尽管首个商业电力系统建立还不到 150 年，电力已成为现代社会的必需品。虽然电网是一项技术奇迹，但由于基础设施老化、气候变化担忧以及数字信息时代对高质量可靠电力的需求，它越来越无法满足 21 世纪的要求。世界各地，这些压力愈发明显，大规模中断和区域停电事件愈发频繁。在美国，2021 年 2 月的一场冬季风暴导致得克萨斯州出现大规模电力短缺，敲响了紧急警钟。同样，加利福尼亚州最近经历了野火引发的停电，促使高科技行业寻求电力系统更可靠的替代州份以搬迁设施。与此同时，发展中国家面临需求快速增长，难以高效可靠地向客户供电。在遭受供电短缺的同时，一些发展中国家的输配电损耗可能高达 15-20%，而成熟电力系统仅为 5%。
“智能电网”的含义 电网现代化——也称为“智能电网”——已成为一个全球通用术语，指代电力系统在发电、输送和消费方面所需的进步，以应对当前的社会、生态和环境挑战。美国能源部 (U.S. DOE) 的电网现代化倡议 (GMI) 旨在创造未来的现代电网，其特征包括：* 对各种类型的危害具有更强的韧性，* 日常运行的可靠性更高，* 针对日益增多且不断演变的威胁安全性更强，* 维持经济繁荣的成本效益更佳，* 具有卓越的灵活性，能够响应一个或多个时间尺度上的条件变化和不确定性，包括一系列能源未来情景，以及 * 通过节能和可再生能源提高可持续性。电气与电子工程师协会 (IEEE) 智能电网技术活动委员会将智能电网定义为传统电网的现代版本，由发电、输电和配电网络组成，利用数字自动化技术向最终消费者供电。这些技术实现了现场设备与电网沿线设备之间、公用事业公司与客户之间的双向通信，以便进行实时监控、控制和操作，从而构建安全、可靠、高效、自愈、绿色且具有韧性的电网。
气候变化与电气化压力 现代社会面临另一项挑战：温室气体 (GHG) 排放导致的气候变化。根据美国环境保护署 (EPA) 的报告，2022 年美国电力贡献了高达 25% 的温室气体排放。虽然交通等不同领域的电气化将提高运营效率并减少碳足迹，但也给电力系统带来了额外负担。根据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 2018 年的报告，要将温升控制在 1.5℃以内，世界需要在 2050 年前实现净零排放。这将促进向更可持续的低碳发电技术转型。开发低碳排放替代能源技术是实现零排放的正确途径，也是智能电网发展的重要目标，但也给系统可靠性带来了挑战。许多替代能源（如太阳能和风能）本质上具有间歇性且难以控制。将这些能源纳入当前系统，很难确保它们能像我们今天期望的那样可靠地提供未来大部分能源需求。
综合智能电网的构建模块 综合智能电网设计需要一种整体、自上而下与自下而上相结合的方法。从技术角度来看，智能电网应：* 配备先进的监控、控制和需求管理。这包括广域监测与控制、高级计量架构 (AMI) 和需求响应，包括支持“产消者”（既用电又发电的客户）。* 采用先进组件和运营概念。这包括广泛部署传感器和自动化设备、智能保护和控制设备，如智能电子设备 (IED)、用于广域监测和控制的相量测量单元 (PMU)、用于电网形成的电力电子设备，以及用于管理和控制潮流的柔性交流输电系统 (FACTS)；还包括分布式能源资源及基于逆变器的资源 (DER/IBR) 的整合。它还涵盖本地能源系统，如微电网，以及可像单一发电厂一样运行的分布式资源聚合，通常称为虚拟电厂 (VPP)。* 使用先进的软件和分析工具来验证模型的准确性并实现近实时操作。这将允许增强电网控制中心、改进预测以及稳健的数据驱动分析，包括机器学习和人工智能。* 实现对环境较低影响的新发电技术的互联。电网应适应气候变化的影响，支持新兴能源路径，包括可再生能源、储能、小型模块化反应堆和氢能经济。* 拥有模块化、标准化的架构以及安全、通用的通信协议。这将允许不同系统无缝协作。
实施与劳动力准备 许多技术和政策已实施以使电网更智能。除了基础设施现代化外，公用事业公司还必须应对劳动力老龄化问题，以及为操作更动态、更复杂的电力系统提供充分培训的需求。电力公用事业行业的范式已发生巨大变化。尽管有许多重大技术进步，如果没有熟练的劳动力支持能源转型和电网现代化工作，其有效性将大打折扣。基于技术进步，当今劳动力技能组合与实际工作需求之间存在显著差距。这可能导致美国未来 10 年经济损失高达 9750 亿美元，二十国集团 (G20) 国家国内生产总值 (GDP) 增长损失高达 11.5 万亿美元。根据英国工程技术学会 (IET) 的一份报告，62% 的雇主表示新工程毕业生不具备他们所需的技能。显然需要行业关联的培训模式，以缩小新型电网技术与部署所需技能之间的差距。一个可复制的示例是 CIRT 智能电网实验室模型，该模型是在电气与电子工程师协会 (IEEE) 关键专业人士的投入下开发的，并与行业、信息技术提供商、公用事业公司和其他利益相关者合作，以帮助填补这一空白。胡安·罗伯托·帕雷德斯 (Juan Roberto Paredes) 先生是美洲开发银行能源部的高级可再生能源专家。萨蒂什·萨尼 (Satish Saini) 先生是 HEXstream 的公用事业行业专家。李伟坚 (Wei-Jen Lee) 博士是得克萨斯大学阿灵顿分校电气工程系教授兼系主任。
关于能源转型工程师理事会 (CEET) 本文是能源转型工程师理事会 (CEET) 发布的能源洞察系列文章的一部分。CEET 是一个全球性的高层工程师和能源系统专家机构，在联合国秘书长的主持下成立，目标是建立联盟和能源路径以实现全面脱碳。应当承认，鉴于能源转型格局的快速变化及其相关的各种背景，这些材料仅用于讨论目的。CEET 成员以其个人能力和专业知识参与，无报酬。他们的专业隶属关系仅用于识别目的，他们的观点和视角，包括任何声明、出版物、社交媒体帖子等，不代表联合国、可持续发展解决方案网络 (SDSN) 或联合国工业发展组织 (UNIDO)。
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