能電網(wǎng)城市，2009年9月美國Xcel能源公司完成了該市所有智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和主要軟件系統(tǒng)的建設(shè)，目前已進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營階段。通用（GE）、Xcel、IBM、西門子、谷歌、英特爾、思科等企業(yè)都積極加入并展開激烈的競爭。IBM將自己的軟件和服務(wù)器應(yīng)用到智能電網(wǎng)系統(tǒng)之中，參與各地的智能電網(wǎng)建設(shè)。思科主攻連接計(jì)量器、轉(zhuǎn)化器、數(shù)字化電站、發(fā)電廠之間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通用生產(chǎn)計(jì)量器和部分軟件，并成功發(fā)起和制定了電動汽車插頭標(biāo)準(zhǔn)，該插頭有5個(gè)觸頭，可以支持最高240V電壓和70A電流，還能夠支持電力載波通信。谷歌2009年2月已開發(fā)成功利用電表節(jié)約電費(fèi)的應(yīng)用軟件PowerMeter，并在員工家庭試用。新能源產(chǎn)業(yè)有望創(chuàng)造43000個(gè)就業(yè)崗位，是拉動未來美國經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一。

歐洲制定超級智能電網(wǎng)戰(zhàn)略框架研究風(fēng)電并網(wǎng)和需求側(cè)管理

歐洲智能電網(wǎng)名為超級智能電網(wǎng)（Super Smart Grid），主要基于分布式能源系統(tǒng)和可再生能源的基礎(chǔ)大規(guī)模利用，將廣域電力傳輸網(wǎng)絡(luò)與智能電網(wǎng)結(jié)合起來的廣域智能網(wǎng)絡(luò)。歐盟陸續(xù)發(fā)布了歐洲未來電網(wǎng)的愿景與戰(zhàn)略、戰(zhàn)略性研究計(jì)劃、戰(zhàn)略性部署文件，構(gòu)成歐盟的智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略框架。歐盟提出發(fā)展跨越歐洲、北非、中東等國家和地區(qū)的超級電網(wǎng)，充分利用潛力巨大的北非沙漠太陽能和風(fēng)能等可再生資源，完善未來的歐洲能源系統(tǒng)，滿足風(fēng)能、太陽能和生物物質(zhì)能等可再生能源快速發(fā)展的需要。目前歐洲各國的近中期智能電網(wǎng)建設(shè)的主要側(cè)重于研究和解決電網(wǎng)對風(fēng)電尤其是大規(guī)模海上風(fēng)電的接納、分布式電源并網(wǎng)和加強(qiáng)需求側(cè)管理。從中長期來看，歐盟國家必須依靠遠(yuǎn)距離大容量輸電所實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉丛诟蠓秶鷥?nèi)的優(yōu)化配置。

歐洲智能電網(wǎng)近中期發(fā)展重點(diǎn)：智能電表和分布式能源并網(wǎng)

目前歐洲主要國家在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分布式電網(wǎng)的研究和建設(shè)，歐洲在智能電表、風(fēng)電與太陽能發(fā)電并網(wǎng)的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展顯著，許多國家已經(jīng)邁向電網(wǎng)全面自動化。歐盟組建了智能電網(wǎng)技術(shù)平臺，通過建立相應(yīng)的組織機(jī)構(gòu)來保證活動的組織和研究的推進(jìn)。意大利和瑞典已部署智能電表，意大利半數(shù)以上的傳統(tǒng)電表已經(jīng)改換為智能電表。丹麥的電網(wǎng)系統(tǒng)中包括了近20%的風(fēng)力發(fā)電。英國進(jìn)行了適應(yīng)風(fēng)流發(fā)電等可再生能源的智能電表等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是2020年在全國所有2600萬個(gè)家庭安裝智能電表。法國、西班牙、德國和英國預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)完成智能電表部署，到2020年，可再生能源在歐盟能源供應(yīng)系統(tǒng)中的比例達(dá)到20%。

在政府投入方面，英國在2009年8月宣布了新的智能電網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃，將在5年內(nèi)投資5億英鎊建設(shè)4個(gè)智能電網(wǎng)城市。德國政府在2008年啟動了制定了“E-Energy”示范工程計(jì)劃，總投資14億歐元，目前已經(jīng)確定2009年至2012年在全國6個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行智能電網(wǎng)示范。丹麥啟動了EDISON示范項(xiàng)目，主要研究智能電網(wǎng)對大過膜分布式風(fēng)電和電動汽車的基礎(chǔ)，丹麥電網(wǎng)公司Energinet對項(xiàng)目進(jìn)行了資助，IBM和西門子公司也參與了項(xiàng)目建設(shè)。

歐洲智能電網(wǎng)中長期發(fā)展重點(diǎn)：遠(yuǎn)距離大容量輸電網(wǎng)架

由于海上風(fēng)電中心、北非沙漠太陽能和風(fēng)能基本都遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，歐洲重視跨國和跨區(qū)域的電網(wǎng)互聯(lián)問題，將遠(yuǎn)距離大容量輸電網(wǎng)架提上了議程，推動大規(guī)模 可再生能源進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2020年，德國和英國的海上風(fēng)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到1000萬和2500萬kW。德國政府為解決當(dāng)前電網(wǎng)制約可再生能源發(fā)展和電網(wǎng)可靠性下降的問題，與2009年8月頒布電網(wǎng)擴(kuò)張法案，英國政府在2009年7月發(fā)布了“英國低碳轉(zhuǎn)型計(jì)劃”的戰(zhàn)略報(bào)告，指出要建設(shè)一個(gè)更強(qiáng)大、更智能的電網(wǎng)。英國、德國、法國、比利時(shí)、荷蘭、盧森堡、丹麥、瑞典、愛爾蘭等歐洲9國希望2010年9月前制定新一輪規(guī)劃，在未來10年內(nèi)建立一套橫貫歐洲大陸的高壓直流電網(wǎng)。歐盟正在支持“超級智能電網(wǎng)”相關(guān)項(xiàng)目，就泛歐洲大聯(lián)網(wǎng)有關(guān)問題開展深入研究。

日本研究分布式光伏和風(fēng)電的并網(wǎng)

由于近20年對電網(wǎng)自動化和智能電網(wǎng)技術(shù)的大量投資，與歐美陳舊的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相比，日本電網(wǎng)的現(xiàn)代化水平很高，電網(wǎng)鋪設(shè)輸電線路的同時(shí)鋪設(shè)光纖等通信線路，運(yùn)行效率高，升級改造的壓力較小。日本政府通過深入比較與美國電力工業(yè)特征，結(jié)合自身國情，決定構(gòu)建以對應(yīng)新能源為主的智能電網(wǎng)。日本于 2009年4月公布了“日本發(fā)展戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)增長計(jì)劃”，其中包括太陽能發(fā)電并網(wǎng)、未來日本智能電網(wǎng)示范驗(yàn)證、電動汽車快速充電等與智能電網(wǎng)密切相關(guān)的內(nèi)容。日本智能電網(wǎng)主要側(cè)重研究和解決分布式太陽能和風(fēng)能發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)問題，以及電動汽車和電網(wǎng)的互動問題，目前主要進(jìn)行以智能電表為代表的第2代智能電網(wǎng)的部署工作。

智能電網(wǎng)領(lǐng)域廣泛的國際合作

歐洲國家的大型電力公司積極參與美國智能電網(wǎng)建設(shè)。法國電力公司（EDF）被選為美國電科院智能電網(wǎng)示范計(jì)劃中5個(gè)主要承擔(dān)單位之一。英國國家電網(wǎng)公司（NG）也積極參與美國馬薩諸塞州智能電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)。加拿大和美國召開清潔能源圓桌會議推進(jìn)有關(guān)合作，智能電網(wǎng)技術(shù)是其中重要的合作領(lǐng)域。日本積極與美國合作開發(fā)智能電網(wǎng)，兩國將在美國新墨西哥州合作開發(fā)一個(gè)“國際能源公園”項(xiàng)目，總花費(fèi)約為6000萬美元。同時(shí)，美日兩國還將聯(lián)合投資約100億日元，資助日立、東芝以及日本電報(bào)電話公司等企業(yè)開展美國的“智能配電網(wǎng)研究”，日本企業(yè)也積極參與美國NIST智能電網(wǎng)互操作框架標(biāo)準(zhǔn)制定工作。除了主動接觸合作外，眾多國際會議也有效推動了智能電網(wǎng)領(lǐng)域的國際合作。

作者單位：工業(yè)和信息化部電信研究院