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如今，我們的電網(wǎng)面臨多種全新的挑戰(zhàn)。不僅許多發(fā)電量波動不定的風(fēng)力和太陽能發(fā)電廠需要并網(wǎng)，日益增加、分散在不同地點的小型發(fā)電站也需要并網(wǎng)。現(xiàn)有的電網(wǎng)根本無法完成此項任務(wù)。解決方案是開發(fā)智能電網(wǎng)，確保供電量和用電量之間的平衡。
駛?cè)氪蟪鞘忻詫m般道路網(wǎng)絡(luò)的司機(jī)，是一個龐大系統(tǒng)的一個部分。成千上萬的車輛來自四面八方，沿著公路川流不息，在密集的道路網(wǎng)上尋找自己的方向。要使道路網(wǎng)保持通暢并非易事。即使在條件下，道路網(wǎng)依然會出現(xiàn)令人絕望的堵車，更不用說當(dāng)?shù)罔F罷工或暴風(fēng)雪襲來之時。因此，各市政府遲早需要確定是否對本市交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)建，否則就將面臨交通癱瘓的境地。
電網(wǎng)的情況與此十分類似。電力通過銅質(zhì)“道路”，由電廠傳輸至用戶。沿著這條道路，它需要經(jīng)過由變電站分隔開的多個“道路網(wǎng)”。這些變電站發(fā)揮的作用相當(dāng)于紅綠燈或鐵路轉(zhuǎn)軌器，同時還可調(diào)節(jié)輸送至下一級電網(wǎng)的電力。發(fā)電廠發(fā)出的電流電壓為220千伏至380千伏（kV）。電流通過高壓交流線路傳輸，經(jīng)過數(shù)百公里，到達(dá)變電站。在變電站，電壓被降至110千伏，然后再將電流輸送至配電網(wǎng)或高壓電網(wǎng)。取決于各地的實際情況，電網(wǎng)可用于居民中心或大型工業(yè)園區(qū)的普通配電。配電后的電壓再次降低至6千伏至30千伏之間，適用于中壓電網(wǎng)。之后再進(jìn)行本地配電。本地配電的變電站將電壓降至230伏至400伏，然后將電力輸送至低壓電網(wǎng)，最后傳輸至用戶的電源插座。
需求：電力高速路。迄今為止，盡管歐洲大陸的許多電網(wǎng)已有40多年的歷史，但歐洲電網(wǎng)的輸電相對還算順暢。然而，由于輸電量的持續(xù)增加，電網(wǎng)擁堵現(xiàn)象在所難免。據(jù)國際能源署報告，2006年，歐盟各國的總發(fā)電量約為36,000億度，預(yù)計到2030年，這一數(shù)字有望增加至43,000億度。
此外，能源結(jié)構(gòu)將更趨于環(huán)保。20年后，預(yù)計全球約30%的電力來自于可再生能源。目前，這一數(shù)字僅為18%。但隨著可再生能源發(fā)電比重的逐步提高，電網(wǎng)也將變得更不穩(wěn)定。因為環(huán)保電力主要來自于風(fēng)電場，如遇上暴風(fēng)天氣，風(fēng)電場就會向高壓電網(wǎng)輸送超過需求量的電力，而在風(fēng)和日麗的日子中，電力供應(yīng)則無法得到保障。
除要適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的波動外，今后的電網(wǎng)還必須承載數(shù)量不斷增加的地區(qū)性小型發(fā)電廠生產(chǎn)的電能。“今后，發(fā)電的分散程度將會逐步提高，包括安裝在屋頂?shù)男⌒吞柲苎b置、生物質(zhì)發(fā)電廠、小型熱電聯(lián)產(chǎn)廠以及其他發(fā)電廠等。”西門子能源*技術(shù)官Michael Weinhold博士指出，“因此，在許多地區(qū)，以往從輸電至配電網(wǎng)的潮流將會部分或不定時地發(fā)生變化。”Weinhold認(rèn)為，目前我們的電網(wǎng)還不能適應(yīng)這種變化。
今后，多數(shù)電力將來自于可再生能源，例如風(fēng)力。依托高壓直流技術(shù)可以實現(xiàn)電力的遠(yuǎn)距離傳輸。（圖中所示為一臺800千伏的變壓器）
電網(wǎng)公司與政府就如何應(yīng)對這種挑戰(zhàn)達(dá)成了*。除大規(guī)模擴(kuò)建電力高速路外，電網(wǎng)還必須進(jìn)行*改造。“目前，電網(wǎng)的智能化水平不夠。” Weinhold說，“整個電力系統(tǒng)的自動化水平很低。”尤其對于電力公司而言，低壓配電網(wǎng)常常就是一個未知數(shù)。因為低壓配電網(wǎng)采用的組件在當(dāng)前配置下，都無法實現(xiàn)通信，許多重要的信息都不為人知，例如用戶的實際用電量和線路系統(tǒng)的狀況和效率等。
據(jù)埃森哲公司報告，電網(wǎng)高達(dá)10%的電力損耗是由于輸損或盜電所致，而電力公司根本無法注意到這些。在某些發(fā)展中國家的大城市，50%的電力就是這樣流失的，而電力公司常常無法注意到這些——至少在接到*個舉報之前。
為了解決日益迫近的難題，在2005年，歐盟提出了“智能電網(wǎng)”概念——一個實現(xiàn)發(fā)配電設(shè)施靈活和智能化控制的愿景。“在智能電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)與信息通信技術(shù)相互依存，缺一不可。” Weinhold說，“這不僅使電網(wǎng)變得透明，而且還降低了監(jiān)控和管理的難度。”
為了實現(xiàn)這一夢想，各國政府和各大公司投入了大筆資金。例如，美國能源部為智能電網(wǎng)項目提供了約40億美元的補貼資金，德國電力公司計劃在2020年以前，投資約250億歐元開發(fā)智能電網(wǎng)技術(shù)。未來智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件目前已經(jīng)問世。在某些國家，這些組件甚至已經(jīng)得到小規(guī)模的安裝應(yīng)用。其中一個很好的例子是智能電表——智能化的電子電表。
“智能電表是一項關(guān)鍵性的智能電網(wǎng)技術(shù)。”位于德國紐倫保的西門子能源智能電網(wǎng)技術(shù)中心負(fù)責(zé)人Eckardt Günther指出，“依托于智能電表技術(shù)，電力公司和用戶首次能夠記錄供電或用電位置以及供電或用電量。”其優(yōu)勢顯而易見：如果記錄的用電量準(zhǔn)確無誤，可根據(jù)用電量靈活調(diào)整電費。這有利于降低電費和二氧化碳的排放。采用智能電表的優(yōu)勢不僅僅局限于改善配電網(wǎng)。“智能電表可增強節(jié)電意識，有助于更好地控制用電。”Günther補充說，“此外，智能電表還是積極用戶積極參與電力市場的先決條件。”
西門子中央研究院的Sebnem Rusitschka也認(rèn)為，未來的電網(wǎng)必定是智能電網(wǎng)。E-DeMa項目（一個地方性發(fā)電示范項目）是由德國聯(lián)邦政府出資的項目。作為該項目的組成部分，Risitschka負(fù)責(zé)開發(fā)智能電表之間的信息通信接口、電表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和電子市場。“我們探討的是如何配置這些數(shù)字鏈路，即發(fā)送哪些數(shù)據(jù)以及如何通過數(shù)字鏈路，獲得有用信息。”她解釋說。這些接口能夠?qū)⑹痉秴^(qū)的家庭用戶和商業(yè)用戶與電子市場連接，還可將他們與電力貿(mào)易商、電力公司以及其他市場主體連接在一起。該項目預(yù)計將于2012年竣工。Rusitschka認(rèn)為，諸如E-DeMa等項目將會讓智能電網(wǎng)的前景更加光明。“技術(shù)已研制成功，并且效果良好。”她指出，“截至2015年，*個更大規(guī)模的智能電網(wǎng)解決方案將會問世。”
虛擬網(wǎng)絡(luò)。智能電網(wǎng)的另一個組成部分是“虛擬電站”。這里的“虛擬電站”是指，將熱電廠、風(fēng)電場、太陽能電站、水電站或生物質(zhì)發(fā)電廠連接起來，形成一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)。以往這些電站和電廠都各自為戰(zhàn)，不定期向電網(wǎng)輸電。“形成虛擬電站，便于它們將所生產(chǎn)的電力捆綁在一起，在小發(fā)電廠無法進(jìn)入的市場出售電力。”Günther指出。“虛擬電站”也會使電網(wǎng)受益匪淺。“整合成一個虛擬發(fā)電廠，成為一個靈活的整體，這使得小型發(fā)電廠能夠提供調(diào)節(jié)電力，從而有助于穩(wěn)定電網(wǎng)。”Günther說?；呻娏σ酝獾恼{(diào)節(jié)電力旨在滿足用電高峰時段的需求。由于調(diào)節(jié)電力需要電廠能夠快速開始發(fā)電，因此，調(diào)節(jié)電力的價格遠(yuǎn)高于基荷電力。基荷電力通常由大型發(fā)電廠供給——日夜不停運行的火力發(fā)電廠和核電站。
對于未來的電網(wǎng)而言，穩(wěn)定性將是至關(guān)重要的。僅僅依靠智能化系統(tǒng)不足以管理日益增多的風(fēng)電場或太陽能電站提供的大量電力。“在硬件設(shè)施方面，也需要進(jìn)行改進(jìn)。”Weinhold指出，“我們需要大力擴(kuò)充輸電線數(shù)量，因為電線或電纜限制了電力的傳輸。”
據(jù)德國能源機(jī)構(gòu)（DENA）開展的一項調(diào)查，約400公里的高壓電網(wǎng)需要強化，另外，為了輸送德國風(fēng)電場生產(chǎn)的電力，截至2015年，需要額外架設(shè)850公里的輸電線。
超級電網(wǎng)。發(fā)電廠與用戶之間距離的不斷延長，要求必須在二者之間搭建一座橋梁。解決辦法之一是采用高壓直流（HVDC）輸電技術(shù)。高壓直流輸電系統(tǒng)能夠以較低的輸損，跨越數(shù)千公里的距離輸送大量的電能。目前，西門子正在中國承建全球容量最大的高壓直流輸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)計將于2010年開始輸送水電站提供的電力，輸電距離為1,400公里，電壓為800千伏。Weinhold認(rèn)為，今后，這些電力高速路不僅僅會跨越國境，而且將跨越洲界。“我們將會看到跨越不同時區(qū)和氣候帶的超級電網(wǎng)。”他還補充說，這便于充分利用季節(jié)變化、時間變化和地理特征，獲取最大利益。就像Desertec項目一樣，通過超級電網(wǎng)，可將北非地區(qū)利用太陽能生產(chǎn)的大量電力，傳輸至歐洲。Weinhold預(yù)計，“電網(wǎng)將把整個世界聯(lián)系在一起。”
除全新的電力高速路外，未來的電網(wǎng)還需要更多的緩沖器，防止電網(wǎng)負(fù)載過高。同時，需要采用蓄能裝置存儲產(chǎn)量波動不定的發(fā)電站輸送至電網(wǎng)的多余電能。目前我們主要依靠抽水蓄能電站儲存電能。目前，中歐已經(jīng)無法再建更多的抽水蓄能電站。因此，解決辦法是在生產(chǎn)過剩時期，讓風(fēng)電場停機(jī)，防止電網(wǎng)出現(xiàn)過載，或者由發(fā)電廠倒貼費用讓別人拿走多余的電力。
汽車作為緩沖器。未來的一種解決方案可能是電動汽車。電動汽車可暫時存儲多余的電力，日后需要時，以更高的價格再將電力饋回電網(wǎng)。例如，如果有20萬輛電動汽車與電網(wǎng)連接，可快速輸送8,000兆瓦的電力，這個數(shù)字超過了德國目前的用電總量。西門子參加的EDISON項目的內(nèi)容之一是，于2011年開始在丹麥對電動汽車概念和其他解決方案進(jìn)行測試。