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(fù)雜，大部分電力來(lái)源于本地和區(qū)域電網(wǎng)間的互聯(lián)來(lái)集中發(fā)電。從概念上來(lái)看，每張電網(wǎng)都相當(dāng)于一個(gè)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(fèi)電力。但這個(gè)基本模式無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著改變。

當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，或者說(shuō)至少就我們能預(yù)見的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，很有可能將在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)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(gòu)成的遺留電網(wǎng)會(huì)持續(xù)影響電網(wǎng)的發(fā)展。相對(duì)目前，未來(lái)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(yīng)對(duì)未來(lái)數(shù)十年面臨的挑戰(zhàn)。

基于這種情況，要預(yù)測(cè)出某個(gè)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(wú)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(bǔ)充形式；電力流向?qū)膯蜗蜃優(yōu)殡p向；輸電和配電系統(tǒng)可根據(jù)時(shí)間和地點(diǎn)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(chǔ)備和交互市場(chǎng)的發(fā)展，終端用戶將可能同時(shí)扮演電力生產(chǎn)者和消費(fèi)者的角色。未來(lái)的電網(wǎng)將變成具交互性、高度整合和智能化的網(wǎng)絡(luò)，令電力生產(chǎn)、輸送和使用變得更能動(dòng)、更高效。

讓我們?cè)賮?lái)看看上述具變革意義的技術(shù)發(fā)展如何運(yùn)用在北美的電網(wǎng)環(huán)境。在美國(guó)和加拿大人口密集的城市中心，過(guò)去的基礎(chǔ)設(shè)施投資水平以及電網(wǎng)本身的稠密程度均需要漸進(jìn)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(yuǎn)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(jī)發(fā)電，今后將發(fā)展可再生能源分布式發(fā)電、儲(chǔ)能和需求響應(yīng)綜合系統(tǒng)，為偏遠(yuǎn)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(yáng)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(diǎn)增加相適應(yīng)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(gè)因素。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，不同的解決方式應(yīng)用于不同的挑戰(zhàn)。一些人們認(rèn)為可帶來(lái)巨大利益的技術(shù)，在實(shí)施過(guò)程中可能遇到阻礙；而一些意外發(fā)展卻會(huì)帶來(lái)意想不到的收獲。這就是所謂的技術(shù)推動(dòng)力。而其反面—政策--是可能影響電網(wǎng)發(fā)展方向的一個(gè)最大因素，因?yàn)楦鲊?guó)為達(dá)到各自特定的發(fā)展目標(biāo)，會(huì)以不同方式來(lái)使用這些技術(shù)。

如果上述對(duì)北美電網(wǎng)的描述多少讓人感到疑惑，這是對(duì)未知未來(lái)的自然反應(yīng)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)及其五大技術(shù)分會(huì)基于其多年來(lái)對(duì)當(dāng)前和未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的推動(dòng)力和技術(shù)進(jìn)行的系統(tǒng)化評(píng)估，針對(duì)電力、計(jì)算機(jī)處理、通信、控制系統(tǒng)和汽車技術(shù)等五大領(lǐng)域，制定了全球展望、路線圖和參考模式，對(duì)直至2050年的數(shù)十年內(nèi)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。

IEEE中國(guó)代表處首席代表/中國(guó)區(qū)總監(jiān)華寧

在此我將以電力為例談?wù)勎覀兪侨绾慰朔@一挑戰(zhàn)，以及在研究北美地區(qū)發(fā)展過(guò)程中獲得的成果。

指引展望的方向

我們?cè)谡雇?050年電力發(fā)展的過(guò)程中會(huì)受到一系列因素的影響。根據(jù)聯(lián)合國(guó)的預(yù)測(cè)，到2050年世界人口將增加1/3達(dá)到96億。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，未來(lái)37年內(nèi)，隨著全球電子化程度日益加深，對(duì)電力的需求將達(dá)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(duì)人類活動(dòng)作出的三種預(yù)測(cè)，其導(dǎo)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(shè)我們采取了一切措施實(shí)施可持續(xù)能源政策來(lái)緩解氣候變暖，那么預(yù)計(jì)能達(dá)到最好的結(jié)果為平均氣溫上升2度。在此基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)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(jī)制以應(yīng)對(duì)極嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

基于目前現(xiàn)有的和新興的技術(shù)及實(shí)踐，我們采用案例、應(yīng)用場(chǎng)景及其他方式來(lái)確保我們的短期迭代的研究是基于現(xiàn)實(shí)的情況。例如，由于電網(wǎng)的能動(dòng)和互動(dòng)程度日益加深，我們著手研究了電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)和監(jiān)控方面的實(shí)際需求。2050年聽來(lái)很遙遠(yuǎn)，但實(shí)際上只剩下傳統(tǒng)“大鐵箱”的一個(gè)使用周期了。但隨著計(jì)算機(jī)處理和通信領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，部分硬件和軟件的使用壽命會(huì)大大縮短，這也會(huì)同時(shí)加速其發(fā)展速度。

與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)相互協(xié)作、跨學(xué)科、全面的思維和團(tuán)隊(duì)精神的必要性。昨天的工作方式已不再適用于未來(lái)。另一方面，已經(jīng)取得進(jìn)展的工作在很大程度上要得益于相互協(xié)作，比如標(biāo)準(zhǔn)的制定流程，當(dāng)務(wù)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)“靈活性”是一個(gè)根本性需求。我們需要概念上的靈活性，來(lái)設(shè)想和實(shí)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(shí)現(xiàn)互操作性和“即插即用”功能。另外，對(duì)未來(lái)的所有設(shè)想都必須具備靈活性特點(diǎn)，因?yàn)槲覀儧](méi)法預(yù)料哪項(xiàng)技術(shù)的成果將超出預(yù)期，哪項(xiàng)會(huì)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(lái)表述，這符合我們對(duì)未來(lái)更互動(dòng)、更去分布式電網(wǎng)所必須具備的靈活性特點(diǎn)的設(shè)想。

盡管我們非常想描繪出更具體的未來(lái)趨勢(shì)，但我們的水晶球卻不能預(yù)測(cè)指示性的未來(lái)。在為今后數(shù)十年制定發(fā)展規(guī)劃時(shí)，必須將各種推動(dòng)力、假設(shè)條件、已知的和新興技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，以及不確定的環(huán)境已知變量，當(dāng)然更不用說(shuō)各種未知因素來(lái)作為我們進(jìn)行反復(fù)推敲思考的指導(dǎo)。

事實(shí)上，根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)愿景文件的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，依據(jù)配套路線圖和參考模式的實(shí)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(shí)方向。

挑戰(zhàn)帶動(dòng)投資

在每份愿景文件的技術(shù)討論部分后，我們都會(huì)就技術(shù)差距和不足之處即未來(lái)的主要挑戰(zhàn)進(jìn)行評(píng)述，以此為專業(yè)學(xué)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(nèi)容，以及可能具投資回報(bào)價(jià)值的創(chuàng)新領(lǐng)域。

任何相關(guān)人士都可將這些文件與他們各自固有的目標(biāo)相結(jié)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(chǎng)預(yù)期的觀點(diǎn)。

在明確了未來(lái)將面臨的挑戰(zhàn)后，我們已為創(chuàng)造一個(gè)強(qiáng)健的全球市場(chǎng)所需的技術(shù)創(chuàng)新和投資奠定了基礎(chǔ)。這個(gè)未來(lái)市場(chǎng)將為我們帶來(lái)更多資源，并由此獲得更多解決方案。2050年將比你想象的來(lái)的更快。

2012年電網(wǎng)和2050年展望

左側(cè)圖表題為“2012年電網(wǎng)”，描繪了我們所知的現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。“生產(chǎn)”、“輸送”和“使用”在很大程度上是相互獨(dú)立的功能，且電流方向?yàn)閱雾?xiàng)。右方的圖標(biāo)是我們所熟知的發(fā)電、輸電、配電和終端使用的方式。右側(cè)圖表題為“2050年電網(wǎng)展望”，預(yù)測(cè)了一個(gè)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(shí)，一個(gè)單一實(shí)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(biāo)描繪了未來(lái)電力系統(tǒng)的多種實(shí)現(xiàn)形式。要注意的是我們須設(shè)計(jì)一個(gè)具更高整合度、分布式的電力系統(tǒng)范例，能實(shí)現(xiàn)操作靈活性，以適應(yīng)過(guò)多數(shù)量的可變因素。

作者簡(jiǎn)介

華寧是IEEE中國(guó)代表處首席代表，中國(guó)區(qū)總監(jiān)。目前,他負(fù)責(zé)IEEE在中國(guó)活動(dòng)的策劃，組織和管理的工作；負(fù)責(zé)發(fā)展同中國(guó)政府，企業(yè)和學(xué)術(shù)界的交流與合作；負(fù)責(zé)在新興市場(chǎng)國(guó)家，特別是在中國(guó)，尋求和發(fā)展IEEE新的機(jī)會(huì)和增長(zhǎng)點(diǎn)；維護(hù)和發(fā)展IEEE在中國(guó)企業(yè)和學(xué)術(shù)界中的知名度和形象；推廣IEEE的產(chǎn)品和服務(wù)。