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2014年美国智能电网系统报告(上)

2015-07-03 00:18
魏丁小陆
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  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)

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