国外智能电网顶层技术路线对比分析

张 钧，黄 翰，张义斌

(国家电网公司能源研究院 电网发展综合研究所，北京 102209)



● 电力经济研究

国外智能电网顶层技术路线对比分析

张 钧，黄 翰，张义斌

(国家电网公司能源研究院 电网发展综合研究所，北京 102209)

本文选取美国、欧盟和日本智能电网的顶层技术路线作为研究对象，在阐述其内容基础上，梳理不同技术路线存在的共性和差异性，并从能源禀赋、经济社会、电网现状等方面分析共性和差异性产生的原因。研究结论表明，未来智能电网技术路线制定呈现出一定的共性特征，一是发电侧均重视可再生能源的开发利用，二是电网侧重视发展区域电网的互联，强调电网运行安全性、可靠性和经济性，三是用户侧均重视提高用户和电网的互动程度。同时，因为经济社会发展阶段、电网发展现状、资源分布等实际情况的不同，不同地区和国家的智能电网顶层技术路线侧重点有所不同，主要表现在：一是新能源领域发展的技术路线重点不同；二是提高电网安全、稳定、经济的手段不同；三是推动智能用电，促进用户与电网互动的方法不同。

智能电网；技术路线；对比分析

随着经济社会的发展，能源短缺、环境污染、气候恶化已成为困扰全球的严重问题。智能电网建设可以有效地提高电网接纳清洁能源的能力，提高电网安全可靠性、促进相关产业发展，被认为是解决当前资源困境、带动经济发展的重要推动力。在智能电网发展中，顶层技术路线具有至关重要的作用。这主要有三方面的原因：一是智能电网发展涉及能源、制造、信息等多个领域的技术，顶层技术路线可以协调智能电网中各项技术之间的相互发展；二是顶层技术路线可以促进智能电网中各项技术自身的创新发展；三是顶层技术路线能催生智能电网新的技术需求。

美国、欧盟、日本等国外主要发达地区和国家都高度重视智能电网顶层技术路线的制定。自2009年美国能源部在正式提出智能电网概念以来，美国阶段性的发布了《Grid 2030》、《National Electricity Delivery Roadmap》等一系列的研究报告，具有较强的延续性和关联性。对其智能电网建设发挥了重要的作用。欧盟发布了《Strategic Energy Technologies Plan，SET-Plan》、《A European strategy for sustainable, competitive and secure energy strategy》、《EEGI Roadmap for Public Consultation》等报告，旨在协调和指导各成员国智能电网发展步伐。日本经济产业省先后发布了《the Results and roadmap of Selected Demonstration Projects》、《A new generation of transmission distribution report》等战略性文件，明确日本智能电网的发展目标。

本文在阐述美国、欧盟、日本智能电网发展的技术路线图基础上，梳理了国际智能电网发展的共性和差异性，并分析了产生这些共性和差异性的原因。研究结论表明，本文选取的国家在经济社会发展、能源禀赋、电网发展现状等方面具有一定代表性，分析得出的智能电网发展的共性和差异性对我国智能电网的发展具有借鉴作用。

一、国外智能电网顶层技术

(一)美国

美国将智能电网定位为利用数字技术提高大规模电力系统的可靠性、安全性和有效性(从经济和能源角度)。电力系统包括大型发电厂、输配电系统、电力用户，以及不断增加的分布式发电系统和储能设备[1]。美国智能电网发展的技术路线图如图所示[2]。

图1 美国智能电网发展技术路线图

由图1可以看出，美国智能电网技术路线包含清洁能源传输和电网可靠性、配电网发展、储能装置等8个方面，其中，接入可再生能源以降低10%高峰负荷已经实现，而高温超导送电在2011年之后没有得到DOE的进一步投资。

图2 欧盟智能电网技术发展技术路线图

(二)欧盟

欧盟将智能电网定义为“可整合所有连接到电网用户(发电机和/或电力用户)的所有行为的电力传输网络，以有效提供持续、经济和安全的电能”[1]。这一定义强调智能电网是实现目的的一种手段，而并非目的本身。智能电网的最终目的形成连接电网和用户(分布式发电、电动汽车、智能家居等)，并提供可靠且持续电力服务(需求响应、虚拟发电厂、调度、RES整合等)的超级系统。欧盟智能电网发展的技术路线图如图2所示[3]。

由图2可以看出，欧盟智能电网技术路线包括优化电网基础设施、接入可再生能源、主动配电网等六个方面。其中，除优化电网的运行和使用、信息和通信技术外，其他技术均持续到2020年之后，并在2020年实现其20-20-20目标。

(三)日本

日本经济产业省(METI)将智能电网描述为集成家庭能量管理系统(HEMS)、建筑能量管理(BEMS)和区域能量管理系统(REMS)的“下一代能源和社区系统”。该系统通过集成大量分布式电源构建“本地平衡模式”和“电力/能源网络”的互补能源供给模式，并且涵盖交通、污水处理等智慧城市内容。日本智能电网发展的技术路线如图3所示[4]。

图3 日本智能电网技术发展技术路线图

从图3可以看出，日本智能电网技术路线包括优化电网运行、接入分布式电源、电动汽车与充电站等四个方面。其中，电动汽车和充电站建设设有明确目标：到2020年建成200万个常规充电桩和5000个快速充电设备。

二、国内外智能电网顶层技术路线对比分析

(一)智能电网发展的共性分析

对比国内外智能电网顶层技术路线可以看出它们发电、输电、配用电三个方面具有共性特征，分析如下。

1.发电侧，均重视可再生能源的开发利用

智能电网在应对气候变化、保障国家能源安全、促进科技创新等方面具有的积极作用，因此智能电网发展战略中，可再生能源的开发利用均被高度重视。2014年5月，美国提出《The all-of-the-above energy strategy as a path to sustainable economic growth》中要求2030年之前削减碳排放30%，并明确可再生能源将在目标的实现起到重要推动作用。

2.电网侧，发展区域电网的互联，强调电网的安全、可靠、经济性运行

欧美国家的电网基础设施普遍面临陈旧、老化等问题，如美国在对电力工业第二个百年发展前景展望中认为电网效率低下、输电拥堵、供电可靠性和电能质量降低已经严重影响了其在世界创新领域的主导地位。鉴于此，图1中美国计划至少安装850个PMU用于提高对电力系统的控制能力。对欧盟来说，因为其资源匮乏和分布的不均衡性，对电网的互联更为重视。图2中通过HVDC等新技术扩展欧盟电网范围以及跨国电网互联占有很重要的地位，并一直延续至2020年。另外，2013年作为欧盟智能电网的官方倡议书，EEGI中明确指出，大范围的互联是欧洲智能电网发展的重要方向。

3.用户侧，均重视提高电力用户和电网的互动化程度

通过电网与用户双向互动提高电网运行的效率，重视用户体验是智能电网的区别与传统电网的重要功能。从图1中可以看出，美国在智能配电网发展、光纤通信安全等方面大量涉及用电互动化内容。据Institute for Electric Efficiency(IEE)数据，2013年8月美国智能电表安装达到4600万只，覆盖率约30%。在2012年6月的“Derecho”飓风中，Chattanooga电力局通过智能电表与负荷开关配合，减少了至少一半的停电事故，避免了5800万分钟的用户停电时间[5]。

(二)智能电网发展的差异性分析

由于各国资源分布、经济社会发展阶段、电网发展现状、等情况不同，不同地区和国家在智能电网顶层技术路线侧重也有所区别，本文从发电侧、输电侧和用电侧分析如下。

1.发电侧，新能源发展的技术路线重点不同

在新能源发展领域，美国将储能装置、电动汽车列为优先资助对象。特斯拉等电动汽车企业的出先大大推动了美国国内电动汽车的发展，2013年，特斯拉出货量超过22000辆，其中大部分销往北美市场[6]。同时，2014年美国政府发布多项政策推动太阳能、海洋能等可再生能源发展。比如，截止2014年5月，美国政府已在联邦建筑大楼能源效率领域注资超过20亿美元，绝大部分投入到光伏系统中[7]。

欧盟智能电网的主要动因之一是发展可再生能源发电，保证欧洲能源安全，因此欧盟早在2010年就发布了欧盟2020能源战略目标，在能源领域提出了著名的20-20-20目标，即，减少20%的温室气体；通过提高能源效率减少20%的能源消耗；20%能源来自于可再生能源。近年来，欧盟在海上风电、太阳能发电等领域取得了显著进展。据统计，截止2013年底，欧盟28国风电安装容量超过117GW[8]。

日本长期以来注重核能和多种可再生能源的利用，但是在福岛核危机发生之后，日本表示将逐步降低对核电的依赖，转而大力发展可再生能源。因日本国内风能有限的情况，其在可再生能源发展上注重太阳能发展。2012年，日本政府正式批准可再生能源全量收购政策(FIT)，其中对太阳能、风能、生物质能等五种类型可再生能源的收购价格做了详细规定，很大程度上推动日本新能源的发展，FIT政策公布后三个月内，太阳能发电增长约820MW，与公布前三个月约320MW相比，增幅达2.5倍[9]。

2.电网侧，电网智能化发展的侧重点不同

近年来频繁的停电事件将美国电网聚焦于公众审视之下。比如，2012年飓风“桑迪”造成美国740万户大停电；2014年初寒潮席卷印第安纳州、伊利诺伊州和密苏里州，导致超过2万用户停电。2014年美国前能源部长Bill Richardson发表《美国的第三世界电网》文章，指出美国的电力系统停留在第三世界水平，近十年来鲜有进步，美国电网的一大问题是数百个地方电网只管自己运营，丝毫不理会真正的需求——建立一个完整的、协调一致的国家电网系统。因此，美国智能电网的发展较为重视电网基础设施升级改造以及提升电网运行的安全和可靠性。

随着欧洲风电的迅猛发展以及未来可能利用的北非太阳能资源，构建欧洲统一电力系统和能源市场是欧洲智能电网发展的核心方向之一。因此从图2可以看出，欧洲智能电网发展强调对输电系统的升级改造，重视加强跨区/国互联以及跨海输电和直流输电技术的发展。另外，欧盟也相继提出了泛欧电网、超级智能电网等概念[3]。

日本电网的智能化水平已经较高，因此在智能电网发展中一是注重提高资源利用率，发挥电网能源利用基础平台的作用实现各种能源的优化利用；二是依托智能电网建设提高特大型城市核心功能区的供电可靠性和抵御灾难的能力。

3.用电侧，促进用户与电网互动的技术路线不同

美国拥有比较完善的电力市场机制，因此其在用户侧高度重视电网与用户互动行为的研究以及新商业模式的探索。通过需求侧管理，美国大大缓解了电力供需矛盾。比如，PJM公司2013年9月10日负荷响应达到2299MW，占所有负荷总需求的1.6%，当天负荷需求达到创纪录的144370MW，得益于负荷响应，负荷需求降至142071MW[5]。与美国类似，欧盟在注重用户互动、提升能效的同时，充分考虑不同国家智能用电技术的一致性和协调性，重视建设统一的电力市场，注重智能用电标准的制定和修订，以保障智能电网互操作性的实现。

日本的智能用电发展重视发挥本国的技术优势，在国际技术标准等领域树立话语权，培育在智能用电领域具有国际竞争力的企业与产品，体现了其“出口导向型”经济的特点。比如，在储能技术、电动汽车等智能用电领域的研究和开发上，日本企业发展积极性较高。

三、结论

本文在阐述美国、欧盟和日本智能电网技术路线基础上，分析了不同地区智能电网发展的共性和差异性。主要体现在三个方面：一是电源侧，均注重可再生能源在能源安全上的重要地位，但各国新能源发展重点不同；二是电网侧，均重视提升电网基础设施智能化水平，提高电网安全可靠运行水平，但各国提升措施的重点不同；三是用户侧，均注重引导用户用电行为，增加电网和用户之间的双向互动，但各国促进互动化的手段不同。

我国经济社会发展、能源——负荷分布等情况决定了我国智能电网的发展在符合国际智能电网发展趋势的同时需适应本国在能源、社会发展阶段等方面的特点。现阶段，我国智能电网的发展应侧重于侧重长距离输变电的发展，同时利用先进传感器、通信信息技术等不断提升电网智能化水平。在用户侧，推进用电信息采集系统，为今后与用户互动化奠定基础。

[1] EC JRC, US DOE, 2012, Assessing Smart Grid Benefits and Impacts: EU and U.S. Initiatives. Report.

[2] OE DOE, 2010 Strategic Plan. Report.

[3] EEGI, 2010 Strategic Deployment Document for Europe′s Electricity Networks of the Future. Report.

[4] METI, 2010 Roadmap for the next generation of Energy Community. Report.

[5] FERC, 2013, Assessment of Demand Response & Advanced Metering. Staff Report. Report.

[6] Testla: great demand in China. http://auto.sina.com.cn/news/2014-02-21/09021272984.shtml

[7] A promise of 850MW solar generation installation from American government. URL: http://guangfu.bjx.com.cn/news/20140513/510401.shtml.

[8] GWEC, 2013 Global Wind Report Annual Market Update. Report.

[9] http://www.meti.go.jp/statistics/index.html.

(责任编辑：王 荻)

Comparative Analysis of Foreign Smart Grid Top-level Roadmaps

ZHANG Jun, HUANG Han, ZHANG Yi-bin

(State Grid Energy Research Institute, Beijing 102209, China)

This paper picks up the technology roadmap in USA, European Union and Japan as the research objective. Based on the illustration of the contents of the roadmaps, the universalities and differences among them are summarized. What is more, the reasons are discussed in terms of energy resources, economic society development, power grid situation and so on. The results show that the future smart grid has common traits. The first is the renewable energy is emphasized in generation side. The second is wide area interconnection is preferred in power grid structure, and the security, reliability and efficiency of network is highlighted. The third is the interaction between power companies and consumers should be highly improved. Meanwhile, since the differences of socioeconomic condition, power network situation, energy distribution and so on, the emphasis points in technology roadmaps in different countries are not same. The diversity shows as the focuses on renewable energy types firstly. Secondly, the methods of security, stability and efficiency improvement of power network are various. Thirdly, the ways of pushing intelligent power consumption are not the same.

smart grid; technology roadmap; comparative analysis

2015-06-07

张钧，男，国家电网公司能源研究院电网发展综合研究所工程师，博士;黄翰，男，国家电网公司能源院电网发展综合研究所副所长，博士；张义斌，男，国家电网公司能源院电网发展综合研究所所长，博士。

F407.61

A

1008-2603(2015)04-0025-06