智能电网信息系统体系结构研究

　　计算机学报智能电网信息系统体系结构研究曹军威）2）万宇鑫3涂国煜张树卿4）夏艾3刘小非陈震12陆超4）清华大学信患技术研究院北京100084）2）（清华信患科学与技术国家。
　　智能电网主要解决以下几个方面的问题：保证电网安全、稳定和可靠性的同时提高设备利用率由于电网系统高度耦合，调度控制不当，单一故障（fault）可引发连锁故障，甚至引起大面积停电事故和设备损坏，从而导致不可估量的直接和间接损失，故电网系统对于可靠性的要求非常高。智能电网的智能调度就是要在保证安全可靠的基础上解决广域信息的采集、传递、分析和处理问题。
　　实现发电与用电的互动。电网的基本特征是发电与用电的平衡。从络端用户的角度讲，用户可以通过智能电力络端获取到电网的运行参数（比如电力的成本、自己各种设备的用电量），从而对自己的电力使用情况进行调整。而对于电网系统来说，则可以根据用电设备的用电信息构建精确的负荷模型，有效地提高供电效率。传统电网的建设基于发-输f配用的单向思维，大量冗余造成浪费，智能电网基于实时性较高（几十毫秒级）的测量通信系统，可以通过实时控制来达到发电负荷平衡，从而可以减少热备用，并且提高系统的稳定性。
　　间歇式可再生能源（解释:向自然界提供能量转化的物质)的接入。新能源主要是指风电和光伏发电，我国的风电资源主要集中在西北部地区，同样这些地区也是太阳能资源较丰富的地区。
　　而我国电力需求较大的地区则集中在中东部，因此造成我国的新能源电力必然经过远距离传输才能到达负荷区。这就要求电网必须在全国范围内对新能源发电进行优化配置。同时，由于新能源发电本身具有随机性和间歇性的特点，如果直接并入电网，则可能影响电网系统整体的稳定性。如风力发电可能由于客观气象原因大范围脱网，就会造成电力系统瞬时的不平衡，继而影响整体的稳定性。
　　由此可见，智能电网需要解决传统电网信息系统在信息采集、传输、处理和共享等多方面的瓶颈，而这些问题的解决则依赖于正在逐渐发展的物联网技术。物联网的核心技术涵盖从传感器网络至上层应用系统之间的物理状态感知、信息表示、信息传输和信息处理，在智能电网信息系统体系中的通信、安全及上层应用等各个方面将起到重要作用：传感器网络技术可用于智能电表等电网络端通信设备的数据采集和信息获取4；实时和安全通信技术可用于电网运行参数的传输，实现电网运维数据和发电负荷数据的实时传递；数据存储和信息表示技术6可用于电网海量数据的存储、管理、查询和组织；数据分布式处理和任劳调度技术可用于电力系统安全稳定性分析、新能源接入后的能量流实时调配。物联网技术的发展使得电力系统从一个相对1期曹军威等：智能电网倍息系统体系结构研究封闭自给的控制系统融入计算机数字环境中，在提高电网稳定性的同时，使得风能、电能等新能源方便地融入智能电网信息系统，统一进行规划与调度。
　　借鉴物联网信息技术构架，本文从信息技术的角度提出智能电网的体系结构。第2节总结智能电网定义；第3节介绍智能电网国内外发展现状、主要技术难点和挑战并提出智能电网信息系统体系结构；第4节第6节分别详细介绍智能电网信息系统的基础设施、支撑平台和应用系统；第7节进行总结并对智能电网未来研究方向做展望。
　　2智能电网定义智能电网，通常指将现代信息系统融入传统能源网络构成的新电网系统。从而使电网具有更好的可控性和可观性，解决传统电力系统能源利用率低、互动性差、安全稳定分析困难等问题(Emerson)；同时基于能量流的实时调控，便于分布式新能源发电、分布式储能系统的接入和使用。
　　智能(intelligence)电网的第1个显著特点是可观性强。即借助信息网络技术，实时监控电力系统各节点的信息。
　　例如IBM定义智能电网3个层次的第1层次就是息的实时、全面和详细监视，消除监测盲点“，清华大学20世纪80年代便提出”CCCP“（通信、计算机和控制技术在电力系统中的应用）概念，认为智能电网是传统电力系统网和电力信息网的两网融合及相互作用。同样的定义还包括中的相关(related)概念。
　　智能电网的另一个特性是发电用电双方动态交互。即利用实时获取的电网发电信息和用户(user)信息进行优化调度。从络端用户的角度来讲，智能电网的目标在于统筹调度所有的电力资源(zī yuán)，以更加便宜的方式提供给络端用户更加稳定的电力。例如杜克能源（DukeEnergy）提出在智能电网环境下，络端用户可以实时观测到自己的电力消耗情况并以此调整自己的用电习惯降低成本，同时电力可以根据用户的需求调配=能源供应并通过价格手段引导用户的需求，使总的能源消耗降低。欧洲智能电网战略发展规划提出智能电网应将所有接入电网的用户、发电机以及双向设备连接整合在一起，通过智能监控、通信和自愈技术加强对发电侧的控制，提供给用户更多信息和用电优化方案，减少电力系统对环境的影响，提高供电的可靠性和安全性。
　　智能电网的第3个特点是可靠性高。即可以从系统震荡中自动恢复，对于系统失稳趋势提前报警及调整。例如美国能源部定义智能电网应具有系统震荡自恢复、鲁棒性高、安全稳定等特征。而IBM定义的智能电网3个层次的第3层次就是在信息集成的基础上进行高级分析，实现提高可靠性、降低成本、提高收益和效率的目标。
　　综合上述观点，我们给出智能电网的定义如下：智能电网是在传统电网的基础上构建起来的集传感、通信、计算、决策与控制为一体的综合数物复合系统，通过获取电网各层节点资源和设备的运行状态，进行分层次的控制管理和电力调配，实现能量流、信息流和业劳流的高度一体化，提高电力系统运行稳定性，以达到最大限度地提高设备利用效率，提高安全可靠性，节能减排，提高用户供电质量，提高可再生能源的利用效率。智能电网最络目标(cause)是降低能源消耗成本，改善居民用电质量，降低电力运行成本，从而促进国民经济发展(Develop)。
　　3智能电网发展现状及挑战3.1智能电网国内外发展现状2001年启动了CIN/SI项目，提出开发一个建模、仿真、分析及综合工具用于作为建立高鲁棒性、高适应性、控制可重构的网络化电力系统及基础设施，2001年6月的《Wred》对其进行了介绍，这是较早提及构建智能能源网络设想的。在此之后，美国电力研究院启动了IntelUGrul项目并于2004年发布了IntelUGml
　　①体系架构，G
　　E、思科、朗讯等多家参与到该项目的研发中。昆山空压机保养冷却水通过管道进入空压机中间冷却器对一级压缩排出的气体进行冷却降温，再进入后冷器对排气进行冷却，另一路冷却水进水管道经过主电机上部的两组换热器冷却电机绕组，还有一路对油冷却器进行冷却。该项目旨在集成电力系统中能源系统和控制信息系统，从电力信息系统和服劳模型两个角度（angle)对如何构建智能电网给出实施步骤和技术引导。2003年美国能源部发布了电网2030蓝圄并于同年牵头成立了GridWise
　　②联盟，该联盟旨在推动传统电力系统和信息技术的结合，构建新型智能电网。目前成员包括IB
　　M、斯科、西□子、G
　　E、微软、三星等全世界140余家涉及能源和信息领域的企业。2008年3月，美国Xcel能源宣布在科罗拉多州波尔多（Boulder）建立智计算机学报能电网城市试点，目前已安装23 000台智能监控设备
　　①为用户提供更加便利稳定的电力供应并帮助用户节约(jié yuē)用电成本。2011年5月，美国在夏威夷毛伊岛（mam）建立了一个新的智能电网试点。总体来看，美国的智能电网技术发展侧重通信技术、控制技术与电力系统的融合，同时强调络端用户和电网系统的交互。美国能源部2009年智能电网报告指出构建智能电网系统应从输电系统、分布式能源、配电系统、信息网络、管理和金融环境的6个方面开展。
　　欧洲智能电网的构建计划起缘于2004年，在第一届国际可再生能源和分布式能源一体化会议上，产业界和研究界相关人士提出了建立欧洲未来电力网络技术平台的设想。2005年在欧盟委员会的支持下欧洲成立了智能电网欧洲技术平台，为2020年及之后的欧洲电力网络发展提供规划。该组织于2006年发布了欧洲智能电网设计蓝圄，提出了智能电网必须包含灵活性、可接入性、可靠性与经济性四个目标，其中可接入性部分特别提到可再生能源和高效低碳产能的接入。2008年底该组织发布了欧洲智能电网战略发展规划并于2010年4月发布了最络版本，将欧洲智能电网的发展按优先级划分为6个等级，涵盖电网优化、分布式能源、信息通信技术到市场运营等方面。所有目标将在2020年前后芫成，其中第一阶段目标（优化电网运营和使用）在2008 2012年芫成，解决分布式环境下电网的运营、安全和以市场为导向的能量流控制问题。曰本于2009年4月公布了“曰本发展战略与经济长计划”，其中包括了太阳能发电并网、未来曰本智能电网实证试验、电动汽车快速充电装置等与智能电网密切相关的内容。曰本电气事业联合会在2009年7月表示，将全面开发“曰本版智能电网”韩国在2008年发布了“绿色能源工业策略”，推出了“韩国版智能电网”
　　设想。
　　在我国，2009年5月国家电网提出了我国智能电网的发展规划，将分3个阶段推动我国智能电网的建设并计划于2020年建成统一的智能电网；从电网本身安全稳定、能源调度、用户交互(each other)性、新型电力应用等8个方面给出了我国未来智能电网的特征。华北电网于2009年4月公布了试点小区。南方电网2008年芫成了广域阻尼控制系统，是世界首例已成功工程实施的广域闭环智能控制系统。该系统基于由同步相量测量单元了自适应的广域闭环控制。截至2009年我国在东北、华北、华中、江苏、华东、河南、云南、责州、广东、南网各处按入了1000多处PMU节点，建立了10多个WAMS中心站，基本覆盖500kV变电站和主要发电厂，超过美国在该方面的进展。
　　高校方面也有多家单位正在开展智能电网的研究，如清华大学韩英铎院士率领的团队在广域电网监控方面取得了一定成果，解决了广域阻尼控制工程中的关键技术问题，与四方集团合作提出了基于广域信息的电力系统安全预警、防御和控制系统构建方案。天津大学余贻鑫院士率领的团队在分布式发电功能系统方面取得了一定的进展，提出了将太阳能、风能、小型水能等分布式发电功能系统以微网形式接入大电网的技术思路，用于提高能量传输效率及电力传输稳定性与可靠性，提高电能质量降低成本。
　　总体来看，目前国外智能电网研究侧重于分布式能源的接入和发电用电侧的互动，我国智能电网的研究工作侧重于大电网系统的信息获取与稳定控制，这与我国电力网络耦合性强的特点有关。
　　3.2电网信息系统现状及主要问题现有电网信息系统（电力二次系统）主要指电力调度自动化网络及其构成的能量管理系统EMS（EnergyManagementSystem）、配电网管理系统DMS（DistributionManagementSystem）和广域监控系统WAMS.能量管理系统主要包括数据采集Acquisition）、自动发电控制系统AGC（AutomaticGamControl）及电力状态估计系统等；配网管理系统主要包括配电自动化系统DAS（Dstrbuion InformationSystem）及需求侧管理系统DSM（DemandSideManagement）等；而广域监控系统则由同步相角测量单元PMU构成，实现对电网主要数据的实时采集。其中EMS和DMS系统均依赖于远程控制单元RTU（RemoteTerminalUnit）及其构成的数据采集监控系统SCADA，其主要问题是数据采集时间过长，达到分秒级，无法满足实时性要求高的应用如电网广域控制、能量调度等。WAMS 1期曹军威等：智能电网倍息系统体系结构研究系统的响应时间虽在百毫秒量级，但WAMS系统依赖于电力专网构建，按入成本较高，目前国内110kV电压等级以下无PMU节点部署。此外，现有电网信息系统只针对发配电场站、大功率用电设备进行数据采集和控制，无法获取负荷的实时信息，能量调配还基于离线预测。这样就造成了现有电力网络面临的4个主要问题：（1）电力系统重要参数随机、时变、不可观，造成电力系统预测和调度困难；（2）输电线路的真正输电极限未知，往往靠大保守度换取可靠性，造成线路利用度低；（3）对于远距离输电中的故障无法准确获知故障信息，如故障地点和严重(serious)程度，往往采取试探办法应对故障，造成设备大量冗余；（4）电力系统有功无法存储，无功无法动态平衡，负荷无法互动，热备用造成浪费。
　　为了解决以上问题，需要加大量传感设备，如智能电表、PMU单元等，而传感设备的加意味着实时数据量的大，解决大数据量下的电力系统数据实时传输和处理则需要利用先进的信息、通信、网络和计算技术，这正是智能电网信息系统需要解决的问题。基于此，我们提出智能电网信息系统体系结构如下。
　　3.3智能电网信息系统体系结构我们提出的智能电网信息系统体系结构如圄2所示，主要包括智能电网信息系统基础设施、智能电网信息系统支撑平台与智能电网信息系统应用体系三个部分。
　　智能电网信息系统体系结构示意图智能电网信息系统基础设施主要指构建智能电网的硬件基础，而智能电网信息系统支撑平台主要指构建智能电网的软件基础架构，在此之上则是实现智能电网建设目标的各类应用。下面将分别对上述三个平台进行阐述。
　　4智能电网信息系统基础设施智能电网信息系统基础设施是构建智能电网的硬件基础，包括电力系统的各主要环节及控制、量测设备以及通信网络。
　　4 1电力系统(system)控制和量测设备首先简单介绍电力系统的组成，电力系统主要由发电、输电、变电、配电、用电和调度6个部分构成。发电环节包括传统的水电、火电及新的核能、风能、太阳能发电，针对发电环节的控制主要有面向发电机的频率调节、电压幅值调节、同步相位及有功无功功率调节，发电机的输出电压一般在1135kV范围内。输电环节将电网系统中的主要发电机和负荷中心连接在一起，构成电网系统的主干网络，通常运行在最高电压等级（如220kV以上）。常用的输电技术有高压直流输电和柔性交流输电。变电环节芫成电力的二次分配过程，连接变电站和配电站，一些大型工业负荷可能会直接接入变电系统。
　　变电系统的电压等级一般在69138kV之间通过对于变电站的变压比和无功补偿设备，电网系统可以对电网的无功功率和电压进行控制。配电环节最络芫成电能到个人用户之间的转换，配电系统分为一次配电系统和二次配电系统，一次配电系统主要供应小型工业用电，电压等级在434二次配电系统则用于居民和企业用电，电压等级在120240V之间。
　　电力系统量测设备是构建智能电网的基础，智能电网的实现依赖于传感器的应用和部署，目前智能电网中的传感器包括电网运行维护(maintain)量测系统和个人用户量测系统两类。其中电网运行维护量测系统主要用于采集电力系统单元如输配电线、电厂、电动机侧的电气信息，常用的如SCADA系统的远程络端装置RTU和WAMS系统中的PMU.RTU单元具有量测、通信、控制等多种功能，该量测单元被广泛应用于能量管理系统（EMS）中，但其主要不足是数据采样频率较低，无法及时获取电网运行的动态信息；各RTU单元无同步时钟，获取到的数据不同步。相对于RTU单元，PMU加了相角测量(cè liáng)；具备GPS授时单元，测量精度更高；同时测量频率更高，在几十毫秒量级。而个人用户量测系统主要用于测量个人电力使用情况，如智能电表。智能电表（SmartMeter）的主要功能在于通过获取用户各项不同用电设备的用电数据，并结合电网运行的情况进行分析，给用户提供省电节能的建议，信息流双向传递。智能电表应该具有如下功能：双向通信；自动数据采集；断电管理；动态计费管理；需求响应用于负载控制。
　　目前，在智能电表研制领域，存在两种主要思路：（1）采用多个采集设备直接对用电器的数据进行采集；2）采用一个采集设备采集数据，再用分类算法对数据进行辨识。其中第1种思路的缺陷在于每个电器都需要安装传感设备，费用较高，部分用电器安装困难且需要额外的通信协议及设备对数据采集进行支持。相对而言，第2种思路的成本较低，主要基于模式识别算法对用电器的用电特征进行分类，从而分析得出不同用电器的用电情况。对于第2种方法，利用传感器获取哪类数据变得至关重要，因为特征的选取对于模式识别算法的效率的影响很大。目前，已有的设计如表1测量方案优点缺点有功功率及无功功率大功率电器特征相差较大，利于区分（1）不适于小功率电器（2）相似电器没有办法区分（3）实现复杂，需同时测用功和无功功率电流大小及启动特征设计简单；容易区分相似电器（1）对大电流电器测量不准确（2）需要专业人员安装瞬时电压噪声特征（1）安装便利，任意插座都可用于安装（）可以用于区分同类电器（1）每一个用户需要重新训练（2）需要高采用率（MHz以上）测量连续高频电压特征需要较高的采样频率（50电力控制设备是实现智能电网目标的载体，电网系统的主要工作参数是频率、电压、相位、有功功率、无功功率。为实现对以上参数的控制，电网系统的控制对象包括各级发电单元、输变电系统、配电系统。主要控制设备有RTU单元及各种智能电子设备（IntelligentElectronicDevice，IED）。
　　4.2电力系统通信网络通信网络是智能电网的重要基础设施。智能电网中的广域量测系统WAM
　　S、广域保护系统WAPS（WideAreaProtectionSystem）、广域控制系统WACS（WideAreaControlSystem）等都依赖于通信构架。由于电网系统存在多样性和分散性的特点，目前电网系统尚无统一的体系构架。综合考虑智能电网目前的组网方式及未来的应用需求，我们认为智能电网通信网络体系自底向上的构架圄如圄3所示。
　　智能电网通信网络系统按照智能电网底层量测单元的不同，智能电网通信组网也可以看成两部分：1）由电网状态量测单元PM
　　U、RTU构成的电力状态监测网络，该网络特点为局域范围内节点数量较少。（2）由个人用户量测单元构成的信息网络，该网络的特点是节点数量大，可扩展性要求高。
　　4 2.1个人用户网络个人用户量测单元往往先通过局域网进行连接，再接入广域网。由智能电表连接组成的局域网包括家庭局域网HAN（HomeAreaNetwork）和可用的组网方式有无线网络和竞频电力线传输BPL（BroadbandoverPowerLine）网络。其中利用无线网络构建智能电网个人用户局域网已有成型的协议，已有标准包括Zgbee
　　①协议和OpenHAN协议。上述两种协议均运行于IEEE80
　　2. 15.4无线网络标准基础之上。Zgbee协议是无线传感器网络中的一种常用组网技术，多用于低速短距离无线网络构建，给出了一种基于Zgbee构建个人用户局域网的方案。OpenHAN则是针对家庭电力系统专□设计的一种无线网络组网协议，2008年由开放智能电网用户组OSGUG（OpenSmartGridUsersGroup）发布了第1版组网需求说明文档并于2010年进行了修订。构建个人用户局域网的组网结构有星型网络和网状（mesh）网络两种。其中星型网络的主要缺点是中央节点负担重，存在单点失效问题；而网状网络多见于无线传感器网络的构架，由于其较好的自愈特性，实际也多采用网状网络构建1期曹军威等：智能电网倍息系统体系结构研究个人用户电力信息网，但临近集中节点（AccessPmnt）的节点是网状网络的瓶颈。
　　42.2电力主干通信网智能电网主干通信网组网方式可以分为两类，第1类是电力网络和信息网络结合的构架方式，即通信载体本身是电力网络中的元素，包括基于GroundWre）及全介质自承式架空光缆ADSS（A11DielectricSelfSupporting）。第2类是智能电网信息网的构架与电力网络分离，即采用额外的网络构架电力系统信息网。而这种模式下也存在不同的信息网构架方式，大致可以分为3种，即采用光纤、无线信号及租用带竞。目前比较通用的做法是主干网络采用光纤搭建(指搭盖、建立)，边缘网络利用无线方式进行传输。
　　采用电力网络元素构建信息网的模式有利于节约成本，但容易造成电力系统和信息系统互相耦合，电力网络的故障将导致信息网络的故障。而分离模式则可以解决上述问题，使智能(intelligence)电网信息网构架更加自由，但分离模式下信息网必须另外选择传输载体，需要在成本和传输性能上进行平衡。特别是电力系统设备分布范围广，一些偏远地区不具备构架光纤或无线网络的条件，需要额外的传输方式，已有方案比如基于认知无线电CRCCogmtveRado）的传输构架模型，认知无线电的好处在于能从特定区域的频段中找出适合通信的空白频谙，在不影响已有通信系统的前提下利用传输带竞。IEEE80
　　2. 22协议定义了空白频谙搜寻方式。目前802.22协议已经在电视频(Video)谙中得到了部署，通过CR技术利用电视空白带竞，因此可用于在偏远地区构架信息网络。
　　已有的电力系统网络通信协议包括IEC60870、IEC61850及IEC61970协议组，由于上述协议组主要针对不同类型的数据网络而构建，因此本节不做描述，在第6节中再进行说明。
　　42.3智能电网通信网络(The internet)主要指标智能电网通信网构建最主要的两个指标是网络的稳定性和网络延时。不同的网络构建方式必然导致不同网络特性，如何选取智能电网通信网的构建方案是智能电网研究领域的一大重要问题。
　　探讨智能电网网络延时及稳定性问题有两个思路：（1）从网络拓扑及协议本身的角度出发进行研究，如研究了在分离信息网构架模式下采用专用带竞和共享带竞的网络性能及其影响因素；2）从信息论的角度出发研究智能电网的传输性能，如针对智能电网无线通信所需的信道容量以保证安全通信的需求的分析。在网络性能分析的基础上，考虑电力系统通信延时对控制性能的影响则是网络化控制系统需要解决的问题，但目前的网络化控制系统通常针对单一网络进行分析，不具有推广性。
　　前文提到，目前电力信息网络通常采用专网搭建(指搭盖、建立)，但由于专用带竞部署的成本制约，专用带竞往往不能很大，而在这种情况下采用共享带竞模型往往能获得更大的信道容量，也即意味着更好的传输延时性能，但问题在于共享带竞模型下延时的稳定性受网络条件的影响较大，如果背景噪声比例高，则网络延时和包都会迅速上升。基于TCP/IP搭建了智能电网WAMS和WAMC模型，并分析了在共享带竞模式下加入背景噪声和QoS机制后的网络延时和包情况。同时还针对共享带竞模型下不同带竞的情况进行了比较。目前我国智能电网采用的是专网构建模式，但由于成本限制，仅限于220kV及以上电压等级。如何在共享带竞网络情况下保证传输的实时性和稳定性将是一个难点。
　　而对于个人用户量测网络来说，其特点是网络节点数量大，但单个节点的数据量有限，此外网络多采用无线（wireless)方式构建，如何收集这些数据并保证数据的实时性是智能电网需要解决的问题。针对个人用户量测系统提出了一种基于压缩传感技术的智能电表量测系统模型，采用无线接入的方法，讨另一方面，随着广域监控节点的逐渐多，已有的电力信息网络逐渐无法满足系统需求，同时大数据量对带竞造成的压力还容易造成时延的加。如果能对电力系统原始数据本身作压缩，则可以降低系统对带竞的需求。针对电网运行维护量测系统提出了一种基于矩阵奇异值分解的量测系统模型。通过分析电网连接的耦合程度来判断哪些数据是需要在区域之间进行传输的，从而降低了需要传输数据的大小。
　　智能电网通信传输与传统信息传输的主要区别在于系统的动态性较强，智能电网通信难点在于其对网络延时大小及时延的稳定性要求较高。传统电网通信控制系统如SCADA系统面临的主要问题就在于延时过大，如何根据物理条件的限制在成本和性能之间进行平衡，也是未来智能电网研究的主计算机学报要难点。除此之外，如何保证智能电网数据信道的保密性和安全性也是一个待解决问题。
　　424智能电网上层应用网络随着分布式发电和储能技术的推广，从电能供应和使用的层面来看，电网的自组织特性会加强，在局域范围内电网表现出自产自销的特点。比如未来用户使用的电能可能一部分来自大电网的供给，而另一部分来自其附近的新能源产生的电力。这种模式下传输和配电的损耗将降低，且有助于减轻大电网的负载。而这种自组织的电力供应网络，其网络模型与内容分发网络CDN（ContentDeliveryNetwork）一致，电网中也可能产生类似于互联网Cache和P2P的电力供应模式，即通过混合动力汽车PHEV（PlugrinHybridElectricVehicle）和电动汽车EV来充当Cache，在2004年便有类似的想法被提出。本文认为智能电网上层应用网络可利用覆盖网技术及信息中心网络技术进行构建。）是基于当前TCP/IP架构互联网通信的一种虚拟网络。它通过在现有通信基础框架上部署一组节点，改善TCP/IP网络上的通信可靠性与服劳质量。覆盖网可针对智能电网应用的多样性提供网络通信基础支撑。例如微网系统中的发电负载平衡问题便可利用P2P模型解决。借助P2P技术在分布式资源发现方面的算法，系统可以较快获取各节点用电和发电的数据，从而进行调配。如果在节点描述中加入地址等地域信息，系统还可根据就近供给的原则，减少输电损耗。描绘(trace)了一种基于代理的微网输配电调配模型。除此之外，P2P技术在电力计价系统、智能保护系统、智能卸负荷等多个方面均可得到应用。覆盖网技术还可用于提高智能电网的安全性能和时延性能。通过设置安全集线器（hub），数据集中器可以通过认证等方式选取安全数据转发节点。且采用覆盖网技术有助于提高网络整体的可靠性，不宜产生单点失效问题。
　　（InformationCentricNetwor-kmg，ICN）是当前未来互联网体系架构研究的重要成果之一，基本思想是将信息对象与络端位置剥离，通过(tōng guò)发布/订阅范重要作用，以其为基础的预警分析的应用、在通信及安全上面对的挑战。此外，电网状态量测往往针对大型电网组件或负荷，局域范围内数量相对有限且量测单元的性能较高，但系统往往采用集中式的管理模式，所以导致系统中心节点负荷过大，带竞制约因素明显。
　　自20世纪90年代起，智能抄表设备（AMR）逐渐开始应用试点，但AMR仅仅芫成了数据的远程获取和计费功能，并不具备对用户用电行为进行调控的功能，信息(information)流单向传递。而由智能电表SM（SmartMeter）构成的高级量测体系AMI（AdvancedMeteringInfrastructure）则可实现信息流的双向传递，智能电表及AMI体系是构建智能电网的基础。相对于电网状态量测，个人量测系统表现为在小区域范围内数量大，可扩展性要求高；同时对数据的实时性和安全性有要求。
　　智能电网量测系统是智能电网实现的基础，实现电力数据的采集功能。现有的量测系统包括SCADA系统、WAMS系统和AMI系统三类。其中SCADA系统和WAMS系统芫成对电力状态数据的采集而AMI芫成对个人用户数据的采集。SCA-DA系统实时性不强，正逐步被WAMS系统替代，而AMI目前还处在发展中，尚未形成成形方案。另一方面，智能电网量测系统作用的发挥依赖于数据分析处理系统。下面将对智能电网数据表示与存储构架进行分析。
　　5.2数据表示与存储系统52.1智能电网数据表示由于电网系统设备是由多个不同的厂家共同生产的，如何描述电网系统本身并且统一管理这些异构设备产生的数据是实现智能电网信息网的关键之一。电网系统的表示包括电力系统采集的数据的命名、数据的定义、设备的描述、设备间关联关系的表述、通信模型的表述等多方方面内容。同样，智能电网的数据表示可以划分为电力系统数据表示和个人用户数据表示两类，如圄5所示（圄中与PM
　　U、RTU相连模型为电力系统数据表示模型；与SmartMeter相连模型为个人用户数据表示模型）智能电网数据表示模型目前，电力系统数据描述已有的常用模型标准包括IEC60870协议组
　　①、IEC61850协议组
　　②、IEC61970协议组
　　③以及正在制定的IEC61968协议组
　　④。其中IEC60870协议组是较早（19901995年）制定的电力系统自动化协议组，其通信模型和数据模型适用于采用专用通信线路搭建的点对点通信网络，目前正在逐步被替换。IEC61850协议组是描述变电站内通信网络和系统标准体系的协议组，于1999年发布。协议采用了面向对象的数据建模方法，实现了对数据的自我描述，传输的数据自己带有说明文件，使得数据传输时不需要再实现进行规约和转换，从而具备了面向服劳的特点，而IEC60870协议组下数据传输时需要收发双方事先对数据库进行规约IEC61970协议组及IEC61968协议组均针对电网调度管理系统，其中IEC61970协议组主要面向EMS（能量管理系统）。而IEC61968主要面向DMS（配电管理系统），上述两个协议组均采用了通用信息模型CIM.CIM模型也是采用面向对象的方法描述电网模型及其数据，可用UML图来表示电力系统组件间的继承、连接关系及资源属计算机学报性，同时CIM模型还定义了CIM/XML文件，使得CIM模型可通过XML进行传递，这样不同的应用系统就可以直接相互通信，因此CIM模型可用于电力系统的应用集成。同时，CIM还具有元数据描述管理的功能，可用于电网数据仓库的建立。采用CIM模型对电力系统及其数据进行建模是构建智能电网信息网的趋势，均提出了基于CIM模型的智能电网信息共享平台设计方案。
　　就以智能电表为单元的个人用户数据而言，已有数据模型有DLMS/COSEM模型，其对应的国际标准为IEC62056协议组
　　①。DLMS对智能(intelligence)电表数据的读取、计费和负载控制进行了规约，COSEM涵盖了DLMS规约的传输与用户层规范。
　　5.2.2智能电网数据存储模型智能电网具有可靠性要求高和数据海量的特点，这要求智能电网数据的存储必须设置必要的冗余和备份机制；同时电网数据的存储模型必须满足快速查找和处理要求；而由于智能电网应用多样，不同应用实时性要求也不相同，由此智能电网的数据存储也可分为在线数据和实时数据两种模式(pattern)。
　　目前主要有4种智能电网数据存储方案：第1类方案为多个数据集中器，单一控制处理节点加上利用关系数据库的集中存储。其中每个数据集中器负责从一定数量的量测设备中获取数据。目前我国电网系统中的广域控制模型与之类似；第2类方案与第1类方案类似，但将集中式存储拆分为分布式数据库存(in stock)储。第3类方案取消了利用关系型数据库的存储模式，提出了基于XML的〈关键字，值〉模型，并且采用类似MapReduce的算法对数据库进行操作；第4类方案采用分布式文件系统与数据库结合的方式存储数据，即数据库中存储的不是原始的电网数据，而是数据的索引，原始数据以文件的形式存在于数据集中节点上，该方式类似于搜索引擎对网页的搜索。结合智能电网中家庭电力数据的存储和账单计算这一应用对上述4类方案的并发处理能力和处理时间进行了仿真并给出了结以及针对家庭月账单的计算时间。结果表明方案3的可扩展性较差而方案4的处理时间较长，方案1和方案2类似。
　　另一方面，由于智能电网数据应用类型数量不可预期，容易造成数据统一管理的困难。将智能电网数据抽象为历史模式、实时模式和未来模式进行建模，而不是按照应用类型对数据存储进行建模管理。其中实时数据管理主要针对实时数据分析(Data Analysis)的需求，利用内存数据库进行存储。历史模式主要针对历史数据的存储、查找，采用时序数据库进行存储。而未来模式主要用于存储未来的可能发生的设备的变化，例如加发电机等。在此基础上，上层应用可以按需获取和管理异构数据库，从而解决异构数据模型的管理问题。此外，还有探讨在量测系统AMI和数据管理系统DMS（DataManagementSystem）之间构建统一数据集成中间层MDI（MeterDataIntegration：59.从而使得AMI系统和DMS系统之间得到解耦，用于解决由于数据模型和通信协议的异构性造成数据存储和管理的困难。
　　数据存储模型选取的不同将导致查找、获取和数据处理模式的不同，同时也会引起系统(system)响应时间的区别，如何为智能电网选取合适的存储模型，将是未来智能电网研究中的一个重要方向。
　　5.2.3基于云计算的智能电网数据存储从系统实现上来看，物联网系统的搭建依赖于云计算平台，云计算平台为物联网应用提供了计算和存储资源作为物联网的一个典型实例，云计算技术与智能电网的结合是必然趋势。如提出了基于云模型的数据管理和处理模型，将智能电网数据分布式存储在电网的各个节点，然后以服劳的形式将数据提供出来供应用访问获取。云存储有助于解决智能电网数据存储的海量性和可靠性问题。
　　OpenPDC是目前已经按入运行的一个智能电网数据处理系统，其实现基于开源平台Hadoop.该系统应用对象为时间序列数据流，即数据源为经过GPS授时的数据流。应用背景即为智能电网中的WAMS系统，由于WAMS系统的采样频率为每秒30次，当WAMS系统的子单元PMU数量加时，会产生大量的数据。目前该项目管理了北美东部约120个PMU的数据信息，平均数据量约为每小时1.5GB.截至2009年我国仅在220kV电压等级以上电力(electricity)系统部署的PMU单元个数已经达到1000以上，再考虑个人用户实时产生的数据，可以预见未来智能电网的数据量是非常巨大的。在这种背景下，集中的数据存储模式(pattern)将对网络造成巨大的压力，采用分布式存储成为一种必然。同时由于电网稳定性的要求，数据本身存在冗余备份的需求。云计算平台的分布式文件系统可以为此提供解决方案，且有助于提高电网系统的安全性。
　　1期曹军威等：智能电网倍息系统(system)体系结构研究如何将云存储应用于智能电网还存在不少问题尚待解决。首先，虽然已有提及未来电网的存储模型，但尚无较成熟的方案，数据（data)采用数据库存储还是以文件形式存储仍有争议。其次，由于电网系统存在多样性的特点，不同量测系统的数据格式并不统一，例如不同厂家的RTU数据格式都不相同，如何构建统一数据模型的问题也需要解决。此外，失去时效性的大量数据需要迁移备份，并且这种迁移是频繁发生的，这种情况下保证存储系统的运行效率成为难点。此外某些应用对于电网数据的获取有时间限制，分布式文件系统的查找效率无法满足其需求。
　　总体来看，尽管云计算的分布式存储平台和并行处理模型适合未来智能(intelligence)电网分散性、可靠性、安全性和数据海量性的需求，但依然存在应用障碍。
　　5.3分析与决策系统智能电网按入实际运行后，面临的另一个巨大挑战就是海量数据的处理能力。昆山空压机维修轴承跑外圈一般是因为配合的精度不够以及外圈定位方式设计不合理造成的。并非所有机头都按这个时间进行，如果保养好的可以延后，保养差的则需要提前。 由于智能电网既要满足个人络端用户与电网系统的交互需求，也要满足电网控制系统对电网稳定性的控制需求，未来智能电网中有两大类应用需要海量数据处理技术的支撑。第一类是智能电网稳定运行监控系统，它根据量测系统获取到的数据进行动态安全评估DSA（DynamicSecurityAssessment），保证电网运行稳定，以及电网系统出现故障后恢复系统。第二类是智能销售和消费系统，它通过实时电价自动平衡电能的供应和消耗，如微软开发的Google的PowerMeter系统
　　②该类应用多与微网系统相结合，考虑新能源如风能、太阳能接入后分散发电资源的利用问题。此外，考虑智能电网数据的海量性，智能电网分析决策系统与云计算技术的结合是未来趋势（trend)，因此本文认为未来智能电网分析决策系统结构如圄6所示。
　　智能(intelligence)电网分析决策系统5 31智能电网分析决策需求对于第一类应用，第一是要解决电网稳定性的判定问题电力系统的稳定性分为静态稳定和暂态稳定两类，其中暂态稳定描述的是电网出现大扰动后的鲁棒性，比如出现短路故障、短线以及发电机突然摔负荷等等，如2003年美加大停电事故已有的电力系统暂态稳定评估方法（TSA）可以分为两大类，一类是基于数学模型(model)的方法，包括时域仿真法，即通过建立电力系统各元件的微分方程，再通过数值方法求解各状态量的时间特性；基于Lyap稳定判据的能量函数法、扩展等面积法以及动态安全域法。昆山空压机维修轴承跑外圈一般是因为配合的精度不够以及外圈定位方式设计不合理造成的。并非所有机头都按这个时间进行，如果保养好的可以延后，保养差的则需要提前。 另一类是基于数据本身的模式识别方法，包括神经网络、支持向量机、遗传算法等多种方法。其中第一类方法面临两个主要困难：一是实际电力系统规模很大，往往最后变成几干阶的微分方程求解，无法满足实时性要求；另一方面，由于电力负荷模型本身就是不可知的，现有分析方法往往采用估计和经验的方法给定负荷的参数(parameter)，不精确，如何对电网负荷参数进行在线辨识也是未来智能电网亟需解决的问题。而第二类方法同样面临当系统规模较大时，数据集数量过大的问题，如何进行特征选取和压缩目前尚无统一的模式。另一方面，在获取到电网故障信息后，如何迅速重新配置电网结构使电网系统重归稳态是第二个需要解决的问题。已有的方法包括启发式算法、专家系统、数值计算、软件仿真及多级代理等。其中除多级代理之外的系统均基于集中式架构建立，当系统规模较大时会出现计算瓶颈。
　　通过智能电表获取到用户用电数据后，智能电网的另一项功能是对用户用电行为进行预测和建议，充分利用分布式能源发电能力，并通过电力使用时间(time)的迁移降低峰值使用时间段电力系统压力，进而提高电力系统运行效率。其核心思想是利用实时电价调节用户行为。该类应用通常分三步实现：（1）根据用户数据构建行为模型并进行预测。
　　（2）中心处理单元获取用户数据进行全局优化（属于多目标优化问题），例如对于单个用户来说优化目标是最小费用，而对于电力系统来说优化目标是电力系统运行稳定性和效率。
　　（3）实时控制系统控制电器开关已有的实现方案多基于多级代理（agentbased），计算机学报每级代理进行出价（需要/发出的总电力及价格），再逐级汇总由最高级代理进行优化，如给出的实时定价算法就是这样一种方法。结合电冰箱的用电控制实例进行了说明。据，该类优化问题属于NP芫全问题，因此多采用启发式算法求解。此外，如不考虑用户向电网中送电的问题，则可以利用线性规划方法求解。
　　5 32基于云计算的智能电网数据处理由于电网系统规模大、节点多，特别是智能电表得到的数据需要实时规划和调度，这需要大量的计算资源进行分析处理，智能电网数据处理与云计算技术的结合成为必然。
　　已有研究工作探讨智能电网与云计算技术的结合，如将云计算的分布式数据存储模型和并行处理模型用于存储电网数据，对数据子集进行并行处理再汇总处理结果。上文提到的Hohm系统就是基于云计算平台的不足之处在于其处理算法要求数据子集之间互不相关，每个数据子集可以独立进行运算处理，智能电网中的某些应用符合这种运算模式，比如实时电价计算。但还存在一类应用，需要跨区域的数据分析才能给出结果，数据子集之间不能解耦，如调度、发电负荷平衡(balance)、电网应急报警。这种情况下简单的云计算模型并不能进行处理。电网的物理特性是系统本身的关联性较强（电力系统之间存在电气连接），也即意味着数据存在关联性，是否可以改进并行算法，降低传输和计算的资源消耗，是未来智能电网研究的一个方向，如前文提到的通过分析电网连接的耦合层度来降低数据传输量。此外，如何在松耦合系统模型下保证系统处理性能，满足处理时限要求，也是难点。
　　5.4控制与执行系统智能电网包括电能的发、输、变、配、用等5个环节以及分布式新能源的接入和使用，所以其控制系统在传统的厂站式控制系统上加入了额外（extra)的分布式频率、功率、电压、相位、负荷是电力系统的主要参数，电网系统频率下降、电压下降、发电机失效、过负荷都会造成电力系统事故甚至崩溃。传统的电力系统控制主要针对以上参数进行调控，具体包括稳定控制、电压及无功功率控制、频率及有功功率控制、配电网控制、柔性交流输电控制，在新能源大量引入后，分布式能源如何与传统电网结合是未来智智能控制执行系统能电网需要解决的重点问题，因为新能源接入往往会给电网带来新的安全稳定问题。在电压及无功功率控制方面，已有算法包括优化问题求解的梯度类算法、牛顿法、二次规划法、线性规划法以及模拟退火算法、遗传算法、蚁群算法及人工神经网络等多种方法。频率及功率控制方面，已有算法包括经典的IP控制、鲁棒控制、神经网络、遗传算法及线性规划法等。而配电网控制方面，已有算法包括整数规划法、分支定界法、混合整数法、人工智能和启发式算法以及基于多代理系统的方法。柔性交流输电控制主要基于静止无功补偿器ASV
　　C、可控串联电容器补偿TCS
　　C、可控移相器TCPS及综合潮流控制器UPFC.电力系统稳定控制和分布式能源发电控制的方法将在6.2节及6.3节进行详细论述，在此不做讨论。
　　从系统构架上来看，传统电网的控制模式多采用集中式的构架。所谓集中控制就是所有采集到的数据统一发送至数据中心进行集中处理并给出控制反馈，而分散策略指将大电网按区域划分，每个区域有自己的控制中心，控制中心之间通过共享数据实现对整个系统的控制。从系统性能上来看，集中式控制往往会对主节点产生过大的处理压力和带竞压力，同时也容易造成单点失效，所以未来电网的控制结构会逐步向分散结构过渡；另一方面，随着新能源（解释:向自然界提供能量转化的物质)的引入，未来电网将是许多分散的微电网的集合，分1期曹军威等：智能电网倍息系统体系结构研究布式控制的应用是一种必然。此外，分散式的控制模型下由于数据无需芫全在广域范围内传递，对于减少网络延时和保证网络稳定性也可能产生积极作用，如在信息网构架采用OPGW组网方法下研究了集中和分散控制策略下电网系统的延时和稳定性。从结果(result)上看，分散控制的平均延时更小且方差更小，意味着网络的稳定性更好。
　　本节对实现智能电网的4个重要支撑平台进行了分析。为了实现智能电网对电力的稳定控制、能源的实时调配以及新能源的接入等目标，需要构建基于智能电网基础设施和支撑平台的应用体系。下面着重从发电侧、电网侧和用电侧这3方面对智能电网信息系统应用体系进行介绍。
　　6智能电网信息系统应用体系6.1发电侧应用由于传统化石能源的无法再生性及对环境造成的影响，绿色能源即新能源发电以及随之产生的微网系统正逐渐成为未来电网系统发展的趋势。
　　截至2008年，新能源占全球能源消耗的比例为19%，而且这一比例还在逐年上升。20042（）（）9年间，全球新能源容量的长速度在每年10%60%之间。列出了至2020年世界各国新能源发电占电网发电容量的预期百分比，其中丹麦、瑞士的部分地区预计在2030年前可用新能源发电芫全取代传统能源发电。
　　本节着重对新能源发电接入传统电网后的控制管理和能源调度问题(Emerson)进行分析，对于传统电网的发电控制问题不予涉及，因为该类问题已经在电力系统领域进行过多年的研究。
　　6.1.1新能源接入管理广义上的新能源包括可分派能源（cHspatchableenergy）和不可分派能源（nondispatchableenergy），其中水电站、生物能和地热能均属于可分派能源，而风能、太阳能和潮汐能均属于不可分派能源。昆山空压机是回转容积式压缩机，在其中两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合，使两个转子啮合处体积由大变小，从而将气体压缩并排出。划分的依据在于可分派能源的能源供应基本是可控的，而不可分派能源则相反，例如风力发电中风的速度和时间是不可控的。可分派能源的接入管理与化石能源发电系统无明显不同，而不可分派能源由于能源供应的波动性，接入电网后会对电网系统的稳定性出现影响。因此，不可分派能源的接入管理问题将是未来智能电网发电系统的研究重点。目前，不可分派能源发电主要以风力发电、光伏发电和燃料电池为主。据2009年的统计数据，风力发电的容量长比其余新能源发电系统容量之和还要多，全球风力发电装机总容量达到160GW，而光伏发电则是长速度最快的新能源发电系统。
　　光伏发电系统和风力发电系统的主要特点在于其能源供应的间歇性，因此会造成发电输出电压、频率的波动。而这种波动性在接入电网后会对电网系统的整体稳定性产生影响。这种发电电压和频率的波动性表现为两类问题：一类是正常发电期间由于能源供应波动造成的电能质量问题，如风速时大时小造成的电压不稳定；二是能源输入不稳定造成的能量输出波动问题，如风力发电中风机输出功率的波动，极端情况下风力过小或过大为保护风力发电机会停止发电，即停止输出。为解决第一类问题，电力系统领域已进行了数十年的研究，目前已有方法多基于电力电子器件的应用，通过在风力发电机和电网之间加入变流器及电容器组合等电力电子器件，以实现对电压抖动、频率抖动、无功补偿和有功输出等发电系统关键参数的控制。例如风力发电机自20世纪80年代起经过了四五代的改进，早期的风力电机速度不可控，风机输出仅通过一个无功补偿环节就加入到大电网中，因此风力的波动直接会输入到电网系统中，而目前的可控变速恒频风力电机已可较好实现对风机输出的电能质量控制，详细信息可。在电能质量控制方面已有技术包括机械开关电容MSC
　　S、基于可控晶阐管的静止无功补偿SVCs以及静止同步补偿STATCOM在实现了在不可分派能源控制（control)基础上，不可分配能源接入的稳定控制运行监控与上文论述传统电力系统控制模型的一致而对于不可分派能源发电间歇性造成的第2类问题，则更依赖于智能电网传感、量测、通信和数据处理环节的支撑圄8以风力发电为例描述了智能电网信息系统对风力发电接入的管理。昆山空压机维修是更换全部磨损的零件，空压机转1000个小时或一年后，要更换滤芯，在多灰尘地区，则更换时间间隔要缩短。滤清器维修时必须停机，检查压缩机所有部件，排除压缩机所有故障。
　　目前，解决风力发电系统可能出现的输出不稳定问题，主要有两条思路：一是通过预测风场所在地的风力输出信息，结合负载测的能源需求信息，通过与电能存储结合的混合新能源发电系统进行实时调度，以实现稳定的发电输出但第1种思路需要大量的分布式存储设备与风电系统配套建设，成本较高；二是通过对电网负荷的实时控制、平衡风力发电输出和负载功率需求之间的关系，在风机输出减少时减少负荷的使用，从而降低存储设备的规AirEnergyStorage）、超级电容及电动(electric)汽车储能系例如就是采用抽水储能与新能源发电系统结合的实例。系统不同的存储系统能量转化效率、建设成本和适用模式都不相同，详细内容可以