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电网的不断发展，可以更好地匹配供需、提高稳定性和可靠性，并支持向更清洁、更可持续的能源过渡。如今，智能电网可通过实时监控和自动化提高效率，更好地引导能源流动。
与传统电网相比，智能电网包含一些新的组成部分：
分布式能源（DER）：随着可再生能源的兴起，电网运营商正在寻找平衡本地发电和需求的方法。小型发电或储电系统就是一种引人注目的解决方案，但要想有效地管理这些系统，就需要建立微电网[1]。
先进计量基础设施（AMI）：通过实时、双向通信，可以更精细地控制电力流动，直观地获知整个电网的电力利用率，从而更准确地预测需求，并根据需求变化自动调整电力分配[2]。
车辆到电网技术（V2G）：电动汽车（EV）对电网的冲击一直是人们关注的焦点。V2G技术让电动汽车可以将电池中未使用的能量输送回电网，从而有助于减轻这种影响[3]。驾驶员还可以确保车辆只在发电量高、需求量低时充电，或者安排车辆在临近使用时开始充电循环。
这些创新仅仅是一个开始。人工智能和5G连接等新兴技术可以进一步拓展智能电网的能力和潜力。本文将探讨其中部分技术及其影响，以及关系到当今能源行业发展的趋势。
随着智能电网的不断发展，运营商正越来越多地采用物联网（IoT）技术，如联网传感器和智能电表。这种称为能源互联网（IoE）的互联设备网络[4]需要大规模的高带宽连接，因为电网覆盖了非常大的地理范围，而且其传感器产生的数据量非常巨大。
就像5G技术实现了先进的物联网和边缘用例一样，它也是实现IoE的关键[5]。5G标准从一开始就是为支持IoT而设计的，无论是在拥挤的城市环境还是在偏远地区，它都能提供出色的速度、可靠性和安全性[6]。5G所实现的互联基础设施代表着电网管理向前迈进了一大步，支持近乎实时的自动化[7]。
但互连也只是万里长征第一步。智能电网是一个极其复杂的系统，会产生海量数据，需要深入分析和快速响应[8]。为了实现这些目标，运营商正在探索利用AI来为电网提供助力的新方法。
AI为智能电网运营带来了巨大的变革潜力。《SAP Insights》发表的一篇论文指出，AI技术在整合可再生能源技术、稳定电网和减少基础设施不稳定性方面可以发挥重要作用[9]。AI的自学习适应能力，对于支持可再生能源，以及在需求高峰和低谷期间平衡发电量而言，尤其具有价值。
将AI和机器学习融入到智能电网的运行中，还有望带来其他诸多优势，包括：
通过预测分析实现更高效的能源生产、更准确的预测和更好的电力管理；
快速做出数据驱动的决策；
对设备、终端和电动汽车的能源使用和充电进行优化和定制；
发出更及时、更详细的停电警报，以及为解决电网失衡问题进行自动切换；
积极主动地维护和管理基础设施；
提高电网运行各方面的可见性和透明度；以及智能检测并修复威胁。
AI驱动的智能电网还能为消费者带来多项好处，包括降低能源成本、提供可持续性指导、提高定价透明度以及减少停电次数。AI和机器学习还可以为微电网等新兴技术提供支持。
图3：满是太阳能住宅的社区
（图源：slavun/stock.adobe）
想象一下，在一个社区里，每家每户的屋顶都安装了太阳能电池板（图3）。虽然这个社区连接到了城市的主电网，但每栋房屋也能产生足够的能源来满足自身的日常需求。
这个社区就是一个微电网，也就是由多个连接负载和DER构成的自给自足的本地化电网[10]。除了社区外，医院、大学校园和商业建筑也可以构建微电网。微电网可以独立运行，也可以由公用事业公司管理。
微电网一般由三个核心特征定义：
微电网对于提高电网的恢复能力越来越重要，特别是在自然灾害多发地区或偏远地区。它们可以整合各种能源，包括可再生能源和传统发电机，并由智能技术控制，以确保高效的能源管理和分配。
传统配电网的极大弱点之一是缺乏冗余。如果发电站停止运转或电网因需求量过大而超负荷，那么整个地区都可能断电。微电网可以缓解这一问题，因为失去主电网接入的地区可以切换到微电网继续供电，直到电力恢复。在向可持续能源发电过渡的过程中，微电网也是的重要一步，它可以减轻主电网的能源负荷。
自欧盟宣布到2050年实现气候中和的计划[12]以来，世界各国政府纷纷加大了对其可持续发展计划的投入。虽然细节上有一些区别，但几乎所有倡议的核心重点都涉及更新电网和向可再生能源过渡：
泰国的目标是到2037年实现三分之一的能源来自可再生能源，与此同时该国的电动汽车市场也在蓬勃发展，因而需要对该国电网进行大规模现代化改造[13]。
瑞典计划到2040年完全摆脱化石燃料，转而结合利用风能、生物能、太阳能和人体热能。该国于2012年达到了50%的里程碑，比原计划提前了八年[14]。
哥伦比亚政府计划到2030年为约75%的家庭安装智能电表[15]。
日本已承诺到2050年实现碳中和，并因此设立了1550亿美元的去碳化基金[16]。
智能电网技术将在过渡到太阳能、风能和水电等可持续能源的过程中发挥重要作用。除了对需求波动进行智能调节外，智能电网还将支持预测性和主动性维护，实现更好的系统管理和可视性。而储能或许会是其中非常关键的支持技术。
除了核能和水力发电之外，可持续能源解决方案都存在一大弱点：它们只能在有限的时间段内发电，无法在高需求时扩大规模。天然气发电厂可以通过燃烧更多的资源来产生更多电力，但我们无法让太阳变得得更亮或者让风力更大。因此，如果没有储能系统，可持续解决方案就无法扩大规模。
好在，一些前景看好的解决方案即将问世。值得注意的是固态电池的发展，其电池级能量密度有望达到每千克500瓦时[17]。智能电网也能够在这个方面发挥重要作用，它能动态识别何时储存和释放多余的能量，从而提高电网的灵活性和可靠性。
除了电网现代化计划外，电动汽车的普及还有望大幅减少排放。大多数致力于气候中和的国家也承诺在未来数十年内用电动汽车取代内燃汽车。除了V2G技术外，智能电网也将在这一过渡中发挥重要作用，原因有以下几点。
首先，它可以通过智能调度，帮助减轻电动汽车充电带来的负荷，比如只在发电量高或者需求量低的时段启动充电周期。它还可以根据驾驶员的需求调整充电周期。例如，如果驾驶员通常在早上8点出门上班，那么车辆就可以事先计划好慢速充电周期，在确保准时满电出发的同时，尽可能减少对电网的影响。
智能电网还可以跟踪电动汽车的减排情况，以获得温室气体信用额度。虽然这种创新可能对一般消费者影响不大，但对于营运着庞大陆路运输车队的公司来说，却可以节省大量成本。
而后，智能电网可以成为电动汽车与智慧城市之间的桥梁。智能电力基础设施或许在初期仅限于为交通监控等任务的通信和协调提供一些便利，但终将会助力实现完全自动驾驶[18]。
随着电网的互联性越来越强、对数字技术的依赖程度越来越高，电网也越来越成为心怀不轨者的目标。面对日益复杂的网络威胁，确保关键基础设施的安全性和弹性是一件至关重要的事情。
为了应对这些威胁，运营商正在使用加密技术来保护整个电网的数据传输。安全通信协议也是非常重要的，它可以确保电网不同部分之间能够安全地进行通信，尽可能降低数据截获和篡改的风险。
此外，电网还需要具备弹性功能，以便在不利条件下维持运行并促进快速恢复。这方面的关键技术包括冗余的传输路径和强大的控制系统，能够在不关闭整个网络的情况下隔离和处置故障点。
自从早期电网投入使用以来，世界已经取得了长足进步。现代电网面临着许多年前无法想象的需求和隐患。不过，智能电网已经发展起来，能够应对并克服这些挑战。从5G和AI到电动汽车和微电网，我们正在缓慢而坚定地改变电力生产、存储甚至使用的方式。种种迹象表明，我们目前所看到的一切仅仅是一个开始。
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