2050年北美电网展望：发电站不再是系统的“必要中心”

如今的“北美电网”异常复杂，大部分电力来源于本地和区域电网间的互联来集中发电。从概念上来看，每张电网都相当于一个车轮：车轴发电，输电和配电网形成辐条向外延伸，而终端用户则在辐条末端消费电力。但这个基本模式无时无刻不在发生着改变。

当前的发展趋势，或者说至少就我们能预见的趋势来说，很有可能将在未来数十年内演变出一种截然不同的电网模式。而由北美电网以及众多本地资源构成的遗留电网会持续影响电网的发展。相对目前，未来电网能源将更多元化，我们将掌握更多资源，获得更多解决方案，可应对未来数十年面临的挑战。

基于这种情况，要预测出某个特定成果或许不易，但可以确定的是一些因科技发展形成的变化将无处不在。许多情况下，集中式发电将仅是分布式发电的补充形式；电力流向将从单向变为双向；输电和配电系统可根据时间和地点不同，开启通电和断电；分布式智能也可弱化系统间存在的显著区别。由于分布式发电、能源储备和交互市场的发展，终端用户将可能同时扮演电力生产者和消费者的角色。未来的电网将变成具交互性、高度整合和智能化的网络，令电力生产、输送和使用变得更能动、更高效。

让我们再来看看上述具变革意义的技术发展如何运用在北美的电网环境。在美国和加拿大人口密集的城市中心，过去的基础设施投资水平以及电网本身的稠密程度均需要渐进式分阶段地向现代化电网发展。最重大的变化将涉及分布式发电、微电网甚至纳米电网，以用户为前提提升电网的稳定性和可靠性。在加拿大偏远地区和阿拉斯加州，目前采用的微电网多为柴油发电机发电，今后将发展可再生能源分布式发电、储能和需求响应综合系统，为偏远地区提供更稳定的电力环境。拥有丰富水利发电资源的地区与阳光充足的沙漠地带将形成不同的发展道路，还将根据区域具体特点增加相适应的分布式发电。

接下再看看可变的因素，其中最主要的是上文已经提到的遗留系统、地理位置和本地资源这三个因素。长远来说，不同的解决方式应用于不同的挑战。一些人们认为可带来巨大利益的技术，在实施过程中可能遇到阻碍；而一些意外发展却会带来意想不到的收获。这就是所谓的技术推动力。而其反面—政策--是可能影响电网发展方向的一个最大因素，因为各国为达到各自特定的发展目标，会以不同方式来使用这些技术。

如果上述对北美电网的描述多少让人感到疑惑，这是对未知未来的自然反应。IEEE标准协会及其五大技术分会基于其多年来对当前和未来电网发展的推动力和技术进行的系统化评估，针对电力、计算机处理、通信、控制系统和汽车技术等五大领域，制定了全球展望、路线图和参考模式，对直至2050年的数十年内的未来发展趋势进行了分析和预测。

IEEE中国代表处首席代表/中国区总监华宁

在此我将以电力为例谈谈我们是如何克服这一挑战，以及在研究北美地区发展过程中获得的成果。

指引展望的方向

我们在展望2050年电力发展的过程中会受到一系列因素的影响。根据联合国的预测，到2050年世界人口将增加1/3达到96亿。根据国际能源署（IEA）的数据，未来37年内，随着全球电子化程度日益加深，对电力的需求将达到目前水平的两倍。另外，有限规模的化石燃料将在很大程度上被可再生燃料取代。根据IEA对人类活动作出的三种预测，其导致的气候变化将分别使地球平均气温上升2度、4度甚至6度。

假设我们采取了一切措施实施可持续能源政策来缓解气候变暖，那么预计能达到最好的结果为平均气温上升2度。在此基础上，预计到2050年全球电力的需求总量将翻一翻。因此，我们亟需各类防范机制以应对极严峻的挑战。

基于目前现有的和新兴的技术及实践，我们采用案例、应用场景及其他方式来确保我们的短期迭代的研究是基于现实的情况。例如，由于电网的能动和互动程度日益加深，我们着手研究了电网运营和监控方面的实际需求。2050年听来很遥远，但实际上只剩下传统“大铁箱”的一个使用周期了。但随着计算机处理和通信领域的技术发展，部分硬件和软件的使用寿命会大大缩短，这也会同时加速其发展速度。

与此同时，我们发现相互协作、跨学科、全面的思维和团队精神的必要性。昨天的工作方式已不再适用于未来。另一方面，已经取得进展的工作在很大程度上要得益于相互协作，比如标准的制定流程，当务之急最需要做的是不断地完善这些发现。

需要：灵活的思维方式

在我们研究未来发展趋势的过程中，发现“灵活性”是一个根本性需求。我们需要概念上的灵活性，来设想和实施最佳、最具成本效益的解决方案。我们需要操作上的灵活性，以真正实现互操作性和“即插即用”功能。另外，对未来的所有设想都必须具备灵活性特点，因为我们没法预料哪项技术的成果将超出预期，哪项会遭遇障碍，或哪些因素最具影响力。

在概念意义上，我们将“发电”、“输电和配电”以及“终端使用”用更广义的“生产”、“输送”和“使用”来表述，这符合我们对未来更互动、更去分布式电网所必须具备的灵活性特点的设想。

尽管我们非常想描绘出更具体的未来趋势，但我们的水晶球却不能预测指示性的未来。在为今后数十年制定发展规划时，必须将各种推动力、假设条件、已知的和新兴技术及标准，以及不确定的环境已知变量，当然更不用说各种未知因素来作为我们进行反复推敲思考的指导。

事实上，根据IEEE标准协会愿景文件的结构和内容，依据配套路线图和参考模式的实用意义，各界研究人员、产品开发人员和投资人将能够从中找到下一步发展的切实方向。

挑战带动投资

在每份愿景文件的技术讨论部分后，我们都会就技术差距和不足之处即未来的主要挑战进行评述，以此为专业学者、研究人员、产品开发人员和投资人指明方向，指出所需的工作内容，以及可能具投资回报价值的创新领域。

任何相关人士都可将这些文件与他们各自固有的目标相结合，并形成可能影响他们研发投资、产品开发周期和市场预期的观点。

在明确了未来将面临的挑战后，我们已为创造一个强健的全球市场所需的技术创新和投资奠定了基础。这个未来市场将为我们带来更多资源，并由此获得更多解决方案。2050年将比你想象的来的更快。

2012年电网和2050年展望

左侧图表题为“2012年电网”，描绘了我们所知的现有电网结构。“生产”、“输送”和“使用”在很大程度上是相互独立的功能，且电流方向为单项。右方的图标是我们所熟知的发电、输电、配电和终端使用的方式。右侧图表题为“2050年电网展望”，预测了一个更整合、分布式的电网和电力系统，其中“生产”、“输送”和“使用”功能不再相互隔离，电流也将突破单一流向。到那时，一个单一实体就能生产、输送和使用电力，而大型发电站也可能不再是系统的“必要中心”。右方的大量图标描绘了未来电力系统的多种实现形式。要注意的是我们须设计一个具更高整合度、分布式的电力系统范例，能实现操作灵活性，以适应过多数量的可变因素。

作者简介

华宁是IEEE中国代表处首席代表，中国区总监。目前,他负责IEEE在中国活动的策划，组织和管理的工作；负责发展同中国政府，企业和学术界的交流与合作；负责在新兴市场国家，特别是在中国，寻求和发展IEEE新的机会和增长点；维护和发展IEEE在中国企业和学术界中的知名度和形象；推广IEEE的产品和服务。