智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会
作者 | 未来智库2022-01-20

一、智能电网-新能源消纳需求下新的建设方向

随着中国“双碳”的政策和发展路径变得逐渐清晰,清洁能源和新能源的占比的提升, 以及火电占比的压降是一个确定性的趋势。在清洁能源中,水电,核电等具有出力稳定 的特性,和传统的火电相比对电网的影响不大。但光伏和风电的发电能力受太阳光和风 有较大的影响,呈现出较高的时间性和波动性,与传统火电和水电截然不同,将给电网 稳定性带来较大冲击。

为了应对光伏和风电给电网的冲击,在新能源应用领域走的相对领先的欧美电网提出了 “智能电网”这一概念,用信息化+储能让电网更好的适应新能源占比提升引发的问题,并 引入了价格杠杆,用浮动电价去合理平衡各方的利益,提升电网对新能源的消纳能力。

在欧美发展智能电网应对新能源消纳的过程中,他们有成功,但也有不足之处,也崛起 了一批智能电网领域的领先公司,本篇报告将着重回顾海外智能电网建设,价格杠杆运 作以及相对应的产业链变迁,并结合中国国情梳理投资机会。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

(一) 智慧电网:应对光伏和风电新特性带来的冲击

电能的最大特点之一是其不易被大规模储存,因此传统电网运营管理上总是让发电端的 输出功率和负载端的用电负荷尽可能匹配。用电端大致有两类负荷:1)白天工作时间工 商业用电;2)夜晚居民照明和生活用电;虽然广大的工商用户和居民的行为有一定的随 机性,但加总在一起就将保持一个大体稳定的总数,并随着气候,日历等因素有规律的 波动,而发电厂就可以按照规律安排电能生产,保持整个电网的稳定运作。

而光伏和风电这两种新能源的最大特点是出力的不稳定性和时间特性,导致其在生产端 产生了和需求的时间错配,并有可能因为波动而威胁电网的安全。

光伏的出力明显从早开始从零增加,到中午达到最高,随后随着太阳落下减少,有 着明显的时间规律,并不能像火电水电通过调节机组去匹配负荷变化。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

光伏和风电均受天气影响较大,且不可控。光伏电厂在阴雨天出力将大幅度下降, 风电场在遇到无风天将完全没有出力,这些均是火电/水电/核电所没有的挑战。光伏和风电的另一个风险是大范围的相关性造成风险加大:火电厂和水电厂往往有 数十个机组,单一机组故障不太可能影响电网安全,但风电和光伏一旦遇到大范围的天气事件则可能造成较大损失。如 2021 年初美国德克萨斯冰灾中光伏板被冰雪覆 盖,风力机组则被冻住,同时损失两大支柱成为德克萨斯州电网崩溃的主因之一。西方国家在积极推进新能源在电网中占比提升的同时,也提出了应对新能源占比提升带 来挑战的答案:智能电网和电价浮动。智能电网通过先进的传感和测量技术、控制方法 以及决策支持系统技术的应用,实现电网有效应对新能源消纳的挑战。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

早期的电网结构是由系统管理员统一调配发电厂、变电站、输电网,进而将电能输 送至工业用户、商业用户以及住宅消费者,数据传输整体而言是单向的,调度控制 的灵活性与及时性都相对较差。

智能化改造以前的传统电网结构则是在早期电网结构的基础上引入传输控制中心与 分布式控制中心,发电厂与控制中心之间存在一定的数据交互性,部分环节的数据 传输实现了双向流动,一定程度上提升了电网调度的灵活性与及时性。

而智能电网则是在传统电网结构的基础上,实现了电能“发输配用”全环节的数据 双向交互,电能控制、调度、储存等环节都得到了极大拓展,能够灵活根据用电端 的电能消纳情况及时调度全环节的电能“发输配储”情况,真正达到电网智能化、 自动化、弹性化。

此外,在电网不同环节上,广域监控设备、信息通讯集成化技术(ICT)、分布式可再 生能源集成化技术、传输增强应用、分布式电网管理、先进计量基础设施(AMI)、充 电桩管理设施、消费者系统(CS)将成为建设智能电网的重点产品。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

(二)价格杠杆激励储能对解决新能源消纳的必要性

价格的本质是供需的博弈。传统电网具有社会公共事业属性,运营价格往往由政府管制, 采用成本加成法,而发电的量也是按需定供。对于传统的水电,核电,火电等发电方法, 由于供给调节较为简单,因此按需定供的实现并不需要太多成本。但是光伏和风电的引 入则大幅度增加了供给端的不可控性。因此,当光伏和风电占比提升到一定比例之后, 大规模的,与风/光装机容量相匹配的储能设施成为了刚需。

但储能和其他调峰填谷手段的引入,则带来了额外的成本,这一成本由谁支付,支付多 少,则成了新能源消纳和电网改革的核心。对于电网和传统发电方而言,毫无疑问这一调峰成本不应该由其自身承担。而对于新能源发电方和用电方而言,承担成本有逻辑上的合理性,但是由于新能源 本身的波动特性,导致储能需要的量,以及成本怎么分摊无法精确预测。因此西方普遍引入了价格机制,放开了电价的管制并引入了某种竞价机制,再让储能方 从电价的波动中获得合理的回报。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

(三)欧美先行者的经验,教训和启示

西方率先采用了智慧电网+电价开放交易的模式,探索了用科技+市场解决风光消纳的问 题,取得了很大成就;但同时也表现出了新模式在极端天气挑战下的脆弱性,有一些非 常惨痛的教训。这些都给中国未来智能电网和新能源消纳提供了宝贵的“教材”。

在解决新能源消纳方面,德国,澳洲等国电网已经取得了较大的进展:2020 年德国风力 发电厂(尤其是陆上发电厂)合计占到 27.4%的发电总额;光伏发电占 9.7%;其余的 12.2%由生物质能,水力发电和其他可再生能源构成的。澳洲的风力,光伏等新能源占

在消纳如此大比例的新能源的过程中,价格激励和储能的建设功不可没,以澳大利亚为 例,澳洲在中午时分由于光伏出力占比较高,通过竞价使得电费极低,反过来使得自用 储能可以在中午以极低价格购买电力并在晚上自用,通过价格激励提升了自用的分布式 储能系统占比,较好的化解了光伏出力波动带来的冲击。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

但新能源占比提升和价格放开后,西方国家的电网运营并非一帆风顺,在极端天气条件 下暴露的一些问题也很严重。我们相信中国的智能电网建设和电价改革会吸取这些经验 教训,结合中国国情合理稳步坚定推进。

美国得克萨斯州在 2021 年遭遇极端寒潮,光伏因冰雪覆盖无法出力,天然气发电因天然 气井冻结减少;涡轮机结冰导致风力发电瘫痪;同时,取暖电力需求急剧上升,迫使德 州电网不得不实施短期轮换停电。在供需的极端失衡下,德州电价疯狂飙升,一度上涨 到 1 万美元/兆瓦时,相当于当地平时电价的 200 倍。

以上的失败给中国智能电网和电价改革的经验和教训是:考虑全球气候变化,智能电网的建设和改造要越来越多考虑极端天气可能的冲击, 系统要留有足够的冗余能力应对“百年一遇,千年一遇”的极端灾害。价格改革也将采用比较稳定的方式,避免极端情况的“天价电价”出现伤害民生。定 价机制上,相比实时电价,更可能采用有前瞻性的“提前一天电价”等较为温和的电 价改革方式。(报告来源:未来智库)

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

二、海外智能电网改造历史

(一)美国智能电网改造以及电力市场建立回顾

2008 至 2016 年,U.S. utilities 共计投入 316 亿美元建设智能电网,其中,智能电表板块 (智能电表及通讯、IT 基础设施建设)在智能电网建设前期投入比例较高且增速较快, 2011 年达到顶峰;2010 年起,电网自动化板块(馈线及变电自动化、配电管理、电压适 配、节能降压、停电管理等)投资规模持续扩张,2017 年达 17 亿美元;先进智能电网 板块(分布式发电集成、家庭能源管理及充电桩管理等)投入占比相对较低。但我们认 为可能这一部分有相当成本是由发电方,用户和家庭自行承担而非电网投资改造。

智能电表:从 AMR 向 AMI 的全面迭代

AMR 的主要功能是“自动抄表”,仅支持计量端发往公用事业公司的单向、低频通 信,从而减少抄表、计费成本。

AMI 则是在“自动抄表”的基础上实现仪表和供应商之间实现双向高频通信。一方面,公用事业公司可以实时无人化接收回传的仪表数据,另一方面,消费者能够通 过 AMI 及其相关通信技术管理电能使用及相关成本;此外,电网运营建设部门也可依 据实时电表数据开展电力调配及负载管理工作。因此,AMR 向 AMI 的产品迭代本质上 是抄表工作单方受益向电网部门、消费者、公用事业公司三方共同受益转变的进程。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

智能电表普及率提升是智能电网前期布局关键。从 2007 年到 2016 年,全美智能电表的 数量增长了十倍。截至 2016 年,全美 1.513 亿个电表当中约有 7080 万只为智能电表, 智能电表覆盖率达到 47%。AMI(Advanced Metering Infrastructure)技术驱动下智能电表 规模化效应初步显现,未来仍然会以较高速度增长完成替换。

智能电网建设为电力市场发展奠定基础。在智能电表、电网自动化、家庭能源管理三大 智能电网核心板块的赋能之下,美国电力体系市场化进程成为可能,并逐渐形成了由联 邦层面 FERC 以及州层面的 PUC 监管的市场体系。

美国的电力系统被划分为东部网、西部网和德州网三大区域电网。在电网内划分为多个 区域市场。市场主体是 RTO(区域传输组织)或 ISO(独立系统运营方)。RTO 负责组织电力市场内的电能买卖。ISO 负责管理最终市场,组织平衡发电与用电负荷的实时市场。 电力的发、输、配、售由市场内独立或一体化的公司承担。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

发电企业负责生产和出售电能,同时提供电力辅助服务。输电公司拥有输电资产,在 ISO 的调度下运行输电设备。配电公司负责运营配电网络。储能端主要通过提供调频、备用服务参与表前市场,在政策补贴下通过向电力用户 提供峰谷电价的价差利好换取销售收益。

在用户端,大用户可以通过批发市场与发电企业直接通过竞价购电;部分大用户可以作 为负荷调节资源参与辅助服务;有些大用户也可以通过售电公司零售购买电力。不愿意 或者不能参加批发市场买卖的小用户可以通过售电公司零售商购买所需的电力资源。

智能电表覆盖率拉升刺激家庭能源管理系统需求。随着 AMI 部署的增加,超过四分之一 的美国客户可以每天通过能源供应商提供的移动应用程序获知自己的能源消费信息。先 进的自动化能源管理系统将协助消费者实时根据电价波动做出快速需求响应,消费者可 以利用这套系统在未来做出更明智的能源决策。截止 2016 年,全美范围内具体动态电价 实时响应设备的家庭消费者占比极低,据 Navigant 预测,到 2025 年,全美家庭能源管理 系统的营收规模将达到 177 亿美元,市场前景极为广阔。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

(二)Itron:全球领先的智能电表制造商

Itron 是一家位于美国的科技公司,提供能源和水资源管理方面的产品及服务。Itron 总部 位于美国华盛顿的自由湖,产品涉及智能电网、智能燃气和智能水务,可测量和分析电 力、燃气和水的消耗量,包括电、气、水和热能测量装置和控制技术;通讯系统;软件; 以及管理和咨询服务。其智能电表业务规模长年保持北美第一、全球前列的市场地位。

2007 年营收经历重要拐点。2007 年,Itron 并购知名计量系统公司 Actaris Metering Systems, 营业收入同比增长率达 196.58%,营收规模由 6.44 亿美元增长至 19.1 亿美元。此后十余 年间,Itron 营收规模长期徘徊在 20 亿美元左右,增速扩张呈现出正负交替态势。

2008 年收入下滑,但我们认为金融危机有很大影响因素。2011 年公司收入见顶,恰好 2011 年是美国智能电网建设顶峰,也是美国智能电表 替换的顶峰;公司收入顶峰和行业顶峰完美同步。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

收购案当年,Itron 推出了革命性产品 OpenWay。OpenWay 基于双向通讯技术有效实现 了电表数据采集与消费者需求响应实时回传的有机耦合,堪称智能电网建设过程中里程 碑式的产品。同时,产品联动 Actaris Talexus® Prepayment System,消费者可通过信用卡 完成能源采购,便捷能源消费的同时更为需求响应的场景落地提供了极为理想的切入口。

智能电表市场前景看好。2020 年全球智能电表市场规模为 217.9 亿美元,据 Allied Market Research 预测,预计到 2030 年全球智能电表规模将达到 543.4 亿美元,2021 年 至 2030 年的复合年增长率为 10.10%。智能电表可以通过线路通信、射频电磁辐射和蜂 窝通信发送、使用信息,帮助公用事业公司有效管理能源使用。

(三)SIEMENS:电网自动化传统巨头

西门子股份有限公司是德国的一家跨国企业,其电子与电机产品是全球业界先驱,并活 跃于能源、医疗、工业、基础建设及城市业务等领域。SIEMENS 于 1847 年由维尔纳·冯·西 门子建立,总部位于德国慕尼黑和柏林,于法兰克福证券交易所和纽约证券交易所挂牌 上市,目前在全球拥有 385,000 名员工,业务遍布 190 个国家。2011 年至今,SIEMENS 持续在新能源发电、电网自动化领域开展并购,扩张全球市场。

公司能源自动化与智能电网业务品类丰富。SIEMENS 能源自动化与智能电网(Energy automation and smart grid)模块主要包含以下产品:能源自动化产品、电网运行与控制、 能源自动化解决方案、电网规划和模拟、仪表数据管理、网格边缘、咨询服务。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

2019年,SIEMENS在巴黎的欧洲公用事业周上首次展示了其新的电网诊断套件(The Grid Diagnostic Suite)。电网诊断套件包括四个基于云的应用程序,它们从设备收集数据服务 于提供保护、配电自动化与电能质量提升。工业园区的配电网运营商和电网运营商可以 从安装在智能电网任何地方的设备中快速获取有效信息。

(四)Enphase Energy:家庭能源解决方案提供商

Enphase Energy 是一家在美国纳斯达克上市的能源技术公司,总部位于加利福尼亚州弗 里蒙特。公司设计和制造软件驱动的家庭能源解决方案,涵盖太阳能发电、家庭储能和 基于网络的监控和控制。作为第一家成功将微型逆变器大规模商业化的公司,Enphase 仍 然是该市场的领导者。

2014-2018 年,Enphase 营收维持在 3 亿美元左右,2019 年迎来营收拐点,其在北美地区 的出货量呈现指数级高速增长,主要系逆变器 IQ7XS 产品的订单量急剧上升,为满足爆 发的采购订单,公司依托墨西哥地区代工厂的生产效能,迅速完成产能弹性的扩张,当 年营收同比增长率达 97.47%,2020 年营收总额为 7.74 亿美元。未来,公司规划持续开 拓欧洲与澳洲市场。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

公司 2014-2021 年股价整体与 Enphase 营收变化情况基本吻合。表明公司的估价受到了 基本面变化的驱动,业绩的根本性改变也拉升了企业的价值。

Enphase 家庭能源解决方案主要包含以下几项产品:

1)Enphase 微型逆变器:与串式逆变器相比,微型逆变器独立运行可产生更多能量,同 时节省更多成本。

2)Enphase 同相交流电池:一种集成式储能系统,可提供高性能、卓越的可靠性、模块 化架构和安全性。

3)Enphase 特使:Enphase 系统的网络集线器将每个微型逆变器连接到 Enlighten 监控 软件。

4)Enphase Enlighten 应用程序:跟踪能源生产、监控系统健康状况并对家庭电网数据进 行存储、处理、分析。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

光电+储能+管控。Enphase 家庭能源解决方案集成了太阳能发电、电能存储、能源智能 管理系统三项住宅能源板块,一站式满足家庭能源管理需求。一方面,智能管理系统可以将住宅太阳能发电效果发挥到极致,另一方面,有效的储能装置也可以利用光电电价 峰谷时段的价差获取廉价优质电能。此外,灵活的智能管理系统将有助于住户实时监控 家庭能源状态,为节能降耗作出最优能源决策。

在澳洲,家庭能源管理系统(EMS/ HEMS)正迅速成为充分利用新能源发电的主要方式。 (报告来源:未来智库)

三、国内智能电网改革空间

(一)参考海外,中国电网智能化远期改造的空间

参考海外,我们认为在解决新能源消纳为核心目标的中国电价改革和电网信息化改革之 中,会有一些列细分领域迎来爆发式增长,参考海外的改造过程能够帮助我们更好的估 算国内的改造进程,力度。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

1、智能电表:从 AMR 向 AMI 演进将产生千亿级替换需求

2012 年国际法制计量组织(OIML)出版了 IR46 有功电能表国际建议,OIML 开始按标 准实施。2016 年,该标准正式在国内落地实施,引发了一系列电能表国标、国家计量检 定规程以及智能电表企业的标准作出了相应变化。

IR46 标准的智能电表功能如下:1)电能计量/需量测量功能;2)运行参数测量功能;3) 负荷、事件记录;4)法制计量和通讯管理分离;5)高精度实时时钟;6)实现远程自升 级;7)支持 DL/T698.45 通讯协议。

不难看出,IR46 标准的智能电表能够实现绝大部分 AMI 的功能,基本与美国 2007 年以来所迭代换新的智能电表类型相符。从 2020 年第二批招标开始,国网已经开始招标 IR46 标准的智能电表,标志着国内电表赛道开启了下一个更换周期。

需要注意的是,国网之前所安装的智能电表虽然含有“智能”二字,但绝大部分电表并不符合 AMI 的 IR46 标准,只能算作 AMR 的“智能”,这意味着为了容纳新能源消纳需求,相对应的老的 AMR 电表需要做完全替换。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

新周期市场规模将达千亿。国网电商平台数据显示,2021 年第一批电能表及用电信息采 集设备招标金额合计 101 亿元;同时,2021 年第一批电能表及用电信息采集设备招标数 量合计 3745 万颗。因此,初步可匡算出国内每颗 IR46 标准的智能电表信息采集设备大致在 270 元左右。而传统的老 AMR 表模块的价格大约在 150~200 元以内,这意味着 IR46 表相比老 AMR 表价值量提升在 60%~80%。

国网在 2015~2020 年 AMR 招标采购的总量超过 4.4 亿颗,如果最终这些 AMR 全部替换 为 IR46 的智能电表,整体市场规模将超过 1000 亿¥的量级

2、电网二次设备:总量巨大,价值品类相对分散

电气一次设备是指:直接用于生产、输送和分配电能的高压电气设备。电气二次设备是指:对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行维 护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备。

新能源发电驱动二次设备需求增长。新能源发电改变电网生态,新能源电站的大量建成 从电流结构改变和电网建设结构改变两大方向促进二次设备需求增长。从美国智能电网 发展历史来看,二次设备的投资随着新能源占比提升而持续增长,相比智能电表有更长 的延续性,波动较小,峰值也与智能电表相当。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

另一方面,二次设备技术含量较高,品类较多,并不像智能电表或家庭能源管理那样有 一个大价值量的单品,而是分散在很多关键部件品类之中,因此我们判断受益方更可能 是类似西门子,GE 这样的专用电气设备“航母”级企业,拥有大而全的二次设备产品线, 能够及时响应电网的整体改造复杂而细分需求。

3、家庭电能管理:C 端从零开始的全新市场

家庭能耗管理系统(HEMS)是以分布式能源接入与市电互补为能源基础,以智能电网 互动为业务支撑,融合智能家居控制、智能家电、家庭能耗计量、环境自动化控制等各 项技术的,根据低压居民负荷特点而设计的一个能耗综合管理系统。目前,HEMS 的主 要目的在于通过调整用户侧的负荷及用户自身配备储能设备的充放电来适应电网负荷和 电价变化的自动化系统,可以更经济、更有效的达到节约能源、确保用户用电安全、减 少用户电费支出、提高电网稳定性和安全性的目的。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

国内 HEMS 尚处萌芽期,未来市场规模或达万亿。由于国内家庭能源管理系统 (EMS/HEMS)起步较晚,更重要的是动态浮动电价改革还未启动,家庭能耗管理毫无 意义,因此目前还未显现领域内知名公司。

伴随国内风光新能源上网与电价市场化改革,家庭能源智能管理的需求将被进一步催化。 参考澳洲主流 HEMS 收费模式,由于我国拥有过亿级别规模的城市住宅用户,假设每套 HEMS 系统首次采购费用在千元人民币左右,在不考虑家庭太阳能板、微型储能装置等 硬件设施的前提下,我国未来 HEMS 软件市场规模就将达到千亿以上,如果考虑相关配 件与后续运营费用,该市场规模可能会更高。

此外,Navigant 预测到 2025 年,全美家庭能源管理系统的营收规模将达到 177 亿美元, 则户均 HEMS 支付费用在 200 美元左右,考虑到未来中国可能有上亿户家庭将采用家庭 能耗管理系统来获得动态电价带来的总电费支出下降,户均支出如果接近,同样可得出 中国未来的 HEMS 市场在千亿以上。

智能电网产业专题研究:从海外智能电网建设看双碳带来的投资机会

4、动态电力交易市场:B 端从零开始的全新市场

绿电交易发展迅猛,潜在规模可观。国家电网关于《省间电力现货交易规则(试行)》已 于 11 月 22 日印发,我国跨省跨区电力市场建设迈入实质化建设与运行阶段,大用户、 售电公司也将有更多机会参与交易。强调要加快健全相关配套政策机制,推动符合准入条件的售电公司、电力用户参与省间电力现货交易,优先鼓励有绿色电力需求的用户与 新能源发电企业参与省间电力现货交易。而随着电价改革的持续推进,电力交易的信息 化系统供应商乃至电力交易系统运营商将大有可为。

整个中国电力市场是一个非常庞大的市场,根据中电联数据,2020 年中国第二产业用电 超过 5 万亿度点,第三产业用电超过 1.2 万亿度,居民用电接近 1.1 万亿度;中国居民用 电均价约 0.51 元/度,商业用电价格则高于居民用电,全国总电力市场约在 3 万亿量级; 考虑未来电价改革的循序渐进,仅 10%接入动态实时电价交易市场,就是每年 3000 亿级 的巨额交易量,相应的交易运营信息系统平台,交易服务费都将是很大的数字。


热门文章
1月20日下午消息,在第十七届超级汽车论坛上,工信部原部长、中国工业经济联合会长李毅中发表演讲。对于智能网联汽车的发展,他表示,在双碳背景下,要将减碳减排作为一个重要的目标,在研发和生产中,要测试和验
2022-01-20