欧洲智能电网：实现家电与智能电网互动

      智能电网最早出现在欧洲，因此欧洲适应智能电网的家用电器技术开发起步较早，并具有自身特色。与智能电网的运行特点相适应，信息交换、需求响应、系统管理成为智能化家用电器的新功能。同时，住宅能源管理系统、燃气热电联产装置、太阳能光伏发电装置、电动汽车等进入家庭，成为智能电网终端。

　　2002年4月，欧盟委员会提出了“欧洲智能能源”计划，并在2003~2006年投资2.15亿欧元，支持欧盟各国和各地区开展旨在节约能源、发展可再生能源和提高能源使用效率的行动，更好地保护环境，实现可持续发展。2005年，根据可再生能源和分布式发电的发展要求，欧洲智能电网技术论坛成立。该论坛发表的报告重点研究了未来电网的发展前景和需求，提出了智能电网的优先研究内容和欧洲智能电网的重点领域。在欧盟第五、第六研发框架计划的支持下，欧洲未来电网SmartGrids(智能电网)技术平台在2005年正式启动，适应智能电网的家用电器技术开发进程也随之启动。

　　欧洲智能电网的发展

　　在环境保护和清洁能源利用方面，欧盟一直引领发展潮流，欧盟各国对智能电网技术的发展普遍表现出很高的积极性。早期智能电表进入欧洲家庭的主要目的是为了实现自动抄表。早在2001年，意大利国家电力公司就安装和改造了3000万台智能电表，建立起智能化的计量网络。意大利国家电力公司全面实行远程抄表，是为了解决上门扰民、浪费人力的问题，同时避免误抄、误算。

　　2006年，欧盟理事会能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》明确指出，欧洲已经进入新能源时代，智能电网技术是保证电能质量的关键技术和发展方向。保证供电的持续性、竞争性和安全性是欧洲能源政策最重要的目标，也是欧洲电力市场和电网必须面对的新挑战。未来整个欧洲的电网必须向用户提供高度可靠、经济有效的电能，并充分开发利用大型集中发电机和小型分布式电源。

　　目前，欧盟多个国家都在加快推动智能电网的应用和变革。与美国不同，欧洲智能电网主要侧重于清洁能源的利用，特别是将大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能电融入欧洲电网。同时，欧洲电网还将接入大量分布式微型发电装置——住宅太阳能光伏发电装置、家用燃气热电联产装置等，以实现可再生能源大规模集成性跳跃式发展。据测算，如果欧洲1.83亿用户全部接入智能电网，可以降低12%的电力消耗(18GW)。

　　2008年7月1日，意大利国家电力公司(ENEL)负责启动了欧盟11个国家25个合作伙伴联合承担的ADRESS项目。该项目总预算为1600万欧元，目的是开发互动式配电能源网络，让电力用户主动参与到电力市场及电力服务中。2001~2008年，意大利国家电力公司累计安装了3180万块智能电表，覆盖率已达到95%，剩余部分将于2011年前完成。

　　2009年4月，西班牙电力公司ENDESA牵头，与当地政府合作在西班牙南部城市PuertoReal开展智能城市项目试点，包括智能发电(分布式发电)、智能化电力交易、智能化电网、智能化计量、智能化家庭，共计投资3150万欧元。当地政府出资25%，计划用4年完成智能城市建设。该项目涉及9000个用户、1个变电站以及5条中压线路和65个传输线中心。

　　2009年6月，荷兰阿姆斯特丹选择埃森哲(Accenture)公司帮助自己完成“智能城市(SmartCity)”计划。该计划包括可再生能源利用、下一代节能设备、CO2减排等内容。法国的规划是从2012年1月开始，将所有新装电表更换为智能电表。英国能源和气候变化部2011年3月30日宣布，将于2019年前完成为英国3000万户住宅及商业建筑物安装5300万台智能电表的计划。目前英国的人口约为6000万，约有2300万户家庭，该计划几乎涉及英国所有住宅和商业建筑物。

　　智能电网运行管理中心可以对电力供应侧和需求侧同时实施控制，不仅可以实现供应侧对需求侧负荷变化的及时调节，而且可以调节需求侧用电设施的运行状态，稳定电网运行，改善供应和需求两侧的运行经济性。与以往供用电双方以合同方式规定负荷水平的作法不同，智能电网可以使供应侧和需求侧的响应更及时，调节范围更大，电网的电能质量更高。

　　欧盟委员会认为，建设新一代电网是今后10年内欧洲最大的基础设施建设项目。欧洲宽带通讯设备制造商PPC公司对新一代电网建设发展的估计极其乐观。业内人士普遍认为，到2015年前后智能电网将覆盖大部分欧洲城市。西门子公司相关负责人指出，到2014年，建设新一代电网所需产品的市场规模将达到300亿欧元。

　　家用电器的智能化技术

　　智能电网的发展促使家用电器技术必须做出相应的发展，未来家用电器必须具备与上位控制系统和互联网相连接的功能。用户能通过上位控制系统或互联网进行远程实时监控，了解和控制家中各种电器的运行状态，并根据需要在网上为电器选择运行模式和程序。据德国政府估计，仅提高供电和用电效率这一项措施所节省的电力，就等于250万户家庭1年的耗电量。

　　1.智能家电开发项目

　　智能家电开发项目(SMART-A)是欧洲智能能源(IEE)项目的子课题之一，2007年1月~2009年9月实施，是研究家用电器适应智能电网应用的技术发展课题，希望通过家用电器的智能化管理实现全社会的低碳化。承担项目的机构有德国波恩大学、英国帝国理工学院、英国曼彻斯特大学以及家电制造企业和节能机构。

　　该项目的主要目标是深入分析技术问题、用户偏好、技术经济性以及实现与智能电网发展相适应的家用电器的CO2潜力，促进家用电器制造商、当地能源系统制造商以及电力系统之间的协调发展，提出智能家用电器开发模式和实施战略建议，并确定统一的信息交换标准。

　　该项目实施完毕后，获得了诸多成果。首先，该项目明确了家用电器在较大规模的电网系统中进行智能化运行的设计要求;其次，评估了消费者对智能家用电器的喜好，提出了促进消费者接受这类产品的建议;第三，确定了在风力发电比例较高的未来电网中实现供需平衡的目标，对家用电器采用需求响应技术的经济效益进行了详细分析;第四，评估了智能家用电器与区域内可再生能源发电和热电联产发电进行互动的技术经济性;第五，对在欧洲各地不同应用条件下使用智能家用电器的技术经济性进行全面分析;第六，为有关各方提供了智能家用电器的发展模式和路线图，包括引入智能电器的战略建议和实施相应奖励政策的建议。

　　2.需求响应技术的发展

　　适用于智能电网的家用电器首先要具备与智能电网协调运行所需的智能化水平，具备信息交换功能是这类家用电器的基本特征。意大利家电企业梅洛尼公司是最早开发利用公用通讯网络、实现信息交换的家电企业。1995年，梅洛尼公司的分支企业——意黛喜公司成功开发出具有信息交换功能的洗碗机，又在1999年展示了世界上第一台利用GSM无线网络连接互联网的洗衣机。梅洛尼公司在随后几年投入大量资金研究在线服务、智能家电产品联网，以实现家电产品的信息化。

　　2009年10月，伊莱克斯公司、意黛喜公司、ENEL以及意大利电信公司4家企业在罗马签订协议，共同研究和发展下一代家用电器技术，利用ENEL的远程管理网络以及意大利电信公司的固定和移动宽带网络，实现家电产品的远程管理和需求响应。该合作开发计划以“Energy@Home”命名，目的在于通过调节家电产品的运行状态，降低电网的高峰负荷。

　　该项目是智能电网技术发展的组成部分。利用电网与家电产品的双向信息交换，家电产品可以根据电网运行发出的要求以及价格变化信息，自行调节运行模式，从而有效避免电网过载及供用电负荷不平衡。用户可以利用计算机、移动电话以及家电产品自带的显示装置，了解住宅的电力消费状况以及产品运行状态，并利用互联网调整需求响应方案。

　　该试验项目预计实施1年，参与试验各方的大致分工为：ENEL公司负责提供远程抄表管理系统和运行管理，该系统能够利用电信网络与家电产品进行通讯;意大利电信公司负责提供固定和移动宽带网络，这些网络将采用Alice家庭网关和ZigBee无线技术，使家电产品与电网的监控中心进行双向信息交换;伊莱克斯和意黛喜公司则利用智能家电产品以及相应的控制程序，实现产品之间以及产品与电网之间的信息交换，以便对家电产品实施优化运行管理。

　　类似的试验计划2008年已在英国开始实施，以抽签方式免费为3000个家庭提供具有需求响应功能的冰箱。同时，英国软件开发企业RLtec公司正在开发将多户家庭的冰箱进行集中监控的需求响应技术。该技术的原理是对监控网络内的电网响应要求和冰箱实际状态进行差异化的模式运行和控制，从而使得电网需求侧的特性更好地满足电网所需的响应要求，电网参数更为稳定。英国国家电网以及英国帝国理工学院参与了相关的试验工作。RLtec公司的需求响应软件名为“动态需求”，对冰箱压缩机运行状态以秒为单位进行连续监控和调节，精确满足电网所需的响应要求。试验结果表明，冰箱的使用性能以及压缩机等主要部件的可靠性，并未受到不良影响。

　　德国弗劳恩霍夫的研究人员开发出一种可置于电表内、用于合理调节电力消耗的软件，可将电力供应商(EVU)对几分钟和几小时后电力价格发展情况的预计信息与用户的需求和意愿相结合。运行时，如果电费上涨，并非简单地将空调或者洗衣机马上关掉，更明智的做法是把冷柜或者冰箱作为能量贮存器使用。如果EVU提示2小时后电费上涨，这些设备可以预先制冷，以保证之后很长时间无需用电。这一做法也适用于热水器和暖气。 

      分布式发电装置并网 

　　欧盟各国的可再生能源发电比例已经从1997年的13.9%增加到2010年的22.1%。

　　欧洲议会2009年通过了促进可再生能源利用的指令，规定到2020年欧盟地区的可再生能源供应量应达到全部能源供应量的20%。而欧盟15个成员国(EU15)(2004年前欧盟的15个成员国)的可再生能源工业的目标是2020年可再生能源发电量达到总发电量的33%。在一系列能源政策的引导下，欧洲确定了分布式发电的发展方向。与之相适应的研究重点集中在动力与能源转换设备、资源深度利用技术、智能控制和群控优化技术以及综合系统优化技术上。其中，与电网相关的研究主要针对分布式发电系统的电网接入研究，以及解决分布式发电与现有电网设施的兼容、整合和安全运行等问题。

　　1.可再生能源的挑战

　　实现电力供应与需求的互动、协调，最大限度发挥现有电力系统的潜力，实现电力系统效率、可靠性以及电能质量的全面提高，并为用户带来经济效益是欧洲智能电网的基本目标。然而，大量分布式微型发电装置的并网是欧洲智能电网发展遇到的现实问题。2009年初，欧盟有关圆桌会议进一步明确要求依靠智能电网技术将大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能电融入欧洲电网，实现可再生能源的跳跃式发展。

　　在英国，智能电网的探索方向是可再生能源发电和智能配电。英国能源公司计划建设的8.6GW潮汐发电工程，将成为世界上最大的潮汐发电站，并计划于2020年把利用风力发电获得的电力直接输入城市电网。

　　但是，可再生能源利用存在一个突出问题，就是目前得到广泛应用的太阳能和风能发电受气象条件影响严重，供应状况稳定性差，气象条件的任何变化都会立即导致发电量变化。在电力需求增加或供应下降时，电网频率有可能发生变化。当大型风电场的风速明显降低，或太阳能电站上空飘过一片云，电网频率可能会下降。若频率下降幅度达到1Hz，应急发电装置必须立即增加供电量;若电网频率下降幅度达到48.8Hz，欧洲电网运行管理中心必须切断部分线路的供电，这意味着一些地区会因此停电。

　　在英国电网中，典型的电能流向是从北向南，在低压用户端(电压为400V)有一定数量的家庭使用燃气热电联产机组或太阳能光伏发电装置、风力发电装置。虽然原来的输电网仍然存在，但是新建的输电网更多是互动供电网络。互动住宅供电可以将住宅中剩余的电力逆向输入电网，这是英国电力法中已明确规定的运行方式。因此，电网公司面临着技术上的改进和创新(如需要双向保护等)，这种互动供电给电网的稳定控制和调度造成很大困难，不但给电网技术、体系、市场、管理等方面造成影响，而且对传统的供电、发电、输电、配电也是一种挑战。

　　同时，在用电负荷侧对电网稳定运行的要求进行响应，是近年来智能家电技术发展的新课题。以冰箱为例，冰箱与电网运行管理中心之间可以进行双向信息交换，在电网供需平衡出现异常时，冰箱的控制装置会立即做出响应，根据电网频率的变化幅度以及冰箱内各区域的温度，在完全不耗电或低耗电模式下运行。一般情况下，只要冰箱内相应区域的温度不高于规定范围，压缩机将处于停机状态。不同家电产品的需求响应模式有所不同，目前欧洲家电企业正在积极开发这类产品。

　　2.燃气热电联产装置的推广

　　在欧洲智能电网技术课题中，家用燃气热电联产装置并网技术的发展，将促进燃气热电联产装置的普及。

　　燃气热电联产装置的并网与太阳能光伏发电装置的并网有相似之处，两者均由电网末端向电网供电。燃气热电联产装置的优点在于，供电时间和功率更易控制。利用智能电网的信息交换功能，使用者可以规定家用热电联产装置向电网供电的时间和供电量。利用智能电网进行协调运行，能够实现双向的实时信息交换，更有利于提高电网的可靠性、电能质量和运行效率。

　　目前，英国政府鼓励家庭安装微型发电装置，如家用燃气热电联产装置。在利用燃料获得电能的过程中，通常需要先将燃料的化学能转换为热能。按照热力学原理，热能不可能全部转换为电能，发电过程必然产生副产品——热量。热电联产是对发电过程中产生的两种形式的能量——电能和热能均加以有效利用。家用燃气热电联产装置的典型运行方式是，将燃气转换为动力或直接发电，同时回收利用热能。因此，相对于大型发电设备而言，家用燃气热电联产装置的能源利用效率可以提高1倍左右。不过，目前英国家用燃气热电联产装置的安装数量仍然很少，还没有对英国电网运行造成明显影响。

　　与日本家用燃气热电联产机组主要采用内燃机为原动机的做法不同，欧洲的产品则更多使用外燃发动机为原动机，以斯特林循环为主，少量采用朗肯循环。采用外燃发动机的产品可以使用的燃料种类较多，维护工作量少，不少产品在10年或10年以上的使用期内无需维修。但是，这种产品的热电转换效率较低，通常为15%~20%，结合热利用措施后，一般热利用效率约为80%。2010年，德国大众和LichtbLick能源公司合作生产家用燃气热电联产机组，该产品最突出的特点是采用了先进的烟气冷凝热回收技术，热利用效率高达94%，机组的热电转换效率超过20%。大众公司和LichtbLick能源公司计划的年生产能力为1万台以上。

　　住宅能源管理系统

　　适应智能电网的家用电器与智能电网的互动是复杂而迅速的过程。一般情况下，用户不具备运行管理的专业知识，只能依靠家用电器的智能化控制功能实现响应的准确和敏捷。通常要求在基本不影响用户使用舒适性、便利性和使用习惯的情况下，实现家用电器与智能电网的互动。一般情况下，互动过程是在用户没有察觉的情况下完成的。显然，这与目前市场上宣传较多的、具有多媒体特征的智能家用电器不同。恰恰相反，适应智能电网的家用电器几乎不需要操作界面，更不需要多媒体界面，只需通过集中管理系统或其他操作界面就可实现对家用电器运行参数的设定和管理。

　　优化家用电器的运行管理以实现节能是近年来家用电器节能技术发展的主要方向，包括太阳能热水器与燃气热水器的联合运行，热泵系统与太阳能热水器或燃气热水器的联合运行，以及如何更经济地利用夜间电网负荷低谷时段价格低廉的电力。多种功能相同或相似的家用器具的集成配置，大大增加了用户的操作量。同时，由于存在运行优化的问题，用户更加难以应对各种复杂的操作。解决措施是将相关器具的管理装置实现信息交换，利用信息技术进行管理。因此，家电智能化要求集中管理，及时对各个末端的运行状态进行优化调节，最大限度提高住宅内各种耗能器具所构成系统的运行经济性，降低燃气、电力和热能消耗。智能化住宅管理系统(HEMS)是家用电器和家用燃器具等所有智能器具的集中管理装置，可以在一个操作界面上实现对所有器具的集中管理。

　　在成功开发具备利用网络进行信息交换的家用电器后，意黛喜公司与意大利帕尔马大学合作，开发用于家用电器联网的低成本电力线通信(PLC)系统方案。

　　该系统基于智能适配器——一种把家电连接至网络的设备，具备了HEMS的主要特征。智能适配器内置通信节点(基于任何协议)和电表，位于家电和电源插座之间。通信节点确保住宅区域网(HAN)连接，电表则分析输入的电流，并产生与家电本身相关的有用信息(功能、统计、诊断和能耗)。与HAN的连接通过电力线调制解调器实现，可以是任何标准协议，包括IEE802.15.4(ZigBee)等ISM频段RF无线通信标准。相应的家用电器使用一种被称为“电源调制”的点对点技术与智能适配器通信。这种技术基于对内部负载的调制，电表会检测并解调该调制。智能适配器消除了白色家电的通信节点成本，但是这种产品的成本对于家电市场而言仍偏高，较难推广。

　　随着技术发展，HEMS的技术经济性趋于合理，并作为家用电器的新品种进入欧洲家庭。HEMS的主要功能是作为家用电器的上位管理装置，代替以往的操作人员监控家用电器。各种家用电器利用住宅内的信息网络通过HEMS进行信息交换。信息交换的范围不限于住宅内，也可以利用家庭网关与互联网相连，从而实现与外部的信息交换。

　　实现住宅能源装置的网络化管理，理论上可以利用通用的个人计算机(PC)安装相应的软件和数据交换接口实现。不过，作为一种专用的计算机系统，HEMS用于家用电器的运行管理更易于被消费者掌握。HEMS功能明确、性能可靠，对于消费者而言，只要通过智能电表接收电网管理中心的运行指令，就可以确定智能家电是否响应这些电力信息以及如何响应。同时，用户可以做到心中有数，清楚知道各种家电(连接在电力线网络上)的耗电量，而建立HAN通信意味着用户不再需要浪费时间陪着上门服务的技术人员检查故障元件或者软件。对于电力企业而言，不但能够远程控制并监视各住宅的实时用电情况，还能在电能损耗探测和出现偷电行为等特殊环境下，直接向用户发出电力报警信息。

　　英国移动通信公司正在开发推广智能分布式能量控制系统，利用智能移动电话远程操控家用燃气热电联产机组或其他家用电器。用户可以在回家前启动家用燃气热电联产机组，并根据市场价格决定是否发电。目前，利用智能移动电话作为HEMS的远程操作界面，几乎已经成为全球HEMS系统的标准配置。德国美诺公司已在鲁尔地区为数以百计的家庭提供可以远程监控、并根据不同时段电价设定开启时间的智能洗衣机。此外，美诺公司还开发了一种调节器，安装这种调节器后，老式家用电器也能达到一定程度的智能化。