处于变革前沿的智能电网

电力工业正处于一场变革之中，一场电力生产和分配方式的革命。智能电网技术正在改变公用事业和消费者互动的方式，并为可再生资源、能源储存向电网的整合提供支持。

电力设施工业也在经历一场变革，它不仅在减轻对化石燃料的依赖，而且越来越重视可再生资源电力的发展。能源公司正在寻找降低电力成本的方法。其中，发电分散化带来了新的商业模式和流程。

这些目标的关键是电网的现代化。不仅仅是基础设施实物的现代化，还包括提高公用事业与用户、电网及其运营商之间的交流渠道，以便共享用电信息、更有效地平衡电力供需，这些都是迈向智能电网重点。

现在利用设备监控电网，这在以前是不可想象的。通过监控，能在问题发生之前就检测到，从而更快地进行自动化和远程控制决策。加装电网传感器，从而提高电能质量和可靠性。更快识别停电，有效变更电力流动方向。

“智能电网将能源行业带入了一个可靠、适用和高效的新时代，”能源存储系统开发商科埃伦公司首席执行官林赛•戈里尔（Lindsay Gorrill）说。戈里告诉POWER：

“智能电网技术的引入正在推动更高效电力传输发展，在停电后也可以更快恢复电力供应，减少高峰需求，并加强大规模可再生能源系统的整合。一个更智能的电网将继续增强弹性，使电网能够更好地做好应急准备。”

智能电网是发达国家电网的自然演变，在发展中国家，让电力更易获取和不断提高，对发展经济至关重要，因为这项技术会使工厂和其他商业、工业场所的电能质量更加稳定。

一、主动控制

接受POWER采访的业内专家表示，智能电网的发展正在重塑电力行业，改变公用事业与客户互动的方式，使消费者能够主动控制自己的电力使用。

位于加利福尼亚州弗雷蒙特的达美电子美洲区的太阳能电池阵列，帮助附近楼层用电实现了自给自足。达美电子产品是智能电网技术的一部分，支持能效、可再生能源和电动汽车（图源：Delta Electronics）

达美电子美洲区光伏逆变器和储能主管Brian Van Heel告诉POWER，智能电网正在实现更高效的能源生产，同时也带来成本降低和环境效益。

Van Heel表示：“一个真正的智能电网，应该能够在没有人类直接控制的情况下执行某些功能。它可以识别电网内部的不规律情况，并自动调整以提高能效和弹性。因此，智能电网通过减少能源浪费，提高发电、输电和消费效率，创造环境和成本效益。智能电网需要分析输入的数据流来做出决策。物联网（Internet of Things，以下简称IoT）的发展，使智能电网与构成智能电网的技术联接地更加紧密。”

正如Van Heel所指出的，能源IoT的应用，使公用事业单位的职能不仅包括提供电力，电厂也可以成为综合性能源服务商，能够更好地与客户接洽。这些应用也有助于整合可再生能源电力，并且在日益复杂的电网上平衡电力供需。

IoT技术也可以用来连接电网基础设施设备，帮助公用事业单位收集数据和更好地管理网格。可以迅速发现断电问题，恢复也会更快，一些专家说，这带来了“自我修复”电网概念。

“智能电网技术，利用数字化来解决复杂的问题，”LF能源公司执行董事Shuli Goodman说，“所以，‘智能’就等于‘数字’，或者说是便利的硬件就是‘做’我们想要的事情的能力。”

Goodman同时说道：“这样做能够虚拟化硬件，并将专有解决方案的成本降到最低。谈到未来电网，智能电网是必不可少的，因为智能电网正在把我们从一个主要集中的单向系统转移到一个多向网状网络，其中的设备对于电网来说，既可以是负荷，也可以是资源。从本质上讲，智能电网技术使我们能够从集中式模式转变为分布式模式，通过这种模式，我们可以管理可变的能源需求和发电，包括电动汽车或车轮上的电池。”

“除了为EVs（电动车）提供动力外，智能电网还能够让EVs成为电力资源，从而减轻智能电网运营的额外压力。插上电源后，EV电池可以提供许多固定式能源储存系统所能提供的电网服务。成为一个由储能支持的电网，将提供监测、通信、控制和计算功能，可以适应高峰时段的快速EV充电。”

并非所有的智能电网技术都是新的。诸如监控和数据采集（SCADA），还有先进的电表基础设施已经使用多年，提供了关于能源供应、消耗和传输的近乎实时的信息。分布式能源（DERs）的出现，如太阳能、风能和住宅和商业场所的储能（图2），给电网升级带来了新的紧迫性。这些DERs需要技术来产生和储存电力，并且是需求响应的一部分，根据电力需求的高峰和低谷进行调整。

Goodman说：“在‘智能电网技术’方面，我们有几个杠杆。它们包括需求响应、灵活服务、分布发电、实时-近时规划和仿真、传输和分布式水平的拥塞管理、自动化、虚拟化以及支持管理上亿个设备的能力，而且这些设备大部分不属于公用事业单位。所有这些都需要数字通信能力。”

二、沟通是关键

通用电气电网解决方案公司（GE Grid Solutions）的电网集成解决方案负责人拉吉·伊耶（Raj Iyer）在接受POWER采访时说：“总体而言，互联网和通信技术在许多行业，包括电力行业都在进步。”伊耶同意通信是智能电网的关键。“它支持智能能源管理系统，电池能源管理系统，这些对于电网都是非常好的整合。利用智能电网，可以根据需求情况削减能源生产，优势非常明显。”

Ondas Networks总裁兼首席财务官Stewart Kantor也表示赞同，他告诉POWER，“智能电网最初重点是计量基础设施，还有智能电表的自动读数。我们的关注点和潜在未来收益点，主要放在变电站的自动化中。随着[公用事业]涉足到其他相关邻域，我们也可以在效率方面获得实质性的收益。

Kantor提到了他的家乡，那里的野火和地震对电网造成了严重破坏。他说：“在火灾和地震多发地带，先进的智能电网技术可以解决许多实际、具体的问题。这是加州电网运营商实现自动化和电网维护的重大机遇。智能电网可以对危机做出快速反应，包括火灾和地震响应。我们设计的设备，会以极低的成本覆盖更多的基础设施。它允许对问题进行预警和隔离。”

Goodman也说，智能电网技术支持配电的可持续性和可靠性。“数字化解决了硬件复杂性和物物间通信问题。这对未来电网极其重要。需求和负荷管理将比单纯的能源生产更加重要。在这种激进的能源效率发展之下，我们的脱碳率将从50%-60%跃升至100%。

智能电网还可以在自然灾害发生前后帮助公用事业单位和消费者。Kantor说：“想想我们在加州所经历的情况，（出现了）大面积的电力切断，”当然，这是减小野火对电网影响的部分措施，“隔离各部分电网也包括在智能电网技术中。实现电网隔离，保护可能受影响的区域而不影响其他部分。甚至可以在电网中进行更深层的隔离。”

Kantor说，这不仅对电力公司很重要。“不仅仅是电网受到了影响，”他指的是主动断电问题。“在北加州最近的停电期间，我这里虽然保持了电力供应，但失去了互联网连接和手机覆盖。有线电视公司关闭了电源。所以，虽然家里有电，但没有互联网。因此，停电的影响不仅限于居民或消费者的用电方面，还影响到其他关键服务。”

三、输配电升级

数字化是智能电网的关键，但改善物理电网基础设施是任何升级的起点。中国官员谈到了他们的“坚强电网”概念，即首先改善基础设施，增加数字层，然后是“业务流程转型”——利用在这些升级中的投资。

承包商正在对加利福尼亚比勒空军基地的一个变电站进行翻修。该基地于2017年升级了5座变电站，并新建了一座变电站，以支持该地区不断增长的能源需求。这种升级正在全球范围内进行，部分原因是为了安装智能电网技术和提高输电效率。（资料来源：U.S. Air Force / Airman 1st Class Tristan D. Viglianco）

中国政府拥有国内输配电部门的所有权，使中国在智能电网技术方面得到了更快的发展，这对中国整合可再生能源资源具有重要意义。国际能源署（IEA）的数据显示，截至2018年年底，中国的可再生能源发电能力为728GW，在风能、太阳能和水力发电方面均居世界领先地位。

摩根士丹利（Morgan Stanley）去年12月发布的一份报告称，随着更多智能电网技术的应用，中国经济增长可能得到改善，而过去几个月，中国经济增长因与美国贸易战等多种原因放缓。

投行在报告中称：“智能科技‘超级城市’——由大型卫星城市包围的巨型枢纽城市区域群——推动的第二轮城市化浪潮，可能是给中国带来新的增长动力的关键，对投资者和全球经济都有重大影响。”

Kantor指出了智能电网技术对可再生能源的重要性。他说：“我们关注的是通信基础设施、自动重合闸、电压调节器，还有一大堆对配电自动化至关重要的部分。太阳能的影响，能量回流到电网中，公用事业需要能够实时吸收这些能量，太阳能智能逆变器允许在需要时将电力输入电网。有很多技术可以称之为真正的智能电网。这些替代能源形式正在对电网产生巨大影响，如果没有智能电网，它们将无法被正确吸收。”

摩根士丹利（Morgan Stanley）的报告触及了这些方面，包括5G连接，如果未来生活在一个智能超级城市，不仅可以看到使用IoT的自动化家庭，还可以每天通过高铁和自动车上下班。这同时也为公用事业和电信公司带来了更多的商机。

摩根士丹利亚洲技术研究团队负责人肖恩•金（Shawn Kim）在一份关于该报告的声明中说：“从长远来看，更先进的智能城市中，诸如无人驾驶汽车、自动送货无人机以及全互联和自动化的家用电器，应能将生产率提升到一个新的水平。”

“需要通过数据流来通知智能电网做出决策。IoT技术的进步，使智能电网能够与构成智能电网的技术更紧密地联系起来。”Van Heel说道，“5G的低延迟将是该行业向前迈出的一大步，特别是在未来20年内，我们（理论上）可能拥有超过1000亿台互联设备构成智能电网。当5G技术的进步最终与边缘计算结合起来时，电网的响应速度和自主性将成倍提升。”

通用电气的Iyer说：“我的愿景，我所看到的，是将在电力领域发生的革命。你将看到，电力部门和电信部门的发展方式是一样的。在过去的四五十年里，电信行业经历了很多变化，这是前所未有的。

Iyer说：“我看到电力行业正朝着这个方向发展，目前正在建设的基础设施已经让人们认识到，电力是生活中必不可少的一部分。我认为这是必须要明白的道理。利用大容量资源实现可再生能源潜力。包括高压直流输电（HVDC），这种输电方式能够从较远的发电厂连接到负载所在的任何地方，即使离得非常远。

“如果你有像高压直流输电这样的技术，你就能使所有这些整合顺利进行，甚至在未来几十年内淘汰传统能源。其中的问题，与其说是技术限制，不如说是政治意愿。市场就在那里。电力基础设施是一个巨大的市场，将会从传统能源中脱颖而出，成为推动时代发展的主要动力之一。未来的二三十年将是能源领域的革命性年代。”