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第3章 美国智能电网(1)

2003年7月,在美加大停电发生之前的一个月,北美电网发出“2030年的电网会是怎样?”的提问,并拟订出《2030的电网远景展望》,该报告提出,我们没有更多的等待时间,要将更普通的能源接纳进电网里来,所以智能电网发展的宗旨是“打造更具活力的、更具竞争性的国家电力市场——一个可以连接任何人的,在任何时间、任何地方都能够提供充裕的、可供应的、清洁的、有效的和可靠的电能交易,并且为消费者提供世界上最安全的电力服务体系。”

现代化的美国电力系统发展目标是实现可持续发展。如今还停留在机电系统结构的国家电网时代已经不能支持数字信息和电讯网络时代所需要的创新步伐。而且,每年的停电成本和电能质量的干扰成本造成了数十亿美元的经济损失。为此,美国能源部认为,亟待用一个电力高速公路来支撑其国家信息高速公路的运转。

21世纪,基于智能化的北美电力系统的翻新和重建是一项浩大而精致的工程。

可以设想,智能电网中可以实时地显示电流和信息流,让停电和电能质量损失接近于零,以减少电网的经济损耗;消费者通过移动式互联网与智能电网链接之后,可具有更宽泛的对新能源、电力供应商、电能商品的选择空间,通过这种竞争性和选择性,电力市场才能为消费者提供世界上最优质的电力服务,也使得全球能源效率和气候变化更趋于合理性。

智能电网的新概念正带领着人们朝着全新的电能商品的价值形式、更智能化的结构体系、更高效的工作机制、更合理的电网资产生命周期、更科学的电网规划和运营的方向发展。

2.1美国政府与智能电网

建设一种易接近的、具有丰富的和充裕供应的电网,使之成为美国经济增长的基石。这是在2003年2月6日,时任美国总统布什提出的,要将美国的电力传输渠道现代化,以促进经济安全和国家安全。美国能源部担负着具体执行并实现此项国家新目标的任务。

新一届奥巴马政府的新政采取新能源技术创新为主导的电网翻新战略——智能电网。通过新能源技术与管理,并在电网经济实体基础之上推动以信息革命带动能源技术的革命,政府向社会传递智能电网的新使命,以此引导新能源科技、节能型社会建设,是一项希望能够保持美国继续作为世界经济领导者的重要战略部署。

美国能源部近年发表的现代电网展望规划中提出:“21世纪的美国经济不应当仍旧建立在20世纪的电网基础上运营,现代智能电网应该是更可靠、更安全、更经济、更高效和环境更友好电网。”具体表现为:

“更可靠电网”——智能电网将随时随地为用户提供可信赖的电能性价比,对于用电障碍有足够的预警、零缺陷抗干扰并具有正确的需求响应。

“更安全电网”——现代智能电网应能抗击来自物理的、虚拟网络的攻击,如遭遇超强黑客或者是需要投入巨大恢复成本一类的攻击,而且也是不易受自然灾害摧毁并以最快速度恢复的电网。

“更经济电网”——现代经济型电网运营是基于供求法则的,对智能电网的运营结果有公正的价格机制保证,可实现足够的电力供应。

“更有效的电网”——智能电网的效率是表现在严格的成本控制前提下所进行的投资,运行中通过智能化,有效降低输电和配电的损失,以更有效地生产电能并改进电网资产利用水平。通过有效的方法控制输电阻塞并允许低成本和可再生的电源入网,获得最好的能源利用效率。

“环境更友好电网”——建设一个抵抗气候变化与环境更友好的智能电网是要通过发电、输电、配电、蓄能和电能消费来主动实现的。可再生能源的入网在任何地方都成为可能,入网的通道将获得扩张,未来的智能电网基础资产建设将以最小的占地面积为目标,大幅度减少因电网建设和运营对自然生存环境所产生的物理影响。

“更放心电网”——更放心的电网是指它不会伤害那些和电能密不可分的公众、电网员工和敏感的用户,它应当是一种具有自愈功能的电网。

电力工业已经在管理和技术两个方面加大了对电力系统运营能力及其可靠性的密切关注,以面对未来的电力需求。在信息技术方面的革命是通过美国的其他“网络”产业来实现的,如通信产业将用来为智能电网快速而实时地传递电力市场中相关经营业务数据,如实时电价、辅助服务电价,帮助电力公司和用户进行决策,智能电网中的分散型微处理器将使得电网具有更高的响应能力、可靠性和电能质量水平。

智能电网将是现代化的电网,它不是随意地收集一些人们感兴趣的技术放在一起就可以给自己冠名为“现代化电网”的。在能源领域的革命是为了应对未来极端条件和不确定的风险,建设智能电网的技术目前已经准备就绪——包括智能化的电力系统所需要的加速器、高温超导电缆和变压器、低成本电能储存装置、标准化的建筑和设备。

当然,一旦这些优化后的电能的传输过程被启动时,进一步发展的过程中会存在许多技术上的限制和市场中的障碍。在现实社会中,那些从我们头顶上经过的输电线路的安装与定位已经越来越困难,特别是城市和市郊的超级特大型负荷增长,为了解决这些问题,美国的电力公司正在面临两难的选择。

第一,人们一直在关注一个什么样的电力系统为信息社会提供基础设施。美国人希望通过联邦和州政府的支持,再次领导人类搭建继互联网之后的又一张新网络,这是一张依托于信息网络的能源消费和生产之间呈零距离的超能电网。它可以将传统与新型电能的开发、输送、库存、转换(发电)、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其他用能设施,通过数字化信息网络系统连接在一起,通过智能化控制使整个系统得以优化。

这一系统将充分利用各种能源资源,特别是利用低碳的天然气、风能、太阳能和水电等可再生和清洁能源、核能以及各种废弃资源循环利用等,依靠这张新型电网使分布式能源系统、能源梯级利用系统、蓄能系统和蓄电交通系统等组合优化配置,实现高能效供电、“零障碍”供电、绿色通道供电和多元化互补供电。

第二,配置电力电子使得更多的电流消除阻塞,以便顺利通过已有的输电资产。

第三,发展低强度电网以解决土地使用和对环境的关注,但是智能电网又必须面对至关重要的国家总体电力需求的平衡问题。

第四,为建立智能和灵敏的配电网系统、清洁电站系统,如核电站、清洁煤电站、可再生电源和分布式能源装置、热电厂等,建筑和设备都将实施标准化。

第五,建设智能电网的政府权限问题。2009年7月4日,美国国家独立日纪念仪式上,现任总统奥巴马的简短发言提出要让清洁能源成为有价值的能源,以减少美国对进口能源的依赖。

所以,在这一新的需求之下,十分有必要通过技术和管理上的创新,厘清妨碍解决国家电力传输的难题,包括在建立新的电网设施时的障碍;投资人对智能电网的不确定沉没成本;复杂的电能电网建设责任和义务;各级政府的代理权限的定位和承诺;竞争性的土地利用,特别是在农村和城市居住地区,尽量减少新的电力设施和电网结构所引发的社会的更多的反对和诉讼,等等。

2.2建设智能电网的里程碑

在智能电网的规划与建设中,智能电网的时间里程碑分为两个阶段,在美国,这种阶段性正在迅速显现。第一种称之为“一个渐进式智能化电网”——可以提供可实现价值的技术,将能够配置电网的中短期的未来;第二种电网是在文献题目中称谓的目标式智能电网,这是一种长期的电网智能化改革的承诺,并且给人印象深刻的实现机会。第二种智能电网给出一个“单一技能应用”——通过移动互联网技术支持、电子邮件、指标盘显示屏等通道,实现互联网(Internet)平台的深度而实时的信息交互。这两种智能电网实际上只是阶段的不同区别,后者是在前者基础上充分发展后所得到的必然结果。

那么,两个里程碑之间的差异是什么?如何选择智能电网的模式?

2.2.1从发展时间阶段看智能电网

一个中短期的初步智能电网将要面对各项资源、人工成本日益上升的状况,因此,电网必须要实现更高的效率,包括能源效率、经营效率、服务效率、设备效率等,通过提高效率,使电网企业既能够向客户传递用户所期待的服务水平,又可以减少对环境的压力,使社会获得更为可靠的综合效益。

从长期来看,目标型智能电网将逐渐成为人们期待建设的一种电网经营服务方式,它会像Internet的传输方式一样,在电网中展现出来,使我们的生活、工作、学习和休闲更加方便、快捷和节约,从而使电能消费方式和社会生产与生活方式发生根本的变化。

2.2.2从新技术应用阶段看智能电网

渐进式智能电网应用的技术、工具与方式将会使得电力系统的知识体系更加有效率:

确定电网可靠性的测度,加入自愈的技术支持,而绝非是以往仅仅采用概率值来评价电网的可靠性;

保持电力市场的可持续供应能力;

从提高到完全具备电力技术、节能技术,引领国家竞争力;

带领人们充分适应可再生和传统能源资源共生的环境;

全力引入电力需求侧管理技术,建立新的节能商业模式,降低国家的碳排放;

推广先进和高效的数字电网新技术。

通过以上技术的突破和综合利用,打造一种新的用电和用能、节能和节电的新观念,促进渐进式智能电网向目标式智能电网演变。

2.2.3从网络特点上看智能电网

用网络的视角观察,智能电网这一新国家战略的前身可以追溯到国家输电网络、互联网平台的信息高速公路和20世纪50年代由艾森豪威尔倡导并在80年代末期建成的美国国家高速公路系统,三个巨型网络系统战略相比较。

分析三者之相似点不难看到互联网络“家族”的图谱。这些网络战略思想可以追根寻源至最早的美国国防部在20世纪60-70年代的研究项目——先进政府网络(Advanced Research Projects Agency Network,ARPAN),ARPAN的出现带动了20世纪80-90年代的一场深刻的社会变革和技术创新。

目前,美国国防部正在建设军方的网络司令部,这实际上也是在网络巨系统的原理和军事战略思想基础上对这一张“网络巨系统家族图谱”的延伸、分蘖和应用。

同样,完全地实现目标型智能电网至少也需要10至20年的努力。通过无数次主观与客观相结合的探索步骤,集结各方的智慧与力量共同实现这一目标,才可能使今天电网的能效现状和可持续性得以改良,所以,应集中优势力量、构建新型组织、规划阶段性步骤、推广应用性成果,为最终实现目标型智能电网铺平道路。

2.2.4从效益上看智能电网发展的里程碑

在技术上突破之后,智能电网技术将为电网企业带来一次革新之后的新的商业运营上的挑战,它预示着有无数新的机会和收益。基于适当的独创性的实践、先进的技术、敢于冒风险的勇气和政府的政策配合,智能电网为全社会带来清洁、高效的新生活将为期不远了。

2.3电网新的价值传递系统

智能电网下一步的发展方向是实现国家电力价值传递。这个新概念可以从理论上指导公共部门和私人企业的深入研究、发展并建立示范性的智能电网建设规划。

从逻辑上看,美国的电力系统智能化并非仅仅依靠现代化和投资扩张就可以达到目标,智能电网建设是一项很艰巨的任务,需要公共部门与私人企业的强有力的参与,从而有效地凝聚调控,提倡在电力市场中进行长期投资、稳健经营的战略和策略,传递具有独占性的研究、工程项目建设的进展方式、先进电力技术等示范性的规划。

目前,智能电网研究与实践已经得到了电力系统的未来需求和战略认证,美国能源部在这项研究期间,对电力系统研究实验室、乡村电力研究委员会、北美可靠性协会和加州能源委员会等各方的努力效果非常重视,极为关注这些地区的活动、活动路线图和进程的成功,以及它是否是一个有责任的组织。

研究者认为,传统的电力系统关注的焦点是自身所碰到的来自于需求端的麻烦,它要被动地时时刻刻去支撑终端用电负荷,以实现稳定和连续地保持地区经济增长的目标。在历史上,电的地位非常重要,它被比喻为人类的粮食、保护神、生命之水、法律或秩序的象征。电力系统的稳定增长依赖于两种重要的能量供应,一种是物理能量,一种是信息能量。电厂履行电的生产、服务、应用的职能;电网则是一个融合电力输送、工作用电、家庭用电,复杂的、可靠的、多目标优化下的年度计划和电力市场交易的共同体。

然而如今美国电力工业的外形轮廓已经迅速地发生变化了,电力工业正在迅速将管制公用事业的所有权转移到竞争性供应商。自1997年竞争性供电商入股计算,参股已建成的发电装置的份额从10%到至今的35%,最近该数据上升速度有所减缓。

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