日本智能電網(wǎng)政策儺系及發(fā)展重點(diǎn)研究
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胡波，周意誠，楊方，白翠粉，何博
（1．國網(wǎng)能源研3院，北京 102209；2．日本富士通，東京 105-7123）
摘要：經(jīng)歷“3-11”大地震之后，日本智能電網(wǎng)發(fā)展思路進(jìn)行了優(yōu)化和提升。梳理總結(jié)了近年來日本出臺的智能電網(wǎng)各項(xiàng)政策和規(guī)劃，并從定義、形態(tài)功能和發(fā)展重點(diǎn)等角度，刻畫出了日本人所理解的智能電網(wǎng)，重點(diǎn)分析了日本在新能源發(fā)電、儲能電池、智能住宅等關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展、標(biāo)準(zhǔn)制定和工程建設(shè)情況。
關(guān)鍵詞：日本：智能電網(wǎng)：政策；技術(shù)：標(biāo)準(zhǔn)
0引言
在經(jīng)歷“3 - 11”大地震后，核電的大面積關(guān)停導(dǎo)致日本夏季高峰多地出現(xiàn)計劃性限電，民眾對電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)注更多。日本政府和整個電力行業(yè)也都開始重新審視日本智能電網(wǎng)該如何發(fā)展，對于電力市場自由化、新能源固定價格采購制度的爭論和關(guān)注也日益增多。
早先日本提出的智能電網(wǎng)理念，著重強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步全面提升電網(wǎng)信息化、智能化和互動化水平，積極接納分布式電源和電動汽車等新型負(fù)荷。經(jīng)歷“3 - 11”大地震之后，日本智能電網(wǎng)理念從功能形態(tài)、發(fā)展重點(diǎn)得到進(jìn)一步優(yōu)化和提升。同時，為了重振日本電力行業(yè)的同際領(lǐng)先地位，日本政府牽頭成立了包括智能社區(qū)聯(lián)盟在內(nèi)的多個行業(yè)聯(lián)盟，推動包括新能源發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)、電動汽車技術(shù)、電力路由器等在內(nèi)的智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和國際標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施，并開展了多個智能電網(wǎng)示范工程。
中國智能電網(wǎng)發(fā)展較快，在理念、技術(shù)、裝備和標(biāo)準(zhǔn)方面都取得了豐碩成果，帶動了上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。掌握日本智能電網(wǎng)相關(guān)政策、發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)優(yōu)勢等，對中國提升智能電網(wǎng)發(fā)展理念、技術(shù)和裝備水平具有重要參考價值。
1 相關(guān)政策體系和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃
日本智能電網(wǎng)的政策體系可分為戰(zhàn)略與規(guī)劃、法律、實(shí)施與推進(jìn)3類，主要政策都由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)�。ㄒ韵潞喎Q經(jīng)產(chǎn)省）發(fā)布，部分經(jīng)內(nèi)閣和參議院審議后形成法律生效，如圖1所示。
日本擁有豐富的光資源，政府一直出臺各項(xiàng)政策鼓勵光伏發(fā)展，、2009年，日本開始實(shí)施《太陽能發(fā)電同定價格收購制度》，并于2012年將全額采購的范圍擴(kuò)大到其他可再生能源，以鼓勵其發(fā)展。2014年內(nèi)閣通過了《能源基本計劃》草案，將核電定位為“保障日本能源穩(wěn)定供應(yīng)的重要基礎(chǔ)能源”的同時，也明確了加速可再生能源的利用．將其作為未來實(shí)現(xiàn)能源本土化供應(yīng)的重要手段。日本內(nèi)閣通過《電氣事業(yè)法》修正案，設(shè)立了“廣域系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)”，旨在監(jiān)督全同電力交換計劃，協(xié)調(diào)電力供需，確保緊急情況下的穩(wěn)定供電．這也有益于實(shí)現(xiàn)可再生能源在日本全國范圍內(nèi)跨區(qū)消納。
2015年，日本經(jīng)產(chǎn)省提出可再生能源（光伏、風(fēng)力、水力、生物質(zhì)和地?zé)幔┫{量2030年達(dá)到21%的目標(biāo)，可再生能源還享有規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)先權(quán)。按照這一估算，預(yù)計光伏發(fā)電的裝機(jī)容量將達(dá)到6 141萬kW,發(fā)電量約700億kW -h．在電力能源構(gòu)成中占到7 %。
日本十分重視開拓國際智能電網(wǎng)市場．憑借技術(shù)優(yōu)勢，參與國際市場競爭。在經(jīng)產(chǎn)省主導(dǎo)下，成立了智能社區(qū)聯(lián)盟，共有東芝、東京電力、豐田、松下、日立等知名企業(yè)在內(nèi)的741家企業(yè)和團(tuán)體參加，聯(lián)盟成立了國際戰(zhàn)略、國際標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)劃、智能住宅4個工作組，意在積極關(guān)注國際智能電網(wǎng)動向，推進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)化，掌握市場主導(dǎo)權(quán)。
2智能電網(wǎng)理論體系
2010年1月，日本經(jīng)產(chǎn)省下設(shè)的“新能源國際標(biāo)準(zhǔn)化研究會”發(fā)布《智能電網(wǎng)同際標(biāo)準(zhǔn)化路線圖》，對智能電網(wǎng)進(jìn)行了首次定義。201 1年6月．在第13次“新時代能源·社會系統(tǒng)研討會”上，日本正式提出了“日本版智能電網(wǎng)”，在原有中遠(yuǎn)期智能電網(wǎng)規(guī)劃日標(biāo)的基礎(chǔ)上．進(jìn)一步提出了智能社區(qū)的近期建設(shè)日標(biāo)．并首次給出了智能電網(wǎng)完整的體系化發(fā)展理念。
2.1 智能電網(wǎng)定義
智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)的集巾式電源和輸配電系統(tǒng)一體化運(yùn)行基礎(chǔ)上，通過信息通信技術(shù)．整合利用光伏等分布式電源和用戶側(cè)的信息．實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、高可靠供電的新一代電力系統(tǒng)。
2,2 電網(wǎng)形態(tài)功能
日本提出了智能電網(wǎng)的3層體系架構(gòu)，包括國家、區(qū)域和家庭3個層而，各層具有不同的功能定位，如圖2所示。家庭和建筑層面包括智能住宅、零能耗建筑、蓄電池、電動汽車(EV)等元素，實(shí)現(xiàn)能源高效利用、減少排放；區(qū)域?qū)用媸峭ㄟ^區(qū)域能量管理系統(tǒng)，保證區(qū)域電力系統(tǒng)穩(wěn)定，并依托先進(jìn)通信及控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)供需平衡：國家層面則是構(gòu)筑堅強(qiáng)的輸配電網(wǎng)絡(luò)．實(shí)現(xiàn)大規(guī)�？稍偕茉吹撵`活接入。
2.3發(fā)展重點(diǎn)
(1)光伏等分布式可再生能源接入配電網(wǎng)。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)( NEDO)發(fā)布《太陽能發(fā)電規(guī)劃圖( PV2030+)》，到2020年，太陽能發(fā)電成本下降至14日元/(kW-h)，轉(zhuǎn)化效率提升至20%．分布式光伏安裝戶數(shù)達(dá)530萬戶，總裝機(jī)容量約2 800萬kW。
(2)電力系統(tǒng)從集中控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际娇刂�。改變原有集中控制、能源單向傳輸�(shù)倪\(yùn)行模式，建立能夠滿足新能源接入的分布式控制系統(tǒng)。
(3)建立能抵御災(zāi)害的堅強(qiáng)電網(wǎng)。通過接人大規(guī)�？稍偕茉�，利用信息技術(shù)和儲能技術(shù)．維持區(qū)域供電平衡，保證電網(wǎng)在災(zāi)害期滿足區(qū)域供電需求。
(4)建立新的能源信息傳輸系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)用電信息智能化管理．實(shí)現(xiàn)提高能源利用率和節(jié)電的目標(biāo)。
(5)通過建設(shè)“智能社區(qū)”，發(fā)展新的產(chǎn)業(yè)模式。如能源咨詢服務(wù)、能源管理服務(wù)、個人能源消耗實(shí)時信息查詢服務(wù)等。
(6)積極推進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)化，通過發(fā)展智能社區(qū)．積極開拓亞洲和中東地區(qū)市場，提升國內(nèi)就業(yè)率。
3技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定
根據(jù)日本政府公布的《以實(shí)現(xiàn)低碳社會為曰的，構(gòu)建新一代輸配電網(wǎng)絡(luò)》報告，提出了智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究規(guī)劃，其技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)主要在分布式電源、儲能電池和用戶側(cè)的用電技術(shù)等領(lǐng)域。同時，日本經(jīng)產(chǎn)省牽頭成立了智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略工作組，協(xié)調(diào)日本圈內(nèi)各相關(guān)行業(yè)和組織．推進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作。
3.1 技術(shù)研發(fā)
(1)太陽能發(fā)電技術(shù)。日本在光伏電池領(lǐng)域起步較早，早在1954年夏普公司就開始研發(fā)太陽能電池，于20世紀(jì)60年代實(shí)現(xiàn)了單晶體硅太陽能電池的量產(chǎn)。2007年日本光伏電池生產(chǎn)量創(chuàng)新高，全占比達(dá)到24.6%。近年來，由于中國、德國、西班牙等國光伏產(chǎn)業(yè)的崛起，日本產(chǎn)銷量迅速下滑，目前占比不足10%。但在新一代光伏電池技術(shù)研發(fā)方面，日本仍是領(lǐng)先者。夏普、京瓷、三洋電機(jī)和三菱電機(jī)等光伏電池企業(yè)，正在合作開展“革命性的太陽能光伏技術(shù)”項(xiàng)目，轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)40%。一旦技術(shù)突破，市場前景將非�？捎^。
(2)電池儲能技術(shù)。儲能蓄電池是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵構(gòu)成要素，可平抑可再生能源發(fā)電的波動，提高電網(wǎng)對可再生能源的接納能力，同時還是電動汽車的核心部件，提高續(xù)航里程。日本在蓄電池領(lǐng)域一直處于國際領(lǐng)先水平，索尼最早實(shí)現(xiàn)了鋰電池的商業(yè)化，松下生產(chǎn)的NCR 18650鋰電池性能優(yōu)良，作為特斯拉Model S的動力電池。日本NGK公司在全球鈉硫電池市場了與有絕對主導(dǎo)。日本政府也一直很重視電池技術(shù)發(fā)展，在“新能源政策新方向”提案中指出“探索基于全新構(gòu)想和材料的革新性可充電電池技術(shù)”。2014年6月，在日本東京有明國際會展中心展示了一種碳納米材料蓄電池，該電池具有內(nèi)部電阻值低、充放電時發(fā)熱少效率高、循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的市場前景。
(3)電力路南器。電力路由器是電力和信息技術(shù)充分融合的產(chǎn)品，由日本東北大學(xué)豐田淳一教授于1995年首先提出。電力路由器是控制電力流向和交換的新型電力裝置，主要南逆變器、儲能裝置和控制器構(gòu)成。電力路由器不但可通過儲能裝置調(diào)節(jié)小型電力系統(tǒng)中的供需平衡，還可通過交流或者直流輸電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力“點(diǎn)對點(diǎn)”傳輸。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的興起，電力路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要部件，可實(shí)現(xiàn)對電力能源的優(yōu)化配置。近年來，日本東京大學(xué)、早稻田大學(xué)、VPEC公司和大阪燃?xì)夤�，都各自研發(fā)了電力路由器的雛形，并進(jìn)行了實(shí)地應(yīng)用。
(4)智能住宅／樓宇／小區(qū)。智能住宅就是要實(shí)現(xiàn)住宅的智能化和低碳化，能量管理系統(tǒng)(EMS)是智能住宅的核心。根據(jù)對象和規(guī)模，其可以分為家庭能源管理系統(tǒng)、建筑能源管理系統(tǒng)和區(qū)域能源管理系統(tǒng)等，通過對分布式發(fā)電、用電和儲能等設(shè)備的統(tǒng)一管理和集中控制，達(dá)到最優(yōu)化用能的目的．智能住宅不是單項(xiàng)技術(shù)，而是跨領(lǐng)域多項(xiàng)技術(shù)的集成應(yīng)用，主要包括分布式光伏／風(fēng)力發(fā)電、智能電表、電動汽車／蓄電池、燃料電池、智能用電設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)和EMS等。
智能住宅是日本政府重點(diǎn)支持的產(chǎn)業(yè)。積水住宅、大阪燃?xì)夂碗娧b等企業(yè)都依托各自優(yōu)勢開展了應(yīng)用研究。日本福岡縣成立了智能住宅財團(tuán)，由來白能源、信息、電子、汽車和房地產(chǎn)等行業(yè)的30多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)組成，聯(lián)合開展了大量的智能住宅實(shí)驗(yàn)。
(5)其他技術(shù)。①超導(dǎo)技術(shù)研究取得新進(jìn)展。日本住友電氣工業(yè)的超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)先世界。2008年．住友電氣在美國紐約州鋪設(shè)了350 m超導(dǎo)電纜．2010年在日本也成功進(jìn)行了200 m超導(dǎo)直流輸電實(shí)驗(yàn)。此外，近期NEDO與古河電器T業(yè)研究團(tuán)隊(duì)已研制出新型超導(dǎo)電纜，工作環(huán)境約-200℃，輸送容量是以往超導(dǎo)電纜的2倍，輸電損耗是普通銅導(dǎo)線的1/4。該項(xiàng)技術(shù)已成功在中國沈陽古河電纜有限公司進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。②無線輸電技術(shù)實(shí)驗(yàn)取得新突破。無線輸電技術(shù)的最大關(guān)鍵是解決傳輸中的彌散和衰減問題。日本先后2次成功進(jìn)行了微波無線輸電的實(shí)驗(yàn)。一是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，將1.8 kW的電能以無線方式精準(zhǔn)傳輸?shù)?5 m外的接收裝置；二是i菱重工將10 kW電能轉(zhuǎn)換成微波點(diǎn)亮了500 m外的LED燈。未來，預(yù)計該技術(shù)可在太空太陽能發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電、電動汽車無線充電等領(lǐng)域應(yīng)用。
3.2標(biāo)準(zhǔn)制定
2010年1月，《智能電網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)化路線圖》正式對外發(fā)布。路線圖中確定了包括輸電系統(tǒng)廣域監(jiān)視控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)用蓄電池、配電網(wǎng)管理、需求側(cè)響應(yīng)、需求側(cè)用蓄電池、電動汽車、先進(jìn)測量裝置等七大重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域以及26個重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，作為日本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)國際化發(fā)展策略的重點(diǎn)工作，如圖3所示。
總體來看，一方面，日本在分布式電源發(fā)電、儲能電池和用戶側(cè)管理等技術(shù)成熟領(lǐng)域，開展了大量的應(yīng)用研究，并積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定，推動裝備出口；另一方面，在超導(dǎo)輸電、無線輸電等前瞻性技術(shù)領(lǐng)域，通過開展多方合作的方式．不斷提出新的理念、研發(fā)新技術(shù)，保持領(lǐng)先優(yōu)勢。
4示范工程建設(shè)情況
日本經(jīng)產(chǎn)省從2010年開始，在橫濱市、豐田市、京阪奈學(xué)研都市和北九州市分別開展了為期5年的智能電網(wǎng)示范工程，其概況如表1所示。工程由日本政府主導(dǎo)并部分出資，地方政府、企業(yè)團(tuán)體、研究機(jī)構(gòu)和高校廣泛合作參與。2010年工程總投資約100億日元，其中國家預(yù)算投資40億日元。截至2015年，4個項(xiàng)目已完成5年周期的建設(shè)。
(1)橫濱智慧城市項(xiàng)目。橫濱市于2015年6月14日舉辦了“橫濱智能城市項(xiàng)目(YSCP)論壇”，就為期5年的項(xiàng)目所作的努力向市民和企業(yè)進(jìn)行了匯報，．YSCP通過橫濱市與34家企業(yè)合作開展了15個項(xiàng)目。家庭能源管理系統(tǒng)(HEMS)有4 200戶家庭參加，安裝分布式太陽能光伏共3.7萬kW,電動汽車數(shù)量達(dá)到2 300輛，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目標(biāo)。在4個實(shí)證地區(qū)中，參與家庭能源管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的用戶是最多的．電力需求響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)取得重要成果，通過提供動態(tài)電價信息、激勵等手段，實(shí)現(xiàn)用電高峰時削峰20%, 700/0—80%的家庭都能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約電費(fèi)。
(2)豐田市低碳社會體系實(shí)證項(xiàng)曰。豐田市長宣布該項(xiàng)目已達(dá)到CO，減排的預(yù)期目標(biāo)，開展了以區(qū)域低碳化、電力需求響應(yīng)為目標(biāo)的能源信息管理系統(tǒng)( EDMS)實(shí)驗(yàn)，氫燃料電池汽車“MIRAI（未來）”順利投產(chǎn)，并提出了超小型EV共享服務(wù)的商業(yè)模式。此外，還建成了未來城市可視化基地“豐田Ecoful Town”，并對外開放，參觀者超過14萬人。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)，以智能住宅為主的新技術(shù)、系統(tǒng)、產(chǎn)品初步問世．并由企業(yè)繼續(xù)推進(jìn)商業(yè)化。
(3)京阪奈生態(tài)城市新一代能源、社會體系實(shí)證項(xiàng)目。該項(xiàng)目給參與實(shí)驗(yàn)的14戶用戶安裝家庭能源管理系統(tǒng)(HEMS)，對區(qū)域內(nèi)100輛電動汽車安裝了充電管理系統(tǒng)，并建立了區(qū)域能源管理系統(tǒng)(CEMS)，對兩者進(jìn)行協(xié)同控制，到達(dá)需求響應(yīng)、削峰填谷的目的。在2013年夏季，將負(fù)荷從2007年每人0.257 kW,削減42%，降至0.150 kW
（目標(biāo)0.100 kW），雖未達(dá)到但已接近目標(biāo)。
(4)北九州智能社區(qū)創(chuàng)造事業(yè)。2015年2月23日．北九州市在東京都內(nèi)召開了成果報告會。該實(shí)證中最有效的方法是“將能源、生活、業(yè)務(wù)體系等結(jié)構(gòu)‘分解’提供咨詢服務(wù)”，通過推進(jìn)該分解進(jìn)程，打破了“已經(jīng)足夠節(jié)能”的先人為主的思維方式，有助于進(jìn)一步提高節(jié)能意識與意愿。北九州市正在考慮將電力需求響應(yīng)和能量管理系統(tǒng)的實(shí)證成果與亞洲各國開展合作，使兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)保發(fā)展模式得到更大的推廣。
5結(jié)語
本文從發(fā)展政策、理論體系、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和示范工程建設(shè)情況4個維度，全面分析了近年來日本智能電網(wǎng)的發(fā)展情況。日本發(fā)展智能電網(wǎng)主要目的是解決分布式可再生能源的接入，提升電網(wǎng)抵御災(zāi)害的能力，并提高能源利用效率和降低能耗。值得注意的是，日本不僅十分注重新技術(shù)研發(fā)，還積極推動成熟技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定，為日本裝備出口海外、參與國際市場競爭營造有利條件。
中國智能電網(wǎng)已進(jìn)入全面建沒階段，建成了一大批智能電網(wǎng)示范T程，在智能變電站、智能電表、特高壓交直流輸電和柔性輸電等領(lǐng)域達(dá)到了世界先進(jìn)水平。未來應(yīng)進(jìn)一步加大技術(shù)研發(fā)投入，拓展優(yōu)勢領(lǐng)域；廣泛建立各類產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，營造有序的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境：探索建立靈活的電價機(jī)制，鼓勵智能電網(wǎng)商業(yè)模式創(chuàng)新；加快形成統(tǒng)一完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定，搶占海外市場。
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