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1、智能电网融合可再生、 分布式及高效能源前言1. 智能电网的起源2003 年 8 月， 毫无预警的情况下， 美国东北部、 安大略湖和加拿大附近超过 5000 万居民遭遇了电力中断。 人们的第一反应是事故为何会发生？ 波及范围为何如此广泛？ 当对这场大规模的停电事故进行初步调查， 并将责任落实到相关负责人后， 人们便开始关注今后如何避免此类事件重演。最初， 电力行业人员的想法是寻求一些方法让电网变得更智能、 可靠和安全， 进而实现电网的自检测、 自治愈功能， 从而在事故发生早期将其检测出来， 并及时解决或隔离故障， 以避免发生诸如 2003 年 8 月的大规模连锁停电事故。 “ 智能电网” 一词随
2、之产生， 现如今智能电网这一概念已家喻户晓。2003 年以来， 人们投入大量资金和精力用以智能电网的研究和建设。 然而， 到目前为止， 投资仍是不足的， 预计未来需要进一步加大投入的资金。 即便现阶段世界经济处于低迷时期， 智能电网概念依然获得了广泛的认可和支持。 例如， 美国将大量的经济激励资金定向投入到智能电网建设中。 在国际上， 智能电网概念也受到热捧， 最近的一项研究表明智能电网建设已遍布全球， 具体建设情况如图 1 所示。图 1 全球智能电网分发情况 （ 来源： Smart from the Start， PricewaterhouseCooper， 2010）前言尽管智能电网概念已
3、被广泛接受， 但在世界范围内对其并无统一定义。 保守估计， 目前 “ 智能电网” 的定义方式可能同研究它的项目、 专家或从业者一样多。 本书由来自各行各业、 代表不同学科和观点的各类专家、 学者和从业者共同完成， 这对编写来说也是一个挑战。 出于这些原因， 本书开篇将给出一个统一的智能电网定义并划定其范围。2. 什么是智能电网？本书将智能电网定义为： 将各种支撑技术、 软硬件和实际运行情况相结合， 使电网基础设施更加可靠、 更多功能化、 更安全、 更具适应性且更有弹性， 并最终使用户受益的电网。此外， 智能电网的有效定义必须包括其最终应用、 效果和社会效益的相关内容。在这种情况下， 智能电网必
4、须包括但不仅限于以下一些关键性特征和特点：1） 接纳多样化能源合理并网， 其中包括大规模不可调度的间歇式可再生能源。2） 促进并支持智能电表用户端分布式和现场发电的整合。3） 允许和促进需求侧响应实施及用户负荷参与到电网和电力市场运营中。4） 允许和促进 “ 价格到设备” 的革命， 包括推广可以实现动态定价的智能量测设备的应用， 用户可通过智能装置监测价格及其他信号的变化， 来调整其用电情况。5） 使电网从传统的由大型中心电站到负荷中心的单向电力传输模式， 转变成双向智能传输， 允许电力潮流在不同时间， 由不同源头以不同方式流入不同汇点。6） 允许用户侧储能设备或集中储能设备在能源供应丰富且廉
5、价时参与能源储备， 在能源供应不足时使用储备能源， 整个过程要求智能高效的完成。7） 允许分布式发电和分布式储能积极参与到供需平衡中。8） 通过实施诸如动态定价等相关有效且成本低廉的调控政策， 使供应侧和传输网得到更为有效的使用。9） 允许用户为了经济效益利用其表计侧的储能设备 （ 包括电池等类似设备） 向电网回馈储存的能量。10） 通过需求侧响应技术， 促使相关理论的发展从而鼓励用户和负载更广泛地参与实时供需平衡。11） 构建鲁棒性更强、 可靠性更高、 抗扰性好、 不易于发生各种事故或攻击的电网 （ 包括发电、 输电、 配电部分）。12） 除了以上这些措施， 还要削减电网运行和维护的成本，
6、从而降低用户的用电费用。这里给出的 “ 智能电网” 定义较为宽泛， 涉及内容较广， 要求很高， 看起来建设这样的 “ 智能电网” 似乎是一件不可能的事情。 但在本书各章针对该定义中的各种特 Hauser 等人就智能电网的概念和发展提出了远景展望。 据编者了解， 本词最先由美国电力科学研究院提出。智能电网融合可再生、 分布式及高效能源点给出了相对具体的分析。 编者在此必须指出本书没有给出详细的工程技术细节。 例如， 如果您希望在本书中找到关于通过应用同步移相器和电容器实现输电线路的动态增容的相关讨论， 那可能会令你失望。 本书并不是技术类书籍， 并非针对工程师， 而是面向广大读者进行的科普性介绍
7、。3. 现有电网存在的问题简单来说， 正如 Gellings 在本书前言中所指出的， 现在的电网是过去的技术产品， 其设计只能满足在过去的时代和过时的技术下各行业的需求， 已无法满足现在的运行需求， 更不用说在未来能够可靠运行。现有电网设计的基本思路是基于将数量有限的大型中央发电站发出的电能单向传输到各主要负荷中心。 最初对整个电网从发电- 输电- 配电的设想均基于一个已经过时的前提， 即用户负载是给定的， 发电根据负荷需要进行调整。 在过去， 实时的供需平衡通常由供应侧调整完成。 直到最近， 用户的需求还是不可控的， 这造成了没有任何措施或激励促使负载在电网调度中发挥积极作用。传统电网与新兴
8、的智能电网相比较而言， 因其受技术、 管理、 环境或用户需求等影响， 在进行需求侧管理时是存在问题或无法实施的， 主要表现在以下两个方面：1） 首先， 除了那些大型用户以外， 传统用于计量用户用电量的机电式电表只能用于计量使用电量， 不能根据时间区分使用情况、 电压、 功率等其他参数。 因此， 需要更高级的计量表计， 并能够影响用户的消费模式和费用。2） 其次， 供应方和终端用户之间的通信限制， 是另一个阻碍需求侧管理的因素。如本书后续章节中所讨论的， 供应商和电网运营商若希望影响供电需求， 则需要更多鲁棒性强的交流方式来实时发送电价信息并可从用户处得到反馈。如上所述， 计量技术的局限会严重影
9、响定价方式， 导致采用不区分使用时段、 地点等的单一电价机制。 此外， 通信技术的局限意味着收费方式较为原始。 截至目前为止， 大部分用户的账单只能根据单一用电数据计算得来， 即每月或每季度消耗的电量。在很多情况下， 甚至这些数据都无法精确获得， 只能依靠估算来得到。 即便现在， 很多发达国家的大多数消费者， 都是根据单一的乘法运算 （ 即每度电的单价乘以一段时间的耗电量） 计算需要缴纳的电费。考虑到技术的限制和低廉且持续下降的发电成本， 未来一段时间内， 用户仍将保持目前的统一价格机制， 即每天、 每周、 每月和每年所有时间内单位电价保持不变， 很少调整。 此外， 电价也不随用户所在地理位置
10、不同而变化。 第 6 章会谈到同步移相器， 但仅一笔带过， 未详细讨论。 现有电网的设计目标是为了满足大型的、 纵向整合的电力公司能够以独立的个体单独管理他们的网络。 相对而言近期发展的有组织统一售电市场、 第三方发电及日益增长的可再生能源发电， 这些并不在原有电网的设计范围之内。 世界大部分地区的用户是按季度收缴电费的， 这其中有些情况， 电费账单是依据单一的年度电表读数进行估计， 而非精确数值。前言 这样说可能有一点小小的夸张， 但纵观发展历史， 电力行业尽其所能使用户脱离市场运营， 即不考虑用户的用电行为等， 因为当时的技术也不允许其详细考虑用户在供需市场中的作用 （ 备注栏 1）。备注
11、栏 1： 智能电网如何使用户重新回归到市场运营的范畴？过去， 电力公司很少关注用户获得电力供应后会如何使用。 因为这不仅超出了电力工业技术的能力范围， 同时无论表象还是实际意义上用户行为也不受其控制和影响， 且不会损害电力公司的经济利益。 因此， 用户的用电行为几乎不在电力公司的考虑范围内。通过投资建设分布广泛的配电网， 即所谓的电线杆和电线， 发达地区的所有用户可以经由配电网连到电网中。 在这种前提下， 用户只需控制一个开关或是插上插头， 即可获得所需的电能。用户可以根据需要随时随地打开开关或接入设备， 接入电网设备的数量和时间可以不受限制。 电力行业已经让电能的获取变得方便快捷。用户端供电
12、线路通过变压器连接至配电网、 高压输电线路或中枢发电厂。 而发电厂是通过向用户提供电能来获得经济收益， 以此支撑其发展。 普通消费者不需要了解这些细节， 他们只是通过任何地方的插头或者开关连接到 “ 无穷大” 电源， 就可以随时随地获得持续不间断的电力供应。为了给用户提供更为便利的服务， 近年来， 电力公司投入了大量资金建立更大型、高效的发电厂。 在20 世纪的大多数时候， 电费单价是明显下降的。 对大多数用户而言， 电费只占其可支配收入中较小的一部分， 且该份额亦逐渐减少。 由于用电越多， 单位发电成本越低， 一些电力公司甚至通过降低阶梯电价来鼓励用户多用电。 就现在而言， 世界上许多地方的
13、电价相对都比较便宜， 下文将给出美国的平均零售电价地图。从20 世纪70 年代中期开始 （各地的时间不同）， 规模经济的工业出乎意料地走向终结， 单位发电成本不再持续下降。 相对于现有资本存量的平均成本， 建设新的发电厂逐渐变得更为昂贵， 同时发电容量的增加不再降低平均发电成本。 以核电为例， 原本被视作成本较低的发电能源， 但在 20 世纪 70 80 年代， 单位发电成本却变得非常昂贵。从 20 世纪 70 年代起， 燃油价格也在世界范围内呈现不同程度的增长。 在 1973 年爆发了第一次石油危机， 石油作为能源成本的通用基准， 每桶价格飙升至 25 美元， 现徘徊在 100 美元左右，
14、预计随时间推移价格将会更高。20 世纪 80 年代， 有关能源供应安全、 燃料多样性和价格波动问题引起了人们的担忧。 到20 世纪90 年代和21 世纪初， 有关化石燃料供应短缺的担忧、 温室气体排放对气候的影响及可持续发展等问题相继被提出。 可以确定的是， 电力行业仅注重供电 摘自 2011 年 2 月的 EEnergy Informer 杂志。 化石燃料的短缺和价格问题当然也是有争议的。 以业界的说法， 随着价格的上涨， 更多能源储备变得经济上可行或 “可开采”。 此外， 改进的技术， 如非常规的水平页岩气钻井技术， 已大大提升可采潜力。 智能电网融合可再生、 分布式及高效能源侧的情况将成
15、为历史， 用户新的需求及提高能源利用率也会纳入其考虑范围， 包括开辟新途径实现实时供需平衡。业内外人士现在一致认为， 以往被忽略的能源效率才是最经济的 “ 电能” 获取途径， 提高能效将是节省能源以及提高成本效益的主要方式。现在电力行业正尝试通过将消费者重新回归市场来扭转现状。 尽管这些举措尚处于发展的早期阶段， 但已经推动消费者扮演供需市场中更为活跃的角色。近期联邦能源监管委员会 （ FERC） 的态度明显地体现了这种转变。 在纽约时报最近的一次采访中， FERC 现任主席乔恩威灵霍夫说， “ 未来的美国能源与过去相比将会大有不同， 一定程度上由于消费者将成为电网中的活跃部分， 通过用户自己
16、的太阳电池板和风力发电机向电网提供能量， 这种系统被称为分布式发电系统； 通过智能设备或行为转变来调整能源需求以使电网稳定， 称为需求响应； 同时， 存储电能以应对电网中的各种变化”。 威灵霍夫非常支持这样的计划， 他认为 “ 用户应为提供了这些服务而获得相应的报酬。”威灵霍夫的发言摘自 2010 年 11 月 29 日纽约时报的文章 “ 我相信为了保证市场的竞争性， 我们需要有尽可能多的不同类型的资源参与到市场中。” “ 在某种程度上我们将尽己所能， 我们有管辖权来确保在分布式发电成功融入电力市场的过程中没有阻碍。”Making the consumer an active particip
17、ant in the grid， 纽约时报， 2010 年 11 月 29 日刊。前言 “在一定程度上， 你可以将需求侧响应并入系统即当系统压力大时， 用户可以随时控制他们的负荷这样可以大大减少用于缓解供电压力的常规能源发电量。” “ 如果电池、 洗碗机、 热水器、 铝壶或沃尔玛超市的压缩机能以微秒级的速度响应调度， 发电机要花费一分钟来响应， 那么响应速度越快得到的报酬应该越高， 因为实际上它们提供了更好的服务。” “我们审视了储能的经济效益， 以及如何对储能为电网提供的各种服务进行补偿。”虽然 FERC 主席的想法不一定新颖， 但这些想法值得关注 （ 见上文， 纽约时报的引用）。 此外，
18、FERC 为推动这些想法采取了积极的措施， 通过采访、 公开声明、发布报告、 研究调查和发布命令等方式， 在尚未有定论的情况下要求区域输电组织（ RTO） 和独立系统运营商 （ ISO） 去实现这些概念。在过去几年中， FERC 已进行了一些开创性的研究工作， 给出了美国 （ 见附图） 发展需求响应 （ DR） 的巨大潜力， 并发布了一些命令， 这些举措将促使美国电力市场发生根本性的变化。注： 来源于 National assessment of DR potential， FERC， 2009 年 6 月。过去几年， 在 FERC 的不断推动下， 美国最有序的电力市场中已经发展了多种形式的需
19、求响应项目， 将需求侧竞价纳入到其主要的集中式供应竞标服务中， 在重要性日益增长的需求侧市场中得到了广泛的支持 （ 虽然并不总是见效）。现在听起来虽然简单， 但当初让消费者积极参与电力市场这一想法对于电力工业界而言还是非常新颖的， 而对于那些已经适应当被动用户的普通消费者来说更是如此。这种模式转变有两个最具代表性的特点。 一是努力使价格变得更透明， 对消费者更显而易见， 包括逐渐兴起的动态定价。 第 17 章将详细阐述 FERC 的一些相关规定。 第 3 章详细阐述了动态定价的概念。 第 12 章提供了在加州大型工商业用户响应动态定价的具体实例。智能电网融合可再生、 分布式及高效能源二是不断出
20、现的需求响应计划。 需求响应可广义定义为： 用户通过响应激励和价格信号在用电高峰时削减负荷或转移负荷至非高峰时期。动态定价， 其核心， 通俗来讲是让用户知道在酷夏的下午两点和凌晨两点分别消耗 1kWh 电所花费的电费是不同的。 前者的发电成本和传输成本更高。 采用统一电价时， 无论何时何地使用电能， 每度电的价格都是一样的。现在， 需要做出很多努力才能让消费者理解和接受动态定价这一简单而明确的概念。 电力行业原本应该在更早的时候阐明这一概念， 那是在 30 年前， 大量的空调负荷导致电力工业出现了夏季高峰负荷期。统一电价的价格制度显然是错误的， 因为它给消费者传达了一个错误的信号， 即无论何时
21、他们想要用多少电都是可以的。 这将导致夏季出现用电的尖峰负荷现象， 以加州为例 （ 见下图）。注： 来源于 David Hungerford， 美国加州能源委员会。此外还需要考虑正在兴起的阶梯电价问题。 在阶梯电价下， 以加州为例 （ 见下表）， 用户使用的电能越多， 其每度电的价格就越高。 阶梯电价所隐含或明示的信号是， “ 惩罚” 耗电量巨大的消费者而鼓励节约用电的用户。 大部分用户仅仅知道他们支付的总电费， 而不会去关心具体的收费细节。通过邻居朋友间的观察与讨论发现， 当他们极力抱怨高昂的电费时， 大部分居民用户完全不知道新兴的阶梯电价的存在。 虽然加州已经实施了阶梯电价一段时间， 但
22、“ 用得越多， 交得越多” 这一简单理念并没有很好地让广大加州用户知晓。 这似乎是个普遍的现象， 在自由化的欧洲电力市场， 大多数的消费者似乎也无法理解他们的电费单。用得越多， 交得越多南加州爱迪生电力公司服务区域实例， 下表显示了针对居民用户的 5 个等级的电价方案* ， 于 2009 年 10 月启用。 本书一些章节详细讲述了需求响应的问题。前言等级单价美分/ kWh用电量 （ 相较于基线） （% ）等级 111. 8080 100等级 213. 741101 130等级 323. 334131 200等级 426. 833201 300等级 530. 334 300*用电量基线由用户所处
23、的气候地区决定； 较高的基线适用于高温地区， 温和的沿海地区的用电基线相对较低。 对于低收入用户， 仅实施前三个等级电价， 分别为8. 533， 10. 668 和18. 051 美分/ 千瓦时， 电能使用超过基线 130% 均收取第三等级费率。 来自于南加州爱迪生电力公司的网站： http： / / www. sce. com / CustomerService / billing / tiered- rates / base- line- chart- map. htm来源： 南加州爱迪生电力公司。以上讨论使大家逐渐关注到需求侧响应。 社会投入了大量资源和精力使得大家能够接受一个甚至三年级
24、学生都能立刻明白的信息： 当电力紧缺或发输电成本较高时 （ 即在用电高峰期）， 用户应该不使用重要负荷以外的所有用电设备， 除非他愿意支付高昂的费用。注： 需求响应潜力的评估， 美国联邦能源管理委员会， 2009 年 6 月。原本简单的信息之所以变得复杂化也是有历史渊源的。 长久以来， 统一电价机制下每度电的价格都是一样的， 用户一直根据自己的意愿随时随地用电。 但现在， 我们尝试着告诉他们， “ 忘记我们曾经对你说的， 以及电价为何不变的原因。 从明天起， 如果我们要花费更多成本来发电和输电的话， 我们就要向您收取更高的电费了。” 这看似简单， 但要让普通用户理解和接受并不容易， 成效有待观
25、察。智能电网融合可再生、 分布式及高效能源随着时间的推移， 越来越多的用户会理解和接受每度电的价格并不是一成不变的。FERC 近期的一份调查显示， 电力产业的峰值需求并非固定不变。 它可以通过实施动态定价和其他一系列智能电网技术来加以管理、 调整和削减。 这听起来可能有点不可思议， 但实际上这已经有了应用于实践的可能。除了在计量和通信方面的限制， 从备注栏 1 所描述的用户用电行为与电力特性完全背离的现象可反映出电力工业曾经存在过的另外一个重要特征。纵观发展历史， 电力行业大部分时期都具有巨大的经济规模。 随着行业的发展和扩大， 电力生产和供应的实际成本在不断下降。 由工程师主导的电力行业，
26、专注于扩展市场以应对用户不断增长的需求， 这促使电价进一步下跌。 可以说， 电力产业一直专注于供电。 根据现行投资回报率规则 （ 在世界上很多地方仍然有效）， 供应商从更多的投资中获益。 该法规给他们提供经济激励， 以鼓励电力消费的增长。在这种情况下， 供应商不会自找麻烦地去考虑提高能源效率或实施需求管理。 事实上， 消费者被鼓励多用电， 这就意味着， 他们用电量越大， 单位发电成本越低。 随着核电的商业化发展， 甚至有传闻说核电将变得 “ 非常廉价以至不需要计量其使用量”， 暗示消费者可能按每月统一的量缴纳少量电费， 而不需电表统计。起初， 电费的收取方式影响并不大， 因为用户的用电量不高，
27、 并且他们已习惯抄表、 计费和收费这种复杂模式， 同时业内人士专注于建造更大功率的发电厂， 扩展输、配电线路， 因此电费的收取方式影响并不大。 但近年来， 随着用户负荷不断增长， 特别是在商业及住宅领域， 统一电价已经不再普遍适用。在过去 30 年， 全球范围内空调的普及率以惊人的速度增长， 统一电价已经导致明显的用电高峰， 如备注栏 1 加州的情况所示。 在炎热的夏季， 过高的空调负荷已经成为明显的困扰。 由于其功率大和不可预测的特性， 空调有时甚至被称为 “ 地狱负荷”。为保证这类负荷的用电， 需要大规模投资发电厂以提供尖峰电量， 这导致了尖峰电价的畸高， 从而引发了各种管理尖峰电量的兴趣
28、。本书的许多章节都重点讲述如何解决尖峰负荷， 以及统一电价所体现的能效低下和不公平等问题， 而这些都与用电时间和用电地点相关。当然还有很多其他理由表明， 现在的电网已不适应用户当前的需要， 更重要的是与未来的需求不匹配。 其中一个主要原因在于可再生能源发电的迅猛增加。 一些可再生能源， 比如地热， 可以作为基本负荷运行或进行控制， 而其他的比如水电， 尤其是风力发电和太阳能发电， 其出力具有间歇性， 并且无法调度。现有电网很难满足多样化的可再生能源发电的并网要求。首先， 负责管理发、 输电 本书第 4 部分给出了关于智能电网、 智能电表、 智能定价和智能设备的相关例子。 本句著名的话由原子能委
29、员会主席在美国总统艾森豪威尔就任时期提出。 Brunekreeft 等人讨论了现有电价因为与地点无关， 所以无法给用户和电厂提供有效的价格信号。 第 6 章描述了加州电网运营商在实现可再生能源目标的道路上所面临的挑战， 该目标为 2020 年实现可再生能源渗透率达到 33% 。前言的系统运营人员不喜欢这种不可调度的能源， 因为他们无法直接指挥和控制这些电源。其次， 新能源发电具有的随机性和间歇性， 这不利于传统的电力供需平衡方式， 即基于计划发电来满足变化但高度可预测负荷的需求。 预期在未来 10 年内， 全球多个国家和地区的可再生能源将达到总能源的三分之一或更多。 届时， 现有电网将无法应对
30、和满足各种运行需求。 如图 2 所示， 美国超过 30 个州都在执行可再生能源的强制性实施计划。欧盟也制定了目标， 即到 2020 年实现可再生能源发电达到总发电量的 20% 。 在 2011 年 3 月日本福岛核事故后， 德国正在考虑全面淘汰现有核电， 大部分将由可再生能源接替， 预计到 2050 年可再生能源渗透率达到 80% 。另一个主要影响因素是分布式发电 （ Distributed Generation， DG） 的出现。随着技术的快速发展及价格的跌落， 许多分布式发电技术即将或者已经实现商业化。 许多工业、 商业， 甚至住宅用户， 将能够通过分布式发电就近或就地获取更多的电能来满足
31、自身需要。 屋顶光伏 （ PV）、 太阳能热水器、 地热热泵、 燃料电池和其他一些新兴技术的应用意味着用户可以自给自足， 甚至在某些情况下， 还可以将多余的电能回馈给电网。图 2 美国可再生能源配额制指令 来源： 美国经验支持光伏发电的可再生能源配额制标准， 劳伦斯伯克力国家实验室 （ Lawrence Berkeley National Laboratory， LBL）， 2010 年10 月， 可通过此网站获取 http： / / eetd. lbl. gov / ea / ems/ reports / lbnl- 3984e- ppt. pdf 见 第 7 章 。 加州州长 Jerry
32、Brown 已经制定了 12MW 的分布式发电总量的目标， 虽然目标实现的时间和方式还不 明确， 但一经实现， 即相当于建立了约 10 个核电厂， 这为分布式发电带来了新的意义。智能电网融合可再生、 分布式及高效能源这给长期卖电给用户的电力公司带来技术挑战， 同时也引发了一些棘手的问题，比如， 如果用户将电能回馈给电网， 电力公司应该支付用户多少钱。随着时间的推移， 向电网回馈电能的用户人数可能会持续增长， 这给电力公司和电网运营商带来了挑战， 因为他们必须时刻维持电网的稳定运行。随着人们对能源效率关注度的提高， 事情变得更加复杂。 由于电价高昂且持续上涨， 电力行业可能面临前所未有的情况：
33、需求弹性。 运营商提高零售价格， 消费者通过提高能源效率或者自发电可以减少自己的用电量。 电力公司不能像以往那样预测消费者的用电需求， 这种情况是电力供应商和新的消费者都没有考虑过的。对此持怀疑态度的人可以了解一下包括美国加州及欧盟国家的情况。 在这些地区已提出零耗能 （ Zero Net Energy， ZNE） 或低能耗家庭的概念。随着时间的推移， 越来越多的用户可以满足零耗能的要求， 这将促使平均每个用户耗电量有显著的下降。由于一个普通家庭或办公室发电量有限， 满足零耗能要求的唯一可行的方式是通过提高能源利用效率来大幅削减能耗。 这就需要更高效的电气设备、 照明方式、 绝缘外壳以及更明智
34、和节能的用电方案。此外， 由于就地发电可能无法就地消纳， 部分时间里， 用户将无法消纳的电能反馈给电网， 其余时间从电网获取电能。 因此， 未来电网所承担的任务将比现在更为繁重和复杂， 并且受零耗能要求的影响， 随着时间的推移平均每个用户的净电能消费也将逐渐减少。 这对电价制度提出了更高的要求， 其不仅要是动态变化的， 而且还要能够反映电能交易的双向性。实施零耗能后的一个有趣现象是， 在不久的将来， 一部分用户净电能消费很少，甚至为零。 在这种情况下， 传统的基于电能消费乘以对应费率的收费方式将不再适用。移动通信行业也出现了类似的现象。 由于用户不再仅仅使用移动设备进行通话，而是用其收发短信、
35、 共享文件、 照片、 观看视频、 听音乐、 访问互联网， 移动电话公司逐渐推出了新的资费模式。 现在大多数用户按照带宽和数据传输速度收费， 而不是通话时间。 服务的定义已同过去有所不同。 按传统单一电价和用电量收取电费的时代也该结束了。对于传统的电网和服务模式， 一些技术的发展很有可能使问题变得更加复杂。 以 在许多管辖区， 电力公司和供应商被允许按以下方式向用户收取电费： 即仅向用户单向提供电能时， 收取较高的费率； 而用户将多余电能回馈给电网时， 则可以支付较低的费率。 现有的高零售电价地区， 例如夏威夷， 使用分布式发电可以大大节省成本。 在采用阶梯电价的地区， 如加州， 用电量处于最高
36、等级的用户面临 40 50 美分/ kWh 的阶梯差额， 这种情况下， 光伏发电是相对便宜的选择。 在加州， 2020 年后建成的住宅需要满足零耗能标准， 从 2030 年开始应用于新的商业建筑。 “ ZNE”的概念是用户的发电量最少能满足其自身的耗能。 零耗能要求在保留现有建筑的前提下， 一般针对新建设施， 正因如此， 随着时间的推移其产生的影响将不容忽视。前言新一代混合动力和纯电动汽车 （ EV） 为例， 在电网负荷低时， 运营商切除大量不必要的间歇性能源会引起电网波动， 电动汽车作为储能源可以起到缓冲作用。 在电网负荷高时， 由电动汽车向电网馈电。 这就是所谓的电动汽车到电网 （ V2G
37、） 技术。本书的部分章节重点介绍了电动汽车及相关特点， 并阐述了智能电网在这其中发挥的关键性作用。 储能， 无论是以电动汽车形式还是集中式发电厂形式， 或是以水、冰、 压缩空气为媒介的其他形式， 都将会是未来智能电网发展的核心需求。4. 用户会接受吗？当我们在探讨这些令人激动的变化时， 不能忽视用户在整个迅速发展的智能电网模式中发挥的核心作用。 很多人都参与到了智能电网、 智能电表、 智能定价及智能设备的设计中， 包括工程师、 技术人员和经济学家等都提出了自己的看法。 而其他技术人员则试图协调和整合智能电网的各个组成模块， 使其内在协同效应可以实现， 最终实现功能齐全的智能电网。 但是， 用户
38、会愿意为这些付费吗？ 用户是否会和专家期望的一样采取行动？ 用户行为是否会符合预期的模型？ 用户会像期望的那样积极参与到电力市场中吗？正如本书第 3 部分某些章节指出的， 用户各种各样的认同感和参与度才是智能电网面对的最大且最具挑战的难题。 大部分的社会科学家和人类学家坚持认为， 用户有自己的需求和优先事项。 当用户需求不断上升且其可支配的时间和能力均有限时， 他们是否能如专家和工程师们所期望的那样表现未尝可知。此外， 用户很关心数据隐私问题， 并且越来越担心会有一个 “ 老大” 在幕后远程监视和控制其设备， 管理他们的用电情况。 已有若干智能电表项目的实施遭遇用户的强烈反对， 而这可能只是冰
39、山一角。例如， 加州的电力公司正在大力推广智能电表， 但是许多用户基于各种理由提出了很多质疑。 而最近的一次欧洲之旅中， 我与一些用户进行了交流， 他们对智能电表的不信任和怀疑程度， 令我感到十分惊讶。除了对数据访问和隐私问题的担忧， 很多消费者对专家们提出的智能电表、 智能设备和动态定价的概念并不感兴趣。 最终， 如果消费者不认为这种方式可以让他们获利更多的话， 那么智能电网的这些好处都将形同虚设， 这必将是一个巨大的悲剧。本书中有几个章节将对这一问题进一步展开讨论， 有很多方式可以让消费者参与到智能电网的环境中， 且不征收他们过多的费用。 显然， 在这个重要的领域还需要做更多的研究。5.
40、收益与风险相比， 孰轻孰重？希望通过前面的讨论读者可以了解到智能电网的一些关键应用， 并解释了为什么需要投入大量资金和精力来建设智能电网。 然而， 实施这些方案并达到理想效果并不 详情请见第 18、 19 章。 第 5 章将进一步讲述储能。 详情请见第 14 16 章。智能电网融合可再生、 分布式及高效能源容易。 每一个重大的机遇都伴随着多重的挑战、 障碍和陷阱。 本书的第 4 部分分析了一些研究案例， 给出了研究过程中不可避免的问题以及是如何成功解决的。智能电网的效益是真实且极具潜力的， 这完全可以支持所提及的获得投资的商业案例 （ 备注栏 2）。 在解决气候变化带来的挑战方面， 智能电网拥
41、有巨大的发展潜力， 但效果并非立竿见影， 公众亦不可能迅速接受 “ 智能电网” 这一概念。 正如前面已经提到的， 智能电网有望提高可再生能源的接入比例并更好地平衡发电和负荷的关系， 但在解决人们对气候变化的担忧之前， 还有很长的路要走。备注栏 2： 智能电网的成本和收益是什么？2004 年， 据电力行业的合作研究机构电力科学研究院 （ EPRI） 估计， 美国要实现智能电网建设预计要花费 1650 亿美元。 这是一笔庞大的资金， 很多人质疑收益能否大于成本。智能电网如何才算足够智能？未来的电力系统： 智能电网来源： 智能电网预计成本与收益初步估计一个全功能的智能电网所需投资，美国电力科学研究院
42、编号 1022519 号报告， 2011 年 4 月。到 2011 年， 根据美国电力科学研究院最新的评估， 实现美国电力部门提出的功能齐全智能电网的成本在 3380 4760 亿美元。如果你以为这是一笔庞大的资金， 那我告诉你， 以 2011 年的美元来衡量， 艾森豪威尔时期修建的美国州际公路系统， 其成本大约是 5000 亿美元。 这是个大数目， 但是相较于公路带来的收益， 这个投资是值得的。 美国电力科学研究院声称， 智能电网也同样如此， 且情况只会更好。 预计智能电网的潜在收益在 1. 3 万 2 万亿美元左右。 这一部分摘自 2011 年 5 月的 EEnergy Informer
43、杂志。前言 我们可以相信这些数字吗？智能电网预计成本和利润。20 年总数/ 10 亿美元净投资需求338 476净获益1294 2028成本收益比2. 8 6. 0来源： 智能电网预计成本与收益， 美国电力科学研究院， 2011 年 4 月。智能电网的预计收益将来自多个方面， 其中有些是很难评估或给出一个具体数值， 例如：1） 电力输送和电能质量更可靠， 停电次数和损失更少；2） 提高信息安全；3） 通过减少网损、 削减尖峰负荷以及减少新建电厂来获得更高效的电网；4） 获得环保和节能效益， 包括提高可再生能源和电动汽车并网的接纳能力；5） 通过向用户提供更好的定价方式并及时准确传达能源的消费信
44、息， 间接降低用户的用电成本。对于评价智能电网的投资和收益而言， 美国电力科学研究院的报告很及时也很有用。 这报告对很多一线技术人员来说是有所帮助的， 但他们认为这些数字可能有所夸大， 预计的成本/ 效益也值得怀疑。 此外， 电力科学研究院是站在国家的角度综合来看智能电网的发展。 这对于决策者来说可能有帮助， 但对于那些只考虑智能电网的特定领域、 智能表计或动态定价方案的成本效率的人来说却不一定。但正所谓万事开头难， 美国电力科学研究院的这个报告是一个良好的开端。 国际能源机构 （ IEA） 的研究对智能电网的收益评估甚至更高。而之所以会造成收益评估更高的情况， 美国电力科学研究院的电力输送和
45、运营部门副主席 Mark McGranaghan 解释道： “ 现在的成本估计技术以及用户从弹性、 自愈和交互式智能电网中的收益情况均是在 2004 年的分析中是没办法做到的。”智能电网的成本智能电网成本总量功能齐全的智能电网所需成本 （ 单位： 百万美元）低高输电网及变电站8204690413配电网231960339409用户侧2367246368总计337678476190 技术路线图： 智能电网， 国际能源机构， 2011 年。 智能电网融合可再生、 分布式及高效能源注： 来源于智能电网预计成本与收益， 美国电力科学研究院， 2011 年 4 月。美国电力科学研究院认为在未来 20 年，
46、 智能电网预计成本主要在以下四个关键领域： 输电、 变电站、 配电和用户接口。 总的来说， 费用集中在两方面：1） 用以满足负荷的增长并解决现存缺陷的投资。 如通过设备的安装、 升级和更换， 来解决功率输送瓶颈和会导致关键设备损坏的故障短路电流问题；2） 用于研发先进技术来实现输电系统的 “ 智能” 化的投资。通常估计效益比成本要更为困难， 但这应该不妨碍人们去尝试建设智能电网。然而， 微软公司最近进行了一项调查， 并在 2011 年 3 月中旬在休斯敦的塞拉周会议公布了调查结果。 结果显示， 现实情况和预期结果大相径庭。 根据对 210 个来自世界各地的电力高管和智能电网专家的调查， 只有 8% 的公司已经完成了智能电网规划阶段转而步入实施阶段， 这意味着仍有 92% 的公司尚未决定是否建设智能电网。效益如何？智能电网的预估效益属性当前净价值 （2010 年）/ 10 亿美元最低最高生产力11安全1313环境102390容量299393成本330475电能质量