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美國電網正經歷著巨大的變革，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技術的部署，提供了有關技術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)，電網運行、能源效率、資產利用率和可靠性都在逐步改善。
智能電網實現(xiàn)多方面進步
智能電網包括先進的通信、控制技術應用和電力輸送基礎設施，其技術正在全部電網系統(tǒng)中應用，包括輸電、配電和基于消費者的終端系統(tǒng)。其中，先進測量基礎設施(AMI)，包括智能電表、通信網絡和信息管理系統(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，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相結合，大大降低了電站的峰值需求。
智能電網應用可以實現(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)，從而提高電網合并運行的效率。
先進的傳感器和高速通信網絡在傳輸系統(tǒng)中的應用提高了高壓變電站和整個輸電網的檢測能力和控制運行能力。同步相量技術通過相量測量單元在整個輸電網的應用，使數(shù)據(jù)傳輸速度提高了100倍，并且使電網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方面的投資也將導致網絡相量測量單元從2009年的166增加到2015年的1000。
智能電網技術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)部門的技術經驗水平。公用事業(yè)機構、消費者和社會充分接受智能電網技術、評估技術的成本和收益都需要一段時間。不過，在部署了智能電網的地區(qū)，提高運行效率、能源利用率和可靠性已經成為現(xiàn)實。
此外，電力輸送系統(tǒng)實現(xiàn)新功能需要智能電網技術，這些功能是原有電網在設計時沒有考慮到的?，F(xiàn)代電網變得更加復雜，需要解決輸電網和配電網中可再生能源利用、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)機構積極管理和發(fā)電、內在網絡安全保護下的先進通信與控制技術等問題。
智能電網系統(tǒng)包括用以協(xié)調多樣電網進程的數(shù)字傳感、通信、控制技術和現(xiàn)場設備。更智能的電網還包括信息技術系統(tǒng)應用，用于處理新數(shù)據(jù)，并使得公用事業(yè)機構能夠更有效、更動態(tài)地管理電網運行。通過智能電網系統(tǒng)所提供的信息，客戶也能夠對能源使用方式做出明智的選擇。
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技術部署。全美國的年度智能電網支出在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設施的花費減少了。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，而先進的測量基礎設施的花費仍然會降低。
截至2013年3月，在ARRA框架下，智能電網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)電網現(xiàn)代化、加強網絡安全、提高互操作性、收集影響智能電網運營和收益的實用性資料。在同一時間內，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。另外還有1億美元的聯(lián)邦資金，用來支持52項智能電網職工培訓項目。
跨領域發(fā)展智能電網技術
智能電網技術的應用增加了傳統(tǒng)公用事業(yè)機構數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)。每個智能電網應用都要求有各自的帶寬和延遲時間，這需要公用事業(yè)機構使用不同的通信技術。這些技術可以被部署在現(xiàn)有的公共網絡，這種方式較為經濟和普遍，還可以部署在有許可的專用網絡。
雖然一些公用事業(yè)機構在使用專用通信網絡，但是較低的成本和較高的技術優(yōu)勢正在令公共網絡受到公用事業(yè)機構的青睞。近日，公眾蜂窩網絡運營商紛紛下調AMI通信的每兆字節(jié)收費，使得無線寬帶技術更受歡迎。然而，在某些應用中，如饋線開關和同步相量，需要的速度比蜂窩網絡更快。雖然美國也在使用光纖電纜，但基于無線電頻率的網狀網絡已經使AMI和配電自動化部署在北美成為領先技術，許多美國市政公用設施也使用微波或無線網絡廣域通信的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)調委員會使用安全的光纖廣域網，建成了與國家空中交通管制網絡同一水平、發(fā)送PMU數(shù)據(jù)不到30毫秒的電網控制中心。
為應對13636號行政命令，美國國家標準技術研究所(NIST)在2014年2月發(fā)布了提高關鍵基礎設施網絡安全的框架，提供優(yōu)先、靈活、可重復和廉價的方法來應對跨部門產生的網絡風險。同月，美國能源部公布了電力網絡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，幫助電網運營商評估其網絡安全能力，改善網絡安全問題。迄今為止，已經有104家公用事業(yè)機構覆蓋下的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，結合即將推出的網絡安全采購語言，為公用事業(yè)機構提供了跨業(yè)務流程中網絡安全最佳實踐的整體視圖。
2009年，美國國家標準技術研究所為了加快互操作性的發(fā)展，成立了公私智能電網互操作性小組(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SGIP發(fā)展和更新智能電網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。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，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)和額外收益產生，通過將可用技術應用于現(xiàn)有智能電網中，提高互操作性和系統(tǒng)集成將使公用事業(yè)的智能電網技術之間實現(xiàn)新的協(xié)同效應。
美國的監(jiān)管機構正在考慮為估價技術和投資決策提供新的收益流。即當向監(jiān)管機構提交智能電網技術的成本/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。這些增值服務會有助于監(jiān)管機構了解采用自動支流轉換和其他系統(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基礎設施和數(shù)據(jù)分析將使更多的公用事業(yè)機構超越基本的傳感和通信技術部署，利用智能電網的數(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)代電網可靠性和應對能力的關注。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設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公司提出了能源強化計劃，將在10年內投資39億美元，以提高和強化脆弱的變電站，提高對智能電網技術故障的檢測和應對，并加強或埋藏配電線路等。
對應對能力和持久性的關注也增加了美國發(fā)展微電網的興趣。微電網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容量可能從2013年的992MW增加到2020年的6000MW。不過，理想的微電網交互和微電網功能需要應用先進的傳感、開關和控制技術，有效整合配電自動化技術與分布式發(fā)電的高級智能系統(tǒng)。因為有較大的需求和良好的經濟實力，終端用戶如軍事設施、醫(yī)院以及大學校園可能是微電網的早期嘗試者。
展望未來，美國的電網商業(yè)模式必須考慮到市場新成員已從消費者變成生產者，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)管機構可能需要考慮新的費率結構，確定如何才能最好地回收智能電網的實施成本，同時在用戶和第三方商家中公平分配電網管理和維護的費用。
為有效地整合數(shù)以千計的新設備和市場參與者，電網電力公司需要具有復雜的通信和IT技術的先進控制系統(tǒng)。這需要更復雜的智能電網，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、配置和系統(tǒng)設計，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)化技術和資產部署，從而協(xié)調可靠性、效率、經濟性和環(huán)保目標的利益競爭。馬薩諸塞州公共事業(yè)部門已經提出，每個配電公司開發(fā)并提交一個電網現(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、提高員工素質和資產管理。要實現(xiàn)這些目標，需要一個協(xié)調戰(zhàn)略來平衡對最佳電網設計的競爭。
隨著可并入電網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。公用事業(yè)機構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，促進未來電網現(xiàn)代化將需要決策者考慮技術選擇、成本回收機制和投資規(guī)劃周期，以確保清潔、經濟、可靠、安全的電力輸送目標。
