1月14日，美国能源部（DOE）发布电网现代化多年期计划报告^[1]，阐明了DOE未来5年将优先支持的研究、开发与示范工作重点，以建设更加经济高效、灵活可靠、安全可持续的电网基础设施，推动电力系统变革。作为计划的具体落实，DOE向电网现代化国家实验室联盟提供2.2亿美元，用于其与工业界、高校、监管机构及地方政府等合作伙伴开展88个研发项目^[2]。该联盟成立于2014年11月，由DOE下属14个国家实验室组成，DOE期望通过该联盟来协调整合全部门的电网现代化研究工作，避免重复投入和碎片化。项目主要包括六大核心技术领域，每个领域的研究内容如下：

一、设备与集成系统

1、开发先进电力电子器件、储能系统、可控负荷和其他电网设备：开发电力电子变换器，将电网规模储能系统成本降至300美元/千瓦时；能够诊断大型建筑负荷（如暖通系统、制冷系统）和电动汽车充电系统的功能，预测其需求，表征灵活性，嵌入控制和决策工具；开发创新电网基础设施技术，将电网效率和可靠性提高10%。

2、发展技术标准和测试流程：更新标准和测试流程以表征50%的建筑负荷和所有新的发电与储能技术性能；开发微电网、储能等系统的技术标准和测试流程，减少10%的用户停电率。

3、开展设备测试与验证：建立测试网络提供测试设施集成与优化、测试框架与组件模型库；开发将硬件在环（hardware-in-the-loop，HIL）设备与高性能计算模拟耦合的方法；利用包括HIL在内的多种工具来验证电网服务设备。

 4、开展多尺度系统集成和测试：验证多尺度系统，在地方层面集成100%可再生能源，在大电网层面集成35%；验证交互控制结构，协调分布式发电、储能和可控负荷，减少33%储备裕量；采用先进配电系统（包括微电网）和故障定位、隔离和服务恢复系统减少10%的故障率；储能系统实地示范。

 二、传感与量测

1、改善对建筑物和终端用户的传感能力：开发低成本传感器，单件成本低于10美元或回报周期为两年。

2、加强对配电系统的传感能力：开发低成本、多功能传感器（单件成本低于100美元或回报周期为两年）；发展“可视化战略”，使用可视化技术和工具来定义传感器类型、数量、位置和数据管理。

3、加强对输电系统的传感能力：开发先进同步相量技术可靠量测瞬态和稳态事件，并能远程升级；开发低成本、多功能传感器监测电网组件的实时健康状况、应力累积、实时负荷等。

4、开发数据分析和可视化技术：超高速和大量电力数据实时管理以及误差和错误识别与补偿能力；建立合适的电力基础设施发电、负荷和系统参数的可视化技术；开发量测和建模技术，估算和预测可再生能源发电，优化建筑、输电、储能和配电系统。

5、示范统一的电网通信网络：开发安全、可扩展通信框架和网络管理工具，安全集成互联分布式能源资源和社会电力网络。

6、实施地区性和交叉领域计划：以高空间和时间分辨率提供太阳能发电、风电、建筑负荷实时信息；提供从数分钟到数天尺度的太阳能和风能发电与负荷预测；结合环境传感器，识别和预测天气相关影响因素。

三、系统运行、电力流动和控制

1、开发新架构和控制理论：开发适用于不同工业领域和地理区域的电网架构综合性参考模型；发展先进控制理论和算法来支持多样应用；制定广域控制策略以提高可靠性、灵活性和资源利用率。

2、开发协调系统控制方法：设计新的电网控制操作系统；集成下一代能源管理系统、配电管理系统和建筑管理系统平台的框架。

3、改进电网运行与控制的分析和计算：能够在较短决策时间和高度不确定性条件下评估未来和实时运行状况；利用预测功能、先进计算方案和并行计算实现自动化保护和控制；开发定位系统态势感知可视化和运营商决策支持技术。

4、开发低成本、高效可靠的电力流动控制设备硬件，改进电网可控性和灵活性。

四、设计与规划工具

1、开发多尺度综合经济性评估工具：增强随机性生产成本建模能力，并扩大到配电系统；开发基于复杂高性能计算结果的易用型决策支持工具；扩大模拟电力和天然气系统相互依存关系的随机性工具尺度。

2、开发和改造提高可靠性和灵活性的工具：可扩展仿真框架耦合电力传输、分配和通信系统，实现在区域尺度集成建模；数据驱动工具以实现自动构建与验证设备、负荷、发电和客户行为模型；将偶发事件分析工具性能提高500倍以捕捉极端事件，并实现自动化分析级联事件

3、开发计算技术，增强高性能计算能力加快电网设计与规划分析：可扩展数学库和工具，支持工具和模型耦合的联合仿真框架，不确定性量化和系统优化；建立计算中心同盟，提供高性能计算系统，开发电网软件，提供电网数据集用以模型开发和验证，支持全面政策分析；每年开展6个“模型到应用”项目推进工业界采用新工具。

五、安全性和灵活性

1、提高识别威胁和危害事件能力，包括威胁识别、应急响应计划和预案等。

2、提高防御威胁和危害事件能力：设计物理和网络安全标准、方法、测试与评估过程；开发、示范和实地验证新型能源设备、通信与控制系统模型和逻辑优化技术；开发具有固有防护特性的电网组件。

3、提高探测潜在威胁和危害事件能力：开展先进网络物理数据分析和认知学习，能够在2020财年底地区层面示范前瞻性实时信息流。

4、提高危害事件响应能力：建立方法学和架构框架，评估各种危害对系统的影响，优化电网运行效率/优先级减少事件响应时间。

5、改进恢复能力：发展先进变电站、变压器和支持技术（如储能）设计和标准；强化电网控制系统中的自动防故障装置和无线通信功能。

六、技术支持

1、为各州和地方政府提供技术援助：至少在7个州加速电力政策创新；至少在10个州开展技术分析，协助建立公用电力单位配电系统计划正式评估流程；至少协助10个州制定综合性能源系统规划。

2、支持地区性规划和可靠性组织：支持区域规划和可靠性组织制定制度框架、标准和协议集成电网新技术；推动美国各个联合电网区域制定长期规划；协调各州地区性长期规划制定流程。

3、开发方法和动用资源评估电网现代化新兴技术价值和市场：开发新方法评估分布式能源技术（包括储能）和服务；开发分析工具和方法推动地方政府将新兴电网技术集成到决策、计划和技术部署中；通过发展新的性能与影响指标和数据收集方法监测电网现代化进展。

4、开展未来电力公用事业单位监管研究，推动3-5个州采取根本性变革，8-10个州采取渐进式变革。

（郭楷模，陈伟）