胡波，周意诚，杨方，白翠粉，何博
（1．国网能源研3院，北京 102209；2．日本富士通，东京 105-7123）
摘要：经历“3-11”大地震之后，日本智能电网发展思路进行了优化和提升。梳理总结了近年来日本出台的智能电网各项政策和规划，并从定义、形态功能和发展重点等角度，刻画出了日本人所理解的智能电网，重点分析了日本在新能源发电、储能电池、智能住宅等关键领域的技术进展、标准制定和工程建设情况。
关键词：日本：智能电网：政策；技术：标准
0引言
在经历“3 - 11”大地震后，核电的大面积关停导致日本夏季高峰多地出现计划性限电，民众对电力基础设施建设关注更多。日本政府和整个电力行业也都开始重新审视日本智能电网该如何发展，对于电力市场自由化、新能源固定价格采购制度的争论和关注也日益增多。
早先日本提出的智能电网理念，着重强调进一步全面提升电网信息化、智能化和互动化水平，积极接纳分布式电源和电动汽车等新型负荷。经历“3 - 11”大地震之后，日本智能电网理念从功能形态、发展重点得到进一步优化和提升。同时，为了重振日本电力行业的同际领先地位，日本政府牵头成立了包括智能社区联盟在内的多个行业联盟，推动包括新能源发电技术、储能技术、电动汽车技术、电力路由器等在内的智能电网技术发展和国际标准化实施，并开展了多个智能电网示范工程。
中国智能电网发展较快，在理念、技术、装备和标准方面都取得了丰硕成果，带动了上下游产业发展。掌握日本智能电网相关政策、发展战略和技术优势等，对中国提升智能电网发展理念、技术和装备水平具有重要参考价值。
1 相关政策体系和产业规划
日本智能电网的政策体系可分为战略与规划、法律、实施与推进3类，主要政策都由经济产业省（以下简称经产省）发布，部分经内阁和参议院审议后形成法律生效，如图1所示。
日本拥有丰富的光资源，政府一直出台各项政策鼓励光伏发展，、2009年，日本开始实施《太阳能发电同定价格收购制度》，并于2012年将全额采购的范围扩大到其他可再生能源，以鼓励其发展。2014年内阁通过了《能源基本计划》草案，将核电定位为“保障日本能源稳定供应的重要基础能源”的同时，也明确了加速可再生能源的利用．将其作为未来实现能源本土化供应的重要手段。日本内阁通过《电气事业法》修正案，设立了“广域系统运行协调机构”，旨在监督全同电力交换计划，协调电力供需，确保紧急情况下的稳定供电．这也有益于实现可再生能源在日本全国范围内跨区消纳。
2015年，日本经产省提出可再生能源（光伏、风力、水力、生物质和地热）消纳量2030年达到21%的目标，可再生能源还享有规划和调度优先权。按照这一估算，预计光伏发电的装机容量将达到6 141万kW,发电量约700亿kW -h．在电力能源构成中占到7 %。
日本十分重视开拓国际智能电网市场．凭借技术优势，参与国际市场竞争。在经产省主导下，成立了智能社区联盟，共有东芝、东京电力、丰田、松下、日立等知名企业在内的741家企业和团体参加，联盟成立了国际战略、国际标准化、规划、智能住宅4个工作组，意在积极关注国际智能电网动向，推进国际标准化，掌握市场主导权。
2智能电网理论体系
2010年1月，日本经产省下设的“新能源国际标准化研究会”发布《智能电网同际标准化路线图》，对智能电网进行了首次定义。201 1年6月．在第13次“新时代能源·社会系统研讨会”上，日本正式提出了“日本版智能电网”，在原有中远期智能电网规划日标的基础上．进一步提出了智能社区的近期建设日标．并首次给出了智能电网完整的体系化发展理念。
2.1 智能电网定义
智能电网是在传统的集巾式电源和输配电系统一体化运行基础上，通过信息通信技术．整合利用光伏等分布式电源和用户侧的信息．实现高效、优质、高可靠供电的新一代电力系统。
2,2 电网形态功能
日本提出了智能电网的3层体系架构，包括国家、区域和家庭3个层而，各层具有不同的功能定位，如图2所示。家庭和建筑层面包括智能住宅、零能耗建筑、蓄电池、电动汽车(EV)等元素，实现能源高效利用、减少排放；区域层面是通过区域能量管理系统，保证区域电力系统稳定，并依托先进通信及控制技术实现供需平衡：国家层面则是构筑坚强的输配电网络．实现大规模可再生能源的灵活接入。
2.3发展重点
(1)光伏等分布式可再生能源接入配电网。日本新能源产业技术综合开发机构( NEDO)发布《太阳能发电规划图( PV2030+)》，到2020年，太阳能发电成本下降至14日元/(kW-h)，转化效率提升至20%．分布式光伏安装户数达530万户，总装机容量约2 800万kW。
(2)电力系统从集中控制转变为分布式控制。改变原有集中控制、能源单向传输的运行模式，建立能够满足新能源接入的分布式控制系统。
(3)建立能抵御灾害的坚强电网。通过接人大规模可再生能源，利用信息技术和储能技术．维持区域供电平衡，保证电网在灾害期满足区域供电需求。
(4)建立新的能源信息传输系统。实现用电信息智能化管理．实现提高能源利用率和节电的目标。
(5)通过建设“智能社区”，发展新的产业模式。如能源咨询服务、能源管理服务、个人能源消耗实时信息查询服务等。
(6)积极推进国际标准化，通过发展智能社区．积极开拓亚洲和中东地区市场，提升国内就业率。
3技术研发和标准制定
根据日本政府公布的《以实现低碳社会为曰的，构建新一代输配电网络》报告，提出了智能电网关键技术的研究规划，其技术研发重点主要在分布式电源、储能电池和用户侧的用电技术等领域。同时，日本经产省牵头成立了智能电网技术标准化战略工作组，协调日本圈内各相关行业和组织．推进技术标准研究和制定工作。
3.1 技术研发
(1)太阳能发电技术。日本在光伏电池领域起步较早，早在1954年夏普公司就开始研发太阳能电池，于20世纪60年代实现了单晶体硅太阳能电池的量产。2007年日本光伏电池生产量创新高，全占比达到24.6%。近年来，由于中国、德国、西班牙等国光伏产业的崛起，日本产销量迅速下滑，目前占比不足10%。但在新一代光伏电池技术研发方面，日本仍是领先者。夏普、京瓷、三洋电机和三菱电机等光伏电池企业，正在合作开展“革命性的太阳能光伏技术”项目，转换效率可高达40%。一旦技术突破，市场前景将非常可观。
(2)电池储能技术。储能蓄电池是智能电网的关键构成要素，可平抑可再生能源发电的波动，提高电网对可再生能源的接纳能力，同时还是电动汽车的核心部件，提高续航里程。日本在蓄电池领域一直处于国际领先水平，索尼最早实现了锂电池的商业化，松下生产的NCR 18650锂电池性能优良，作为特斯拉Model S的动力电池。日本NGK公司在全球钠硫电池市场了与有绝对主导。日本政府也一直很重视电池技术发展，在“新能源政策新方向”提案中指出“探索基于全新构想和材料的革新性可充电电池技术”。2014年6月，在日本东京有明国际会展中心展示了一种碳纳米材料蓄电池，该电池具有内部电阻值低、充放电时发热少效率高、循环寿命长的优点，具有较好的市场前景。
(3)电力路南器。电力路由器是电力和信息技术充分融合的产品，由日本东北大学丰田淳一教授于1995年首先提出。电力路由器是控制电力流向和交换的新型电力装置，主要南逆变器、储能装置和控制器构成。电力路由器不但可通过储能装置调节小型电力系统中的供需平衡，还可通过交流或者直流输电技术，实现电力“点对点”传输。随着能源互联网的兴起，电力路由器是能源互联网的重要部件，可实现对电力能源的优化配置。近年来，日本东京大学、早稻田大学、VPEC公司和大阪燃气公司，都各自研发了电力路由器的雏形，并进行了实地应用。
(4)智能住宅／楼宇／小区。智能住宅就是要实现住宅的智能化和低碳化，能量管理系统(EMS)是智能住宅的核心。根据对象和规模，其可以分为家庭能源管理系统、建筑能源管理系统和区域能源管理系统等，通过对分布式发电、用电和储能等设备的统一管理和集中控制，达到最优化用能的目的．智能住宅不是单项技术，而是跨领域多项技术的集成应用，主要包括分布式光伏／风力发电、智能电表、电动汽车／蓄电池、燃料电池、智能用电设备、传感器网络和EMS等。
智能住宅是日本政府重点支持的产业。积水住宅、大阪燃气和电装等企业都依托各自优势开展了应用研究。日本福冈县成立了智能住宅财团，由来白能源、信息、电子、汽车和房地产等行业的30多家企业和研究机构组成，联合开展了大量的智能住宅实验。
(5)其他技术。①超导技术研究取得新进展。日本住友电气工业的超导技术领先世界。2008年．住友电气在美国纽约州铺设了350 m超导电缆．2010年在日本也成功进行了200 m超导直流输电实验。此外，近期NEDO与古河电器T业研究团队已研制出新型超导电缆，工作环境约-200℃，输送容量是以往超导电缆的2倍，输电损耗是普通铜导线的1/4。该项技术已成功在中国沈阳古河电缆有限公司进行了实验。②无线输电技术实验取得新突破。无线输电技术的最大关键是解决传输中的弥散和衰减问题。日本先后2次成功进行了微波无线输电的实验。一是日本宇宙航空研究开发机构，将1.8 kW的电能以无线方式精准传输到55 m外的接收装置；二是i菱重工将10 kW电能转换成微波点亮了500 m外的LED灯。未来，预计该技术可在太空太阳能发电、海上风力发电、电动汽车无线充电等领域应用。
3.2标准制定
2010年1月，《智能电网国际标准化路线图》正式对外发布。路线图中确定了包括输电系统广域监视控制系统、电力系统用蓄电池、配电网管理、需求侧响应、需求侧用蓄电池、电动汽车、先进测量装置等七大重点技术领域以及26个重大技术攻关项目，作为日本技术标准国际化发展策略的重点工作，如图3所示。
总体来看，一方面，日本在分布式电源发电、储能电池和用户侧管理等技术成熟领域，开展了大量的应用研究，并积极参与国际标准制定，推动装备出口；另一方面，在超导输电、无线输电等前瞻性技术领域，通过开展多方合作的方式．不断提出新的理念、研发新技术，保持领先优势。
4示范工程建设情况
日本经产省从2010年开始，在横滨市、丰田市、京阪奈学研都市和北九州市分别开展了为期5年的智能电网示范工程，其概况如表1所示。工程由日本政府主导并部分出资，地方政府、企业团体、研究机构和高校广泛合作参与。2010年工程总投资约100亿日元，其中国家预算投资40亿日元。截至2015年，4个项目已完成5年周期的建设。
(1)横滨智慧城市项目。横滨市于2015年6月14日举办了“横滨智能城市项目(YSCP)论坛”，就为期5年的项目所作的努力向市民和企业进行了汇报，．YSCP通过横滨市与34家企业合作开展了15个项目。家庭能源管理系统(HEMS)有4 200户家庭参加，安装分布式太阳能光伏共3.7万kW,电动汽车数量达到2 300辆，都远远超出了目标。在4个实证地区中，参与家庭能源管理系统实验的用户是最多的．电力需求响应的实验取得重要成果，通过提供动态电价信息、激励等手段，实现用电高峰时削峰20%, 700/0—80%的家庭都能够实现节约电费。
(2)丰田市低碳社会体系实证项曰。丰田市长宣布该项目已达到CO，减排的预期目标，开展了以区域低碳化、电力需求响应为目标的能源信息管理系统( EDMS)实验，氢燃料电池汽车“MIRAI（未来）”顺利投产，并提出了超小型EV共享服务的商业模式。此外，还建成了未来城市可视化基地“丰田Ecoful Town”，并对外开放，参观者超过14万人。在产业发展方面，经过多年实验，以智能住宅为主的新技术、系统、产品初步问世．并由企业继续推进商业化。
(3)京阪奈生态城市新一代能源、社会体系实证项目。该项目给参与实验的14户用户安装家庭能源管理系统(HEMS)，对区域内100辆电动汽车安装了充电管理系统，并建立了区域能源管理系统(CEMS)，对两者进行协同控制，到达需求响应、削峰填谷的目的。在2013年夏季，将负荷从2007年每人0.257 kW,削减42%，降至0.150 kW
（目标0.100 kW），虽未达到但已接近目标。
(4)北九州智能社区创造事业。2015年2月23日．北九州市在东京都内召开了成果报告会。该实证中最有效的方法是“将能源、生活、业务体系等结构‘分解’提供咨询服务”，通过推进该分解进程，打破了“已经足够节能”的先人为主的思维方式，有助于进一步提高节能意识与意愿。北九州市正在考虑将电力需求响应和能量管理系统的实证成果与亚洲各国开展合作，使兼顾经济发展与环保发展模式得到更大的推广。
5结语
本文从发展政策、理论体系、技术标准和示范工程建设情况4个维度，全面分析了近年来日本智能电网的发展情况。日本发展智能电网主要目的是解决分布式可再生能源的接入，提升电网抵御灾害的能力，并提高能源利用效率和降低能耗。值得注意的是，日本不仅十分注重新技术研发，还积极推动成熟技术的标准化，参与国际标准制定，为日本装备出口海外、参与国际市场竞争营造有利条件。
中国智能电网已进入全面建没阶段，建成了一大批智能电网示范T程，在智能变电站、智能电表、特高压交直流输电和柔性输电等领域达到了世界先进水平。未来应进一步加大技术研发投入，拓展优势领域；广泛建立各类产业联盟，营造有序的产业发展环境：探索建立灵活的电价机制，鼓励智能电网商业模式创新；加快形成统一完整的标准体系，积极参与国际标准制定，抢占海外市场。
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