美國國家標準技術研究院(NIST)的智能電網概念模型涉及多個“領域”之內和之間的控制和通信。這些領域包括消費者、服務提供商、市場、輸電、配電、運營和大規(guī)模集中發(fā)電。每種控制和通信接口都為電子工程師提供了新的設計機會。
就大眾媒體的理解而言，智能電網主要見于“智能電表”，比如這種電表能讓電力公司關掉消費者的干衣機。但事實上智能電網正面臨三項挑戰(zhàn)：目前相當脆弱的電網急需修復；不管哪里如果想建新的發(fā)電廠或鋪設電力線，準有許多人出來強烈反對；電能是一種商品，需要像商品一樣交易。
更進一步的因素是，歐盟、中國和美國政府正向智能電網投資數十億的歐元、人民幣和美元，用于研發(fā)目前還不存在，或者以上百種不同形式存在而缺乏互操作性必須加以協(xié)調的技術。因此技術專家有著很好的機會去開發(fā)這些技術，并得到豐厚的回報。
研究這些技術有助于理解現在大家都在討論的話題。美國國家標準技術研究院、IEEE能源工程協(xié)會(PES)和數百家公司一直致力于制定智能電網方面的標準，這些標準將用來指導工程師設計比電表更高級的真正的智能電網產品。事實上，智能電網的需求大部分存在于信息技術領域：包括有線和無線聯(lián)網、監(jiān)視、控制和信息處理。
本文提到的大部分信息來自145頁的“NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards， Release 1.0”，這是今年1月19日在美國馬里蘭州Gaithersburg市IEEE/NIST聯(lián)合舉辦的創(chuàng)新智能電網技術會議上發(fā)布的標準。雖然這次會議的計劃在2009年10月份才啟動(參見“IEEE And NIST Smart Grid Conference Hits The Ground Running”)，但這次會議還是吸引了約700位與會者參加為期三天的討論會和技術專題會議。
正如NIST和其它參與者正在開發(fā)的路線圖中列出的25個最重要標準(見表)表明的那樣，通信已經滲透到了智能電網的各個方面。這份列表主要偏重于信息技術和信息安全。
概念模型
為了方便討論智能電網，在報告中和其它地方詳細給出的“概念模型”從各個領域(用戶、市場、服務提供商、運營、大規(guī)模集中發(fā)電、輸電和配電)描述了智能電網。該模型還引用了參與者、應用、關聯(lián)(邏輯連接)和互連(物理連接)。注意其中用到的“參與者”一詞，因為它通常指明了需要設計的硬件部分。
圖1：智能電網的基本概念模型。
表述智能電網概念模型的方法通常是依據領域分層表述，從用戶開始，往后回溯到大規(guī)模集中發(fā)電、輸電和發(fā)電。有一個非常簡單的總體領域布局(圖1) (還有代表每個領域的其它圖)，但這張圖沒有展示各領域間的依賴關系。另外一張圖則表明了智能電網交互(圖 2)的復雜性，雖然它繁冗得讓人倍感頭痛。
為突出智能電網的革命性變化，接下來將不按各個領域通常的順序來解釋，重點放在運營考慮的財務事項上面，也即意味著從市場開始。
市場領域
雖然不是所有人都同意，但市場領域確實是使智能電網具有智能的地方。這是一個商品交易場所，電能和電能期貨在這里進行買賣。(例如unlamented Enron公司現在就開展這種業(yè)務，但不是實時的。)
市場領域中的參與者交易價格，并平衡電力系統(tǒng)中的供需關系。市場領域的分界包括運營領域、發(fā)電并提供電能給消費者(發(fā)電、輸電等)的供電領域以及用戶領域的邊界。
制定電能價格這個市場領域的功能使得智能電網超越了跨地區(qū)工業(yè)控制系統(tǒng)這樣一個“簡單的”角色。其財務成份使得它在通信方面必須具有可追溯性和可審計性。通信功能必須支持電子商務標準，以獲得完整性并得到公眾的認可。
這是一個發(fā)展中的技術領域。隨著小型分布式能源(DER)提供的能量比重增加，與這些資源通信所允許的時延必須縮短。
NIST的報告指出，“市場領域中的高優(yōu)先級挑戰(zhàn)包括：價格和DER信號延伸到每個用戶子領域；市場規(guī)則的簡化；擴展集成商的能力；市場信息的所有供應商和消費者之間的互操作性；管理能源零售和批發(fā)的增長(和調節(jié))；貫穿整個市場和用戶領域以及他們相互之間不斷演變的價格與能源特性通信機制。
根據NIST報告中的定義，市場領域的參與者由市場管理者、零售商、集成商和貿易商組成。市場管理者包括批發(fā)市場中的獨立系統(tǒng)運營商(ISO)，或期貨市場中的紐約和芝加哥商品交易所(NYMEX/CME)。還有輸電、服務、需求響應市場以及基本電力市場。
“零售商將電能出售給最終用戶，未來也許還能在用戶之間集成或買賣DER(作為中間人)，或將它們推向市場。大多數零售商與貿易組織相關聯(lián)，從使其能參與批發(fā)市場?！眻蟾嬷赋?。
“集成商將較小的參與者(如供應商、用戶或節(jié)能公司)整合起來，以使分布式資源也能進入大型市場?！眻蟾胬^續(xù)表示，“貿易商也是市場的參與者，包括從事部署、消費和節(jié)能的集成商以及其它有資格的實體。有許多公司的主要業(yè)務就是購買和銷售能源?！?/FONT>
服務提供商領域
在服務提供商領域，“服務”是指類似開帳單和管理用戶帳號等功能，用于支持電力系統(tǒng)生產商、配電商和用戶的業(yè)務流程。主要挑戰(zhàn)包括維護網絡安全以及電網的可靠性、穩(wěn)定性、完整性和安全性。[!--empirenews.page--]
服務提供商領域與市場、運營和用戶領域相連。與運營領域的通信可以讓人了解系統(tǒng)控制和狀態(tài)。與市場和用戶領域的通信將支持新的“智能”業(yè)務，特別是用戶與市場的交互。
用戶領域
智能電網的根本目的是隨著用戶變成供應鏈中的主動參與者，實現功耗的降低和發(fā)電量的增加。
用戶領域根據典型需求通常被分成三個子領域，分別是家庭(小于20kW)、商業(yè)/大樓(20至200kW)和工業(yè)(大于200kW)子領域。每個子領域都有多個參與者和應用，每種應用又有一個電表以及可以放在電表、能源管理系統(tǒng)(EMS)或獨立網關中的能源服務接口(ESI)。
ESI是主要的服務接口，它可以通過高級計量基礎設施(AMI)或其它一些方式(如互聯(lián)網)實現與其它領域的通信。ESI還通過家庭局域網或其它局域網與用戶端中的設備和系統(tǒng)通信。
EMS是遠程負載控制、分布式發(fā)電的監(jiān)視及控制、用戶使用情況的室內顯示、非電表讀數以及與大樓管理系統(tǒng)和企業(yè)集成等應用的接入點。它還能提供對網絡安全性的審查/記錄功能。
每個用戶可能有多個EMS，因此可能有多條通信路徑。用戶領域通過電氣連接到配電領域，并與配電、運營、市場和服務提供商領域互通。重要的是，用戶領域也可能向電網提供小型發(fā)電電能。
運營領域
運營領域中的參與者負責電力系統(tǒng)的順利運行，其中包括卡車上的工人以及辦公室內提供支持的職員。
在輸電操作中，電力公司使用EMS，而配電操作采用類似的配電管理系統(tǒng)。在智能電網中，責任可能從受規(guī)管的電力公司轉向新的電力業(yè)務階層：外包服務提供商。
大規(guī)模集中發(fā)電領域
大規(guī)模集中發(fā)電領域涉及各種發(fā)電技術：熱電、核裂變、水力、風力、太陽能或地熱。這個領域通常通過硬連線與輸電領域連接。但大規(guī)模集中發(fā)電領域同時也與運營和市場領域相鄰。
該領域必須就性能和服務質量問題溝通，例如資源缺乏(特別是風能和太陽能)和發(fā)電機故障，這些故障可能會影響電能從其它源級傳送到輸電系統(tǒng)的路徑。供電不足可以直接(通過運營)或間接(通過市場)解決。參與者包括保護型繼電器、遠程終端單元、設備監(jiān)視器、故障記錄器、用戶接口和可編程邏輯控制器等設備。
輸電領域
這里的輸電指的是將電能從發(fā)電站通過多個變電站大量地傳送給配電系統(tǒng)。這個領域可能包括電能儲存或峰值發(fā)電單元等DER。
輸電網絡通常是由地區(qū)性的輸電運營商(RTO)或獨立的系統(tǒng)運營商(ISO)運作的，他們的主要責任是通過平衡發(fā)電(供)和負荷(需)保持電網的穩(wěn)定。
這個領域中的參與者包括遠程終端設備、變電站電度表、保護型繼電器、電力質量監(jiān)視器、相量測試單元、垂度(sag)監(jiān)視器、故障記錄儀和變電站用戶接口。在需要時能夠發(fā)送的電量是從市場領域獲得的，并由運營領域調度和操作，然后通過輸電領域傳送到用戶領域。
配電領域
配電領域包括輸電領域和用戶領域之間的電氣互連。工作人員有鄰近的工人以及派遣這些工人的辦公室職員。配電領域包括電能消費計量點、分布式儲電和分布式發(fā)電。其可靠性取決于結構、參與者類型、參與者相互間以及與其它領域中參與者的溝通程度。
過去，配電系統(tǒng)的拓撲是放射狀的，基本沒有遙感測量功能，也就是說，這個領域中幾乎所有的通信都是由人工用電話和雙向無線電設備完成的。在智能電網中，配電領域將與運營領域更緊密地進行實時通信，管理與市場領域相關的電力流向。在一些場合中，第三方用戶服務提供商可使用配電領域中的基礎設施與用戶領域通信。
關于配電領域中的人員如何看待智能電網請參見“Anticipating Unanticipated Consequences.”。
相關工作
概述模型中的“參與者”為新的硬件設計提供了機會。設計工程師如何把握設計中需加入的內容呢？下面給出了一些線索。為了確定標準工作的優(yōu)先級，NIST選擇了一些關鍵功能以及網絡安全和網絡通信方面的內容。這份列表提供了一系列潛在的工作領域。
對廣大區(qū)域狀態(tài)的了解：應該在大范圍區(qū)域上通過互連以近乎實時的方式監(jiān)視并顯示電力系統(tǒng)的組件和性能。
需求響應和消費能效：在高負荷期間或電源存在可靠性風險時，應有針對電力公司、商業(yè)、工業(yè)和住宅用戶的機制和鼓勵措施以減少能源使用。
能源存儲：如今談得最多的是抽水蓄能水力發(fā)電，即在夜晚將水從低水位的湖泊抽取到有壩的高水位湖泊，然后在白天獲取電能。這種方法技術含量較低，但非常有效。不過，NIST指出，“新的儲電功能，特別是分布式儲電將使從發(fā)電到最終使用的整個電網受益?！?/FONT>
電力輸送：主要是將插電式電動汽車(PEV)與電網進行大規(guī)模的集成。
網絡安全：必須確保電子信息通信系統(tǒng)和電網控制系統(tǒng)的機密性、完整性和可用性。
網絡通信：由于智能電網領域和子領域將使用各種公共和私有通信網絡，因此需針對運作要求制定性能規(guī)格和標準。
AMI：電力公司確實需要AMI，以便可以通過動態(tài)調價實現住宅需求響應。AMI由通信硬件和軟件加上系統(tǒng)與數據管理軟件組成，可實現高級電表和電力公司業(yè)務系統(tǒng)之間的雙向網絡。[!--empirenews.page--]
配電網管理：盡可能優(yōu)化連網配電系統(tǒng)中的饋電線、變壓器和其它元件性能，并與輸電系統(tǒng)和用戶操作集成的新方法。
消費端
“智能電網和用戶領域之間的接口特別重要，對消費者而言這是智能電網中最可見的部分?！盢IST報告指出。如前所述，概念參考模型將用戶領域的接口劃分為電表和ESI。這個ESI是連接用戶住宅網絡的網關。
電表和ESI測試和記錄電力使用情況，并將這些數據向上發(fā)送給服務提供商。它們還能處理各種服務供給和維護功能，例如糾錯、遠程服務連接和斷開。最重要的是，在這里實現定價并生成需求響應信號。
這里有許多“不切實際”設計機會?！耙恍┬碌呐c能源有關的創(chuàng)新服務(我們今天可能沒法想像的服務)將被開發(fā)出來，并且可能會在智能電網和用戶領域之間產生額外的數據流?！盢IST報告寫道，“用戶領域中的設備使用的通信技術和標準的多樣性對實現互操作來說是個巨大的挑戰(zhàn)。另外，確保網絡安全是一個重要考慮因素?！?/FONT>
理解電表和ESI之間的區(qū)別是很有用的，NIST報告認為這是“參考模型的一個非常重要的前瞻性因素?！?/FONT>
除了測量、記錄和發(fā)送有關電力使用情況的信息外，電表還必須能測量從分布式發(fā)電站或位于用戶住宅的儲電資源流回電網的電力。
目前還存在許多與電表所有權有關的設計問題。在加州試銷市場中的智能電表早期使用經驗表明，需要電表制造商與他們的電力用戶一起緊密工作，以便直接處理公共事務的電力公司人員能完全理解運作原理。在市政廳會議上，無法回答像“電表的智能部分是從電表的電網側獲取電能還是從用戶側獲取電能”這樣的聽眾提問真是給試驗澆了一盆涼水。
不信任的出現是因為與用戶住宅中的其它設備不同，電表屬于服務提供商，而服務提供商可能與電力公司是同一家公司，也可能不是同一家。
也許設計一個ESI看起來更吸引人。如果你正在設計ESI，請記住用戶與能源服務提供商是通過信息管理網關實現互動的。ESI標準必須允許對市場結構和服務方面的創(chuàng)新。它的基本功能要求產生響應信號，如價格/kWh信息，但追求更高級服務的可能性是無限的。
住宅環(huán)境和商業(yè)/工業(yè)環(huán)境之間的區(qū)別之一是復雜程度和用戶參與度，在配置住宅網絡以達到智能電網通信要求的互操作性和安全性時，復雜程度和用戶參與度是可以設定的。
雖然許多家庭已有一個或多個用于計算機或消費電子設備互連的數據網絡，但這不是普遍現象。即使在有數據網絡的家庭中，消費者也可能不愿意去配置設備以便通過他們的家庭網絡進行通信。任何人，只要不是鐵桿的技術愛好者，都寧愿購買智能電網即插即用干衣機這類設備。
同樣，家庭環(huán)境中還有許多無線和有線物理數據通信接口。也許家庭電網論壇(Home Grid Forum)的G.hn小組的工作會給我們指明方向。
隱私
在整個智能電網標準制定過程中，隱私是一個備受關注的問題。智能電表讀取數據非常頻繁。這些讀取的信息送入智能電網網絡后可能會提供家庭內部活動的詳細時間。這些數據可能針對特定的個體，或泄露敏感數據。這不僅僅是有著大量生長燈的家庭式大 麻農場主擔心的事。找出某家制造工廠每班耗電情況可能是工業(yè)間諜一心想要的東西。
此外，還會因為收集到的數據的合法所有權問題而產生隱私問題。所有權涉及控制和使用權。如果消費者不被認為是從電表和家庭自動化系統(tǒng)收集到的數據的主人，消費者可能得不到向數據所有人提供的法律方面的隱私保護。
安全性
在易受恐 怖襲擊的時代，安全性是一個更重要的考慮因素。記住，我們正在討論的是巨大數量能源的產生、輸送和配送。總之，風險非常高，因為智能電網信息和控制信號要流過這么多網絡，而且有這么多的所有者。
為解決這個問題，NIST設立了一個智能電網網絡安全性協(xié)調工作組(CSCTG)，該工作組由300多位志愿者組成，他們分別來自商業(yè)、大學、監(jiān)管組織和聯(lián)邦機構。目前他們正在用高等級風險評估技術制定網絡安全性要求。NIST已經發(fā)布了初步報告“NIST Interagency Report (NISTIR) 7628 Smart Grid Cyber Security Strategy and Requirements”，這份報告描述了CSCTG為智能電網制定的網絡安全總體策略。
SGIP
NIST行動計劃的新階段已正式確立，即成立智能電網互操作性專家組(SGIP)。到2009年12月中旬，也就是成立一個月后，SGIP成員已經超過400個，分為22個股東類別。
SGIP的任務是支持智能電網互操作性構架的不斷發(fā)展；識別和解決額外的隔閡；反映技術變化和標準要求；繼續(xù)協(xié)調SSO工作，并及時支持新版或修訂版的智能電網標準。
欲了解有關SGIP的股東組成、會議及成果等全面信息，請登錄NIST Smart Grid Collaboration Site。
SGIP的一個工作重點是確保一個網絡安全級別的下降不會影響其它互連系統(tǒng)的安全。對于安全性的妥協(xié)可能會影響整個電網的可用性和可靠性。
這為設計工程師提供了進一步的機會。每個領域中的設備和應用都是網絡端點。它們包括智能電表、電器、自動調溫器、能量存儲設備、電動汽車和消費端的分布式發(fā)電設備。
輸電和配電領域中的其它設備包括輸電線變電站中的相量測量單元(PMU)、變電站控制器、分布式發(fā)電站和儲能設備。運營領域則包括監(jiān)控和數據采集(SCADA)系統(tǒng)以及運營中心的計算機和顯示系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
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