從智能電網的發展看基于物聯網的基礎設施智能化

廖小偉 廖毅敏

從智能電網的發展看基于物聯網的基礎設施智能化

廖小偉 廖毅敏

在經歷了金融危機的劇烈沖擊后，世界經濟已進入緩慢復蘇的軌道。然而日本關東大地震、國際政治格局的新動蕩令全球經濟復蘇的前景更趨曲折，國際金融體系的修復面臨更多不確定性。為應對金融危機對實體經濟的影響，一些主要國家都把爭奪經濟、科技制高點作為戰略重點，大力關注對國民經濟和國家安全具有重大影響力的戰略性新興產業的培育，并作為尋找新一輪經濟增長的動力。

以物聯網為代表的新一代信息通信技術正引領著全球新一輪信息科技革命的浪潮。在智能電網、智能交通、智能物流、智能家居、環境保護、工業自動控制、醫療衛生、精準農牧業、金融服務業、公共安全、國防軍事等領域，已形成了許許多多物聯網應用的典型范例。特別是電網、交通、水利等關系國計民生的關鍵基礎設施，只有建立在信息通信技術應用的基礎之上，才能確保其安全高效、穩定運行和質優價廉，才能實現性能最佳、配置最優、響應最快的穩健運行。

以物聯網為代表的新技術與基礎設施的智能化改造

2009年以來，IBM所提出的“智慧地球”概念已上升為美國的國家理念。該戰略理念認為，IT業下一階段的任務是把新一代IT技術充分運用在各行各業之中，尤其是把傳感器嵌入和裝備到電網、鐵路、公路、供水系統、油氣管道、大壩、建筑等各種物體中，在普遍連接之間形成“物聯網”。之后，歐盟、日本等也相繼提出基礎設施智能化改造相關的物聯網行動計劃或國家戰略，以達到改善整體社會的生活質量、促進產業發展等多重目標。

目前，從全球來看，基礎設施智能化改造相對成熟的領域集中在電網、水利等方面。隨著全球氣候變化和能源安全供應問題日益嚴峻，智能電網引起了各國政府的普遍重視。例如，美國奧巴馬政府在其應對金融危機、拉動經濟復蘇的一攬子計劃中，投入超過百億美元的電網智能化改造被認為是美國能源發展戰略的重心。通過智能電網及相關產業發展，美國期望降低能源對外依存度、節約能源投資，并再次主導全球技術與經濟的制高點。除美國以外，日本、英國、法國、德國、韓國等都已提出或即將提出智能電網建設計劃。從圖1可以看出，各國正在著手強化電網基礎設施改造，電網智能化發展已成為全球發達國家共識。

在水利智能化改造方面，各種傳感探測器的安裝與應用，給各國的水利治理帶來了巨大的經濟和社會效益。例如，美國加州的水源監視系統，用傳感器監視當地的所有水源系統、輸水管道系統，可隨時對輸水管道的破裂和斷裂進行警示，以便加快維修進度，提高水源與輸水管道系統的應急抗災能力。由歐盟的13個國家資助建設的洪水易發地區緊急事件應對與遠程信息處理項目，旨在建立一套綜合的、可操作的智能系統，主要處理城市洪水應急事件，該系統結合遠程通信技術和氣象、水文專業技術等，可以管理遙測獲得的信息，并將信息和相關統計數據輸入處理，以預測洪水情況，支撐洪水防御機構進行應急決策和處理。

在其他基礎設施智能化改造方面，例如城市供水管理，也取得了良好的進展。2010年，以色列研究人員開發出了管道智能監測系統，并用于對城市供水系統 的監測，可有效減少水管滲漏或斷裂，其中的智能水表系統也隨著現代計量技術、傳感技術和信息網絡技術以及社會化需求的發展而不斷普及應用，極大地提升了對 城市供水需求側的管理能力。

全球智能電網發展最新走向

隨著安全高效的電力供應、清潔環保的能源需求、能源短缺和可持續發展問題的凸顯，智能電網已經成為當今全球電力行業發展的共識。智能電網利用現代信息通信、控制技術，提升電網的智能化水平，適應接納新能源電力、滿足雙向互動等電網服務需求，提供可靠的電力供應。作為電力技術和信息技術的高度融合應用，國外主要發達國家為搶占技術和產業制高點、創造新的經濟增長點，先后出臺了發展智能電網的重大國家戰略。

世界主要發達國家智能電網建設計劃

美國制定智能電網發展戰略框架，加大現有電網基礎設施投入

2017年7月以來，按照中央環保督察反饋意見和整改方案，湖南省委書記、省長先后21次主持召開與中央環保督察整改工作有關的會議，9次深入整改一線調研督導，20次對環保督察整改工作做出批示，督促地方加快解決突出環境問題。各地堅持高位推進，集中資源，倒排工期，全力推進整改攻堅，加快解決了一批長期未得到有效解決的突出問題。

美國戰略框架：從遠景規劃到立法為國策

2003年美國能源部頒布的《電網2030規劃》（Grid2030）提出了美國智能電網的遠景規劃，即一個完全自動化的電力傳輸網絡，能夠監視和控制每個用戶和電網節點，保證從電廠到終端用戶整個輸配電過程中所有節點之間的信息和電能的雙向流動，實現分布式智能、寬帶通信和自動化控制，提供用戶和電網之間實時交易和無縫接口。

2007年12月美國國會頒布了《能源獨立與安全法案2007》（EISA2007），用法律形式確立了智能電網的國策地位。法案中要求利用信息通信和控制技術提高電網可靠性、安全性和效率，強調信息安全，支持動態優化電網的運行和資源，支持分布式能源、可再生能源的接入和一體化運行，挖掘和利用需求側響應和需求側資源，開發實時自動交互的智能技術用于電網運行和狀態有關的測量、通信和自動化，支持混合動力汽車等先進的電能存儲和移峰技術的采用。EISA2007法案還授權美國標準與技術研究院（NIST）牽頭制定智能電網互操作框架標準，促進智能電網產業化規模化發展，同時，還明確規定了智能電網實施過程中的定期報告、組織形式、技術研究、示范工程、政府資助、協調合作框架、各州職責、及智能電網安全性等問題。

美國政府投資促進智能電網快速進入實施階段

2009年2月美國國會頒布了《復蘇與再投資法案2009》（ARRA2009），美國智能電網建設正式進入到緊鑼密鼓的實施階段。奧巴馬政府宣稱將鋪設或更新3000英里輸電線路，在未來三年內為美國家庭安裝4000萬個智能電表。

根據ARRA209，美國政府在今后2-3年期間投資電網的經費為110億美元，其中能源部的電力傳輸與能源可靠性辦公室（OE）獲得45億美元，用于推動智能電網發展；能源部的BPA電力局和WAPA電力局各獲得32.5億美元的國庫借款，用于加強電網基礎設施，尤其是新建線路，以滿足可再生能源并網的需求；將智能電網項目配套資金由2007年的20%提高到50%。OE的45億美元中，有34億美元用于智能電網項目資助計劃，6.15億美元用于示范工程建設。美國能源部確定了三個智能電網示范領域并開始示范工程建設，包括智能電網地區示范、電網公用事業規模儲能示范、電網用電監控和聯網示范。2009年11月能源部宣布了所有入選的32項示范工程，帶動私有部門投資超過10億美元。

目前，美國政府已經在多個州開始設計并部署智能電網。2008年8月，美國科羅拉多州的波爾得（Boulder）完成了智能電網的第一期工程，成為全美第一個智能電網城市，2009年9月美國Xcel能源公司完成了該市所有智能電網基礎設施和主要軟件系統的建設，目前已進入商業運營階段。通用（GE）、Xcel、IBM、西門子、谷歌、英特爾、思科等企業都積極加入并展開激烈的競爭。IBM將自己的軟件和服務器應用到智能電網系統之中，參與各地的智能電網建設。思科主攻連接計量器、轉化器、數字化電站、發電廠之間的網絡系統。通用生產計量器和部分軟件，并成功發起和制定了電動汽車插頭標準，該插頭有5個觸頭，可以支持最高240V電壓和70A電流，還能夠支持電力載波通信。谷歌2009年2月已開發成功利用電表節約電費的應用軟件PowerMeter，并在員工家庭試用。新能源產業有望創造43000個就業崗位，是拉動未來美國經濟的重要支柱之一。

歐洲制定超級智能電網戰略框架研究風電并網和需求側管理

歐洲智能電網名為超級智能電網（Super Smart Grid），主要基于分布式能源系統和可再生能源的基礎大規模利用，將廣域電力傳輸網絡與智能電網結合起來的廣域智能網絡。歐盟陸續發布了歐洲未來電網的愿景與戰略、戰略性研究計劃、戰略性部署文件，構成歐盟的智能電網發展戰略框架。歐盟提出發展跨越歐洲、北非、中東等國家和地區的超級電網，充分利用潛力巨大的北非沙漠太陽能和風能等可再生資源，完善未來的歐洲能源系統，滿足風能、太陽能和生物物質能等可再生能源快速發展的需要。目前歐洲各國的近中期智能電網建設的主要側重于研究和解決電網對風電尤其是大規模海上風電的接納、分布式電源并網和加強需求側管理。從中長期來看，歐盟國家必須依靠遠距離大容量輸電所實現大規模可再生能源在更大范圍內的優化配置。

歐洲智能電網近中期發展重點：智能電表和分布式能源并網

目前歐洲主要國家在現有電網的基礎上進行分布式電網的研究和建設，歐洲在智能電表、風電與太陽能發電并網的研發和應用進展顯著，許多國家已經邁向電網全面自動化。歐盟組建了智能電網技術平臺，通過建立相應的組織機構來保證活動的組織和研究的推進。意大利和瑞典已部署智能電表，意大利半數以上的傳統電表已經改換為智能電表。丹麥的電網系統中包括了近20%的風力發電。英國進行了適應風流發電等可再生能源的智能電表等相關實驗，目標是2020年在全國所有2600萬個家庭安裝智能電表。法國、西班牙、德國和英國預計在未來10年內完成智能電表部署，到2020年，可再生能源在歐盟能源供應系統中的比例達到20%。

在政府投入方面，英國在2009年8月宣布了新的智能電網建設計劃，將在5年內投資5億英鎊建設4個智能電網城市。德國政府在2008年啟動了制定了“E-Energy”示范工程計劃，總投資14億歐元，目前已經確定2009年至2012年在全國6個地點進行智能電網示范。丹麥啟動了EDISON示范項目，主要研究智能電網對大過膜分布式風電和電動汽車的基礎，丹麥電網公司Energinet對項目進行了資助，IBM和西門子公司也參與了項目建設。

歐洲智能電網中長期發展重點：遠距離大容量輸電網架

由于海上風電中心、北非沙漠太陽能和風能基本都遠離負荷中心，歐洲重視跨國和跨區域的電網互聯問題，將遠距離大容量輸電網架提上了議程，推動大規模 可再生能源進一步發展和應用。預計到2020年，德國和英國的海上風電裝機容量將分別達到1000萬和2500萬kW。德國政府為解決當前電網制約可再生能源發展和電網可靠性下降的問題，與2009年8月頒布電網擴張法案，英國政府在2009年7月發布了“英國低碳轉型計劃”的戰略報告，指出要建設一個更強大、更智能的電網。英國、德國、法國、比利時、荷蘭、盧森堡、丹麥、瑞典、愛爾蘭等歐洲9國希望2010年9月前制定新一輪規劃，在未來10年內建立一套橫貫歐洲大陸的高壓直流電網。歐盟正在支持“超級智能電網”相關項目，就泛歐洲大聯網有關問題開展深入研究。

日本研究分布式光伏和風電的并網

由于近20年對電網自動化和智能電網技術的大量投資，與歐美陳舊的電網基礎設施相比，日本電網的現代化水平很高，電網鋪設輸電線路的同時鋪設光纖等通信線路，運行效率高，升級改造的壓力較小。日本政府通過深入比較與美國電力工業特征，結合自身國情，決定構建以對應新能源為主的智能電網。日本于 2009年4月公布了“日本發展戰略與經濟增長計劃”，其中包括太陽能發電并網、未來日本智能電網示范驗證、電動汽車快速充電等與智能電網密切相關的內容。日本智能電網主要側重研究和解決分布式太陽能和風能發電的大規模并網問題，以及電動汽車和電網的互動問題，目前主要進行以智能電表為代表的第2代智能電網的部署工作。

智能電網領域廣泛的國際合作

歐洲國家的大型電力公司積極參與美國智能電網建設。法國電力公司（EDF）被選為美國電科院智能電網示范計劃中5個主要承擔單位之一。英國國家電網公司（NG）也積極參與美國馬薩諸塞州智能電網項目建設。加拿大和美國召開清潔能源圓桌會議推進有關合作，智能電網技術是其中重要的合作領域。日本積極與美國合作開發智能電網，兩國將在美國新墨西哥州合作開發一個“國際能源公園”項目，總花費約為6000萬美元。同時，美日兩國還將聯合投資約100億日元，資助日立、東芝以及日本電報電話公司等企業開展美國的“智能配電網研究”，日本企業也積極參與美國NIST智能電網互操作框架標準制定工作。除了主動接觸合作外，眾多國際會議也有效推動了智能電網領域的國際合作。

作者單位：工業和信息化部電信研究院