智能电网设计迈向商用化

【导读】美国国家标准技术研究院(NIST)的智能电网概念模型涉及多个“领域”之内和之间的控制和通信。这些领域包括消费者、服务提供商、市场、输电、配电、运营和大规模集中发电。每种控制和通信接口都为电子工程师提供了新的设计机会。

美国国家标准技术研究院(NIST)的智能电网概念模型涉及多个“领域”之内和之间的控制和通信。这些领域包括消费者、服务提供商、市场、输电、配电、运营和大规模集中发电。每种控制和通信接口都为电子工程师提供了新的设计机会。

就大众媒体的理解而言，智能电网主要见于“智能电表”，比如这种电表能让电力公司关掉消费者的干衣机。但事实上智能电网正面临三项挑战：目前相当脆弱的电网急需修复；不管哪里如果想建新的发电厂或铺设电力线，准有许多人出来强烈反对；电能是一种商品，需要像商品一样交易。

更进一步的因素是，欧盟、中国和美国政府正向智能电网投资数十亿的欧元、人民币和美元，用于研发目前还不存在，或者以上百种不同形式存在而缺乏互操作性必须加以协调的技术。因此技术专家有着很好的机会去开发这些技术，并得到丰厚的回报。

研究这些技术有助于理解现在大家都在讨论的话题。美国国家标准技术研究院、IEEE能源工程协会(PES)和数百家公司一直致力于制定智能电网方面的标准，这些标准将用来指导工程师设计比电表更高级的真正的智能电网产品。事实上，智能电网的需求大部分存在于信息技术领域：包括有线和无线联网、监视、控制和信息处理。

本文提到的大部分信息来自145页的“NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards， Release 1.0”，这是今年1月19日在美国马里兰州Gaithersburg市IEEE/NIST联合举办的创新智能电网技术会议上发布的标准。虽然这次会议的计划在2009年10月份才启动(参见“IEEE And NIST Smart Grid Conference Hits The Ground Running”)，但这次会议还是吸引了约700位与会者参加为期三天的讨论会和技术专题会议。

正如NIST和其它参与者正在开发的路线图中列出的25个最重要标准(见表)表明的那样，通信已经渗透到了智能电网的各个方面。这份列表主要偏重于信息技术和信息安全。

概念模型

为了方便讨论智能电网，在报告中和其它地方详细给出的“概念模型”从各个领域(用户、市场、服务提供商、运营、大规模集中发电、输电和配电)描述了智能电网。该模型还引用了参与者、应用、关联(逻辑连接)和互连(物理连接)。注意其中用到的“参与者”一词，因为它通常指明了需要设计的硬件部分。

图1：智能电网的基本概念模型。

表述智能电网概念模型的方法通常是依据领域分层表述，从用户开始，往后回溯到大规模集中发电、输电和发电。有一个非常简单的总体领域布局(图1) (还有代表每个领域的其它图)，但这张图没有展示各领域间的依赖关系。另外一张图则表明了智能电网交互(图 2)的复杂性，虽然它繁冗得让人倍感头痛。

为突出智能电网的革命性变化，接下来将不按各个领域通常的顺序来解释，重点放在运营考虑的财务事项上面，也即意味着从市场开始。

市场领域

虽然不是所有人都同意，但市场领域确实是使智能电网具有智能的地方。这是一个商品交易场所，电能和电能期货在这里进行买卖。(例如unlamented Enron公司现在就开展这种业务，但不是实时的。)

市场领域中的参与者交易价格，并平衡电力系统中的供需关系。市场领域的分界包括运营领域、发电并提供电能给消费者(发电、输电等)的供电领域以及用户领域的边界。

制定电能价格这个市场领域的功能使得智能电网超越了跨地区工业控制系统这样一个“简单的”角色。其财务成份使得它在通信方面必须具有可追溯性和可审计性。通信功能必须支持电子商务标准，以获得完整性并得到公众的认可。

这是一个发展中的技术领域。随着小型分布式能源(DER)提供的能量比重增加，与这些资源通信所允许的时延必须缩短。

NIST的报告指出，“市场领域中的高优先级挑战包括：价格和DER信号延伸到每个用户子领域；市场规则的简化；扩展集成商的能力；市场信息的所有供应商和消费者之间的互操作性；管理能源零售和批发的增长(和调节)；贯穿整个市场和用户领域以及他们相互之间不断演变的价格与能源特性通信机制。

根据NIST报告中的定义，市场领域的参与者由市场管理者、零售商、集成商和贸易商组成。市场管理者包括批发市场中的独立系统运营商(ISO)，或期货市场中的纽约和芝加哥商品交易所(NYMEX/CME)。还有输电、服务、需求响应市场以及基本电力市场。

“零售商将电能出售给最终用户，未来也许还能在用户之间集成或买卖DER(作为中间人)，或将它们推向市场。大多数零售商与贸易组织相关联，从使其能参与批发市场。”报告指出。

“集成商将较小的参与者(如供应商、用户或节能公司)整合起来，以使分布式资源也能进入大型市场。”报告继续表示，“贸易商也是市场的参与者，包括从事部署、消费和节能的集成商以及其它有资格的实体。有许多公司的主要业务就是购买和销售能源。”

服务提供商领域

在服务提供商领域，“服务”是指类似开帐单和管理用户帐号等功能，用于支持电力系统生产商、配电商和用户的业务流程。主要挑战包括维护网络安全以及电网的可靠性、稳定性、完整性和安全性。[!--empirenews.page--]

服务提供商领域与市场、运营和用户领域相连。与运营领域的通信可以让人了解系统控制和状态。与市场和用户领域的通信将支持新的“智能”业务，特别是用户与市场的交互。

用户领域

智能电网的根本目的是随着用户变成供应链中的主动参与者，实现功耗的降低和发电量的增加。

用户领域根据典型需求通常被分成三个子领域，分别是家庭(小于20kW)、商业/大楼(20至200kW)和工业(大于200kW)子领域。每个子领域都有多个参与者和应用，每种应用又有一个电表以及可以放在电表、能源管理系统(EMS)或独立网关中的能源服务接口(ESI)。

ESI是主要的服务接口，它可以通过高级计量基础设施(AMI)或其它一些方式(如互联网)实现与其它领域的通信。ESI还通过家庭局域网或其它局域网与用户端中的设备和系统通信。

EMS是远程负载控制、分布式发电的监视及控制、用户使用情况的室内显示、非电表读数以及与大楼管理系统和企业集成等应用的接入点。它还能提供对网络安全性的审查/记录功能。

每个用户可能有多个EMS，因此可能有多条通信路径。用户领域通过电气连接到配电领域，并与配电、运营、市场和服务提供商领域互通。重要的是，用户领域也可能向电网提供小型发电电能。

运营领域

运营领域中的参与者负责电力系统的顺利运行，其中包括卡车上的工人以及办公室内提供支持的职员。

在输电操作中，电力公司使用EMS，而配电操作采用类似的配电管理系统。在智能电网中，责任可能从受规管的电力公司转向新的电力业务阶层：外包服务提供商。

大规模集中发电领域

大规模集中发电领域涉及各种发电技术：热电、核裂变、水力、风力、太阳能或地热。这个领域通常通过硬连线与输电领域连接。但大规模集中发电领域同时也与运营和市场领域相邻。

该领域必须就性能和服务质量问题沟通，例如资源缺乏(特别是风能和太阳能)和发电机故障，这些故障可能会影响电能从其它源级传送到输电系统的路径。供电不足可以直接(通过运营)或间接(通过市场)解决。参与者包括保护型继电器、远程终端单元、设备监视器、故障记录器、用户接口和可编程逻辑控制器等设备。

输电领域

这里的输电指的是将电能从发电站通过多个变电站大量地传送给配电系统。这个领域可能包括电能储存或峰值发电单元等DER。

输电网络通常是由地区性的输电运营商(RTO)或独立的系统运营商(ISO)运作的，他们的主要责任是通过平衡发电(供)和负荷(需)保持电网的稳定。

这个领域中的参与者包括远程终端设备、变电站电度表、保护型继电器、电力质量监视器、相量测试单元、垂度(sag)监视器、故障记录仪和变电站用户接口。在需要时能够发送的电量是从市场领域获得的，并由运营领域调度和操作，然后通过输电领域传送到用户领域。

配电领域

配电领域包括输电领域和用户领域之间的电气互连。工作人员有邻近的工人以及派遣这些工人的办公室职员。配电领域包括电能消费计量点、分布式储电和分布式发电。其可靠性取决于结构、参与者类型、参与者相互间以及与其它领域中参与者的沟通程度。

过去，配电系统的拓扑是放射状的，基本没有遥感测量功能，也就是说，这个领域中几乎所有的通信都是由人工用电话和双向无线电设备完成的。在智能电网中，配电领域将与运营领域更紧密地进行实时通信，管理与市场领域相关的电力流向。在一些场合中，第三方用户服务提供商可使用配电领域中的基础设施与用户领域通信。

关于配电领域中的人员如何看待智能电网请参见“Anticipating Unanticipated Consequences.”。

相关工作

概述模型中的“参与者”为新的硬件设计提供了机会。设计工程师如何把握设计中需加入的内容呢？下面给出了一些线索。为了确定标准工作的优先级，NIST选择了一些关键功能以及网络安全和网络通信方面的内容。这份列表提供了一系列潜在的工作领域。

对广大区域状态的了解：应该在大范围区域上通过互连以近乎实时的方式监视并显示电力系统的组件和性能。

需求响应和消费能效：在高负荷期间或电源存在可靠性风险时，应有针对电力公司、商业、工业和住宅用户的机制和鼓励措施以减少能源使用。

能源存储：如今谈得最多的是抽水蓄能水力发电，即在夜晚将水从低水位的湖泊抽取到有坝的高水位湖泊，然后在白天获取电能。这种方法技术含量较低，但非常有效。不过，NIST指出，“新的储电功能，特别是分布式储电将使从发电到最终使用的整个电网受益。”

电力输送：主要是将插电式电动汽车(PEV)与电网进行大规模的集成。

网络安全：必须确保电子信息通信系统和电网控制系统的机密性、完整性和可用性。

网络通信：由于智能电网领域和子领域将使用各种公共和私有通信网络，因此需针对运作要求制定性能规格和标准。

AMI：电力公司确实需要AMI，以便可以通过动态调价实现住宅需求响应。AMI由通信硬件和软件加上系统与数据管理软件组成，可实现高级电表和电力公司业务系统之间的双向网络。[!--empirenews.page--]

配电网管理：尽可能优化连网配电系统中的馈电线、变压器和其它元件性能，并与输电系统和用户操作集成的新方法。

消费端

“智能电网和用户领域之间的接口特别重要，对消费者而言这是智能电网中最可见的部分。”NIST报告指出。如前所述，概念参考模型将用户领域的接口划分为电表和ESI。这个ESI是连接用户住宅网络的网关。

电表和ESI测试和记录电力使用情况，并将这些数据向上发送给服务提供商。它们还能处理各种服务供给和维护功能，例如纠错、远程服务连接和断开。最重要的是，在这里实现定价并生成需求响应信号。

这里有许多“不切实际”设计机会。“一些新的与能源有关的创新服务(我们今天可能没法想像的服务)将被开发出来，并且可能会在智能电网和用户领域之间产生额外的数据流。”NIST报告写道，“用户领域中的设备使用的通信技术和标准的多样性对实现互操作来说是个巨大的挑战。另外，确保网络安全是一个重要考虑因素。”

理解电表和ESI之间的区别是很有用的，NIST报告认为这是“参考模型的一个非常重要的前瞻性因素。”

除了测量、记录和发送有关电力使用情况的信息外，电表还必须能测量从分布式发电站或位于用户住宅的储电资源流回电网的电力。

目前还存在许多与电表所有权有关的设计问题。在加州试销市场中的智能电表早期使用经验表明，需要电表制造商与他们的电力用户一起紧密工作，以便直接处理公共事务的电力公司人员能完全理解运作原理。在市政厅会议上，无法回答像“电表的智能部分是从电表的电网侧获取电能还是从用户侧获取电能”这样的听众提问真是给试验浇了一盆凉水。

不信任的出现是因为与用户住宅中的其它设备不同，电表属于服务提供商，而服务提供商可能与电力公司是同一家公司，也可能不是同一家。

也许设计一个ESI看起来更吸引人。如果你正在设计ESI，请记住用户与能源服务提供商是通过信息管理网关实现互动的。ESI标准必须允许对市场结构和服务方面的创新。它的基本功能要求产生响应信号，如价格/kWh信息，但追求更高级服务的可能性是无限的。

住宅环境和商业/工业环境之间的区别之一是复杂程度和用户参与度，在配置住宅网络以达到智能电网通信要求的互操作性和安全性时，复杂程度和用户参与度是可以设定的。

虽然许多家庭已有一个或多个用于计算机或消费电子设备互连的数据网络，但这不是普遍现象。即使在有数据网络的家庭中，消费者也可能不愿意去配置设备以便通过他们的家庭网络进行通信。任何人，只要不是铁杆的技术爱好者，都宁愿购买智能电网即插即用干衣机这类设备。

同样，家庭环境中还有许多无线和有线物理数据通信接口。也许家庭电网论坛(Home Grid Forum)的G.hn小组的工作会给我们指明方向。

隐私

在整个智能电网标准制定过程中，隐私是一个备受关注的问题。智能电表读取数据非常频繁。这些读取的信息送入智能电网网络后可能会提供家庭内部活动的详细时间。这些数据可能针对特定的个体，或泄露敏感数据。这不仅仅是有着大量生长灯的家庭式大 麻农场主担心的事。找出某家制造工厂每班耗电情况可能是工业间谍一心想要的东西。

此外，还会因为收集到的数据的合法所有权问题而产生隐私问题。所有权涉及控制和使用权。如果消费者不被认为是从电表和家庭自动化系统收集到的数据的主人，消费者可能得不到向数据所有人提供的法律方面的隐私保护。

安全性

在易受恐 怖袭击的时代，安全性是一个更重要的考虑因素。记住，我们正在讨论的是巨大数量能源的产生、输送和配送。总之，风险非常高，因为智能电网信息和控制信号要流过这么多网络，而且有这么多的所有者。

为解决这个问题，NIST设立了一个智能电网网络安全性协调工作组(CSCTG)，该工作组由300多位志愿者组成，他们分别来自商业、大学、监管组织和联邦机构。目前他们正在用高等级风险评估技术制定网络安全性要求。NIST已经发布了初步报告“NIST Interagency Report (NISTIR) 7628 Smart Grid Cyber Security Strategy and Requirements”，这份报告描述了CSCTG为智能电网制定的网络安全总体策略。

SGIP

NIST行动计划的新阶段已正式确立，即成立智能电网互操作性专家组(SGIP)。到2009年12月中旬，也就是成立一个月后，SGIP成员已经超过400个，分为22个股东类别。

SGIP的任务是支持智能电网互操作性构架的不断发展；识别和解决额外的隔阂；反映技术变化和标准要求；继续协调SSO工作，并及时支持新版或修订版的智能电网标准。

欲了解有关SGIP的股东组成、会议及成果等全面信息，请登录NIST Smart Grid Collaboration Site。

SGIP的一个工作重点是确保一个网络安全级别的下降不会影响其它互连系统的安全。对于安全性的妥协可能会影响整个电网的可用性和可靠性。

这为设计工程师提供了进一步的机会。每个领域中的设备和应用都是网络端点。它们包括智能电表、电器、自动调温器、能量存储设备、电动汽车和消费端的分布式发电设备。

输电和配电领域中的其它设备包括输电线变电站中的相量测量单元(PMU)、变电站控制器、分布式发电站和储能设备。运营领域则包括监控和数据采集(SCADA)系统以及运营中心的计算机和显示系统。[!--empirenews.page--]