新闻|2030年的电网编者按：长期看，微电网因为可以无限期运行，并能起到与大电网隔离保护的作用等优势，电网很有可能演化成一个彼此邻接的微型电网系列。 文章选自IEEE Spectrum中文版《科技纵览》。 屋顶太阳能、微型电网和大数据将完全改变我们的电力生产和消费方式。 开发技术就像驾驶赛车：你驾车以最快的速度向前冲，如果能避免撞车，在终点线处就会有大奖等着你。对工程师来说，这个大奖有时候是金钱性质的，但更多的时候是一种看到世界变得更美好的满足感。正是由于有许许多多像这样驾驶着各式赛车的工程师，才使得大量进步即将在一个令人意想不到的领域——电力领域中发生。与电网密切相关的技术、经济和监管基础是在大约一个世纪之前建立的，在那之后的几十年当中只经历了很微小的变化。但是现在，这个行业正面临巨大的变革。大部分观察家仅仅模糊地知道这一彻底革新的分量，也许是因为这是一个剪不断理还乱的故事，用几条微博是无法讲清楚的。在许多人眼中，公用电力设施事业已经跟税收差不多了：一成不变、令人厌烦，而且不知怎地，总是要让你花掉更多的钱。 这个行业正在发生的变化源自技术进步、经济推动和民意取向的演变。随着电力部门的坚实基础正在一点一滴地发生变化，其结果可能并不会让人厌烦。但这些变化也很有可能使你花费更多。 将近一个世纪以来，电气化经济适用的基础就是规模经济。大型发电厂的装机容量达数百甚至数千兆瓦，并将生产出的电力通过输配电网络送达遥远的用户。如今，科技的发展正在使这一简单的模式变得复杂。 首先要提的就是低成本的天然气和太阳能的可获取性。使用这些能源的发电机可以被建在距离消费者很近的地方。因此现在，我们正处于分布式发电的早期发展阶段。这种方式已经减少了对高成本的长途输电的需要。这也使这些新兴电力来源比巨大的传统发电厂更具有成本竞争力。 分布式发电在技术上早已可行。现在的新情况是我们正在接近一个临界点，过了这个临界点之后，对于大部分应用来说，分布式发电将会是成本最低的供电方式。 虽然可再生能源和燃气发电的低成本对促进这个变化肯定会有所帮助，但这并不是全部。为了提高竞争力，整个分布式系统作为一个整体必须运转良好。许多技术进步汇集到一起，共同使这一切成为可能：先进的控制系统；更紧凑、更智能且更高效的电逆变器；智能电表和正在蓬勃发展的物联网；以及不断提高的从大数据中提取有用信息的能力。 在这个变化的场景中，一幅未来10～20年间大部分发达国家的典型电网的图景开始浮现。是的，发电将会变得更加分散化，太阳能和风能之类的可再生能源的使用将激增。其他方面也将发生变化。比如，配电网——你的家庭和公司同电网连接的部分——将很可能变得更像是一个议付平台，而非仅仅是将电力从一个地方运送至另一个地方的系统。 实现这种更加复杂的电网并不容易。不管怎么说，它还是来了。它是什么样的呢？基于担任政府官员的数十年经验（我曾负责帮助公用电力事业获取新兴技术支持），以下内容是我能做出的最好预估。这正是我现在作为学术研究者正在努力帮助实现的未来。
首先要了解的是分散化既不简单也不普遍。在一些地方，分散化将占据主导地位。在这些地方，大部分消费者会自行生产其所需的电力，通常是使用太阳能光伏系统。另一些人可能会使用小规模的风力发电机。在那些日照和风力都不是很充足的地方，人们很可能主要使用天然气。在这些多种多样的能源的相互交错中，传统电网的持续改良版本将在未来的数十年间继续存在。 根据美国能源信息署（EIA）提供的信息，在2016年的前11个月，美国大约有4882万兆瓦时的电是由分布式太阳能产生的，比上一年增加了46%。不过这个份额还很小，美国能源信息署的数据显示，在2016年，美国约1.4%的电力来自太阳能电池板，其中包括来自大规模发电厂和分布式发电机所获取的太阳能电力。因为经济效益不断显现，太阳能的发展会加速。举例来说，最近在智利举行的电力竞价中，120兆瓦的太阳能发电的成本达到最低值，每兆瓦时的成本为29.10美元。 许多分析师预计，到2019年，与传统发电形式相比，分布式太阳能将完全具备成本竞争力。与此同时，一系列令人眼花缭乱的政府刺激措施——世界各地区，甚至在一个国家内部都不尽相同——正在帮助这项技术腾飞。 低成本的发电形式终将占据主导地位。但要指出真正的低成本选项是什么却有点困难，因为这既取决于地方情况，也取决于地方决策。 比如，管理部门正日益认识到燃烧化石燃料将带来巨大的社会成本。这些成本既来自居住在发电厂附近的居民与有毒排放物的直接接触，亦来自温室气体排放所引发的气候变化。从历史的角度来说，这些成本难以量化。因此，这些成本通常并不是由电力生产者或者消费者来承担，而是由受害者——比如庄稼受损的农民——来承担。 更多的公众开始关注污染的真实成本，以及考虑如何将大部分成本转移给电力生产者和可能的消费者。幸运的是，我们现在拥有建模和计算能力，可以开始为这些成本设定一个合理的下限，这使我们可以针对这些成本进行更合理的重新分配。 虽然关于重新分配成本的最佳战略还处于讨论中，但分布式可再生发电的效益及其可行性已经显而易见。由美国能源部资助的山核桃街项目（PecanStreet Project）在实施期间收集到的数据显示，在得克萨斯州奥斯汀市，在晴朗夏日的正午，装有太阳能电池板的房屋的发电功率通常能够达到四五千瓦，发电量超过了这所房子在这段时间中的通常用电量。 然而，屋顶太阳能板对于普通屋主来说是否有意义要取决于初始成本、维护成本、补贴、电网成本以及生产出的多余电量的销售价格。 美国能源部太阳计划（Sunshot Initiative）的目标是在2030年前使太阳能电力在不依靠补贴的条件下具备成本竞争力。（一家中国的政府机构也有类似的计划。）具体来说，该计划的目标是在2030年之前将分布式住宅太阳能的成本降至每千瓦时5美分；目前的成本是每千瓦时18美分。如今在美国，一套6千瓦的屋顶住宅太阳能系统，通常成本在1.5万～2万美元之间；具体金额取决于居住地点。根据美国能源信息署的数据，在美国，电网输送的电力的平均零售价格为每千瓦时12.5美分。因此，如果屋顶太阳能的发电成本是18美分的话，则与电网输送电力相比尚不具备竞争力。但许多国家的政府，比如美国政府，都对购买太阳能系统提供补贴，以使其具备竞争力。 与此同时，许多公用设施都在进行可选择所有权的试验。一种选项是社区太阳能。在这一模式下，个人消费者可以从一个相对大型的公用系统中认购一小部分太阳能板。之后，他们无须在自家屋顶上安装太阳能板就能每月获得相应的电力额度。另一个试验由CPS能源公司在美国圣安东尼奥开展，该试验使用屋顶太阳能，但设备所有权归属CPS能源公司，由该公司向屋主支付使用屋顶的费用。 分布式太阳能面临的一个挑战是存储。大部分太阳能板的拥有者将电网作为存储设备的功能性等价物：他们可将多余的电能出售给电网，在电能不足的时候从电网中回购电量作为弥补。这通常是最简单也是最经济的平衡生产和消费差异的方式。不过，许多人——他们中最知名的当属埃隆•马斯克——断言市场很快就将更加青睐电池。马斯克的电动汽车公司特斯拉出售一种家用的被称为Powerwall2的电池，售价5500美元，能提供14千瓦时的储量，足以满足一般家庭一个晚上的需要。然而，为太阳能电力装置配备电池储存，会使其成本大大高于来自电网的普通电能的成本。 对扩大太阳能使用范围的各种方法进行比较并不那么简单，因为很多成本取决于电网将如何发展。例如，目前，电网无法应付100%的太阳能转换（甚至在看上去很合理的地点，例如美国西南部或者北非沙漠中，也是如此）。我们今天拥有的电网是针对“发电能源每天基本不变”而设计的。但是美国能源部下属的ENERGISE项目正努力在2030年之前实现全太阳能供电电网发展所需的控制、保护和其他技术的开发。 全球风能和太阳能装机容量总量 风能和太阳能增长显著。这两种能源合计占全世界装机容量的约10%，但发电量仅占约4%。 电网也将很快朝其他方向发展。其中最重要的（并且现在已经在如火如荼进行的）一个趋势是微型电网使用的增加。微型电网是一组互相连接的电源和负载，规模可以小至单幢房屋（通常被称为“纳米电网”），也可以大到一个军事基地或者大学校园。微型电网能够无限期地自主运行。它们通常被连接至较大的电网，如果大电网受到干扰运行不稳定的话，微型电网能够迅速与大电网隔离开。 在发生自然和人为的灾害时，这就是一个重要特性。考虑一下2008年得克萨斯州休斯敦-加尔维斯顿被艾克飓风袭击后的情形——大范围停电，而95%的停电是由于不到5%的电网受损造成的。电网实际上将仅为中等程度的设备损坏后果大范围地扩散开了。 微型电网的隔离能力还保证了电网安全的增强。因为微型电网能使本地入侵被限制在本地，使电网更不容易成为黑客的攻击目标。 在发生灾害时，无论灾害是由什么原因导致的，微型电网都能够将影响限制在一定程度以内。如果电网未发生物理受损，只要能够获得能量源（不管是天然气、太阳能还是风能），它就能够一直运转下去。 长期来看，电网很有可能演化成一个彼此邻接的微型电网系列，其实现的时间取决于技术，以及经济和监管的多重影响。公用事业公司已经提议在芝加哥、匹兹堡和中国台湾（一个容易受到暴风灾害影响的炎热岛屿）等地建设这类微型电网“集群”。这些相邻的微型电网能够彼此或与传统电网共享电能，从而最大程度地降低能量成本并使可用性得到最大化。 在私人可以拥有并运营微型电网的时代，公用事业公司会变成什么样子？至少有两种可能。一是简单地为需要电力的微型电网供电，而不是为个人用户供电；二是它可以管理微型电网之间或其与传统电网的连接。在美国的一些地方，随着竞争的引入，公用事业的概念已经得到了重新定义。微型电网将加快这一潮流。 分布式发电的普及和微型电网的兴起还受到另外两个因素的影响：物联网的拓展和大数据影响的增强。 物联网对分布式发电来说是个恩惠，因为它带动了相应设备的大规模制造，例如传感器、微型控制器、软件等。随后兴起的数据驱动电网和微型电网等行业，得以方便和廉价地使用这些设备。如何利用这些东西？想象一下，在不远的将来，住宅太阳能系统可以拥有“客户设备”——太阳能板、智能逆变器和蓄电池以及对负荷进行动态管理的系统。有时，这套装置的电力输出会低于平常的电力输出，比如天气过于阴沉时。 不过，要以现有的物联网组件为基础，设计一个可以与类似周围房屋的系统进行通信的控制系统并不难。这些系统可以合作，比如，在计划时间之前或者之后开启或关闭空调，或者将自动恒温器升温或降温半度，以适应间歇性的计划外电力短缺。这一计划之所以具有可行性是因为大部分现代房屋都是完全隔热的，因此需要一段时间后，室内温度的变化才会明显，并得以触发供热通风与空气调节（HVAC）系统。这一项目之所以要将不同房屋集结成群，是为了使任务变得简单一点：在一个群组中，一些屋主可能愿意牺牲很多舒适度，而另一些可能不想牺牲那么多。但是从公用设施的角度来看，房屋群组的电力需求是相对可以预计和管理的。 大部分消费者不会频繁对能源使用做出详细规定。所以想象一下你能够对一台设备——我们不妨称之为能量恒温器——设定一个舒适温度范围，而不是设定一个具体温度值。范围越大你需要支付的电费账单就越低。电网或者智能电网运营者可以利用这一范围——你设定的范围和其他人设定的范围——来以分钟为单位动态地调节供需。在一个炎热的午后，随着电力需求达到顶峰，你家里的温度将达到范围的上限。 公用电力公司将开始更大程度和更有效地利用大数据。电力公司从一开始就懂得使用数据了：托马斯•爱迪生于1882年在纽约市开设珍珠街发电站（PearlStreet power station）时，就设计了指示灯，当负荷增加或降低到需要对直流电发电机进行调整时会亮起。但是这个系统显然是非扩展性的。如果一个电力公司在每上线一个客户时就需要重新对其发电机进行调整，那么整个行业早就被淘汰了。 数量庞大的负载量使总体需求变得可以被预计和管理。这一令人愉快的条件显然是以各家各户和各行各业的用量之间没有关联为前提。但是，设想一下这种情况吧，在一个炎热夏日的下午3点钟，一个中等城市的每家每户在同一时刻关掉空调，15分钟之后再全部同时开启。几乎可以确定会导致大规模停电。 使用大数据工具，可以不再以松散的用户行为作为前提。这使得人们有可能通过了解如何调节生产和消费来改善系统行为。例如，采用上面介绍的能量恒温器概念，在执行负载管理行动时，系统运营者不仅需要适当的控制器，还需要获得实时数据来确定系统故障的风险。 许多地区的公共设施都已经采取这种方式，采用不同的客户激励，例如按一天中的用电时间来定价，或者其他通过公用设施而非客户的形式来进行负荷管理。但我们现在只是踏出了第一步。大数据工具很快就可以让我们大步向前迈进，并很可能在某一天让我们跑起来。使用实时运营工具来优化电网大块区域的性能和预测未来性能也是有可能的。
虽然我的主要目标是介绍我们公用事业从业者对于电网的充满希望的愿景，但如果不指出挑战的话就是我不负责任了。这些挑战包括财政挑战、监管挑战和技术挑战，并且它们以各种各样的形式呈现。 最基本的挑战之一是增长缓慢。为了支付昂贵的系统升级成本，过去公用事业公司会大量依赖增长需求，以此带来销售需求。但是客户寻求的效率提升（这是必然的追求）已经使需求增长的速度下降到低于国内生产总值增长率的地步。数字令人警醒：2014年，美国能源部预计2012到2040年期间电力需求的年增长率将仅为0.9%。因此，公用事业公司无法再像过去一样，指望通过增长来为需要的系统变革提供资金了。 行业的其他变革只会使资金问题加剧。例如，在过去，公用事业公司可以指望设备的关键组件运行很久。但智能电网所依靠的电子元件，例如由软件控制的智能电表，其生命周期较短，且需要更加频繁地进行升级。 最大的未知因素是监管流程的适应速度。如果这一过程无法快到跟上技术发展的脚步，变革就将非常缓慢。而且，如果政府通过补贴的方式支持过时技术呢？这将进一步拖慢这一过程。另一方面，一些人可能会辩驳说监管者应该放慢变革的速度。虽然值得就这一观点进行政治讨论，但我肯定不属于这个阵营。 从历史上来看，监管主要依靠法律和经济考虑而不是技术考虑来推动。但现在，随着技术发展的步伐超过其他因素，美国和欧洲的监管者正在采取多种不同的方法应对这一全新的事态。我的观点是，如果我们想在飞速发展中找到方向并同时继续以低成本和高可靠性的方式提供电能，则监管机构的人员需要更多地了解技术。 我相信，最终我们将拥有更经济、更可持续和对用户更加友好的电网。美国国家工程院最近将电气化选为20世纪最重要的工程成就。但电气化现在需要被重新打造，以满足21世纪的需求和机遇。这是个机会，我们可以让人看到，我们在技术、监管、公共政策、财政和应变管理方面，与两代、三代甚至是四代以前的先辈们一样优秀，并为我们的子孙后代留下优质而持久的遗产，正如我们的先辈留给我们的一样。 声明：【图文转自IEEE电气电子工程师学会，如觉侵权，请与小编联系。多谢！】
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