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美国电科院《智能电网成本与收益评估报告》

11-12-15 12:21 6174次浏览
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一）——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发布时间：2011-06-02 点击次数:　　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。
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11-12-15 12:47

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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

　　（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）

　　信息来源：国家电网公司智能电网专栏

　　国家电网公司智能电网专栏编辑组编译，如需转载，请注明出处。
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11-12-15 12:46

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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）

　　（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）
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11-12-15 12:44

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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

　　（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）
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11-12-15 12:43

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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
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11-12-15 12:41

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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

　　（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）
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11-12-15 12:39

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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。（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）
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11-12-15 12:38

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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）

　　（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
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11-12-15 12:36

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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。（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）
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11-12-15 12:35

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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。 （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）
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11-12-15 12:32

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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。 （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）
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