?？宋鳡柲茉垂镜闹悄茈娋W(wǎng)城市概念，完全依賴(lài)于信息技術(shù)豐富的動(dòng)力系統(tǒng)，高速實(shí)時(shí)雙向通信，遍及整個(gè)電網(wǎng)的促使快速診斷和糾正的傳感器，峰值效率的決策數(shù)據(jù)和支持，分布式發(fā)電，自動(dòng)化“智能變電站”，居家能源控制裝置及自動(dòng)化家庭能源使用。
下一代電網(wǎng)，將由數(shù)字技術(shù)提供支持，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電商、分銷(xiāo)商以及消費(fèi)者提供更多控制，以保證其提高效率，并降低運(yùn)營(yíng)成本。2008年，在全面努力下，埃克西爾能源公司（Xcel Energy）開(kāi)始引進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)，這將使科羅拉多州（Colo）博爾德市（Boulder）成為第一座智能電網(wǎng)城市。
正如互聯(lián)網(wǎng)改變了我們的交流方式那樣，“智能電網(wǎng)”也將改變我們的輸電方式?；ヂ?lián)網(wǎng)的成功在很大程度上得益于自身的聯(lián)網(wǎng)能力，而智能電網(wǎng)將以類(lèi)似的方式，運(yùn)用寬帶能力和高速計(jì)算徹底改變最終用戶(hù)的輸電和配電。
雖然這個(gè)概念已經(jīng)存在了至少10年，但對(duì)于智能電網(wǎng)的構(gòu)成，人們并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。然而，一直以來(lái)努力將來(lái)自理論的思想付諸于實(shí)踐的政府、工業(yè)、技術(shù)以及政治團(tuán)體都一致同意，智能電網(wǎng)將采用數(shù)字技術(shù)促使所有系統(tǒng)元件實(shí)現(xiàn)整體實(shí)時(shí)控制，從發(fā)電到最終用戶(hù)。
未來(lái)電網(wǎng)的特征
業(yè)內(nèi)觀察人士認(rèn)為，美國(guó)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的基本方式在過(guò)去100年里并沒(méi)有太多改變。然而現(xiàn)在，由于美國(guó)部分地區(qū)電力放松管制和市場(chǎng)定價(jià)，公用事業(yè)正在尋找一種使電力消耗與發(fā)電相匹配的方法。許多業(yè)內(nèi)人士關(guān)于全網(wǎng)絡(luò)連接電網(wǎng)的愿景是：該電網(wǎng)能夠識(shí)別電網(wǎng)的方方面面，并就其狀態(tài)及自動(dòng)化決策系統(tǒng)的消耗決策進(jìn)行交流。
根據(jù)?？宋鳡柲茉垂景l(fā)電分析師近期編寫(xiě)的白皮書(shū)，智能電網(wǎng)的一般定義是：在最低程度的人工干預(yù)下，利用各種燃料來(lái)源（例如煤炭、太陽(yáng)能、風(fēng)能），將其轉(zhuǎn)換成電力，供消費(fèi)者最終使用（熱、光及溫水）的智能化自動(dòng)平衡自我監(jiān)測(cè)電網(wǎng)。他們斷言，這將是一個(gè)使可再生能源得以?xún)?yōu)化利用，并使環(huán)境得以最大程度保護(hù)的解決方案。智能電網(wǎng)能夠察覺(jué)系統(tǒng)組成部分所出現(xiàn)的過(guò)載現(xiàn)象，并能變更電流的路程，以降低過(guò)載，防止?jié)撛诘耐ｋ姟４送?，智能電網(wǎng)促使消費(fèi)者和公用事業(yè)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，從而允許公用事業(yè)基于人類(lèi)環(huán)境和/或價(jià)格參考對(duì)消費(fèi)者能源的使用進(jìn)行優(yōu)化。
博爾德市近期改建的第29街購(gòu)物中心，其娛樂(lè)設(shè)備公司（REI）戶(hù)外店贏得了美國(guó)綠色建筑委員會(huì)（U.S. Green Building Council）首批頒布的能源與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)（LEED）零售資質(zhì)證書(shū)。
在過(guò)去的10年左右，幾個(gè)公用事業(yè)已進(jìn)行了涉及一個(gè)或一個(gè)以上智能電網(wǎng)技術(shù)的試驗(yàn)計(jì)劃。大多數(shù)常見(jiàn)的計(jì)劃是以先進(jìn)計(jì)量設(shè)備促進(jìn)旨在消減需求高峰的分時(shí)電價(jià)定價(jià)方案，但?？宋鳡柲茉垂镜挠?jì)劃似乎最能包羅一切。
由?？宋鳡柲茉垂緸槲磥?lái)測(cè)試所建立的電網(wǎng)智能化技術(shù)實(shí)例如下：
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：該項(xiàng)目創(chuàng)造了有助于減少鍋爐結(jié)渣和積灰的最新系統(tǒng)。鍋爐傳感器直接接入工廠的分布式控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)采用歷史數(shù)據(jù)來(lái)“學(xué)習(xí)”鍋爐運(yùn)行方式，模仿結(jié)渣和積灰。
智能變電站：該項(xiàng)目采用前沿技術(shù)改造現(xiàn)有變電站，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)臨界和非臨界運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一個(gè)分析機(jī)器，以便處理實(shí)時(shí)決策和自動(dòng)化運(yùn)行的大量數(shù)據(jù)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將監(jiān)測(cè)斷路器、變壓器、電池、變電站的環(huán)境因素，如環(huán)境溫度和可變風(fēng)速。
智能分布資產(chǎn)：該項(xiàng)目能夠自動(dòng)向?？宋鳡柲茉垂景l(fā)出停電通知，并幫助公用事業(yè)更迅速地恢復(fù)服務(wù)，并對(duì)現(xiàn)有儀表通信設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。
智能停電管理：該項(xiàng)目對(duì)采用8個(gè)因素（包括設(shè)備維護(hù)和實(shí)時(shí)天氣）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)診斷軟件進(jìn)行測(cè)試，以便預(yù)測(cè)電力分布系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并建立一個(gè)停電原因模型。變電站饋電線(xiàn)分析系統(tǒng)，能探測(cè)和預(yù)測(cè)受監(jiān)控變電站的電纜和裝置故障。
消費(fèi)者網(wǎng)站入口：該項(xiàng)目允許消費(fèi)者根據(jù)小時(shí)能源成本和環(huán)境因素，為特定裝置（如空調(diào)或洗碗機(jī)）或計(jì)劃預(yù)設(shè)能源用量，并自動(dòng)控制電力消耗。
風(fēng)能儲(chǔ)存：該項(xiàng)目對(duì)美國(guó)明尼蘇達(dá)州西南部Minn Wind風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)1MW電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該儲(chǔ)能系統(tǒng)旨在儲(chǔ)存風(fēng)能，并在必要的時(shí)候?qū)?chǔ)存的風(fēng)能返回至電網(wǎng)。該項(xiàng)目將示范增加風(fēng)能的可用性，減少長(zhǎng)期排放，幫助降低風(fēng)變率，并允許?？宋鳡柲茉垂緷M(mǎn)足可再生能源配額制的要求。
2007年12月，?？宋鳡柲茉垂窘⒘酥悄茈娋W(wǎng)聯(lián)盟，將領(lǐng)先的技術(shù)人員、工程公司、商業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，以及信息技術(shù)專(zhuān)家召集到一起。聯(lián)盟成員包括埃森哲公司（Accenture）、卡倫特集團(tuán)（Current Group）、施瓦茨工程實(shí)驗(yàn)室（Schweitzer Engineering Laboratories）以及Ventyx公司。
智能屋。雖然很多工業(yè)用戶(hù)通過(guò)參與分時(shí)電價(jià)定價(jià)和志愿降載計(jì)劃，已對(duì)其能源預(yù)算進(jìn)行了管理，但智能電網(wǎng)能夠?yàn)樽≌脩?hù)提供類(lèi)似的甚至更強(qiáng)大的能源使用控制。
埃森哲公司將為最佳商業(yè)/消費(fèi)者外展實(shí)踐和整體信息技術(shù)集成咨詢(xún)提供指導(dǎo)?？▊愄丶瘓F(tuán)將為連接所有智能網(wǎng)絡(luò)組件提供通信網(wǎng)絡(luò)（電力線(xiàn)寬帶），并允許它們互相“對(duì)話(huà)”（互相聯(lián)絡(luò)）。施瓦茨工程實(shí)驗(yàn)室將為智能變電站提供變電站技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，如監(jiān)測(cè)器、繼電器、傳感器和開(kāi)關(guān)。Ventyx公司將在需要的時(shí)候，識(shí)別合適的工具并發(fā)送正確的人員至適當(dāng)?shù)奈恢?，為部署智能電網(wǎng)提供工作管理解決方案。此外，Ventyx公司還將為實(shí)時(shí)連接客戶(hù)、貿(mào)易及投資決策的價(jià)格，以及負(fù)荷預(yù)測(cè)提供規(guī)劃和分析理論。
博爾德市引領(lǐng)潮流
為給智能電網(wǎng)建立一個(gè)形象工程，埃克西爾能源公司選擇科羅拉多州的博爾德市作為美國(guó)第一座“智能電網(wǎng)城市”。接下來(lái)幾年里，規(guī)劃的系統(tǒng)將為客戶(hù)提供旨在提高環(huán)境、金融和運(yùn)營(yíng)利益的技術(shù)組合。在資金方面，?？宋鳡柲茉垂绢A(yù)計(jì)僅資助項(xiàng)目的一部分，并計(jì)劃調(diào)動(dòng)其他來(lái)源，包括政府補(bǔ)助金。
博爾德市居民一直被視為進(jìn)步思想和新興技術(shù)，尤其是與環(huán)境相關(guān)技術(shù)的早期采用者。因此，他們堅(jiān)決支持保證有效資源使用和提高客戶(hù)控制的現(xiàn)代化電網(wǎng)資源這一構(gòu)想，就顯得不足為奇了。
“我們意識(shí)到這是一項(xiàng)龐大的任務(wù)，這就是為什么我們采取協(xié)作方式來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)的原因。智能電網(wǎng)城市只有在所有利益相關(guān)者和聯(lián)盟伙伴的幫助下才能實(shí)現(xiàn)?！??？宋鳡柲茉垂拘畔⒓夹g(shù)運(yùn)營(yíng)和策略總經(jīng)理邁克.蘭姆（Michael Lamb）說(shuō)。
除了地理集中、規(guī)模理想以及使用所有電網(wǎng)組件外，博爾德市被選為第一座智能電網(wǎng)城市還因?yàn)樗强屏_拉多大學(xué)和一些聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的所在地，包括為聯(lián)邦政府智能電網(wǎng)做出努力的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院。
智能電網(wǎng)城市以大量的基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)和為客戶(hù)提供方案為特色，其中包括：
創(chuàng)建一個(gè)（通過(guò)電力線(xiàn)寬帶）為整個(gè)配電網(wǎng)提供實(shí)時(shí)高速雙向通信的通信網(wǎng)絡(luò)。
將變電站轉(zhuǎn)換成能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控、準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和通信，以及優(yōu)化性能的“智能”變電站。
應(yīng)客戶(hù)邀請(qǐng)，安裝可編程居家控制裝置和全面自動(dòng)化居家能源使用所必需的系統(tǒng)。
整合基礎(chǔ)設(shè)施，以支持易于調(diào)度的分布式發(fā)電技術(shù)（如采用汽車(chē)電網(wǎng)技術(shù)的即插即用型混合電力汽車(chē)、電池系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機(jī)及太陽(yáng)能電池板）。
智能電網(wǎng)城市的第一階段于2008年8月到位，整個(gè)城市的實(shí)施將持續(xù)整個(gè)2009年。聯(lián)盟預(yù)計(jì)于2009年開(kāi)始初始評(píng)估。在初始執(zhí)行和評(píng)估后，埃克西爾能源公司將利用與州、聯(lián)邦以及監(jiān)管官員進(jìn)行公司8個(gè)州立服務(wù)領(lǐng)域的更大部署。
“我們還沒(méi)有完全理解我們執(zhí)行智能電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，將要面臨的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。”蘭姆說(shuō)，“這就是實(shí)施智能電網(wǎng)城市如此重要的原因。博爾德市將成為美國(guó)第一座全集成智能電網(wǎng)城市，并將充當(dāng)所有這些技術(shù)的試驗(yàn)平臺(tái)?！?/font>
需求響應(yīng)技術(shù)起到了關(guān)鍵作用
幾年前，美國(guó)能源部（DOE）發(fā)起了一項(xiàng)名為電網(wǎng)智能化（GridWise）的倡議，該倡議促進(jìn)了信息技術(shù)將深遠(yuǎn)改變電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)的愿景。電網(wǎng)智能化構(gòu)想了一個(gè)充滿(mǎn)信息和市場(chǎng)機(jī)遇的從發(fā)電到客戶(hù)電器設(shè)備的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。
美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）主要致力于開(kāi)發(fā)新技術(shù)，以提高電網(wǎng)的可靠和可承受能力，以及使用清潔能源的能力。西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)智能化項(xiàng)目經(jīng)理羅伯特.普拉特（Robert Pratt）說(shuō)，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在協(xié)助建立電網(wǎng)智能化聯(lián)盟，即把需求響應(yīng)概念付諸于實(shí)踐的智能電網(wǎng)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和創(chuàng)新者的集合。
此外，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行實(shí)地示范，如近期完成的高級(jí)需求響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)太平洋西北電網(wǎng)智能化試驗(yàn)臺(tái)示范。本年示范項(xiàng)目，通過(guò)英維思控制器（Invensys Controls）家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到IBM軟件的新型高級(jí)儀表和可編程恒溫器上，將112個(gè)家庭與實(shí)時(shí)電力價(jià)格信息聯(lián)系起來(lái)。最終結(jié)果表明，參與者節(jié)約了約10%的能源費(fèi)用，并且需求響應(yīng)良好。
這種示范項(xiàng)目突出了需求響應(yīng)技術(shù)的好處，包括通過(guò)使電網(wǎng)具有更強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性的方式，降低峰值需求和提高可靠性。這些項(xiàng)目顯示了利益如何派生，即使降至分布系統(tǒng)水平。額外利益包括提供調(diào)頻解決方案服務(wù)的能力，從而使電網(wǎng)獲得風(fēng)電資源變得更加容易，進(jìn)而提高風(fēng)電穿透。
“注意，通過(guò)為客戶(hù)提供響應(yīng)實(shí)時(shí)（5min）價(jià)格的簡(jiǎn)單自動(dòng)化控制，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的示范項(xiàng)目給客戶(hù)提供了關(guān)于他們的參與信息。其中，該實(shí)時(shí)價(jià)值反映了電網(wǎng)的響應(yīng)價(jià)值，并確實(shí)分享了作為獎(jiǎng)勵(lì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值?！?羅伯特.普拉特說(shuō)，“我們覺(jué)得，這對(duì)于獲得公眾廣泛接受智能電網(wǎng)技術(shù)作為日常生活的自然組成部分來(lái)說(shuō)，將是至關(guān)重要的?！?br>西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還研發(fā)了使用小型家用電器，如干衣機(jī)和電冰箱的方法，以幫助保持電網(wǎng)的可靠性。這是通過(guò)添加自律感應(yīng)電網(wǎng)頻率或電壓干擾，將負(fù)荷降低到1min或2min，以“幫助解決難題”的簡(jiǎn)單控制器來(lái)完成。
據(jù)羅伯特.普拉特所說(shuō)，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在一項(xiàng)實(shí)地示范項(xiàng)目中證明，這種簡(jiǎn)單裝置是可靠的，并且在操作中無(wú)需客戶(hù)注意。啟用這種能力不需要交流，其內(nèi)置于工廠電器的成本足夠低廉。如果這樣啟用了足夠的電器，其結(jié)果會(huì)是巨大的，安全網(wǎng)將幫助我們保持電網(wǎng)的可靠性。
智能計(jì)量是啟用需求響應(yīng)技術(shù)的關(guān)鍵，智能計(jì)量提供了所需的硬件。羅伯特.普拉特說(shuō)，“直到你能為客戶(hù)或分布式資源提供獎(jiǎng)勵(lì)，以協(xié)調(diào)電網(wǎng)需要，并且直到你能夠測(cè)量與良好的時(shí)間解決方案合作的程度?！?/font>
此外，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室-D（Grid LAB-D），即從所有個(gè)人電器操作到變電站運(yùn)營(yíng)的智能電網(wǎng)開(kāi)放源時(shí)間序列模擬，作為設(shè)計(jì)技術(shù)和控制策略及確定其利益的平臺(tái)。
“我們希望電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室-D成為致力于實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)研究者和技術(shù)開(kāi)發(fā)者的深入技術(shù)合作基礎(chǔ)?！绷_伯特.普拉特說(shuō)，“我們還在考慮這些相同的智能電網(wǎng)概念，如何被應(yīng)用于大量即插即用型混合電力汽車(chē)的充電管理，而無(wú)需增加新的發(fā)電或輸配電容量。”
仍然存在的挑戰(zhàn)
顯然，智能電網(wǎng)的實(shí)施將迫使美國(guó)的公用事業(yè)處理幾個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。
“首先，消費(fèi)者接受度將是至關(guān)重要的?！绷_伯特.普拉特說(shuō)，“他們認(rèn)為，在其自身感覺(jué)舒適程度上，保持控制并能夠參與需求響應(yīng)是十分重要的。當(dāng)你打開(kāi)空調(diào)時(shí)，沒(méi)有人想要電力公司擁有控制能力。我們發(fā)現(xiàn)，甚至當(dāng)消費(fèi)者進(jìn)行控制時(shí)，你也能在短時(shí)間內(nèi)使電力足夠忙碌，并將峰值需求降低50%。”
另一個(gè)潛在問(wèn)題與智能電網(wǎng)的財(cái)政活力有關(guān)。據(jù)羅伯特.普拉特所說(shuō)，州立監(jiān)管人員必須允許公用事業(yè)獲得智能電網(wǎng)投資的公平收益率，正如他們對(duì)被智能電網(wǎng)投資所取代的傳統(tǒng)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施所做的那樣。
西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目經(jīng)理還關(guān)注與可再生能源使用增加相關(guān)的挑戰(zhàn)，其中可再生能源使用增加會(huì)給智能電網(wǎng)帶來(lái)負(fù)面影響。項(xiàng)目經(jīng)理指出，由于管理碳排放的需要，我們將面臨快速向電網(wǎng)引入大量可再生能源發(fā)電的巨大壓力。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這意味著近期風(fēng)電將不斷降低成本，并進(jìn)行廣泛的太陽(yáng)能光伏（PVs）發(fā)電。
“可再生能源發(fā)電給電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)增加了大量的復(fù)雜性。風(fēng)電的挑戰(zhàn)之一是間歇性能源。我們能夠預(yù)測(cè)風(fēng)力的程度，但很多波動(dòng)都是非常迅速的，并且其他發(fā)電必須向上或向下漸變進(jìn)行補(bǔ)償。”羅伯特.普拉特說(shuō)，“這些波動(dòng)使本來(lái)就已經(jīng)很難運(yùn)營(yíng)的電網(wǎng)，變得更加難以運(yùn)營(yíng)?！?/font>
羅伯特.普拉特舉例說(shuō)，在去年冬天，西德克薩斯州的風(fēng)電輸出波動(dòng)巨大且迅速，從而導(dǎo)致電廠無(wú)法補(bǔ)償。風(fēng)電的意外終止，導(dǎo)致區(qū)域性輸電機(jī)構(gòu)（得克薩斯州電力可靠性理事會(huì)，ERCOT）執(zhí)行志愿減載計(jì)劃（該計(jì)劃付款給工業(yè)用戶(hù)，讓其斜降用電或暫時(shí)離線(xiàn)，從而減少負(fù)載，并避免燈火管制）。該事件是關(guān)于使用間歇性可再生能源復(fù)雜性的有形實(shí)例。
“關(guān)于數(shù)字電網(wǎng)，我們可以做的一件事是使用需求能力來(lái)吸收風(fēng)力波動(dòng)，從而建立合作關(guān)系，并且這還有利于太陽(yáng)能。和風(fēng)電不同，太陽(yáng)能光伏發(fā)電通常被連接到家里或大樓的電網(wǎng)?！绷_伯特.普拉特說(shuō)到，“當(dāng)有足夠的風(fēng)力將電力沿著線(xiàn)路推回變電站時(shí)，這將要求電壓調(diào)整和短路保護(hù)的新動(dòng)態(tài)方案?！?/font>
更高的電網(wǎng)智能利益
總的來(lái)說(shuō)，智能電網(wǎng)的過(guò)渡對(duì)于消費(fèi)者、公用事業(yè)、股東和監(jiān)管人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是積極的。消費(fèi)者將能夠通過(guò)修正其用電習(xí)慣和生活方式來(lái)管理他們的能源消耗和峰值需求。西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室示范項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)，參與者能夠沒(méi)有困擾地適應(yīng)這些變化。公用事業(yè)將由于擁有更為可靠的系統(tǒng)而受益，其中這些系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化為建立額外容量的降低需要。作為回報(bào)，消費(fèi)者應(yīng)該獲得能源費(fèi)用的更多控制。
客戶(hù)參與需求響應(yīng)計(jì)劃將關(guān)閉電力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)學(xué)家多年來(lái)渴望的發(fā)電與消耗之間的回路。因此，公用事業(yè)將能夠更好地管理可用資源的能源需求，從而為投資者創(chuàng)造更高的財(cái)務(wù)回收率。自動(dòng)化及個(gè)人消費(fèi)者需求和消耗模式的更佳反饋，應(yīng)該帶來(lái)更有效的資源利用和更低的運(yùn)營(yíng)成本。
