新智能电网：21 世纪的 21 世纪技术

_ PopSci.com 欢迎杜克大学尼古拉斯环境学院院长 Bill Chameides 博士的回归。Chameides 博士在 The Green Grok 上撰写博客，引发关于环境科学的热烈讨论，让您了解科学界正在发现什么以及它如何影响您——所有这些都用通俗易懂的语言，希望还能带点趣味。现在，PopSci.com 与 The Green Grok 合作，在 Grok 博客发布前一周为您带来独家新博客文章。请阅读并参与讨论！_

首先，回顾一下上周的帖子：19 世纪末，托马斯·爱迪生 (Thomas Edison) 推动采用分布式系统来输送电力。他的梦想从未完全实现。相反，乔治·威斯汀豪斯 (George Westinghouse) 于 1891 年左右设计的系统逐渐成型，并形成了当今电网的结构：集中式系统。

当今的网格：哪里出了问题

虽然这是基于他的设想，但威斯汀豪斯可能不认识我们当前的电网——这是一个庞大的系统，由大约 16,000 个发电厂组成，通过数十万条输电线将电子传输到数百万人。总的来说，我们每年消耗的电力超过 40 亿兆瓦时（参见此处的图 1，了解能源的细分情况）。

我们习惯了按需用电。我们希望轻轻一按电灯开关就能立即照明。为了实现这一点，我们将电网组织成三个广域同步电网：东部电网、西部电网和德克萨斯电网（我想这很特别）。

为什么要同步？为什么不是全国同步？这一切都与令人讨厌的交流电 (AC) 有关，电子在交流电中来回移动。问题是，你不能把不同的发电厂、风车或区域电网连接在一起。要使交流电网正常工作，其上所有地方的所有电子都必须同时切换方向，否则电网就会崩溃，所有地方都会断电。考虑到目前使用的技术，在全国范围内实现这一点将是一项艰巨的任务。因此，我们分别同步三个电网，然后使用高压直流 (HVDC) 干线将它们连接在一起。

尽管取得了巨大的成功，但许多人认为，计算机化的自适应系统（即所谓的“智能”或“智慧”电网）可以做得更好。我认为智能电网可以解决四个关键问题。

为什么我们需要智能电网：四大改进

1. 可靠性——我们的电网非常复杂，涉及无数的开关和变电站，它们将发电厂与家庭和企业连接起来，而这些家庭和企业的电力需求会随时间快速波动。不幸的是，电网对电压的微小变化和/或电子改变方向（即相位）的时间非常敏感。
暴风雪和雷暴等相对较小的事件可能会导致局部停电——这种情况并不罕见。但是，当局部故障引发连锁故障时，停电可能会席卷整个州——想想 2003 年 8 月的情况。

为了解决这些问题，智能电网将具有“自我修复”功能，这意味着在很少或根本不需要人工干预的情况下，问题将被实时检测、隔离和修复。

2. 双向互动——电网中的电流本身有方向流动——电力由电厂输送。电网不监控消费者的实时用电情况（甚至不监控太阳能电池或风力涡轮机的发电量）。为了确保有足够的电力满足所有需求，电力公司总是储备多余的电力；这些多余的电力会被浪费掉，除非在极少数需求高峰的情况下。效率不高。智能电网将与家庭及其智能家电互动，实时调整电力供应和需求，以最大限度地提高效率，同时防止系统过载。

3. 灵活的输电系统——目前的电网是为以燃煤电厂为代表的发电设施而设计的：始终以满负荷或接近满负荷运行。这是西屋的系统。但它建立在能源资源丰富的世界观之上，低效率和浪费是可以接受的。这种世界观不再适用。化石燃料供应的减少和全球变暖问题需要风能和太阳能等可再生能源，这些资源往往具有以下特点：

空间分布广泛，因此与煤炭或天然气不同，电力必须在发现资源的任何地方发电；
间歇性的，因此需要储能系统来持续满足消费者不间断的电力需求。

要将更多的可再生能源纳入我们目前的能源结构中（见饼图），需要一个结合集中式和分布式系统最佳特性的混合电网。

这种灵活的电网将使用智能系统来处理各种电源和存储系统，同时保持稳定性。

4. 国家电力高速公路——最后，我们的输电系统必须能够高效地向全国输送电力。为什么？以风能为例。美国中西部拥有大量这种潜在资源，但人们集中在东海岸和西海岸。我们需要一种将这种能源以最小的电阻损耗输送给人们的方法。因此，我们必须用一条横跨全国的高压输电线取代过时的干线（连接我们的区域电网），沿途加入节点，允许各个子电网或发电站接入。为了最大限度地减少电阻损耗，这条新输电线很可能是一条高压直流 (HVDC) 线。

这个想法很不错，但是……

谈论（或写博客）更聪明比做（或做事）更聪明容易。建设智能电网面临挑战。
一个问题是资金。据估计，未来 10 到 20 年，智能电网的成本约为 650 亿美元。刺激计划中的 110 亿美元充其量只是一个开始。

然后是管辖权。