美国电网2030计划

-1-美国电网的Grid2030计划摘要美国能源部为使美国电力系统升级换代，正在制定Grid2030计划。本资料的第一部分介绍制定该计划的背景，第二部分介绍Grid2030计划对美国电网发展的远景目标，第三部分为本资料的主要部分，译自Grid2030计划研究开发路线图研讨会总结材料。路线图包括设定目标、实现这些目标将遇到的挑战、应对这些挑战要开展的研发项目以及对这些研发项目的评估。一．制定Grid2030计划的背景美国的电力系统面临严重的问题，设备及基础设施老化以及机制方面的问题。近二十年来，电网更新升级的投资严重不足，其主要原因是几方面的不确定性：技术的不确定性，监管的不确定性和金融的不确定性。吸引投资困难，难以满足不断增长的需要。这种状况的结果是非常严重的：发生阻塞的输电走廊大大增加，发生停电事故的可能性大大增加，近年来停电事故不断，如：1996年西部大停电7月8月各一次1999年芝加哥、纽约、得拉瓦、新奥尔良、亚特兰大2000年底特律、旧金山2001年北加利福尼亚2003年德克萨斯、814东北部大停电每年停电及电能质量事件造成的损失在250－1800亿美元之间。2001年5月白宫报告“国家能源政策”在调研了美国能源基础设施后提出了建议，其中之一是“能源部应就输电可靠性和超导项目开展研究和开发工作。”和“调研建立国家电网益处，找出输电的瓶颈以及消除输电瓶颈的措施。”2002年5月能源部对全国输电系统的主要瓶颈进行详细的评估，发布了“国家输电网研究”。该报告明确指出，如果在下一个十年，全国输电系统没有明显的改进和升级，其可靠性落后于经济的要求并会使用户蒙受巨大的损失。报告提出了51项建议以消除输电瓶颈及实现电力基础设施的现代化。2002年9月部长顾问团提出“输电网解决方案报告”，强调了国家关键输电瓶颈问题，提出了一系列的建议以改善美国电力基础设施。美国总统乔治.布什于2003年2月：“我们的计划是使电力传输系统现代化。这是现在就需要的计划。经济的安全需要它。国家的安全也需要它。”为了制定和实施美国电网升级改造的计划，组织和协调各方面的力量和加强对计划实施的领导，能源部于2003年8月专门成立了负责输电和配电的办公室（OETD）。该办公室计划的任务：实现美国电力基础设施的现代化以满足21世纪的需要完成向区域电力市场的转化改进输电系统的运行使输电系统投资的高效能研究对电力政策的调整提供有效的联邦领导以达到上述目标2003年4月能源部召开了由电力公司、制造厂家、高校、研究和咨询单位等高层研讨会，主题是展望未来的美国电力系统。该研讨会形成了Grid2030计划的远景目标。本材料的第二部分-2-为对该远景目标的简介。有人预计电网现代化改造的投资为1000亿美元。这个数字应与目前电力工业的规模相比较：美国电力基础设施价值大约8000亿美元（含发电资产），年收入2500亿美元。2003年7月能源部召开有200多人参加的“电力输送技术路线图研讨会”，对Grid2030计划的研究、开发、示范工程（RD&D）进一步的具体化。研讨会就每个十年应达到的目标，实现这些目标将遇到的挑战，应对这些挑战要开展的RD&D项目以及对这些研发项目的评估，市场化监管体制的建设，分成8个组讨论。本材料的第三部分为该研讨会的总结。这里需要说明的是，Grid2030计划还是一个很初步的设想。在美国业界内部，也有不同的看法。但美国电网的现代化进程，正在加速进行。2003年9月25日，OETD的主任JimmyGlotfelty代表能源部在美国国会能源委员会就电网升级改造的新技术问题作证时再次肯定了Grid2030计划。二．Grid2030计划介绍远景目标的未来电力系统将建立在现有电力基础设施上。今天系统用于电力传输的设备，如输电线，变电站，变压器，将继续发挥其重要作用。但出现的新技术，新工具，如分布式的智能系统、分布式的能源，将提高现有系统的功效，质量和安全性，并使电网发展成新的结构。其结果不仅改善输电的效率也将改善市场运作的效能，高质量的网络形成美国安全的电源。2030年前美国会有完全自动化的输配电系统，它将涵盖对每个用户及每一网络节点的监视和控制，确保从电厂到用电器之间双向的电力潮流及信息流。分布智能、宽带通信、监视和控制以及自动响应使人、楼宇、工业过程与电力网络之间的接口没有缝隙，可进行实时的市场交易。超导技术的突破使大量的电能长距离送到阻塞区域成为可能，而其压降几乎为零。新型导线材料的应用使现有的输电走廊的输电能力提高2到3倍。储能及需求侧管理技术的进步几乎将电力系统峰谷差问题消除。由于停电和电能质量扰动而造成的经济损失会变得非常的少（从来不会由于电源限制而发生），用户可以根据自己的需要得到可定制的可靠性水平和电能质量水平的供电服务，而对环境的影响降得很低。在趸售这一级已经有可行的竞争性市场，用户也认可了它的效益。设计良好的，有公众监督的市场可以确保市场力问题保持最小。输配电运行在协调一致的稳定的监管下，而监管依赖于基于行为（performancebased）的原则，涉及到联邦和州的监管机构，跨州的实体，非官方的业界组织，公共利益集团以执行强制性的商业规则，使用户受到保护。Grid2030工作组由国家最优秀的科学家、工程师、技师、商业技术人员组成。Grid2030包括三个部分：－国家电力“主干网”－区域互联网（包括加拿大和墨西哥）－地方配电系统，含小型及微型电网，向用户提供服务并可得到大陆任何发电电源的服务。国家电力主干网高容量的输电通道将东西海岸及加拿大墨西哥连在一起。通过它可以在全国范围内平衡供需。这也使用户在大陆范围内选择供应商成为可能，而不论用户及供应商位于何处。国家电力主干网扩大了分配电力的范围，它可以：-3-－从众多电源中选取高效的发电厂，对用户进行公平的服务，－由于可在全国范围内从季节的差异和区域间天气的差异中相互补偿而使系统的效率更高，还包括需求侧管理。主干网系统由许多新技术构成，它包括运行于交流同步电网可控的，特低阻抗的超导电缆及变压器；形成区域间互联的高压直流输电设备；其他类型先进的导线。此外还有支持实时运行和国家电力交易的信息，通信和控制技术。国家电力主干网：东西海岸间的功率交换电力主干网及区域互联电网超导电缆降低线路损耗,确保系统稳定,使在人口稠密城市地区的设备占地面积减小,而承载电流的能力大大提高。它们与高压直流输电系统及其它采用先进导线的长距离输电系统无缝隙地组合在一起。先进的材料，如高温钻石材料可应用于输电，配电和控制。钻石技术可以替代硅材料并导致电流密度的大幅度提高。用于超导输电的低温制冷设备也可用于其他目的，如氢气液化。在氢经济中，液态氢最适合长途运输。氢是仅次于电力的主要能源载体。将先进的电力与氢技术结合在一起，可大大降低基础设施的成本。区域互联国家主干网将北美的两个重要区域：东部和西部连在一起。主干网的电力是通过区域网络来分配的。这些区域内的长距离输电利用现有交流设备经升级后变为可控制的，有些则是利用直流联络线并将其扩容。大功率直流联络线用于连接相邻的区域电网。区域系统的计划和运行效益来自发电设备（集中电站或分布式发电）及负荷状态的实时信息。广泛地应用先进的储能装置为解决因天气条件或其它因素而引起的供需不平衡问题提供了条件。大规模功率交换市场高效运行且受到跨州的实体及业界非政府组织的监督。地方配电系统含小型及微型电网国家地方配电系统与区域电网相连，且通过区域电网与国家主干网相连。配电设备的电功率流向或来自用户，连接到区域电网，功率的流向由供需条件决定。实时监测和信息交换使市场能够瞬时地处理交易且在全国范围内进行。-4-电力主干网，区域互联网及地方配电网，小型及微型电网国家主干网及通信、控制系统用户有能力根据对电力产品品种的需要，包括所希望的价格、环境影响、可靠性和电能质量的水平，定制对自己的供电。传感器和控制系统将大楼或工厂内的电气设备与配电系统连在一起。分布式发电系统和氢能技术的发展使固定的发电设备能双向使用运输车辆。例如，氢燃料电池驱动的车辆，当它停在家庭车库或停车场时它可向配电系统供电。潜在的效益Grid2030可从几个方面使美国的经济、环境、国家安全和人民受益。扩展的及现代化的电网将消除阻碍经济发展的来自电力系统的约束。强壮的国家电力交易市场将促进和开发吸引资本来支持基础设施及投资建新的电厂和设备。对于那些向电力用户、配电商及发电商提供多种新产品的大、小公司，将出现全新的业务模式。高效的能量输配系统将降低线路损耗，减少化石燃料的燃烧，减少环境污染和温室气体的排放。更经济和高效的运行及广泛地采用需求侧管理技术，将减少旋转备用，从而也减少对环境的影响。现代化的国家电力网将推动可再生能源技术，如风力发电，水电，地热发电的输送，因这些发电电源往往距负荷中心很远。对电气设备跳闸的快速检测及自动响应和快速的系统恢复，将改善电网的安全性，使电网对来自恐怖活动的物理攻击不那么脆弱。将信息技术与电力技术的高度整合，将使信息安全保护得到加强。广泛使用分布式的能源将使军事设备、警察局、医院、紧急事故处理中心的供电可靠性提高。这将确保这类“第一响应者”即使在最坏的情况下，也能够连续运行。大规模应用分布式发电，将使必须通过输配电系统的发电功率的份额减小。与加拿大、墨西哥以及其他交易伙伴的高水平的互联将加强与这些国家的联系，通过更大范围的经济合作，提高安全性。Grid2030将使美国人更富裕、更健康，有更可靠的高质量的生活。电力选择的范围将扩大。电力的消费者，从工厂、商业经理，到房主或小型商业用户有能力定制他们的能源供应，以满足其自身的需求。更加开放，可行的竞争性电力市场将帮助成本的降低，确保高质量的服务。远景目标的实现实现此远景目标分三个阶段。第一阶段为新技术的研究、开发和工程示范。此阶段还应包括-5-对监管的澄清及监管框架的现代化。第二阶段，翻查电力资产股本，用先进的系统替换。这阶段还包括，区域和地方网Grid2030概念和设备的部署。第三阶段，扩展区域和地方网Grid2030的部署，使之进入国家和国际市场。实现远景目标后可能的产品和服务举例2010年2020年2030年△用户进入下一代“聪明计量”的入口，以实现双向通信和用户/电力公司交易接口△连接到网上的智能化房屋和电器△通过需求侧管理和分布式发电，用户参与电力市场计划△提高输电容量的先进的合成导线△区域电网的扩展和现代化的规划△有“即插即用”能力的用户“全能源”系统：电力、加热、制冷及湿度控制。可通过抵押租借△通过电压、频率和功率因数校正达到“优良”电能质量△高温超导发电机、变压器和电缆的使用，大大改变电网面貌△长距离超导输电电缆△任何用户只要要求就可得到高可靠性、安全的、数字化的电力△可以得到廉价而无污染、在国家任何地方发出的电力△价格可承受的储能设备，任何人均可拥有△国家（或大陆）超导主干网完成主要的挑战为实现未来电力系统的远景目标，需要应对一系列的主要挑战。电力工业历史上一直是垄断行业的构架，有其固有的惯性，随文化取向的变化很缓慢。未来的不确定性，使电力工业难以吸引投资到新建项目中。此外，构成电力基础设施的设备新技术，近年来的发展处于停滞状态。实现远景目标所遇到的挑战克服惯性吸引资源技术开发商业模型强调公众要求公共政策△电力工业面对拆分△巨大的资本资产△RD&D处于低水平△对变革态度上阻力△股本周转缓慢△某些电力市场不甚成功△投资△教育、培训及人力开发△不引人注目的电力线路△低成本储能△长距离超导△清洁发电△实时信息系统△先进的合成导线△货币化收入流△使收益与风险匹配△测试版1.0△需求侧预测电力市场△可行的竞争性市场设计△NIMBY△联邦与州的合作△供应商的市场力△公共目的项目△稳定的监管框架△持续的RD&D基金需要开发并应用新技术使电力工业从机电时代进入数字时代。但遗憾的是，电力工业是在投入RD&D的资金最低的行业之一。新加入市场的成员（如独立发电公司、能源服务公司、分布式供能公司及需求侧管理业者）更需要监管的确定性及适当的运行市场提供激励，实现必要