國(guó)外智能電網(wǎng)頂層技術(shù)路線對(duì)比分析

張 鈞，黃 翰，張義斌

(國(guó)家電網(wǎng)公司能源研究院 電網(wǎng)發(fā)展綜合研究所，北京 102209)

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● 電力經(jīng)濟(jì)研究

國(guó)外智能電網(wǎng)頂層技術(shù)路線對(duì)比分析

張 鈞，黃 翰，張義斌

(國(guó)家電網(wǎng)公司能源研究院 電網(wǎng)發(fā)展綜合研究所，北京 102209)

本文選取美國(guó)、歐盟和日本智能電網(wǎng)的頂層技術(shù)路線作為研究對(duì)象，在闡述其內(nèi)容基礎(chǔ)上，梳理不同技術(shù)路線存在的共性和差異性，并從能源稟賦、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、電網(wǎng)現(xiàn)狀等方面分析共性和差異性產(chǎn)生的原因。研究結(jié)論表明，未來(lái)智能電網(wǎng)技術(shù)路線制定呈現(xiàn)出一定的共性特征，一是發(fā)電側(cè)均重視可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，二是電網(wǎng)側(cè)重視發(fā)展區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)運(yùn)行安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，三是用戶側(cè)均重視提高用戶和電網(wǎng)的互動(dòng)程度。同時(shí)，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展階段、電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、資源分布等實(shí)際情況的不同，不同地區(qū)和國(guó)家的智能電網(wǎng)頂層技術(shù)路線側(cè)重點(diǎn)有所不同，主要表現(xiàn)在：一是新能源領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)路線重點(diǎn)不同；二是提高電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的手段不同；三是推動(dòng)智能用電，促進(jìn)用戶與電網(wǎng)互動(dòng)的方法不同。

智能電網(wǎng)；技術(shù)路線；對(duì)比分析

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，能源短缺、環(huán)境污染、氣候惡化已成為困擾全球的嚴(yán)重問(wèn)題。智能電網(wǎng)建設(shè)可以有效地提高電網(wǎng)接納清潔能源的能力，提高電網(wǎng)安全可靠性、促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，被認(rèn)為是解決當(dāng)前資源困境、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動(dòng)力。在智能電網(wǎng)發(fā)展中，頂層技術(shù)路線具有至關(guān)重要的作用。這主要有三方面的原因：一是智能電網(wǎng)發(fā)展涉及能源、制造、信息等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，頂層技術(shù)路線可以協(xié)調(diào)智能電網(wǎng)中各項(xiàng)技術(shù)之間的相互發(fā)展；二是頂層技術(shù)路線可以促進(jìn)智能電網(wǎng)中各項(xiàng)技術(shù)自身的創(chuàng)新發(fā)展；三是頂層技術(shù)路線能催生智能電網(wǎng)新的技術(shù)需求。

美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)外主要發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家都高度重視智能電網(wǎng)頂層技術(shù)路線的制定。自2009年美國(guó)能源部在正式提出智能電網(wǎng)概念以來(lái)，美國(guó)階段性的發(fā)布了《Grid 2030》、《National Electricity Delivery Roadmap》等一系列的研究報(bào)告，具有較強(qiáng)的延續(xù)性和關(guān)聯(lián)性。對(duì)其智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)揮了重要的作用。歐盟發(fā)布了《Strategic Energy Technologies Plan，SET-Plan》、《A European strategy for sustainable, competitive and secure energy strategy》、《EEGI Roadmap for Public Consultation》等報(bào)告，旨在協(xié)調(diào)和指導(dǎo)各成員國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展步伐。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省先后發(fā)布了《the Results and roadmap of Selected Demonstration Projects》、《A new generation of transmission distribution report》等戰(zhàn)略性文件，明確日本智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)。

本文在闡述美國(guó)、歐盟、日本智能電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)路線圖基礎(chǔ)上，梳理了國(guó)際智能電網(wǎng)發(fā)展的共性和差異性，并分析了產(chǎn)生這些共性和差異性的原因。研究結(jié)論表明，本文選取的國(guó)家在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、能源稟賦、電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀等方面具有一定代表性，分析得出的智能電網(wǎng)發(fā)展的共性和差異性對(duì)我國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展具有借鑒作用。

一、國(guó)外智能電網(wǎng)頂層技術(shù)

(一)美國(guó)

美國(guó)將智能電網(wǎng)定位為利用數(shù)字技術(shù)提高大規(guī)模電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和有效性(從經(jīng)濟(jì)和能源角度)。電力系統(tǒng)包括大型發(fā)電廠、輸配電系統(tǒng)、電力用戶，以及不斷增加的分布式發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能設(shè)備[1]。美國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)路線圖如圖所示[2]。

圖1 美國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)路線圖

由圖1可以看出，美國(guó)智能電網(wǎng)技術(shù)路線包含清潔能源傳輸和電網(wǎng)可靠性、配電網(wǎng)發(fā)展、儲(chǔ)能裝置等8個(gè)方面，其中，接入可再生能源以降低10%高峰負(fù)荷已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而高溫超導(dǎo)送電在2011年之后沒(méi)有得到DOE的進(jìn)一步投資。

圖2 歐盟智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線圖

(二)歐盟

歐盟將智能電網(wǎng)定義為“可整合所有連接到電網(wǎng)用戶(發(fā)電機(jī)和/或電力用戶)的所有行為的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，以有效提供持續(xù)、經(jīng)濟(jì)和安全的電能”[1]。這一定義強(qiáng)調(diào)智能電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)目的的一種手段，而并非目的本身。智能電網(wǎng)的最終目的形成連接電網(wǎng)和用戶(分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、智能家居等)，并提供可靠且持續(xù)電力服務(wù)(需求響應(yīng)、虛擬發(fā)電廠、調(diào)度、RES整合等)的超級(jí)系統(tǒng)。歐盟智能電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)路線圖如圖2所示[3]。

由圖2可以看出，歐盟智能電網(wǎng)技術(shù)路線包括優(yōu)化電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、接入可再生能源、主動(dòng)配電網(wǎng)等六個(gè)方面。其中，除優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行和使用、信息和通信技術(shù)外，其他技術(shù)均持續(xù)到2020年之后，并在2020年實(shí)現(xiàn)其20-20-20目標(biāo)。

(三)日本

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)將智能電網(wǎng)描述為集成家庭能量管理系統(tǒng)(HEMS)、建筑能量管理(BEMS)和區(qū)域能量管理系統(tǒng)(REMS)的“下一代能源和社區(qū)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過(guò)集成大量分布式電源構(gòu)建“本地平衡模式”和“電力/能源網(wǎng)絡(luò)”的互補(bǔ)能源供給模式，并且涵蓋交通、污水處理等智慧城市內(nèi)容。日本智能電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)路線如圖3所示[4]。

圖3 日本智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線圖

從圖3可以看出，日本智能電網(wǎng)技術(shù)路線包括優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行、接入分布式電源、電動(dòng)汽車(chē)與充電站等四個(gè)方面。其中，電動(dòng)汽車(chē)和充電站建設(shè)設(shè)有明確目標(biāo)：到2020年建成200萬(wàn)個(gè)常規(guī)充電樁和5000個(gè)快速充電設(shè)備。

二、國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)頂層技術(shù)路線對(duì)比分析

(一)智能電網(wǎng)發(fā)展的共性分析

對(duì)比國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)頂層技術(shù)路線可以看出它們發(fā)電、輸電、配用電三個(gè)方面具有共性特征，分析如下。

1.發(fā)電側(cè)，均重視可再生能源的開(kāi)發(fā)利用

智能電網(wǎng)在應(yīng)對(duì)氣候變化、保障國(guó)家能源安全、促進(jìn)科技創(chuàng)新等方面具有的積極作用，因此智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略中，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用均被高度重視。2014年5月，美國(guó)提出《The all-of-the-above energy strategy as a path to sustainable economic growth》中要求2030年之前削減碳排放30%，并明確可再生能源將在目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到重要推動(dòng)作用。

2.電網(wǎng)側(cè)，發(fā)展區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行

歐美國(guó)家的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施普遍面臨陳舊、老化等問(wèn)題，如美國(guó)在對(duì)電力工業(yè)第二個(gè)百年發(fā)展前景展望中認(rèn)為電網(wǎng)效率低下、輸電擁堵、供電可靠性和電能質(zhì)量降低已經(jīng)嚴(yán)重影響了其在世界創(chuàng)新領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。鑒于此，圖1中美國(guó)計(jì)劃至少安裝850個(gè)PMU用于提高對(duì)電力系統(tǒng)的控制能力。對(duì)歐盟來(lái)說(shuō)，因?yàn)槠滟Y源匱乏和分布的不均衡性，對(duì)電網(wǎng)的互聯(lián)更為重視。圖2中通過(guò)HVDC等新技術(shù)擴(kuò)展歐盟電網(wǎng)范圍以及跨國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)占有很重要的地位，并一直延續(xù)至2020年。另外，2013年作為歐盟智能電網(wǎng)的官方倡議書(shū)，EEGI中明確指出，大范圍的互聯(lián)是歐洲智能電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。

3.用戶側(cè)，均重視提高電力用戶和電網(wǎng)的互動(dòng)化程度

通過(guò)電網(wǎng)與用戶雙向互動(dòng)提高電網(wǎng)運(yùn)行的效率，重視用戶體驗(yàn)是智能電網(wǎng)的區(qū)別與傳統(tǒng)電網(wǎng)的重要功能。從圖1中可以看出，美國(guó)在智能配電網(wǎng)發(fā)展、光纖通信安全等方面大量涉及用電互動(dòng)化內(nèi)容。據(jù)Institute for Electric Efficiency(IEE)數(shù)據(jù)，2013年8月美國(guó)智能電表安裝達(dá)到4600萬(wàn)只，覆蓋率約30%。在2012年6月的“Derecho”颶風(fēng)中，Chattanooga電力局通過(guò)智能電表與負(fù)荷開(kāi)關(guān)配合，減少了至少一半的停電事故，避免了5800萬(wàn)分鐘的用戶停電時(shí)間[5]。

(二)智能電網(wǎng)發(fā)展的差異性分析

由于各國(guó)資源分布、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展階段、電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、等情況不同，不同地區(qū)和國(guó)家在智能電網(wǎng)頂層技術(shù)路線側(cè)重也有所區(qū)別，本文從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)和用電側(cè)分析如下。

1.發(fā)電側(cè)，新能源發(fā)展的技術(shù)路線重點(diǎn)不同

在新能源發(fā)展領(lǐng)域，美國(guó)將儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車(chē)列為優(yōu)先資助對(duì)象。特斯拉等電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)的出先大大推動(dòng)了美國(guó)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，2013年，特斯拉出貨量超過(guò)22000輛，其中大部分銷(xiāo)往北美市場(chǎng)[6]。同時(shí)，2014年美國(guó)政府發(fā)布多項(xiàng)政策推動(dòng)太陽(yáng)能、海洋能等可再生能源發(fā)展。比如，截止2014年5月，美國(guó)政府已在聯(lián)邦建筑大樓能源效率領(lǐng)域注資超過(guò)20億美元，絕大部分投入到光伏系統(tǒng)中[7]。

歐盟智能電網(wǎng)的主要?jiǎng)右蛑皇前l(fā)展可再生能源發(fā)電，保證歐洲能源安全，因此歐盟早在2010年就發(fā)布了歐盟2020能源戰(zhàn)略目標(biāo)，在能源領(lǐng)域提出了著名的20-20-20目標(biāo)，即，減少20%的溫室氣體；通過(guò)提高能源效率減少20%的能源消耗；20%能源來(lái)自于可再生能源。近年來(lái)，歐盟在海上風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2013年底，歐盟28國(guó)風(fēng)電安裝容量超過(guò)117GW[8]。

日本長(zhǎng)期以來(lái)注重核能和多種可再生能源的利用，但是在福島核危機(jī)發(fā)生之后，日本表示將逐步降低對(duì)核電的依賴(lài)，轉(zhuǎn)而大力發(fā)展可再生能源。因日本國(guó)內(nèi)風(fēng)能有限的情況，其在可再生能源發(fā)展上注重太陽(yáng)能發(fā)展。2012年，日本政府正式批準(zhǔn)可再生能源全量收購(gòu)政策(FIT)，其中對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等五種類(lèi)型可再生能源的收購(gòu)價(jià)格做了詳細(xì)規(guī)定，很大程度上推動(dòng)日本新能源的發(fā)展，F(xiàn)IT政策公布后三個(gè)月內(nèi)，太陽(yáng)能發(fā)電增長(zhǎng)約820MW，與公布前三個(gè)月約320MW相比，增幅達(dá)2.5倍[9]。

2.電網(wǎng)側(cè)，電網(wǎng)智能化發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)不同

近年來(lái)頻繁的停電事件將美國(guó)電網(wǎng)聚焦于公眾審視之下。比如，2012年颶風(fēng)“桑迪”造成美國(guó)740萬(wàn)戶大停電；2014年初寒潮席卷印第安納州、伊利諾伊州和密蘇里州，導(dǎo)致超過(guò)2萬(wàn)用戶停電。2014年美國(guó)前能源部長(zhǎng)Bill Richardson發(fā)表《美國(guó)的第三世界電網(wǎng)》文章，指出美國(guó)的電力系統(tǒng)停留在第三世界水平，近十年來(lái)鮮有進(jìn)步，美國(guó)電網(wǎng)的一大問(wèn)題是數(shù)百個(gè)地方電網(wǎng)只管自己運(yùn)營(yíng)，絲毫不理會(huì)真正的需求——建立一個(gè)完整的、協(xié)調(diào)一致的國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)。因此，美國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展較為重視電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造以及提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全和可靠性。

隨著歐洲風(fēng)電的迅猛發(fā)展以及未來(lái)可能利用的北非太陽(yáng)能資源，構(gòu)建歐洲統(tǒng)一電力系統(tǒng)和能源市場(chǎng)是歐洲智能電網(wǎng)發(fā)展的核心方向之一。因此從圖2可以看出，歐洲智能電網(wǎng)發(fā)展強(qiáng)調(diào)對(duì)輸電系統(tǒng)的升級(jí)改造，重視加強(qiáng)跨區(qū)/國(guó)互聯(lián)以及跨海輸電和直流輸電技術(shù)的發(fā)展。另外，歐盟也相繼提出了泛歐電網(wǎng)、超級(jí)智能電網(wǎng)等概念[3]。

日本電網(wǎng)的智能化水平已經(jīng)較高，因此在智能電網(wǎng)發(fā)展中一是注重提高資源利用率，發(fā)揮電網(wǎng)能源利用基礎(chǔ)平臺(tái)的作用實(shí)現(xiàn)各種能源的優(yōu)化利用；二是依托智能電網(wǎng)建設(shè)提高特大型城市核心功能區(qū)的供電可靠性和抵御災(zāi)難的能力。

3.用電側(cè)，促進(jìn)用戶與電網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)路線不同

美國(guó)擁有比較完善的電力市場(chǎng)機(jī)制，因此其在用戶側(cè)高度重視電網(wǎng)與用戶互動(dòng)行為的研究以及新商業(yè)模式的探索。通過(guò)需求側(cè)管理，美國(guó)大大緩解了電力供需矛盾。比如，PJM公司2013年9月10日負(fù)荷響應(yīng)達(dá)到2299MW，占所有負(fù)荷總需求的1.6%，當(dāng)天負(fù)荷需求達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的144370MW，得益于負(fù)荷響應(yīng)，負(fù)荷需求降至142071MW[5]。與美國(guó)類(lèi)似，歐盟在注重用戶互動(dòng)、提升能效的同時(shí)，充分考慮不同國(guó)家智能用電技術(shù)的一致性和協(xié)調(diào)性，重視建設(shè)統(tǒng)一的電力市場(chǎng)，注重智能用電標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂，以保障智能電網(wǎng)互操作性的實(shí)現(xiàn)。

日本的智能用電發(fā)展重視發(fā)揮本國(guó)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域樹(shù)立話語(yǔ)權(quán)，培育在智能用電領(lǐng)域具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)與產(chǎn)品，體現(xiàn)了其“出口導(dǎo)向型”經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。比如，在儲(chǔ)能技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē)等智能用電領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)上，日本企業(yè)發(fā)展積極性較高。

三、結(jié)論

本文在闡述美國(guó)、歐盟和日本智能電網(wǎng)技術(shù)路線基礎(chǔ)上，分析了不同地區(qū)智能電網(wǎng)發(fā)展的共性和差異性。主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是電源側(cè)，均注重可再生能源在能源安全上的重要地位，但各國(guó)新能源發(fā)展重點(diǎn)不同；二是電網(wǎng)側(cè)，均重視提升電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平，提高電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行水平，但各國(guó)提升措施的重點(diǎn)不同；三是用戶側(cè)，均注重引導(dǎo)用戶用電行為，增加電網(wǎng)和用戶之間的雙向互動(dòng)，但各國(guó)促進(jìn)互動(dòng)化的手段不同。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、能源——負(fù)荷分布等情況決定了我國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展在符合國(guó)際智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)需適應(yīng)本國(guó)在能源、社會(huì)發(fā)展階段等方面的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，我國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)側(cè)重于側(cè)重長(zhǎng)距離輸變電的發(fā)展，同時(shí)利用先進(jìn)傳感器、通信信息技術(shù)等不斷提升電網(wǎng)智能化水平。在用戶側(cè)，推進(jìn)用電信息采集系統(tǒng)，為今后與用戶互動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

[1] EC JRC, US DOE, 2012, Assessing Smart Grid Benefits and Impacts: EU and U.S. Initiatives. Report.

[2] OE DOE, 2010 Strategic Plan. Report.

[3] EEGI, 2010 Strategic Deployment Document for Europe′s Electricity Networks of the Future. Report.

[4] METI, 2010 Roadmap for the next generation of Energy Community. Report.

[5] FERC, 2013, Assessment of Demand Response & Advanced Metering. Staff Report. Report.

[6] Testla: great demand in China. http://auto.sina.com.cn/news/2014-02-21/09021272984.shtml

[7] A promise of 850MW solar generation installation from American government. URL: http://guangfu.bjx.com.cn/news/20140513/510401.shtml.

[8] GWEC, 2013 Global Wind Report Annual Market Update. Report.

[9] http://www.meti.go.jp/statistics/index.html.

(責(zé)任編輯：王 荻)

Comparative Analysis of Foreign Smart Grid Top-level Roadmaps

ZHANG Jun, HUANG Han, ZHANG Yi-bin

(State Grid Energy Research Institute, Beijing 102209, China)

This paper picks up the technology roadmap in USA, European Union and Japan as the research objective. Based on the illustration of the contents of the roadmaps, the universalities and differences among them are summarized. What is more, the reasons are discussed in terms of energy resources, economic society development, power grid situation and so on. The results show that the future smart grid has common traits. The first is the renewable energy is emphasized in generation side. The second is wide area interconnection is preferred in power grid structure, and the security, reliability and efficiency of network is highlighted. The third is the interaction between power companies and consumers should be highly improved. Meanwhile, since the differences of socioeconomic condition, power network situation, energy distribution and so on, the emphasis points in technology roadmaps in different countries are not same. The diversity shows as the focuses on renewable energy types firstly. Secondly, the methods of security, stability and efficiency improvement of power network are various. Thirdly, the ways of pushing intelligent power consumption are not the same.

smart grid; technology roadmap; comparative analysis

2015-06-07

張鈞，男，國(guó)家電網(wǎng)公司能源研究院電網(wǎng)發(fā)展綜合研究所工程師，博士;黃翰，男，國(guó)家電網(wǎng)公司能源院電網(wǎng)發(fā)展綜合研究所副所長(zhǎng)，博士；張義斌，男，國(guó)家電網(wǎng)公司能源院電網(wǎng)發(fā)展綜合研究所所長(zhǎng)，博士。

F407.61

A

1008-2603(2015)04-0025-06