国际智慧电网建设的战略要点及对我国的启示

张季东，李 健

(上海社会科学院城市与人口发展研究所，上海 200020)

国际智慧电网建设的战略要点及对我国的启示

张季东，李 健

(上海社会科学院城市与人口发展研究所，上海 200020)

智慧城市建设绝非千篇一律，需根据城市自身情况和问题有重点推进。以智慧电网建设为分析对象，认为各国智慧电网面临的课题和目标有所差异。美国智慧电网重点在于标准制订方面的推进；欧洲着重在新能源开发、分布式电源等方面的创新；韩国以新兴产业发展为导向，专注于智能电表的应用和电动汽车的发展；日本智慧电网建设的重点内容则是新能源、电池与微电网等。最后就各国智慧电网推行的经验教训对中国城市智慧电网建设的启示进行总结。

智慧电网；电网规划发展动态；战略要点

作为近年来对人类城市发展关注和探索的一个进程，“智慧城市”(Smart City)的发展内涵逐渐被全球越来越多的国家和社会公众所接受。智慧城市是各国应对人口膨胀、交通拥挤、环境污染、资源紧缺等各种重大问题的选择，由于各国在社会基础、经济阶段、人口结构、生态环境等方面的巨大差异，造成其智慧城市建设内容也存在差异。因此，智慧城市建设绝非千篇一律，需要根据区域或城市自身发展的基础和问题科学推进。本文拟对智慧城市的重要内容之一——智慧电网建设的国际动态进行分析，并对中国启示进行探讨。

从美国“绿色新政”宣布投入大量资金进行智慧电网建设开始，智慧电网已成为一股席卷全球的热潮，从国家到地方各级政府纷纷从自身能源环境需求与产业发展等角度规划智慧电网的建设，并构成智慧城市建设的重要内容。但各国智慧电网因面临的课题与目标不同，因此对于智慧电网的理解和建设重点也不尽相同，智慧电网更多只是一个“未来先进电网”的概念。美国电气和电子工程师协会(IEEE)的定义比较有国际权威性：智慧电网指利用数字化技术，将输电与配电网升级达到最优化运行，相应提高能源市场弹性，以诱发许多智慧电网相关的新市场。欧洲技术论坛对智慧电网的定义是：一个可整合所有连接到电网用户(发电机和电力用户等)所有行为的电力传输网络，以有效提供持续、经济和安全的电力能量。我国对于智慧电网的定义是以物理电网为基础(中国的智慧电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的电网为基础)，将现代先进传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术等与物理电网高度集成而形成的新型电网，满足用户对电力的需求和优化资源配置，确保电力供应安全性、可靠性和经济性，满足环保约束，保证电能质量，适应电力市场化发展等目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

基于自身电力系统面临的诸多发展问题及对智慧电网建设内涵的不同理解，当前美国、欧盟、日本以及韩国等发达国家和地区都已规划智慧电网发展蓝图，提出具体发展策略。本文针对美国、欧盟、日本和韩国智慧电网发展的重点内容、政策导向及实施战略进行分析，希望能对中国城市智慧电网建设产生些许启示。

1 美国智慧电网发展战略

美国智慧电网的规划发展大致可分为3个阶段的建设内容：第1阶段是到2009年，各州政府进行智慧电网规划并着手建设，目前该阶段目标已经基本完成；第2阶段是2011到2020年，家电设备能透过有线或无线方式远距操作；第3阶段是2020到2030年，美国各地实现智慧电网化。

1.1 提出美国电力系统下个百年愿景

在过去数年中,由于电力系统复杂化与老化，造成重大损失，使得美国出现数次大规模停电，因此美国智慧电网建设致力于在基础设施老化背景下，建设安全、可靠的现代化电网，并提高用电侧效率、降低用电成本。美国电力研究院(Electric Power Research Institute, 简称EPRI)在2001年就提出“智慧电网”(Intelli Grid)概念；之后美国能源部(DOE)发表“Grid 2030”报告，提出美国电力系统下一个百年愿景，指出未来美国电力系统将应用通信技术(ICT)提升电力系统运行及控制效率，建构有效率且可靠的电力网络。之后再次提出国家电力技术路径图(National Electricity Delivery Roadmap)，以实现“Grid 2030”的愿景。

在美国定义的智慧电网中，具备7大特性：自动修复、互动、安全、提供21世纪所需的电力质量、适应所有的电力来源和储能方式、可市场交易、优化电网资产以提高营运效率。由于美国为大陆型国家，其智慧电网概念将全国电网分为“基础主干”(Backbone)、“区域链接网络”与“区域配电、小型及微电网”等3个不同空间尺度的建构。基础主干主要是长距离输电系统，如横跨美国东西两岸的输电线；区域链接网络为基础主干对各地传输电力的区域链接网络；最后则是各区域的配电系统与对当地供电的小型、微型电网。

1.2 积极提升美国的研发和控制能力

2009年，美国总统奥巴马发布的《经济复苏计划》中提出投资110亿美元，建设新一代智慧电网。在智慧电网建设计划中，重点推进了核心技术研发，着手制定发展规划。美国政府为吸引各方力量共同推动智慧电网的建设，积极制定《2010―2014年智慧电网研发跨年度项目规划》，全面设置智慧电网研发项目，进一步促进该领域技术的发展和应用，主要包括两大领域。

(1)技术领域。包括发展配送系统和客户端传感系统技术，发展电网与汽车互联技术、电网通信整合和安全技术，在创造高渗透性能源配送和充电网络条件的过程中发展安全、高效和可靠性强的保护和控制性技术，发展运作支持工具技术等众多技术领域。

(2)建模领域。根据运作情况、配送成本、智慧电网资产以及电网运行所产生的各种影响，对从电网建设、发电到运输、运输到配送的整个过程进行模型构建，包括建立电力配送的智慧电网元件和运行模型，电力运输和发电系统的准恒定和动态反应的降维模型，发展和示范整合通信网络的模型、批发市场模型和可再生能源模型等。

1.3 加快推进智慧电网技术的标准化

把握行业技术标准一直是美国控制全球新兴产业发展的重要手段。美国商务部下属的国家标准技术研究院(NIST)为美国智慧电网发展主要研究力量，从事智慧电网操作性与网络安全等各项技术标准，至目前已经提出75项标准。其中有25项已经于2010年1月得以确认。这25项标准包括智能电表与家用电器可进行双向无线通信的ZigBee技术的智慧能源规范等，已经广泛在全球范围内的智慧城市建设中得以实践。2010年9月国家标准技术研究院(NIST)还公布了《网络安全指南(初版)》。目前美国国家标准技术研究院仍在快速推进智慧电网其他技术的标准化工作。

1.4 智慧电网发展在美国的示范行动

在2008年，美国科罗拉多州Xcel能源公司选择9万多人口的小城波尔德(Boulder)，作为全美第1个“智慧电网城市”。Xcel公司之所以选择波尔德，是因为城市大小规模适宜、与电网接入方便，而且美国国家标准和技术研究所(NIST)也位于此，可共同参与智慧电网城市计划。波尔德智慧电网涉及并使用技术：先进信息技术；高速、实时、双向通信；遍布全网的传感器能够进行快速诊断并采取行动；提高高峰时段效率的决策数据和支持；分布式发电技术(例如风电、太阳能和混合动力汽车)；智能变电站；家用能源控制装置等。

美国能源部智慧电网拨款项目(SGIG)自2009年起获得美国联邦34亿美元的激励资金拨款，至2012年3月底，该计划提供近30亿美元用于智能计量，10亿美元用于电力系统，输电系统和客户系统各投资5千万美元。该计划新安装1 080多万个智能电表，287个联网相量测量单元(PMU)，新装电表数占美国所有电表的8%。在美国经济刺激法案支持下启动的最宏大的计划之一就是加州萨克拉门托市公用事业部门(SMUD)正在进行的投入3 600万美元用于“高端测量系统(AMI)、配电自动化、提升网络安全、电动汽车基础设施、消费者应用和需求响应方案”。

1.5 以IT企业为核心正在大力扩张全球业务

智慧电网建设项目的主导力量表面上是电力公司或者地方政府，但核心却是“智慧”，因此智慧电网的大脑仍是在世界各地拥有众多分支机构的大型IT企业、在特定领域内拥有核心技术的高科技企业。例如，从事IT咨询业务的美国埃森哲公司承担科罗拉多州波尔德智慧电网试点项目，以及荷兰阿姆斯特丹、日本横滨智慧城市项目的项目管理。美国IBM公司以“智慧地球”在世界各地主要城市提供智慧城市咨询与IT服务。美国银泉网络公司主要为电力公司提供面向智慧电网的高级电表架构(AMI)搭建与运用的解决方案，包括对加州北部约700万部智能电表项目的管理。此外，美国银泉网络公司还为加拿大与澳大利亚提供了AMI解决方案。

2 欧盟智慧电网发展战略

与全球其他区域主要由单一国家为主体推进智慧电网建设的特点不同，欧洲智慧电网的发展主要以欧盟为主导，由其制定整体目标和方向，并能提供政策及资金支撑。

欧盟计划到2020年实现80%居民换置智能电表以及20%的电力来自于再生能源的目标。越来越多的欧盟成员国通过安装智能电表来建立智慧电力信息系统：一方面，智慧电子信息系统保证让电力公用事业企业足不出户就可以对电力使用情况进行远程监控，用户也不再需要依靠自己的评估来计算自己的能源消费量；另一方面，智慧电网运行管理中心可以借助智慧电力信息系统对电力供应和需求同时实施控制，从而确保电网的电能质量。与美国不同，欧洲智慧电网建设主要侧重于清洁能源利用，特别是将大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能电融入欧洲电网。同时，还将接入大量分布式微型发电装置——住宅太阳能光伏发电装置、家用燃气热电联产装置等，实现可再生能源大规模集成性跳跃式发展。欧盟委员会认为，建设智慧电网将是今后10年内欧洲最大的基础设施建设项目之一。

2.1 分布式电源与“20-20-20”为重点目标

欧盟“20-20-20”目标，即到2020年将其温室气体排放量在1990年基础上减少20%以上，到2020年将可再生清洁能源占总能源消耗的比例提高到20%。近年来欧洲再生能源发展快速，但同时也面临着能源短缺、对中东地区能源进口依赖日益严重等问题。2008年欧盟提出“20-20-20”目标后，减少碳排放与增加再生能源导入的比例更成为发展重压。为解决以上这些问题，欧盟提出“EU Smart Grid”的架构。

欧盟2005年成立“智慧电网技术平台”(European Smart Grid Technology Platform, 即ETP Smart Grids)，旨在推进欧洲智慧电网研发，制订欧盟智慧电网的发展愿景和实施策略。ETP Smart Grids发表了“欧洲未来电网的构想与策略”(Vision and strategy for Europe’s Electricity Networks of the future, V&S, 2006)、“欧洲未来电网策略性研究议程”(Strategic Research Agenda for Europe’s electricity Networks of The future, SRA, 2007)、“欧洲未来电网战略部署文件”(Strategic Deployment Document for Europe’s Electricity Networks of the Future, SDD, 2008；2009；2010)等多份重要文件，规划欧洲智慧电网发展的蓝图。为适应欧洲的能源与市场环境，欧盟的智慧电网研发重点有3个方面：再生能源和分布式电源并网技术、电动汽车与电网协调运转技术，以及电网与用户的双向互动技术。

2.2 微电网与超级智慧电网的建设目标

欧盟在微电网技术已有多年发展。由于应用分布式电源的微电网技术可改善能源效率、降低环境冲击、改善系统可靠度及稳定度等，所以在未来的电力系统中将扮演重要角色。2006年，欧盟延续过去Micro grids计划并再成立另一个More Micro grid计划，着重于分布式电源及负载控制设计、发展新的分布式电源控制策略、多区分布式电源的并联技术、商业交易制度、相关技术标准以及评估微电网对未来电力事业的冲击等。

为分散能源进口依赖并达到20%的再生能源导入目标，欧盟在“气候变化与影响研究”(Climate Change and Impact Research，简称CIRCE)计划中提出跨洲超级电网计划——Super Smart Grid，利用高压直流技术从中东与北非输入太阳能等电力来源，保障在2020年前达成20%的电力来自再生能源的目标。

3 韩国智慧电网发展战略

2010年1月，韩国知识经济部(Ministry of Knowledge Economy)正式发布“韩国智慧电网发展路线2030”，整体发展蓝图分为3个阶段：以“先建设示范区域进行试验、逐步扩散至全国”为布局策略。其中，2010—2012年为试验阶段，首先选定数个示范城市进行智慧电网的布建，针对相关智慧技术进行可行性测试；到2013—2020年再逐步推广至涵盖范围较大之区域；2021—2030年完成智慧电网的全国性布局建设。

表1 韩国智慧电网行动计划与济州岛目前主要任务(技术验证)

3.1 以扶植智慧电网产业发展为目标

韩国政府发展智慧电网的最终愿景目标在于将智慧电网当作其未来迈向低碳绿色成长的基石。因此除了通过建构智慧电网，达到低碳经济发展外，最终希望以智慧电网为载体，扶植国内相关产业发展和出口，攻占全球智慧电网30%市场为目标。

在目前阶段，韩国智慧电网的发展重点非常明确，即智能电表的应用和电动汽车的发展。韩国有关组织认为普及智能电表是实现用户端能源利用效率最优化的重要手段。为此，向用户传递有关信息，引导能源消费方式转变；提出未来高端计量基础设施(AMI)的发展方向和基本运营模式；与现有自动抄表系统(AMR)的融合，促进形成开放式的计量系统；应用最新技术和最新标准，保障未来高端计量基础设施市场的联动性。

在电动汽车方面，韩国出台电动汽车充电基础设施建设以及电动汽车普及扶持政策。2010年9月韩国出台充电基础设施建设方案和电动汽车推广扶持方案。到2020年底，韩国电动汽车数量要达到100万辆。韩国的济州岛成为世界第一个试点智慧电网的城市。

3.2 重构智慧电网五大智慧发展策略

韩国的智慧电网发展策略以“Smart”为主轴朝5个主要方向扩展，包括“智慧电网”(Smart Grid)、“智慧消费者”(Smart Consumer)、“智慧运输系统”(Smart Transportation)、“智慧再生能源”(Smart Renewables)及“智慧电力服务”(Smart Electricity Service)，具体内容见表1。

其中，“智慧型电网”的发展重点在于供电端与用电端的电力信息能够双向沟通，以及电力系统具备实时监控与自动修复能力；“智慧型消费者”执行的目标主要在于促进消费者进行用电科学、安全、有效管理，以达到减排目标，内容AMI的普及、新电价机制的建构以及赋予消费者多样化供电来源的选择权；“智慧型运输系统”的发展则是为了推广电动车普及化，以及发展韩国电动车产业，主要的规划重点是充电基础设施建设与商业模式建构，韩国知识经济部预计要在2030年前增设27 000处电动车充电服务场所；“智慧型再生能源”主要为减少传统电厂投资发展，提升再生能源供电比例，为提升再生能源输入大电网稳定性、发展储能装置，分布式微电网建设及商业化运作等；“智慧型电力服务”主要发展重点在于建构新的电力交易系统，同时发展因智慧电网成长而衍生出的新商机，并促进跨产业的合作，跻身全球重要智慧电网及相关产品出口国。

3.3 济州岛智慧电网实践经验

济州岛位于朝鲜半岛南部，是韩国最大的岛屿。济州岛具有良好的旅游条件，在阳光、风力等气候条件方面试点分布式能源和微电网都是理想地方。规划到2030年，济州岛通过新能源的开发利用成为可持续发展的碳平衡城市。

济州岛智慧电网示范实践主要是由韩国知识经济部推动，实践的目标是通过再生能源和新一代能源储存装置的开发优化能源使用。计划由政府和私人部门共同投资，韩国电力公社(KEPCO)负责执行，KEPCO连同旗下韩国水资源(Korea Water Resources)、韩国地域暖房公社(Korea District Heating)以及韩国东西电力公司(Korea East-West Power Co.)共同投资该项建设计划。投资队伍还包含LG重工、Samsung与SK电信等重工、电信财团。预计需要2.08亿美元资金进行基础设施建设和协调服务，其中有0.56亿美元来自政府部门。

济州岛智慧电网计划主要是在智慧电网、智慧消费、智慧运输、智慧再生能源、智慧电力服务等五个领域推动技术创新，探索新商业模式。此外，韩国与美国阿冈国家实验室、芝加哥大学进行技术合作，预计在济州岛测试后，将在首尔与芝加哥两城导入智慧电网。

五大领域中最受关注的是智慧消费中的“智慧住宅”，可以进行家庭电力使用的可视化、监控、太阳能发电等自然能源有效应用，智慧住宅的关键设备是智能电表、无线传感器设备、住宅监控(In Home Display，IHD)，其中核心设备是IHD，其具备如下功能：①住宅服务器功能。IHD作为服务器，内置硬盘，保存各种数据。同时，每个房间内设置的子机与IHD联网，子机也能够使用实时监控等功能；②实时监控功能。结合智能电表，能够实时监控目前用电量；③目标用电量(Set Target)功能。能够设置每月用电量目标值，超过目标值时能发出“警报”，甚至在超过界限值时能够关闭部分照明、调整冰箱设置温度、无法打开洗衣机、洗碗机开关等，具备多项使用限制的措施，自动对生活没有太大影响的设备进行电力消费的控制；4)剩余电力销售量自动调整。通过太阳能发电，能够自动调整家庭发电的电力剩余部分销售量。采用IHD与智能电表等的智慧住宅未来计划向济州南部地区的普通家庭扩展，计划最终将增加到6 000多个家庭。

4 日本智慧电网发展战略

日本的电力基础设施比较完善，从发电厂到配电网都配备了监控装置和通信网络，已经具备了智慧电网的部分功能。2009年美国提出智慧电网投资计划之后，日本经产省就提出必须根据自身电力系统实际情况提出日本的智慧电网版本。之后由经产省主导，以达到低碳社会发展目标，展开日本“未来电网”规划。

日本智慧电网主要由电力公司与地方联合建设，目标包括在所有家庭安装智能电表(Smart Meter)，还计划加强输变电设施及蓄电装置建设，2020年前相关电力设施投资预计超过100亿美元。

4.1 重点内容是新能源、电池与微电网

由于资源的匮乏和京都协议的限制，日本在智慧电网发展方面更加迫切。当前投资建设的重点在新能源，特别是将太阳能这种发电不稳定的能源，充分开发并保持电网系统稳定。因此在日本的智慧电网技术蓝图中，根据日本企业在智慧电网的技术先进性，选出了7领域26项重要技术作为发展重点，特别强调新能源相关技术、电池三兄弟(太阳能电池、燃料电池以及蓄电池)与克服新能源系统稳定性问题的微电网技术。

在日本，基于新能源及工业技术发展组织(NEDO)已经有多年再生能源并网及微电网研究计划，因此主要由该组织主导来进行智慧电网及微电网的研究计划。在青森(Aomori)的微电网试验计划中，发电系统采用太阳能、风力与生物质能等新能源发电技术，加上燃气发电机与电池系统来控制发电输出，保持电力供需的平衡，而发电所产生的热能亦充分回收利用；此外微电网可与外部系统并联供电，但具有独立的配电专线。

4.2 多方力量合作推进示范区建设

日本在能源与环保相关技术如再生能源、蓄电池、电动车与智慧家电等方面都具有国际领先水平，而智慧电网将是左右这些重点产业未来发展的关键基础建设。因此日本期望能先在国内累积跨产业合作及实践发展经验，以确保商业模式的可行性、加强技术实力以及加快促成智慧电网商业化标准的确立。在2010年由经产省主导，与民间企业共同组成智慧电网社区联盟(Smart Community Alliance)，展开多次官民多方沟通会议，共有包含电力、瓦斯、电机、汽车、IT等领域300多家企业参与。

在示范区建设方面，经产省于2010年4月选出横滨市、丰田市、京都府和北九州市4个城市进行为期5年的智慧电网示范实践计划。京都府京阪奈节能城市项目，利用智能电表开展节能技术实证；横滨市开展智慧家居技术实证；北九州市开展新能源接入技术实证；丰田市开展电动汽车技术实证。为拓展海外市场，日本在美国、印度、中国等国家同时开展智慧电网技术的实证项目。

5 国际经验对中国城市智慧电网建设的启示

由于智慧城市发展尚在摸索阶段，在各国及城市的发展实践中也逐渐暴露出各种问题，但整体而言，发达国家智慧城市发展针对自身问题所进行的聚焦建设，对于我国目前努力推进的智慧城市建设仍然有重要启示。就本文智慧电网的分析对象而言，包括以下几个方面的借鉴。

(1)分析主要问题，明确发展重点。智慧电网是一个综合社会经济发展课题，涉及诸多方面的领域，即使在国家层面(如案例所分析)也是有选择的确定发展重点。从目前看，再生能源发电接入、大规模储能运行、分布式电源及微电网建设、智能电表与供需双向沟通、大电网互联及相关控制技术、电动汽车及充电设施建设为热点领域。

(2)重视社会沟通，进行示范建设。智慧电网涉及社会各层各方面利益，包括供给和需求方，即使在供给方，还包括电力公司、设备制造商、技术研发机构等之间的利益关系。美国因事先教育与沟通不足，在智能电表的换装过程遇上社会群体的抗争；韩国电力公司曾因为智慧电网可能减少销售业绩和开放市场削弱垄断地位，对智慧电网采取消极态度。此外，在技术层面也可能出现不匹配情况，如韩国济州岛示范项目共有168家企业参与，各企业可能采取不同的技术路线，在智能电表部分有的企业采用了电力线载波技术，有的公司则计划采用ZigBee无线通信技术，由此形成软硬件设施对接方面的冲突。因此亟需不同层面的协调沟通，示范建设是重要环节。

(3)避免唯技术论，以战略性新兴产业的观点推进智慧电网建设。智慧电网并不是单纯电力能源应用技术方面的升级，而是一个社会经济全新领域的开发，因此必须以战略性新兴产业的观点推进智慧电网建设。重点是以智慧电网的建设为抓手，带动城市在新能源、新材料、节能减排、新能源汽车、电气装备等产业领域的综合发展，并积极研究相关产业的国际市场开发。

(4)以特大城市智慧电网建设为龙头，组建中国智慧电网建设联盟，制订中国标准。特别基于北京、上海、广州这样具有重要区域地位城市的智慧电网建设，建设中国智慧电网发展的联动平台，形成产业联盟，共同制订基于中国城市发展实际的智慧电网标准。此外，扩大智慧电网产业国际影响范围，积极参与甚至牵头制订相关国际标准。

(5)重视区域市场的开发，寻求区域共建。我国电力运营以国企为主，条状配置的特征明显，因此智慧电网建设将是电力公司主导、IT等高科技公司提供技术支持的模式为主。在这样背景下，我国智慧电网的建设不会以单个城市为基本组织单元，从组织运营角度而言，以区域组织建设更容易体现弹性和产生效益。因此城市在组织智慧电网建设的同时，必须要同时考虑区域智慧电网体系，这样亦能扩大市场，推进区域利益共享。

(本文编辑：严 加)

Strategic points of International Smart Grid Construction and Its Inspiration to China

ZHANG Jidong, LI Jian

(Institute for Urban and Demographic Development, Shanghai Academy of Social Sciences, Shanghai 200020, China)

Smart city construction is not the same all over the world, but has special emphasis based on their own circumstances and problems. In particular, smart grid construction varies in different areas in terms of the project content and target. For example, the United States works hard to promote smart grid standards; Europe mainly works on innovation of new energy development, distributed power supply, etc.; South Korea makes emerging industry as its orientation, focusing on developing smart meters and electric vehicles; smart grid construction in Japan focuses on new energy, battery and micro grid. Finally, this paper summarizes the experiences and lessons of smart grid construction in the above countries, as well as the inspiration to Chinese cities.

smart grid; development trend; strategic point

10.11973/dlyny201702002

张季东(1978—)，女，硕士，工程师，从事互联网+、智慧城市等领域的研究。

TM76

B

2095-1256(2017)02-0096-06

2017-03-25