德国智能电网现状-GIZ.pdf

1-1 德国智能电网现状 中德能源与能效合作伙伴 2 2 版本说明 《 德国智能电网现状 》 报告 概述德国智能电网目前适用的框架条件，探索可能对更多国家具有启发性的 成功理念和项目。 报告在中德能源与能效合作伙伴项目框架下发布。项目受德国联邦经济和气候保护部 （ BMWK）委托和资助，中国国家发展和改革委员会、国家能源局作为中方政府合作伙伴提供支持和指导。项 目旨在围绕能效提升和发展可再生能源，通过深入交流可持续能源系统发展相关的政策、最佳实践和技术知 识，推动高级别政府对话，企业与政府交流以及技术和政策法规层面交流，从而促进和推动两国能源转型， 助力实现气候目标。受德国联邦经济和能源部委托，德国国际合作机构（ GIZ）负责实施中德能源与能效合 作伙伴项目。 发 行 方： 中德能源与能效合作伙伴 受德国联邦经济和 气候保护部 （ BMWK）委托 北京市朝阳区亮马河南路 14 号 塔园外交办公楼 1-15 邮编： 100600 c/o 德国国际合作机构（ GIZ） Torsten Fritsche Köthener Str. 2 柏林 10963 项目主任： 尹玉霞 德国国际合作机构 报告管理和协调： 王昊 德国国际合作机构 作者 ： 卡捷琳娜 · 西莫 （ Katerina Simou）， 德国能源署 弗里德里克 · 泊杰 （ Friederike Berger）， 德国 能源署 安娜斯塔西亚 · 科姆莎科娃 （ Anastasiia Komshakova）， 德国能源署 图片来源 ： BMWK/Cover Shutterstock/ 454323052 (p.13) Shutterstock/ 1007325514 (p.25) 致 谢 ： 莱亚 -瓦莱斯卡 · 吉贝尔 （ Lea-Valeska Giebel）， 德国能源署 西蒙 · 戈斯 （ Simon Goess） 版面 设计 ： Edelman.ergo（ 受德国联邦经济和气候保护部的委 托 ） © 2022 年 8 月 本报告全文受版权保护。截至本研究报告发布前，德国国际合作机构和相关作者对出版物中所涉及的数据和 信息进行了仔细研究与核对，但不对其中所涉及内容及评论的正确性和完整性做。本报告仅代表作者的观 点，而不代表项目合作伙伴的观点，如有任何信息纰漏或错误，报告作者负全责。本出版物中涉及到的外部 网站发行方将对其网站相关内容负责，德国国际合作机构不对其内容承担任何责任。本文件中的观点陈述代 表委托方的意见 。 3 3 版本说明 .2 引言 .5 执行摘要 .6 1 智能电网在德国的兴起 7 1.1 去中心化 ——智能电网的驱动力 . 7 1.2 通过发展智能电网应对挑战 . 8 1.3 什么是智能电网？ . 9 1.4 信息通信技术的影响 . 10 2 德国智能电网的发展 12 2.1 观念的转变 ——智能电网的参与方 . 12 2.2 智能电网运营 . 14 2.3 配电网扩建与智能电网规划 . 17 2.4 电动车接入电网 . 18 2.5 数据的使用 . 19 3 德国智能电网的挑战与尝试 .20 3.1 技术挑战 . 20 3.2 监管挑战 . 20 3.3 运营挑战 . 21 3.4 相关研究和试点项目 . 21 4 德国的经验教训 - 智能电表的推广 .24 5 结论 .26 图片列表 .27 参考文献 .28 目录 5 5 近年来， 随着 大量分布式 可再生能源 接入电网， 德 国 传统 的电力系统在 确保 电力供给侧和需求侧 平衡 、 电 网稳定 方面面临 许多 挑战 。 随着 传统电厂运行时 长 的 减 少 ， 和 间歇性可再生能源 发电比例的提高 ， 德国 电力系 统的灵活性 亟待提高， 并通过 调整电力需求 来 匹配发电 量。 这样 的问题 复杂而又棘手， 而智能电网 是 潜在的解 决方案 。 智能电网的概念涵盖了 未来电力系统构成 中 的多个 要素 ， 包括灵活性、可靠性、安全性和 兼 容性。此外， 智能电网的核心是 能源供应的去中心化以及能源系统的 数字化转型 ，这也 是 推动德国能源转型的两个主要趋势。 同时， 智能电网使得 数据及电力的双向流动 成为可能 。 最近十年间， 德国 智能电网 发展 取得了一定进展。 新的数字化解决方案 ， 以及 通过 试点项目 获取 的经验， 是 德国 智能电网取得决定性突破 以及 发展 的 关键 因素。 德国新一届政府 承诺，要 确保能源转型 朝着 数字化 、 民主化和 可持续 方向 发展 。 实现 能源转型这一远大目标， 需要 智能电网 保驾护航 。 智能电网 可以 为消费者参与能源转型、电网 的高效 运行以及可再生能源进一步 并网和消纳 创造新的机会 。 为此， 智能电网 已经成为德国 能源领域 的热门话题 。智 能电网不仅 为 德国 在 严峻 挑战 下 实现 能源转型 这一 宏伟 目标 推波助澜 ，也成为解决全球气候问题的有效方案。 本报告 旨在概述德国智能电网目前适用的框架条件， 探索能够启发更多国家的成功理念和项目 。报告 在中德 能源与能效合作伙伴的框架下 ，由 德国国际合作机构 （ GIZ）委托 德国能源署（ dena） 编制 。 包括智能电网在内的高比例可再生能源 电力系统灵 活性一直是德国联邦经济和气候保护部、国家能源局指 导的中德能源工作组框架下中德能源合作的重要议题之 一。过去几年， GIZ 联合其他中德合作伙伴，围绕德国 电力系统灵活性的发展经验和最佳实践及其对中国发展 高比例可再生能源电力系统的参考意义，不断拓宽和深 化该议题下的中德合作，开展交流研讨、联合编制政策 研究报告。在中德能源与能效合作伙伴 ， 陆续发布了 《德国虚拟电厂的商业模式》 、 《 山西电力系统灵活性 与虚拟电厂 》、《 德国电力行业的供应安全：挑战与措 施简述 》 等报告。在深化各项研究的同时， GIZ 未来还 计划从实践层面出发， 以区域为重点，进一步推动电力 系统灵活性相关的中德合作示范，助力中国在双碳目标 下向以可再生能源为主体的新型电力系统的快速、稳步 转型。 编者 引言 6 6 随着 可再生能源的进一步 发展 ， 德国电力系统发生 了 根本性的转变 ，为此， 电网 需要相应的 扩 建 、 电力 系 统灵活性 需要进一步提升 ，且 电力系统要 实现双向 流动 等 。这 样的趋势 促成了 电网运营 的 转变 ， 主要 体现在对 分布式 发电资源 的协调 以及 对 包括电动车、热泵、产消 者和分布式电池等 诸 多新的灵活性电力 资源的整合 。 在 智能电网 的框架内， 电厂、电网、供给侧和消费者 都 要 发挥其灵活性 ，且需要 先进的信息与通信技术 来 确保网 络管理 的智能化 。 本报告 将 智能电网定义 为 ： 通过信息与通信技术 ， 对 其组成 部分进行动态控制 ，能 实现数据和电力双向流 动 的， 数字化、去中心化的能源系统 。 研究表明 ，智能电网会 形成 额外的 驱动力 ， 并 对不 同 的利益相关 方产生影响。尤其是配电系统运营商 （ DSO） ， 未来 必须 加强 与 输电系统运营商（ TSO）之间 以及消费者与能源生产商之间的协调 ，向 符合 智能电网 发展 的趋势 转 型， 以面对 越来越复杂的挑战。 智能电表和数字化基础设施可以支撑并改善 需求侧 管理 ，以应对 电动车 需求的快速增长 。 且 为了实现能源 转型的全面数字化， 需要 高度重视智能电表的应用。 通 过智能电表实现的 数字化 ， 可以提供负荷 侧 及发电侧数 据的访问权， 为 系统运营商 指导 及监督电网 运行 提供 支 持 。 电网 扩 建 成本高昂，已经引发了 德国 公众的广泛 讨 论 ， 而智能电网 的发展可以 减少 电网扩 建 。智能电网 可 以 智能化管理 可控负荷， 提升 现有电力基础设施的 效率 ， 降低电网扩 建 的需求。 为确保 智能电网进一步发展 ， 近 期 亟需解决 的问题包括： 电力系统新型分布式资源的接 入与 电网 可用 容量、电压与电流间的相位差 问题 和 电动 汽车 对电网的挑战 。通过 提升 智能电网 的 使用效力 ，促 进 电力系统中 比重与日俱增的可再生能源与分布式负荷 的 发展 ， 能有效 减少 电网 扩 建需求 。 要通过 智能电网 统筹协调 改进 分布 式能源 发电 与消 纳 的问题 ， 须 满足技术、监管及运营方面的众多先决条 件。德国 也并非尽善尽美， 目前像 电网 运营数字化 和 电 价信号 的问题尚在解决中， 电网 费用改革 需要 进行评估 ， 而 人工智能 在电网运营中 的 应用 还待完善 。 过去 几年 ，在配电系统运营商及相关部委的积极推 动下， 智能电网 试点项目发展迅猛。报告 介绍了 “智慧 能源展示计划”项目以及 NETZlabor Sonderbuch 和 flexQgrid 项目 ， 的 相关成果。 这些 项目 检验 了新的理 念 ，也 为智能电网在更大范围内的应用 奠定了基础 。 通过全面 审视 德国智能电网 的 最新发展， 报告 提出 了在国家 层面推广智能电网 的可行性，为推动 智能电网 相关研究 ，改善 智能电网的 技术、监管和运营提供 了 进 一步的 思路 。 执行摘要 7 7 1.1 去中心化 ——智能电网的驱动力 过去几十年间 ， 在能源系统去中心化需求的驱动下， 德国 发起了能源供应的 根本性 变革 ，引进了 以 风能和太 阳能光伏 为主的 大量可变可再生能源。能源转型 启动后 ， 成为 德国 公众讨论及政治辩论的 热点 。 尽管目前 已经 进 入 能源转型 末 期 ， 要确保 转型 成功， 仍需 采取多种措施， 付出巨大的努力 。 德国 新一届 政府提出了 更具雄心 的 能源转型目标， 其中 最重要的 两个 趋势 是 ： 可再生能源 发展和 提 高 电力 使用 效率 ， 降低 一次能源消费。 由于 其他部门（工业、 供热和交通）的大规模电气化 ， 电力需求在短时间内 的 急剧增长 的情况 屡见不鲜 。为了满足 电力需求的 增长、 取代基于化石燃料的发电，必须 大规模发展 可再生能源。 1未来几年， 德国 能源转型的目标包括： • 到 2030 年可再生能源在电力需求中占比 80% o 到 2030 年海上风电 达 到 30 吉瓦（截至 2021 年的总装机容量 为 8 吉瓦），陆上风电 达 到 115 吉瓦（截至 2021 年的总装机容量： 56 吉 瓦） o 到 2030 年光伏（ PV）装机容量达到 215 吉 瓦 （截至 2021年的光伏总装机容量 为 59吉 瓦） o 到 2030 年德国的电解槽装机容量达到 10 吉 瓦 • 到 2050 年一次能源消费比 2008 年下降 50% 电力系统 要 始终维持 供需 平衡 。 随着可再生能源在 发电结构中所占比重的不断提高，维持供需平衡遇到了 新的挑战 ，且 电力 供需 关系也发生了变化 。以前 ， 德国 的 供电系统是 按需发电 。不同的传统电厂 不仅能 有效地 满足基础负荷 ，也能应对 任何需求峰值， 从而 保障 供需 平衡，确保电网稳定。 而 可再生能源发电 的 高 可变性和 不确定性 使 电力系统 的 运行 更为 复杂， 必须 相应提高系 统灵活性，并在一定程度上调整电力需求以适应发电量。 此外， 电力 系统 已不再只是单向流动：私人家庭安 装了 屋顶 光伏系统，有些公司甚至配备了热电联产机组 或者燃料电池。 2截至 2020 年，德国已经有超过 170 万 套 分布 式发电装置，将风能、太阳能或者生物质 能提供 的绿色电力 接 入电网。如图 1 所示， 90%以上的 分布式 发电 装置 接入了配电网， 这 为网络运营商 带来 了新的挑 战。 3这些小规模分 布 式发电商积极参与市场， 并 加入 需求侧响应。 在德国， 170 万千米的配电网络 将 发电厂 、 家庭和企业 紧密 联系起来 。 4 1 德国联邦经济和气候保护部（ Ziele der Energiewende） 2 E.ON（ 2022） 3 Maaßen（ 2019） 4 德国联邦经济和气候保护部（ Das deutsche Strom-Verteilernetz） 1 智能电网在德国的兴起 过去 几 年，可再生能源 在德国的能源供应体系中 稳步 推进 。在 能源转型的同时 要面对 一系列新的挑战。可再生能 源生产依赖 天气 ， 与此同时，与日俱增的 分 布 式 发电 机组发挥着 越来越 重要 的 作用。 大量 新负荷接入电网 ， 尤其是在 低电压水平上 接入电网 。 在此背景下， 能源系统的 各 部分 都 需要智能化地连接 与 协调 ， 发展 智能电网 成为 一条 必由之 径 。 图 1：太阳能 发电 装机容量，按电压水平列示（ 2019） 8 8 来源：德国联邦网络局 5 综上所述， 配电网目前正在发生前所未有的能源转 型。 且 电动车、部门耦合、储能等 对配电网产生直接 且 巨大 影响的 消费 侧 ， 尚未被考虑在内 。 6 新 型电力 消费 者（例如电动车、热泵、产消者、 分布式 电池系统）的 崛起 ，需要更进一步的 部门耦合 ，尤其 是交通和供热与 电力的耦合。 以上这 些 都 会 对 德国众多配电系统运营商 （ DSO） 产生 影响 ， 也可能 导致相应的电网扩 建 。 低电压水平的新负荷未来会越来越多，但 配电系统 运营商 并不清楚 消费者的行为 将 如何演变。未来，通过 新的业务模型，消费者 可以 在 有大量光伏发电或风电 接 入电网的 超低电价时段 用电。 7且 在 低价时段 ，消费者 可以 在用电的同时 进行 充电，导致负荷的同步增长 ， 对 电力系统 产生影响 。 德国的 目标是 采取安全、快速且高 效的方式， 整合 电网中 新的灵活 的 消费者 。 德国 正 致力于 打造气候中和的 能源系统， 而智能电 网 可以 确保 电力系统 不会 逆 趋势 发展 ，智能电网是解决 供需两侧 日益复杂 情况 的 关键。 1.2 通过 发展 智能电网 应对 挑战 5 联邦网络局（ 配电 网络状况和扩 建情况 报告） 6 Verband komunnaler Unernehmen e.V.（ 2022） 7在德国，生产者和消费者的角色越来越朝着产消者和灵活消费者的方向转变。消费者能够在可再生能源发电期间用能，也有购买或者提供能量的选 择权。 德国 为什么必须推行智能电网？哪些因素促成了智 能电网的出现？ 德国智能电网发展的驱动力总结如下： 1. 电网中 可再生能源 比例 的不断提高 2. 新（灵活）负荷 接入电网 3. 产消者提供灵活性 获得的利益 4. 为确保供应安全和电网稳定性的灵活性需求 5. 将电网扩 建 需求降至最低 分 布 式机组 数量不断增长 ，要把它们 成功且高效地 接入 电网，同时 又 确保稳定的电力供应、减少电网的扩 建 ，智能电网是必不可少的工具。 电网扩建 在德国引发 了很多讨论：即通过使用智能解决方案， 采取 创新的商 业及技术解决方案 ， 精简系统运营 ，优化 市场设计 可以 最大限度地避免 电网扩 建 。 随着 新的 参与 方 和流程 的出 现 ， 电网运营 更为复杂。 为了 更进一步 推动能源转型， 迫切需要部署 信息与通信 技术（ ICT）。 EHV 0% EHV/HV 0% HV 5% HV/MV 2% MV 36% MV/LV 3% LV 54% *缩写 - 低压 (LV); - 中压 (MV); - 高压 (HV); - 特高压 (EHV) 9 9 成熟的 智能电网能提高 电力 系统中可再生能源的比 重 、 供应安全与系统效率 、以及 较小 规模参与方 对能源 转型的 接纳和 参与 度 以推动 技术的发展。 1.3 什么是智能电网？ 2013 年 ， 德国政府“ E-能源 —— 基于信息通信技 术的未来能源系统”资助倡议框架下的活动 是 德国 智能 电网 的起源 。此资助倡议第一次将智能电网的理念与数 字化能源系统的理念联系在一起。 8确定智能电网的定 义 不难 ，但要用几句话总结出智能电网的全部组成部分 却并非易事 。 在 智能电网 理念发展的初期 ， 德国联邦网 络局（ BNetzA）提出了最初的定义： “ 采用 通信、计量、控制、监管和自动化技术以及 信息技术组件 升级 传统电网后，传统电网就会变成智能 电网 。” 9 从这一 定义 中 可以看出， 信息通信技术 是 应对能源 转型造成的电网巨大变化 的关键 。但 此后 ， 随着新 情况 的出现 ， 德国 更新了 智能电网 的定义 ： “ 当电网内 存在 信息交流 ， 并可藉此对电力的 生产 、 消费和储存进行动态控制，电网就变得智能 。” 10 此外，智能电网是 一种实现电力和数据双向流动的 电网网络 […… ]具有自我治愈能力，能够让消费者成为 主动参与者 。 11 从上述定义中可以得出：智能电网 指的是 存在一个 数字化、去中心化的能源系统， 此系统可 实现数据和电 力的双向流动，通过信息与通信技术的使用对不同的组 成部分进行动态控制。 本报告 援引 此定义 作为 分析依据。 8 Schütz 和 Uslar（ 2022） 9 德国联邦网络局（“智能电网”和“智能市场”） 10 同上。 11 i-SCOOP（ 2022） 10 10 1.4 信息通信技术的影响 去中心化的新 情况 给电网运营 带来 了 新 的 挑战 。电 流的精确计量、控制和自动化是解决这些问题的关键。 12目前 ， 迫切需要 在配电网中应用创新 的 信息通信技术 ， 将配电网 打造 为智能电网。 数字化是分 布 式能源转型的重要组成部分。 根据德 国信息产业、电信和新媒体协会（ BITKOM）的一项研 究，通过加速数字化，到 2030 年，能源部门的二氧化 碳当量（ CO2e）排放可以减少 2300 万 吨。 13数字化的 核心是收集及处理数据 ， 并在数据处理和交换的基础上 改进现有解决方案 。 以此， 将生产者、消费者、储能设 施、产消者和灵活消费者联系在一起， 并 通过自动化流 程，对 参与 方 进行 实时控制和协调。 数字化及安全 通过 数字化 ，可在 城市和社区等层面 实现对 市场参 与者的监测和控制。新的 参与 方和角色 的出现使情况变 得更加复杂 ，但高效且全面的数字化 能够 以稳健的方式 ， 持续改进能源系统的 设计和控制。 可用 的智能及远程维 护软件也越来越多，结合人工智能使用，电厂及设备维 护 的 实时数据分析 会变得更加简单、更加快速 。 14 在能源转型的过程中 要重视 数据在确保供应安全方 面的重要性。 奠定 高质量 的 数据 基础 是 把握 数字化 发展 机会和可能性 的 先决条件 。 同时， 数字化 安全属于 基础设施问题 ，要由 国家承 担责任 进行 全面的监管 ，以避免由于 数字化水平提高 而 招致的 网络攻击 。 网络攻击 德国通过“关键基础设施保护计划”（ KRITIS）， 监管重要的关键基础设施 。 这些 基础设施的故障或者损 坏会导致持续的供应瓶颈 ， 严重扰乱公共安全或者造成 其他严重后果。 15能源以及信息技术和电信部门 存在 关 键基础设施 ，且 它们遭遇的外部威胁也 将 越来越多。 12 Flore and Gómez（ 2020） 13 信息产业、电信和新媒体协会（未注明日期） 14 Franceschelli（ 2022） 15 Next Kraftwerke GmbH（ 2022） 为此， 在关键基础设施立法中 应 特别 强调信息安全 的高优先级。 16在能源部门 “ 关键基础设施保护计划 ” （ KRITIS）的背景下，有多项 法律和规范 与信息技术安 全 息息相关 。尤其是网络与信息安全（ NIS）指令 ，这 是加强欧洲网络安全的重要法律文书。 2015 年 7 月德 国出台 了 《信息技术安全 法 》，努力 加强 信息技术安全。 该法 要求关键基础设施运营商根据技术发展最新水平 加 强 信息技术安全， 若发生 重大信息技术安全事故 ，须 向 德国联邦信息安全局（ BSI）报告。 智能合同 智能合同是 自动化的高效控制流程，适用于 大量分 布 式、可变 的 发 电和 用电 设备 共存 的能源系统。 智能合 同是“转化为程序代码的合同”，大量反复发生、以标 准化形式运行的过程 尤其适合使用此种合同 。 智能合同 并非 法律意义上的合同，而是可以自动执 行合同条款的交易协议。随着可再生能源 的发展 ， 电网 运营越来越复杂，智能合同及区块链技术的结合可以简 化 这些 过程。智能合同 可以 提高分 布 式能源转型的速度 和质量，降低交易成本，促成新的业务模型。原则上， 在能源行业的整个价值链中都可以应用智能合同，例如 来源保证书和证明、电动车辆的智能充电、灵活性交易 或者本地的点对点能源交易。 早在 2019 年，德国政府就宣布创设智能合同登记 簿。 17智能合同登记簿的主要目标包括以下内容： • 促成此主题方面的交流和网络化 • 打造使用案例的开放度和透明度 • 提供及讨论智能合同的描述 • 以代码形式提供智能合同 • 探索审计及认证选择 • 检查与现有软件解决方案的整合 人工智能 算法以及人工智能的使用具有巨大的潜力。 在 能源 行业 中， 其 最重要 的 用途 是识别数据模式 ， 协调及优化 16 同上。 17 德国能源署也开发了智能合同登记簿的理念。通过以下链接可以获 取更多信息： https://future-energy-lab.de/projects/smart- contract-register/ 11 11 能源系统以适应 并管理 可再生能源和分布式 比重不断提 升的能源系统。 人工智能可以优化 电网， 将 可再生能源 高效地 接入 电网，为积极自主的配电系统提供支持，为需求侧灵活 性开辟新的收入流。人工智能也有可能加速高性能材料 的 探索 ，从而为下一代的清洁能源和储能技术提供支持。 人工智能在能源部门的应用依然非常有限， 目前 主 要是部署在 预见性资产维护的 试点项目中。 18要了解关 于此主题的更多信息，请参考本报告子章节 3.1。 18世界经济论坛（ 2021） 12 12 2.1 观念的转变 ——智能电网的 参与 方 配电系统 运营商 德国的 能源系统更加 去中心化 ， 因此 配电系统运营 商 必须 承担起新的角色和责任。 由于 可再生能源发电的 可变性，在一天内，配电网内的负荷流动方向 会 发生多 次变化。为了确保电网 的安全运行，满足 电流 及 电压的 运行参数，配电系统运营商必须越来越多地应用无功功 率及电网堵塞管理。 根据图 2， 近 些 年 ， 德国 配电系统运营商 必须 承担 的一项新责任是 对 配电网络 进行 系统 化 管理。之前“ 采 取 措施支持上游网络运营商”的角色意味着只有大型发 电厂才 能 直接接入输电网，而配电系统运营商须“自上 而下”地将电力传输给消费者。 19但是，随着传统电厂 的逐步退役及小型分 布 式发电的崛起， 这种 历史角色的 定义 已经过时 。 19 AHK Stockholm（ 2022） 图 2 还 展示了配电系统运营商的另一个重要角色， 即“计量点运营商和网关管理者”。在智能电网内，各 个 参与 方之间负荷及 上网 数据（即计量数据）的转移对 精确预测至关重要，而精确预测 的目的在 于计费和 系统 平衡。智能电网的发展（同时参见 第 4 章 ）是实现此目 的的必要条件 。 配电系统运营商承担了计量点操作者以 及智能电表门户管理员的角色，为大量市场及运营过程 提供必要 的 计量数据。 20当然，随着产消者数量的增长， 会对计量点的操作提出新的需求，因此配电系统运营商 的角色也 会不断演变。这意味着在未来，配电系统运营 商不仅仅是其电力网络的运营商，也是信息通信技术基 础设施的运营商。 实现了 配电网的智能化 ，才能 披露电 网内较低电压电流的实际流动。对很多配电系统运营商 来说，特定时间点的实际电网特征仍然是未知的。 20 同上 。 2 德国智能电网 的 发展 智能电网的 作用 是提高 电网 运营 的 智能化和灵活性。智能电网发挥作用有几个前提条件， 即 其发展演变必须匹配 新的市场角色、过程、挑战和创新理念。过去几年间， 这些前提条件发生了重大变化，且未来会继续变化 ， 以 确保德 国 去中心化程度 不断提高的能源转型取得成功。 13 13 图 2：配电系统运营商角色的演变 来源：德国联邦能源和水资源协会（ BDEW） 输电和配电系统运营商之间的协调 随着配电系统运营商角色的转变， 配电系统运营商 和输电系统运营商（ TSOs）之间的协调将变得更加重 要。 配电系统运营商不再只是分配输电系统运营商提供 的电力 ， 而是 更侧重在 调节 ， 及 与输电系统运营商配合 管理 电力 流 向 和灵活性。 平衡是明确须由输电系统运营商承担的任务，但输 电系统运营商和配电系统运营商都要负责避免其各自电 网内的网络堵塞，保障整体的系统稳定性。为了让每一 网络运营商都能确保其自身网络的稳定性，临近、上游 或下游网络不得有任何未经协调的干预（梯级原则）。 21每一配电系统运营商都 有 义务积极 维护 整体系统稳定 性，不论其网络的规模或者 布局 如何。与输电系统运营 商类似，配电系统运营商也将演变成“系统管理者”， 利用其电 网中的可用智能和灵活性 资源 ，确保运行 安全 。 21 德国联邦能源和水资源协会 （ Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.）（ 2016） 在高 比例 可再生能源 接 入的区域，越来越多的配电系统 运营商正在履行这一职责。 22 去中心 化的趋势还会 继 续，因此，必须 改变 输电系 统运营商与配电系统运营商之间的交互方式。欧洲输电 系统运营商网络（ ENTSO-E）制定了促进 双方 交互的理 念 ， 这些理念也已经成为德国 讨论 的主题。 为了促进输配网络运营之间更紧密的融合，各种组 织结构已落实到位。欧洲层面 出台 的 “欧洲输电系统运 营商网络网络守则”，规定了输电系统运营商和配电系 统运营商之间要交流 的 协议 类型 ， 并针对 较低水平 的 网 络及分 布 式能源设备 ， 提出 了 可观察性和可控性的要求。 智能电网 中 不同系统组件之间 的 信息交流 ， 会产生 大量 的数据流动。该网络守则建立了系统运营必需数据的基 本框架。输电系统运营商和配电系统运营商共同确定它 们各自须得 到的 信息、信息的质量和所有权以及如何最 终确保保密性和透明性。 23此外，德国正在逐步落实欧 盟指令 2017/1485号“系统运营指导方针”。此指令针 22 Verband kommunaler Unternehmen e.V. （ 2018） 23 欧洲输电系统运营商网络 （ 2015） 14 14 对输电系统运营商、配电系统运营商以及其他重大电网 用户之间的信息和数据交流建立了一个协调的框架。 总的来说，配电系统运营商与上游输电系统运营商 之间的关系不断变化，配电系统运营商 要 承担起更多责 任，对系统稳定性做出更大的贡献。 为了 确保整体系统 的稳定性 ， 配电系统运营商要为输电系统运营商提供越 来越多的支持，即 执行 堵塞管理以及电压和频率控制。 产消者 产消者是电网 中 新 的参与 者。欧盟有意加强产消者 的地位，尤其是家庭 产消者 ，这种新的 参与 方将在智能 电网中发挥至关重要的作用 。 但 个体产消者 也 极 具依赖 性， 只有 通过智能解决方案， 它们 才能成为系统的一部 分。 当 储 能成为灵活、脱碳化智能电网的一个重要组成 部分时，产消者 就 能为供应安全做出 更 大的贡献。 家用 储能设备或电动车也有助于 电力不足 时 段的高 用电 需求。 24 德国 拥有 欧洲最大的 户 用小型电池市场。 根据德国 储能系统协会（ BVES）的 数据 ，在 2022 年 4 月， 德国 户用 电池系统的装机数量达到 50 万 ，装机容量超过 2.5 吉瓦，相当于两个核电厂的容量。 25自 2020年引进新的 招投标细分市场以来， 德国不断 推动创新， 鼓励 安装 配 有电池储能设备的太阳能光伏项目， 以帮 助稳定电力系 统。 这些 创新招投标已取得成效，获得补贴的个体光伏 发电 -储能结合体已经投入运营。 26 此外，电池往往也 可以配合 屋顶光伏发电系统使用 。 家庭自身 无法 即时用掉 的 发电量 可以 进行短期储存 ， 提 高自给自足率，减少 使用 源自电网的电力。消费者 储电 的动力 一方面 是因为电价 高， 另一方面是因为 电池及光 伏系统的成本以及光伏发电 接入 公共电网的 收 入 都在下 降。因此， 有了 电池 储电，就 可以 在 没有光伏发电或者 没有足够光伏发电的时段 继续供电 。 但是， 这需要 有足 够的单独、小型光伏系统的运营商参与 上网 ，才能让系 统平衡发生变化。 这种方式 对电池的所有者具有经济吸引，但 它对电 力 系统 却没有 任何 助益 。 当前激励措施 的 主要 目的是 让 自我消费量 最大化 ，并不 是 鼓励向供电网提供服务。电 24 同上。 25 Bundesverband Energiespeicher Systeme e. V.（ 2022） 力的自我 消纳 不一定 有利于 电网 运行 ，也可能对电力 上 网的可预测性产生负面影响。德国联邦网络局 （ BNetzA） 指出 ， 将 自发电量全部 上 网 会 有助于优化 对 接入 电网电量的预测。如果产消者 自行 消纳 自身生产 的电力， 其 行为就变得无法预测 ，这 会增加 对 平衡能源 的 需求。 因此，从 对 系统 最优 的角度来看，还必须推动 产消 者 生产的 电力全部 上 网 ，并 在智能电网的架构内，产消 者对 电价信号 做出回应， 聚合需求 ， 实现利益的最大化 。 聚合商 如前文所述，自给自足和需求聚合 并行 将成为消费 者为提高电力系统灵活性做出贡献、参与市场的主要机 制。但是，只有采用先进的技术通信 、实现 负荷计量的 数字化，才可能实现聚合和市场参与。聚合商不仅与产 消者有密切关联，也在供应侧 发挥作用 ，它们将变得越 来越重要。 聚合商往往指的是虚拟电厂（ VPP） ，即 整合了大 量小型能源设备 的 分布式 能源系统，例如太阳能和风能 设备、热电联产以及燃料电池或者电泵和电动车 等 。虚 拟电厂 对 各种 不同的发耗电设备 进行统一的 能源监测。 27 组建所谓的商业虚拟电厂（ CVPP） 是为了 加入能 源市场 。本身配备了发电设备的家庭和企业可以 通过 商业虚拟电厂，主动 参与电力交易。 众多 小型电力产 销者 接入 商业虚拟电厂 ，可以 动态抵消生产波动 。 近 年来，这种 商业模式在德国取得了长足的 发展 。 2.2 智能电网运营 德国引进了能源信息网络以及网络信号灯理念 促辅 助电网运营 。前者 有利于 电网和电厂运营商之间的数据 交流。 后者是采用 智能技术监测 并 控制电网内所有电厂 和 状况 的基础 ，信号的的意义 为： • “绿灯相位”意味着基于预测值 ， 预计不 会出现 任 何瓶颈 —— 不 需 采取 限制措施，系统可以 平稳 运行。 • “黄灯相位” 意味着， 预测表明若不采取预防性措 施，就会 立即 出现瓶颈。 此情况下，要 调整电网连 26 ZfK（ 2022） 27 Cambridge（ 2018） 15 15 接点上的电力流动 ，但须 避免电网运营商直接干预 —— 直接干预 则 意味着交通灯变成“红色”。 • 在“红灯相位”下，系统会实时做出自动反应，进 行干预，快速且安全 消除出现 的任何瓶颈。此种反 应是基于是实际计量。 28 在黄色相位下，自由电网容量也可以通过基于区块 链的二级市场，进行自动交易。 29德国南部配电系统运 营商 Netze BW 最近 协调 开展了一个名为 flexQgri 的 项 目，进一步发展了信号灯理念。 30 为了满足日益增长的信息需求， 德国 对 再调度规则 进行 监管改革。根据德国联邦网络局（ BNetzA）的定 义，再调度指的是干预发电厂的发电产量，以避免特定 电力线路段发生过载。 31“再调度 2.0”改革 囊括了 所有 发电设备（低至 100 千瓦），将 其全部 纳入到再调度计 划中。这些较小型的机组 接入 配电网 之后 ，配电系统运 营商 就必须 监督并控制其 最终 发电量。 “再调度 2.0” 生效前， 再调度措施只适用于基于输电系统运营商要求 落实 这些 措施的传统电厂（最低装机功率 10 兆瓦）。 目前，可再生能源和热电联产发电厂（最低装机功率 100 千瓦）也参与再调度，配电系统运营商也 在再调度 中发挥作用。 智能 电表 基于天气、能源市场及人类行为相关数据 对 电力需 求 所做 的精确预测 ， 在智能电网 中对其 网络运营商 很有 帮助。 在得知用电需求，尤其是 峰值需求 后 ， 网络运营 商 可以采取 相应的 行动 ， 确保稳定的能源供应。 2015 年， 德国 颁 布 了 《 能源转型数字化法 》 （ GDEW） ，提出 智能电表 的使用 ，并要求到 2017 年 起 开始强制 使用智能电表， 且 到 2032 年， 德国 所有电 表都必须是数字式电表。智能电表实时记录电量 消费 ， 并 发送 给负责的市场参与者。 32 德国能源署最新 的 试点研究 提出了 可靠数据基础设 施 的 三个组成部分 ，即 数据收集的基础设施、数据传输 的基础设施以及数据储存的基础设施。 33每个组成部分 都必须 提供严格的数据保护，确保 其单独使用或 与其他 部分交互时的 数据和信息技术安全。 28 Netze BW GmbH（ 2022） 29 Greenhouse Media GmbH（ 2021） 30 AHK Stockholm（ 2022） 31 再调度（ Bundesnetzagentur） 德国 将 智能计量系统（ iMSys）作为可靠的智能电 网数据基础设施的核心组成部分 给予大力发展 。根据 《 能源转型数字化 法 》 ，智能计量系统 中的 “现代计量 装置”（ mMe）通过“智能电表网关”（ SMGW）与 通信网络连接。智能电表网关 的作用 是 将电表 以及 灵活 发 用 电 设备 接入 智能电网。 34 现代计量装置收集能源行业相关数据，而智能电表 网关控制稳定的数据传输和数据储存。未来智能电表网 关 将用来 控制发电设备 与 负荷。作为核心通信设备，智 能电表网关能够让消费者和产消者 自主选择、 主动参与 市场沟通。因此， 参与 者对可再生能源的消费或 接 入 可 能产生 更大的影响， 并 能更好地控制 此过程中产生的数 据。 智能电表 提供了越来越多的 可用数据，为 接 入及消 费预测提供了可靠的依 据。未来， 基于 这些 数据 以及 分 布 式发电机组的 接 入量预测，可以 实现 自动电网控制。 从数据驱动的角度来看，智能电表网关的发展 考虑 到能 源转型的分散性 ，尽量将 数据 的处理 在本地 完成 ， 只有在必要的情况下 ， 才 直接发送给相应的市场参与者。 除了智能电表网关以外，能源转型的数字化要求采 用快速、安全且具有成本效益的传输路径。但是， 由于 存在安全风险， 不论是有线通信网络还是商业移动网络， 都不适合连接智能电表网关。 采用 450 兆赫 的通 信 频段 可以 解决这一问题， 在这一 频段 下 可以在 防止停电的情 况下实现基础设施的数字化 ， 满足 能源网络的智