智能电网

通过技术投资推动脱碳 2023年5月 kpmg.com/cn 第1部分:智能电网技术12 1.是什么让一个网格聪明?12 2.策略和实施20 第2部分:案例研究:市场法规22使智能电网投资 1.中国–垂直整合电力市场23 2.联合王国——放开电力市场3.美国——混合电力市场36 智能电网正在彻底改变电力行业，实现更高的运营效率和分布式能源（DER）的整合。 节能和电网效率的重点继续从消费者节电和行为修改转向人工智能和数据支持的电网需求响应。 智能电网通常由政府、机构投资者和其他私人投资者资助，越来越多地受益于可持续金融和碳减排法规。 智能电网投资在自由化、混合和垂直整合的电力市场中蓬勃发展，但市场特征影响电网某些方面的增长。 更智能的电网——通过技术投资为脱碳提供动力 资金智能电网 提高能源效率需要政策制定者、金融机构、电力公司、电网技术创新者和消费者之间的功能协同作用。多年来，智能电网投资大幅增长，这得益于生态系统的发展，这些生态系统将气候科技公司与电网运营商、公用事业公司、政府和可持续金融联系起来，目标是 激励电网投资。2021年，气候科技公司从全球公共股票市场和私人投资者那里筹集了总计1650亿美元9。 2021年智能电网技术市场规模为 369亿美元，预计到2026年将达到559亿美元.10本报告的第一部分审查了可用的主要智能电网技术，并概述了制定有效实施战略的考虑因素。 图1：全球智能电网技术市场规模（2021-2026）（预测） 在三个关键市场分析智能电网 本报告从三个案例研究的角度评估了全球智能电网的前景：中国、英国和美国。这三个市场合并 即分别自由化、纵向一体化和混合，这可能影响政策和投资的方式、方向和步伐。这些市场的创新、政策和实施过程通常适用于其他司法管辖区的类似电力市场。 占全球电网投资的很大一部分（见下文图2）。它们还代表了电力市场的三种主要形式， 图2：2016-2021年各地区电网投资支出 智能电网、智能的伙伴关系 是什么让一个网格聪明? 使电网更智能需要将先进的软件和硬件技术系统地集成到整个价值链的电力网络中，从而实现监控、平衡、分散和 信息和能量的双向流动。它还包括人工智能支持的安全性、弹性和维修，以及消费者的自主权、透明度和整体能源效率。 图3:类型的智能电网技术 图4：整个电力价值链中的智能电网技术领域 图5：智能电网的四个核心目标和三个关键技术重点领域 更智能的电网——通过技术投资为脱碳提供动力 集成可再生能源 电池储能是最常见和最容易获得的储能系统（ESS）。锂离子电池占全球电网电池存储市场的90%。电池储能系统（BESS）可以直接从电网中抽取电荷，通常在非高峰期或在许多情况下与太阳能电池板一起部署.26除了调节 电动汽车存储（EVS）越来越成为智能家居概念的一部分。虽然电动汽车不是电网的主要存储来源，但支持物联网的智能 电网和智能家居现在将电动汽车作为一种补充储能形式，特别是对于DER而言。如果连接到电网，停放的EVS有可能通过车辆到电网（V2G）的概念传递存储在电池中的能量.29 V2G利用电网集成的EVS储备来支持峰值功率调节和电压频率调节.30当大规模实施时，大型EV RE的间歇性，配备防孤岛保护的BESS将在故障期间将BESS与网络隔离.27数字化BESS已成为缓解RE间歇性的有效解决方案.28 连接到电网的车队不仅可以减轻运输对化石燃料的依赖，还可以促进消费者方面电动汽车技术的升级，以适应帝斯曼的这种扩展应用。 更智能的电网——通过技术投资为脱碳提供动力 智能电网由两层的组合组成，即网络层和物理层.31网络层 由监控软件和应用程序组成。物理层，包括从智能传感器到远程终端单元（RTU）的现场设备，是可用于监视和控制电网中不同过程的设备.32通过网络协议的支持，物联网技术可以快速识别系统中的低效率和损坏。 这为数据管理创造了新的机会，从利用机器学习（ML）增强网络安全到在潜在网络威胁发生之前预测模型，再到优化影响能源价格的DSM。 关键问题:先进的监控和修复 智能电表、V2G、G2V和其他形式的产消者支持的部署将对分布式能源管理（DERM）产生更大的影响。 网络的监控状态及其从DER引起的电压不平衡，电力拥堵和停电等问题中快速响应和恢复的能力至关重要。 电网越来越容易受到物理和网络攻击。这些攻击可能导致大规模停电，威胁通信和国家安全。其影响可能包括生命损失和重大经济损失。 更智能的电网——通过技术投资为脱碳提供动力 电网监测是一个重要的预防性过程，可确保沿系统连续输送电力，同时降低停机风险.33通过将信息从现场中继到维护监控中心（MMC），可以将物理干扰和低效率投射到数字孪生上，以便轻松识别受影响的区域。物联网技术提供了改进，集中收集的有关电网健康和效率的信息.34一旦发现潜在威胁，CM软件就会起到抑制电网振荡并通过电网重新路由电力的作用，避免电力线中的保险丝过载.35这些增加可以在没有人为干预的情况下完成，最大限度地减少电网中断。 一种易于理解的方式来解决效率低下的问题。数字孪生还使配电规划模型与地理信息系统（GIS）相结合，在将网格模型与内部无法获得的外部来源（如天气条件）的数据集成时提高效率和准确性.38数字孪生技术在配电规划模型和外部信息系统之间提供无缝连接，从而减少了 网格系统模型创建所需的平均时间缩短了90%.39 智能电网处理的大量信息和数据需要弹性的安全网络物理连接来运行其计算机化网络技术并处理其每天收集的数据.40这些数据很敏感，容易受到恶意数据泄露等网络威胁的影响。更重要的是，不良行为者可能会利用违规行为造成重大中断或停电。为了应对这些威胁，以人为本（HC）的预防措施如下 先进的电网技术改善了对大型电网传输系统的监测和控制。相量测量单元（PMU）可在几秒钟内对电流和电压进行多次采样。 配备通信技术和物联网，然后将信息中继到MMC，在任何给定时间提供电力系统的即时快照。由ML辅助的新软件还可用于帮助减少意外的功率振荡，避免非生产性电流和能源浪费，以及实现“自我修复”智能电网36。 由于身份验证、培训和对威胁的认识现在不足以缓解这些升高的风险。非人中心方法（NHC），如ML，在检测和识别HC方法无法处理的规模的数据流量方面发挥着重要作用.41 ML可用于基于历史数据集对潜在攻击行为进行建模，具有很高的准确性，并且一直是网络安全领域的领先替代方案。在智能电网方面，ML直接适用于对 智能电网的数字化还使数字孪生的整合成为可能，作为提高电力系 数据优化和管理 电网组件和资产的数字化导致可以访问有关电网每个部分的大量数据。使用数字监测平台，公用事业公司可以分析、比较和评估消费者的能源使用情况，包括一天中的时间、天气状况和其他数据，以更高的准确性识别模式.43特别是，预测天气预报使数据公司能够更准确地预测季节性能源需求，并先发制人地为满足这一需求做好准备。这些数据还可以帮助为可再生能源提供商和存储系统设定目标，从而更有效地使用BESS来平衡可再生能源发电的间歇性44。 关键问题：数据的有效汇总、管理和应用 人工智能（AI）是智能电网背后的驱动“智能代理”。其功能范围从最大化能源输出到监测影响电网基础设施的自然环境.45 DSM是智能电网的关键功能，它利用人工智能和智能电网中收集的数据来最大限度地提高其效率.46如前所述，DSM可用于确保发电机的最佳使用， 智能电网的高级预测功能是由智能电表等设备实现的数据增加、消费可见性、灵活性和交互驱动的 防止不稳定和水平峰值。能源需求的高峰可能会使公用事业提供商面临交付压力。通过安装在用户家庭和办公室中的人工智能和智能电表，算法可以更准确地预测和预测能源需求的变化47。 人工智能和云计算可实现数据的有效聚合、存储和利用 智能电表通过为消费者提供近乎实时的能源使用数据以及定价来改善DSM.48智能电表反映了能源的定价，包括在高峰期，以便消费者可以在高峰时段控制和减少能源消耗（负载转移），或在高峰时段切换到电池存储容量（调峰）。更重要的是，智能电表支持车辆到电网（V2G）和电网到车辆（G2V）智能充电。 更智能的电网——通过技术投资为脱碳提供动力 图6：智能电网使能技术的成熟度和影响 前瞻性的智能电网实施战略需要政府、金融机构、公用事业公司和智能电网技术创新者之间的合作。高效实施 智能电网需要从规划到推出的所有阶段采用多方利益相关者的方法。 关键问题：智能电网技术集成导航 公用事业公司直接受到智能电网技术的增长和规模的影响。将这项技术整合到他们的价值链中将涉及概述一个包含内部和外部的实施策略。 利益相关者。电力市场自由化需要强有力的政策激励措施，以推动几家不同的发电、输电和配电公司以及其他利益相关者之间的伙伴关系。 智能电网技术的脱碳和分散属性为银行、资产管理公司、机构投资者和企业创造了一个角色。随着金融机构继续投资智能电网，也鼓励他们通过节能改造来升级资产。 更智能的电网——通过技术投资为脱碳提供动力 利益相关者映射和参与 纵观全球市场，三个关键因素通常会影响筹集资金、投资和升级智能电网基础设施的过程： 一个国家、地区或司法管辖区的脱碳目标及其净零实施战略;电力市场的监管结构和特征; 从公共和私营部门获得资本和技术; 在本节中，上述因素将在三个案例研究中讨论，这些案例研究代表了全球市场最普遍的三种电力市场结构：垂直整合（中国），自由化（英国）和混合（美国）。 更智能的电网——通过技术投资为脱碳提供动力 中国——垂直一体化的电力市场 中国的目标是到2030年达到排放峰值，到2060年实现碳中和，因此制定了减少煤炭和化石燃料消费并将更多可再生能源纳入其能源结构的政策目标。 截至2021年，中国风能和太阳能发电场的能源增长能力分别达到2.9亿千瓦（增长34.6%）和2.6亿千瓦（增长24.3%）.52截至2022年初，中国可再生能源装机容量总计10.6亿 千瓦，占总装机容量的44.8%53。 为了实现这些目标，中国在各个领域推出了多项国家政策.49其中包括提高电力部门的能源效率，严格控制化石燃料消耗和在“十五”规划中逐步减少煤炭.50这些目标除其他外，包含在“全面忠实实施新发展理念的二氧化碳达峰碳中和工作指导意见”中。 中国已经开发出智能电网技术，并在全国范围内广泛部署。项目包括由南方电网（CSG）建立的数据库电力系统，该系统将供电信息连接到电网，负载和储能信息.54这提高了DSM和能源效率。 指导意见）“和2021年推出的《2030年前二氧化碳达峰行动计划》51 图8：中国一次能源消费总量，以及燃料分岔 中国对输配电网络的投资支持了跨省和跨地区的绿色能源输送，同时减轻了输电损失。由于这些改进，中国的输电损耗从2010年的6.31%降至2021年的5.26%。 湖南省通过酒泉-湖南±800kV特高压直流输电线路。这条线路于2017年由SGCC委托使用，行程超过2，383公里.58甘肃调度中心测量和跟踪能源生产的实时数据，以有效地分配能源并最大限度地减少沿线的传输损失.59 中国国家电网公司（SGCC）在张北建设了全球首个VSC-HVDC电网项目，实现了总容量9000MW的柔性直流输电，支持更稳定的多类型清洁能源供应。它的四个终端可以通过从张北和北京收集清洁电力，并通过丰宁工厂的当地抽水蓄能水电调节风能波动来最大化容量57。 中国在智能电网的国际合作中也发挥着积极作用。这超出了其边界，符合其支持清洁的承诺 60例如，SGCC在巴西建立了特高压直流输电线路，以帮助更高效、更安全地传输能源.61中国还参与了由日本可再生能源研究所于2017年发起的亚洲超级电网（ASG）。虽然该项目还处于非常早期的阶段，但ASG的目标是在不同的亚洲国家之间分享可再生能源，以确保互惠互利。中国计划为366公里长的海底电力电缆做出贡献，该电缆将向韩国和日本输送能源62。 另一个主要的输