智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)邁向商用化

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的智能電網(wǎng)概念模型涉及多個(gè)“領(lǐng)域”之內(nèi)和之間的控制和通信。這些領(lǐng)域包括消費(fèi)者、服務(wù)提供商、市場(chǎng)、輸電、配電、運(yùn)營(yíng)和大規(guī)模集中發(fā)電。每種控制和通信接口都為電子工程師提供了新的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。

就大眾媒體的理解而言，智能電網(wǎng)主要見(jiàn)于“智能電表”，比如這種電表能讓電力公司關(guān)掉消費(fèi)者的干衣機(jī)。但事實(shí)上智能電網(wǎng)正面臨三項(xiàng)挑戰(zhàn)：目前相當(dāng)脆弱的電網(wǎng)急需修復(fù)；不管哪里如果想建新的發(fā)電廠或鋪設(shè)電力線，準(zhǔn)有許多人出來(lái)強(qiáng)烈反對(duì)；電能是一種商品，需要像商品一樣交易。

更進(jìn)一步的因素是，歐盟、中國(guó)和美國(guó)政府正向智能電網(wǎng)投資數(shù)十億的歐元、人民幣和美元，用于研發(fā)目前還不存在，或者以上百種不同形式存在而缺乏互操作性必須加以協(xié)調(diào)的技術(shù)。因此技術(shù)專家有著很好的機(jī)會(huì)去開(kāi)發(fā)這些技術(shù)，并得到豐厚的回報(bào)。

研究這些技術(shù)有助于理解現(xiàn)在大家都在討論的話題。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院、IEEE能源工程協(xié)會(huì)(PES)和數(shù)百家公司一直致力于制定智能電網(wǎng)方面的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)將用來(lái)指導(dǎo)工程師設(shè)計(jì)比電表更高級(jí)的真正的智能電網(wǎng)產(chǎn)品。事實(shí)上，智能電網(wǎng)的需求大部分存在于信息技術(shù)領(lǐng)域：包括有線和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)視、控制和信息處理。

本文提到的大部分信息來(lái)自145頁(yè)的“NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards， Release 1.0”，這是今年1月19日在美國(guó)馬里蘭州Gaithersburg市IEEE/NIST聯(lián)合舉辦的創(chuàng)新智能電網(wǎng)技術(shù)會(huì)議上發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。雖然這次會(huì)議的計(jì)劃在2009年10月份才啟動(dòng)(參見(jiàn)“IEEE And NIST Smart Grid Conference Hits The Ground Running”)，但這次會(huì)議還是吸引了約700位與會(huì)者參加為期三天的討論會(huì)和技術(shù)專題會(huì)議。

正如NIST和其它參與者正在開(kāi)發(fā)的路線圖中列出的25個(gè)最重要標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表)表明的那樣，通信已經(jīng)滲透到了智能電網(wǎng)的各個(gè)方面。這份列表主要偏重于信息技術(shù)和信息安全。

概念模型

為了方便討論智能電網(wǎng)，在報(bào)告中和其它地方詳細(xì)給出的“概念模型”從各個(gè)領(lǐng)域(用戶、市場(chǎng)、服務(wù)提供商、運(yùn)營(yíng)、大規(guī)模集中發(fā)電、輸電和配電)描述了智能電網(wǎng)。該模型還引用了參與者、應(yīng)用、關(guān)聯(lián)(邏輯連接)和互連(物理連接)。注意其中用到的“參與者”一詞，因?yàn)樗ǔＶ该髁诵枰O(shè)計(jì)的硬件部分。

圖1：智能電網(wǎng)的基本概念模型。

表述智能電網(wǎng)概念模型的方法通常是依據(jù)領(lǐng)域分層表述，從用戶開(kāi)始，往后回溯到大規(guī)模集中發(fā)電、輸電和發(fā)電。有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的總體領(lǐng)域布局(圖1) (還有代表每個(gè)領(lǐng)域的其它圖)，但這張圖沒(méi)有展示各領(lǐng)域間的依賴關(guān)系。另外一張圖則表明了智能電網(wǎng)交互(圖 2)的復(fù)雜性，雖然它繁冗得讓人倍感頭痛。

為突出智能電網(wǎng)的革命性變化，接下來(lái)將不按各個(gè)領(lǐng)域通常的順序來(lái)解釋，重點(diǎn)放在運(yùn)營(yíng)考慮的財(cái)務(wù)事項(xiàng)上面，也即意味著從市場(chǎng)開(kāi)始。

市場(chǎng)領(lǐng)域

雖然不是所有人都同意，但市場(chǎng)領(lǐng)域確實(shí)是使智能電網(wǎng)具有智能的地方。這是一個(gè)商品交易場(chǎng)所，電能和電能期貨在這里進(jìn)行買賣。(例如unlamented Enron公司現(xiàn)在就開(kāi)展這種業(yè)務(wù)，但不是實(shí)時(shí)的。)

市場(chǎng)領(lǐng)域中的參與者交易價(jià)格，并平衡電力系統(tǒng)中的供需關(guān)系。市場(chǎng)領(lǐng)域的分界包括運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域、發(fā)電并提供電能給消費(fèi)者(發(fā)電、輸電等)的供電領(lǐng)域以及用戶領(lǐng)域的邊界。

制定電能價(jià)格這個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的功能使得智能電網(wǎng)超越了跨地區(qū)工業(yè)控制系統(tǒng)這樣一個(gè)“簡(jiǎn)單的”角色。其財(cái)務(wù)成份使得它在通信方面必須具有可追溯性和可審計(jì)性。通信功能必須支持電子商務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，以獲得完整性并得到公眾的認(rèn)可。

這是一個(gè)發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。隨著小型分布式能源(DER)提供的能量比重增加，與這些資源通信所允許的時(shí)延必須縮短。

NIST的報(bào)告指出，“市場(chǎng)領(lǐng)域中的高優(yōu)先級(jí)挑戰(zhàn)包括：價(jià)格和DER信號(hào)延伸到每個(gè)用戶子領(lǐng)域；市場(chǎng)規(guī)則的簡(jiǎn)化；擴(kuò)展集成商的能力；市場(chǎng)信息的所有供應(yīng)商和消費(fèi)者之間的互操作性；管理能源零售和批發(fā)的增長(zhǎng)(和調(diào)節(jié))；貫穿整個(gè)市場(chǎng)和用戶領(lǐng)域以及他們相互之間不斷演變的價(jià)格與能源特性通信機(jī)制。

根據(jù)NIST報(bào)告中的定義，市場(chǎng)領(lǐng)域的參與者由市場(chǎng)管理者、零售商、集成商和貿(mào)易商組成。市場(chǎng)管理者包括批發(fā)市場(chǎng)中的獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(ISO)，或期貨市場(chǎng)中的紐約和芝加哥商品交易所(NYMEX/CME)。還有輸電、服務(wù)、需求響應(yīng)市場(chǎng)以及基本電力市場(chǎng)。

“零售商將電能出售給最終用戶，未來(lái)也許還能在用戶之間集成或買賣DER(作為中間人)，或?qū)⑺鼈兺葡蚴袌?chǎng)。大多數(shù)零售商與貿(mào)易組織相關(guān)聯(lián)，從使其能參與批發(fā)市場(chǎng)?！眻?bào)告指出。

“集成商將較小的參與者(如供應(yīng)商、用戶或節(jié)能公司)整合起來(lái)，以使分布式資源也能進(jìn)入大型市場(chǎng)?！眻?bào)告繼續(xù)表示，“貿(mào)易商也是市場(chǎng)的參與者，包括從事部署、消費(fèi)和節(jié)能的集成商以及其它有資格的實(shí)體。有許多公司的主要業(yè)務(wù)就是購(gòu)買和銷售能源?！?/FONT>