美國電網(wǎng)正經(jīng)歷著巨大的變革，包括鼓勵可再生能源和分布式能源發(fā)展政策推動下的數(shù)字技術(shù)應用，重視極端天氣過后的恢復以及電力用戶和商家越來越多的參與到能源管理和生產(chǎn)中?！?009年美國復蘇與再投資法案》頒布后，自2010年以來，超過90億美元的大型公共和私人投資加快了先進智能電網(wǎng)技術(shù)的部署，提供了有關(guān)技術(shù)成本和收益的真實數(shù)據(jù)以及最佳實踐。上述部署的成效正在逐漸顯現(xiàn)，電網(wǎng)運行、能源效率、資產(chǎn)利用率和可靠性都在逐步改善。
智能電網(wǎng)實現(xiàn)多方面進步
智能電網(wǎng)包括先進的通信、控制技術(shù)應用和電力輸送基礎(chǔ)設(shè)施，其技術(shù)正在全部電網(wǎng)系統(tǒng)中應用，包括輸電、配電和基于消費者的終端系統(tǒng)。其中，先進測量基礎(chǔ)設(shè)施 (ami)，包括智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)和信息管理系統(tǒng)，正在提高公共事業(yè)的運作效率，為電力客戶提供信息以更有效地控制能源消費。據(jù)估計，截止到2015 年，美國將安裝6500萬個智能儀表，超過電力客戶的1/3。
基于消費者的技術(shù)，比如住宅用戶的可編程通信控制器以及商業(yè)和工業(yè)用戶的建筑能源管理系統(tǒng)，與智能電表共同使用，為消費者提供了能源的使用數(shù)據(jù)。在美國俄克拉荷馬州天然氣與電力公司，ami與家用終端顯示技術(shù)相結(jié)合，大大降低了電站的峰值需求。
智能電網(wǎng)應用可以實現(xiàn)自動定位、隔離錯誤，從而減少故障，動態(tài)地優(yōu)化電壓和無功功率，提高用電效率、監(jiān)測并指導維修。2012年7月5日，美國查特怒加市曾遭受嚴重風暴襲擊，但很快通過使用自動饋電開關(guān)恢復了一半居民的供電。此外，公用事業(yè)正在升級和整合計算機系統(tǒng)，從而提高電網(wǎng)合并運行的效率。
先進的傳感器和高速通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸系統(tǒng)中的應用提高了高壓變電站和整個輸電網(wǎng)的檢測能力和控制運行能力。同步相量技術(shù)通過相量測量單元在整個輸電網(wǎng)的應用，使數(shù)據(jù)傳輸速度提高了100倍，并且使電網(wǎng)運營商能確定和校正系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，增大電力傳輸量。
西部電力協(xié)調(diào)委員會已確定，使用同步相量數(shù)據(jù)進行實時控制，可將加利福尼亞州—俄勒岡州電力網(wǎng)的電流大幅提高，在沒有任何新高電壓投資的情況下，預計40年可降低3500萬~7500萬美元的能源成本。美國復蘇和再投資法案在同步相量技術(shù)方面的投資也將導致網(wǎng)絡(luò)相量測量單元從2009年的166增加到 2015年的1000。
智能電網(wǎng)技術(shù)的采用率在美國并不平衡，在很大程度上取決于各州的政策、獎勵機制及公共事業(yè)部門的技術(shù)經(jīng)驗水平。公用事業(yè)機構(gòu)、消費者和社會充分接受智能電網(wǎng)技術(shù)、評估技術(shù)的成本和收益都需要一段時間。不過，在部署了智能電網(wǎng)的地區(qū)，提高運行效率、能源利用率和可靠性已經(jīng)成為現(xiàn)實。
此外，電力輸送系統(tǒng)實現(xiàn)新功能需要智能電網(wǎng)技術(shù)，這些功能是原有電網(wǎng)在設(shè)計時沒有考慮到的?，F(xiàn)代電網(wǎng)變得更加復雜，需要解決輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)中可再生能源利用、來自分布式能源及其他資源的雙向電力流動、消費者和商業(yè)機構(gòu)積極管理和發(fā)電、內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)安全保護下的先進通信與控制技術(shù)等問題。
智能電網(wǎng)系統(tǒng)包括用以協(xié)調(diào)多樣電網(wǎng)進程的數(shù)字傳感、通信、控制技術(shù)和現(xiàn)場設(shè)備。更智能的電網(wǎng)還包括信息技術(shù)系統(tǒng)應用，用于處理新數(shù)據(jù)，并使得公用事業(yè)機構(gòu)能夠更有效、更動態(tài)地管理電網(wǎng)運行。通過智能電網(wǎng)系統(tǒng)所提供的信息，客戶也能夠?qū)δ茉词褂梅绞阶龀雒髦堑倪x擇。
在 2010年～2013年期間，美國電力行業(yè)總計花費了180億美元用于智能電網(wǎng)技術(shù)部署。全美國的年度智能電網(wǎng)支出在2011年的時候創(chuàng)下了新高，為52 億美元，符合高峰期部署的支出。2014年，全美國的年度智能電網(wǎng)支出則減少到了預計的25億美元。投資減少的原因主要是先進的測量基礎(chǔ)設(shè)施的花費減少了。然而，根據(jù)行業(yè)分析師的預計，智能電網(wǎng)分配系統(tǒng)的年度花費量仍然會逐漸增多，由2011年的12億美元預計會增加到2017年的19億美元，而先進的測量基礎(chǔ)設(shè)施的花費仍然會降低。
截至2013年3月，在arra框架下，智能電網(wǎng)撥款計劃中公共和私人聯(lián)合支出總額為63億美元，是 arra投資中最大的部分。2009年～2015年，美國能源部和電力行業(yè)將為智能電網(wǎng)撥款計劃投資超過79億美元，涉及200多家電力企業(yè)和其他組織，為實現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化、加強網(wǎng)絡(luò)安全、提高互操作性、收集影響智能電網(wǎng)運營和收益的實用性資料。在同一時間內(nèi)，額外的16億美元將撥款到成本分攤基金中，用來支持儲能示范和區(qū)域示范，以評估新興的智能電網(wǎng)。另外還有1億美元的聯(lián)邦資金，用來支持52項智能電網(wǎng)職工培訓項目。
跨領(lǐng)域發(fā)展智能電網(wǎng)技術(shù)
智能電網(wǎng)技術(shù)的應用增加了傳統(tǒng)公用事業(yè)機構(gòu)數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)。每個智能電網(wǎng)應用都要求有各自的帶寬和延遲時間，這需要公用事業(yè)機構(gòu)使用不同的通信技術(shù)。這些技術(shù)可以被部署在現(xiàn)有的公共網(wǎng)絡(luò)，這種方式較為經(jīng)濟和普遍，還可以部署在有許可的專用網(wǎng)絡(luò)。
雖然一些公用事業(yè)機構(gòu)在使用專用通信網(wǎng)絡(luò)，但是較低的成本和較高的技術(shù)優(yōu)勢正在令公共網(wǎng)絡(luò)受到公用事業(yè)機構(gòu)的青睞。近日，公眾蜂窩網(wǎng)絡(luò)運營商紛紛下調(diào)ami 通信的每兆字節(jié)收費，使得無線寬帶技術(shù)更受歡迎。然而，在某些應用中，如饋線開關(guān)和同步相量，需要的速度比蜂窩網(wǎng)絡(luò)更快。雖然美國也在使用光纖電纜，但基于無線電頻率的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)使ami和配電自動化部署在北美成為領(lǐng)先技術(shù)，許多美國市政公用設(shè)施也使用微波或無線網(wǎng)絡(luò)廣域通信的ami回程和配電應用。為了滿足高速、高安全性需求，西部電力協(xié)調(diào)委員會使用安全的光纖廣域網(wǎng)，建成了與國家空中交通管制網(wǎng)絡(luò)同一水平、發(fā)送pmu數(shù)據(jù)不到30毫秒的電網(wǎng)控制中心。
為應對13636號行政命令，美國國家標準技術(shù)研究所(nist)在2014年2月發(fā)布了提高關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全的框架，提供優(yōu)先、靈活、可重復和廉價的方法來應對跨部門產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)風險。同月，美國能源部公布了電力網(wǎng)絡(luò)安全界別能力成熟度模型的第二個版本，通過使用自我評價方法，幫助電網(wǎng)運營商評估其網(wǎng)絡(luò)安全能力，改善網(wǎng)絡(luò)安全問題。迄今為止，已經(jīng)有104家公用事業(yè)機構(gòu)覆蓋下的6900萬用戶下載了這個工具。美國能源部在2012年發(fā)布的風險管理程序，結(jié)合即將推出的網(wǎng)絡(luò)安全采購語言，為公用事業(yè)機構(gòu)提供了跨業(yè)務(wù)流程中網(wǎng)絡(luò)安全最佳實踐的整體視圖。
2009年，美國國家標準技術(shù)研究所為了加快互操作性的發(fā)展，成立了公私智能電網(wǎng)互操作性小組(sgip)。截止到2013年，sgip吸收了800個組織和1900名會員，成為獨立的、成員資助的組織。nist則協(xié)調(diào)sgip發(fā)展和更新智能電網(wǎng)互操作性標準的框架和藍圖。sgip積極致力于減少差距和更新審核標準，迄今已加速形成了消費者交換能源使用數(shù)據(jù)的標準;定義能源使用計劃、價格和需求響應信號;并且有助于擴展sep2信息模型，以支持電動汽車充電。
日益嚴重的環(huán)境問題和技術(shù)價格的降低導致分布式能源被越來越多地采用，包括分布式發(fā)電、電動汽車及能量存儲。分布式能源在美國發(fā)電量的比重非常小，但在未來10年中，其安裝規(guī)模和速度將有所增加，特別是在政策和可持續(xù)性配額制鼓勵的地區(qū)。
補貼、退稅、稅收優(yōu)惠和融資激勵機制促進了分布式能源的利用。降低成本和地方獎勵政策使光伏太陽能電池板在2013年增加了41%，2013年年底達到 1.21萬mw的裝機容量。2013年，非公用事業(yè)太陽能電池板裝機容量為1904mw，零售電源的系統(tǒng)成本對一些消費者來說很有競爭力。
分布式能源技術(shù)正在以不同的速度被美國的各個區(qū)域接受。普及率高的州，如加利福尼亞州、亞利桑那州、新澤西州和夏威夷，都在一線積極應對挑戰(zhàn)，對不同資源進行有效整合。例如，在亞利桑那州，凈計量電價法律通過為太陽能業(yè)主提供支持，帶動了屋頂太陽能的發(fā)展，但造成的后果是公共事業(yè)的稅收減少。由于屋頂太陽能用戶越來越多，亞利桑那公共服務(wù)公司稱，非太陽能用戶現(xiàn)在不得不承受較高的用電成本來維持電網(wǎng)。每個太陽能系統(tǒng)安裝費用多達1000美元，因為這些費用都計入到用電的度數(shù)中。為了緩解這種交叉補貼的問題，亞利桑那公司委員會在2013年11月規(guī)定，新客戶在簽署太陽能安裝合同時，除了使用的電功以外，每月還需繳納0.70美元/千瓦的固定費用。
此外，越來越多提供可變功率的可再生能源并入電網(wǎng)，像屋頂太陽能，可能需要儲能系統(tǒng)來有效平衡發(fā)電和需求量的快速變化。例如，2013年10月，加州公共事業(yè)委員會(cpuc)為3個投資者擁有的電站設(shè)立的目標是在2014年前達到1325mw的儲能。
積極布局 應對未來趨勢和挑戰(zhàn)
美國能源部與美國電力研究協(xié)會為公用事業(yè)機構(gòu)制定了一個一致的、按部就班的框架。隨著新數(shù)據(jù)涌現(xiàn)和額外收益產(chǎn)生，通過將可用技術(shù)應用于現(xiàn)有智能電網(wǎng)中，提高互操作性和系統(tǒng)集成將使公用事業(yè)的智能電網(wǎng)技術(shù)之間實現(xiàn)新的協(xié)同效應。
美國的監(jiān)管機構(gòu)正在考慮為估價技術(shù)和投資決策提供新的收益流。即當向監(jiān)管機構(gòu)提交智能電網(wǎng)技術(shù)的成本/效益分析時，提供減少客戶停電損失的估計，而不是僅提供停電的持續(xù)時間和頻率。這些增值服務(wù)會有助于監(jiān)管機構(gòu)了解采用自動支流轉(zhuǎn)換和其他系統(tǒng)升級帶來的好處。
行業(yè)分析師預測，美國實用數(shù)據(jù)分析市場每年將增長33%，從2011年的2.15億美元增加到2016年的9.02億美元。it基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)分析將使更多的公用事業(yè)機構(gòu)超越基本的傳感和通信技術(shù)部署，利用智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)完善運營和政策。
各種極端天氣帶來的災害激發(fā)了人們對提高現(xiàn)代電網(wǎng)可靠性和應對能力的關(guān)注。2012年，11次極端天氣造成的破壞損失平均值超過了10億美元，包括颶風桑迪造成的65億美元損失，這也使2012年成為自1980年以來災難損失最大的一年。在2012年的超級風暴桑迪之后，紐約州和新澤西州州長為基礎(chǔ)設(shè)施強化和升級制定了數(shù)十億美元的投資計劃。新澤西州的電力和天然氣公共服務(wù)公司提出了能源強化計劃，將在10年內(nèi)投資39億美元，以提高和強化脆弱的變電站，提高對智能電網(wǎng)技術(shù)故障的檢測和應對，并加強或埋藏配電線路等。
對應對能力和持久性的關(guān)注也增加了美國發(fā)展微電網(wǎng)的興趣。微電網(wǎng)可以在緊急情況下提供專用電源和隔離能力。行業(yè)分析師預測北美的微電網(wǎng)容量可能從2013年的992mw增加到2020年的6000mw。不過，理想的微電網(wǎng)交互和微電網(wǎng)功能需要應用先進的傳感、開關(guān)和控制技術(shù)，有效整合配電自動化技術(shù)與分布式發(fā)電的高級智能系統(tǒng)。因為有較大的需求和良好的經(jīng)濟實力，終端用戶如軍事設(shè)施、醫(yī)院以及大學校園可能是微電網(wǎng)的早期嘗試者。
展望未來，美國的電網(wǎng)商業(yè)模式必須考慮到市場新成員已從消費者變成生產(chǎn)者，配電所扮演的角色也從供應商變成分布式發(fā)電和能源資源的高度協(xié)調(diào)者。傳統(tǒng)公共事業(yè)的商業(yè)模式可能會受到收益減少、成本增加、低盈利潛力的威脅。監(jiān)管機構(gòu)可能需要考慮新的費率結(jié)構(gòu)，確定如何才能最好地回收智能電網(wǎng)的實施成本，同時在用戶和第三方商家中公平分配電網(wǎng)管理和維護的費用。
為有效地整合數(shù)以千計的新設(shè)備和市場參與者，電網(wǎng)電力公司需要具有復雜的通信和it技術(shù)的先進控制系統(tǒng)。這需要更復雜的智能電網(wǎng)，在高度分布式能源和負荷之間隨時管理電流，同時保持高標準的可靠性和恢復力?？赡苄枰粋€能源框架，其中公用事業(yè)、消費者和其他市場參與者可以找出最好的技術(shù)、配置和系統(tǒng)設(shè)計，優(yōu)化功率流和地區(qū)市場的金融交易，同時系統(tǒng)還能保持更高的穩(wěn)定性和效率。
長期的投資策略，可以考慮優(yōu)化技術(shù)和資產(chǎn)部署，從而協(xié)調(diào)可靠性、效率、經(jīng)濟性和環(huán)保目標的利益競爭。馬薩諸塞州公共事業(yè)部門已經(jīng)提出，每個配電公司開發(fā)并提交一個電網(wǎng)現(xiàn)代化的10年戰(zhàn)略計劃，包括減少停電影響、優(yōu)化需求量、整合分散的資源、提高員工素質(zhì)和資產(chǎn)管理。要實現(xiàn)這些目標，需要一個協(xié)調(diào)戰(zhàn)略來平衡對最佳電網(wǎng)設(shè)計的競爭。
隨著可并入電網(wǎng)的可再生能源和分布式能源量的增加，顛覆性的挑戰(zhàn)即將來臨，這需要一個日益智能化的高級電網(wǎng)。公用事業(yè)機構(gòu)在部署新的信息管理和控制系統(tǒng)時，互操作性和系統(tǒng)集成的挑戰(zhàn)將會持續(xù)。美國還將面臨許多長久性的挑戰(zhàn)。短期內(nèi)，促進未來電網(wǎng)現(xiàn)代化將需要決策者考慮技術(shù)選擇、成本回收機制和投資規(guī)劃周期，以確保清潔、經(jīng)濟、可靠、安全的電力輸送目標。
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