智能电网：一种有效地减少温室效应的“绿色电网”

特约通讯员 梁思琴

所谓智能电网，就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感技术、测量技术、设备技术、控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。在美国对智能电网的定义中，智能电网有七大特性：自愈、互动、安全、提供适应21世纪需求的电能质量、适应所有的电源种类和电能储存方式、可市场化交易、优化电网资产提高运营效率。

智能电网具有良好的发展势潮，受到了世界各国的青睐。美国欲抢先一步成立智能电网的国际组织，来推进相关技术标准的制定和新技术的研发，以争取更大的话语权。在2009年，美国对智能电网的投入达45亿美元，并在未来3年以内将为美国家庭安装4000万个智能电表。中国在这一新兴领域也不甘落后。2009年5月，中国国家电网公司正式发布了举世瞩目的“建设坚强智能电网”的研究报告，首次向社会公布了“智能电网”的发展计划。此外，欧盟也提出了发展跨越欧盟、北非、中东等国家和地区的“超级智能电网”；日本政府也在战略中提出了扩大包括海外市场在内的环保业务，并将智能电网定位为重中之重。

智能电网为什么能够得到世界各国的青睐呢？这些因素有许多，各国又不尽相同。以美国为例，积极组建智能电网的主要原因在于：（1）电网设备比较落后，急需进行更新改造，提高电网运营的可靠性；（2）提高能源效率；（3）满足客户不同的用电需求。遗憾的是，基于不同的实际应用和市场需求，减少温室气体的排放并没有成为美国组建智能电网必须考虑的一个因素。然而，基于环保和可持续发展的角度来说，这却是非常必要的，因为这能够有效地减少温室效应。有研究表明，以2005年为基准，通过智能电网，每年温室气体的排放量可以减少5-9%，这样到2030年总共将减少排放二氧化碳7亿吨，即约是Waxman-Markey议案所提出的排放量的四分之一。

智能电网的应用代表了电力行业的发展趋势。智能电网提高了能源效率，减少了线路损耗，有利于可再生能源的融合和电动汽车的充电，从而有效地减少了温室气体的排放。如果通过网络优先的方式在统一电网上组建智能电网，这个效果将更加显著。

智能电网为什么能够减少温室气体的排放？

据统计，电力部门的温室气体排放量大约占据了温室气体总排放量的40%,所以如果电力部门采取有力的措施减少温室气体的排放，这将对全球减少温室效应具有重要意义。由于发电产生了大部分的温室气体，我们很自然地想到如何直接地在发电厂减少温室气体的排放，例如CCS(碳的捕获和隔离)和核能发电。然而在现实情况中，这些措施受到了限制，并且其费用是十分昂贵的。因此，为了使发电厂获得良好的经济效率和降低运行风险，一般不改变原有的先进发电技术，而是在电力传输设施里考虑如何减少温室气体的排放。

智能电网为有效地减少温室气体的排放提供了一个重要的契机，因为它能提高能源利用效率（包括能量节约和电网效率），能够更好的整合可再生资源（包括公共事业项目和分布式发电资源）。另外，智能电网还能够广泛地应用于交通用电，这样不但可以大量减少排放温室气体的内燃汽车的数量，而且还减少了石油进口，增强了能源安全和贸易平衡。

由于为消费者提供了实时的能量使用情况和不同时间段的电价信息，智能电网能够提高终端用户的能源利用率。许多研究表明，有了实时的、详细的用电数据以及价格信息，用户可以更好地控制自己的能源账单，达到最佳的能源利用率，从而减少了5-15%的能源消耗。根据美国电力科学研究院（EPRI）2008年报告，智能电网的测量表也能够使用在连续的建筑群上，单单这个就可以节电15%。预计智能电网的终端用户可以节能2%，这样将减少排放6千万吨的温室气体。

由于使用了电网配电自动化装置（如电容器组）和自适应控制技术（如无功电压优化），智能电网能够减少线路损耗和最大化地降低无功功率损耗。保守估计，这样将减少1%的能源损耗和6千万吨温室气体的排放。

智能电网能够减少温室气体的排放的另外一个原因就是将可再生资源发电架构接入了智能电网。这将获得许多好处。首先，由于使用了智能电网的响应需求（通过直接负载控制和计价程序获得）以适应有源负载，这将减少了电网运行风险和优化了公共事业的风能和太阳能项目的负载类型。其次，具有可靠的分布式可再生资源的智能电网为电力部门识别和解决由分散发电所引起的问题（如作业工人人身安全和电压变化）起着至关重要的作用。公共事业和分布式的可再生资源都受益于智能电网的网络能量存储，这有助于在能源市场里将可再生资源发电由以前的价格接受者变为价格制定者。预计到2030年，智能电网将会增加10%的可再生资源发电的电量，从而减少排放3亿吨的温室气体。

电动汽车也将大量减少温室气体的排放，因为它用电能取代了内燃机。电动汽车在非用电高峰期时进行充电将会大量减少碳的排放量。这种分时段充电要求智能电网允许电动汽车的接入，即电动汽车成了智能电网的一个临时节点。这样在智能电网就可以很方便地了解和管理电动汽车的充电情况。如果电动汽车在非智能电网充电，将产生一些问题。要清楚的是，电动汽车耗电大：一辆电动汽车的充电量相当于两台中央空调的用电损耗。如果用户晚上下班回到家后对电动汽车进行充电，同时其邻近的用户也在对另外的两台电动汽车进行充电，这样他们的用电总量将超过现有变压器的容量。显然，这种情况是不允许发生的。解决这个问题，就必须要使用智能电网（如配电自动化）的解决方案。此外，如果电动汽车在非用电高峰期时不是利用传统的化石燃料进行充电，而是充分利用可再生资源发电（如在夜间，美国大部分地区的可再生资源主要是风能）进行充电，这种充电的媒介就必须使用智能电网了，同时这也将潜在地减少了温室气体的排放。如果电动汽车的普及率达到50%，将会减少1亿吨温室气体的排放；如果这些电动汽车都是利用可再生资源发电进行充电的，这又将减少1亿吨温室气体的排放。

如何组建智能电网以更好地减少温室效应？

从上面的分析可以很清楚地看到，智能电网作为一个公共基础设施很好地帮助了电力部门减少温室气体的排放。然而，有什么途径能够确保充分发挥智能电网的优点呢？这里直接提出这样的一个途径：通过网络优先的方式在统一电网上组建智能电网。这种途径将有利于智能电网加快减少温室气体排放的速度，并且使其成本更低。

网络优先

尽管大多数人普遍地关注智能电网的设备和应用前景，但是智能电网的核心在于通信和计算技术。通过这些技术，电力部门可以在任何一个指定时间里了解和分析智能电网的每一个节点的情况。使用网络优先的方法部署智能电网就是要优先考虑智能电网联网技术的性能、互动性和寿命，因为这些因素将会影响到对智能电网的设备应用和未来的投资。这些因素的关键点分别如下：

性能：（1）终端节点数据速率和电网容量：要求多快和多大？成本多少？随着时间的推移，成本会增加吗？（2）时延：要求智能电网的反应速度达到多快以满足大多数分时段可预见的应用？

非互动性：智能电网在多大程度上可以利用已广泛应用的联网标准，如互连网协议？这些标准能够在多大程度上与NIST（美国科学和技术研究院）现有的智能电网互动性标准兼容呢？

寿命：针对智能电网的威胁模型因素的安全设计是基于几十年的？如何有效地、快速地、安全地升级固件以改善智能电网内在的安全性？

统一电网

电力部门并不是为每种不同类型的设备的每一个新应用各自组建一个独立电网，而是组建一个统一的智能电网平台。统一电网的组建应该要借鉴互连网的组网方式。统一电网给电力部门带来了显著的好处。首先，由于统一电网避免了多余的通信系统，所以这不单节省了成本，而且还极大地提高了新的设备和应用的反应速度。值得注意的是，后台服务系统的融合是这些设备和应用的关键瓶颈。此外，核心通信平台的整合和诸如互连网协议的开放标准的使用，也使这些设备和应用实现更快、更有效地运行。因此，和没有统一电网的智能电网比较起来，统一电网将会加快减少温室气体的排放。

参考资料：

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

2.覃泽文.且看美国智能电网如何成长[N].中国能源报，2010年1月18日：第11版.