美国怎么建设智能电网系统?

 中国电子报、电子信息产业网  作者:工业和信息化部国际经济技术合作中心 宋晓明编译
发布时间:2015-07-13
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美国电网正经历着巨大的变革,包括鼓励可再生能源和分布式能源发展政策推动下的数字技术应用,重视极端天气过后的恢复以及电力用户和商家越来越多的参与到能源管理和生产中。《2009年美国复苏与再投资法案》颁布后,自2010年以来,超过90亿美元的大型公共和私人投资加快了先进智能电网技术的部署,提供了有关技术成本和收益的真实数据以及最佳实践。上述部署的成效正在逐渐显现,电网运行、能源效率、资产利用率和可靠性都在逐步改善。

智能电网实现多方面进步

智能电网包括先进的通信、控制技术应用和电力输送基础设施,其技术正在全部电网系统中应用,包括输电、配电和基于消费者的终端系统。其中,先进测量基础设施(AMI),包括智能电表、通信网络和信息管理系统,正在提高公共事业的运作效率,为电力客户提供信息以更有效地控制能源消费。据估计,截止到2015年,美国将安装6500万个智能仪表,超过电力客户的1/3。

基于消费者的技术,比如住宅用户的可编程通信控制器以及商业和工业用户的建筑能源管理系统,与智能电表共同使用,为消费者提供了能源的使用数据。在美国俄克拉荷马州天然气与电力公司,AMI与家用终端显示技术相结合,大大降低了电站的峰值需求。

智能电网应用可以实现自动定位、隔离错误,从而减少故障,动态地优化电压和无功功率,提高用电效率、监测并指导维修。2012年7月5日,美国查特怒加市曾遭受严重风暴袭击,但很快通过使用自动馈电开关恢复了一半居民的供电。此外,公用事业正在升级和整合计算机系统,从而提高电网合并运行的效率。

先进的传感器和高速通信网络在传输系统中的应用提高了高压变电站和整个输电网的检测能力和控制运行能力。同步相量技术通过相量测量单元在整个输电网的应用,使数据传输速度提高了100倍,并且使电网运营商能确定和校正系统的不稳定性,增大电力传输量。

西部电力协调委员会已确定,使用同步相量数据进行实时控制,可将加利福尼亚州—俄勒冈州电力网的电流大幅提高,在没有任何新高电压投资的情况下,预计40年可降低3500万~7500万美元的能源成本。美国复苏和再投资法案在同步相量技术方面的投资也将导致网络相量测量单元从2009年的166增加到2015年的1000。

智能电网技术的采用率在美国并不平衡,在很大程度上取决于各州的政策、奖励机制及公共事业部门的技术经验水平。公用事业机构、消费者和社会充分接受智能电网技术、评估技术的成本和收益都需要一段时间。不过,在部署了智能电网的地区,提高运行效率、能源利用率和可靠性已经成为现实。

此外,电力输送系统实现新功能需要智能电网技术,这些功能是原有电网在设计时没有考虑到的。现代电网变得更加复杂,需要解决输电网和配电网中可再生能源利用、来自分布式能源及其他资源的双向电力流动、消费者和商业机构积极管理和发电、内在网络安全保护下的先进通信与控制技术等问题。

智能电网系统包括用以协调多样电网进程的数字传感、通信、控制技术和现场设备。更智能的电网还包括信息技术系统应用,用于处理新数据,并使得公用事业机构能够更有效、更动态地管理电网运行。通过智能电网系统所提供的信息,客户也能够对能源使用方式做出明智的选择。

在2010年~2013年期间,美国电力行业总计花费了180亿美元用于智能电网技术部署。全美国的年度智能电网支出在2011年的时候创下了新高,为52亿美元,符合高峰期部署的支出。2014年,全美国的年度智能电网支出则减少到了预计的25亿美元。投资减少的原因主要是先进的测量基础设施的花费减少了。然而,根据行业分析师的预计,智能电网分配系统的年度花费量仍然会逐渐增多,由2011年的12亿美元预计会增加到2017年的19亿美元,而先进的测量基础设施的花费仍然会降低。

截至2013年3月,在ARRA框架下,智能电网拨款计划中公共和私人联合支出总额为63亿美元,是ARRA投资中最大的部分。2009年~2015年,美国能源部和电力行业将为智能电网拨款计划投资超过79亿美元,涉及200多家电力企业和其他组织,为实现电网现代化、加强网络安全、提高互操作性、收集影响智能电网运营和收益的实用性资料。在同一时间内,额外的16亿美元将拨款到成本分摊基金中,用来支持储能示范和区域示范,以评估新兴的智能电网。另外还有1亿美元的联邦资金,用来支持52项智能电网职工培训项目。

跨领域发展智能电网技术

智能电网技术的应用增加了传统公用事业机构数据通信的挑战。每个智能电网应用都要求有各自的带宽和延迟时间,这需要公用事业机构使用不同的通信技术。这些技术可以被部署在现有的公共网络,这种方式较为经济和普遍,还可以部署在有许可的专用网络。

虽然一些公用事业机构在使用专用通信网络,但是较低的成本和较高的技术优势正在令公共网络受到公用事业机构的青睐。近日,公众蜂窝网络运营商纷纷下调AMI通信的每兆字节收费,使得无线宽带技术更受欢迎。然而,在某些应用中,如馈线开关和同步相量,需要的速度比蜂窝网络更快。虽然美国也在使用光纤电缆,但基于无线电频率的网状网络已经使AMI和配电自动化部署在北美成为领先技术,许多美国市政公用设施也使用微波或无线网络广域通信的AMI回程和配电应用。为了满足高速、高安全性需求,西部电力协调委员会使用安全的光纤广域网,建成了与国家空中交通管制网络同一水平、发送PMU数据不到30毫秒的电网控制中心。

为应对13636号行政命令,美国国家标准技术研究所(NIST)在2014年2月发布了提高关键基础设施网络安全的框架,提供优先、灵活、可重复和廉价的方法来应对跨部门产生的网络风险。同月,美国能源部公布了电力网络安全界别能力成熟度模型的第二个版本,通过使用自我评价方法,帮助电网运营商评估其网络安全能力,改善网络安全问题。迄今为止,已经有104家公用事业机构覆盖下的6900万用户下载了这个工具。美国能源部在2012年发布的风险管理程序,结合即将推出的网络安全采购语言,为公用事业机构提供了跨业务流程中网络安全最佳实践的整体视图。

2009年,美国国家标准技术研究所为了加快互操作性的发展,成立了公私智能电网互操作性小组(SGIP)。截止到2013年,SGIP吸收了800个组织和1900名会员,成为独立的、成员资助的组织。NIST则协调SGIP发展和更新智能电网互操作性标准的框架和蓝图。SGIP积极致力于减少差距和更新审核标准,迄今已加速形成了消费者交换能源使用数据的标准;定义能源使用计划、价格和需求响应信号;并且有助于扩展SEP2信息模型,以支持电动汽车充电。

日益严重的环境问题和技术价格的降低导致分布式能源被越来越多地采用,包括分布式发电、电动汽车及能量存储。分布式能源在美国发电量的比重非常小,但在未来10年中,其安装规模和速度将有所增加,特别是在政策和可持续性配额制鼓励的地区。

补贴、退税、税收优惠和融资激励机制促进了分布式能源的利用。降低成本和地方奖励政策使光伏太阳能电池板在2013年增加了41%,2013年年底达到1.21万MW的装机容量。2013年,非公用事业太阳能电池板装机容量为1904MW,零售电源的系统成本对一些消费者来说很有竞争力。

分布式能源技术正在以不同的速度被美国的各个区域接受。普及率高的州,如加利福尼亚州、亚利桑那州、新泽西州和夏威夷,都在一线积极应对挑战,对不同资源进行有效整合。例如,在亚利桑那州,净计量电价法律通过为太阳能业主提供支持,带动了屋顶太阳能的发展,但造成的后果是公共事业的税收减少。由于屋顶太阳能用户越来越多,亚利桑那公共服务公司称,非太阳能用户现在不得不承受较高的用电成本来维持电网。每个太阳能系统安装费用多达1000美元,因为这些费用都计入到用电的度数中。为了缓解这种交叉补贴的问题,亚利桑那公司委员会在2013年11月规定,新客户在签署太阳能安装合同时,除了使用的电功以外,每月还需缴纳0.70美元/千瓦的固定费用。

此外,越来越多提供可变功率的可再生能源并入电网,像屋顶太阳能,可能需要储能系统来有效平衡发电和需求量的快速变化。例如,2013年10月,加州公共事业委员会(CPUC)为3个投资者拥有的电站设立的目标是在2014年前达到1325MW的储能。

积极布局 应对未来趋势和挑战

美国能源部与美国电力研究协会为公用事业机构制定了一个一致的、按部就班的框架。随着新数据涌现和额外收益产生,通过将可用技术应用于现有智能电网中,提高互操作性和系统集成将使公用事业的智能电网技术之间实现新的协同效应。

美国的监管机构正在考虑为估价技术和投资决策提供新的收益流。即当向监管机构提交智能电网技术的成本/效益分析时,提供减少客户停电损失的估计,而不是仅提供停电的持续时间和频率。这些增值服务会有助于监管机构了解采用自动支流转换和其他系统升级带来的好处。

行业分析师预测,美国实用数据分析市场每年将增长33%,从2011年的2.15亿美元增加到2016年的9.02亿美元。IT基础设施和数据分析将使更多的公用事业机构超越基本的传感和通信技术部署,利用智能电网的数据完善运营和政策。

各种极端天气带来的灾害激发了人们对提高现代电网可靠性和应对能力的关注。2012年,11次极端天气造成的破坏损失平均值超过了10亿美元,包括飓风桑迪造成的65亿美元损失,这也使2012年成为自1980年以来灾难损失最大的一年。在2012年的超级风暴桑迪之后,纽约州和新泽西州州长为基础设施强化和升级制定了数十亿美元的投资计划。新泽西州的电力和天然气公共服务公司提出了能源强化计划,将在10年内投资39亿美元,以提高和强化脆弱的变电站,提高对智能电网技术故障的检测和应对,并加强或埋藏配电线路等。

对应对能力和持久性的关注也增加了美国发展微电网的兴趣。微电网可以在紧急情况下提供专用电源和隔离能力。行业分析师预测北美的微电网容量可能从2013年的992MW增加到2020年的6000MW。不过,理想的微电网交互和微电网功能需要应用先进的传感、开关和控制技术,有效整合配电自动化技术与分布式发电的高级智能系统。因为有较大的需求和良好的经济实力,终端用户如军事设施、医院以及大学校园可能是微电网的早期尝试者。

展望未来,美国的电网商业模式必须考虑到市场新成员已从消费者变成生产者,配电所扮演的角色也从供应商变成分布式发电和能源资源的高度协调者。传统公共事业的商业模式可能会受到收益减少、成本增加、低盈利潜力的威胁。监管机构可能需要考虑新的费率结构,确定如何才能最好地回收智能电网的实施成本,同时在用户和第三方商家中公平分配电网管理和维护的费用。

为有效地整合数以千计的新设备和市场参与者,电网电力公司需要具有复杂的通信和IT技术的先进控制系统。这需要更复杂的智能电网,在高度分布式能源和负荷之间随时管理电流,同时保持高标准的可靠性和恢复力。可能需要一个能源框架,其中公用事业、消费者和其他市场参与者可以找出最好的技术、配置和系统设计,优化功率流和地区市场的金融交易,同时系统还能保持更高的稳定性和效率。

长期的投资策略,可以考虑优化技术和资产部署,从而协调可靠性、效率、经济性和环保目标的利益竞争。马萨诸塞州公共事业部门已经提出,每个配电公司开发并提交一个电网现代化的10年战略计划,包括减少停电影响、优化需求量、整合分散的资源、提高员工素质和资产管理。要实现这些目标,需要一个协调战略来平衡对最佳电网设计的竞争。

随着可并入电网的可再生能源和分布式能源量的增加,颠覆性的挑战即将来临,这需要一个日益智能化的高级电网。公用事业机构在部署新的信息管理和控制系统时,互操作性和系统集成的挑战将会持续。美国还将面临许多长久性的挑战。短期内,促进未来电网现代化将需要决策者考虑技术选择、成本回收机制和投资规划周期,以确保清洁、经济、可靠、安全的电力输送目标。


来源:            责任编辑:刘静
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