作为应对全球变暖的对策之一，世界各国对智能电网均充满期待。智能电网的构建，将使传统电力基础设施发生根本性变化，从而产生新的商机。气候组织2008年的一项研究数据指出，“到2020年，智能电网的应用可以减少全球电力系统二氧化碳排放量的14%。”英国能源及气候变化部也预测，未来五年内全球智能电网市场规模将达270亿英镑。本文作者对美国当前发展智能电网可能遇到的障碍和亟须发展的关键技术进行了研究，提出智能电网应上升至国家战略进行顶层设计，充分利用和整合我国现有的基础，网络“坚强”和智能并重，政府必须履行监管责任，把握好智能电网投资建设节奏……
美国智能电网：新技术带来的潜在效益
美国皮尤研究中心(PE W researchcentre)发布的名为“智能电网”的报告，对美国当前发展智能电网需要处理好的多方面产业关系和亟需发展的关键技术进行了研究，在全景式展示的基础上，提出了有借鉴意义的政策建议。
现有电网存在的问题
美国电网是一个庞大和极复杂的系统，包括集中电厂、输电线路和配电网络，承载和持续保持着8500亿瓦电力的供求平衡。它的运行可靠性达到了99 .97%，每年停运的时间约为160分钟。
然而，传统电网的设计没有采用最新技术，不能为提高能源效率、节能和实现低碳经济目标提供保障。
智能电网可以处理以下问题，但这些问题同温室气体减排并不直接相关。
首先，电力中断和电能储运损失耗资每年超过1500亿美元。对消费者而言，每年平均有2 .5小时的电力中断，这是相当大的经济损失。对于普通消费者，电力质量干扰可能只是灯光闪烁或灯光变暗，但对于依赖高品质电力(如通信网络和管线)的高科技制造业和关键基础设施来说，这些事件则会破坏运营和花费数百万的经费。
其次，对电网峰负荷管理效率低。峰负荷是指一天、一季或一年之内最高的电力需求时段。电力需求表现为周期性和多变性，为满足这种需求的变化，电力成本也不断变化。但由于发电企业需求管理的工具有限，因此电力供应必须不断跟踪需求进行调整。此外，电网必须不断保持超额供应的缓冲储备，从而导致效率低、排放高和更高的成本。
第三，难以管理和处理复杂的信息。例如，接到消费者电话通知发电企业才能发现停电状况。此外，消费者很少了解电力如何定价以及他们正在使用的能源在不同时段具有不同价格等方面的信息。这些也是限制提高效率、节约能源和需求响应的因素。
第四，使用可再生能源的挑战。可再生能源发电由于其特点会产生比较大的波动(如风能和太阳能)。现有电网对可再生能源发电的支持水平，使超过大约20%的能量难以确定。
第五，对分布式发电支持不足。由于现有电网是以发电站为中心，输送电流到最终用户的单向设计，因此为支持小型分布式发电，它必须升级到支持双向电流的设计。添加如屋顶太阳能或微型风力发电等分布式发电单元，对现有的电网来说，都会使管理更为困难。
第六，插件式混合动力车的部署对电网压力大。在未来几十年，插件式混合动力车的部署是电力系统面临的主要压力。由于插件式混合动力车周期充电的特性，对现有的电网来说，不仅成本高昂而且技术实现也比较困难。
智能电网的潜在效益
智能电网的概念指的是将数字技术应用到电力部门，即运用IT技术自动控制电力供求平衡的第二代供电网。智能电网并非一项具体的技术，相反，它由一系列提高电网性能、可靠性和可控性的技术组成。其中许多技术已在其他经济部门应用，比如电信业和制造业，它们运用数字技术进行现代化，提高了效率，产生新机会和获得更强的生产力。相比这些经济部门，电力行业已然落后，许多发电厂仍然在应用20世纪60年代和70年代的设计。
智能电网技术提供了以下几方面潜在的经济效益和环境效益：
增加可靠性；提高资产利用率；更好地集成插件式混合动力车和可再生能源的应用；减少发电企业的运营成本；减少家庭和企业的用电支出；提高效率和效用；支持新的组件和应用；降低温室气体和其他排放。
在提高效率和效用、可再生能源集成和插件式混合动力汽车应用等三个方面的效益为：
(1)提高效率和效用。
智能电网通过提高能源效率和储能措施能够使潜在的温室气体排放量减少一半以上，比如：通过对分布式系统更好地管理减少传输损耗；实时设备监控，通过对设备情况更好的把握，发电企业能够使设备的重要部分保持高效率运作；通过需求反馈管理高峰负荷，从而代替常规的旋转备用；提高电力价格的透明度，帮助客户了解电力的真实成本。为消费者提供持续的电力使用直接反馈看似简单，但如果消费者根据价格和消费信息及时作出调整，到2030年预计可以减少每年3100万吨到1.14亿吨的二氧化碳排放量。
(2)可再生能源集成。
美国电力科学研究院估计，通过智能电网应用增加的可再生能源产生的电能，在2030年可以减少相当于每年1900万吨到3700万吨二氧化碳的温室气体排放。两个独立的组件可以更好地集成可再生能源：
支持分布式发电。控制技术使分布式可再生能源发电的集成更安全和更可靠(例如，屋顶的太阳能装置)。智能电表能够更准确地计算分布式发电，使得网络计量更具吸引力。
对不稳定的可再生能源电力具备全网响应能力。需求响应资源能够缓冲电力供应的变化。提供插件式混合动力汽车分布式能源存储和配套服务。更好的定价机制和需求方管理，可以减少输电阻塞，使更多规模发电企业的可再生能源项目接入电网。
(3)插件式混合动力电动汽车得以应用。汽车尾气是美国温室气体最大的排放源之一。插件式混合动力汽车的排放要比应用汽油内燃发动机的传统汽车低。美国电力科学研究院估计，通过启用智能电网应用插件式混合动力汽车，在2030年可以减少相当于每年1000万吨到6000万吨二氧化碳的温室气体排放，而对智能电网本身不会造成过大的压力。
智能充电。通过实时价格和全系统范围的价格信号，插件式混合动力汽车可以做到主要在非高峰期充电，避免昂贵的使用成本和减少发电厂峰谷时的负担。
单车到电网。插件式混合动力汽车的应用可以起到调节电网电力的功能，且部分替代依赖化石燃料发电。
美国智能电网进一步发展的障碍
在美国，大部分智能电网所需要的技术都在积极开发或已经可以商用，其实用性目前正由数百个在全国各地开展的先进测量基础设施项目实践反馈。至少有10个不同的联盟正在提高智能电网技术，并进行研发、组织标准和互操作性的研究。市场占有率也有所增加，家用和商用的智能电表从2006年占1%提高到了2009年的4 .7%。某些州，智能电表占有率已经达到20%。
南加州爱迪生市，通过它的智能连接计划，计划给所有的家庭和小企业客户安装智能电表(大约530万块)，并开始进行动态定价和需求缩减的尝试；该项目预计可以避免增加十亿瓦的电力消耗和相应降低消费者的电费。
佛罗里达电力与照明、通用电器、思科系统和银泉网络合作投资两亿美元，建立了一个包括100万家庭和企业的、基于互联网和开放式标准的智能电网系统。该系统有望为消费者节省10%到20%的电费，智能电网投资费用的一半由发电厂支付，另一半由“2009美国复苏与再投资法”支付。
但智能电网的进一步发展仍将遇到以下几方面的障碍：
预付消费开支
2009年，对200家发电企业经理的调查显示，42%的受访者将“预付消费开支”作为智能电网发展的主要障碍。而这项因素在消费者的调查中得到印证，95%的受访者表示，他们更倾向于在确认他们的电力消费信息后才付费；只有20%的人愿意预付消费开支。通过法规批准增加用于智能电网的投资总是比较困难的，而且各州的接受程度也不相同。
缺乏标准化
30%的发电企业经理将“缺乏技术标准”作为部署智能电网的主要障碍。关于互用性和技术标准的不确定是目前发电企业面临的最大风险。
监管障碍
发展智能电网的许多障碍涉及到监管问题。电力是国家传统的监管领域。但现行监管结构和监管权限只能松散地协调关系，当项目受到多层次的审查，最终做出的许多决定可能是不明确的。由于当地(市，县)、州级和联邦司法管辖权限的重叠，相互矛盾的决策可能导致数年的监管延误问题。一些监管决定也可以在法庭上受到挑战，导致在各环节上出现更多的潜在延误。这一系列的延迟会大大增加智能电网项目的成本和监管风险。
缺乏普遍认识
因为智能电网是一个新的概念且有关技术发展迅速，因此在消费者、管理者、决策者之间，对其成本和收益的理解上还有误差。在不同理解的基础上构建的利益相关者联盟可能会得出不同的结论。
智能电网技术的五个关键领域
解决现有电网缺点的智能电网技术，就是提供可控智能和加强管理能力，来提高运营效率和性能。这些技术现都已开始应用，包括X cel能源、太平洋煤气和电力和美国电力公司等特大型发电企业，已采取措施予以实现。根据美国能源技术实验室的研究，智能电网技术包含五个关键技术领域：
通信集成。在所有电网组件中实现高速、规范、双向的信息交流，是实时信息反馈和决策的必要条件。一些现有的技术，包括广域无线互联网和移动网络，可以提供所需的通信基础设施。
传感与度量。传感和度量装置让发电企业和消费者能够了解并对电网实时状态作出反应。例如，住户可以通过链接电网中智能设备和具备显示装置的智能电表，监测其能源需求和现时电价。
先进功能组件。先进的功能组件，如全球定位系统、限流导体、先进能源存储和电力电子学的发展将提高电厂发电、输电和配电的能力以及运营的智能水平。
先进控制。随着提供给电网控制器的信息越来越多和响应时间要求越来越快，电网管理的任务变得更为复杂。需要先进的控制系统快速发现和处理重要信息，使业务精简并向操作人员提供明确的指令。
改进接口和决策支持。新的工具，如任何尺度(从个人邻里到整个国家电网)的可视化软件，为操作人员提供更多的态势感知和诊断，从而使规划者、操作者和决策者作出明智的决定。
智能电网形成促进智能技术的应用平台：
自动抄表允许发电企业直接阅读用电、用水、用煤气的电子数据，而不需要每家每月报表。自动抄表的下一步，就是增加双向通信，允许发电厂根据电表信息，采取实时调整价格和及时应对停电或电能质量等方面的事项。
实时定价是指动态地改变电力价格以反映电力市场的真实需求，优于以往的峰谷定价机制。成功的实时定价取决于电力的价格需求弹性，让市场信号明确并为消费者提供合理的价格区间。智能电网让消费者区分电力使用的优先次序和监测其用电，能够有效节约成本和形成更经济有效的电力市场。
需求响应允许发电厂降低峰谷负荷时段的需求，从而避免高成本的发电机组经常处在最低效的情况。需求响应可以显著区分有价值和低优先级的电力使用，例如，在不影响关键电力服务的条件下，减弱灯光和调整空调温度。
插件式混合动力车和电动汽车会大大增加电网负荷。一辆插件式混合动力车可能比一个普通家庭的耗电还要多。智能充电设备通过发电厂的信息，使插件式混合动力车在低价格、对电网低影响以及低排放(使用可再生能源发电时)时段充电。单车到电网概念，则是更进一步允许插件式混合动力车将他们的电能回馈到电网，来帮助稳定电压和频率，减少对旋转备用和监管服务的需要，从而避免发电机组由于提供这些服务而产生的排放。
自动化配电系统可以在故障发生时重新配置电力，将问题限制到一个较小的区域。这就降低了备用发电机运行的数量和减少了总的停运时间。
通过提供更大的容错性和孤岛检测，智能电网为分布式发电单元，如屋顶太阳能装置、为商业楼宇供热电的小型天然气涡轮机、风力集成系统等，提供更安全和更可靠的接入。
美国：政策倾斜为智能电网开道
美国2007年颁布的能源安全法提出，由国家标准与技术研究院同产业界协商为智能电网技术制定全国性的技术标准，如电网智能化联盟，并同其他标准组织保持密切联系，如电气和电子学研究工程师协会。对发电企业来说，标准改变所带来的技术风险是最大的风险。对于产业链上的所有利益相关者，只有制定切实可行的国家标准并使之制度化才可能加速发展。标准将涵盖智能电网的设备通讯及其安全等技术领域。
美国2007年颁布的能源独立和安全法和2008年与2009年先后出台的有关经济刺激法案，都授权联邦基金要资助智能电网项目及其研发。其中，2009美国复苏与再投资法要求拨付43亿美元用于智能电网项目。同时，该法要求提供一亿美元用于智能电网技术工人的培训，向国家标准与技术研究院提供1000万美元经费，用于同产业集团协商制定智能电网互操作框架协议。
尽管目前电网满足行业标准要求的可靠性平均达到了99.97%，但在各发电企业中存在差异。联邦政府可以运用直接的激励工具，为投资智能电网技术的发电企业提供赋税优惠，或将智能电网技术装备的折旧期缩短到五年。
许多从事智能电网项目的发电企业发现，他们用在通信和IT基础设施方面的成本花费，要远大于在智能电网本身组件方面的投入。因此，创建一个全国性的宽带基础设施，同时发挥智能电网的杠杆作用，可以让通信和电力部门同时受益。
因为各州负担了智能电网的项目审批和发电企业成本补偿的主要责任，所以各州的智能电网部署水平存在显著差别。对州一级水平谨慎的成本补偿，制定联邦鼓励措施有助于加快智能电网的部署。
中国：进行顶层设计不可简单复制
2009年10月国际能源署(IE A )部长级理事会上，与会国已就构建智能电网达成共识。发展智能电网对电网安全、可靠、高效运行并实现节能减排、带动相关产业具有重要意义。
为了确保长远竞争力，美欧均抓紧投资，以便创立并获得对自己有利的智能电网技术标准。皮尤中心的报告反映出，智能电网发展不仅仅是一个技术问题，其涉及电力系统的整体变革，涉及巨额投资，涉及国家的能源战略、技术标准、电力市场和电价政策、电力监管、多行业协同等诸多问题。
我国智能电网产业还处在起步阶段，智能电网应上升至国家战略进行顶层设计。要在国家层面，结合“十二五”科技发展规划，做好发展智能电网的顶层设计，发展智能电网要与我国新能源产业的快速发展相结合，从而带动如新能源汽车等相关产业发展。要考虑跨领域、跨行业、跨学科的融合，做好政策协调、规范标准研究。积极推动相关的国际合作，抓住当前的战略机遇期，充分利用好国际技术资源。
2009年5月，中国国家电网公司正式发布了举世瞩目的“建设坚强智能电网”的研究报告，首次向社会公布了“智能电网”的发展计划。对于中国一次能源资源分布与生产力布局极不均衡的特殊布局以及具有长距离、大容量输电特征的特高压电网的实际情况，欧美智能电网的发展道路显然不可以简单复制。由中国经济发展阶段、能源集中分布特点所决定的现状，要求我们避免丢低求高的发展思路，而必须网络“坚强”和智能并重，既重视满足重工业发展，也重视满足商业、行政和生活的用电需求。
国家电网公司的研究报告提出分三个阶段推进坚强智能电网的建设。在三个阶段里总投资预计将超过四万亿。各个阶段投资布局的重点对各个相关行业的影响有所不同。根据智能电网的规划实施阶段来看，初期智能电网的建设主要体现在特高压建设的推进、用电端采集系统的推广以及智能化、新能源并网技术的试点应用、数字化变电站的试点建设等方面。对于智能电网的投资建设，政府自始至终必须履行监管的责任，对投资的经济性、智能电网的信息安全进行严格监管。同时研究智能电网的监管政策和定价机制，使智能电网的建设和发展可持续。
