业务透 Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ 谋定美好未来 ——美国推出宽带与智能电网规划 曹学勤何冰梅张乔姝／文 曹学勤，工业和信息化部电子科学技术情报所信息化研究与促进中心 副主任，长期从事国内外信息化研究与分析工作。 何冰梅，工业和信息化部电子科学技术情报所信息化研究与促进中心 研究员。 张乔妹，工业和信息化部电子科学技术盾报所信息化研究与促进中心 研究员。 ３月１５日，美国联邦通信委员会（ＦＣＣ）公布了《连接美国：国 家宽带计划》。这份计划是根据去年初美国国会的指示制定的，一经 发布，Ｐ，Ｐ￣Ｕｇ ｌ起世界各国的关注。这份计划透露了美国未来在发展宽 带上的行动纲领，除了扶持，他们也广泛调集社会资源，投入发 展。本文介绍其在宽带与智能电网方面的规划情况。 美国正在进行一场声势浩大的通信与信息技术 要实现智能电网的美好前景，还需要同时在住 “扩建运动”，以建造智能电网。美国国家标准技 宅和智能电网中实现传感器和软件与电力系统的双 术研究院将其定义为“电力与信息的双向流动，以 向交流。通信对于智能电网的各个方面，包括发 创造出可自动输电的广域网供电系统。” 电、输电、配电以及耗电，都是至关重要的。 美国的设想是建造一个现代化电网，可以提供 美国２００７年颁布的《能源与安全法案决 能源效率，让可再生能源和充电式电动车能得到广 议》让实现电网现代化成为国策，２００９年的经济复 泛应用，减少美国对化石燃料和外围石油的依赖。 兴计划亦决定投入４５亿美元加速部署智能电网，实 该智能电网能自动榆测故障，并能在本地电网断电 现标准化运作。美国电力研究所预计，在未来２０ 时继续供电，使得电力系统能更为灵活地应对自然 年，美国将投资１６５０亿美元建造智能电网。 灾害和恐怖袭击。同时它还能减少能源消耗，并使 在诸多因素的共同作用下，智能电网成为美国 温室气体排放最小化。 优先建设项目。它将增强电网的可靠性，更加有效 ４０ Ｊ １ 盆 Ｂｕ ｎｅ。 Ｐｅ ｐｅｃ 。ｖｅ 业务透视 地实现可再生能源发电整合，减少高峰期用电量， 并促进电动车得到广泛使用。 首先，由于现行的拼凑式电网构造愈发复杂， 一 Ｄ 内日 酌 柏 酗粕鼬 柏 口 启动备用供电（见２００３年美国东北大断电一事，专 栏２）。 其次，为了更好应对气候变化，联邦及各 州都加大力度支持各种可能减少温室气体排放 的环保能源的开发，如太阳能、风能以及核能。但 此类可再生能源的不稳定性问题尚需解决。 其可靠性引来越来越多的质疑。美国由于断电而造 成的经济损失高达每年１６４０￣Ｌ美元。而智能电网可 以有效防范此类因传感问题而引起的断电现象，或 者即使不可避免地发生断电现象，也能及时恢复或 第三，由于在需求高峰期发电尤为昂贵，因此 专栏１美国能源流向图（千万亿焦耳，２００７） ｌｌ｛一Ｌａｗ￣ｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ 叠口 出口 ＮａｔｉｏｎａＩ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｒｎｏｒｅ国家实验室 鹰彝叠嚣 国内 差口 ｔ纛一务 国家能源收支平衡表反映了一系列十分中肯的事实。首先，煤炭发电几乎占了美 国发电总额的一半，而煤炭发电所造成的温室气体排放量达到了每年２０亿吨—— 相当于整个交通运输业所能排放的温室气体总量。来自煤炭、天然气以及石油的 温室气体排放解释了为什么电力产业是美国温室气体排放的最大“贡献者”。其 次，虽然太阳能、风能以及生物能的利用在最近几年增长迅速，但可再生能源仍 然只占美国总发电量的很小一部分。第三，现在的电力系统，从发电到终端用 户，会浪费大量的能源。例如，一盏灯泡接收的能量甚至还不足半块煤所蕴含的 能量。最后，美国的交通运输行业几乎完全依靠石油，而其中超过一半的石油都 必须依靠进口。 Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｝４ １ 一视 № 或浮动电价，因为这样才能更好反映供电成本。 专栏２ ２００３年美国东北部大停电与同步相量 第四，美同如欲引领汽车电动化的转变潮流， 智能电网也必不可少。现在几乎所有的世界级汽车 ２００３年８月１ ４日，俄亥俄州一条高压电 线因为接触到马路旁边一棵常年未被修 剪的大树而断裂。同时，电网报警系统 也因年久失修未能正常报警，从而引发 制造商都在研发混合动力或纯电动汽车，而且，如 果市场反应良好，此类汽车将在使美国对外国石油 依赖下降一半的同时减少２７％的温室气体排放。如 果没有智能电网，就必须建造更多新的发电厂来满 一连串错误，最终导致美国东北部八州 及加拿大东南部电网大范围瘫痪。输电 系统操作员试图明确事故起因以及事故 损失程度。在此次大停电事件中，超 过５０００万民众失去电力，一些人因为 临时断电而被困在电梯中，还有一些人 因停电致使无法使用家中空调而带来不 便。全国范围内损失总计６０－－－－，１ ＯＯ亿美 兀。 此次美加大停电调查组发现，在突发断 电情况下，电网网络管理者无法获得正 确的数据和工具来观察、分析及监控电 力故障。首先，每个网络管理者只能观 察到他所监管区域内的情况。但是电网 是跨区域连接在一起的，所以网络管理 者只有在了解整个电网的运行状况下， 才能对电力故障作出正确判断。其次， 在２００３年时，只有少量的实时数据、 时间编码及同步电力信息可供观测。这 也阻碍了网络管理者及时注意到他们监 管区域内的电力故障。 减少高峰期问的电力消耗十分重要。为了应对电力 需求高峰，电力公司修建了许多每年只运转数小时 的发电厂。例如，在新英格兰（美国东北部六州 总称），总发电量中的ｌ５％只在不到１％的时间里 才有需求——算下来每年还不到９０小时。因此，同 家相关的监管机构极其希望能改变零售电的价格结 构——在今天，电价是统一的——实现分时段电价 ４２ ｊ １荦 鲁 足电力需求，这样才能实现电动汽车的广泛应用。 ２００８年的一项研究表明：在不新建发电厂的情况 下，加利福尼亚州的电网足以支持１０００万辆混合动 力汽车在晚』 充电。但是，如果这１０００万辆汽车的 司机都在一天工作结束时同时充电，那么加州就还 额外需要１００４｛，瓦特的发电量（见图１）。能源部研 究显示，如果能够建成更智能的电网，那么美国现 有发电量可以支撑７３％１￣９轻负荷汽车充电，而在非 高峰期完全足以支持所有轻负荷汽车同时充电。 智能电表安装在消费者家里并与电力公司实现 双向通信，它将在智能电网建设中扮演主要作用。 联邦能源管理委员会预计，２０１９年，智能电表安装 数量将由今天的８００万台上升Ｎ８ｏｏｏ万台。 然而，智能电表只是实现电力系统现代化计划 的一部分。智能电网的建造还包括在发电、输电、 配电方面使用新型及传统设备，如监控系统、数据 采集系统，断电应急系统，能源管理系统、和许多 如同步相量的新传感技术。这些系统使电力公司能 够更为有效、安全、可靠地运营电网。同时，发电 机也能检测、防范并修复故障，减少断电现象。但 是，这一切都需要通信网络在突发故障时能够正常 运转。 今天，美国有超过３０００家电力公司使用各种各 样的通信网络，包括：有线或无线、配有或未配 有许可证、私人或商用、固定或移动、宽带或窄 带。传统来讲，电力公司一般会建造私有网络，以 提高设备运行可靠性，尤其是用以进行电网控制或 保护的相关设备。这些系立于商用网络运行， 一般使用私有窄带专用解决方案。 但是，现有窄带解决方案并不足以支撑逐日增 长的现代化电网连接端，许多电力公司也认为，使 用这类无许可证的解决方案对运行任务重大的监控 … ｅ 一视 设备来说绝非上策。 现今的智能电网网络数据交换数量甚微，但由 总的说来，若不加紧建成能适应要求高、范围 广并符合智能电网各项需求的宽带网络，智能电网 计划的实现之日将被大大延迟。 要解决宽带网络的问题，美国计划三管齐下。 于设备数量、交流频率以及数据传输复杂性的不断 提高，今后的数据交换数量必将显著卜升。多方人 士都在试图估算未来的带宽要求，没有人会认为现 行的窄带足以满足需求。森普拉能源公司发现， “至少需要１Ｏ０ｋｂｐｓ的移动网络覆盖，才能保障所 有电力公司的设备运行以及用户需求”。同样， ＤＴＥ￣Ｅ源公司也认为，至少需要２００～５００ｋｂｐｓ的连 第一，现有的商用移动网络应加速升级换代，以适 应智能电网所需各种设备的需求。其次，电力公司 应共享无损于公共安全的移动宽带网络进行数据沟 通。最后，应鼓励电力公司自主研发并运行自 己的宽带网络。以上三种方法均能产生良效，虽然 可能程度不一。为了促成以上三种解决方法，美国 提出了以下建议。 建议１：联邦通信委员会应该启动程序，研究 商用宽带通信网络的可行性和可靠性 接速度才，足以支持外置配电设备稳定运行。正如 南加州爱迪生电力公司指出： “新技术发展历程表 明早期阶段的性能及带宽需求被低估了。” 商用网络并不能完全适用于电力公司基站及服 务点的各个领域。商业数据网络之所以较少用于任 务重大监控设备，部分原因是因为根据以往经验， 商用网络在紧急情况下并不能保证设备运转连续 性。记录表明，商用无线数据网络在紧急情况下会 商用宽带网络特别是无线宽带网络，可以更好 地应对大范围的电力设施数据交换要求，同时也能 在紧急情况下帮助服务供应商采取措施改进网络的 可行性和可靠性。因为美国９７．８％的居民都至少被 一因为没有备用电源或冗余路径而造成网络拥堵甚至 完全中断。 个３Ｇ网络覆盖，商用无线数据网络性能如能改 善，可能在智能电网建设当中发挥重 要的作用。 此外，更可靠的商用宽带网络所 能带来的益处远不只限于智能电网。 更可靠的网络更能保证、公 共安全并惠及商家和消费者，因为他 们越来越依赖网络通信设备，如移动 电话。目前，美国有超过２２％的家庭 不再使用固定电话业务。 建议２：应该扫清与商用网 络服务供应商合作建设智能电网的各 种障碍、解决相关财政不足问题 商用无线网络通常适用并广泛应 用于许多智能电网的相关设备，特 别是测量及常规传感系统。在一些特 定情况下，与私有网络相比，商用网 络只需花费相同或更少的资金就可以 提供几乎相同的网络服务。一个可以 图１加利福尼亚州操作系统在混合动力汽车充电时的电力负荷分布表 保证服务连贯性的商用网络同样也能 ｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉ ４３ Ｉ… … № 支撑额外的重大任务应用。然而，许多大型电力公 司因为资金问题而未使用商用网络，也许这并不是 最佳决定。以盈利为目的的各大电力公司大多通过 他们所部署的各种设施——包括私有通信网络在 内——来获取固定收益，而如果他们使用商用网络 的话，最多只能收回成本。 各州的公用事业委员会必须保证对电力公司的 鼓励性或资金不会误导他们做出关于通信技术 方面的次优决定。监管部门在批准私有通信系 统的回报率之前，应审慎衡量电力公司的网络配置 要求和可供选择的商用网络。在遵守《能源与 安全法》的前提下，公用事业委员会应考虑网络运 营成本的回报率与电力公司自建网络的成本相当。 当前，加利福尼亚州已将此问题纳入考虑范围。 在许多州，电力公司仍然是以建造发电厂和大 量售电而不是减少售电或销售清洁能源作为营业目 标。这样棘手的结构问题已超出国家宽带计划的范 围，虽然国会明确要求首要任务是提高能源效率。 然而，一项旨在促进建设智能电网的固家战略必须 认识到许多大型电力公司虽然得到财政支持来建立 国家提倡的通信系统，但却缺乏足够激励因素来使 用这些系统提高能效。当然，也不是没有例外：专 栏ｌ２—３给出一家美国电力公司与消费者共同合作减 少高峰期用电量并努力提高能效的例子。 建议３：北美电力可靠性协会应明确其重要基 础设施保护项目的安保要求 隶属于联邦能源管制委员会的北美电力可靠性 协会专门负责大电力系统的可靠性研究。该协会应 修订其安全要求，让电力公司在使用商用及其他共 享网络进行通信时得到明确无误的指导。在今后评 判重要基础设施保护标准时，北美电力可靠性协会 应明确说明此类网络是否适用于电力监控通信。另 外，北美电力可靠性协会还需明确说明其重要基础 设施保护标准是否与美国国家标准技术研究院标准 协调一致。目前关于重要基础设施保护标准要求的 含混不清，在一定程度＿卜造成了电力公司无法迅速 做出决定或者将一些智能电网的相关设备直接绑定 在商用网络之上。 ４４ ｛１鲁向 鲁 专栏３爱达荷州电力公司案例分析 爱达荷州电力公司服务于４８．５万消费 者，所收取的电价为全国最低，其原因 在于该电力公司依赖廉价的水力发电。 全国性的干旱ＦＮ２０００年１月的西方能源 危机使得能源价格猛窜，爱达荷州的公 用事业委员会随即决定将提高能效的项 目提上日程，以减少油价高升所带来的 负面影响，帮助消费者减缓由此带来的 账单猛涨。 为了满足需求，爱达荷电力公司随后推 出了基于宽带和其他通信技术的电力控 制项目，以鼓励居民、农民以及商店在 用电高峰期减少用电量。如果居民允许 电力公司使家里的空调循环运转，居民 们可以得到价值７美元的积分。而需要 大量用电以抽水灌地的农民，如果能 将每周的灌溉时间缩短到１ ５个小时， 也能获得相应奖励。此外，爱达荷电力 公司还提供了购买房屋顶层绝缘材料的 回扣、做广告来鼓励消费者购买高能效 产品并为消费者开设宣传节能知识的学 习班。因为城市管理部门不再将电力公 司的盈利绑定在售电量上，电力公司自 然也有了动力来说服消费者尽量减少用 电。 这些方法让爱达荷州的高峰用电量减 少５．６％，且自２００２年以来，至少节省 超过５Ｏ万兆瓦的能源，这相当于５０００ 户家庭在过去８年里总共的用电量。另 外，其中一部分消费者账单上的电费甚 至减少了３Ｏ％。 建议４：国会应考虑修改电信法案，授权电力 公司使用之前提议的７００ Ｍ Ｈｚ无线宽带网络，该 网络并不会影响到公共安全 实际上，电力设施的广域网要求与公共安全部 门的广域网非常类似。它们都要求在紧急情况下网 络可以进行全面覆盖以及具备高兼容性和高扩展 性，例如，在自然灾害或恐怖袭击发生时及时清理 损毁电缆，修复天然气泄漏以及使医院、交通枢 纽、供水设施以及居民住宅尽快恢复供电。这些对 于保护生命及财产安全都是至关重要的。如果智能 电网得以建成，将极大提高行动效率。 国会应考虑修改电信法案授权电力公司使用对 公众无害的７００ ＭＨｚ无线宽带网络，该法案隶属于 旨在服务公共安全的３３７条款的通信部分。司法机 关应允许该对公众无害的７００ ＭＨｚ宽带频谱以发放 许可证或租赁的形式让电力公司得以使用。获得许 可证的电力公司也应有权自行决定是否需要购买公 共安全服务网络服务，或建立资本基金和相应的基 础设施，甚至人股参与网络运行。如果可以立法实 现这种改变，将会创造更多选择和途径来建设和运 营公共安全无线网络。虽然建设网络十分耗时， 但是通过广大用户共享的方法，可以帮助整个工程 降低成本。 这种公共安全公司及电力公司共享网络的 成功经验已有数例。南方通信服务公司（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｌｉｎｃ）——美同南方公司的一家下属网络运营商，已 经在东南部为美国南方公司提供电话通信方面的商 用无线服务。由于这种网络是按照极高的可靠性标 准进行构建的，因此，南方通信服务公司四分之一 的顾客都是公共安全部门及其他公共部门。另外一 个例子是由两家内华达的电力公司和内华达交通运 输部共同管理运营的内华达无线电共享系统（内华 达州的州立巡警队同样也是其顾客）。 建议５：国家电信和信息管理局和联邦通信委 员会应继续合作。推动开发联邦频谱并考虑智能电 网的各项建设要求 许多大型电力公司都在计划建立自己的私有无 线宽带网络，以支持意义重大的智能电网建设。从 Ｂ ｎｅ 。 。ｐｅｃ ｅ 业务透视 传统意义上讲，电力公司都不会参与宽带频谱的拍 卖活动，因为这些许可证的地理范围及管制要 求并不能满足电力公司的商业模式和服务范同。电 力公司的报告称，他们受限于不能找到合适的无线 宽带频谱以及缺少全国范围的宽带来建造可共容的 智能电网，而这些将不利于美国减少能源依赖 提高能效等目标的实现。现今的确有一些网络运营 商提供频谱已授权的私有无线宽带解决方案，但这 些方案的带宽、通信协议以及速率都大相径庭。 开发一个适用于智能电网网络的全国性频谱， 可以加速实现统一且兼容的智能电网宽带的构建。 同时一个全国性的频段也可以促进网络运营商加强 竞争力，降低设备成本。 国家电信和信息管理局和联邦通信委员会特别 需要开发相应的全国性频段，以备智能电网使用。 在确定频谱里建立的任何一个新的宽带网络，都应 当必须满足可兼容、可随时查看用户数据、隐私性 以及安全性的标准。为了使传统系统可以兼容，商 业及其他共享网络和未获许可证的无线网络也可以 得到相应利用，这种全国性频谱的使用应不受任何 建议６：能源部与联邦通信委员会应着手研究 公用电力设施的通信必备条件，以制定智能电网的 全国统一 要制定智能电网的全国统一，能源部必须 首先了解电力设施必须具备哪些通信要求。为了实 现这个计划，联邦通信委员会广泛征求社会各界对 智能电网技术和一系列电网领域相关事项的评价和 建议。然而，许多电力公司却不愿对此做出评价或 拒绝提供公共档案中的机密或敏感信息。 能源部和联邦通信委员会应联合起来，加大力 度研究包括智能电网在内的各种电力设施的通信必 备条件，这其中包括但不局限于智能电网需求。在 联邦通信委员会已采取的措施基础上，能源部应收 集数据和信息，以了解电力公司当前以及未来的通 信要求和他们所使用的网络和通信服务。■ （本文由曹学勤、何冰梅、张乔姝编译） ｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ４５
