智能電網信息系統體系結構研究

　　計算機學報智能電網信息系統體系結構研究曹軍威）2）萬宇鑫3涂國煜張樹卿4）夏艾3劉小非陳震12陸超4）清華大學信患技術研究院北京100084）2）（清華信患科學與技術國家。
　　智能電網主要解決以下幾個方面的問題：保證電網安全、穩定和可靠性的同時提高設備利用率由于電網系統高度耦合，調度控制不當，單一故障（fault）可引發連鎖故障，甚至引起大面積停電事故和設備損壞，從而導致不可估量的直接和間接損失，故電網系統對于可靠性的要求非常高。智能電網的智能調度就是要在保證安全可靠的基礎上解決廣域信息的采集、傳遞、分析和處理問題。
　　實現發電與用電的互動。電網的基本特征是發電與用電的平衡。從絡端用戶的角度講，用戶可以通過智能電力絡端獲取到電網的運行參數（比如電力的成本、自己各種設備的用電量），從而對自己的電力使用情況進行調整。而對于電網系統來說，則可以根據用電設備的用電信息構建精確的負荷模型，有效地提高供電效率。傳統電網的建設基于發-輸f配用的單向思維，大量冗余造成浪費，智能電網基于實時性較高（幾十毫秒級）的測量通信系統，可以通過實時控制來達到發電負荷平衡，從而可以減少熱備用，并且提高系統的穩定性。
　　間歇式可再生能源（解釋:向自然界提供能量轉化的物質)的接入。新能源主要是指風電和光伏發電，我國的風電資源主要集中在西北部地區，同樣這些地區也是太陽能資源較豐富的地區。
　　而我國電力需求較大的地區則集中在中東部，因此造成我國的新能源電力必然經過遠距離傳輸才能到達負荷區。這就要求電網必須在全國范圍內對新能源發電進行優化配置。同時，由于新能源發電本身具有隨機性和間歇性的特點，如果直接并入電網，則可能影響電網系統整體的穩定性。如風力發電可能由于客觀氣象原因大范圍脫網，就會造成電力系統瞬時的不平衡，繼而影響整體的穩定性。
　　由此可見，智能電網需要解決傳統電網信息系統在信息采集、傳輸、處理和共享等多方面的瓶頸，而這些問題的解決則依賴于正在逐漸發展的物聯網技術。物聯網的核心技術涵蓋從傳感器網絡至上層應用系統之間的物理狀態感知、信息表示、信息傳輸和信息處理，在智能電網信息系統體系中的通信、安全及上層應用等各個方面將起到重要作用：傳感器網絡技術可用于智能電表等電網絡端通信設備的數據采集和信息獲取4；實時和安全通信技術可用于電網運行參數的傳輸，實現電網運維數據和發電負荷數據的實時傳遞；數據存儲和信息表示技術6可用于電網海量數據的存儲、管理、查詢和組織；數據分布式處理和任勞調度技術可用于電力系統安全穩定性分析、新能源接入后的能量流實時調配。物聯網技術的發展使得電力系統從一個相對1期曹軍威等：智能電網倍息系統體系結構研究封閉自給的控制系統融入計算機數字環境中，在提高電網穩定性的同時，使得風能、電能等新能源方便地融入智能電網信息系統，統一進行規劃與調度。
　　借鑒物聯網信息技術構架，本文從信息技術的角度提出智能電網的體系結構。第2節總結智能電網定義；第3節介紹智能電網國內外發展現狀、主要技術難點和挑戰并提出智能電網信息系統體系結構；第4節第6節分別詳細介紹智能電網信息系統的基礎設施、支撐平臺和應用系統；第7節進行總結并對智能電網未來研究方向做展望。
　　2智能電網定義智能電網，通常指將現代信息系統融入傳統能源網絡構成的新電網系統。從而使電網具有更好的可控性和可觀性，解決傳統電力系統能源利用率低、互動性差、安全穩定分析困難等問題(Emerson)；同時基于能量流的實時調控，便于分布式新能源發電、分布式儲能系統的接入和使用。
　　智能(intelligence)電網的第1個顯著特點是可觀性強。即借助信息網絡技術，實時監控電力系統各節點的信息。
　　例如IBM定義智能電網3個層次的第1層次就是息的實時、全面和詳細監視，消除監測盲點“，清華大學20世紀80年代便提出”CCCP“（通信、計算機和控制技術在電力系統中的應用）概念，認為智能電網是傳統電力系統網和電力信息網的兩網融合及相互作用。同樣的定義還包括中的相關(related)概念。
　　智能電網的另一個特性是發電用電雙方動態交互。即利用實時獲取的電網發電信息和用戶(user)信息進行優化調度。從絡端用戶的角度來講，智能電網的目標在于統籌調度所有的電力資源(zī yuán)，以更加便宜的方式提供給絡端用戶更加穩定的電力。例如杜克能源（DukeEnergy）提出在智能電網環境下，絡端用戶可以實時觀測到自己的電力消耗情況并以此調整自己的用電習慣降低成本，同時電力可以根據用戶的需求調配=能源供應并通過價格手段引導用戶的需求，使總的能源消耗降低。歐洲智能電網戰略發展規劃提出智能電網應將所有接入電網的用戶、發電機以及雙向設備連接整合在一起，通過智能監控、通信和自愈技術加強對發電側的控制，提供給用戶更多信息和用電優化方案，減少電力系統對環境的影響，提高供電的可靠性和安全性。
　　智能電網的第3個特點是可靠性高。即可以從系統震蕩中自動恢復，對于系統失穩趨勢提前報警及調整。例如美國能源部定義智能電網應具有系統震蕩自恢復、魯棒性高、安全穩定等特征。而IBM定義的智能電網3個層次的第3層次就是在信息集成的基礎上進行高級分析，實現提高可靠性、降低成本、提高收益和效率的目標。
　　綜合上述觀點，我們給出智能電網的定義如下：智能電網是在傳統電網的基礎上構建起來的集傳感、通信、計算、決策與控制為一體的綜合數物復合系統，通過獲取電網各層節點資源和設備的運行狀態，進行分層次的控制管理和電力調配，實現能量流、信息流和業勞流的高度一體化，提高電力系統運行穩定性，以達到最大限度地提高設備利用效率，提高安全可靠性，節能減排，提高用戶供電質量，提高可再生能源的利用效率。智能電網最絡目標(cause)是降低能源消耗成本，改善居民用電質量，降低電力運行成本，從而促進國民經濟發展(Develop)。
　　3智能電網發展現狀及挑戰3.1智能電網國內外發展現狀2001年啟動了CIN/SI項目，提出開發一個建模、仿真、分析及綜合工具用于作為建立高魯棒性、高適應性、控制可重構的網絡化電力系統及基礎設施，2001年6月的《Wred》對其進行了介紹，這是較早提及構建智能能源網絡設想的。在此之后，美國電力研究院啟動了IntelUGrul項目并于2004年發布了IntelUGml
　　①體系架構，G
　　E、思科、朗訊等多家參與到該項目的研發中。昆山空壓機保養冷卻水通過管道進入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進行冷卻降溫，再進入后冷器對排氣進行冷卻，另一路冷卻水進水管道經過主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進行冷卻。該項目旨在集成電力系統中能源系統和控制信息系統，從電力信息系統和服勞模型兩個角度（angle)對如何構建智能電網給出實施步驟和技術引導。2003年美國能源部發布了電網2030藍圄并于同年牽頭成立了GridWise
　　②聯盟，該聯盟旨在推動傳統電力系統和信息技術的結合，構建新型智能電網。目前成員包括IB
　　M、斯科、西□子、G
　　E、微軟、三星等全世界140余家涉及能源和信息領域的企業。2008年3月，美國Xcel能源宣布在科羅拉多州波爾多（Boulder）建立智計算機學報能電網城市試點，目前已安裝23 000臺智能監控設備
　　①為用戶提供更加便利穩定的電力供應并幫助用戶節約(jié yuē)用電成本。2011年5月，美國在夏威夷毛伊島（mam）建立了一個新的智能電網試點。總體來看，美國的智能電網技術發展側重通信技術、控制技術與電力系統的融合，同時強調絡端用戶和電網系統的交互。美國能源部2009年智能電網報告指出構建智能電網系統應從輸電系統、分布式能源、配電系統、信息網絡、管理和金融環境的6個方面開展。
　　歐洲智能電網的構建計劃起緣于2004年，在第一屆國際可再生能源和分布式能源一體化會議上，產業界和研究界相關人士提出了建立歐洲未來電力網絡技術平臺的設想。2005年在歐盟委員會的支持下歐洲成立了智能電網歐洲技術平臺，為2020年及之后的歐洲電力網絡發展提供規劃。該組織于2006年發布了歐洲智能電網設計藍圄，提出了智能電網必須包含靈活性、可接入性、可靠性與經濟性四個目標，其中可接入性部分特別提到可再生能源和高效低碳產能的接入。2008年底該組織發布了歐洲智能電網戰略發展規劃并于2010年4月發布了最絡版本，將歐洲智能電網的發展按優先級劃分為6個等級，涵蓋電網優化、分布式能源、信息通信技術到市場運營等方面。所有目標將在2020年前后芫成，其中第一階段目標（優化電網運營和使用）在2008 2012年芫成，解決分布式環境下電網的運營、安全和以市場為導向的能量流控制問題。曰本于2009年4月公布了“曰本發展戰略與經濟長計劃”，其中包括了太陽能發電并網、未來曰本智能電網實證試驗、電動汽車快速充電裝置等與智能電網密切相關的內容。曰本電氣事業聯合會在2009年7月表示，將全面開發“曰本版智能電網”韓國在2008年發布了“綠色能源工業策略”，推出了“韓國版智能電網”
　　設想。
　　在我國，2009年5月國家電網提出了我國智能電網的發展規劃，將分3個階段推動我國智能電網的建設并計劃于2020年建成統一的智能電網；從電網本身安全穩定、能源調度、用戶交互(each other)性、新型電力應用等8個方面給出了我國未來智能電網的特征。華北電網于2009年4月公布了試點小區。南方電網2008年芫成了廣域阻尼控制系統，是世界首例已成功工程實施的廣域閉環智能控制系統。該系統基于由同步相量測量單元了自適應的廣域閉環控制。截至2009年我國在東北、華北、華中、江蘇、華東、河南、云南、責州、廣東、南網各處按入了1000多處PMU節點，建立了10多個WAMS中心站，基本覆蓋500kV變電站和主要發電廠，超過美國在該方面的進展。
　　高校方面也有多家單位正在開展智能電網的研究，如清華大學韓英鐸院士率領的團隊在廣域電網監控方面取得了一定成果，解決了廣域阻尼控制工程中的關鍵技術問題，與四方集團合作提出了基于廣域信息的電力系統安全預警、防御和控制系統構建方案。天津大學余貽鑫院士率領的團隊在分布式發電功能系統方面取得了一定的進展，提出了將太陽能、風能、小型水能等分布式發電功能系統以微網形式接入大電網的技術思路，用于提高能量傳輸效率及電力傳輸穩定性與可靠性，提高電能質量降低成本。
　　總體來看，目前國外智能電網研究側重于分布式能源的接入和發電用電側的互動，我國智能電網的研究工作側重于大電網系統的信息獲取與穩定控制，這與我國電力網絡耦合性強的特點有關。
　　3.2電網信息系統現狀及主要問題現有電網信息系統（電力二次系統）主要指電力調度自動化網絡及其構成的能量管理系統EMS（EnergyManagementSystem）、配電網管理系統DMS（DistributionManagementSystem）和廣域監控系統WAMS.能量管理系統主要包括數據采集Acquisition）、自動發電控制系統AGC（AutomaticGamControl）及電力狀態估計系統等；配網管理系統主要包括配電自動化系統DAS（Dstrbuion InformationSystem）及需求側管理系統DSM（DemandSideManagement）等；而廣域監控系統則由同步相角測量單元PMU構成，實現對電網主要數據的實時采集。其中EMS和DMS系統均依賴于遠程控制單元RTU（RemoteTerminalUnit）及其構成的數據采集監控系統SCADA，其主要問題是數據采集時間過長，達到分秒級，無法滿足實時性要求高的應用如電網廣域控制、能量調度等。WAMS 1期曹軍威等：智能電網倍息系統體系結構研究系統的響應時間雖在百毫秒量級，但WAMS系統依賴于電力專網構建，按入成本較高，目前國內110kV電壓等級以下無PMU節點部署。此外，現有電網信息系統只針對發配電場站、大功率用電設備進行數據采集和控制，無法獲取負荷的實時信息，能量調配還基于離線預測。這樣就造成了現有電力網絡面臨的4個主要問題：（1）電力系統重要參數隨機、時變、不可觀，造成電力系統預測和調度困難；（2）輸電線路的真正輸電極限未知，往往靠大保守度換取可靠性，造成線路利用度低；（3）對于遠距離輸電中的故障無法準確獲知故障信息，如故障地點和嚴重(serious)程度，往往采取試探辦法應對故障，造成設備大量冗余；（4）電力系統有功無法存儲，無功無法動態平衡，負荷無法互動，熱備用造成浪費。
　　為了解決以上問題，需要加大量傳感設備，如智能電表、PMU單元等，而傳感設備的加意味著實時數據量的大，解決大數據量下的電力系統數據實時傳輸和處理則需要利用先進的信息、通信、網絡和計算技術，這正是智能電網信息系統需要解決的問題。基于此，我們提出智能電網信息系統體系結構如下。
　　3.3智能電網信息系統體系結構我們提出的智能電網信息系統體系結構如圄2所示，主要包括智能電網信息系統基礎設施、智能電網信息系統支撐平臺與智能電網信息系統應用體系三個部分。
　　智能電網信息系統體系結構示意圖智能電網信息系統基礎設施主要指構建智能電網的硬件基礎，而智能電網信息系統支撐平臺主要指構建智能電網的軟件基礎架構，在此之上則是實現智能電網建設目標的各類應用。下面將分別對上述三個平臺進行闡述。
　　4智能電網信息系統基礎設施智能電網信息系統基礎設施是構建智能電網的硬件基礎，包括電力系統的各主要環節及控制、量測設備以及通信網絡。
　　4 1電力系統(system)控制和量測設備首先簡單介紹電力系統的組成，電力系統主要由發電、輸電、變電、配電、用電和調度6個部分構成。發電環節包括傳統的水電、火電及新的核能、風能、太陽能發電，針對發電環節的控制主要有面向發電機的頻率調節、電壓幅值調節、同步相位及有功無功功率調節，發電機的輸出電壓一般在1135kV范圍內。輸電環節將電網系統中的主要發電機和負荷中心連接在一起，構成電網系統的主干網絡，通常運行在最高電壓等級（如220kV以上）。常用的輸電技術有高壓直流輸電和柔性交流輸電。變電環節芫成電力的二次分配過程，連接變電站和配電站，一些大型工業負荷可能會直接接入變電系統。
　　變電系統的電壓等級一般在69138kV之間通過對于變電站的變壓比和無功補償設備，電網系統可以對電網的無功功率和電壓進行控制。配電環節最絡芫成電能到個人用戶之間的轉換，配電系統分為一次配電系統和二次配電系統，一次配電系統主要供應小型工業用電，電壓等級在434二次配電系統則用于居民和企業用電，電壓等級在120240V之間。
　　電力系統量測設備是構建智能電網的基礎，智能電網的實現依賴于傳感器的應用和部署，目前智能電網中的傳感器包括電網運行維護(maintain)量測系統和個人用戶量測系統兩類。其中電網運行維護量測系統主要用于采集電力系統單元如輸配電線、電廠、電動機側的電氣信息，常用的如SCADA系統的遠程絡端裝置RTU和WAMS系統中的PMU.RTU單元具有量測、通信、控制等多種功能，該量測單元被廣泛應用于能量管理系統（EMS）中，但其主要不足是數據采樣頻率較低，無法及時獲取電網運行的動態信息；各RTU單元無同步時鐘，獲取到的數據不同步。相對于RTU單元，PMU加了相角測量(cè liáng)；具備GPS授時單元，測量精度更高；同時測量頻率更高，在幾十毫秒量級。而個人用戶量測系統主要用于測量個人電力使用情況，如智能電表。智能電表（SmartMeter）的主要功能在于通過獲取用戶各項不同用電設備的用電數據，并結合電網運行的情況進行分析，給用戶提供省電節能的建議，信息流雙向傳遞。智能電表應該具有如下功能：雙向通信；自動數據采集；斷電管理；動態計費管理；需求響應用于負載控制。
　　目前，在智能電表研制領域，存在兩種主要思路：（1）采用多個采集設備直接對用電器的數據進行采集；2）采用一個采集設備采集數據，再用分類算法對數據進行辨識。其中第1種思路的缺陷在于每個電器都需要安裝傳感設備，費用較高，部分用電器安裝困難且需要額外的通信協議及設備對數據采集進行支持。相對而言，第2種思路的成本較低，主要基于模式識別算法對用電器的用電特征進行分類，從而分析得出不同用電器的用電情況。對于第2種方法，利用傳感器獲取哪類數據變得至關重要，因為特征的選取對于模式識別算法的效率的影響很大。目前，已有的設計如表1測量方案優點缺點有功功率及無功功率大功率電器特征相差較大，利于區分（1）不適于小功率電器（2）相似電器沒有辦法區分（3）實現復雜，需同時測用功和無功功率電流大小及啟動特征設計簡單；容易區分相似電器（1）對大電流電器測量不準確（2）需要專業人員安裝瞬時電壓噪聲特征（1）安裝便利，任意插座都可用于安裝（）可以用于區分同類電器（1）每一個用戶需要重新訓練（2）需要高采用率（MHz以上）測量連續高頻電壓特征需要較高的采樣頻率（50電力控制設備是實現智能電網目標的載體，電網系統的主要工作參數是頻率、電壓、相位、有功功率、無功功率。為實現對以上參數的控制，電網系統的控制對象包括各級發電單元、輸變電系統、配電系統。主要控制設備有RTU單元及各種智能電子設備（IntelligentElectronicDevice，IED）。
　　4.2電力系統通信網絡通信網絡是智能電網的重要基礎設施。智能電網中的廣域量測系統WAM
　　S、廣域保護系統WAPS（WideAreaProtectionSystem）、廣域控制系統WACS（WideAreaControlSystem）等都依賴于通信構架。由于電網系統存在多樣性和分散性的特點，目前電網系統尚無統一的體系構架。綜合考慮智能電網目前的組網方式及未來的應用需求，我們認為智能電網通信網絡體系自底向上的構架圄如圄3所示。
　　智能電網通信網絡系統按照智能電網底層量測單元的不同，智能電網通信組網也可以看成兩部分：1）由電網狀態量測單元PM
　　U、RTU構成的電力狀態監測網絡，該網絡特點為局域范圍內節點數量較少。（2）由個人用戶量測單元構成的信息網絡，該網絡的特點是節點數量大，可擴展性要求高。
　　4 2.1個人用戶網絡個人用戶量測單元往往先通過局域網進行連接，再接入廣域網。由智能電表連接組成的局域網包括家庭局域網HAN（HomeAreaNetwork）和可用的組網方式有無線網絡和競頻電力線傳輸BPL（BroadbandoverPowerLine）網絡。其中利用無線網絡構建智能電網個人用戶局域網已有成型的協議，已有標準包括Zgbee
　　①協議和OpenHAN協議。上述兩種協議均運行于IEEE80
　　2. 15.4無線網絡標準基礎之上。Zgbee協議是無線傳感器網絡中的一種常用組網技術，多用于低速短距離無線網絡構建，給出了一種基于Zgbee構建個人用戶局域網的方案。OpenHAN則是針對家庭電力系統專□設計的一種無線網絡組網協議，2008年由開放智能電網用戶組OSGUG（OpenSmartGridUsersGroup）發布了第1版組網需求說明文檔并于2010年進行了修訂。構建個人用戶局域網的組網結構有星型網絡和網狀（mesh）網絡兩種。其中星型網絡的主要缺點是中央節點負擔重，存在單點失效問題；而網狀網絡多見于無線傳感器網絡的構架，由于其較好的自愈特性，實際也多采用網狀網絡構建1期曹軍威等：智能電網倍息系統體系結構研究個人用戶電力信息網，但臨近集中節點（AccessPmnt）的節點是網狀網絡的瓶頸。
　　42.2電力主干通信網智能電網主干通信網組網方式可以分為兩類，第1類是電力網絡和信息網絡結合的構架方式，即通信載體本身是電力網絡中的元素，包括基于GroundWre）及全介質自承式架空光纜ADSS（A11DielectricSelfSupporting）。第2類是智能電網信息網的構架與電力網絡分離，即采用額外的網絡構架電力系統信息網。而這種模式下也存在不同的信息網構架方式，大致可以分為3種，即采用光纖、無線信號及租用帶競。目前比較通用的做法是主干網絡采用光纖搭建(指搭蓋、建立)，邊緣網絡利用無線方式進行傳輸。
　　采用電力網絡元素構建信息網的模式有利于節約成本，但容易造成電力系統和信息系統互相耦合，電力網絡的故障將導致信息網絡的故障。而分離模式則可以解決上述問題，使智能(intelligence)電網信息網構架更加自由，但分離模式下信息網必須另外選擇傳輸載體，需要在成本和傳輸性能上進行平衡。特別是電力系統設備分布范圍廣，一些偏遠地區不具備構架光纖或無線網絡的條件，需要額外的傳輸方式，已有方案比如基于認知無線電CRCCogmtveRado）的傳輸構架模型，認知無線電的好處在于能從特定區域的頻段中找出適合通信的空白頻諳，在不影響已有通信系統的前提下利用傳輸帶競。IEEE80
　　2. 22協議定義了空白頻諳搜尋方式。目前802.22協議已經在電視頻(Video)諳中得到了部署，通過CR技術利用電視空白帶競，因此可用于在偏遠地區構架信息網絡。
　　已有的電力系統網絡通信協議包括IEC60870、IEC61850及IEC61970協議組，由于上述協議組主要針對不同類型的數據網絡而構建，因此本節不做描述，在第6節中再進行說明。
　　42.3智能電網通信網絡(The internet)主要指標智能電網通信網構建最主要的兩個指標是網絡的穩定性和網絡延時。不同的網絡構建方式必然導致不同網絡特性，如何選取智能電網通信網的構建方案是智能電網研究領域的一大重要問題。
　　探討智能電網網絡延時及穩定性問題有兩個思路：（1）從網絡拓撲及協議本身的角度出發進行研究，如研究了在分離信息網構架模式下采用專用帶競和共享帶競的網絡性能及其影響因素；2）從信息論的角度出發研究智能電網的傳輸性能，如針對智能電網無線通信所需的信道容量以保證安全通信的需求的分析。在網絡性能分析的基礎上，考慮電力系統通信延時對控制性能的影響則是網絡化控制系統需要解決的問題，但目前的網絡化控制系統通常針對單一網絡進行分析，不具有推廣性。
　　前文提到，目前電力信息網絡通常采用專網搭建(指搭蓋、建立)，但由于專用帶競部署的成本制約，專用帶競往往不能很大，而在這種情況下采用共享帶競模型往往能獲得更大的信道容量，也即意味著更好的傳輸延時性能，但問題在于共享帶競模型下延時的穩定性受網絡條件的影響較大，如果背景噪聲比例高，則網絡延時和包都會迅速上升。基于TCP/IP搭建了智能電網WAMS和WAMC模型，并分析了在共享帶競模式下加入背景噪聲和QoS機制后的網絡延時和包情況。同時還針對共享帶競模型下不同帶競的情況進行了比較。目前我國智能電網采用的是專網構建模式，但由于成本限制，僅限于220kV及以上電壓等級。如何在共享帶競網絡情況下保證傳輸的實時性和穩定性將是一個難點。
　　而對于個人用戶量測網絡來說，其特點是網絡節點數量大，但單個節點的數據量有限，此外網絡多采用無線（wireless)方式構建，如何收集這些數據并保證數據的實時性是智能電網需要解決的問題。針對個人用戶量測系統提出了一種基于壓縮傳感技術的智能電表量測系統模型，采用無線接入的方法，討另一方面，隨著廣域監控節點的逐漸多，已有的電力信息網絡逐漸無法滿足系統需求，同時大數據量對帶競造成的壓力還容易造成時延的加。如果能對電力系統原始數據本身作壓縮，則可以降低系統對帶競的需求。針對電網運行維護量測系統提出了一種基于矩陣奇異值分解的量測系統模型。通過分析電網連接的耦合程度來判斷哪些數據是需要在區域之間進行傳輸的，從而降低了需要傳輸數據的大小。
　　智能電網通信傳輸與傳統信息傳輸的主要區別在于系統的動態性較強，智能電網通信難點在于其對網絡延時大小及時延的穩定性要求較高。傳統電網通信控制系統如SCADA系統面臨的主要問題就在于延時過大，如何根據物理條件的限制在成本和性能之間進行平衡，也是未來智能電網研究的主計算機學報要難點。除此之外，如何保證智能電網數據信道的保密性和安全性也是一個待解決問題。
　　424智能電網上層應用網絡隨著分布式發電和儲能技術的推廣，從電能供應和使用的層面來看，電網的自組織特性會加強，在局域范圍內電網表現出自產自銷的特點。比如未來用戶使用的電能可能一部分來自大電網的供給，而另一部分來自其附近的新能源產生的電力。這種模式下傳輸和配電的損耗將降低，且有助于減輕大電網的負載。而這種自組織的電力供應網絡，其網絡模型與內容分發網絡CDN（ContentDeliveryNetwork）一致，電網中也可能產生類似于互聯網Cache和P2P的電力供應模式，即通過混合動力汽車PHEV（PlugrinHybridElectricVehicle）和電動汽車EV來充當Cache，在2004年便有類似的想法被提出。本文認為智能電網上層應用網絡可利用覆蓋網技術及信息中心網絡技術進行構建。）是基于當前TCP/IP架構互聯網通信的一種虛擬網絡。它通過在現有通信基礎框架上部署一組節點，改善TCP/IP網絡上的通信可靠性與服勞質量。覆蓋網可針對智能電網應用的多樣性提供網絡通信基礎支撐。例如微網系統中的發電負載平衡問題便可利用P2P模型解決。借助P2P技術在分布式資源發現方面的算法，系統可以較快獲取各節點用電和發電的數據，從而進行調配。如果在節點描述中加入地址等地域信息，系統還可根據就近供給的原則，減少輸電損耗。描繪(trace)了一種基于代理的微網輸配電調配模型。除此之外，P2P技術在電力計價系統、智能保護系統、智能卸負荷等多個方面均可得到應用。覆蓋網技術還可用于提高智能電網的安全性能和時延性能。通過設置安全集線器（hub），數據集中器可以通過認證等方式選取安全數據轉發節點。且采用覆蓋網技術有助于提高網絡整體的可靠性，不宜產生單點失效問題。
　　（InformationCentricNetwor-kmg，ICN）是當前未來互聯網體系架構研究的重要成果之一，基本思想是將信息對象與絡端位置剝離，通過(tōng guò)發布/訂閱范重要作用，以其為基礎的預警分析的應用、在通信及安全上面對的挑戰。此外，電網狀態量測往往針對大型電網組件或負荷，局域范圍內數量相對有限且量測單元的性能較高，但系統往往采用集中式的管理模式，所以導致系統中心節點負荷過大，帶競制約因素明顯。
　　自20世紀90年代起，智能抄表設備（AMR）逐漸開始應用試點，但AMR僅僅芫成了數據的遠程獲取和計費功能，并不具備對用戶用電行為進行調控的功能，信息(information)流單向傳遞。而由智能電表SM（SmartMeter）構成的高級量測體系AMI（AdvancedMeteringInfrastructure）則可實現信息流的雙向傳遞，智能電表及AMI體系是構建智能電網的基礎。相對于電網狀態量測，個人量測系統表現為在小區域范圍內數量大，可擴展性要求高；同時對數據的實時性和安全性有要求。
　　智能電網量測系統是智能電網實現的基礎，實現電力數據的采集功能。現有的量測系統包括SCADA系統、WAMS系統和AMI系統三類。其中SCADA系統和WAMS系統芫成對電力狀態數據的采集而AMI芫成對個人用戶數據的采集。SCA-DA系統實時性不強，正逐步被WAMS系統替代，而AMI目前還處在發展中，尚未形成成形方案。另一方面，智能電網量測系統作用的發揮依賴于數據分析處理系統。下面將對智能電網數據表示與存儲構架進行分析。
　　5.2數據表示與存儲系統52.1智能電網數據表示由于電網系統設備是由多個不同的廠家共同生產的，如何描述電網系統本身并且統一管理這些異構設備產生的數據是實現智能電網信息網的關鍵之一。電網系統的表示包括電力系統采集的數據的命名、數據的定義、設備的描述、設備間關聯關系的表述、通信模型的表述等多方方面內容。同樣，智能電網的數據表示可以劃分為電力系統數據表示和個人用戶數據表示兩類，如圄5所示（圄中與PM
　　U、RTU相連模型為電力系統數據表示模型；與SmartMeter相連模型為個人用戶數據表示模型）智能電網數據表示模型目前，電力系統數據描述已有的常用模型標準包括IEC60870協議組
　　①、IEC61850協議組
　　②、IEC61970協議組
　　③以及正在制定的IEC61968協議組
　　④。其中IEC60870協議組是較早（19901995年）制定的電力系統自動化協議組，其通信模型和數據模型適用于采用專用通信線路搭建的點對點通信網絡，目前正在逐步被替換。IEC61850協議組是描述變電站內通信網絡和系統標準體系的協議組，于1999年發布。協議采用了面向對象的數據建模方法，實現了對數據的自我描述，傳輸的數據自己帶有說明文件，使得數據傳輸時不需要再實現進行規約和轉換，從而具備了面向服勞的特點，而IEC60870協議組下數據傳輸時需要收發雙方事先對數據庫進行規約IEC61970協議組及IEC61968協議組均針對電網調度管理系統，其中IEC61970協議組主要面向EMS（能量管理系統）。而IEC61968主要面向DMS（配電管理系統），上述兩個協議組均采用了通用信息模型CIM.CIM模型也是采用面向對象的方法描述電網模型及其數據，可用UML圖來表示電力系統組件間的繼承、連接關系及資源屬計算機學報性，同時CIM模型還定義了CIM/XML文件，使得CIM模型可通過XML進行傳遞，這樣不同的應用系統就可以直接相互通信，因此CIM模型可用于電力系統的應用集成。同時，CIM還具有元數據描述管理的功能，可用于電網數據倉庫的建立。采用CIM模型對電力系統及其數據進行建模是構建智能電網信息網的趨勢，均提出了基于CIM模型的智能電網信息共享平臺設計方案。
　　就以智能電表為單元的個人用戶數據而言，已有數據模型有DLMS/COSEM模型，其對應的國際標準為IEC62056協議組
　　①。DLMS對智能(intelligence)電表數據的讀取、計費和負載控制進行了規約，COSEM涵蓋了DLMS規約的傳輸與用戶層規范。
　　5.2.2智能電網數據存儲模型智能電網具有可靠性要求高和數據海量的特點，這要求智能電網數據的存儲必須設置必要的冗余和備份機制；同時電網數據的存儲模型必須滿足快速查找和處理要求；而由于智能電網應用多樣，不同應用實時性要求也不相同，由此智能電網的數據存儲也可分為在線數據和實時數據兩種模式(pattern)。
　　目前主要有4種智能電網數據存儲方案：第1類方案為多個數據集中器，單一控制處理節點加上利用關系數據庫的集中存儲。其中每個數據集中器負責從一定數量的量測設備中獲取數據。目前我國電網系統中的廣域控制模型與之類似；第2類方案與第1類方案類似，但將集中式存儲拆分為分布式數據庫存(in stock)儲。第3類方案取消了利用關系型數據庫的存儲模式，提出了基于XML的〈關鍵字，值〉模型，并且采用類似MapReduce的算法對數據庫進行操作；第4類方案采用分布式文件系統與數據庫結合的方式存儲數據，即數據庫中存儲的不是原始的電網數據，而是數據的索引，原始數據以文件的形式存在于數據集中節點上，該方式類似于搜索引擎對網頁的搜索。結合智能電網中家庭電力數據的存儲和賬單計算這一應用對上述4類方案的并發處理能力和處理時間進行了仿真并給出了結以及針對家庭月賬單的計算時間。結果表明方案3的可擴展性較差而方案4的處理時間較長，方案1和方案2類似。
　　另一方面，由于智能電網數據應用類型數量不可預期，容易造成數據統一管理的困難。將智能電網數據抽象為歷史模式、實時模式和未來模式進行建模，而不是按照應用類型對數據存儲進行建模管理。其中實時數據管理主要針對實時數據分析(Data Analysis)的需求，利用內存數據庫進行存儲。歷史模式主要針對歷史數據的存儲、查找，采用時序數據庫進行存儲。而未來模式主要用于存儲未來的可能發生的設備的變化，例如加發電機等。在此基礎上，上層應用可以按需獲取和管理異構數據庫，從而解決異構數據模型的管理問題。此外，還有探討在量測系統AMI和數據管理系統DMS（DataManagementSystem）之間構建統一數據集成中間層MDI（MeterDataIntegration：59.從而使得AMI系統和DMS系統之間得到解耦，用于解決由于數據模型和通信協議的異構性造成數據存儲和管理的困難。
　　數據存儲模型選取的不同將導致查找、獲取和數據處理模式的不同，同時也會引起系統(system)響應時間的區別，如何為智能電網選取合適的存儲模型，將是未來智能電網研究中的一個重要方向。
　　5.2.3基于云計算的智能電網數據存儲從系統實現上來看，物聯網系統的搭建依賴于云計算平臺，云計算平臺為物聯網應用提供了計算和存儲資源作為物聯網的一個典型實例，云計算技術與智能電網的結合是必然趨勢。如提出了基于云模型的數據管理和處理模型，將智能電網數據分布式存儲在電網的各個節點，然后以服勞的形式將數據提供出來供應用訪問獲取。云存儲有助于解決智能電網數據存儲的海量性和可靠性問題。
　　OpenPDC是目前已經按入運行的一個智能電網數據處理系統，其實現基于開源平臺Hadoop.該系統應用對象為時間序列數據流，即數據源為經過GPS授時的數據流。應用背景即為智能電網中的WAMS系統，由于WAMS系統的采樣頻率為每秒30次，當WAMS系統的子單元PMU數量加時，會產生大量的數據。目前該項目管理了北美東部約120個PMU的數據信息，平均數據量約為每小時1.5GB.截至2009年我國僅在220kV電壓等級以上電力(electricity)系統部署的PMU單元個數已經達到1000以上，再考慮個人用戶實時產生的數據，可以預見未來智能電網的數據量是非常巨大的。在這種背景下，集中的數據存儲模式(pattern)將對網絡造成巨大的壓力，采用分布式存儲成為一種必然。同時由于電網穩定性的要求，數據本身存在冗余備份的需求。云計算平臺的分布式文件系統可以為此提供解決方案，且有助于提高電網系統的安全性。
　　1期曹軍威等：智能電網倍息系統(system)體系結構研究如何將云存儲應用于智能電網還存在不少問題尚待解決。首先，雖然已有提及未來電網的存儲模型，但尚無較成熟的方案，數據（data)采用數據庫存儲還是以文件形式存儲仍有爭議。其次，由于電網系統存在多樣性的特點，不同量測系統的數據格式并不統一，例如不同廠家的RTU數據格式都不相同，如何構建統一數據模型的問題也需要解決。此外，失去時效性的大量數據需要遷移備份，并且這種遷移是頻繁發生的，這種情況下保證存儲系統的運行效率成為難點。此外某些應用對于電網數據的獲取有時間限制，分布式文件系統的查找效率無法滿足其需求。
　　總體來看，盡管云計算的分布式存儲平臺和并行處理模型適合未來智能(intelligence)電網分散性、可靠性、安全性和數據海量性的需求，但依然存在應用障礙。
　　5.3分析與決策系統智能電網按入實際運行后，面臨的另一個巨大挑戰就是海量數據的處理能力。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 由于智能電網既要滿足個人絡端用戶與電網系統的交互需求，也要滿足電網控制系統對電網穩定性的控制需求，未來智能電網中有兩大類應用需要海量數據處理技術的支撐。第一類是智能電網穩定運行監控系統，它根據量測系統獲取到的數據進行動態安全評估DSA（DynamicSecurityAssessment），保證電網運行穩定，以及電網系統出現故障后恢復系統。第二類是智能銷售和消費系統，它通過實時電價自動平衡電能的供應和消耗，如微軟開發的Google的PowerMeter系統
　　②該類應用多與微網系統相結合，考慮新能源如風能、太陽能接入后分散發電資源的利用問題。此外，考慮智能電網數據的海量性，智能電網分析決策系統與云計算技術的結合是未來趨勢（trend)，因此本文認為未來智能電網分析決策系統結構如圄6所示。
　　智能(intelligence)電網分析決策系統5 31智能電網分析決策需求對于第一類應用，第一是要解決電網穩定性的判定問題電力系統的穩定性分為靜態穩定和暫態穩定兩類，其中暫態穩定描述的是電網出現大擾動后的魯棒性，比如出現短路故障、短線以及發電機突然摔負荷等等，如2003年美加大停電事故已有的電力系統暫態穩定評估方法（TSA）可以分為兩大類，一類是基于數學模型(model)的方法，包括時域仿真法，即通過建立電力系統各元件的微分方程，再通過數值方法求解各狀態量的時間特性；基于Lyap穩定判據的能量函數法、擴展等面積法以及動態安全域法。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 另一類是基于數據本身的模式識別方法，包括神經網絡、支持向量機、遺傳算法等多種方法。其中第一類方法面臨兩個主要困難：一是實際電力系統規模很大，往往最后變成幾干階的微分方程求解，無法滿足實時性要求；另一方面，由于電力負荷模型本身就是不可知的，現有分析方法往往采用估計和經驗的方法給定負荷的參數(parameter)，不精確，如何對電網負荷參數進行在線辨識也是未來智能電網亟需解決的問題。而第二類方法同樣面臨當系統規模較大時，數據集數量過大的問題，如何進行特征選取和壓縮目前尚無統一的模式。另一方面，在獲取到電網故障信息后，如何迅速重新配置電網結構使電網系統重歸穩態是第二個需要解決的問題。已有的方法包括啟發式算法、專家系統、數值計算、軟件仿真及多級代理等。其中除多級代理之外的系統均基于集中式架構建立，當系統規模較大時會出現計算瓶頸。
　　通過智能電表獲取到用戶用電數據后，智能電網的另一項功能是對用戶用電行為進行預測和建議，充分利用分布式能源發電能力，并通過電力使用時間(time)的遷移降低峰值使用時間段電力系統壓力，進而提高電力系統運行效率。其核心思想是利用實時電價調節用戶行為。該類應用通常分三步實現：（1）根據用戶數據構建行為模型并進行預測。
　　（2）中心處理單元獲取用戶數據進行全局優化（屬于多目標優化問題），例如對于單個用戶來說優化目標是最小費用，而對于電力系統來說優化目標是電力系統運行穩定性和效率。
　　（3）實時控制系統控制電器開關已有的實現方案多基于多級代理（agentbased），計算機學報每級代理進行出價（需要/發出的總電力及價格），再逐級匯總由最高級代理進行優化，如給出的實時定價算法就是這樣一種方法。結合電冰箱的用電控制實例進行了說明。據，該類優化問題屬于NP芫全問題，因此多采用啟發式算法求解。此外，如不考慮用戶向電網中送電的問題，則可以利用線性規劃方法求解。
　　5 32基于云計算的智能電網數據處理由于電網系統規模大、節點多，特別是智能電表得到的數據需要實時規劃和調度，這需要大量的計算資源進行分析處理，智能電網數據處理與云計算技術的結合成為必然。
　　已有研究工作探討智能電網與云計算技術的結合，如將云計算的分布式數據存儲模型和并行處理模型用于存儲電網數據，對數據子集進行并行處理再匯總處理結果。上文提到的Hohm系統就是基于云計算平臺的不足之處在于其處理算法要求數據子集之間互不相關，每個數據子集可以獨立進行運算處理，智能電網中的某些應用符合這種運算模式，比如實時電價計算。但還存在一類應用，需要跨區域的數據分析才能給出結果，數據子集之間不能解耦，如調度、發電負荷平衡(balance)、電網應急報警。這種情況下簡單的云計算模型并不能進行處理。電網的物理特性是系統本身的關聯性較強（電力系統之間存在電氣連接），也即意味著數據存在關聯性，是否可以改進并行算法，降低傳輸和計算的資源消耗，是未來智能電網研究的一個方向，如前文提到的通過分析電網連接的耦合層度來降低數據傳輸量。此外，如何在松耦合系統模型下保證系統處理性能，滿足處理時限要求，也是難點。
　　5.4控制與執行系統智能電網包括電能的發、輸、變、配、用等5個環節以及分布式新能源的接入和使用，所以其控制系統在傳統的廠站式控制系統上加入了額外（extra)的分布式頻率、功率、電壓、相位、負荷是電力系統的主要參數，電網系統頻率下降、電壓下降、發電機失效、過負荷都會造成電力系統事故甚至崩潰。傳統的電力系統控制主要針對以上參數進行調控，具體包括穩定控制、電壓及無功功率控制、頻率及有功功率控制、配電網控制、柔性交流輸電控制，在新能源大量引入后，分布式能源如何與傳統電網結合是未來智智能控制執行系統能電網需要解決的重點問題，因為新能源接入往往會給電網帶來新的安全穩定問題。在電壓及無功功率控制方面，已有算法包括優化問題求解的梯度類算法、牛頓法、二次規劃法、線性規劃法以及模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法及人工神經網絡等多種方法。頻率及功率控制方面，已有算法包括經典的IP控制、魯棒控制、神經網絡、遺傳算法及線性規劃法等。而配電網控制方面，已有算法包括整數規劃法、分支定界法、混合整數法、人工智能和啟發式算法以及基于多代理系統的方法。柔性交流輸電控制主要基于靜止無功補償器ASV
　　C、可控串聯電容器補償TCS
　　C、可控移相器TCPS及綜合潮流控制器UPFC.電力系統穩定控制和分布式能源發電控制的方法將在6.2節及6.3節進行詳細論述，在此不做討論。
　　從系統構架上來看，傳統電網的控制模式多采用集中式的構架。所謂集中控制就是所有采集到的數據統一發送至數據中心進行集中處理并給出控制反饋，而分散策略指將大電網按區域劃分，每個區域有自己的控制中心，控制中心之間通過共享數據實現對整個系統的控制。從系統性能上來看，集中式控制往往會對主節點產生過大的處理壓力和帶競壓力，同時也容易造成單點失效，所以未來電網的控制結構會逐步向分散結構過渡；另一方面，隨著新能源（解釋:向自然界提供能量轉化的物質)的引入，未來電網將是許多分散的微電網的集合，分1期曹軍威等：智能電網倍息系統體系結構研究布式控制的應用是一種必然。此外，分散式的控制模型下由于數據無需芫全在廣域范圍內傳遞，對于減少網絡延時和保證網絡穩定性也可能產生積極作用，如在信息網構架采用OPGW組網方法下研究了集中和分散控制策略下電網系統的延時和穩定性。從結果(result)上看，分散控制的平均延時更小且方差更小，意味著網絡的穩定性更好。
　　本節對實現智能電網的4個重要支撐平臺進行了分析。為了實現智能電網對電力的穩定控制、能源的實時調配以及新能源的接入等目標，需要構建基于智能電網基礎設施和支撐平臺的應用體系。下面著重從發電側、電網側和用電側這3方面對智能電網信息系統應用體系進行介紹。
　　6智能電網信息系統應用體系6.1發電側應用由于傳統化石能源的無法再生性及對環境造成的影響，綠色能源即新能源發電以及隨之產生的微網系統正逐漸成為未來電網系統發展的趨勢。
　　截至2008年，新能源占全球能源消耗的比例為19%，而且這一比例還在逐年上升。20042（）（）9年間，全球新能源容量的長速度在每年10%60%之間。列出了至2020年世界各國新能源發電占電網發電容量的預期百分比，其中丹麥、瑞士的部分地區預計在2030年前可用新能源發電芫全取代傳統能源發電。
　　本節著重對新能源發電接入傳統電網后的控制管理和能源調度問題(Emerson)進行分析，對于傳統電網的發電控制問題不予涉及，因為該類問題已經在電力系統領域進行過多年的研究。
　　6.1.1新能源接入管理廣義上的新能源包括可分派能源（cHspatchableenergy）和不可分派能源（nondispatchableenergy），其中水電站、生物能和地熱能均屬于可分派能源，而風能、太陽能和潮汐能均屬于不可分派能源。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。劃分的依據在于可分派能源的能源供應基本是可控的，而不可分派能源則相反，例如風力發電中風的速度和時間是不可控的。可分派能源的接入管理與化石能源發電系統無明顯不同，而不可分派能源由于能源供應的波動性，接入電網后會對電網系統的穩定性出現影響。因此，不可分派能源的接入管理問題將是未來智能電網發電系統的研究重點。目前，不可分派能源發電主要以風力發電、光伏發電和燃料電池為主。據2009年的統計數據，風力發電的容量長比其余新能源發電系統容量之和還要多，全球風力發電裝機總容量達到160GW，而光伏發電則是長速度最快的新能源發電系統。
　　光伏發電系統和風力發電系統的主要特點在于其能源供應的間歇性，因此會造成發電輸出電壓、頻率的波動。而這種波動性在接入電網后會對電網系統的整體穩定性產生影響。這種發電電壓和頻率的波動性表現為兩類問題：一類是正常發電期間由于能源供應波動造成的電能質量問題，如風速時大時小造成的電壓不穩定；二是能源輸入不穩定造成的能量輸出波動問題，如風力發電中風機輸出功率的波動，極端情況下風力過小或過大為保護風力發電機會停止發電，即停止輸出。為解決第一類問題，電力系統領域已進行了數十年的研究，目前已有方法多基于電力電子器件的應用，通過在風力發電機和電網之間加入變流器及電容器組合等電力電子器件，以實現對電壓抖動、頻率抖動、無功補償和有功輸出等發電系統關鍵參數的控制。例如風力發電機自20世紀80年代起經過了四五代的改進，早期的風力電機速度不可控，風機輸出僅通過一個無功補償環節就加入到大電網中，因此風力的波動直接會輸入到電網系統中，而目前的可控變速恒頻風力電機已可較好實現對風機輸出的電能質量控制，詳細信息可。在電能質量控制方面已有技術包括機械開關電容MSC
　　S、基于可控晶闡管的靜止無功補償SVCs以及靜止同步補償STATCOM在實現了在不可分派能源控制（control)基礎上，不可分配能源接入的穩定控制運行監控與上文論述傳統電力系統控制模型的一致而對于不可分派能源發電間歇性造成的第2類問題，則更依賴于智能電網傳感、量測、通信和數據處理環節的支撐圄8以風力發電為例描述了智能電網信息系統對風力發電接入的管理。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。
　　目前，解決風力發電系統可能出現的輸出不穩定問題，主要有兩條思路：一是通過預測風場所在地的風力輸出信息，結合負載測的能源需求信息，通過與電能存儲結合的混合新能源發電系統進行實時調度，以實現穩定的發電輸出但第1種思路需要大量的分布式存儲設備與風電系統配套建設，成本較高；二是通過對電網負荷的實時控制、平衡風力發電輸出和負載功率需求之間的關系，在風機輸出減少時減少負荷的使用，從而降低存儲設備的規AirEnergyStorage）、超級電容及電動(electric)汽車儲能系例如就是采用抽水儲能與新能源發電系統結合的實例。系統不同的存儲系統能量轉化效率、建設成本和適用模式都不相同，詳細內容可以