2050年北美電網(wǎng)展望：發(fā)電站不再是系統(tǒng)的“必要中心”

如今的“北美電網(wǎng)”異常復雜，大部分電力來源于本地和區(qū)域電網(wǎng)間的互聯(lián)來集中發(fā)電。從概念上來看，每張電網(wǎng)都相當于一個車輪：車軸發(fā)電，輸電和配電網(wǎng)形成輻條向外延伸，而終端用戶則在輻條末端消費電力。但這個基本模式無時無刻不在發(fā)生著改變。

當前的發(fā)展趨勢，或者說至少就我們能預見的趨勢來說，很有可能將在未來數(shù)十年內演變出一種截然不同的電網(wǎng)模式。而由北美電網(wǎng)以及眾多本地資源構成的遺留電網(wǎng)會持續(xù)影響電網(wǎng)的發(fā)展。相對目前，未來電網(wǎng)能源將更多元化，我們將掌握更多資源，獲得更多解決方案，可應對未來數(shù)十年面臨的挑戰(zhàn)。

基于這種情況，要預測出某個特定成果或許不易，但可以確定的是一些因科技發(fā)展形成的變化將無處不在。許多情況下，集中式發(fā)電將僅是分布式發(fā)電的補充形式;電力流向將從單向變?yōu)殡p向;輸電和配電系統(tǒng)可根據(jù)時間和地點不同，開啟通電和斷電;分布式智能也可弱化系統(tǒng)間存在的顯著區(qū)別。由于分布式發(fā)電、能源儲備和交互市場的發(fā)展，終端用戶將可能同時扮演電力生產(chǎn)者和消費者的角色。未來的電網(wǎng)將變成具交互性、高度整合和智能化的網(wǎng)絡，令電力生產(chǎn)、輸送和使用變得更能動、更高效。

讓我們再來看看上述具變革意義的技術發(fā)展如何運用在北美的電網(wǎng)環(huán)境。在美國和加拿大人口密集的城市中心，過去的基礎設施投資水平以及電網(wǎng)本身的稠密程度均需要漸進式分階段地向現(xiàn)代化電網(wǎng)發(fā)展。最重大的變化將涉及分布式發(fā)電、微電網(wǎng)甚至納米電網(wǎng)，以用戶為前提提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。在加拿大偏遠地區(qū)和阿拉斯加州，目前采用的微電網(wǎng)多為柴油發(fā)電機發(fā)電，今后將發(fā)展可再生能源分布式發(fā)電、儲能和需求響應綜合系統(tǒng)，為偏遠地區(qū)提供更穩(wěn)定的電力環(huán)境。擁有豐富水利發(fā)電資源的地區(qū)與陽光充足的沙漠地帶將形成不同的發(fā)展道路，還將根據(jù)區(qū)域具體特點增加相適應的分布式發(fā)電。

接下再看看可變的因素，其中最主要的是上文已經(jīng)提到的遺留系統(tǒng)、地理位置和本地資源這三個因素。長遠來說，不同的解決方式應用于不同的挑戰(zhàn)。一些人們認為可帶來巨大利益的技術，在實施過程中可能遇到阻礙;而一些意外發(fā)展卻會帶來意想不到的收獲。這就是所謂的技術推動力。而其反面—政策--是可能影響電網(wǎng)發(fā)展方向的一個最大因素，因為各國為達到各自特定的發(fā)展目標，會以不同方式來使用這些技術。

如果上述對北美電網(wǎng)的描述多少讓人感到疑惑，這是對未知未來的自然反應。IEEE標準協(xié)會及其五大技術分會基于其多年來對當前和未來電網(wǎng)發(fā)展的推動力和技術進行的系統(tǒng)化評估，針對電力、計算機處理、通信、控制系統(tǒng)和汽車技術等五大領域，制定了全球展望、路線圖和參考模式，對直至2050年的數(shù)十年內的未來發(fā)展趨勢進行了分析和預測。

IEEE中國代表處首席代表/中國區(qū)總監(jiān)華寧

在此我將以電力為例談談我們是如何克服這一挑戰(zhàn)，以及在研究北美地區(qū)發(fā)展過程中獲得的成果。

指引展望的方向

我們在展望2050年電力發(fā)展的過程中會受到一系列因素的影響。根據(jù)聯(lián)合國的預測，到2050年世界人口將增加1/3達到96億。根據(jù)國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)，未來37年內，隨著全球電子化程度日益加深，對電力的需求將達到目前水平的兩倍。另外，有限規(guī)模的化石燃料將在很大程度上被可再生燃料取代。根據(jù) IEA對人類活動作出的三種預測，其導致的氣候變化將分別使地球平均氣溫上升2度、4度甚至6度。

假設我們采取了一切措施實施可持續(xù)能源政策來緩解氣候變暖，那么預計能達到最好的結果為平均氣溫上升2度。在此基礎上，預計到2050年全球電力的需求總量將翻一翻。因此，我們亟需各類防范機制以應對極嚴峻的挑戰(zhàn)。

基于目前現(xiàn)有的和新興的技術及實踐，我們采用案例、應用場景及其他方式來確保我們的短期迭代的研究是基于現(xiàn)實的情況。例如，由于電網(wǎng)的能動和互動程度日益加深，我們著手研究了電網(wǎng)運營和監(jiān)控方面的實際需求。2050年聽來很遙遠，但實際上只剩下傳統(tǒng)“大鐵箱”的一個使用周期了。但隨著計算機處理和通信領域的技術發(fā)展，部分硬件和軟件的使用壽命會大大縮短，這也會同時加速其發(fā)展速度。

與此同時，我們發(fā)現(xiàn)相互協(xié)作、跨學科、全面的思維和團隊精神的必要性。昨天的工作方式已不再適用于未來。另一方面，已經(jīng)取得進展的工作在很大程度上要得益于相互協(xié)作，比如標準的制定流程，當務之急最需要做的是不斷地完善這些發(fā)現(xiàn)。

需要：靈活的思維方式

在我們研究未來發(fā)展趨勢的過程中，發(fā)現(xiàn)“靈活性”是一個根本性需求。我們需要概念上的靈活性，來設想和實施最佳、最具成本效益的解決方案。我們需要操作上的靈活性，以真正實現(xiàn)互操作性和“即插即用”功能。另外，對未來的所有設想都必須具備靈活性特點，因為我們沒法預料哪項技術的成果將超出預期，哪項會遭遇障礙，或哪些因素最具影響力。

在概念意義上，我們將“發(fā)電”、“輸電和配電”以及“終端使用”用更廣義的“生產(chǎn)”、“輸送”和“使用”來表述，這符合我們對未來更互動、更去分布式電網(wǎng)所必須具備的靈活性特點的設想。

盡管我們非常想描繪出更具體的未來趨勢，但我們的水晶球卻不能預測指示性的未來。在為今后數(shù)十年制定發(fā)展規(guī)劃時，必須將各種推動力、假設條件、已知的和新興技術及標準，以及不確定的環(huán)境已知變量，當然更不用說各種未知因素來作為我們進行反復推敲思考的指導。

事實上，根據(jù)IEEE標準協(xié)會愿景文件的結構和內容，依據(jù)配套路線圖和參考模式的實用意義，各界研究人員、產(chǎn)品開發(fā)人員和投資人將能夠從中找到下一步發(fā)展的切實方向。

挑戰(zhàn)帶動投資

在每份愿景文件的技術討論部分后，我們都會就技術差距和不足之處即未來的主要挑戰(zhàn)進行評述，以此為專業(yè)學者、研究人員、產(chǎn)品開發(fā)人員和投資人指明方向，指出所需的工作內容，以及可能具投資回報價值的創(chuàng)新領域。

任何相關人士都可將這些文件與他們各自固有的目標相結合，并形成可能影響他們研發(fā)投資、產(chǎn)品開發(fā)周期和市場預期的觀點。

在明確了未來將面臨的挑戰(zhàn)后，我們已為創(chuàng)造一個強健的全球市場所需的技術創(chuàng)新和投資奠定了基礎。這個未來市場將為我們帶來更多資源，并由此獲得更多解決方案。2050年將比你想象的來的更快。

2012年電網(wǎng)和2050年展望

左側圖表題為“2012年電網(wǎng)”，描繪了我們所知的現(xiàn)有電網(wǎng)結構。“生產(chǎn)”、“輸送”和“使用”在很大程度上是相互獨立的功能，且電流方向為單項。右方的圖標是我們所熟知的發(fā)電、輸電、配電和終端使用的方式。右側圖表題為“2050年電網(wǎng)展望”，預測了一個更整合、分布式的電網(wǎng)和電力系統(tǒng)，其中“生產(chǎn)”、 “輸送”和“使用”功能不再相互隔離，電流也將突破單一流向。到那時，一個單一實體就能生產(chǎn)、輸送和使用電力，而大型發(fā)電站也可能不再是系統(tǒng)的“必要中心”。右方的大量圖標描繪了未來電力系統(tǒng)的多種實現(xiàn)形式。要注意的是我們須設計一個具更高整合度、分布式的電力系統(tǒng)范例，能實現(xiàn)操作靈活性，以適應過多數(shù)量的可變因素。

作者簡介

華寧是IEEE中國代表處首席代表，中國區(qū)總監(jiān)。目前,他負責 IEEE在中國活動的策劃，組織和管理的工作;負責發(fā)展同中國政府，企業(yè)和學術界的交流與合作;負責在新興市場國家，特別是在中國，尋求和發(fā)展IEEE新的機會和增長點;維護和發(fā)展IEEE在中國企業(yè)和學術界中的知名度和形象;推廣IEEE的產(chǎn)品和服務。