美国电科院《智能电网成本与收益评估报告》
——关于全面建设智能电网的投资需求与结果效益的初级评估
第一章 执行概要 ............................................................................................. 6
何为智能电网？ ................................................................................. 6 背景................................................................................................... 6 此前的研究 ........................................................................................ 8 总结和结果 ........................................................................................ 8 智能电网的成本 ................................................................................. 9 智能电网的收益 ................................................................................ 11 网络安全...........................................................................................12
第二章 内容介绍 ............................................................................................13
智能电网愿景....................................................................................13 何为智能电网？ ................................................................................13 智能电网的特点：驱动因素和机遇 ....................................................13 智能电网的好处 ................................................................................13 利益相关者的好处.............................................................................14 现代电网促进智能电网发展的特点 ....................................................14 智能电网所面临的挑战......................................................................16 程序上面临的挑战.............................................................................16 智能电网在技术上所面临的挑战........................................................17 智能电网的组网 ................................................................................18 智能电网的概念模型 .........................................................................20 其他挑战...........................................................................................21 劳动力问题 .......................................................................................21 智能电网在监管方面所面临的挑战 ....................................................22 智能电网投资的驱动因素 ..................................................................22 美国电科院之前所做的研究...............................................................24 美国电科院的示范工程......................................................................25 本报告的目的....................................................................................26 对智能电网成本的预估为何会发生变化？..........................................26
第三章 研究方法 ............................................................................................27
电力输送系统由哪些部分构成？........................................................27
加强智能电网建设有何意义？ ...........................................................27 研究步骤...........................................................................................28 主要假设...........................................................................................28 智能电网成本是难以估算的...............................................................30 技术成本估算：需要考虑的因素和不需要考虑的因素 ........................31 对老化基础设施进行现代化改造........................................................33
第四章 未来的电力传输系统：智能电网收益 ..................................................34
美国电科院先前的研究......................................................................34 属性..................................................................................................35
第五章 输电系统与变电站 ..............................................................................40
内容介绍...........................................................................................40 智能电网的成本构成：输电系统和变电站..........................................42 动态热容等级（DTCR） ...................................................................42 传感器和智能电子设备......................................................................43 输电线路各传感器示例......................................................................50 短路电流限制器(SCCL) .....................................................................54 灵活交流输电系统（FACTS） ...........................................................55 储能..................................................................................................57 输电和变电站的通信与IT基础设施...................................................59 智能电子设备（IED） .......................................................................60 相角测量技术....................................................................................61 网络安全...........................................................................................62 企业后台办公系统.............................................................................65 增加的后续系统维护 .........................................................................65 对系统运营商的影响 .........................................................................66 输电和变电站成本总结......................................................................69
第六章 配电 ...................................................................................................74
简介..................................................................................................74 智能电网成本构成：配电 ..................................................................75 通信..................................................................................................76 配电自动化 .......................................................................................77 智能通用变压器 ................................................................................79 高级计量设施（AMI） ......................................................................81
高级计量设施成本估算......................................................................81 智能电网高级计量设施成本...............................................................82 地方能源网控制器.............................................................................83 配电成本小结....................................................................................85
第七章 用户 ...................................................................................................88
引言..................................................................................................88 智能电网的成本要素：用户/用户技术................................................90 谁来承担这些成本？ .........................................................................90 光伏逆变器 .......................................................................................90 住宅能源管理系统（EMS） ..............................................................91 家用显示器和能源信息获取...............................................................92 电网就绪装置和设备 .........................................................................93 楼宇能源自动化通信升级 ..................................................................95
图1-1 现在的电力系统 ...................................................................................... 7 图1-2 未来的电力系统：智能电网 ..................................................................... 7 表1-1 对智能电网预估成本与收益的总结 ........................................................... 9 图1-2 智能电网的总成本 .................................................................................. 9 图1-3 智能电网的总成本 ................................................................................. 10 图1-3 美国电科院对智能电网成本预估的用户潜在意义...................................... 11 图1-4 智能电网的预估收益 .............................................................................. 12 图1-4智能电网的预估收益 （单位：十亿美元） ............................................... 12 图２－１ MGI的主要特点——该计划中智能电网成功测算愿景的部分内容....... 15 图2-2 智能电网的信息交换网络 ....................................................................... 19 图2-3智能电网的概念模型-顶层 ....................................................................... 20 表2-1智能电网概念模型中的域 ........................................................................ 21 表2-2：智能电网功能增加的主要因素 ............................................................... 27 图3-1 电网组件成本示意图 .............................................................................. 31 表3-1本报告估算中涉及的技术成本和不涉及的技术成本 ................................... 32 图3-2智能电网示意图...................................................................................... 33 图3-3 输配电三大类别所需投资的协同示意图 ................................................... 34
表4-1 未来电力传输系统价值评估中假定的属性和改善的类型 ........................... 35 图4-1 效益计算工具、属性和总体价值三者之间的关系...................................... 36 表4-2 美国电科院最初的研究中包含的收益计算总结 ......................................... 37 表4-3 美国电科院2004年收益评估研究升级到2010标准 .................................. 37 表4-4美国电科院最初的研究报告中未涉及的主要属性和收益 ............................ 38 表4-5智能电网效益列表：基于美国电科院/美国能源部的框架（EPRI 1020342）. 40 表5-1 输电线路英里 ........................................................................................ 40 表5-2 配电站和馈线的数目 .............................................................................. 41 表5-3 动态热容等级的成本 .............................................................................. 43 图5-1 输电线路和铁塔所需传感器示范图(EPRI 1016921).................................... 45 图5-2 一些关于传感器设想的单一结构展示(EPRI 1016921) ................................ 46 表5-4 传感器需求 ........................................................................................... 49 图5-3 传感器系统的结构(EPRI 1016921) ........................................................... 50 表5-5 传感器的成本 ........................................................................................ 50 图5-4 射频导线温度和电流传感器 .................................................................... 51 图5-5 用于输电线路的钳入式射频漏电传感器 ................................................... 51 图5-6 安装于柱状绝缘子上的射频漏电传感器 ................................................... 52 图5-7 安装于一座161千伏变电站的可移动拖车上的天线组 ............................... 52 图 5-8 安装于变压器的太阳能罩盖温度传感器。 ............................................... 53 图5-9 用于测量机油中所含电石气水平的MIS传感器 ........................................ 53 图5-10 安装于钢芯铝线电缆(ACSR)导线中的导线温度传感器 ............................ 54 图5-11 漏电监控传感器 ................................................................................... 54 图5-6 输电线路安装短路电流限制器的成本 ...................................................... 55 表5-7 讨论中已知的直流线路和端子................................................................. 57 表5-8 截至2030年预估所需的灵活交流输电设备 .............................................. 57 表5-9 电力储能技术的最大价值 ....................................................................... 58 表5-10 储能技术成本 ...................................................................................... 59 表5-11 输电和变电站通信和IT基础设施所需的成本花费................................... 60 表5-12 智能电子设备的成本 ............................................................................ 61
图5-12 截至2009年9月北美地区相角测量装置(PMU)的安装情况 ..................... 62 表5-13 相角测量装置(PMU)的成本................................................................... 62 表5-14 对不同规模电厂的网络安全成本的预估情况........................................... 64 表5-15 电厂类型的分解情况 ............................................................................ 64 表5-16 网络成本估算 ...................................................................................... 65 表5-17 企业后台办公系统的成本...................................................................... 65 表5-18 智能电网增加的维护 ............................................................................ 66 图5-13 独立运营商(ISO)基础设施中的关键组件 ................................................ 67 表5-19 带有智能电网相关规定的国际标准组织的结盟成本................................. 69 表5-20 智能电网输电和变电站所需的成本 ........................................................ 70 图5-14 智能电网输电和变电站所需的成本 ........................................................ 71 图5-15 智能电网输电和变电站为满足负荷增长所需的成本................................. 72 表5-22 智能电网输电和变电站为满足可再生能源使用所需的成本 ...................... 72 图5-16 智能电网输电和变电站为满足可再生能源使用所需的成本 ...................... 73 表5-23 智能电网输电和变电站所需的总成本 ..................................................... 73 图5-17 智能电网输电和变电站所需的总成本 ..................................................... 74 表 6-1单位馈电线配电成本估算(第一能源, 2009) ............................................... 75 表6-2配电户均成本估算(第一能源，2009) ........................................................ 75 表 6-3高级计量设施馈电线路通信成本 ............................................................. 77 表6-4配电自动化成本...................................................................................... 78 表6-5现有系统配电馈线自动化成本 ................................................................. 79 表6-6新配电馈线自动化成本 ........................................................................... 79 表6-7智能通用变压器成本的降低和安装的增加 ................................................ 80 表6-8智能通用变压器成本 ............................................................................... 81 表6-9现有用户高级计量设施成本..................................................................... 83 表6-10新客户高级计量设施成本 ...................................................................... 83 表6-11未来配电架构的关键技术挑战 ................................................................ 84 表6-12局域能源网控制器成本.......................................................................... 85 表6-13更新现有配电系统的智能电网成本 ......................................................... 85
图6-1更新现有配电系统的智能电网成本(单位:百万美元) ................................... 86 表6-14满足负荷增长配电系统的智能电网成本 .................................................. 86 图6-2满足负荷增长配电系统的智能电网成本(单位:百万美元)............................. 87 表6-15智能电网配电网总成本.......................................................................... 87 图6-3智能配电网总成本(单位:百万美元) ........................................................... 88 表7-1 美国电力用户 ........................................................................................ 89 表7-2 光伏逆变器的成本 ................................................................................. 91 表7-3 能源管理系统门户 ................................................................................. 92 表7-4 家用显示器成本 ..................................................................................... 93 表7-5 电网就绪家电成本假设........................................................................... 95 表7-6 电网就绪电器的成本 .............................................................................. 95 图7-1 应用成本和渗透率 ................................................................................. 95 表7-8 楼宇能源自动化通信升级成本................................................................. 96
第一章 执行概要
此份报告记录了对未来智能电网投资需求（成本）定量分析的方法论、主要设想和结果，是对美国电科院之前所做报告（EPRI TR-1011001）的更新成果，对全面推行智能电网的收益进行了初级评估。 该报告是商定建设功能完备的智能电网所需投资水平的基本框架，并非是对所有旨在增强输电系统的属性和成本的明确分析。 何为智能电网？
本报告对智能电网的定义是基于2007年《能源独立与安全法》（the Energy Independence and Security Act）中的相应描述而得出的。“智能电网”一词指代的是一种能够进行自我监测与保护的现代化电力传输系统，它能将各个相互关联的环节进行自动优化——通 过高压输电网络和配电系统，把中央电源和分布电源与工业用户、楼宇自动化系统、能量储备装置以及终端用户的温控器、电动汽车、家用电器及其他家用设备串连 在一起。 背景
随着与日俱增的数字化社会需求以及不断增加的可再生能源发电量，现有的对输电技术设施的设计已不能满足电力市场重组后的需求。此外，随着投资范围
的不断扩大，运营维护经常会遇到各种难题与挑战，现有的输电设施在面对各种层出不穷的安全威胁时，也变得愈发脆弱。
图1-1展示的是现在的电力系统。如图所示，它的主要组成方式是通过高压网络或电网把大型的中央发电站与地方配电系统相连，相应地为家庭用户、商业用户和工业用户提供服务。在现在的电力系统中，电流主要是通过机械控制完成单向流动的。
图1-1 现在的电力系统
图1-2展示的是功能完备的智能电网中的一部分元素。虽然智能电网仍需依靠大型中央发电站的支持，但它还包含了众多储能设备和可再生能源发电 厂，这两者数量众多，且分布十分广泛。此外，智能电网的感应和控制能力相关配置得到了显著加强，使其可以与分布式能源、电动汽车、能源管理设备和高效通信 设备等良好适配。智能电网在保证具有数百万结点的复杂系统顺利运行的同时，还能保证网络的安全性。
图1-2 未来的电力系统：智能电网
因此，在全国加强和施行电力传输系统现代化是势在必行的。智能电网给电力系统带来的优化，将确保电力系统具有更高级别的安全性、质量、可靠性和 可用性，从而使经济生产力和生活质量得到提高，在最大化保证安全和可持续发展的同时，还可将对环境的影响减到最小。智能电网将表现出与分布式智能设施进行 普遍协作的特点，包括灵活宽带隙通信，以及动态共享所有电子设备和分布式指挥控制等。完成这一愿景需要有缜密的政策规划、不断加快对基础设施的投资，对研 发与展示抱有巨大热忱，只有这样才能克服前方道路上将要遇到的重重困难和阻碍。 此前的研究
在美国电科院此前的研究里，已经对智能电网的成本与收益进行了评估。根据先前的名为《未来电力传输系统》的研究结果，对智能电网的净投资额需达 到1650亿美元（随着负荷增长和对维持电网可靠性需求的不断增加，还需要更多的投资），成本收益率为4:1（EPRI 1011001报告）。
智能电网将最终与发电、用电等诸环节结合在一起，到2030年，电力行业对二氧化碳的排放量将在2005年的标准上减少58%（EPRI 1020389报告）。智能电网将为国家节能减排事业做出巨大的贡献。美国电科院的一项报告（EPRI 1016905）估计，到2030年，智能电网将使二氧化碳排放量减少6000万-2.11亿公吨/年。
据美国电科院的另一项研究报告估计，全美国各个行业每年由于停电等电力干扰造成的损失在1040-1640亿美元，此外，由于电力质量等造成的 损失为150-240亿美元。在美国电科院所做的关于《2003年8月14日美加停电事故的最终报告》中表明，每次大规模停电造成的损失约为100亿美 元。 总结和结果
除了那些为满足电力负荷增加而进行的投资，表1-1表明，实现未来现代化电力输送系统的预估投资额应在3380-4760亿美元之间。与未来现代化电力输送系统成本相比，预计收益将达到1.294-2.028万亿美元，其成本收益率在2.8到6.0范围之间。
因此，基于这一估算，未来电力输送系统的收益额将大大超过成本投入。乍一看来，此份报告较之2004年所作的报告(EPRI 1011001)，最明显的变化可能就是用于智能电网建设的项目成本的大幅增长。而实际上，这些增长正是展现智能电网更新、更先进特点的地方。与7年前相 比，现在对于智能电网的基本要求比那个时候要宽泛得多，这些变化在本报告中都将有所体现。
表1-1 对智能电网预估成本与收益的总结
此表格表明，需要在未来的20多年里，将每年的投资额水平定在
170-240亿美元之间。为了提高电力传输系统的工作性能，使其达到智能电网需 求，这些投资成本将被用于一系列内容广泛的输电系统性能改善工程中。刨除用于发电的成本、为满足可再生能源及负荷增加而进行的输电设施扩张成本、以及智能 电网配套家居设备的客户成本外，这些投资成本将主要用于建设接入分布式电源和全面普及客户端接入的基础设施。图1-2所示的是总成本花费中的主要组成部 分。作为该报告的重点，预估内容涉及范围非常宽泛，这也反映了电力行业目前在预估这些可能发生或未能发生的成本等方面的不确定性。 智能电网的成本
为了实现智能电网所需的预估投资，包括为满足负荷增长和大规模分布式能源发电所需的花费，作为这些成本花费的一部分，电力系统的扩展需与智能电网互相兼容。
图1-2 智能电网的总成本
图1-3 智能电网的总成本
在表1-3中，总结了美国电科院对智能电网预估用户潜在意义所进行的尝试性描述。
在该表中，智能电网成本被分成几类，并按照如下几种方法进行了计算：（1）根据每类用户数量划分的智能电网总成本（一次性支付代理）；（2）根 据每位用户每年分摊十年期的智能电网总成本（名义价格，并非现行价格和约期）；（3）根据每月平均分摊一年的总成本。最后，美国电科院报告撰写团队还对用 户每月平均电费相应的增长百分比进行了估算。
实际上，在此还可应用更加复杂的成本分配手段，使成本在不同类别间发生转移。在表1-3的假设中，智能电网成本按全美用户进行了平均换算。然 而，由于每位用户的智能电网成本可能区别很大，因此在某些区域智能电网的总体成本可能更加集中，相应的，这些区域每位用户的智能电网成本则有所增加，而别 的区域则相应有所减少。与智能电网将要带来的可观利益相比，这些成本花费就显得微不足道了。但是，电力行业所面临的挑战是，如何说服大家对智能电网建设进 行相应投资。
图1-3 美国电科院对智能电网成本预估的用户潜在意义
智能电网的收益
智能电网的收益是很可观的，源于成本降低、可靠性增加、电力质量提高、全国生产力和电力服务提高等诸多功能因素。在表1-4和图1-4中，是对 这些收益的总结。总体而言，智能电网可以确保向用户提供可靠、高质的数字化电能，以及电力相关的增值服务与环境。智能电网的收益还包括促进可再生能源发电 和储能的快速发展，使越来越多的用户用上电动汽车。如果没有智能电网的发展，许多项技术的整体价值就无法得以显现，这些技术包括电动汽车、电子储能、需求 响应、分布式能源、以及利用风电和太阳能等可再生能源的大型中央发电站等。
在第二章中详述的智能电网收益将包括以下几方面内容：
允许用户的直接参与。智能电网用户可以获悉用电信息，改变了原有的用电和购电方式。
将所有的发电和储能设施进行适配。智能电网可以适配所有的发电和储能设施。
促成新产品、新服务和新市场。智能电网可以促成一种新的市场体系，为优质的服务商提供的竞争机会，从而使用户达到最佳成本收益。
为数字化经济提供高质量的电力。智能电网可提供干扰较少、可靠性较强的电力。
优化资产应用和运营效率。智能电网可以优化资产应用和运营效率。
预测和反馈系统故障（自愈能力）。智能电网可以独立鉴别系统故障、作出反应并对故障进行修正。
遭到攻击或自然灾害破坏时仍可有效运行。智能电网既可抵御对基础设施（变电站、电桩、变压器等）的物理攻击，又可抵御对网络结构（市场、系统、软件、通信设施等）的攻击。
图1-4 智能电网的预估收益
图1-4智能电网的预估收益 （单位：十亿美元）
网络安全
近来，应用于未来电网的信息技术安全问题已经引起了人们的关心。早在2000年初，各电厂运营过程中就考虑到了网络安全的问题。近些年来，随着 智能电网的普及发展，网络安全问题也变得越来越重要。虽然到目前为止，只有少数可靠的报告表明电力系统受到过网络攻击，但是随着电网变得更加智能、互动性 更强，人们越来越担忧美国的电力供应会变得更容易遭到攻击破坏。
网络安全是智能电网的一个必要因素，对数字化网络覆盖（智能电网的组成部分）的安全保密性和完整性进行保护十分必要。
项目组关于网络安全保护所做的评估包含在了先前的评估内容中，对智能电网所需投资额的预估值约为37.29亿美元，另外，与信息技术相关的投资额预估值约为322.58亿美元。
第二章 内容介绍
智能电网愿景
此部分内容包含了智能电网的定义、收益大纲、智能电网的特点，以及美国电科院在向美国科学和技术研究院（NIST）所作报告中提出的建设智能电 网所遇到的相应挑战。对此原景的描述，可以在美国电科院在向美国科学和技术研究院（NIST）所作报告(EPRI, 2009)中找到。 何为智能电网？
本报告对智能电网的定义是基于2007年《能源独立与安全法》（the Energy Independence and Security Act）中的相应描述而得出的。“智能电网”一词指代的是一种能够进行自我监测与保护的现代化电力传输系统，它能将各个相互关联的环节进行自动优化——通 过高压输电网络和配电系统，把中央电源和分布式电源与工业用户、楼宇自动化系统、能量储备装置以及终端用户的温控器、电动汽车、家用电器及其他家用设备串 连在一起。
智能电网具有电力和信息的双向流动特点，可以构建一种自动的、广泛分布的能量输送网络。它可以将分布式计算和通信的内容整合进电网，输送实时信息，确保设备端的供需瞬时平衡。 智能电网的特点：驱动因素和机遇
关于智能电网的定义，是基于以下来源得到的：美国电科院发起的
“IntelliGrid项目(intelligrid.epri.com )”，美国能源部（DOE）与美国国家能源技术实验室（NETL）合作发起的“现代电网计划（MGI）”(NETL, 2007)，和美国电网智能化架构委员会（GWAC）(gridwise.org)。通过这些相关项目组织和机构所付出的辛勤努力，关于智能电网的愿景描 述、架构原理、障碍因素、收益好处、技术与应用、政策条款以及有助于定义智能电网的框架结构等内容，都得到了很好的发展与阐释。 智能电网的好处
智能电网的好处可分为以下五类：
1. 电力可靠性和质量。利用数字信息、自动控制和自治系统，智能电网可以提供可靠的电力供应，减少停电次数和停电时间，它是“更加清洁”的、具有自愈性的电力系统。
2. 物理安全与网络安全。智能电网可以进行持续的自我监测，对那些影响可靠性和安全运营的不安全情况进行检查。所有的系统和运营模式中都能保证高度的网络安全，其中包括物理监测、网络安全、以及对所有用户的隐私进行保护等。
3. 提高能效。智能电网能效水平更高，可以有效减少用能总量、降低用电峰值需求、减少能耗，它还可以诱导终端用户减少用电量。
4. 促进环保。智能电网可以促进环保，通过减少低效能源发电、支持可再生能源发电，推动电动汽车取代传统汽车，有效帮助减少温室气体和其他污染物的排放。
5. 直接的经济收益。智能电网可以带来直接的经济收益。运营成本将会有所下降或被抵消。用户可以获悉用电信息，并有多种购电价格可供选择。企业可以加快发展发电、配电、储能和协调等相关技术。 利益相关者的好处
智能电网所带来的好处可以按三种利益相关者类别进行如下划分： 1. 用户。用户可以根据实时的能量供应情况对自己的用电进行权衡。多种购电价格选择可以鼓励用户安装与智能电网配套的相关基础设备。这些智能电网的相关信息基础设备还可提供目前没有的增值服务。
2. 电厂。通过加强能效和信息管理，电厂可以提供更加可靠的电能，这一点在应对应急情况时尤为重要。
3. 社会。更加可靠的电力供应可以确保政府服务、商业运营和那些对停电影响敏感的部门得以顺利运行，使全社会从中获益。应用可再生能源、提高能效，支持电动汽车的使用，可以减少对自然的破坏（例如碳足迹标示的耗碳量等）。 上文所述的三类利益相关者所获得的好处是具有共通性的。电厂成本减少可以降低电价或防止电价上涨，基础设备成本下降可以增加用户的用电价值，用电成本下降可以促进益于社会的经济活动。智能电网对全社会的好处虽然是间接的、难以量化的，但也是不容忽视的。
其他利益相关者也能从智能电网中获益。监管者可以得益于智能电网信息的透明性和审核能力，供应商和集成商可以得益于智能电网产品及相关系统的商业运作和产品机会。
现代电网促进智能电网发展的特点
根据本章的上下文内容，所谓智能电网的特点，主要针对的是那些可以用来区分“智能”电网的突出特征、性能和特点等。现代电网计划(MGI)提出了７条性能用来定义智能电网。在智能电网相应领域工作的人员可以参考这些性能来评价自身所从事的工作。
图２－１ MGI的主要特点——该计划中智能电网成功测算愿景的部分内容
（取自：美国电科院对美国科学和技术研究院的报告，2009）
现代电网计划（MGI）对智能电网的性能做了如下定义：
1. 促发用户的积极参与。智能电网可以对用户产生鼓励和促发作用（其中，用户是电力系统不可分割的组成部分）。智能电网用户可以获悉用电信息，一改往日的用电 和购电形式。用户将具有更多选择，体验到相应奖惩措施，改变原先的购电模式和行为。这些举措也将推动新技术和市场的发展。
2. 适配所有的发电和储能设施。智能电网可以适配所有的发电和储能设施，既支持大型中央发电厂也支持分布式能源（DER）。分布式能源可以是包括一系列的发电 系统的聚合系统，也可以是装有风机和太阳能光板的农场。这一点同样也适用于储能方面，随着各种储能技术的日渐成熟，它们将成为智能电网整体解决方案中的重 要一环。
3. 促进新产品、新服务和新市场。智能电网可以促成一种新的市场体系，为优质的服务商提供竞争机会，从而使用户获得最佳成本收益。监管机构、聚合机构、运营商 和用户可以尽可能修改运营规则，为改变市场条件创造机会。灵活、稳健的市场基础设施建设可以保证持续可靠的电力服务，并为市场参与者提供收益增加或成本降 低的机会。创新的产品和服务可为第三方供应商提供市场渗入机会，用户选择余地将变得更大，用户将用更智能的设备来管理自己的用电成本和用电能耗。
4. 为数字化经济提供高质量电能。智能电网可以提供干扰少、清洁、可靠的电能。用无故障的数字设备为二十一世纪经济生产提供电能助力，是全球竞争力对电网提出的要求。
5. 有效优化资产应用与运营。智能电网可以有效优化资产应用与运营，它采用最新的技术，可以确保资产的最优使用，进行良好的资产运营和整合，将运营效率扩大到最大化的同时减少成本投入，其日常维护和自我调节能力还可延长资产运营时间的同时减少人力投入。
6. 预测和反馈系统干扰（自愈）。智能电网可以独立识别、追踪系统干扰，并对其加以修正。它集成了一套工程设计体系，可以自动独立或在极少人力辅助下对干扰进 行隔离、分析和存储，它可以执行连续的预测分析，监测现有的和未来可能出现的问题，并启动修正措施，快速做出反应，应对电能损耗，优化恢复措施。
7. 抵御攻击和自然灾害破坏。智能电网既可抵御对基础设施（变电站、电桩、变压器等）的物理攻击，又可抵御对网络结构（市场、系统、软件、通信设施等）的攻 击。 传感器、摄像机、自动开关和其他智能设备将被植入电力基础设施，用以对系统识别出的威胁进行观察、回应和报警。该系统恢复迅速，具有自愈技术，可以对自然 灾害破坏做出反应，还具有进行持续监测和自我测试的功能，可以用来抵御恶意软件和黑客的攻击。 智能电网所面临的挑战
智能电网在程序上和技术上都面临着一系列的挑战，包括如何将目前的电流单向流动（从中央发电站到分散负荷）的电网变成电流双向流动的、双向对等 的、与用户互动的新型电网，如何接入分布式发电、智能设备和指挥控制设备等。这些挑战都不容小觑，智能电网将为发电、输电和用电等各环节带来全然不同的新 图景。
程序上面临的挑战
从短期来看,很有必要为智能电网所需克服的种种困难设立优先解决次序。电力行业应该通力合作，将这些困难和挑战细分到块，对假设展开测试，使这 些困难变得更加容易控制。为了说明这一问题，美国电科院正在与一些成员合作制定一个旨在完成智能电网承诺的路线图，其中包括必要的决策树和明细清单等。 1. 利益相关者范围广泛。智能电网将会对全美国的每一个人、每一个行业都产生影响。虽然并非所有人都要直接参与到到智能电网的发展建设中来，但是电厂、系统运营商、第三方电力服务供应商和用户本身都应付出巨大努力以确保赢得全部利益相关者的理解并满足他们的需求。
2. 智能电网的复杂性。智能电网是一套极为复杂的机械体系，其中某些部件的运转速度可与光速媲美。智能电网在某些方面需要对人类做出敏感反应和互
动，并在另一些方面做出瞬时智能自动响应。财政压力和环境需求等一系列问题都会对智能电网起到驱动作用。
3. 向智能电网过渡。向智能电网的过渡转变不是一朝一夕就可以完成的，现有的电力设施和系统不可能在很短时间内就被完全更替。智能电网的持续过渡过程需要与各 种技术长期共存，我们不仅要更换现有遗留的系统和设备，还要把它们变成适用于未来发展需求的系统和设备。因此，我们在设计时就要考虑到如何避免不必要的开 支，如何保证可靠性、安全性和网络安全等问题。 4. 确保系统网络安全。智能电网的每一环节都要保证安全无误。如果没有相关政策规定、持续的风险评估和相关培训的支持，单凭网络安全技术和相关标准是无法完全确保电网安全运营的，所以我们应该花时间搞好这些涉及人力参与的程序步骤，确保其准确无误。
5. 标准方面达成的共识。虽然强制的技术手段可以作为捷径，但是标注的建立应该基于许多利益相关者随时间推移而达成的共识。这些基于共识而达成的标准可以获得更好的收效。
6. 标准的发展和支持。标准发展的开放过程得益于拥有一群具有专业知识和洞见能力的支持者。虽然这项工作极具挑战性且非常耗时，但产生的架构却能反映出一大类 利益相关者的利益，而非是某些特定利益群体的狭隘利益。用户和其他组织的持续参与，使所定标准更能满足广大利益相关者而非那些行业所有者的需求。这些行为 对发展制定强大的标准而言是至关重要的。
7. 研究和发展。智能电网建设是一个不断发展前进的目标，我们不可能一蹴而就。我们需要对智能电网进行持续不断地研发，不断对收益和成本进行评估，并且不断预测未来的发展需求。
8. 关键数量民众。美国电科院项目组目前还并不清楚智能电网的推广是否需要对关键数量民众需求、关键点和推广渗透率等问题进行考虑。但是，早期的努力必须产生 收益以便赢取用于进一步发展的广大支持。只有赢得了众多用户对智能电网概念的支持，这种支持范围才会不断扩大。如果智能电网建设所作的一切都服从于一种缓 慢混沌的发展模式，而非具体集中的发展模式，智能电网就不可能很快获得收益。
智能电网在技术上所面临的挑战
技术上所面临的挑战包含以下几个方面：
1. 智能设备。智能设备指的是所有基于计算机或微处理技术的设备，包括控制器，远程终端单元(RTU)和智能电子设备(IED)等。它既包括开关、电容器组或 断路器这样的实际电力设备，也包括家居、建筑或工厂中所用到的各种设备。这种嵌入计算式设备必须在未来若干年的应用中结实耐用，无需进行更换。
2.通信系统。通信系统指的是媒介和发展的通信协议。这些技术的成熟程度各不相同。智能电网必须具备足够的活力，在适应通信行业所出现的新媒介的同时，保证系统的互操作性和安全。
3. 数据管理。数据管理指的是收集、分析、存储、向客户提供数据和应用的各个方面， 包括数据的识别、验证、准确性、更新、时间标注、数据库的一致性等问题。适用于少量数据的数据管理方法往往难以承担大量数据的处理任务。在自动配电和用户 信息环节会产生大量数据，数据管理是众多功能中最耗时、最艰巨的任务，且所需处理的数据量非常大。
4. 网络安全。网络安全指的是防止电子信息、通信系统和服务遭到未经授权的使用和开发所造成的损害等，如有需要，需对这些电子信息、通信系统和服务(及其中所含信息)进行恢复，以确保其机密性、完整性和可用性。
5. 信息/数据隐私。对隐私权的保护和管理是智能电网所代表的互联系统广泛关注的重要内容。此外，还需注意的是，不同的利益相关者从智能电网获取信息的权利各有不同，所以信息的获取不能采取一刀切的办法。
6. 软件应用。软件应用指的是程序、算法、计算和数据分析。应用范围从低层控制到大规模事务处理不等。由于所需解决问题的复杂性不断加深，对软件的应用需求变 得更加复杂，解决问题时必须变得更快、更精确。从发展尺度和严密性等方面看，软件工程学还只是一门新兴的学科。软件应用是智能电网每一项功能和节点的核 心。 智能电网的组网
智能电网是网络中的网络，囊括了电力、通信和智能设备，它可以将那些传统意义上所有权和管理权限不同的网络设施进行互联，在所有利益相关者和智能电子设备(IED)之间提供端对端的服务。
图2-2 智能电网的信息交换网络
（取自：美国电科院对美国科学和技术研究院的报告，2009）
图2-2表示的是智能电网信息网络的高层视角。它处理的是网络末端各点在各自的域内所进行的双向通信。我们所说的域是指唯一的分布式计算环境， 在这种环境下，可以建立通信端点（详见下一章）。因此，根据入网需求限制和服务需求质量的要求，任何域的应用都可以通过信息网络与其他域的应用相连。 正如图2-2的顶部和底部内容所示，每个域的应用位于网络末端各点。例如，用户域的应用可以体现为用户端对智能电网的使用；输配电域的应用可以 体现为输电线或配电站对相量测量装置(PMU)的使用；运营域的应用可以体现为运营中心对计算机或显示系统的使用。上述每一个应用域都与网络之间存在着物 理的通信连接。图中所示的更小片的云代表那些可以植入独特功能的亚网络。由于在运营、市场和服务供应商域的组网功能可能不易与正常信息处理网相区分，所以 图中并未用独特的云对其加以区分。
信息网络可能包含多重互联网络。如图2-2所示，其中包括两个主干网络，即网络A和网络B。两个网络内以及网络末端各点之间的物理连接可以应用到目前已有的和未来可能被研发出来的任何适当的通信技术。 对信息网络的其他要求可以分为如下几点：
1. 管理功能，用于电网状态监控，故障查找、隔离和恢复。 2. 安全协议，保护智能电网信息传送、验证基础设施组件。 3. 网络安全应对措施。
4. 寻址能力，获取网络中实体及相关外设地址。
5. 到所有网络末端的路由选择能力。
6. 服务支持质量，用于具有不同延迟和损失情况的一系列应用。 智能电网的概念模型
关于智能电网概念模型的图解和描述是讨论智能电网特点、用途、性能、接口、需求和标准的基础。虽然该图不能代表智能电网的最终架构，但却可以把 它当成描述、讨论和发展智能电网架构的工具。这一概念模型为本报告下文所述的以及智能电网架构发展中关于互操作性和标准的分析提供了参照。
图2-3智能电网的概念模型-顶层
（取自：美国电科院对美国科学和技术研究院的报告，2009）
该概念模型中包含多个域，每个域中又包含多个应用域和执行者（每个末端配有接口）通过不同的关联进行着相互连接：
1.执行者指的是设备、计算机系统、软件程序和/或拥有这些东西的机构团体。执行者可以做出决定，并通过接口与其他执行者进行信息交换。
2.应用指的是这些执行者在域中执行的各项任务。有些应用是由单一执行者完成的，而另一些应用是由多个执行者合作完成的。
3.域群执行者可以发现用于定义接口的共通性。总体而言，同一域中的执行者有类似的目标，同一域内的通信可能具有相似的特性和需求，某些域也可能包含在其他域内。
4.关联指的是不同执行者之间通过逻辑联系所建立的双边关系。在每个关联的末端，对应的是一个执行者的接口。
5.接口指的是电力连接或者通信连接。在图示中，黄线表示电力接口，蓝线表示通信接口，每种接口都是双向的。通信接口表示的是两个域及域内执行者之间的信息交换，而非物理连接。在智能电网的信息网络中，它们表示各种域之间的逻辑互联（如图2-1所示）。
表2-1智能电网概念模型中的域
表2-1中简要罗列的是智能电网的各个域，更详尽的内容将在下一章中有所涉及。在图2-3中，各域是用云来表示的。
值得注意的是，这里所指的域并非是某一具体组织机构。比如说国际标准化组织（ISO）或地区输电组织（RTO），他们可能在市场域和运营域中都 有执行者。同样道理，配电厂可能并不完全包含在配电域内，它很可能在运营域中具有配电管理系统这样的执行者，在用户域中具有电表这样的执行者。 其他挑战 劳动力问题
电厂的劳动力正面临着严峻的挑战。在电厂50-60万工人中，有一半人将在未来5年内达到合法退休年龄，这就需要有一批训练有素、工作热情高的 工人来接替他们的工作。引入智能电网需要工人们具有不同的技术来支持这种带有数字化组件的电网系统的推广、维护和运营工作。人员紧缺是个难题，具有很高技 术经验的人员也很难获得。为了满足生产需求，必须找到高技术人力来弥补电厂人员的缩水问题。在本报告中，包含了与安装智能电网设备和软件以及差别维护相关 的劳动力成本，但并不包括那些主要涉及数字设备和通信技术的劳动力成本。
通过区分用户设施的停电情况，停电管理系统可以节省停电误报的成本。[据美国宾夕法尼亚州费城电力公司(PECO)估计，2005年，由于该公司对用户停电误报的准确判断，避免了7500起不必要的人员外派检修任务](PECO，2006)。
智能电网在监管方面所面临的挑战
智能电网技术使监管者在鼓励和评审智能电网相关投资决定时，面临了前所未有的挑战。过去几十年里，电力系统运营过程中并未用到过“智能”技术手 段。实际上，许多电力系统的99.999%运营依靠的是总体层面上的传输。只要这种可靠性得以在低成本下保持下去（过去几十年来费率一直保持平稳态势）， 让人从概念上理解这样一揽子的数字化技术可以提高如今电力系统的现有价值是非常困难的。
监管者正在考虑出台新的监管和运营模式，从而为注重能效的电厂提供更多奖励。在某些情况下,他们可能要面临着这样一种困窘，即靠降低费率来赢得智能电网的投资支持可能会造成收入的减损。受到监管的电厂在配电系统和涉及到终端用户的系统中，越来越多地用到了能效措施。
在监管方面所面临的另一项挑战是，如何让对智能电网投资额的增加抱以理解。通常情况下，出于逻辑原因，智能电网技术往往是按阶段进行推广的，且 每一阶段需要通过相应的商业计划来赢得监管方的支持，但是，通过智能电网建设而获取的许都利益却是来自于智能电网技术投资组合的战略性应用的。 这一问题在伊利诺伊斯州商业委员会近期所做的报告中得到了很好的总结(ISSGC,2010)：
“关于智能电网的成本回收问题几年来一直是人们争议的话题，意见的分歧在于采纳‘传统的’费率基准办法还是采纳‘非传统的’办法对电厂的智能电网成本回收进行限制。
一些利益相关者担心电厂关于回收智能电网投资成本的提议可能会导致每月电费的大幅增加，他们还担心投资风险会转嫁给纳税人。另一些利益相关者认为非传统的成本回收方法将在加快智能电网技术部署过程中起着关键性的作用。”
最终，监管方和电厂将电厂资产的寿命规定在30-50年范围内，受到监管的各大电厂的商业计划和费率情况一般都以上述推断作为基础。（特别是在 智能电网建设的前期阶段）引入数字设备时，大量资本投资的折旧率将会是5-15年。为了避免资产更新成本的不必要增加，必须允许适当的贬值折旧率。
总之，为了使智能电网的建设大获成功，各大电厂和监管方在技术方面必须具有前瞻性观点。
智能电网投资的驱动因素
现在已有大量各式政策和经济趋势开始激励和驱动美国智能电网技术方面的各种投资，其中包括：
1.2007年的《能源独立安全法》（The Energy Independence and Security Act，EISA）为电网现代化制定了国家政策，成立了新的联邦委员会，为其界定了角色和职责，并为投资提供了奖励措施。
2.2009年的《美国经济恢复与再投资法案》（The American Recovery and Reinvestment Act）提供了34亿美元的资助鼓励用于智能电网技术的发展与示范工程，另外6.15亿美元用于智能电网储能。截至2009年10月，共颁出了一百项关于 智能电网的投资拨款。这些三年期经费的补助比例为50%比50%，主要针对的是那些可以被他人效仿沿袭的智能电网投资项目，补助额总计将达到70-80亿 美元。
3.《可再生能源配额标准》（Renewable Portfolio Standards，RPS）已经在美国的30个州和哥伦比亚地区得以施行，旨在鼓励新能源技术的快速发展，加快电网整合过程中对智能电网技术的需求。美 国电科院在其Prism分析中预测到，截至2030年，可再生能源量将达到135兆瓦(EPRI1020389)。此外，许都州还针对各自具体的环境问 题，制定实施了相应的法规政策。
4.《能源独立安全法》呼吁建立了《智能电网互操作标准》
（Smart Grid Interoperability Standards），同时，美国科学和技术研究院借助于美国电科院2009年8月发布的中期路线图草拟报告，于2009年9月发布了关于互操作标准的路 线图。虽然这些标准本身不能驱动智能电网的投资，但却可以用于辅助智能电网的部署发展。
5.由北美电力可靠性委员会（The North American Electric Reliability Corporation,NERC）维护的《关键基础设施保护(CIP)网络安全标准》[Critical Infrastructure Protection(CIP)Cyber Security Standards]2006年获得了美国联邦能源管理委员会(The Federal Energy Regulatory Commission,FERC)的许可，旨在确保控制和影响北美大规模电力系统可靠性的关键网络资产的安全问题。《关键基础设施保护(CIP)网络安全 标准》是在大规模电力系统的所有用户、所有者和运营商之间强制执行的。
6.需求响应程序得以加快发展。美国联邦能源管理委员会(FERC)2008年所做的关于需求响应(DR)和自动计量设施(AMI)的调查表 明：高级计量设备的使用率为总电表数的4.7%（这一数字在2006年还不到1%），目前全美有8%用户参与到了需求响应程序中。借助各种州际立法鼓励措 施和电厂政策规定，需求响应程序将会继续得到普及。关于需求响应的巨大潜力，可以在美国联邦能源管理委员会2009年6月所做的《关于需求响应潜力的全国 评估—员工报告》（A National Assessment of Demand Response Potential–Staff Report）和2010年6月所做的《关于需求响应的全国行动计划书》（National Action Planon Demand Response）中得以体现。
7.智能电网技术的市场需求已经引起了许多大型信息公司的关注，其中包括思科（Cisco）、英特尔（Intel）、谷歌（Google）、 IBM和微软（Microsoft）等，它们都希望从这一未来最具商业前景的领域分得一杯羹。从全球百万亿美元的市场潜质看，智能电网可与互联网相媲美， 它是加快电动汽车和充电式混合
动力电动汽车应用部署过程中的必要基础设施。此外，由于用户会对设备供应商所提供的服务作出回馈，他们很可能成为未来智能电 网技术市场塑性过程中的驱动力量。
8.风险投资也在很大程度上进入了智能电网领域，旨在为自动计量设备(AMI)领域、通信和网络技术领域等带来更多、更集中的技术创新。目前已 有多达10亿美元风险投资基金拨发给了以Grid Point公司和银泉网络公司（Silver Spring Networks）等为代表的新兴关键公司。
9.为了优化未来的投资策略，许多电厂都制定了关于智能电网的路线图，但是每个公司的目标和起点却不尽相同，最优路线也很难实现。为此，美国电 科院联合美国SCE公司、第一能源公司（First Energy）、SRP公司以及其他公司一起制定了一个智能电网投资的路线图。那些得益于智能电网示范工程的可靠数据是当下最关键的，随着智能电网项目部 署的不断推进，我们需要采取各种努力对那些通过智能电网示范工程中得到的实际数据进行测量。
10.国家输电走廊已经确立。美国2005年《能源政策法》(The Energy Policy Act)授权美国能源部（DOE）对国家电力输送拥塞问题进行研究，并在适当情况下指定国家输电走廊。2007年，美国能源部分别指定了中部大西洋全国输 电走廊和西南地区全国输电走廊。
11.在以信息服务为基础的经济环境下，停电保护的意义变得愈发重要。过去40年共发生过5起大停电事故，其中3起发生在过去十年间。2003 年东北部地区大停电使该地区造成约了70-100亿美元的损失。而那些虽然破坏力较小但是发生更为普遍的电力质量问题，估计每年也会造成全美 1190-1880亿美元的损失(EPRI1006274)。 美国电科院之前所做的研究
自20世纪80年代起，美国电科院就合作致力于以电力为基础的各种创新（现在被称之为智能电网）的相关研究，曾经推动促进了各大电力企业内部和外部的相互合作并使他们之间达成了共识。这种努力还在继续着，从来不曾间断。 在美国电科院先前的研究中，已经对智能电网的成本和收益情况做出了评估。 1.根据该院2004年的研究结果，“未来电力输送系统”所需的净投资额为1650亿美元（随着负荷增长和对维持电网可靠性需求的不断增加，还需要更多的投资），成本收益率为4:1。 收益增长点如下： -能耗减少，发电效率增加 -输电拥塞减少
-电力质量提高 -环境影响减少
-美国竞争力得以提升——全美产品价格下降，工作就业机会增加 -电网资产利用率提高 -电网维护针对性和效率提高 -机械故障减少
-遏制对电网的进攻，安全性得以提升 -抗自然灾害破坏能力加强 -公众安全和工人作业安全提高
2.美国电科院的研究表明，美国每年在电力干扰方面造成的花费为
1190-1880亿美元(EPRI1006274)。北美电力可靠性委员会 （North American Electric Reliability Corporation,NERC）发布的一篇名为《关于美加2003年8月14日大停电的最终报告》中指出，每次大规模停电所造成的社会损失约为100 亿美元。
3.在最近的两篇报告中提到，智能电网可以为国家实现节能减排目标做出巨大贡献。
-其中美国电科院所作的一篇报告表明，到2030年，智能电网有助于减少6000万-2.11亿公吨二氧化碳排放量。
-另一篇有西太平洋国家实验室(PNNL)所作的报告表明，全面推进智能电网技术可以在2030年将耗电量和二氧化碳
4.此外，根据另一份报告表明，根据美国电科院的预计，将智能电网与发电、用电终端等环节结合起来，可以在2030年时将年二氧化碳排放量减少至2005年电力行业排放标准的58%(EPRI100389)。 美国电科院的示范工程
1.整合不同形式的分布式能源的有效示范形式 2.各组件间整合和互操作性的多重示范层次 3.开拓已有的和新出现的信息与通信技术
这些示范工程将在美国的许多地方进行，包括各种形式的馈线建设、气候区和技术等。对居民区、商住混合区和商用区的特殊馈线种类进行整合是个别示范项目的重点。 本报告的目的
本报告的首要目的是引发人们对建设可行的智能电网所需的投资需求进行探讨。为了满足这一目的，本报告记录了对未来智能电网投资需求（成本）初级定量评估的方法论、主要设想和结果，希望以此为出发点，鼓励利益相关者对这一话题再进行深入探讨。
电力输送系统的复杂性，加上用于增强输电系统性能的相关技术应用与配置的巨大潜力，都加深了投资需求定量分析过程的复杂性。此外，由于所获信息 的多样性、分析细化部分的复杂性以及相关评估技术的不确定性，某一单一的方法不可能适用于评价过程中的所有内容。但是，如果没有对成本的初步估算，针对电 力输送系统适当投资水平的讨论就不可能取得进展。因此，项目组根据整个评估报告每一重点部分的具体内容，在所获可靠信息的基础上选取了适当的研究方法，进 行了省时、高效的研究。
在本报告中，美国电科院将只涉及智能电网的整体成本，而在另外开展的一项研究中全面评估收益问题。但是，在本报告的第四章，也包含着对智能电网收益初级评估的更新内容。
对智能电网成本的预估为何会发生变化？
较之美国电科院所做的前后两次报告，潜在成本方面发生了巨大变化，其原因有如下几点：其一，通货膨胀和组件成本的上涨是造成这种变化的部分原因；其二，未来智能电网愿景中提到的大量功能扩展也是造成这种变化的原因。在表2-2中，对这些变化进行了标注。
表2-2：智能电网功能增加的主要因素
*加强的能效包括以下几个方面： 大型商业建筑的不断调试 能源使用情况的直接反馈 与峰荷管理相关的节能
与加强的检查和确认（M&V）能力相关的节能
第三章 研究方法
项目组把电力输送系统分隔为不同的功能区，并对有关技术发展和部署以及研究期间（2010-2030）的成本提出了一些假设。本节对输电、变电站、配电和用户这四个主要的技术部门的25个成本构成部分进行了更详细的介绍。 电力输送系统由哪些部分构成？
电力输送系统包括位于发电厂（发电厂是电力输送系统的开端）的母线，以及延伸到用户端的耗能设备或装置。这意味着，电力输送系统，包括升压变压器、发电开关站、输电站-输电线路-设备、配电站-配电线路-设备、智能电子设备、通讯设备、用户端分布式能源、电能质量缓解装置和不间断电源、传感器、储能装置以及其它设备。
该系统的不足之处主要表现在可靠性差、电能质量退化严重、易受恶意破坏或恐怖袭击影响、无法整合可再生能源，以及无法为用户提供更好的服务等。 加强智能电网建设有何意义？
为了满足社会的能源需求，需要在整个电力输送系统中将以下现有的先进技术进行结合应用。但又不局限于这些内容： • 自动化：“智能电力输送系统”的核心
• 通信结构：未来电力输送系统的基础和智能电网整合的推动者 • 分布式能源和储能的发展和一体化
• 分散在整个电力输送系统的电力电子技术控制器和传感器 • 先进计量基础设施
• 可将用户和他们的能源服务和通讯实体相连接的门户 • 电力市场工具——可使电力市场批发更具流动性的信息系统 • 用电方面的技术创新
• 需求侧方面成熟的装置和设备
将这些技术的最优结合需要对这些技术的研发部署进行持续、大量的投资。在美国电力行业这样的关键行业进行这样的投资尚属首次。 研究步骤
为了对未来20年里的投资水平进行初步的定量估算，项目组首先将核心技术分成了四个广泛的领域：输电、变电站、配电和用户界面。接下来，项目组再把估算过程进行了以下细分：
• 为满足负荷增加和纠正缺陷的需要，通过设备安装、升级和更换来接纳新的用户（新的连接）并随着现有用户对负荷需求的增加满足他们日益增长的能源需求以及纠正缺陷（例如，调整功率流瓶颈和限制会导致关键电网设备损坏的高故障电流）。
• 智能电网：为了建立智能电网，该项目组还估算了先进技术的发展和部署以及电力输送系统功能性的提升等方面的投资。
第一部分代表要维持现有电力输送系统足够容量和运作所需的投资，而第二部分是用以提升该系统智能化的额外的成本。 主要假设
成本估算是基于以下几个关键假设：
• 把可以使电力输送系统变得更加智能、更加强大、更加灵活、具有更强适应性和自我修复能力的技术相结合
• 可完成监管任务的所有合理的可提高成本效益的标准： - 与2007年《美国能源独立和安全法案》所要求的相一致。 - 符合合理的成本效益评估。
- 符合北美电力可靠性公司的可靠性标准，并能保持或提高目前的可靠性水平（10年容许缺电1天的失负荷概率）。
- 满足美国有关系统平均停电时间和系统平均停电频率的指导方针。方针建议停电持续时间控制在100分钟以内。电能质量可保持在现有水平，或者有所提高。
- 符合费率的目标。 - 符合未来可再生能源发电配额制度的要求。 • 将能够加强智能电网功能，同时又满足负荷增长并能对电力输送系统进行扩建和现代化要求的技术和政策进行结合。 - 建立一个功能齐全的电力输送系统 - 提高用户连通性和客服质量
- 整合分布式能源资源• 适应PRISM和美国电科究院其他规划中对可再生能源资源的需求增长的需要，并为美国能源部风能发展目标的实现提供可能性。 - 据美国电科院Prism估算，到2030年可再生能源发电量可达1350亿瓦。 - 美国能源部实现到2030年风能发电量达到20％的宏伟目标的可能性越来越大。 • 美国能源情报署的2010年度能源展望项目估计：2008年到2035年的电力年增长率为1.0％。这是由“经济的结构性变化——更高的价格——标准化——更高的效率”推算而来的（能源情报署，2009）。美国电科究院认为，在本报告中呈现的这些方案和活动可以看作是智能电网的一部分，它们有可能将1%的年增长率降低到0.68％。此外，电科院还估计，高峰用电需求将以每年0.53%的速度增长（EPRI 1016987）。在服务于用户的日益增长的需求资产假设估算方面，这些增长率也被考虑在内。
• 假设同时部署智能电网功能。虽然现实中智能电网功能的部署是平行、分散铺开进行的，但在本研究中，我们假设这些功能的部署是连续、同时进行的。 • 假设部署进度稳定。假设部署始于2010年，大多数技术的部署将在未来20年以每年最大假设渗透率的二十分之一这样一个速率进行。而对这些部署进行升级和现代化则在2030年以后继续。
-智能电网建设是个长期的事业。它将一直有机地发展，不是作为阶梯函数或一场“革命”，而是作为一种新技术，变得可用、实用、好用！
- 研究者认为，对智能电网的投资发展不会局限在未来的20年时间里，也不会在全国各地均匀分配。
• 电力输送的总投资成本将超过对智能电网的投资。因为这其中包括为满足用电负荷增长和维护电网运行的可靠性要求而进行的投资。
• 在未来20年时间里，在技术水平方面很可能已经有了前所未有的提高，而 技术成本方面却很可能有所降低。对于投资而言，目前已经有了一些比较合理的估算，但很可能由于没有考虑到技术迅猛发展所带来的影响，很可能导致估
算结果显 得过于保守。从历史上看，大量技术的进步，如智能电网技术方面的进步总是由某一项技术的创新突破带动起来的。对于智能电网技术的进步，人们有着各种各样的 想法——有试点阶段方面的想法，甚至有些是在试验阶段。从某种意义上说，通信控制和计算能力就属于这样的技术突破口。然而，那些投资于其他像存储、电力电子和传感器方面的技术进步方面的成本分析，将在本报告中以零星嵌入的方式加以呈现。
• 适当考虑部署了智能电网技术的公共事业的运行维护成本。运行和维护费用占总成本的很大一部分，并影响成本评估水平。信息通信和智能电网的技术运维方面的费用也应包括在成本预算内。
• 随着智能电网的发展，通信网络也将更普遍，并具有更多功能。公用事业借助商业运营商提供的网络，也 可能建立拥有指定频谱、或致力于维护公共安全的共享频谱，以及免授权频谱的专用通信网络。采取不同的通信网络解决方案，成本也会有显著差异。在这项研究 中，我们不仅评估了通信网络的整体成本，还对智能电网各个领域和应用方面的成本进行了评估。 智能电网成本是难以估算的
依据它们的特性，智能电网因以下原因很难被估价：
• 它们经常涉及到数字技术集成——有时几乎嵌入式输配电资产相比今天大多数的网络技术而言有不同的故障率和平均寿命。这些故障和置换率必须被估价。使用一个像配电变压器这样有40年设计寿命且结合了10,15或20年信息技术生命力的嵌入式组件，我们估算升级该变压器所需的费用时就需慎重行事。 • 数字技术推陈出新的速度很快。日益复杂和扩大的通信和计算能力很可能使智能电网组件过时或使其余的信息和通信技术系统在使用寿命结束前便不能使用了。因此，合理的替代成本必须被估价。
• 智能电网技术将比“常规”技术具有更大的改进可能，且可以节省预算费用。
• 性能的不可靠——很多智能电网技术相对较新、且未经检验。如果他们的性能很一般或随着时间的流逝不断退化，关于这项技术的整个商业计划将可能被破坏。
• 智能电网的组件成本下降很快。随着这些技术的日渐成熟和产量的不断增加，智能电网技术的边际成本将很可能快速下降。
图3-1 电网组件成本示意图
技术成本估算：需要考虑的因素和不需要考虑的因素
表3-1概括了成本分析中，哪些因素被考虑在内，哪些因素被排除在外。在大多数情况下，为满足负荷增长的需要而对输变电线路进行扩建的成本就被排除在外了。
图3-2 说明了本报告中成本估算的范围，那些用于电器和混合动力汽车等诸用户的传统意义上的投资被排除在外。但基础设施整合的成本是包括在内的。
表3-1本报告估算中涉及的技术成本和不涉及的技术成本
有些电厂需追加的额外成本会涉及到国际电工委员会一个名为IEC 61850的变电站通讯标准的转换问题。如果执行了IEC 61850标准转换，那么原来的配电SCADA和电力系统通信就会过时。这些电厂把多主体系统的形式作为他们电力系统数字信息交换的简单格式。对于其中一些电厂而言，执行IEC61850标准的转换任务后它们的多主体系统基础设施、所有远程多主体系统无线电设备以及远程终端单元将被替换，以便提供符合IEC 61850标准的带宽。
图3-2智能电网示意图
为了初步定量估算未来20年设想的电力输送系统的投资水平，项目组首先决定 把输电、配电与客户有关的成本区分开。这是由于电力传输系统的传输和分配环节在本质上存在根本的区别，而且用户方面的成本应该由谁承担尚未确定。究竟是由 电厂来承担，还是用户本身来承担？亦或是第三方服务提供商承担？但是值得注意的是，配电技术取得的重大进步将在很大程度上影响运行以及传输系统的配置。这 些因素也未列入估算范围。此外，该项目组还决定进一步把输电和配电细分为以下两部分进行成本估算：
• 负荷的增长。通过设备的安装、升级和更换，输电和配电系统的业主对电力输送系统进行投资，以满足新用户（所谓的“新连接”）和现有用户日益增长的能源需求。
• 未来的电力输送系统（“未来的配电系统”）。该项目组对用于开发和部署先进技术和实现上述愿景（包括输电和配电）的投资进行了估算。 对老化基础设施进行现代化改造
任何基础设施组件的使用寿命都是有限的，不管它们是道路、桥梁、天然气传输、供水管道还是通讯器材。从一切现有基础设施的安装、更新改造开始的那一刻起，老化就开始了。
在为社会提供重要服务时，避免由于提前老化或意外故障引起的加速老化是十分重要的。电力也不例外，组件的故障可能导致电能质量变差、电力中断、甚至大范围的停电。
为了保证电力传输系统运行的可靠性，我们已经尽可能进行了必要的最大投资。这些投资估算并不包括在这项研究中所指的智能电网的成本中。要确保电网运行的可靠性，在输配电设施上的花费往往相当于1-2%的折旧厂房翻修费用。在日常运行过程中，为适应负荷增长和确保可靠性方面进行的必要支出会被自然注入那些兼容未来电力输送系统的设备中。
图3-3解释了这三个成本要素是如何互相结合共同建立未来电力输送系统的。它强调电厂需要在适应负荷增长保持电网可靠性方面进行投资，这些投资将有助于建立部分未来的电力输送系统。
图3-3 输配电三大类别所需投资的协同示意图
对智能电网进行升级可减轻电力输送系统组件老化引起的电网可靠性下降。由于智能电网组件用到电力输送系统，如图3-3中 所示的未来电力输送系统以及负荷增长情况，电力输送基础设施建设将得到加强，电网可靠性也将得到提高。根据其性质，智能电网传感器、通信和计算性能的提高 将改善运维水平、增强可靠性，并确保投资恰如其分地用在故障风险最大的基础设施组件运行可靠性上。在这项研究中，项目组把用以适应负荷增长的必要支出从未 来电力输送系统直接相关的支出中分离出来，从而阐明了未来电力输送系统的真实成本。
第四章 未来的电力传输系统：智能电
网收益
美国电科院先前的研究
为了评估智能电网可能带来的收益，人们目前已经开展了大量的研究。每项研究在研究方法和对智能电网属性的认识归纳上或多或少都有所 不同。没有一项研究能够对功能完善的智能电网可能产生的收益作一个全面的、确切的分析。美国电科院旨在从事一项这样的研究，但是它不在本报告成果展示的的 范围之内。
在2004年，美国电力科学院开展了一项研究，预测未来电力传输系统的成本和价值。为此，建立了一个灵活的框架。
这次研究中采用了电力系统属性（如能源成本、容量、安全性、质量、可靠性、环境、人身安全、生活质量和生产率）识别的基本方法。之后，美国电科院建立了一个框架，量化估计按明确的数量改良每种属性可以创造多少美元价值。（也就是提高的百分比）
现有的文档数据源被用于每种属性的评估过程中。这些数据来源包括美国能源信息署、美国能源部政策办公室电力建模系统、联邦能源管理委员会传输约束研究、美国劳工部行业就业统计数据，同时还有更多的数据来源。 属性
表4-1显示了多种改进的类型，这些类型与研究中使用过的属性类型是一致的。在通常的价值评估过程中的关键点是要考虑电力传输系统的改善（见表4-1左列）以及用户能够直接体验到的改善（见表格4-1右列），这样做是为了明确用户在价值评估中可以从广泛的增值服务中所获的和可预见的收益。
表4-1 未来电力传输系统价值评估中假定的属性和改善的类型
（左：电力传输系统的改善；右：用户体验到的改善）
“能源成本”属性指的是将电力传输到用户方所花费的总成本，包含资本成本、运行与维护成本（O &M）和系统线路损耗成本。因此该属性的价值产生于任何降低直接供电成本的系统改良。“SQRA”是电力安全、质量、可靠属性的总和，因为SQRA的可利用性蕴含于电能质量和可靠性属性之中。生活质量属性指的是综合享有多种服务，包括电力、互联网、电话、电缆和天然气。它涉及到将电力输送和知识网络整合进单一的智慧电力/通信系统，该系统为围绕能源与通信而设计的产品和服务种类的增长提供了一个平台。
为了保证多种属性改善带来的效益，项目组开发了多种“效益计算工具”，图4-1显示了效益计算工具、属性和总体价值三者之间的关系。值得注意的是，科技驱动器也融入到了这一过程中。
图4-1 效益计算工具、属性和总体价值三者之间的关系
表4-2和图4-1阐明了在2004年公布的原始价值评估报告中考虑到的诸种属性。图4-3总结了这些评估并且使用GDP链序列将其提升到了2010美元。表4-4列举了美国电科院最初的研究中未包含的主要属性和收益。
使用GDP链序列得出的收益增长掩盖了这样一个事实：收益的整体增长大部分 来源于智能电网范围的变化，智能电网系统几乎可以即时地平衡供给与需求，即当供给的可预见性减少时，增加波动性可再生能源的数量；当需求的可预见性增加 时，增加插电式电动汽车，加大分布式光伏发电和储能。正如图2-2所显示的，为了矫正美国电科院的行为，组织分析了来自需求响应技术、插电式电动汽车、高级电表架构、分布式发电和储能的收益。上述因素增加了智能电网对运营效率的关注，以便把经济、社会和能源政策收益也计算在内。
电力行业是西方国家借助传感器的使用、通信技术和计算能力实现现代化的最后一个行业。将这些功能结合在一起，为产生一个整合用户需求与供应的、真正的交互式电力系统创造了条件。
除了功能增强所获得的明显收益——资产利用率提高、电力成本削减和可靠性增强外，目前显而易见的是，智能电网一旦投入实施，将随即产生其他的实质性效益，主要是高峰需求的削减，电动汽车的采用、储能的使用以及可再生能源电力产品使用率的增长。
表4-2 美国电科院最初的研究中包含的收益计算总结
表4-3 美国电科院2004年收益评估研究升级到2010标准
表4-4列举了美国电科院最初的研究中包含的主要属性和收益。因此，虽然标准升级，在表4-3中仍能够了解智能电网的实质性价值。
为了对功能完善的电力传输系统的主要收益做一个初步的估计，美国电科院已经尝试着评估了大部分剩余收益。表4-5运用美国能源部和美国电科学院（EPRI1020342）建立的框架对此进行了描述。该表只涵盖了美国能源部/美国电科学院框架中明确提到的属性和收益，不包括其他的属性在内。
正如表中所总结的，智能电网所有属性在2010-2030年间产生的总收益估计在12.94亿～20.28亿美元之间。美国电科院相信，一旦智能电网的所有属性和产生的收益被确定和分析后，总收益估计会以更大的幅度得以增加。
表4-4美国电科院最初的研究报告中未涉及的主要属性和收益
表4-5智能电网效益列表：基于美国电科院/美国能源部的框架（EPRI 1020342）
第五章 输电系统与变电站
高压输电系统是电力传输系统的“主干”，负责在各区域和子区域间传输大量电能。虽然输电系统设施故障次数和引起停电事故的频率远低于配电设施故 障次数和引起停电事故的频率，但是一旦输电设施发生故障，它将造成比配电设施故障引起的停电更大的影响，届时，将有更多用户受到牵连，并造成更大的经济损 失。基于上述事实，在加上每米/每件输电设备的高额成本，输电系统的可靠性一直受到人们的更多关注。然而，在过去的几十年里，对于扩展输电系统的投资额却 显著减少了，这是由许多因素造成的。 内容介绍
为了评估输电系统所需投资额，采取了两种评估办法：自上至下的评估办用于分析负荷增长和缺陷修复部分的投资额，而自下至上的评估办法则被用于评 估建设智能电网所需投资额部分。根据爱迪生电气协会(EEI)的报告，美国有超过20万英里超过230千伏的高压输电线路。美国能源部早期所做的一份名为 《2002年全国输电网研究》（the National Transmission Grid Study, 2002）的报告指出，全美输电线路的总长度为18.7万英里，它们被按照电压水平进行划分的具体情况详见表5-1。
根据本部分的归纳结果，用于加强智能电网水平下输电系统和变电站性能的投资成本需为560-640亿美元，其中包括的几类技术功能在以下领域中有很多重叠部分，包括输电系统、变电站和后文将要提到的配电系统，以及网络安全、后台办公系统等企业层级的功能。
表5-1 输电线路英里
总体而言，监测输电资产的成本效益和益处要优于对任何其他资产类别的监测(EPRI 1016055)。尽管输电线路是电网中众多关键核心骨干组成部分之一，但是这些延绵数千英里的输电线却处在无人监管、无人监控的态势下。在运营和规划过 程中，应把输电线路的季节性事故考虑在内。如果可以用实时监测取代配电站处的监测为运营商提供载荷相关信息，大部分季节性事故将不复存在。
近二十几年来，对输电系统的投资呈下降趋势，从1975年的48亿美元降至了1997年的22.5亿美元，此后直到再次上升前都一直处于平稳状 态，2000年达到了大约50亿美元，估计2010年将达到近110亿美元。智能电网的功能性有助于增加未来输电系统投资的价值，扩大满足负荷增长的需 求。
变电站的数量是决定投资成本的一个基本度量标准。全美估计共有7万座变电站，作为控制和保护电网的重要枢纽，在输电系统和配电馈线系统之间进行 电压递减。上述数字取自美国联邦能源管理委员会(FERC)的相关数据，该数据表明，在投资者所有电厂(IOU)共运营了4.0619万座变电站，其电压 水平从1千伏至765千伏不等。鉴于投资者所有电厂代表了全美的70%用户，现有变电站数目因此被估算为5.8027万座(40,619/.7 = 58,027)。
正如第三章中的内容所示，研究中预估的负荷增长率为0.68%/年，折合至20年期(2010-2030)研究时长，预示着截至2030年底， 还需要建成8423座变电站，因此，通篇报告中变电站基数采纳为5.8027万座（这一数字还有可能扩大），新增数额采纳为8423座。基于如上计算，考 虑到可再生能源发电问题，截至2030年可能还需再额外增加700座变电站。
报告分析所有的其他重要基准还包括对用户下游低压8馈线/变电站的估算。因此，全面建设功能完备的智能电网需要对46.4216万馈线进行智能 电子设备升级。此外，为了适配负荷增长，还需新添加6.7384万条馈线。发生故障和/或重置时，馈线中可以进行电气绝缘的部分叫做“荚(pod)”，分 析组用4荚/馈线为单位粗略对智能电网进行了估算，得到超过226万个用于监控目的的电气绝缘荚。
表5-2中所列的是上述假设的明细。
表5-2 配电站和馈线的数目
应用域智能电网的数字设备必须符合国际电工委员会第61850号标准 (IEC 61850)，这是本报告中的一项潜在估算。该标准应用领域包括变电自动化和保护、配电自动化、分布式能源(DER)、水力发电、数据采集与监视控制系统 (SCADA)、现场设备、继电器保护、SCADA Master、PQ测量仪、以及故障记录器等等。
智能电网的成本构成：输电系统和变电站
智能电网输电和变电设施的重要成本构成可分为以下几个方面： • 输电线路传感器，包括动态热容等级（DTCR） • 用于整售输电服务的储能
• 灵活交流输电系统（FACTS）设备和高压直流（HVDC）终端 • 短路电流限制器
• 支持输电线路和变电站的通信基础设施 • IT专用关键变电基础设施 • 网络安全
• 智能电子设备（IED）
• 用于大范围监控的相量测量技术
• 企业后台办公系统，包括地理信息系统（GIS）、停电管理和配电管理 • 其他涉及的相关系统优化，其中包括： -- 速度优于实时模拟
-- 负荷建模和预测工具得以优化 -- 对弱点的可能性分析 -- 视觉效果更强
变电站升级可以带来（但不仅限于）如下新功能： • 应急运营能力得到提高 • 变电站自动化
• 以可靠性为中心和预测维护 动态热容等级（DTCR）
输电线路的动态等级和实时监测是优化电流过程中维持系统稳定性的重要工具。动态等级可以被认为是一种输电容量增加的低成本替代方案，它比传统的
静态评级高5%到15%。使用动态评级可使系统运营在许多方面获益，特别是可以在最少投资基础上增加现有输电走廊的电流通过量。
因为动态评级涉及到实时系统数据监测，可以增强智能电网的功能性，这些实时系统数据的应用领域涉及以下诸方面：
• 实时监控可以得到持续流动的系统运营数据——线路垂度、张力（或二者兼具）、风速、导体温度等，这些数据往往是运营商无从获取的。 • 可将监测到的数据加工处理成现场趋势和模式。
• 可将实时监测数据变成对运营商有用的预测智能信息（例如：实时所需的关键温度和符合减少百分比等）。
纽约电力局（The New York Power Authority，NYPA）与美国电科院合作进行了一项示范工程，旨在评估用于高空输电线路的全套测量设备和动态热容等级（DTCR）。日益增加的风 力发电是动态热容等级的一大潜在应用领域，一旦风电涡轮机开始运转，随着风速不断增加，人们就需要更高的动态热容等级。这项项目将用到美国电科院的动态热 容等级软件。基于电厂的SCADA/EMS系统中获取的实际负荷和气象情况，该软件可以用实时的或历史气象和电力负荷数据计算出高空输电线路的动态热容等 级。
项目研究组认为，美国评级在115千伏到230千伏之间的交流输电线路对温度的限制最为敏感，大于等于345千伏的交流输电线路对电压的限制最 为敏感。虽然可能有几条电压评级较高的线路对温度限制颇为敏感，但这并不代表一般规律，可以将其当成例外加以对待。此外，在那些对温度具有潜在敏感性的线 路中，实际上只有50%会发生这种情况。在230千伏等级范围内，输电线路的总长度为8.5048万英里。如果要将这8.5048万英里线路进行动态等级 分类，就需要把每7.5英里输电线路作为一个单位或者分成1.1340万个单位。最初对大量应用动态热容等级的成本预估值为2万美元，后来则减至1万美 元。 值得注意的是，上述估算并未包含电压低于230千伏的输电线路（例如：115千伏、 138千伏和161千伏）。项目组预计，这些输电线路也能从动态热容等级中获益。
表5-3 动态热容等级的成本
传感器和智能电子设备
智能电网需要更多样化的、使用范围更广泛的一系列传感器和智能电子设备(IED) 遍及整个电力系统进行实时监控，特别是输电走廊和变电站中的各种传感器，可以具备多重用途：
• 安全性：在输电线路和变电站组件中应用各种传感器可以对设备情况进行监控，完成设备间的通信。通过反馈输电线路或变电站组件所面临的故障风险信息，可以促使电厂相关人员采取安全措施。
• 人员部署：一旦获悉某一组件或系统出现危险，便可以部署相关人员防止停电故障的发生。
• 视情维护：熟悉掌握组件的各种情况打破了定期维护的限制，确保了维护的适时进行。
• 资产管理：在加强对设备状况和设备所受应力的相关了解后，设备管理员可以对各种资产进行更好的管理。将传感数据与历史性能信息、故障数据库和运营数据等内容结合使用，可以使资源配置变得更加合理。
• 提高资产利用率：输电组件的等级受到一系列因素的影响，例如周围的环境情况、负荷历史和组件配置等。鉴于这种复杂性，静态等级往往是根据对这些因素的保守假设得来的。如果具有对资产情况更准确的实时了解，就能进行更高的动态热容等级。
• 辩证与诊断分析：事故发生后，用于了解事故发生原因的信息是非常有限的。感应器可以实时捕获相关信息，用于更加严谨的分析。
• 风险可能性评估：如果可以用概率法而非确定法对意外事故进行分析，电网的利用率就可能增加。为了使用概率分析法，需要对组件的相关情况及其面临的风险有所掌握。
未来的输电系统将把协同概念引入带有传感技术的电力设施铁塔的全套仪表设备中，以便提高输电系统的效率、可靠性和安全性。
图5-1 输电线路和铁塔所需传感器示范图(EPRI 1016921)
此处关于传感器的设想，由于电磁易感性和大量安装所需的劳动成本，在互连组件和/或电力分布式传感器处额外进行布线是不可行的。 因此，关于传感器的设想应更多依靠无线技术和/或光纤技术。
图5-2 一些关于传感器设想的单一结构展示(EPRI 1016921)
图5-1和图5-2中诠释的一些高层设想罗列如下： • 分布于输电结构和/或导线上的传感器
• 安装在枢纽上的有线/无线传感器，不一定与枢纽发生通信
• “中央数据库”作为电厂电流数据管理系统的一部分，负责收集、存储和分析传感器信息。从传感器/枢纽到中央数据库的数据收集/通信过程，需要使用到下列所述的其中一种方法：
- 从每一个结构枢纽无线返回中央数据库，例如：通过卫星或移动电话网络直接进行射频
- 在输电线路范围内设置数据收集运载媒介，在收集运载媒介巡视过程中或巡视结束后进行数据传输。下文所列的是可能用到的数据收集运载媒介： o 无人机 (UAV)
o 有人机 o 爬行机器人
- 如果用到了上述数据收集运载方法：
o 该运载媒介可以直接从传感器处接收无线数据（有可能省去结构“枢纽”）。
o 该运载媒介还可以在数据收集过程中利用车载传感器记录数据信息（例如：视频、紫外线、红外光谱、静态图像等）。 在下一段内容中，对这些设想做了详细描述。
在每一种应用领域都对应着几个可能的传感器。下文的表5-4将详述这些传感器的需求范围。 研究组认为i，截至2030年，将会有一半变电站在其输电系统中安装先进的传感器套组，每座变电站的花费成本约为5-10万美元，智能电网建设中用于传感 器方面的投资额将达到15-29亿美元。此外，为了适应负荷增长而新建的全部变电站需安装上全套传感器，其成本花费在4.21-8.42亿美元之间。
表5-4 传感器需求
传感器系统的结构由那些通过相关组件和通信枢纽获取诊断数据的传感器组成，它们负责收集传感器数据并传递至中央数据库。可将传感器直接置于需要 监测的部分，也可进行远程监测（例如使用摄像机）。可将通信枢纽置于铁塔上或铁塔附近，也可将其置于一系列移动平台上（例如使用有人机、无人机或爬行机器 人等）。根据具体的应用情况，可以对传感器和枢纽进行周期性运转（例如：以分钟、小时和天作为周期运转单位），也可对其进行持续性监测。在任何情况下，传 感器都需通过枢纽将其收集到的结果输送给中央数据库。 图5-3中所示的是传感器结构和数据数据流情况。
图5-3 传感器系统的结构(EPRI 1016921)
表5-5 传感器的成本
输电线路各传感器示例
图5-4 射频导线温度和电流传感器
可以进行能量收获、带电安装作业，且成本低廉。其中，成本这个数量级低于其他可用的技术。
图5-5 用于输电线路的钳入式射频漏电传感器
示例为安装在115千伏复合绝缘子上的传感器。
图5-6 安装于柱状绝缘子上的射频漏电传感器
图中展示了干燥带电弧受到污染发生事故的情况（由于污染和潮湿引起的漏电放电的情况），传感器对这一事故进行了记录。
图5-7 安装于一座161千伏变电站的可移动拖车上的天线组
图 5-8 安装于变压器的太阳能罩盖温度传感器。
图5-9 用于测量机油中所含电石气水平的MIS传感器
MIS气油传感器价格低廉，可以使更多变压器得到监测。
图5-10 安装于钢芯铝线电缆(ACSR)导线中的导线温度传感器
该传感器可以通过移动电话调制解调器进行数据通信。
图5-11 漏电监控传感器
外壳内部应用了柱状绝缘子，内置的两块锂电池可为传感器供电14年。
短路电流限制器(SCCL)
短路电流限制器(SCCL)是一种可被用于电力传输系统的技术，它可以解决与故障电流相关的不断增加地各种问题。目前的电力传输系统基础设施已 经临近最大饱和容量，然而随着用电需求的不断增加，发电量也随之不断增长。对于能量输送需求的不断增加加剧了故障电流的级别。以电力电子学为基础设计的短 路电流限制器刚好可以解决目前电厂系统遇到的这一问题。它可以根据检测到的故障电流快速做出反应，在电流中产生阻抗，用于对故障电流加以限制，保障现有的 保护系统得以正常运行。
短路电流限制器采用了先进的超级GTO设备(SGTO)，从而提高了性能，它还集成了最先进的控制、处理和通信组件，使系统变得更加紧凑。短路电流限制器的这些特性是智能电网重要功能的一部分。
研究组希望从2020年起，将这种短路电流限制器在十年之内分期分批安装到位。从2020年开始安装，截至2030年，在输电变电系统中的安装 率应上升至2%。输电变电站安装短路电流限制器的成本将为大概50万美元，配电变电站安装短路电流限制器的成本将为大概5万美元。据估计，到2030年， 安装输电线路电流限制器的总成本应为20.3亿美元。
图5-6 输电线路安装短路电流限制器的成本
灵活交流输电系统（FACTS）
一些灵活交流输电系统（FACTS）的相关技术对智能电网意义重大。它们结合了电力电子学，可被用于输电系统，其中包括对电力系统的控制、运营，以及那些可以扩展到变压器自身的应用形式。
灵活交流输电系统设备可被用于控制电流、控制环流、共享平行输电走廊之间的负荷、调节电压、增强过渡稳定性、减缓系统震荡。灵活交流输电系统设 备包括可控串补电容（TCSC），晶闸管控制移相器（TCPAR），静止调相机（STATCON）和统一潮流控制器（UPFC）。1998年，美国AEP 公司在肯塔基州东部的Inez变电站安装了第一套统一潮流控制器（EPRI 1010633）。
灵活交流输电系统（FACTS）是美国电科院在20世纪80年代提出的概念，并据此为西门子公司颁发了几项相关许可。其中包括变压的注入，它可 以调节输电线路中的电力潮流，产生变压、阻抗以及相角。总共有6项灵活交流输电系统示范项目得到成功安装，每个项目都包含了几个重要特点。例如, 纽约电力局的在纽约的Marcy变电站安装灵活交流输电系统后，纽约城的输力能力增加了200兆瓦。但是，这些灵活交流输电系统设备并未按预期的那样掀起 一股电力潮流控制方面的革命热潮。受到三大技术问题的困扰，灵活交流输电系统设备“传统”解决措施的成本要高出20%。 这些技术问题包括设备内部控制系统的成本与性能、电子冷却系统的性能、以及电力电子设备自身的成本与性能。目前，前两项技术问题都已经得到了解决，鉴于电 力电子示范项目所取得的成功，电力行业极有可能正在酝酿灵活交流输电系统的重启问题，这一点对于那些在边远地区与日俱增的分布式能源发电（例如风能和太阳 能）尤为重要。
灵活交流输电系统的优点可以归纳为如下几点： ● 增加现有输电线路的输电量。
● 提供动态的无功功率支持和电压控制。
● 缩小对新建输电线路、电容器、反应堆等的需求，从而减小对环境的影响、减少监管方的忧虑；减少新建电厂基建的需求，从而提高城市规划美感。 ● 提高系统可靠性。
● 控制真正的无功功率潮流。 ● 减少潜在的次同步震荡问题。
用于高压直流的灵活交流输电系统——高压直流输电的主干是一套灵活交流输电系统装置，作为转换站，它可以将交流电变成直流电，然 后在线路的另一端再把直流电变回交流电。电力电子学在这些应用上起到了很重要的作用，在400-1000兆瓦范围内，应用的是第二代绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）电力电子设备，在1000兆瓦以上的范围内，应用的是更早的技术手段（即，晶闸管）。随着负荷的不断增加，也随着偏远地区可再生能源发电的日 渐普遍，对于直流电技术的需求也将不断增加。直流电技术也许是在我们现有的可为交流输电而建的输电走廊上增加电力潮流的唯一有效办法。
用于控制无功功率的灵活交流输电系统—— 晶闸管控制串联电容器补偿技术（TCSC）是在灵活交流输电系统技术的基础上派生而来的，它可以利用电力电子将电容置入电力系统，通过控制无功功率来提高 电力潮流。在美国，特别是在西部地区，现已装有约100个晶闸管控制串联电容器补偿装置，而东部地区的电厂由于担心次同步振荡问题，一直不愿应用此项技 术。随着晶闸管控制技术的不断深化，这些振荡问题就能得以解决。
用于电力电子变压器的灵活交流输电系统——电力电子变压器将最终成为输电系统的一部分。现有的机械开闭是在6个交流周期中完成 的，这种速度对于大多数应用而言已经足够了，但是电力电子设备在减小短路电流的同时还需充当电力电子电流断路器使用。为了超过现有断路器组的最大电容，短 路电流的最大电势需要随之不断增加。一项用于限制短路电流使用电力电子的配电设备已经得到示范建设，经过进一步研究发展，该设备还可被用于高电压下，充当 快速开闭电力电子断路器使用。减少六氟化硫的使用是应用该设备的一个附加价值。人们在研发基于电力电子学的配电变压器方面付出了很大努力，在变压器上应用 电力电子学相关技术可以消除大部分电感，还可使所有的机油都能充当冷却液使用，从而有效减低大量损耗。此外，它还使电压控制变得更加灵活，将此种变压器用 于配电领域的前景是十分明朗的，在电力电子学技术方面的研发进展是实现输电应用所必需的。
用于消除地磁感应电流的电力电子设备——地磁感应电流会造成高压设备的严重故障，并促发停电事故。将来对电力电子设备的应用可以在变电站的变电器处将这些电流进行中和。为了在2020-2030年间实现此项技术，还需要有进一步的研究。
表5-7 讨论中已知的直流线路和端子
表5-8 截至2030年预估所需的灵活交流输电设备
储能
大规模储能虽然是现有电力输送系统的一大限制，但却给未来智能电网发展带来了巨大的机遇。现在全美只有总电能的2.5%是通过储能提供的，水力 发电厂产生的全部电能都几乎被用于了负荷移峰、频率控制和旋转备用。PH、燃涡轮和火电系统的循环为储能系统提供了平衡。（作为对比，欧洲发电量的约 10%是通过某种储能工厂设施进行循环的，而日本则将其发电量的15%进行了存储。）在长期的资源规划和管理过程中，相关部署和政策起到了很大作用。
储能是电力消费过程不可或缺的一部分，电力质量和可靠性对电力消费而言至关重要，其中，电力消费的范围包括机场、广播服务、医院、金融服务、数 据中心、通讯和许多精细的工业处理过程等。为了获得不间断的电源供应，上述这
些运营领域通常把储能作为能量供应的一部分。在将来，随着分时电价、动态电价 和低成本储能系统的进一步融合，储能既可被用作终端用户，也可以被用作电厂的能量管理资源。
压缩空气储能(CAES)、储能水泵和高级铅酸电池是各电厂发展大规模储能的几种主要手段，旨在为电网的测试与研发(T & D)、以及系统和可再生能源的并网提供支持。表5-9中表明，压缩空气储能(CAES)的运行成本为810-1045美元/千瓦，而铅酸电池的使用成本则 往往超过2000美元/千瓦 (EPRI 1017813)。
表5-9 电力储能技术的最大价值
注意：从长期看来，锂系统可能成为一种潜在的低成本电网支持手段，这可能是现在大规模汽车制造驱使的结果。最吸引人的是在能量持续的4小时时间内，第1-3小时的储能效果最佳。
研究组估计，在没有监管的区域为整售服务安装的压缩空气储能(CAES)电容量为580万千瓦，在有监管的区域为整售服务安装的压缩空气储能(CAES)电容量为280万千瓦。未来20年的投资成本预计在47-61亿美元之间，具体内容详见表5-10。
表5-10 储能技术成本
最近，有消息称几种锂系统将被用来提供快速监管服务，据估计其成本花费将低至1200美元/千瓦。这些技术可以以更低的成本提供频率调整, 比投资压缩空气储能(CAES)花费少很多。然而，为了避免高渗透风情况下的风电减出，仍需使用压缩空气储能。（未完待续） 输电和变电站的通信与IT基础设施
智能变电站除了需要新的基础设施用以支持智能电网运营所需的更高水平的信息监控、分析和控制外，还需要通信基础设施为上下游的全面并网提供支持。 未来的变电站需要广域的网络接口，用以接收并响应那些从一系列广泛的输电线路传感器、动态热容等级（DTCR）和处于重要位置的相角测量装置所 获得的数据。智能变电站必须能对可再生能源系统的各种电力潮流进行实时整合，并可对设备运行的历史数据进行维护或获取。智能变电站具有实时设备监控功能 后，可以为那些以可靠性为中心的预见性维护提供辅助。
关键的分布式IT基础设施可以对智能设备（例如：自诊断变压器）潮流与下游的运行进行调节，还可区分正常故障与严重故障。它可以将关键性能数据和维护问题进行提取并传回后台办公系统。
智能变电站将以现有的平台作为建设基础。虽然在很多变电站已经安装了许多传感器基建，但是连接变电站与企业之间的带宽是有限的。传统意义上讲， 通往变电站的通信信道往往被人认为是完成能量管理系统（EMS）和数据采集与监视控制系统（SCADA）安装的一部分。就未来的应用而言，这些遗留系统的 带宽有限，这一问题需要引起我们的重点关注。
研究组估计，为了完成智能电网所需的性能水平优化，每个变电站所需花费的成本约为5-7.5万美元。变电站的升级工作将在未来20年内分阶段完 成，截至2030年，将有80%变电站完成升级改造。其中，截至2030年，预估的累积投资额将达到29-42亿美元。所有新建的变电站在建设过程中就将 配有通信和IT基础设施。
表5-11 输电和变电站通信和IT基础设施所需的成本花费
智能电子设备（IED）
智能电子设备（IED）涵盖了一系列基于微处理器的电力系统设备控制器，例如电路断路器、变压器和电容组等。智能电子设备可以从传感器和电力设 备接收数据并发布控制指令（一旦这些智能电子设备感应到电压、电流或是频率的任何异常，亦或是感应到维持最优电压水平而造成的电压水平的上升或下降，它们 就可以将电路断路器激发开启）。通常，智能电子设备的种类包括继电保护设备、有载调压分接开关控制器、电路断路器控制器、电容组开关、自动重合闸控制器、 电压调节器、网络保护器、继电器等。
借助于微处理技术，一个智能电子设备（IED）单元现在可以执行多重保护和控制功能，然而，在微处理技术出现之前，一个智能电子设备（IED） 单元只能执行一项保护功能。现在一个典型的智能电子设备可以分别执行5-12个保护功能和控制功能，其中包括控制不同设备、自动重合闸开闭功能、自我监控 功能和通信功能等等，它在完成这些功能的同时，仍然可以执行智能电子设备的主要功能——安全保护功能。
据研究组预估，将智能电子设备（IED）装入变电站的监控和其他重要功能需要花费的平均成本为11万美元/变电站，截至2030年，估计将有约80%变电站完成升级并达到智能电网水平，此外，新建变电站则将100%装有智能电子设备。
表5-12 智能电子设备的成本
相角测量技术
相角测量装置(PMU)或同步相量装置可以提供关于电力系统动态运营的实时信息。具体而言，它们可以以30次/每秒的频度在关键位置对电波（电 压和电流）进行测量。因为测量时间取自全球定位系统卫星所发出的信号，从不同电厂的相角测量装置获取的数据在时间上可以达到同步，并可在范围更广的电力系 统中形成更加综合性的总揽。广泛安装相角测量装置(PMU)可以提升监控和管理能力，确保全国大电网的可靠性和安全性。
同步向量技术已经展示出了其在深化电网规划和运营过程两方面的潜力。近些年来该行业领域的研发工作一直致力于对一系列应用途径的开发，其中包括 情态感知、小干扰稳定、事故分析、模型验证、状态评估优化和在线电压稳定评估。目前，北美已经装有约150套相角测量装置(如图5-12所示)。此外，作 为美国能源部用于智能电网投资拨款的一部分，未来3-5年内，全美范围内还将再装850套。虽然业界不断探索着如何才能在实时的非在线环境下应用相角测量 装置，缺乏断路器应用一直阻碍着同步向量技术的广泛发展。因此，在业界研究团体、终端用户(电网运营商和规划者)以及能量管理系统(EMS)供应商之间达 成了一项致力于共同努力研发的保证，旨在为用户生产一种适用于生产级数据应用的相角测量装置。为了达到上述目的，美国电科院与业界正在齐心合作，组建了一 支执行团队，为加快先进控制空间应用的部署提供助力。
相角测量装置(PMU)可以为系统运营商提供关于电力系统状态的反馈信息，比监控与数据采集系统(SCADA )提供的信息更为精确（通常情况下，监控与数据采集系统每四秒钟进行一次观测）。由于相角测量装置(PMU)可以在更短的时间间隔内提供更为精确的数据， 它们对于实时运营情况和各种限制情况所作出的评估则更为准确。
相角测量装置(PMU)与智能电网技术之间的最终联系现在正在慢慢展露头角。相角测量装置(PMU)本身是一种功能技术，它可以使投资于通信基 础设施及智能电子设备(IED)方面的成本变得更加物有所值。然而，仅靠安装一些相角测量装置(PMU)却不能完全实现它的潜在收益。因此，为了全面实现 相角测量装置(PMU)的潜力，还需用到广域测量系统(WAMS)和广域控制系统(WQACS) (其中包括相角测量装置、通信基础设施、其他控制装置以及软件应用算法）。这些额外的成本分别包括在不同的名目下。
据研究组预估，在未来20年内，将有约1250套相角测量装置(PMU)遍布安装在电网上，预计总花费成本将在2600-3900万美元之间。
图5-12 截至2009年9月北美地区相角测量装置(PMU)的安装情况
表5-13 相角测量装置(PMU)的成本
网络安全
早在2000年初，各大电厂就在运营过程中注意到了网络安全问题。近些年来，随着智能电网的普及发展，网络安全问题也变得越来越重要。虽然到目前为止，只有少数可靠的报告表明电力系统受到过网络攻击，但城市里却也不乏关于试图破坏美国电力供应可靠性的传言。
网络安全是智能电网的一个必要因素，对数字化网络覆盖（智能电网的组成部分）的安全保密性和完整性进行保护十分必要。
北美电力可靠性委员会（NERC）制定了八项关键基础设施保护(CIP)标准，其中包括关键网络资产识别(CIP002)和安全管理控制(CIP003)等。智能电网的其中一部分成本花费，就是用于完成这几项标准的。
目前，各大电厂都把网络安全视作信息技术(IT)项目的一部分，主要用于以下领域：
• 先进的基础设施计量
• 插电式电动汽车 (PEV) 管理系统 • 配电自动化 • 变电自动化 • 输电系统升级
美国电科院报告撰写团队对业内供应商进行的采访表明，网络安全成本作为IT项目成本的一部分，在监控与数据采集(SCADA )和配电自动化方面的成本约占10%-15%，在自动计量设施(AMI)方面的成本约占20%。
电厂规模不同，其用于网络安全的成本花费也不尽相同。相较而言，位于城市的电厂比位于郊区或乡村的电厂更热衷于对智能电网的部署。为了评估网络安全的花费成本，我们将电厂规模划分为小型、中型和大型三类，它们分别对应的是那些位于乡村、郊区和城市的电厂。
仅用网络安全标准的相关规定来确保安全性是不够的，大型电厂还应施行适当的行业标准和最优实践办法，其中包括美国国家标准与技术研究院 （NIST）提出的《智能电网互操作性标准框架》和用于智能电网端对端安全的《AMI-SEC 标准安全要求》。绝大多数电厂都将用到入侵检测与防御系统(IDS/IPS)和安全信息与事件管理(SIEM)。为了维护网络安全，这些电厂可能会用到一 套系统的体系，其中包括ISO/IEC标准、国家安全局信息安全评估办法(NSA IAM)、国际信息系统审计协会(ISACA)以及国际信息系统安全审计联盟(ISC2)。
许多电力自动计量设施(AMI)系统将有可能用到一套基于认证的方法，用于验证可信赖的设备、授权各种指令、并为各种使用实体(人、程序、设 备)之间的通信进行加密。这种方法使用了行业标准密码，可以将所有数据传输进行私有化，同时确保授权实体之间进行通信的机密性、可信度和合法性。
现有的对于网络安全实际所需成本的信息非常有限。为了对此作出评估，项目组采访了那些在网络安全领域擅长的IT供应商。其评估结果如下表所示：
表5-14 对不同规模电厂的网络安全成本的预估情况
为了将各大电厂的规模按小型、中型和大型划分为三类，项目组首先将投资人所有电厂(IOU)、农网合作社(Co-ops)、城市电厂 (Munis)和电力局这几种实体进行了区分。 为了给那些用于保障智能电网相关网络信息技术活动的投资提供依据，项目组利用Platt发布的《2010年电力生产商和分销商通讯录》对电厂的具体数目做 了估算。
根据Platt通讯录中的信息：投资者所有的电厂(IOU)总数为342家，其中包括60家控股公司、29家输电公司、以及许多其他服务与整售 发电公司；农网合作社(Co-ops)的总数为893家，其中既包括配电公司也包括发输电公司(G&T)。此外，在Platt通讯录中，城市电厂 (Munis)被分为两类：一类是市政府和区域政府电厂，另一类是联邦政府、州政府和地区政府电厂。
表5-15对Platt通讯录中提到的电厂数目进行了总结。随后，项目组还对每一类电厂之间的规模分解情况进行了估算。
表5-15 电厂类型的分解情况
表5-16 网络成本估算
企业后台办公系统
所有的大型电厂都已经用上了企业后台办公系统，其中包括地理信息系统(GIS)、停电管理、以及配电管理系统(DMS)。为了实现电网的智能 化，还需要一些额外的功能，可以利用带有分析工具的历史数据功能接收数据流，将其与历史模式进行比较和对比，以便找数据中的异常情况。
实际上，几乎所有电厂的企业后台系统都需要升级。大型和中型电厂可以自行对其所有的系统进行完善，小型电厂则可能需要通过共同合作或依靠服务供应商来完成此项任务。表5-17总结概括了项目组对企业后台办公系统所做的估算。
表5-17 企业后台办公系统的成本
增加的后续系统维护
据项目组估计，安装在输电线路和变电站中的相角测量装置(PMU)和各种传感器将使每座变电站额外增加5万美元的维护成本。
表5-18 智能电网增加的维护
对系统运营商的影响
独立系统运营商(ISO)、输电系统运营商(TSO)、以及其他的独立运营商正在投资建设日益强健的通信基础设施、并打造提升分析和预测能力。 应各大独立系统运营商的要求，这些投资被用于功能的整合提高，以便维持可靠性、满足负荷增长、满足那些符合美国联邦能源管理委员会(FERC)相关要求的 新规定、增加分布式能源、需求响应和能效管理的使用率。与此同时，随着市场运营情况的愈发复杂，网络安全受到的威胁也与日俱增，为了维持成本、提高资产利 用率，压力变得越来越大。
所有的独立运营商在国家开始推行“智能电网”概念之前，就已经发起了相关投资，并把它当成是保持核心能力的一部分。例如：早在20实际90年 代，实时仿真和增强可视化技术就已经得到了发展。现今，它们被人们当成是智能电网的一部分，但在10年前，这些技术却鲜有人问津。
项目组将三类独立运营商的功能分成了三类，这些功能在此项研究中被看作是智能电网的一部分。其中包括如下内容：
• 增强电网的可视性（透明度），增强可靠性，提高能效。
• 有效整合日益增加的分布式能源，其中包括可再生能源、储能和需求响应。 • 对日益复杂的网络和物理安全威胁（其中包括自然灾害）能够进行有效回应。
图5-13 独立运营商(ISO)基础设施中的关键组件
图5-13所示的是独立运营商涉及的各大重要应用领域。智能电网预期能够增强的功能需要在如下应用领域做出变化调整：
• 通信 —— 不断增加的外部接口需要遥测数据符合IEC 61850标准。这就需要对设备进行改型和更新。此外，智能电网还包含了更多的输电线路传感器和来自风电及太阳能发电设施的传感器。
• 价格与设备挂钩 —— 若使用户真正能够对价格变动和系统的各种限制做出反馈，就需要把这些相关信息通过互联网以及安全、自动的局域网络向用户进行播报。
• 升级到美国国家标准与技术研究院(NIST)提出的标准 —— 美国国家标准与技术研究院(NIST)成立了智能电网互操作小组(SGIP)，该小组正在规划《优先行动计划》(PAP)，用以鼓励商业实践标准和接口规 定的采纳。这些接口很可能需要对公共信息模型(CIM)进行广泛采纳。
• 预测 —— 开发更加精确的数据用于预测可再生能源发电（特别是风能和太阳能），其中包括短期预测和变化率。此外，对需求响应参与的预测也很有必要。
• 网络安全—— 应联邦能源管理委员会 (FERC) 和国会要求，北美电力可靠性委员会（NERC）正在制定《关键基础设施保护(CIP)网络安全标准》。 • 整合同步相量 —— 用可视化的方法对同步相量源进行整合，将高级状态评估与动态稳定分析与来自多种新的分布式能源发电的数据结合在一起。 • 发展新市场 —— 随着用户互联性的普遍出现，加之第三方参与的不断增加，给新市场创造了发展条件。为了适应新市场的发展需求，需要灵活施行国际标准组织(ISO)的相关体系。
• 其他应用 —— 在单独的ISO标准中，也许还需要注入其他的功能，例如快速添加新的市场参与者、优化停电管理数据以及其他优化内容等。
在国际标准组织相关标准的应用过程中，上述的每一项特点以及其他特点还需要后续的投资。
为了适应应用过程中进行的相应调整而对国际标准组织相关体系进行优化的成本是很难加以估算的，这些体系都处于不同的发展阶段，由于项目本质、分布式能源渗入情况以及其他市场参与情况的不同，使得这些体系都不尽相同。 为了估算一家国际标准组织为完成智能电网目标所需相关功能进行的成本花费额，项目组对几个国际标准组织的执行者进行了采访，其中包括宾州—新泽 西—马里兰州互联(Pennsylvania-New Jersey-Maryland Interconnection, PJM)，加州独立系统运营商(California Independent System Operator, CAISO), 新英格兰独立系统运营商(New England Independent System Operator,NEISO)和纽约独立系统运营商(New York Independent System Operator, NYISO)。虽然他们各自预估的成本差异较大，但大致都需要5-6名全职员工（每年240万美元）及每年至少二三百万美元的软件花费。对于一家国际标准 组织而言，这些花费占其每年成本预算总额的10%或1200万美元。 下文所列的是美国的各个区域性电力市场： • 加州独立系统运营商(CAISO) • 中西部独立系统运营商 (MISO) • 新英格兰独立系统运营商(ISO-NE) • 纽约独立系统运营商 • 西北部
• 包括宾州—新泽西—马里兰州互联(PJM) • 东南部
• 西南部
• 西南部电力库(SPP)
• 德州电力可靠性协会(ERCOT)
表5-19 对那些带有智能电网相关规定的国际标准组织的结盟成本进行了预估。
表5-19 带有智能电网相关规定的国际标准组织的结盟成本
输电和变电站成本总结
截至2030年，将全国的输电和变电系统升级为满足智能电网运营相关需求的累积成本预估值约在63.12-72.8亿美元，具体内容详见表 5-20。2030年后，对输电系统的智能电网相关投资还将继续（其中不包括那些用于满足负荷增长的相关投资）。据估计，截至2030年，用于满足负荷增 长的相关投资额将达到563.5-537.02亿美元。
表5-20 智能电网输电和变电站所需的成本
图5-14 智能电网输电和变电站所需的成本
表5-21 智能电网输电和变电站为满足负荷增长所需的成本
图5-15 智能电网输电和变电站为满足负荷增长所需的成本
表5-22 智能电网输电和变电站为满足可再生能源使用所需的成本
图5-16 智能电网输电和变电站为满足可再生能源使用所需的成本
表5-23 智能电网输电和变电站所需的总成本
图5-17 智能电网输电和变电站所需的总成本
第六章 配电
尽管电力传输系统服务一小部分的电力客户，但对与美国1650万中的绝大多数客户的服务来自于配电系统。配电系统这是一个复杂的网络，包括变电站，线路，电杆，计量系统，计费系统等等，以支持电力零售侧。
据研究小组估计，未来20年，智能配电领域的成本投资将会在3090与4030亿美元之间。 简介
配电系统通常受到来自基础设施老化，设计陈旧，数字化品质高要求的挑战。配电设施在智能电网中进行合理的部署，并使之更加智能，的情况是十分少 的，就是有也只是例外。相对于输电系统，配电系统具有更大的复杂性，更高曝光率且覆盖更广泛的地理范围，这些因素将导致其固有可靠性的降低、电能质量的下 降以及抵抗任何形式干扰能力的脆弱性。
通过对一个客户一年内所经历的电力中断总体平均时间的测量发现，超过90％的中断时间，来自配电事件。2004年，据美国电力研究协会估计，一个全自动化的配电系统可以提高40％的可靠性水平。而智能电网技术的进步并不能替代好的维护、检查和管理。
过去几十年来配电系统的投资平均每年可达120亿到140亿美元，主要是为满足负荷的增长，其中既包括新用户的接入，也包括现有客户的升级。在 城市中，每户配电电路可能不到50英尺，而在农村，每个客户需要超过300英尺的基础配电电路。如果为美国1650万用户中的每家用户布大约平均100英 尺的线路，也就意味着美国有超过300万英里的配电线路需要安装。将系统升级到智能电网的性能需要水平将需要大量的投资。
此分析中的单个配电系统构成的成本估计大多是基于第一波智能电网部署投资的经验。例如高级计量设施及配电自动化投资估算依据来自第一能源。具有代表性的成本如下面两个表格所示（第一能源，2009）。
表 6-1单位馈电线配电成本估算(第一能源, 2009)
表6-2配电户均成本估算(第一能源，2009)
智能电网成本构成：配电
智能配电系统中的投资使得对所有的变电站、以及能提供舒适控制和保护系统的智能电子设备（IDE），和由资产管理系统、协同分布式智能（包含对 智能电子设备计算资源的动态共享，以及为减少电力中断事件和提高可靠性和系统性能的分布式指挥和控制）组成的配电系统完全监控系统的高带宽通信需求成本必 需。智能电网配电部分的主要成本构成如下：
• 配电系统的所有数字化设备之间的通信，包含高级计量设施和分布式智能电路到馈电电路之间的通信。 • 配电自动化
• 配电馈线电路自动化
— 头端和沿馈线的智能重合闸和继电器
— 电力电子系统，包括配电短路电流限制器 — 馈线电压和无功控制 • 智能化通用变压器 • 高级计量设施（AMI）
• 建筑物、微网或本地局域网的配电系统上的本地控制器 通信
通信构成了把客户的需求与公用事业运营相结合的关键支柱。详尽的、实时的信息是有效管理强大、动态的智能电网配电网系统的关键。高级计量设施 （AMI）中的每个智能表计（在本节后面介绍）必须能够广泛地与用户控制系统相通信，同时保证能够可靠和安全地进行性能数据通信，价格信号的传输，以及客 户信息与电力企业的双向传递。
没有任何单一的技术应用于所有的应用程序都是最优的。其中目前高级计量设施正在使用的通讯媒介有蜂窝网络，已经许可和未经许可的无线电传输网 络，以及电力线通信。除了传输介质，网络组网方式也是通信设计一个重要组成部分。智能电网所用通信网络包括固定无线网络，网状网络，以及两者的结合。其他 几种网路包括Wi - Fi和互联网网络的应用也正在研究当中。
互操作性仍然是智能电网通信中最关键的成功因素之一。把互联网协议簇（TCP / IP协议）作为组网协议，使其适用于不同的通信技术，这种潜在的应用受到了越来越多的兴趣和关注。2009年6月，美国电力研究协会向美国国家标准技术研 究院（NIST）提交了一份智能电网互操作性标准路线图报告，成为美国国家标准技术研究院（NIST）路标设置的起点，并在2009年9月对外发布 (www.nist.gov/smartgrid )。
实现住宅设备与电网互动的通讯架构是多样化的。一些公用事业把表计作为到户的途径实现价格和信息的反馈，然而其他的利用互联网或者是其他通信渠 道实现。授权和未授权的射频谱带网络通信在智能电网的部署中被大量应用。网状网络纳入多跳技术，可实现网络任意节点与节点之间的通信。星网利用中央塔，可 实现大范围内多个终端设备的通信。以上每种通信类型都有一定的优势和劣势，可根据独特的需要和实际情况进行选择。电力线载波通信通过电力线实现通信，也在 美国和其他国家的大量公用事业所用。
高级计量设施和配电智能电路的馈线电路通信单位成本大约在20,000美元，到2030年，实现对现有馈线的80%以及新馈线的100%进行安装，其总成本估计为90亿美元。
表 6-3高级计量设施馈电线路通信成本
配电自动化
配电自动化通过整合监控与数据采集系统、高级配电感应器、高级智能电子设备以及双向通信系统，来优化系统性能。在覆盖 密集的城市网络区域，配电自动化还包括网络变压器和保护装置。监控与数据采集系统收集并报告电压等级、电流需求量、MVA和VAR流量、设备状态、运行状 态，及事件记录，允许操作员远程操控电容器组、断路器和调控电压。连接自动开关、重合器和电容器的变电站自动化将会使智能电网功能性发挥到最大。
这包括了实现配电变电站、测量基础设施的智能化，还包括实现连接上述电网两个主要部分的配电馈线线路及元件的智能化。也就是说使配电系统开关自 动化，允许自动重新配置；使保护系统自动化、对其进行改装，以便分布式能源的重组和整合；整合电力电子控制器和其它技术，用来加强可靠性和系统性能；通过 电压和无功控制降低损耗、提高电能质量、促进可再生能源一体化，从而优化系统性能。
·智能头端馈线重合器和继电器
以微处理器为基础的智能中继器和重合器代替机电保护系统成为智能电网运行不可分割的一部分。其优势包括：多功能性也就是即时和时限过电流保护、 高敏感度、同其他设备更好的融合性、自我诊断能力。到2030年所有馈电线中约70%将装有智能重合器和中继器，据估计单位成本为50，000美元。 ·智能重合器
在馈线上使用智能开关和保护装置，可以使馈线各部分相互隔绝，从而提高可靠性。到2030年所有馈线中约25%将配有智能重合器和中继器，据估计单位成本为100,000到150,000美元。 ·远程控制开关
远程控制开关拥有分布式智能，并使用不需中央控制即可运行的对等通信技术，这样在断供期间，故障会被隔离，电力也可迅速恢复。如此，配电系统操 作
员不再是可以实现该功能的唯一途径。据估计到2030年，所有馈线中的5%将会安有远程控制开关，成本为50,000到75,000美元。 ·包含配电短路电流限制器的电力电子设备
电力电子技术的进步不仅提高对故障的防护，还允许不同频率、相位和电压之间更灵活地转换，同时仍旧提供给终端用户合适的交流电压。到2030年57,000个变电站中约有5%将会启用电力电子设备，平均成本为80,000美元/套。 ·馈线电压和无功控制
对于所有电力配电馈线来说，电压和无功控制是为在馈线所有节点获得可接受电压和获得高功率因素的基本需求。最近旨在提高功效、降低需求、获得更 高资产利用率方面的努力，为我们指明了电压/无功控制以及优化的重要性。功效还面临无功负载产生的系统损耗，比如洗衣机和空调。通过优化电压和无功控制， 高功效性能够得以实现。到2030年，据估计566,000配电馈线中的55%将会安装电压无功控制，平均成本为258,000美元/线。
智能电网软件将会连接自动化变电站的信息流和分布在配电系统的监测与数据采集系统里的数据点，通过分析和推荐针对配电系统的重新架构，实现性能 的最大化。优化电路将使线路损耗降至最低，并会整合高级计量系统的客户数据，从而调控电压，使其仍能维持在客户可接受的水平之上。该项功能将有助于降压保 护措施的实施，以便节能。随着智能电网的发展，优化性会从此方面扩展到其他方面，比如可靠性的优化、电力质量和资产管理的优化。
到2030年，据估计现有的配电馈线中55%将会装配高级配电自动化系统，成本为每线308,000美元，到2030年所有新馈线百分之百会装配该系统。根据此分析，馈线自动化本身也可能有额外成本，如6-4表格所示，据估计配电自动化智能电网投资约达960亿美元。
表6-4配电自动化成本
如表格6-5所示，2010年到2030年，配电馈线自动化总投资超过920亿美元。
表6-5现有系统配电馈线自动化成本
表6-6新配电馈线自动化成本
智能通用变压器
传统的变压器在部分负荷方面能源转化率非常低，使用的是清理费用昂贵的液态电介质，而且只能提供一种功能分级电压。该 变压器不提供实时电压调节，不具备监测的功能，也没有融合到通信链接中。同时，由于有多种单位等级，备用库存的花费也很大，它不支持由单相电路来提供三相 电力，也不可部分修复。未来的配电变压器也需要成为分布式能源从存储到充电式混合动力电动汽车过程中的接点。
智能通用变压器是第一代用来代替传统配电变压器的电力电子设备。电力科学研究院开发出可作为‘可再生能源网接口’的智能通用变压器，这一全新的 概念包含了双向能源接口，它可以直接整合光伏系统、存储系统和电动汽车充电三个方面，该变压器也具备了系统整合、局部管理和孤岛方面的命令和管理功能。 可再生能源网接口将会是整个智能电网发展战略中的主要动力，通过把电力变压器的传统功能和新的接口功能相结合，起到变压的作用，可以准确无误地 整合包括能源存储、电动汽车和需求响应在内的广泛的可再生能源技术，同时提供一个允许本地能源网络可靠运行的架构。控制器将会和配电管理系统、能源管理系 统和需求响应系统相互配合，实现整体电网性能的优化，增强其可靠性。 如表6-7所示，智能通用变压器成本在未来20年预计会有显著降低，从现今的1.5到2美元/瓦降到2030年的0.2美元/瓦。这样变压器的安装预计会快速增长，比如从2015年的10,000 25千瓦机组增长到2030年的100万。
表6-7智能通用变压器成本的降低和安装的增加
根据预计安装成本在7,500到100,000美元的300万机组，2030年在智能通用变压器上的总智能电网投资为760-1310亿美元，详见表6-8.
表6-8智能通用变压器成本
注：估计50%智能通用变压器将会安装在现有馈线上，50%将安装在负荷增大后所用的新馈线上。 高级计量设施（AMI）
高级计量设施（AMI）包括带有智能仪表、客户和运营数据库、以及多种能源管理系统的双向通信。通过拥有新费率设计的高级计量设施，消费者可以更高效地用电，从而减少电费支出；可以参与到需求响应计划中，使服务变得个性化；同时也使电力系统在公用事业中更有力运转。
智能仪表是高级计量设施中的主要原件，通常也是智能电网项目中电力公用事业首先使用的技术。尽管几十年来工商业界客户都在使用智能仪表，但直到 最近智能仪表才在民用设施中得到经济、广泛的应用。装有智能仪表的、更广泛的高级计量设施拥有双向通信网络，可以交换能源利用、价格和减负荷信号，以及运 行控制信号。INTEGRAL TO AMI是一个普通的企业总线网络建构，它连接着包括仪表数据管理、客户服务、自动需求响应系统和能源管理的所有重要企业系统。其目标是要提供一种安全系数 高、富有弹性、灵活性高的技术，可以更新服务电力公共设施的核心业务，也可以将用电融合到智能电网动力学中。以下是三项基本功能：
• 智能仪表能够和公用设施、远距离可编程固件，有时还有远距离可控服务中断开关进行双向通信。除了消费计量功能，智能仪表还有以下功能：电压测量、同配电自动化项目相结合用来最大化CVR功效的警报装置、以及支持动态价格和需求响应的区间变量。
• 通信系统，高级安全（加密）、具备自我修复功能、将软硬件系统相结合，进行智能仪表、变电站、配电自动化设备、客户能源管理系统、头端软件应用或计量数据管理系统之间的通信。
• 计量数据管理系统，可以存储和组织数据，允许高级分析和处理，连接高级计量设施首端和其它很多企业软件应用。 高级计量设施成本估算
• 民用仪表成本更多基于电量，而不是其它因素 - 仪表+高级计量设施 40-80美元/机组 - 仪表+高级计量设施+断电 70-130美元/表
- 仪表+高级计量设施+断电+家庭局域网 80-140美元/表 • 工商用仪表成本更多基于其性能，而不是其它因素 - 仪表+通信 120-150美元/表 - GT&D
- 仪表 1500-5000美元 • 安装成本 - 民用 7-10美元/表 - 工商业用 20-65美元/表
- 高级计量设施网络和返回设备 3-11美元/端点 - 头端软件及集成 4-10美元/端点 - 系统启用管理 2-4美元/端点 • 持续维护 3-11美元/年/端点 智能电网高级计量设施成本
根据机组成本及预计平均83%饱和度，从2010年到2030年智能电网投资中高级计量设施部分总成本在150到420亿美元区域内浮动，详见表6-9。
表6-9现有用户高级计量设施成本
表6-10新客户高级计量设施成本
地方能源网控制器
地方能源网络是这样一种手段，客户可以通过减少改变用电方式所需时间和精力，来参与到管理用电的过程当中。如果使用决策可以分类，那么就可依据 当前信息加以实施，这些信息已经收集并处理，所以客户能购买并运行这样的系统，安装运行家庭局域网（HAN）。家庭局域网是连接到作为能源管理系统 （EMS）中央或“主”控制的电子信息网络，它融合网络节点输出或者接收的信息流。每个节点都和家庭电力系统中的装置或组成相关，节点可以是硬线装置，它 们可以支撑用电中的实质性部分，诸如供热通风与空气调节（HVAC）、池塘中的抽水机、照明电路、以及像电视、娱乐中心、大量的充电器这样小型插电负荷。 装置和能源管理系统之间的通信通过无线、有线、或电力线载波媒介实现，而这些都是家庭局域网的内涵和运行之所在。
能源管理系统是个决策处理器，它可以控制楼宇内能源使用情况、组织参与需求响应、控制分布式发电、电动汽车充电和存储、及连接电力零售市场。能 源管理系统还是协调家庭局域网中各项装置的智能装置，它包括用户在内部温度设置及电器、其它家用负荷运转时明确应遵守的准则。这些准则基于特定时间的电价 （超过某一限度）、当前状态（家用电器预计常规运转时间）、或回应外部代理商的类似命令（减负荷服务商发出的减负指令）。
能源管理系统是根据事先定好的指令系统认为的紧急状态，进行决策的控制器；而家庭局域网是传递节点状态信息和传输指令、证实其接收和运行情况的 神经系统。能源管理系统是旨在管理家庭用电量的电子装置，而未安装此装置的家庭就不能如此好地管理用电。想要达到这样的效果，我们要面临艰难的任务：弄清 家庭成员是如何用电并预估电价；为他们建立协调价值体系中差异的方式；设置一个整体的家用电器功能，该功能可以在不同的体系中建立相对价值，并执行之前制 定的运行决策。
这些架构源自将智能电网和低碳集中发电、局部能源网（LEN）和电力传输相结合。局部能源网络结合了终端能源服务装置、分布式发电、地方能源储 备、及楼宇、社区和校园不同层次的集成需求响应功能。它们使基于分布式、分层的控制结构的网络互动性更强，该结构也界定了地方能源网、配电系统和大电网间 的互动。
这些架构便利了对通过高压网络连接的多种集中发电资源的融合。该设计体现了远距离输电极强的灵活性，可以使发电资源得到最大程度利用；还可以用 可行的、最高效方式配送电到负荷中心。这些架构尤其可以通过提供各种平衡性资源来融合那些本质上不太好控制、多变的资源，像风能、太阳能和某些动能资源。 为了整合这些资源，该架构必须应对关键转化技术的挑战，见表6-11。
表6-11未来配电架构的关键技术挑战
配电架构概念的提出，可以通过利用整体基础设施优化能源利用和使用，实现局部的性能优化，而不全部依赖大电网基础设施。关键的转化部分是分布 式、智能控制装置的开发，它可以持续地平衡装置、家庭、社区、城市、地区和局域层次上的发电、负荷及其它领域。为了实现这一目标，特殊的控制器需要得以设 计、作为原型在现场测试、展示，从而证实其交互功能。
该项新结构的一个主要优势：可以节能和减少大量排放物，实现能效性。据估计到2030年能源节省量在560到2030亿千瓦时，相应地年碳排放 减少量从6000万公吨二氧化碳到2亿1100万公吨。按照这一数据，其为美国创造的环境价值相当于每年把1400万到5000万汽车换成零排放的汽车。
如表6-12所示，到2030年局域能源网（LEN）控制器的预计成本，大概是30亿到60亿美元。
表6-12局域能源网控制器成本
配电成本小结
更新电力配电系统到智能电网要求的技术水平，到2030年其累计成本约为1670亿到2490亿美元。2030年后，智能配电投资会继续加大，也会受到未来技术功能性增强、成本变低，及客户需求不断变化的影响。
表6-13更新现有配电系统的智能电网成本
图6-1更新现有配电系统的智能电网成本(单位:百万美元)
表6-14满足负荷增长配电系统的智能电网成本
图6-2满足负荷增长配电系统的智能电网成本(单位:百万美元)
表6-15智能电网配电网总成本
图6-3智能配电网总成本(单位:百万美元)
第七章 用户
智能电网完全实现了电力用户与传统供电系统的一体化。这种一体化进程在几十年前就已经随着商业和工业用户的出现开始了。但是，随着信息通信技术 的迅速发展和成本的不断降低，它开始越来越受到住宅用户的青睐。2008年，美国联邦能源管理委员会做出估计，4.7%的美国用户已经安装了高级电 表，8%的用户参与了一些需求响应项目。到2008年底，这些项目使全国需求响应潜能的增长幅度达到尖峰需求的5.8%，或将超过40,000兆瓦。随着 高级电表架构对市场的全面渗透，在未来的20年里，需求响应的潜能还将迅速增长。 引言
在美国超过1,420,000,000的用户中，商业和工业用户占了13%。未来20年，用户群预将增长16%，达到 1,650,000,000以上。如表格7-1所示。尽管如此，由于大部分用户的家电产品到那时都已经为需求响应就绪，个人通信连接终端节点的实际数量将 增加一倍以上。
表7-1 美国电力用户
接下来的20年，用户与智能电网的整合还将支持以下新功能：
·提高需求响应能力，改进时变率，以削减成本，提高功率因数，优化电网的经济效益。
·方便分布式能源接入，包括用户拥有的各种系统，如屋顶光伏系统。 ·将交通系统经由电动汽车和充电式混合动力汽车并入电网，为电网的大规模电力存储提供分布式手段，平衡日常的负载循环，从根本上减轻国家对石油的依赖。
·改善家庭和商业楼宇的能源管理，通过智能代理减少尖峰需求，提高能源效率。
·利用需求端作为资源，稳定电网，削减高峰需求，减少峰值功率所需的资本投入，以优化电网性能。
大多数从事智能电网研究的专家逐渐持这样一种观点：一个真正的智能电网应该要求参与的用户尽可能少。智能电网不需要用户参与就能获得成功。迄今 为止，在智能电网的成本要素中，与电力用户有关的仅限于电网一体化的成本，不包括用户购买设备和装置或为了减少直接参与而在智能装置上的成本。虽然这项研 究包含了工程开发的成本和需求响应就绪装置的成本，但它没有包括用户购买节能或需求响应就绪装置如充电式电动汽车、空调、洗衣机、电冰箱、能效设备以及低 价值的分布式存储等所需的成本。排除这些成本是出于以下原因： 1. 节能设备和装置的性能标准逐渐提高。这一方面是由于联邦电器节能标准的驱动，另一方面，个别州的建筑法规和标准中的能效条款也起到了一定程度的推动作用。但这些都不是由于智能电网活动。
2. 报告假设，家电制造商除了这里罗列的一些最初的花费外，在为电器增加需求响应就绪的性能方面，不计或只需很少的边际成本。先进设备的开发带来了机上处理的增加，使得需求响应等待将向着对用户没有边际成本的方向发展。因此，智能电网没有附加成本。
3. 购买充电式电动汽车的决定完全独立于智能电网投资，所以在评估时不计入智能电网成本。
4. 尽管无法预期，但还是有越来越多的人相信，使技术与用户及其终端使用设备装置联姻，是传统电力公用事业行业之外的实体提供的配套服务的一部分。这些供应商 可能包括像互联网搜索公司、软件公司、电子消费产品或信息产业制造商、通信服务供应商等企业。由于与这些技术有关的资本成本将是很小的和未知的，所以它们 也不包含在智能电网评估报告中。
在方法论部分，表格3-1的“哪些包括哪些不包括”，对这种差别进行了更加详细的展示。该部分显示，智能电网在用户部分的总成本预计到2030年底将达到320-560亿美元。（未完待续） （国网信通国电通公司 高晶 廖薇 樊莹莹 万芳芳 张曦娟 柳絮 编译） 智能电网的成本要素：用户/用户技术
智能电网用户方面的成本由以下几个关键要素组成： ·用于光伏发电采纳的集成逆变器 ·用户能源管理系统门户和面板 ·家庭用电显示器 ·电网就绪装置与设备 ·车辆-电网双向电流逆变器 ·宅储能后备
·用于保证电能质量的工业商业储能 ·商业楼宇自动化 谁来承担这些成本？
该部分的成本被称为“用户”成本。但是，作者并不想暗示这些是由用户直接承担的成本。这些成本既不是整合它们的供电公司将承担的必要成本，也不 是用户和供电公司成本的综合。它们是必须由社会来承担和直接支付的，捆绑在其他商品和服务中或者以另一种方式计入供电公司的服务成本中。像其他的技术一 样，这些对实现智能电网的远景目标至关重要。 光伏逆变器
逆变器是基于微处理器的组件，用于将直流电转换成连接光伏系统与公共电网的交流电。这种逆变器是光伏系统中最为复杂的一个电子设备，成本仅次于 光伏模块，居第二位。它也被视为最薄弱的环节。然而，太阳能电池板非常耐用，保修期25年，逆变器的保修期传统上为5-10年。但是，转换器的可靠性正趋 于提高。
转换器类型众多。有的是与电网分离、支持独立屋顶系统的独立组件；有的是并入电网的，后者的微处理器电路更加复杂，要求具备额外的功能，包括防 雷。中央逆变器被用于大型应用中。很多时候，它们按照“主-从”标准联接，只有
当获得足够的太阳辐射时，相连的逆变器才会接通。逆变器模块应用于小型光伏 系统，例如家居的屋顶。
新一代微逆变器承诺要提高光伏系统的性能。当前的光伏设计，所有的太阳能电池板串联联接，因此，如果串联的任何一块控制板被遮蔽了，整个系统的 性能也会随之下降。而且，为了串联模块能够工作，所有的电池板必须具有同样的方向和倾斜度，这制约了屋顶的布局。另一方面，微逆变器方案允许每块电池板与 自身的微逆变器相连，从而提高了整个系统的性能，为许多现代家居参差错落的屋顶设计提供了灵活性。值得一提的是，奥斯汀能源公司（Austin Energy），正在进行新型微逆变器设计的测试。
研究小组估计，到2030年，集成逆变器与10兆瓦光伏容量的总成本在单位价格为800-1000美元/千瓦时将达到80-100亿美元。
表7-2 光伏逆变器的成本
住宅能源管理系统（EMS）
住宅能源管理系统是（至少部分是）一个致力于管理诸如建筑构件、产品和设备的系统。住宅能源管理系统在如今的说法通常不称作“门户”。“门户” 这个词一般用来指网络门户。它被细分为若干部分，包括住宅能源管理系统和智能家居设备（IHD）。此外，该系统还能通过一个进程表、按需反应或者占有的自 动传感器来掌握用户喜好和作息。掌握了照明、家庭日历、购物或者补货信息的住宅管理系统与能源管理系统之间的界限已经变得模糊。但是专属设备的拥护者提 出，屋主最终会购买这样一种设备，我们正在关注其他手段的平行式发展，在那里，系统的核心是一个软件应用程序，它绑定在位于第三方数据中心的服务器上。 在线能源管理入口使用户可以洞悉他们的能源使用和能效的自动化管理情况。例如，通过浏览网页的中心，用户可以获得当前的能源使用统计数据，历史 使用模式和使用可再生能源避免的二氧化碳排放量。该入口还能展示价格信号，并将用户能源的消费与生产模式与供电公司的费率表联系起来。现行的标准建设或许 也能带来高效的信息聚集和第三方信息共享，从而影响住宅能源管理系统的推广应用。截至写作这篇文章时，关于用户购买高级住宅能源管理系统的初步资料呈现出 了美好的前景，但是到目前为止，系统的采用率仍然较低。 这几方面使得很难对住宅能源管理系统定价。许多部件含有双重用途并因为独立的财务理由而存在。用户不愿意购买能源管理系统可能是受到在线选项的
驱使，这些选择可以取代能源管理系统功能的关键部分。这些问题可能也暗示着每个用户的成本很低，或者普及率很低。尽管如此，无论我们采用何种观察方法，最 终结果应该都相差无几。
基于住宅能源管理系统架构方法的多重性，研究小组推测，到2030年，10%的用户群用于住宅能源管理系统的平均成本在150～300美元，将产生22亿～43亿美元的总成本。
表7-3 能源管理系统门户
家用显示器和能源信息获取
提供对能源消费情况的实时反馈是减少电力需求的重要保障。30年来，不少研究都通过变化复杂的家庭能源显示器来评估节能效果。其中的大多数研究 都证实，长期处于5%-15%之间的的节能率在最小的范围内维持着影响。其他的研究发现，信息本身似乎不足以达到明显的削减效果。人们需要有强烈的动机去 做出改变，比如获得补偿，对改变充满信心，得到反馈，说他们的改变确实产生了影响。此外，这种反馈必须简单和可信。因此，多数成功的方法都会提供更为频繁 的反馈，以及对特定行为的反馈。
随着智能电网项目的展开，各种提供能源、成本和环境信息的方法如雨后春笋，纷纷出现。一种特定种类的独立设备——家用显示器（IHD）得到了广 泛的应用。通常情况下，家用显示器会显示一些基本的信息，如实时和预计的每小时的电力成本以及电力消费量（千瓦时）。有些还能显示额外的信息，像过去24 小时的电力成本和消费情况、当月（或者上月）的电力消费和成本、预计使用量、每月的高峰需求、温室气体排放，以及户外的温度情况。由于这些都能够得以显 示，预付费系统也与采用了类似的方式，所以也被称为“即用即付系统”。该系统结账的实质在于鼓励用户通过显示器来监视他们的用电情况，获悉何时该为能源账 户充值。
相比之下，还有更加简单的非定量方法。即不包含对用电消费和电力需求的反馈。这样的设备不需要直接的关注，但却能有效地传递外围信息。比如，使 用一只发光小球，通过颜色的改变来指示更高的电价或者能源需求情况。还有其他的应用，如发明一种简单的带有红、绿、黄色小灯的插入式设备，用它来指示能源 需求或电价。
小型示范项目采用了更为复杂的家庭能源显示器。通常，它们对使用不同的最终用途或电路分解电力消费的情况提供了更多的细节，还使用了丰富的显示 图形。在大多数情况下，这些先进的显示器都属于更综合系统的组成部分，这种综合系统在能源管理之外，还有许多其他的功能。由于能源管理可能不是与设备进行 交互的决定背后的推动力量，使得智能电网组件的成本分配更难确定。 为用户提供能源信息的替代性方法不断产生。随着标准研发进程的推进，该领域还将产生更多的创新。一些产品为专用的家庭能源管理器提供了替代性产 品，或至少一套功能子集。虽然用户必须借助物理手段来查看信息，但这种手段可能已经存在于诸如个人电脑/笔便携式电脑、手机和掌上电脑等形式中了。另外的 发明可能是把带有用户可视显示器的任一产品作为显示能源信息的载体。它包含了处于设计阶段的装置、安全系统和任何新的消费产品种类。
美国国家标准技术研究院（NIST）制定的优先行动计划10号标准（ PAP10）可能允许产品制造商选择包含多用途设备和其他用途设备上的能源信息，这将趋于忽略或掩盖一些成本，从而使得难以确定获取电力用户能源信息的成 本。成本估计时可能会考虑到每个用户的成本会随着时间的推移越来越低，还会考虑到，由于有多种可供选择的方法来获取信息，独立、单一用途的家庭能源显示器 的渗透率将不会随时间攀升。带着这种考虑，研究小组估计，到2030年，供电公司20%的住户将拥有家用显示器。每个元件的平均成本估计在20～50美 元，使得智能电网在该项上的成本估计也将达到14亿～29亿美元。
表7-4 家用显示器成本
电网就绪装置和设备
电网就绪装置不要求把卡车改装，使其具备遥远的通信和控制性能。电网就绪装置设备，通常被称作“需求响应就绪”，在生产时就已经将需求响应能力内置其中。预计若干年后，若干年后将形成电网就绪设备全方位进军市场的局面被充分预期，这将导向无处不在的需求响应能力。
平均每个美国家庭拥有4.67件电器，其中电冰箱最为普遍（基于美国人口普查数据，99.8%的美国家庭拥有电冰箱）。美国家庭的数量到 2030年有望达到143,928,676。研究小组假设，第一批电网就绪装置将于2011年开始出现。预计需求响应就绪装置的渗透率在未来20年将接近 40%。考虑到有的家庭还拥有电热水器和空调装置，研究小组将每户拥有的电器平均数量提高到了5.67。读者可能认为，许多热水器用电，还有并不是家家都 有空调。还有一种平衡的
议论，认为每户的电器数量可能也在增长，使得小组对把每户5.67件电器作为合理估计的平均数目感到很轻松。
根据来自美国家用电器制造商(AHAM)关于主要电器平均寿命的数据，研究小组将每件家电的平均寿命定为13.91年。将这个数字除以研究20年跨度的时长，平均每台电器被取代的次数将是现在的1.44倍。
销售数字显示，仅仅一年时间，家电销售已经趋于目前安装基数的10%。这个数字同时包含了新销售的和以旧换新的销售。由于我们使用的2030年 家庭的预计数字中包括了新销售的电器，所以更换达到生命周期的电器数被用来反对2030年的家庭预计，以避免重复计算。将电网就绪功能并入未来电器中去的 附加成本，预计第一代为每个单元10～20美元，但是随着电网就绪规划成为标准，10年以内附加成本将下降到零。与其独立地计算工程费用，不如将其纳入每 件电器的元件成本中。最终数字应该指出，用户成本还包含从原料和产品计算出的其他成本。
小组估计，在2011年，每件电器总的消费成本将是40美元。这个成本在最初几年似乎有点高。但按照产品开发周期的准则，工程成本和元件成本预 计会随时间而减少。将来，电网就绪规划有望成为标准电器规划的一部分。而且，小组假定电器将内置通信技术，用于其他的非能源用途和为用户带来更多好处。这 将使该成本在10年后变得微不足道。
到2030年，渗透率可能会受制于用户模型选择和以下事实，即某些电器产品（如烹调和制冷）可能在电网通信或需求管理中与其他产品不匹配。因 此，研究表明渗透率在接近40%时会呈现平稳状态。研究小组采用的假设在表格7-5中做了概括，表格还指出了当智能电网家电进入市场以后可能的非线性渗透 率和成本。
表7-5 电网就绪家电成本假设
用于选择成本范围的变量在很大程度上依赖于两个因素。第一是电器附加的工程和元件成本，另一个重要的因素是智能电网可行性家电的渗透率。正如表 格7-1所示，由于预计元件成本前几年会比较高，更快的部署将推动智能电网家电总成本的上升。但是，元件成本由于较高容量的早落可能一定程度上抵消了它在 早期循环中对智能电网常见电器元件的成本降低效果。电网就绪电器的范围预计在2,300,000,000美元～4,120,000,000美元。
表7-6 电网就绪电器的成本
每件电器的成本：智能电网家电的渗透
图7-1 应用成本和渗透率
楼宇能源自动化通信升级
如今，美国超过三分之一装有空调的机构大楼安装了能源管理和控制系统（电科院101883）。通过在先进的楼宇能源管理系统中使用一个互联网通 信信号或其它形式的直接链接进行通信就可以实现自动化需求响应功能。目前我们部署的原有系统还缺乏这个功能。开放型自动化需求响应涉及机器对机器的通讯标 准，这一标准可以使电子、基于互联网的价格和可靠性信号直接链接到终端使用的控制系统或相关建筑和自动化控制系统（电科院1016082）。楼宇自动 化系统已预先编程，以便根据接收到的信息减少负荷，它还可提供实时能耗信息并反馈给公用事业和服务提供商。
应用开放型自动化需求响应技术的前提是建设一个先进的能源管理系统。要使楼宇对需求响应信号作出反应，需要在两方面进行投资。首先要让该建筑的 能源管理系统接收需求响应信号。在某些情况下，这可能意味着对软件进行升级就可以实现，而在其他情况下，这可能意味着安装一个“简单的客户端”，安装它的 唯一目的是接收信号，再传给能源管理系统。开放型自动化需求响应的特点之一是允许建立非常简单、廉价的用户接口，通过干触点与现有能源管理系统相互联系。 干继电器触点对于能源管理系统来说是几乎是一种通用的接口。 第二个投资部分，也可能是最大的一部分成本来自于在能源管理系统的负荷控制方面进行战略规划。这部分主要是人力费用，它涉及人员对一些设施的负 载审计以及将能源管理系统的专业知识转化为负荷管理战略是具体实施行动。审计建筑物用途和负载特点并不是一件简单的工作。从这个方面来说，作为开放型自动 化需求响应信号的一部分，简单响应水平的信号也可以发挥作用。在许多情况下，设备经理会认为“正常，中级和高级”响应水平更为方便，而较少考虑根据价格或 具体的调度指令来选择响应水平。此外，如果工程师们确定采用基于简单响应水平来实施负荷控制战略， 那么他们无需重新编写能源管理系统程序就可以灵活使用不同程序，这一点意义重大。
该研究小组估计，到2030，20,178,151栋商业楼宇中约有5％可完全实现能源自动化升级。升级成本为每栋5000到20000美元。智能电网总成本估计在50-200亿美元之间。
表7-8 楼宇能源自动化通信升级成本
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