智能电网

本书全面阐述了当前智能电网领域的基本理念、最新技术、工业标准和相关政策法规，以及智能电网在全球范围内的实践情况，使读者能对智能电网这一当今电力工业界的热门话题建立起全局性的概念。书中的智能电网不是对当前电力系统的简单修补和数字化，而是对电力系统的各个方面都有更新换代的要求，所涉及的范围相当广泛。本书通过大量技术细节的介绍，辅之以详尽直观的图表，使对电力系统任一侧面感兴趣的读者都能获得大量有价值的信息，进而理解和把握相关的知识，乃至以之为基础对相应领域进行更加深入的研究。

译者序
原书序
原书前言
致谢
本书作者
贡献者列表
第1章电力行业概况
1.1美国：电力行业历史回顾
1.1.1电气化和监管
1.1.21965年美国东北部停电事件
1.1.31973～1974年能源危机
1.1.4放松管制
1.1.52000～2001年西部能源危机
1.1.62003年东北部大停电
1.2世界其他地区
1.2.1西欧和东欧
1.2.2拉丁美洲
1.2.3中东和非洲
1.2.4亚太地区
1.3电力监管体系
致谢
参考文献

第2章智能电网是什么？为什么现在提出？
2.1智能电网还是更加智能的电网？
2.2智能电网的驱动力
2.3利益：不仅仅是商业上的论证
2.3.1电力公司的利益
2.3.2用户利益
2.3.3环境利益
2.3.4提高可再生清洁能源的比重
2.3.5电动汽车与电网的整合
2.3.6协同收益
2.4美国电力行业面临的挑战
2.4.1发电和能源结构的变化
2.4.1.1煤
2.4.1.2天然气
2.4.1.3核能
2.4.1.4燃油
2.4.1.5可再生能源发电
2.4.1.6储能技术
2.4.1.7用户需求管理
2.4.2输电线路扩建
2.4.3新的需求
2.4.4新技术带来的机遇
2.4.5监管所面临的挑战
2.5联邦政府对美国智能电网的影响
2.5.12007年能源独立与安全法案，第XIII编
2.5.22009年美国复苏与再投资法案
2.5.3美国能源部
2.5.3.1智能电网示范项目和投资补贴
2.5.3.2智能电网工作组
2.5.3.3电力咨询委员会
2.5.4美国国家标准与技术研究院
2.5.4.1智能电网互操作性工作组
2.5.4.2智能电网咨询委员会
2.5.5联邦能源管理委员会
2.6国际条约和非政府组织
2.6.1条约和谈判
2.6.2国家、地区的行动和先例
2.6.2.1亚洲/太平洋地区
2.6.2.2欧洲
2.6.2.3非洲/拉丁美洲
2.6.3非政府组织
2.7智能电网行业计划
2.7.1EPRI的IntelliGrid理念
2.7.2EPRI智能电网示范计划
2.7.3智能能源协会
2.7.4智能电网协会
2.7.5智能电网架构委员会
2.7.6国际电工委员会第57技术委员会
2.7.7IEC智能电网战略小组（SG3）
2.7.8英国低碳转型计划
2.7.9电力网络战略小组
2.7.10OFGEM低碳网络基金
2.7.11欧洲可再生能源战略
2.7.12可持续电力和分布式发电中心
2.7.13智能电网信息交换中心
2.8智能电网的市场前景
2.8.1市场驱动力
2.8.2市场潜力
2.8.3智能电网和IT支出预测

第3章智能电网技术
3.1技术驱动力
3.1.1电网改造
3.1.2智能电网的特征
3.1.3智能电网技术框架

3.2智能能源
3.2.1可再生能源发电
3.2.1.1智能电网下的市场调控与驱动
3.2.1.2集中式发电与分布式发电
3.2.1.3可再生能源技术
3.2.1.4智能电网中的可再生能源需
3.2.2储能系统
3.2.2.1储能技术在智能电网条件下的市场调控与驱动
3.2.2.2集中式与分布式储能系统
3.2.2.3储能技术
3.2.3电动汽车
3.2.3.1智能电网下的市场调控与驱动
3.2.3.2电动汽车技术
3.2.3.3电动汽车对电网的影响
3.2.4微网
3.2.4.1微网的定义
3.2.4.2发展微网的驱动力
3.2.4.3微网的收益
3.2.4.4微网的挑战与机遇
3.2.4.5微网试点工程
3.2.4.6微网的类型
3.2.4.7微网的架构
3.2.5新能源接入的挑战、收益及方案
3.2.5.1接入标准
3.2.5.2可再生能源接入的影响
3.2.5.3电动汽车接入的影响

3.3.智能变电站
3.3.1保护、监测和控制设备（IED）
3.3.2传感器
3.3.3监控与数据采集（SCADA）
3.3.3.1主站
3.3.3.2远程终端设备
3.3.4变电站技术的进步
3.3.5智能馈线应用平台
3.3.6互操作性和IEC61850
3.3.6.1过程层
3.3.6.2间隔层
3.3.6.3站层
3.3.6.4IEC61850的优点
3.3.7基于IEC61850的变电站设计
3.3.7.1变电站设计模式的转变
3.3.7.2IEC61850变电站层次结构
3.3.7.3IEC61850变电站架构
3.3.7.4基于站层总线的架构
3.3.7.5站层和过程总线架构
3.3.8变电站在智能电网中的角色
3.3.8.1工程与设计
3.3.8.2通信基础设施
3.3.8.3运行和维护
3.3.8.4企业集成
3.3.8.5试验与调试

3.4输电系统
3.4.1能量管理系统
3.4.1.1能量管理系统的历史
3.4.1.2当前的EMS技术
3.4.1.3智能电网能量管理系统的发展
3.4.1.4控制系统网络安全方面的考虑
3.4.2柔性交流输电和高压直流输电
3.4.2.1电力系统的发展
3.4.2.2灵活交流输电系统
3.4.2.3高压直流输电
3.4.3广域监测、保护和控制（WAMPAC）
3.4.3.1概述
3.4.3.2WAMPAC的技术驱动力及其优点
3.4.3.3智能电网中的WAMPAC需求
3.4.3.4主要的WAMPAC应用实例
3.4.3.5WAMPAC在智能电网中的角色
3.4.4输电系统在智能电网中的角色

3.5配电系统
3.5.1配电网管理系统
3.5.1.1配电网SCADA
3.5.1.2配电网SCADA及控制的发展趋势
3.5.1.3配电网管理系统现状
3.5.1.4配电网管理系统的发展趋势
3.5.2电压无功控制（VVC）
3.5.2.1电力传输损耗
3.5.2.2配电网的电压波动
3.5.2.3电压对负荷的影响
3.5.2.4VVC的动机、目的和效益
3.5.2.5变电站内的VVC装置
3.5.2.6馈线上的VVC装置
3.5.2.7VVC的实现
3.5.2.8电压无功优化（VVO）
3.5.3故障监测、隔离和恢复供电（FDIR）
3.5.3.1配电网系统故障
3.5.3.2FDIR的驱动力、目标与益处
3.5.3.3FDIR设备
3.5.3.4FDIR的实现
3.5.3.5智能电网的可靠性要求
3.5.4停电管理（OMS）
3.5.5高效配电变压器

3.6通信系统
3.6.1通信：智能电网的关键条件
3.6.2智能电网通信需求
3.6.2.1高级计量体系中的通信技术
3.6.2.2智能电网运行的通信技术
3.6.2.3家庭局域网
3.6.3智能电网的无线网络解决方案
3.6.3.1蜂窝通信
3.6.3.2射频无线网状网络
3.6.4通信标准和协议
3.6.4.1IEC61850
3.6.4.2DNP3和IEC60870-5
3.6.4.3IEEE37.118
3.6.4.4IEC61968-9和MultiSpeak
3.6.4.5ANSIC12.19、ANSIC12.18、ANSIC12.21和ANSIC12.22
3.6.4.6高可用性协议
3.6.4.7时间同步协议
3.6.5智能电网中的通信问题
3.6.5.1技术复杂性的处理
3.6.5.2遗留技术整合、转移、和技术生命周期
3.6.5.3通信服务规划和演变趋势
3.6.5.4无线网络的网络安全
3.6.5.5管理和组织的挑战
3.6.6智能电网通信：集成路线图

3.7监视和诊断
3.7.1体系结构
3.7.1.1层次1：就地层
3.7.1.2层次2：站/馈线层次
3.7.1.3层次3：中央控制室层次
3.7.2无线传感器网络
3.7.3诊断
3.7.4未来的趋势

3.8地理空间技术
3.8.1技术路线图
3.8.1.1纸质地图的时代
3.8.1.2数字地图的出现
3.8.1.3从地图到地理空间信息系统
3.8.1.4在电力企业各层面的应用
3.8.1.5发展中国家地理空间技术的应用
3.8.2发展中的电网
3.8.3地理空间中的智能电网
3.8.3.1核心空间功能
3.8.3.2电网的规划和设计
3.8.3.3电网的运行和维护
3.8.3.4移动的地理空间信息技术
3.8.3.5吸引用户
3.8.4智能电网对地理空间技术的影响
3.8.4.1规模上的处理
3.8.4.2向实时化转变
3.8.4.3支持分散的用户
3.8.4.4可用性
3.8.4.5可视化
3.8.4.6相关标准
3.8.4.7数据质量
3.8.4.8更加开放：传感器和其他数据源
3.8.4.9更加封闭：出于安全性考虑
3.8.4.10更加封闭：出于私密性考虑
3.8.5未来的方向
3.8.5.1结构
3.8.5.2云计算
3.8.5.3新地理技术(Neo-Geo)的地位

3.9资产管理
3.9.1资产管理的驱动力
3.9.1.1安全性
3.9.1.2可靠性
3.9.1.3经济性
3.9.1.4监管体制
3.9.2资产利用优化
3.9.3资产管理的实施
3.9.4当智能电网遭遇商业行为：电力运行部门眼中的资产管理
3.9.4.1资产状态监测
3.9.4.2对劳动力更有效的管理
3.9.4.3电力部门资产管理应用实例
3.9.5当智能电网遭遇用户实际需求：用户眼中的资产管理
3.9.5.1现场发电
3.9.5.2能量需求及消费的管理
3.9.6集中化数据驱动的资产管理
3.9.6.1数据采集
3.9.6.2数据集成及分析
3.9.6.3基于数据的决策
3.9.6.4决策的实施
3.9.7资产管理与地理空间信息的整合
3.9.8智能电网背景下的先进资产管理技术

3.10智能电表及高级计量体系（AMI）
3.10.1电表的演化过程
3.10.2电表读数方法的演化过程
3.10.3建设高级计量体系的驱动力及所带来的效益
3.10.4高级计量体系的通讯协议、标准及典型方案
3.10.4.1ANSIC.12.18及C.12.19
3.10.4.2IEC61968-9：通用信息模型
3.10.4.3IEC62056DLMS-COSEM标准
3.10.4.4北美电力可靠性委员会：关键设施继电保护安全性需求书
3.10.4.5美国国家标准技术局
3.10.4.6智能能源规范
3.10.4.7通用信息模型
3.10.4.8802.16e
3.10.5高级计量体系的安全性
3.10.5.1高级计量体系的安全战略
3.10.5.2高级计量体系的安全性需求
3.10.5.3AMI安全性方面所面对的威胁
3.10.5.4AMI的实用安全性规范
3.10.6智能电网中的高级计量体系需求
3.10.6.1计量数据的读取
3.10.6.2内部设备的管理
3.10.6.3远程配置
3.10.6.4固件升级
3.10.6.5时钟同步
3.10.6.6确保本地访问
3.10.6.7试验和诊断
3.10.6.8其他功能
3.10.6.9对用户用电界面的支持
3.10.6.10与电力企业应用系统的集成

3.11需求侧管理
3.11.1需求侧管理的机制
3.11.2用户用电模式和用电行为
3.11.3电能的节约和推迟利用
3.11.4供电侧的功率平衡
3.11.5用电侧的功率平衡
3.11.6电力企业和用户之间的互动
3.11.7需求侧管理的价值
3.11.8智能电网对需求侧管理的技术支持
3.11.8.1超越“削峰填谷
3.11.8.2电力企业的需求响应管理
3.11.8.3提高用户参与需求侧管理能力的措施

3.12智能电网的技术整合及企业级应用集成
3.12.1应用系统集成后的协同作用
3.12.2技术整合实例
3.12.2.1配网运行应用系统的集成
3.12.2.2AMI与配电网运行应用环境的集成
3.12.2.3利用多种智能电网技术的停电管理
3.12.2.4劳动力资源管理、资产管理和电网管理系统的集成
3.12.3企业级集成
3.12.4数据集成与应用程序集成的对比
3.12.5企业服务总线
3.12.6服务导向架构
3.12.7企业信息管理
3.12.7.1构建企业信息管理框架
3.12.7.2企业语义模型的角色
3.12.7.3ESM的架构
3.12.7.4ESM的信息源
3.12.7.5EIM总体规划的建立和部署
3.12.7.6EIM带来的效益
3.12.7.7运行技术系统和信息技术系统的集成

3.13.高级智能电网应用中的高性能计算
3.13.1智能电网中的计算挑战
3.13.1.1数据的复杂性
3.13.1.2模型的复杂性
3.13.1.3计算的复杂性
3.13.2高性能计算对现有功能的改进
3.13.2.1并行状态估计
3.13.2.2并行静态安全分析
3.13.3高性能运算带来的新功能
3.13.4智能电网中的高性能计算

3.14网络安全技术
3.14.1安全的定义
3.14.1.1机密性
3.14.1.2完整性
3.14.1.3可用性
3.14.1.4可控性
3.14.1.5真实性
3.14.1.6实用性
3.14.2通信模型
3.14.3安全功能
3.14.3.1分层化安全模型
3.14.3.2身份认证
3.14.3.3授权
3.14.3.4审查
3.14.3.5秘钥管理
3.14.3.6消息完整性
3.14.3.7网络的完整性
3.14.3.8系统完整性
3.14.4安全威胁
3.14.4.1人为因素
3.14.4.2处理过程
3.14.4.3相关技术
3.14.5智能电网中的网络安全
3.14.5.1身份认证与授权服务
3.14.5.2证书服务
3.14.5.3网络安全服务

3.15智能电网的标准化工作
3.15.1关于标准和技术的简介
3.15.2标准制定组织
3.15.2.1关注智能电网标准的典型SDO工作组简介
3.15.3.行业联盟
3.15.3.1智能电网行业联盟实例
3.15.4用户组
3.15.5智能电网标准的评估
3.15.6智能电网标准的需求差异分析和建设任务的分解
3.15.6.1发电方面的技术标准
3.15.6.2输电方面的技术标准
3.15.6.3配电方面的技术标准
3.15.6.4AMI通信技术方面的技术标准
3.15.6.5用户方面的技术标准
3.15.6.6企业级集成方面的技术标准
3.15.6.7NERC的CIP标准
3.15.7超越标准化
3.15.8关键问题
3.15.8.1先进技术的部署仍未完全研究成功
3.15.8.2小型电力企业缺乏市场推动力
3.15.8.3在互操作性方面存在弱点
3.15.8.4企业应用集成方面的问题
3.15.8.5缺乏标准的配电局域网，尤其是无线网状网络和电力线宽带网络
3.15.8.6过多的家庭局域网标准
3.15.8.7电力企业与用户间关口的确定
3.15.8.8通用信息模型（CIM）
3.15.8.9历史遗留的输配电自动化系统
3.15.8.10设备孤立时经济性差，设备整合时初期投资需求高
3.15.8.11不同业务的融合
3.15.8.12整体安全性的实现
3.15.9最佳实践
3.15.10立法和监管
3.15.11智能电网标准的进一步发展
缩略语表
附录相关技术列表
参考文献
参考书目

第4章智能电网的发展障碍及成功的关键因素
4.1电力企业的组织和业务流程转型
4.2运行技术和信息技术的融合
4.3综合系统方法
4.4网络安全
4.5数据隐私
4.5.1美国电网安全
4.6利益实现
4.7绩效目标和进度衡量
4.8技术投资和创新
4.9用户参与和自主控制权
4.10供应伙伴
4.11标准的制定、协调和加速发展
4.12政策和监管
4.12.1政策措施实例
4.13行业知识和技能
4.13.1美国劳动力供应减少
4.14知识和未来教育
4.14.1未来学习的形式和目标
4.14.2知识构建计划实例：英国电力学会

第5章全球智能电网计划
5.1智能电网投资
5.2澳大利亚
5.2.1领导机构
5.2.2项目实例
5.2.3国家驱动力和利益
5.2.4规模
5.3加拿大
5.3.1领导机构
5.3.2项目分类/技术
5.3.3项目实例
5.3.4地区驱动力和利益
5.3.5国家驱动力和利益
5.3.6规模
5.4中国
5.4.1领导机构
5.4.2项目分类/技术
5.4.3项目实例
5.4.4地区驱动力和利益
5.4.5国家驱动力和利益
5.4.6规模
5.5欧洲
5.5.1领导机构
5.5.2项目分类/技术
5.5.3项目实例
5.5.4地区驱动力和利益
5.5.5国家驱动力和利益
5.5.6规模
5.6印度
5.6.1领导机构
5.6.2项目实例
5.6.3国家驱动力和利益
5.6.4规模
5.7日本
5.7.1领导机构
5.7.2项目实例
5.7.3国家驱动力和利益
5.7.4规模
5.8韩国
5.8.1领导机构
5.8.2项目实例
5.8.3国家驱动力和利益
5.8.4规模
5.9拉丁美洲
5.9.1领导机构
5.9.2项目分类/技术
5.9.3项目实例
5.9.4地区驱动力和利益
5.9.5国家驱动力和利益
5.9.6规模
5.10美国
5.10.1领导机构
5.10.2项目分类/技术
5.10.3项目实例
5.10.4地区驱动力和利益
5.10.5国家驱动力和利益
5.10.6规模
5.11其他国家和地区
5.11.1领导机构
5.11.2项目分类/技术
5.11.3项目实例
5.11.4地区驱动力和利益
5.11.5国家驱动力和利益
5.11.6规模
5.12全球合作与发展
5.12.1美国、加拿大、爱尔兰、法国、澳大利亚和日本
5.12.1.1领导机构
5.12.1.2项目分类/技术
5.12.1.3项目实例
5.12.1.4地区驱动力和利益
5.12.1.5国家驱动力和利益
5.12.1.6规模
5.13总结
参考文献
第6章智能电网：未来之路在何方？
6.1未来几年
6.2市场驱动力和促进因素
6.2.1技术创新
6.2.2政策和监管重点以及电力市场的作用
6.2.3经济增长和全球电力市场的变化
6.3是一时的时尚还是彻底失败，或终将功成名就？
参考文献

原书前言——全球视角：智能电网如何将21世纪新技术与20世纪的电网相结合？电力工业从没有像当前这样收到各方的关注，也从没有什么电力词汇像“智能电网”一词这样受到如此广泛的使用。从我们当前所处现状出发，智能电网向我们承诺了电网转型的辉煌成功、供电部门的英雄行为、令人难以置信的技术突破、对用电用户参与用电管理更高热情的期望、更清洁的环境、更多的就业机会……各级输配电运行部门均声称应在智能电网框架内得到优先发展，人们不断提出许许多多关于智能电网的新理念，并频繁举行关于智能电网的各式各样的会议。自从智能电网（或智慧型电网）的理念开始被大肆宣传以来，电力工业界发生了显著的变化，在全世界范围内人们都为此付出了巨大的努力，开展了各种形式的合作，期望证明智能电网对于解决当前面对的问题的确是有效的。然而一些最基本的问题仍悬而未决：智能电网的精确定义到底是什么？我们如何建设智能电网？人们所钟爱的智能电网的概念到底现实吗？“智能电网”一词是有些难以捉摸的，可以有各种不同的理解。当然，各种理解都是围绕着电力工业这一核心的，包括发展智能电网的必要性、对电力监管改革的必要性、相关技术及应用等。毫无疑问，智能电网的理念在全世界范围内都引起了广泛的关注，部分是由于智能表计技术取得了长足的进步，以及各种科研基金都对相关课题增大了资助力度。不仅仅在美国是这样，在世界上其他地区也是如此。智能电网使人们更关注如何高效环保地使用电能，有助于电能使用者主动参与到削减能源消耗的行动中来。从电力工业的发展历史来看，行业内部所发生的各项革新总是相对缓慢的。的确，智能电网所兜售的许多技术都已经出现许多年了，但我认为这些现有的技术在应用到智能电网中时仍将仅停留在一些示范工程的层面，还远未达到大范围推广应用并产生持续效益的程度。在我们定义智能电网的时候往往不是描述它是什么东西，而是描述它能为电力部门、消费者、社会及环境带来什么。智能电网依赖于多项技术在更高层面上的协同作用，例如，将先进的IT技术与电网调度应用相整合，可以带来目前难以想象的效益，并为整个电力工业界带来巨大的改变，这种协同和整合是人们在发展智能电网时需要加以关注的。目前的智能电网已经达到了这种水平吗？——显然还没有。我们最终能发展到这种水平吗？——在当前的发展阶段无人能知晓。由于起初主要监管及投资机构对智能表计和高级计量体系有浓厚的兴趣，使得智能电网经历了一个快速发展的阶段。但是现在全球市场和财政都未从危机中恢复，在对以往发展的成功和失败进行评估时并未取得一致意见，使得智能电网似乎进入了一个潜伏期。 本书探讨的是当下的流行词汇：智能电网。书中回答了如下问题：什么是智能电网？为何智能电网的概念受到了如此多的关注？在智能电网框架内，供电部门、零售商及监管者分别扮演了什么角色？本书是许多作者观点的融合，从一开始就是如此。书中描述了电力工业要求发生改变的最初动力，以及在智能电网的刺激下相关商业行为、收益及市场等领域发生的讨论。本书同时描述了使智能电网得以实现的技术框架及解决方案，描述了技术发展及各项标准的协调在智能电网领域所发挥的作用，包括许许多多个人和组织为智能电网得以实现所付出的努力。本书既介绍了当前的技术，又对新技术做了展望，并从供电企业、监管方及用电用户的多重视角展开了发展智能电网所需面对的障碍及关键因素的讨论。在本书的结尾全面总结了近来全世界有关智能电网的实践，以及下一代智能电网所需的驱动力及相关技术。尽管本书更多关注的是美国的智能电网市场，我坚信相关内容在全球范围内都是适用的。 发展智能电网还有很长的路要走。在世界各地，它都将继续受经济发展和改革的驱动而发展。天知道这种努力最终将走向何方，但目前看来智能电网理念仍具有为整个电力工业带来辉煌技术进展和革新的充足动力。有人会胜利，有人会失败，不仅对于技术提供者以及他们提出的智能电网解决方案来说是如此，对于实际电力运行部门及他们对智能电网的具体实施也是如此。同样的，在用电用户中也有胜利者和失败者。我个人认为近期内人们应该关注的是电力监管者、政策制定者和消费者在买卖电能时的安全性问题，在智能电网背景下这一问题对各方面都有影响。对消费者而言，智能电网应该不仅仅能刺激人们用电，或仅仅是为了削减用电成本——智能电网应该促使消费者做出选择，而不是指导消费者做出选择。我认为，在目前的大肆宣传和投资热潮渐渐退却后，在未来的几年内，智能电网的发展动力究竟如何将最终揭晓。智能电网的正确性将最终被证实或证伪，以智能电网为主题的会议、展览和交易将显著减少，电力工业界将有更多的时间坐下来多思考一下：智能电网的现状如何？它的发展前景如何？如何实现我们的最终愿景？本书整合了一大批各领域专家和领袖的知识和见解。本人负责了本书的若干章节，同时我还需要对为本书提供素材的超过80名作者致以敬意。在全世界的智能电网研究都仅仅处于刚刚分娩的阵痛期之际，从上述作者获得充足素材是一项极富挑战性的工作。 需要特殊说明的是，各位作者对本书在不同方面的贡献并不一定严格反映作者自身的观点及作者自身所处的学术领域。 如欲联系Stuart Borlase，敬请致函stuart.borlase@gmail.com。