摘要
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，同时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，如我们看到的电网运行、能源效率、资产利用率和可靠性的改善等。
智能电网包括先进的通讯和控制技术应用和电力输送基础设施实现现代化涉及的重点部分如提高可靠性、效率和安全性的实践。图1表明，智能电网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。
图1 智能电网技术被应用在电力系统，包括输电、配电和客户端系统
智能电网在许多方面都有进步：
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其能源消费。据估计，截止到2015年全国将安装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，为消费者提供能源使用数据。在美国俄克拉荷马州天然气与电力公司，先进测量基础设施（AMI）与基于时间的价格及家用终端显示技术相结合大大降低了电站的峰值需求，降低的程度有望推迟170MW峰值电站的建立。同时，公用事业和国家正在努力解决电力消费者的关切，企业也为消费者提供新的能源管理服务。
配电系统中传感、通信和控制技术的整合可以提高可靠性和效率。智能电网应用可以实现自动定位并隔离错误，从而减少故障，动态地优化电压和无功功率可以提高用电效率，同时监测并指导维修。例如，2012年7月5日查特怒加市遭受了严重风暴袭击，但很快通过使用自动馈电开关恢复了一半居民的供电（2秒内使8万受影响的客户降低到了4万）。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和业务流程的效率。
先进传感器和高速通信网络在传输系统中的应用正在提高高压变电站和整个输电网的检测能力和控制运行能力。例如，同步相量技术通过相量测量单元（PMU）在整个输电网的应用，使数据传输速度比传统技术快100倍，并且令电网运营商能确定和校正系统的不稳定性，如频率和电压振荡，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以将加利福利亚州—俄勒冈州联锁电力网的电流提高到100MW或更高，在没有任何新的高电压投资情况下，预计40年可降低能源成本3500万到7500万美元。美国复苏和再投资法案在同步相量技术方面的投资将导致网络相量测量单元从2009年部署的166增加到2015年的1000。
网络安全措施和推进设备与系统之间的互操作也取得了进展。政府和产业都在积极调动必要的工具、指导文件和资源以增强公用事业的网络安全。政府和行业专家也在通过标准制定、测试和制定支持政策推动互操作。促进新技术整合需要对标准和独立测试进行持续的协调。
智能电网技术的采用率在全国不太平衡，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需要一段时间，也需要一段时间评估这项技术的成本和收益。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。今后，整个行业和政府管辖区共享有效的部署实践和评估方法仍然是一个重要的任务。
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。传统上，公用事业机构管理的是一个可预测的系统，电力供需是从大型的集中式发电厂向消费者的单向流动。而现代电网变得更加复杂，需要解决：
●输电网和配电网中各种可再生能源；
●来自于分布式能源及其他资源如屋顶光伏、电动汽车、储能设施等的双向电力流动；
●消费者和商业比公用事业机构更加积极的管理和发电；
●内在网络安全保护下的先进通信与控制技术。
智能电网涉及数字技术和信息管理在实践中的应用，是电力输送基础设施现代化过程中的核心成分。智能电网技术的采用率在全国各不相同，在很大程度上取决于各州的政策、奖励机制和技术经验水平。今天，我们看到越来越多已在智能电网的部署方面有了成功的开始的公用事业机构正在努力克服一系列的技术、监管和金融挑战实现产业的不断进步。在许多情况下，公用事业机构从小规模试验和试点方案发展到大规模的部署以恰当地评估技术，确保对继续投资给予管理和监管方面的批准。
为更好地说明现有智能电网环境，这篇报告主要概述了三个方面：
●智能电网部署情况：智能电网部署的进展和预期收益，特别是在先进的测量基础设施、客户端系统、传输系统和配送系统方面。
●跨领域技术：政府和工业活动确保通信、网络安全及其互动等方面进展。
●打造未来布局的趋势和挑战：对技术成本和效益理解的演进，整合分布式能源资产和资源，改变商业和监管模式以满足更复杂、更可靠、消费者和第三方更多参与能源管理和制造的电网。
智能电网部署情况
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以处理新数据，并使公用事业机构更有效、更动态地管理电网运行。通过智能电网系统所提供的信息也使客户能够对能源使用方式做出明智的选择。
在2010年至2013年期间，美国电力行业预计花费180亿美元用于智能电网技术部署。如图2所示，全国年度智能电网支出在2011年创下新高，为52亿美元，符合ARRA项目高峰期部署的支出，并于2014年减少到预计的25亿美元的年度支出。投资的减少大部分原因是先进的测量基础设施的花费减少了。然而，行业分析师预计，智能电网分配系统的年度花费量会逐渐增多，由2011年的12亿美元增加到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（从2011年的36亿元降到1027年的12亿美元）。
截至2013年3月，在ARRA框架下，智能电网拨款计划（SGIG）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年至2015年，美国能源部（DOE）和电力行业将为SGIG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、收益和实用性的资料（DOE2013a）。在同一时间内，额外拨款16亿美元的费用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（DOE2014a）。另外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（DOE2014a）。
图2 美国用于智能电网的支出2008-2017(历史和预测)
3. 交叉科学的工作
3.1 通信系统
智能电网技术的应用——如AMI、配电自动化、客户端系统、同步相量技术等，增加了对传统公用事业机构数据通信的挑战。为应对这些挑战，公用事业机构投资多种涉及不同带宽、延迟、可靠性和安全性特点的技术。每个智能电网应用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（例如蜂窝技术和无线电频率[RF]网格），这是一种经济和普遍的方式；还可以部署在有许可的专用网络（例如光纤通信、有执照的无线电频率网格或微波链路）。成本、可靠性、性能和技术寿命影响公用事业机构在通信技术上的决策。
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（如2G / 3G和4G LTE网络）更受欢迎。然而，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提供更快。虽然光纤电缆也在使用，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。
3.2 网络安全措施
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，提供优先的、灵活的、可重复的和划算的方法来应对跨部门产生的网络风险（NIST 2014）。这种努力依赖于NIST与其他行业的协同工作，建立开发NISTIR 7628来指导智能电网网络安全（NIST 2010）。同月，美国能源部公布的电力网络安全界别能力成熟度模型（ES-C2M2）第二个版本（1.1），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，并立刻行动和投资去改善网络安全问题（DOE 2014b）。ES-C2M2提供了一个补充的、可扩展的工具来帮助NIST框架实现。迄今为止，104家公用事业机构覆盖6900万用户已经下载了ES-C2M2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，公用事业机构现在有跨业务流程中网络安全最佳实践的整体视图（DOE 2012b）。
3.3 互操作性
互操作性是两个或多个网络、系统、设备、应用程序或元件，可以有效连接、安全地共享信息，并对系统或操作很少或没有中断。互操作性是电网现代化的重要推动者，允许服务提供商和终端用户针对大量的技术问题和功能保持可靠操作性。
美国国家标准技术研究所在2009年为了加快互操作性，形成公私智能电网互操作性小组（SGIP）。SGIP截止到2013年吸收了800个组织和1900名个人，成为一个独立的、成员资助的组织。在此期间，NIST协调SGIP发展和更新智能电网互操作性标准的框架和蓝图，为今后的发展鉴定一致的标准和差距。SGIP积极致力于减小差距和更新审核标准，迄今已加速形成消费者交换能源使用数据的标准（绿色按钮）；定义能源使用计划、价格和需求响应信号（在OpenADR使用）；并且有助于扩展SEP2信息模型（信息的通用词汇），以支持电动汽车充电（CSEP）。
4. 形成未来部署的机遇和挑战
4.1 智能电网技术评估正在演进，且在各公共事业和行政辖区不尽相同
评估智能电网技术的全部成本和收益需要时间，特别是许多公用事业机构开始利用新的数据和信息技术（IT）应用程序，使智能电网系统的部署产生附加价值。公用事业机构及其州和地方监管机构对智能电网技术有着不同经验，对成本和收益有不同的看法。因此，投资决策和部署率应在各州层面确定——根据各州能源目标、监管机构对投资额度的观点以及智能电网的成熟水平和个别公共事业的经验水平。美国能源部已经与美国电力研究协会（EPRI）为公用事业机构制定了一个一致的、按部就班的框架，根据以往的示范估算项目成本和收益（EPRI 2012）。随着新数据涌现和额外收益产生，这种方法通过将可用技术应用于现有智能电网中不断演进。提高互操作性和系统集成将使公用事业智能电网技术之间实现新的协同效应。
支持智能电网设备的IT和通信基础设施建设在很大程度上给公用事业机构带来更多的责任、费用和综合挑战，且挑战很难估计。整合新的网络和系统所需要的精力和时间是难以预料的；数字设备和系统的生命周期在很大程度上是不能确定的；所有新功能和运算能力只能随着时间逐渐实现。公用事业机构不知道随着技术的发展，IT和通信基础设施需要升级和维护的程度。同时，虽然几个公用事业机构已经实现了简化操作，但系统集成问题依然在挑战很多示范项目。这些智能电网技术和IT技术发展较高的公用事业机构和地区正面临智能电网下一步技术革新和政策挑战。
公用事业和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。例如，当向监管机构提交智能电网技术的成本/效益分析时，现在一些公用事业机构提供的是减少客户停电损失的估计，而不是采用传统的可靠性指标（即仅提供停电的持续时间和频率）。这些增值服务（VOS）预计会有助于公用事业和监管机构了解为提高可靠性采用自动支流转换和其他系统升级给消费者和社会带来的好处。这种估值方法将使公用事业机构和监管机构了解停电的真正成本，有利于优先投资，提高可靠性和应对能力。
此外，目前智能电网技术提供的数据分析将提高这个新兴领域的运营和经营效率（例如，停电管理、资产管理和系统规划）。行业分析师预测，美国实用数据分析市场将每年增长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改善运营和政策。
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次极端天气中每个造成的破坏损失均超过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（其中包括风暴，干旱，洪水，森林火灾）损失最大的一年。2012年超级风暴桑迪之后，纽约州和新泽西州州长对基础设施强化和升级的支持带动地区公用事业机构制定了数十亿美元的投资计划。例如，新泽西州的电力和天然气公共服务公司（PSE＆G）已经提出了能源强化计划，该计划在今后的10年将投资39亿美元，以提高和强化脆弱的变电站（17亿美元），提高对智能电网技术故障的检测和应对（4.54亿美元），并加强或埋藏配电线路（6000万美元），还有其他的升级（PSE＆G 2013年）。
对应对能力和持久性的关注也增加了人们发展微电网的兴趣，微电网可以在紧急情况下提供专用电源和隔离能力（即从周围电网中快速连接或断开）。行业分析师预测北美的微电网容量可能从2013年992MW增加到2020年的6000MW（Navigant2013年）。不过，理想的微电网交互和微电网功能需要应用了先进的传感、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更加智能和高级的系统。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。
4.2 分布式能源的整合正在改造配电系统
日益严重的环境问题和技术价格的降低导致分布式能源（DERs）被越来越多地采用，包括分布式发电（如屋顶太阳能和热电联产）、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，但在未来十年中，其安装规模和速度将有所增加（2014年EPRI），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也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（PV）太阳能电池板在2013年增加了41％，到2013年底达到了12100MW的装机容量（SEIA2014年）。在2013年，非公用事业（基于客户）太阳能电池板装机容量为1904MW（2014年SEIA），零售电源的系统成本对一些消费者很有竞争力（EPRI2014年）。
分布式能源通过更快、更好地控制电网运行，使多变的、间歇发电资源整合到一起，同时保持了较高的可靠性。未来电网在新的市场成员和具有分布式能源的第三方电力生产商之间呈现出复杂的关系，这需要实时优化管理。
分布式能源技术正在以不同的速度被各个区域接受。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（EPRI2014年）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（配电公共事业机构）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度（kWh）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（太阳能系统的额定功率为kW或MW）（ACC案卷2013）。
此外，越来越多的可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地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）为三个投资者拥有的电站设立的目标是在2014年前达到1325MW的储能目标。CPUC目标是优化电网（包括峰值还原和升级推迟）、整合可再生能源、减少温室气体排放，以满足加州的目标（CPUC2013年）。
针对分布式能源的整合，客户和新的第三方供应商参与电力生产和管理，期望从配电系统开始变换运营方式。由于用电客户和第三方商家更多地参与发电和智能管理，电网技术的发展、商业模式和管理法规的演变将需要协调（GTM Research2013年）。
4.3 巨大的变化需要新的商业模式、先进的系统设计和长远的规划
展望未来，商业模式必须考虑市场新成员从消费者变成生产者。此外，配电所扮演的角色也在不断变化：从供应商到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（EEI2013）。监管机构可能需要考虑新的费率结构（例如，针对能源消费情况对所有客户和传统的容量率采用混合费率），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，整个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，使供给和需求达到稳定、可靠和最佳平衡的状态。有效地整合这些资源，需要更复杂的智能电网，它可以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，同时系统保持更高的稳定性和效率（GWAC2013）。
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。长期投资策略可以更好地调整公用事业、监管部门、消费者、供应商、以及州/地方政府的期望，减少不确定性。新的国家战略可能出现长期规划，考虑对智能电网综合部署和现代化电网业绩的预期。例如，马萨诸塞州公共事业部门（DPU）已经提出，每个配电公司开发并提交给DPU一个电网现代化的10年战略计划：（1）减少停电影响；（2）优化需求量；（3）整合分散的资源；（4）提高员工素质和资产管理（马萨诸塞州，2013年）。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。
结 论
这份报告的目的是显示电力系统进入了一段潜在的变革。智能电网技术以不同的速度在美国全国范围内的部署，这很大程度上依赖于公用事业机构、州和各级地方政府。美国复苏与再投资法案基金为部署提供了有力的激励，现在可以很容易看到其可靠性、效率、以及消费者融入度都有了提高。产业界已与研究人员和标准化组织合作，推动网络安全实践和应对互操作性挑战。现在新部署的智能电网技术提供信息流，推进公用事业运营和业务流程，同时吸引住宅、商业和工业用户参与用电管理，甚至生产的过程中。
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。然而，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。技术成本和收益仍待确定，这将继续限制部署的决定。这份报告通过概述这些挑战，可以帮助利益相关方做出决策。其中许多是长久性的挑战，我们将在2016年的智能电网系统报告再次提出。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，以确保达到清洁、经济、可靠、安全的电力输送目标。（全文完）
编译：工业和信息化部国际经济技术合作中心 宋晓明
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