廖小伟 廖毅敏

从智能电网的发展看基于物联网的基础设施智能化

廖小伟 廖毅敏

在经历了金融危机的剧烈冲击后，世界经济已进入缓慢复苏的轨道。然而日本关东大地震、国际政治格局的新动荡令全球经济复苏的前景更趋曲折，国际金融体系的修复面临更多不确定性。为应对金融危机对实体经济的影响，一些主要国家都把争夺经济、科技制高点作为战略重点，大力关注对国民经济和国家安全具有重大影响力的战略性新兴产业的培育，并作为寻找新一轮经济增长的动力。

以物联网为代表的新一代信息通信技术正引领着全球新一轮信息科技革命的浪潮。在智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境保护、工业自动控制、医疗卫生、精准农牧业、金融服务业、公共安全、国防军事等领域，已形成了许许多多物联网应用的典型范例。特别是电网、交通、水利等关系国计民生的关键基础设施，只有建立在信息通信技术应用的基础之上，才能确保其安全高效、稳定运行和质优价廉，才能实现性能最佳、配置最优、响应最快的稳健运行。

以物联网为代表的新技术与基础设施的智能化改造

2009年以来，IBM所提出的“智慧地球”概念已上升为美国的国家理念。该战略理念认为，IT业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，尤其是把传感器嵌入和装备到电网、铁路、公路、供水系统、油气管道、大坝、建筑等各种物体中，在普遍连接之间形成“物联网”。之后，欧盟、日本等也相继提出基础设施智能化改造相关的物联网行动计划或国家战略，以达到改善整体社会的生活质量、促进产业发展等多重目标。

目前，从全球来看，基础设施智能化改造相对成熟的领域集中在电网、水利等方面。随着全球气候变化和能源安全供应问题日益严峻，智能电网引起了各国政府的普遍重视。例如，美国奥巴马政府在其应对金融危机、拉动经济复苏的一揽子计划中，投入超过百亿美元的电网智能化改造被认为是美国能源发展战略的重心。通过智能电网及相关产业发展，美国期望降低能源对外依存度、节约能源投资，并再次主导全球技术与经济的制高点。除美国以外，日本、英国、法国、德国、韩国等都已提出或即将提出智能电网建设计划。从图1可以看出，各国正在着手强化电网基础设施改造，电网智能化发展已成为全球发达国家共识。

在水利智能化改造方面，各种传感探测器的安装与应用，给各国的水利治理带来了巨大的经济和社会效益。例如，美国加州的水源监视系统，用传感器监视当地的所有水源系统、输水管道系统，可随时对输水管道的破裂和断裂进行警示，以便加快维修进度，提高水源与输水管道系统的应急抗灾能力。由欧盟的13个国家资助建设的洪水易发地区紧急事件应对与远程信息处理项目，旨在建立一套综合的、可操作的智能系统，主要处理城市洪水应急事件，该系统结合远程通信技术和气象、水文专业技术等，可以管理遥测获得的信息，并将信息和相关统计数据输入处理，以预测洪水情况，支撑洪水防御机构进行应急决策和处理。

在其他基础设施智能化改造方面，例如城市供水管理，也取得了良好的进展。2010年，以色列研究人员开发出了管道智能监测系统，并用于对城市供水系统 的监测，可有效减少水管渗漏或断裂，其中的智能水表系统也随着现代计量技术、传感技术和信息网络技术以及社会化需求的发展而不断普及应用，极大地提升了对 城市供水需求侧的管理能力。

全球智能电网发展最新走向

随着安全高效的电力供应、清洁环保的能源需求、能源短缺和可持续发展问题的凸显，智能电网已经成为当今全球电力行业发展的共识。智能电网利用现代信息通信、控制技术，提升电网的智能化水平，适应接纳新能源电力、满足双向互动等电网服务需求，提供可靠的电力供应。作为电力技术和信息技术的高度融合应用，国外主要发达国家为抢占技术和产业制高点、创造新的经济增长点，先后出台了发展智能电网的重大国家战略。

世界主要发达国家智能电网建设计划

美国制定智能电网发展战略框架，加大现有电网基础设施投入

2017年7月以来，按照中央环保督察反馈意见和整改方案，湖南省委书记、省长先后21次主持召开与中央环保督察整改工作有关的会议，9次深入整改一线调研督导，20次对环保督察整改工作做出批示，督促地方加快解决突出环境问题。各地坚持高位推进，集中资源，倒排工期，全力推进整改攻坚，加快解决了一批长期未得到有效解决的突出问题。

美国战略框架：从远景规划到立法为国策

2003年美国能源部颁布的《电网2030规划》（Grid2030）提出了美国智能电网的远景规划，即一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动，实现分布式智能、宽带通信和自动化控制，提供用户和电网之间实时交易和无缝接口。

2007年12月美国国会颁布了《能源独立与安全法案2007》（EISA2007），用法律形式确立了智能电网的国策地位。法案中要求利用信息通信和控制技术提高电网可靠性、安全性和效率，强调信息安全，支持动态优化电网的运行和资源，支持分布式能源、可再生能源的接入和一体化运行，挖掘和利用需求侧响应和需求侧资源，开发实时自动交互的智能技术用于电网运行和状态有关的测量、通信和自动化，支持混合动力汽车等先进的电能存储和移峰技术的采用。EISA2007法案还授权美国标准与技术研究院（NIST）牵头制定智能电网互操作框架标准，促进智能电网产业化规模化发展，同时，还明确规定了智能电网实施过程中的定期报告、组织形式、技术研究、示范工程、政府资助、协调合作框架、各州职责、及智能电网安全性等问题。

美国政府投资促进智能电网快速进入实施阶段

2009年2月美国国会颁布了《复苏与再投资法案2009》（ARRA2009），美国智能电网建设正式进入到紧锣密鼓的实施阶段。奥巴马政府宣称将铺设或更新3000英里输电线路，在未来三年内为美国家庭安装4000万个智能电表。

根据ARRA209，美国政府在今后2-3年期间投资电网的经费为110亿美元，其中能源部的电力传输与能源可靠性办公室（OE）获得45亿美元，用于推动智能电网发展；能源部的BPA电力局和WAPA电力局各获得32.5亿美元的国库借款，用于加强电网基础设施，尤其是新建线路，以满足可再生能源并网的需求；将智能电网项目配套资金由2007年的20%提高到50%。OE的45亿美元中，有34亿美元用于智能电网项目资助计划，6.15亿美元用于示范工程建设。美国能源部确定了三个智能电网示范领域并开始示范工程建设，包括智能电网地区示范、电网公用事业规模储能示范、电网用电监控和联网示范。2009年11月能源部宣布了所有入选的32项示范工程，带动私有部门投资超过10亿美元。

目前，美国政府已经在多个州开始设计并部署智能电网。2008年8月，美国科罗拉多州的波尔得（Boulder）完成了智能电网的第一期工程，成为全美第一个智能电网城市，2009年9月美国Xcel能源公司完成了该市所有智能电网基础设施和主要软件系统的建设，目前已进入商业运营阶段。通用（GE）、Xcel、IBM、西门子、谷歌、英特尔、思科等企业都积极加入并展开激烈的竞争。IBM将自己的软件和服务器应用到智能电网系统之中，参与各地的智能电网建设。思科主攻连接计量器、转化器、数字化电站、发电厂之间的网络系统。通用生产计量器和部分软件，并成功发起和制定了电动汽车插头标准，该插头有5个触头，可以支持最高240V电压和70A电流，还能够支持电力载波通信。谷歌2009年2月已开发成功利用电表节约电费的应用软件PowerMeter，并在员工家庭试用。新能源产业有望创造43000个就业岗位，是拉动未来美国经济的重要支柱之一。

欧洲制定超级智能电网战略框架研究风电并网和需求侧管理

欧洲智能电网名为超级智能电网（Super Smart Grid），主要基于分布式能源系统和可再生能源的基础大规模利用，将广域电力传输网络与智能电网结合起来的广域智能网络。欧盟陆续发布了欧洲未来电网的愿景与战略、战略性研究计划、战略性部署文件，构成欧盟的智能电网发展战略框架。欧盟提出发展跨越欧洲、北非、中东等国家和地区的超级电网，充分利用潜力巨大的北非沙漠太阳能和风能等可再生资源，完善未来的欧洲能源系统，满足风能、太阳能和生物物质能等可再生能源快速发展的需要。目前欧洲各国的近中期智能电网建设的主要侧重于研究和解决电网对风电尤其是大规模海上风电的接纳、分布式电源并网和加强需求侧管理。从中长期来看，欧盟国家必须依靠远距离大容量输电所实现大规模可再生能源在更大范围内的优化配置。

欧洲智能电网近中期发展重点：智能电表和分布式能源并网

目前欧洲主要国家在现有电网的基础上进行分布式电网的研究和建设，欧洲在智能电表、风电与太阳能发电并网的研发和应用进展显著，许多国家已经迈向电网全面自动化。欧盟组建了智能电网技术平台，通过建立相应的组织机构来保证活动的组织和研究的推进。意大利和瑞典已部署智能电表，意大利半数以上的传统电表已经改换为智能电表。丹麦的电网系统中包括了近20%的风力发电。英国进行了适应风流发电等可再生能源的智能电表等相关实验，目标是2020年在全国所有2600万个家庭安装智能电表。法国、西班牙、德国和英国预计在未来10年内完成智能电表部署，到2020年，可再生能源在欧盟能源供应系统中的比例达到20%。

在政府投入方面，英国在2009年8月宣布了新的智能电网建设计划，将在5年内投资5亿英镑建设4个智能电网城市。德国政府在2008年启动了制定了“E-Energy”示范工程计划，总投资14亿欧元，目前已经确定2009年至2012年在全国6个地点进行智能电网示范。丹麦启动了EDISON示范项目，主要研究智能电网对大过膜分布式风电和电动汽车的基础，丹麦电网公司Energinet对项目进行了资助，IBM和西门子公司也参与了项目建设。

欧洲智能电网中长期发展重点：远距离大容量输电网架

由于海上风电中心、北非沙漠太阳能和风能基本都远离负荷中心，欧洲重视跨国和跨区域的电网互联问题，将远距离大容量输电网架提上了议程，推动大规模 可再生能源进一步发展和应用。预计到2020年，德国和英国的海上风电装机容量将分别达到1000万和2500万kW。德国政府为解决当前电网制约可再生能源发展和电网可靠性下降的问题，与2009年8月颁布电网扩张法案，英国政府在2009年7月发布了“英国低碳转型计划”的战略报告，指出要建设一个更强大、更智能的电网。英国、德国、法国、比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、瑞典、爱尔兰等欧洲9国希望2010年9月前制定新一轮规划，在未来10年内建立一套横贯欧洲大陆的高压直流电网。欧盟正在支持“超级智能电网”相关项目，就泛欧洲大联网有关问题开展深入研究。

日本研究分布式光伏和风电的并网

由于近20年对电网自动化和智能电网技术的大量投资，与欧美陈旧的电网基础设施相比，日本电网的现代化水平很高，电网铺设输电线路的同时铺设光纤等通信线路，运行效率高，升级改造的压力较小。日本政府通过深入比较与美国电力工业特征，结合自身国情，决定构建以对应新能源为主的智能电网。日本于 2009年4月公布了“日本发展战略与经济增长计划”，其中包括太阳能发电并网、未来日本智能电网示范验证、电动汽车快速充电等与智能电网密切相关的内容。日本智能电网主要侧重研究和解决分布式太阳能和风能发电的大规模并网问题，以及电动汽车和电网的互动问题，目前主要进行以智能电表为代表的第2代智能电网的部署工作。

智能电网领域广泛的国际合作

欧洲国家的大型电力公司积极参与美国智能电网建设。法国电力公司（EDF）被选为美国电科院智能电网示范计划中5个主要承担单位之一。英国国家电网公司（NG）也积极参与美国马萨诸塞州智能电网项目建设。加拿大和美国召开清洁能源圆桌会议推进有关合作，智能电网技术是其中重要的合作领域。日本积极与美国合作开发智能电网，两国将在美国新墨西哥州合作开发一个“国际能源公园”项目，总花费约为6000万美元。同时，美日两国还将联合投资约100亿日元，资助日立、东芝以及日本电报电话公司等企业开展美国的“智能配电网研究”，日本企业也积极参与美国NIST智能电网互操作框架标准制定工作。除了主动接触合作外，众多国际会议也有效推动了智能电网领域的国际合作。

作者单位：工业和信息化部电信研究院