概述
你公司的電能使用對(duì)你是否重要？無(wú)論今天的市場(chǎng)是否景氣，還是將來(lái)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，公司的生存壓力都需要找到削減成本和增加利潤(rùn)的方法。
用能的趨勢(shì)表明電力公司會(huì)提高電價(jià)，并且正在引入階梯電價(jià)政策，目的是懲罰高能耗用戶。有關(guān)碳足跡政策和交易的實(shí)施，能源已經(jīng)成為企業(yè)開(kāi)源節(jié)流中的一個(gè)重要部分。
也許你的任務(wù)是為公司節(jié)能增效?；蛘吣阋呀?jīng)聽(tīng)說(shuō)了關(guān)于“智能電網(wǎng)”的項(xiàng)目，正在為它是否會(huì)影響你的業(yè)務(wù)而焦慮。也許你想在法律法規(guī)頒布前了解公司碳足跡面臨的壓力。也許你是企業(yè)的擁有者或者要削減固定成本的財(cái)務(wù)官。所有的人都會(huì)詢問(wèn)：如何使用電能。
你不是孤立的。在2009年3月的紐約時(shí)報(bào)的一篇文章中提到：在大公司中流行一種趨勢(shì)，雇用一位首席可持續(xù)官CSO（Chief Sustainability Officer）。SAP，杜邦（DuPont）和福思（Flowserve）公司是幾家為數(shù)不多的提及或已經(jīng)聘用了CSO的公司。這些首席字頭的官員主要負(fù)責(zé)節(jié)能、減少碳排放和開(kāi)發(fā)“綠色”產(chǎn)品和流程。
大公司的CSO也許還有一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)和一筆市場(chǎng)或生產(chǎn)預(yù)算，來(lái)幫助他們找到能源解決方案。中小型公司則會(huì)把這部分工作增加給已經(jīng)超負(fù)荷的技術(shù)員或現(xiàn)場(chǎng)人員來(lái)面對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)。
美國(guó)電網(wǎng)包括所有發(fā)電和供電的電力公司、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。遍及整個(gè)國(guó)家，發(fā)電廠按照需求發(fā)電，電能立刻通過(guò)一系列變電站和傳輸線路，把電傳送到商業(yè)設(shè)施和家庭之中。
我們認(rèn)為電是一種“清潔”的能源，事實(shí)上，電是一種二次能源。它必須由另一種能源產(chǎn)生，并且肯定地說(shuō)，它不是“清潔”的。在2010年的美國(guó)，煤產(chǎn)生了大約45%的電力，天然氣和核產(chǎn)生了另外45%的電力。僅有10%是通過(guò)水利或其他再生能源發(fā)出的，諸如木料、沼氣、生物、地?zé)?、太?yáng)和風(fēng)力。
這個(gè)百分比在過(guò)去的10年中只有很小的變化。所以美國(guó)90%的電力是通過(guò)燃燒化石或核燃料產(chǎn)生蒸汽、驅(qū)動(dòng)渦輪而發(fā)出的。
需求和供應(yīng)
電力有點(diǎn)兒像一種商品：過(guò)去的番茄－不方便運(yùn)輸和不容易存儲(chǔ)。所以需要在本地馬上消費(fèi)。
實(shí)際上，除了電池和電容能夠存儲(chǔ)少量的電能之外，產(chǎn)生的電能都被消費(fèi)掉了。需求直接決定了供應(yīng)。
在水利發(fā)電廠，舉例來(lái)說(shuō)，能源用戶的需求驅(qū)動(dòng)渦輪的發(fā)電。需求越大，需要更大的水量驅(qū)動(dòng)更多的渦輪，往電網(wǎng)輸送的電能也越多。需求降低，需要的水量和渦輪的數(shù)量也降低；多余的水量或存入水庫(kù)或直接排入河流，而不是變成電能。
因?yàn)榘l(fā)電設(shè)施必須隨時(shí)滿足用電的需要，所以一些電廠在不需發(fā)電時(shí)處于閑置狀態(tài)，直到需要時(shí)再發(fā)電。令人驚訝的是，全國(guó)的用電峰值通常出現(xiàn)在夏天的上午和傍晚。發(fā)電量必須滿足這個(gè)峰值的需求，如果工廠在“峰值”的時(shí)候使用電能維持生產(chǎn)，結(jié)果會(huì)是即昂貴又低效。
當(dāng)前，電價(jià)隨地區(qū)而變化。在一些地區(qū)，如加州，電力公司開(kāi)始使用階梯電價(jià)結(jié)構(gòu)和供電縮短程序抑止在峰值時(shí)間的用電。在電力成本較低的地方，電力公司仍然按平價(jià)供電，沒(méi)有激勵(lì)政策，降低用戶的用電需求。
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達(dá)到極限
50或100年以前的情況與現(xiàn)在完全不同，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)化系統(tǒng)還不存在，我們用于發(fā)電和輸電的系統(tǒng)發(fā)展比較緩慢，并且在很多方面維持幾十年前不變。
作為國(guó)家工程學(xué)會(huì)在20世紀(jì)最重要工程成就，電網(wǎng)仍然為國(guó)家提供著非?？煽康碾娔堋?wèn)題是當(dāng)功率的總量需求和功率波動(dòng)不堪忍受的度大幅度增加時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有根本地改變。
國(guó)家的電力設(shè)施已經(jīng)為這個(gè)國(guó)家的人民提供了很久的優(yōu)質(zhì)服務(wù)了，著名的“電網(wǎng)”正在超限運(yùn)行著，這個(gè)有一世紀(jì)歷史的老電網(wǎng)是地球上最大的互連設(shè)備：它有超過(guò)9200臺(tái)發(fā)電單元和超過(guò)1百萬(wàn)兆瓦的發(fā)電量，以及超過(guò)30萬(wàn)英里的傳輸線路。
輸電和配電在各自的變電站自動(dòng)、正常地工作著，電力公司之間的共享數(shù)據(jù)正在增加。但在高層的協(xié)調(diào)和通信只是剛剛開(kāi)始?；ゲ僮鲗?duì)于電網(wǎng)的擁有者而言現(xiàn)在還不成熟，并被視為主要要克服的障礙。
美國(guó)能源部描述當(dāng)前電網(wǎng)需要做的主要檢查是能否滿足將來(lái)的需求，并且分析下列的問(wèn)題：多數(shù)的電力中斷和電力不足是由于機(jī)械開(kāi)關(guān)的反應(yīng)時(shí)間過(guò)慢，缺乏自動(dòng)分析能力， “糟糕的可視性”－在電網(wǎng)操作員部分“缺少對(duì)情況的認(rèn)識(shí)”。
嗯。機(jī)械開(kāi)關(guān)速度慢，缺少自動(dòng)分析，系統(tǒng)可視性很差？聽(tīng)上去好像是一份自動(dòng)化工程師的工作。這些問(wèn)題的提出也為我們提供了改進(jìn)的方向，需要把現(xiàn)在的電網(wǎng)帶入未來(lái)：智能電網(wǎng)。
什么是智能電網(wǎng)？
因?yàn)槊總€(gè)電網(wǎng)的擁有者都想看到他們自己所關(guān)心的問(wèn)題，智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)定義晦澀難懂。你可以找到多種定義和多種達(dá)到那里的時(shí)間表。
但智能電網(wǎng)的基本愿景是一種重建的基礎(chǔ)設(shè)施，把數(shù)字智能嵌入到包括發(fā)電、輸電、配電、用電和定價(jià)的整個(gè)過(guò)程中。
在實(shí)踐中這意味著什么？
? 每樣?xùn)|西都在電網(wǎng)上，從電廠到每件電器，可以實(shí)時(shí)看見(jiàn)與控制－多數(shù)都是自動(dòng)的。
? 能源價(jià)格反映了實(shí)時(shí)的發(fā)電成本。
? 發(fā)電和儲(chǔ)電的所有方法能夠集成到電網(wǎng)之中。
? 系統(tǒng)是安全、高效和環(huán)保的。
每樣?xùn)|西都可看見(jiàn)與控制
智能電網(wǎng)允許在電力提供者和電力使用者之間實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)字通信，所以電力可以被實(shí)時(shí)地、自動(dòng)地管理。誰(shuí)控制這個(gè)管理可是個(gè)問(wèn)題（至少在初期），理想的是用戶方和供電方在不同層次能參與其中。
電力公司對(duì)發(fā)了多少電，電網(wǎng)用了多少電，哪里產(chǎn)出，哪里使用知道得非常清楚。從這個(gè)角度看，他們能看到潛在的問(wèn)題所在，可以把電力轉(zhuǎn)移到需要的區(qū)域。這種高效運(yùn)作減少了斷電和缺電的情況發(fā)生，并能提供高質(zhì)量的電能。
一些能源用戶，特別是住宅消費(fèi)者，喜歡讓智能電器和智能電表決定按最高效的方法使用能源。商業(yè)和工業(yè)用戶希望至少能管理他們自己的那一部分，看到他們用能的細(xì)節(jié)，并且按照對(duì)他們業(yè)務(wù)最高效的方式控制使用電能。
在智能電網(wǎng)中，實(shí)時(shí)發(fā)電和用電的數(shù)據(jù)對(duì)供應(yīng)方和使用方都有用。但這個(gè)雙向通信和自動(dòng)能源管理的愿景需要開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)閬?lái)自多個(gè)源的數(shù)據(jù)需要匯總、集成和以不同的格式可視化地展現(xiàn)給不同的用戶。
確保所有智能電網(wǎng)系統(tǒng)能夠互操作的標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61850。由國(guó)際電工委員會(huì)IEC發(fā)布，并且最早用于變電站自動(dòng)化的設(shè)計(jì)，IEC 61850使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信。
“信息技術(shù)和普遍的通信是智能電網(wǎng)的基石?！保绹?guó)能源部
能源價(jià)格反映實(shí)時(shí)的發(fā)電成本
能源價(jià)格反映實(shí)時(shí)的發(fā)電成本是因?yàn)殡娏υ诎l(fā)出后馬上就要消費(fèi)，電力工業(yè)不同于任何其他工業(yè)，必須理解消費(fèi)者的需求和消費(fèi)模式，并且能夠預(yù)測(cè)消費(fèi)者的需求。在過(guò)去，工業(yè)企業(yè)無(wú)論在什么情況下，都要滿足客戶的需求。比如，電價(jià)不能反映附加成本或工廠運(yùn)行在“峰值”時(shí)的情況（按定義，工廠僅在峰值時(shí)運(yùn)行）。
在智能電網(wǎng)中，定價(jià)是動(dòng)態(tài)的：它由實(shí)時(shí)的發(fā)電、輸電和配電的成本決定，在一天的進(jìn)程中變化很大。能源價(jià)格階梯化或直接與實(shí)時(shí)成本相捆綁，所以客戶有一種強(qiáng)烈意愿去調(diào)節(jié)能源消費(fèi)，避開(kāi)峰值時(shí)間。隨著自愿行為和自動(dòng)控制兩者的作用，對(duì)能源的需求趨于緩和，智能電網(wǎng)會(huì)降低峰值、額外投資和運(yùn)營(yíng)成本。
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集成所有發(fā)電和儲(chǔ)電的方法
多數(shù)電廠都由控制發(fā)電，是個(gè)常量。然而，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電是變化的能源例子；風(fēng)的速度和方向在一天的過(guò)程中不斷變化，太陽(yáng)能會(huì)因?yàn)樵茖?、晝夜和季?jié)發(fā)生改變。
今天，把這些變化輸出的電能集成到電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，因?yàn)樗麄儺a(chǎn)生的電力可能或不能與不變化能源同相。
此外，存儲(chǔ)電能的技術(shù)現(xiàn)在仍不成熟。當(dāng)前的存儲(chǔ)方法非常昂貴，存儲(chǔ)容量很小，并且他們的處理會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。用于大容量能源存儲(chǔ)的新技術(shù)，諸如超級(jí)電容正在開(kāi)發(fā)。
然而，在智能電網(wǎng)時(shí)代，集成不同相電流和穩(wěn)定電流源的技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)解決。智能電網(wǎng)可以接受任何來(lái)源的電力，就像接受傳統(tǒng)的電源一樣，并且可以容納新的存儲(chǔ)方法。
這種適應(yīng)性意味著智能電網(wǎng)可以利用分布式的發(fā)電和儲(chǔ)電。如果街對(duì)面的商用建筑屋頂有一個(gè)光伏系統(tǒng)，你的公司在夜里制作冰在夏日的白天來(lái)替換標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)，電網(wǎng)會(huì)把兩者作為能源的一部分，無(wú)論在高需求時(shí)期還是在緊急的情況下。
微電網(wǎng)（Microgrid）也是智能電網(wǎng)的一個(gè)分布式特性。雖然他們一般的功能作為大電網(wǎng)的一部分，他們可以作為島嶼運(yùn)行。微電網(wǎng)在日常幫助解決電力質(zhì)量問(wèn)題，在緊急時(shí)還具有提供分布式發(fā)電和儲(chǔ)電的優(yōu)勢(shì)。
“智能電網(wǎng)的發(fā)儲(chǔ)轉(zhuǎn)換特性是集成分布式能源的能力，特別對(duì)需求側(cè)資源，能納入系統(tǒng)運(yùn)行。” －美國(guó)能源部
系統(tǒng)是安全、可靠和環(huán)保的
一個(gè)相互連接的智能電網(wǎng)，在比不互聯(lián)電網(wǎng)更具靈活性的同時(shí)，也有因開(kāi)放引起信息安全隱患的爭(zhēng)論。關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由北美電氣可靠性公司（NERC）開(kāi)發(fā)完成，NERC是一個(gè)獨(dú)立的自我監(jiān)管組織，專門(mén)從事確保北美電力系統(tǒng)可靠性的工作。
在智能電網(wǎng)中，系統(tǒng)滿足這些信息安全標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)任何可能出現(xiàn)的安全破壞快速響應(yīng)。分布式發(fā)電、微電網(wǎng)和自動(dòng)把能量從系統(tǒng)的一段轉(zhuǎn)移到另一段的能力，都能幫助緩解任何緊急事件造成的影響。
智能電網(wǎng)的另一個(gè)主要目標(biāo)是可靠性：具有不限電和不斷電的特性，電源的質(zhì)量具有高度的一致性，并且負(fù)載能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)移。為智能電網(wǎng)可靠性的貢獻(xiàn)是一些項(xiàng)目，諸如動(dòng)態(tài)顯示全球能源狀態(tài)（VERDE），由橡樹(shù)山國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)。VERDE可視化項(xiàng)目覆蓋了電網(wǎng)狀態(tài)、氣候模式和其他有關(guān)數(shù)據(jù)，在谷歌地球映像上生成一個(gè)整體電網(wǎng)的實(shí)時(shí)視圖。這些增加可靠性的項(xiàng)目可以幫助操作員對(duì)大范圍的電力消耗、自然災(zāi)害和大型事件進(jìn)行狀態(tài)分析和做出響應(yīng)。
在美國(guó)，小汽車、卡車和飛機(jī)現(xiàn)在排放僅占所有二氧化碳的20％；發(fā)電排放占40%。清潔能源將減少電力對(duì)環(huán)境的影響。綠色智能電網(wǎng)的目標(biāo)將需要時(shí)間、努力和新技術(shù)的研發(fā)。
