智能電網(wǎng)信息系統體系結構研究

　　計算機學(xué)報智能電網(wǎng)信息系統體系結構研究曹軍威）2）萬(wàn)宇鑫3涂國煜張樹(shù)卿4）夏艾3劉小非陳震12陸超4）清華大學(xué)信患技術(shù)研究院北京100084）2）（清華信患科學(xué)與技術(shù)國家。
　　智能電網(wǎng)主要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：保證電網(wǎng)安全、穩定和可靠性的同時(shí)提高設備利用率由于電網(wǎng)系統高度耦合，調度控制不當，單一故障（fault）可引發(fā)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(wǎng)系統對于可靠性的要求非常高。智能電網(wǎng)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(wèn)題。
　　實(shí)現發(fā)電與用電的互動(dòng)。電網(wǎng)的基本特征是發(fā)電與用電的平衡。從絡(luò )端用戶(hù)的角度講，用戶(hù)可以通過(guò)智能電力絡(luò )端獲取到電網(wǎng)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(jìn)行調整。而對于電網(wǎng)系統來(lái)說(shuō)，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(wǎng)的建設基于發(fā)-輸f配用的單向思維，大量冗余造成浪費，智能電網(wǎng)基于實(shí)時(shí)性較高（幾十毫秒級）的測量通信系統，可以通過(guò)實(shí)時(shí)控制來(lái)達到發(fā)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(zhì))的接入。新能源主要是指風(fēng)電和光伏發(fā)電，我國的風(fēng)電資源主要集中在西北部地區，同樣這些地區也是太陽(yáng)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(jīng)過(guò)遠距離傳輸才能到達負荷區。這就要求電網(wǎng)必須在全國范圍內對新能源發(fā)電進(jìn)行優(yōu)化配置。同時(shí)，由于新能源發(fā)電本身具有隨機性和間歇性的特點(diǎn)，如果直接并入電網(wǎng)，則可能影響電網(wǎng)系統整體的穩定性。如風(fēng)力發(fā)電可能由于客觀(guān)氣象原因大范圍脫網(wǎng)，就會(huì )造成電力系統瞬時(shí)的不平衡，繼而影響整體的穩定性。
　　由此可見(jiàn)，智能電網(wǎng)需要解決傳統電網(wǎng)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(wèn)題的解決則依賴(lài)于正在逐漸發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)涵蓋從傳感器網(wǎng)絡(luò )至上層應用系統之間的物理狀態(tài)感知、信息表示、信息傳輸和信息處理，在智能電網(wǎng)信息系統體系中的通信、安全及上層應用等各個(gè)方面將起到重要作用：傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可用于智能電表等電網(wǎng)絡(luò )端通信設備的數據采集和信息獲取4；實(shí)時(shí)和安全通信技術(shù)可用于電網(wǎng)運行參數的傳輸，實(shí)現電網(wǎng)運維數據和發(fā)電負荷數據的實(shí)時(shí)傳遞；數據存儲和信息表示技術(shù)6可用于電網(wǎng)海量數據的存儲、管理、查詢(xún)和組織；數據分布式處理和任勞調度技術(shù)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(shí)時(shí)調配。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得電力系統從一個(gè)相對1期曹軍威等：智能電網(wǎng)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(huán)境中，在提高電網(wǎng)穩定性的同時(shí)，使得風(fēng)能、電能等新能源方便地融入智能電網(wǎng)信息系統，統一進(jìn)行規劃與調度。
　　借鑒物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)構架，本文從信息技術(shù)的角度提出智能電網(wǎng)的體系結構。第2節總結智能電網(wǎng)定義；第3節介紹智能電網(wǎng)國內外發(fā)展現狀、主要技術(shù)難點(diǎn)和挑戰并提出智能電網(wǎng)信息系統體系結構；第4節第6節分別詳細介紹智能電網(wǎng)信息系統的基礎設施、支撐平臺和應用系統；第7節進(jìn)行總結并對智能電網(wǎng)未來(lái)研究方向做展望。
　　2智能電網(wǎng)定義智能電網(wǎng)，通常指將現代信息系統融入傳統能源網(wǎng)絡(luò )構成的新電網(wǎng)系統。從而使電網(wǎng)具有更好的可控性和可觀(guān)性，解決傳統電力系統能源利用率低、互動(dòng)性差、安全穩定分析困難等問(wèn)題(Emerson)；同時(shí)基于能量流的實(shí)時(shí)調控，便于分布式新能源發(fā)電、分布式儲能系統的接入和使用。
　　智能(intelligence)電網(wǎng)的第1個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是可觀(guān)性強。即借助信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，實(shí)時(shí)監控電力系統各節點(diǎn)的信息。
　　例如IBM定義智能電網(wǎng)3個(gè)層次的第1層次就是息的實(shí)時(shí)、全面和詳細監視，消除監測盲點(diǎn)“，清華大學(xué)20世紀80年代便提出”CCCP“（通信、計算機和控制技術(shù)在電力系統中的應用）概念，認為智能電網(wǎng)是傳統電力系統網(wǎng)和電力信息網(wǎng)的兩網(wǎng)融合及相互作用。同樣的定義還包括中的相關(guān)(related)概念。
　　智能電網(wǎng)的另一個(gè)特性是發(fā)電用電雙方動(dòng)態(tài)交互。即利用實(shí)時(shí)獲取的電網(wǎng)發(fā)電信息和用戶(hù)(user)信息進(jìn)行優(yōu)化調度。從絡(luò )端用戶(hù)的角度來(lái)講，智能電網(wǎng)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(luò )端用戶(hù)更加穩定的電力。例如杜克能源（DukeEnergy）提出在智能電網(wǎng)環(huán)境下，絡(luò )端用戶(hù)可以實(shí)時(shí)觀(guān)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(shí)電力可以根據用戶(hù)的需求調配=能源供應并通過(guò)價(jià)格手段引導用戶(hù)的需求，使總的能源消耗降低。歐洲智能電網(wǎng)戰略發(fā)展規劃提出智能電網(wǎng)應將所有接入電網(wǎng)的用戶(hù)、發(fā)電機以及雙向設備連接整合在一起，通過(guò)智能監控、通信和自愈技術(shù)加強對發(fā)電側的控制，提供給用戶(hù)更多信息和用電優(yōu)化方案，減少電力系統對環(huán)境的影響，提高供電的可靠性和安全性。
　　智能電網(wǎng)的第3個(gè)特點(diǎn)是可靠性高。即可以從系統震蕩中自動(dòng)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(wǎng)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(wǎng)3個(gè)層次的第3層次就是在信息集成的基礎上進(jìn)行高級分析，實(shí)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(guān)點(diǎn)，我們給出智能電網(wǎng)的定義如下：智能電網(wǎng)是在傳統電網(wǎng)的基礎上構建起來(lái)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(guò)獲取電網(wǎng)各層節點(diǎn)資源和設備的運行狀態(tài)，進(jìn)行分層次的控制管理和電力調配，實(shí)現能量流、信息流和業(yè)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(hù)供電質(zhì)量，提高可再生能源的利用效率。智能電網(wǎng)最絡(luò )目標(cause)是降低能源消耗成本，改善居民用電質(zhì)量，降低電力運行成本，從而促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展(Develop)。
　　3智能電網(wǎng)發(fā)展現狀及挑戰3.1智能電網(wǎng)國內外發(fā)展現狀2001年啟動(dòng)了CIN/SI項目，提出開(kāi)發(fā)一個(gè)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(wǎng)絡(luò )化電力系統及基礎設施，2001年6月的《Wred》對其進(jìn)行了介紹，這是較早提及構建智能能源網(wǎng)絡(luò )設想的。在此之后，美國電力研究院?jiǎn)?dòng)了IntelUGrul項目并于2004年發(fā)布了IntelUGml
　?、袤w系架構，G
　　E、思科、朗訊等多家參與到該項目的研發(fā)中。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)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(jìn)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(gè)角度（angle)對如何構建智能電網(wǎng)給出實(shí)施步驟和技術(shù)引導。2003年美國能源部發(fā)布了電網(wǎng)2030藍圄并于同年牽頭成立了GridWise
　?、诼?lián)盟，該聯(lián)盟旨在推動(dòng)傳統電力系統和信息技術(shù)的結合，構建新型智能電網(wǎng)。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(lǐng)域的企業(yè)。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(xué)報能電網(wǎng)城市試點(diǎn)，目前已安裝23 000臺智能監控設備
　?、贋橛脩?hù)提供更加便利穩定的電力供應并幫助用戶(hù)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(gè)新的智能電網(wǎng)試點(diǎn)?？傮w來(lái)看，美國的智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展側重通信技術(shù)、控制技術(shù)與電力系統的融合，同時(shí)強調絡(luò )端用戶(hù)和電網(wǎng)系統的交互。美國能源部2009年智能電網(wǎng)報告指出構建智能電網(wǎng)系統應從輸電系統、分布式能源、配電系統、信息網(wǎng)絡(luò )、管理和金融環(huán)境的6個(gè)方面開(kāi)展。
　　歐洲智能電網(wǎng)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(huì )議上，產(chǎn)業(yè)界和研究界相關(guān)人士提出了建立歐洲未來(lái)電力網(wǎng)絡(luò )技術(shù)平臺的設想。2005年在歐盟委員會(huì )的支持下歐洲成立了智能電網(wǎng)歐洲技術(shù)平臺，為2020年及之后的歐洲電力網(wǎng)絡(luò )發(fā)展提供規劃。該組織于2006年發(fā)布了歐洲智能電網(wǎng)設計藍圄，提出了智能電網(wǎng)必須包含靈活性、可接入性、可靠性與經(jīng)濟性四個(gè)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(chǎn)能的接入。2008年底該組織發(fā)布了歐洲智能電網(wǎng)戰略發(fā)展規劃并于2010年4月發(fā)布了最絡(luò )版本，將歐洲智能電網(wǎng)的發(fā)展按優(yōu)先級劃分為6個(gè)等級，涵蓋電網(wǎng)優(yōu)化、分布式能源、信息通信技術(shù)到市場(chǎng)運營(yíng)等方面。所有目標將在2020年前后芫成，其中第一階段目標（優(yōu)化電網(wǎng)運營(yíng)和使用）在2008 2012年芫成，解決分布式環(huán)境下電網(wǎng)的運營(yíng)、安全和以市場(chǎng)為導向的能量流控制問(wèn)題。曰本于2009年4月公布了“曰本發(fā)展戰略與經(jīng)濟長(cháng)計劃”，其中包括了太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)、未來(lái)曰本智能電網(wǎng)實(shí)證試驗、電動(dòng)汽車(chē)快速充電裝置等與智能電網(wǎng)密切相關(guān)的內容。曰本電氣事業(yè)聯(lián)合會(huì )在2009年7月表示，將全面開(kāi)發(fā)“曰本版智能電網(wǎng)”韓國在2008年發(fā)布了“綠色能源工業(yè)策略”，推出了“韓國版智能電網(wǎng)”
　　設想。
　　在我國，2009年5月國家電網(wǎng)提出了我國智能電網(wǎng)的發(fā)展規劃，將分3個(gè)階段推動(dòng)我國智能電網(wǎng)的建設并計劃于2020年建成統一的智能電網(wǎng)；從電網(wǎng)本身安全穩定、能源調度、用戶(hù)交互(each other)性、新型電力應用等8個(gè)方面給出了我國未來(lái)智能電網(wǎng)的特征。華北電網(wǎng)于2009年4月公布了試點(diǎn)小區。南方電網(wǎng)2008年芫成了廣域阻尼控制系統，是世界首例已成功工程實(shí)施的廣域閉環(huán)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(huán)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(wǎng)各處按入了1000多處PMU節點(diǎn)，建立了10多個(gè)WAMS中心站，基本覆蓋500kV變電站和主要發(fā)電廠(chǎng)，超過(guò)美國在該方面的進(jìn)展。
　　高校方面也有多家單位正在開(kāi)展智能電網(wǎng)的研究，如清華大學(xué)韓英鐸院士率領(lǐng)的團隊在廣域電網(wǎng)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(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(xué)余貽鑫院士率領(lǐng)的團隊在分布式發(fā)電功能系統方面取得了一定的進(jìn)展，提出了將太陽(yáng)能、風(fēng)能、小型水能等分布式發(fā)電功能系統以微網(wǎng)形式接入大電網(wǎng)的技術(shù)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(zhì)量降低成本。
　　總體來(lái)看，目前國外智能電網(wǎng)研究側重于分布式能源的接入和發(fā)電用電側的互動(dòng)，我國智能電網(wǎng)的研究工作側重于大電網(wǎng)系統的信息獲取與穩定控制，這與我國電力網(wǎng)絡(luò )耦合性強的特點(diǎn)有關(guān)。
　　3.2電網(wǎng)信息系統現狀及主要問(wèn)題現有電網(wǎng)信息系統（電力二次系統）主要指電力調度自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )及其構成的能量管理系統EMS（EnergyManagementSystem）、配電網(wǎng)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(dòng)發(fā)電控制系統AGC（AutomaticGamControl）及電力狀態(tài)估計系統等；配網(wǎng)管理系統主要包括配電自動(dòng)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(shí)現對電網(wǎng)主要數據的實(shí)時(shí)采集。其中EMS和DMS系統均依賴(lài)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(wèn)題是數據采集時(shí)間過(guò)長(cháng)，達到分秒級，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求高的應用如電網(wǎng)廣域控制、能量調度等。WAMS 1期曹軍威等：智能電網(wǎng)倍息系統體系結構研究系統的響應時(shí)間雖在百毫秒量級，但WAMS系統依賴(lài)于電力專(zhuān)網(wǎng)構建，按入成本較高，目前國內110kV電壓等級以下無(wú)PMU節點(diǎn)部署。此外，現有電網(wǎng)信息系統只針對發(fā)配電場(chǎng)站、大功率用電設備進(jìn)行數據采集和控制，無(wú)法獲取負荷的實(shí)時(shí)信息，能量調配還基于離線(xiàn)預測。這樣就造成了現有電力網(wǎng)絡(luò )面臨的4個(gè)主要問(wèn)題：（1）電力系統重要參數隨機、時(shí)變、不可觀(guān)，造成電力系統預測和調度困難；（2）輸電線(xiàn)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(xiàn)路利用度低；（3）對于遠距離輸電中的故障無(wú)法準確獲知故障信息，如故障地點(diǎn)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(wú)法存儲，無(wú)功無(wú)法動(dòng)態(tài)平衡，負荷無(wú)法互動(dòng)，熱備用造成浪費。
　　為了解決以上問(wèn)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(zhù)實(shí)時(shí)數據量的大，解決大數據量下的電力系統數據實(shí)時(shí)傳輸和處理則需要利用先進(jìn)的信息、通信、網(wǎng)絡(luò )和計算技術(shù)，這正是智能電網(wǎng)信息系統需要解決的問(wèn)題?；诖?，我們提出智能電網(wǎng)信息系統體系結構如下。
　　3.3智能電網(wǎng)信息系統體系結構我們提出的智能電網(wǎng)信息系統體系結構如圄2所示，主要包括智能電網(wǎng)信息系統基礎設施、智能電網(wǎng)信息系統支撐平臺與智能電網(wǎng)信息系統應用體系三個(gè)部分。
　　智能電網(wǎng)信息系統體系結構示意圖智能電網(wǎng)信息系統基礎設施主要指構建智能電網(wǎng)的硬件基礎，而智能電網(wǎng)信息系統支撐平臺主要指構建智能電網(wǎng)的軟件基礎架構，在此之上則是實(shí)現智能電網(wǎng)建設目標的各類(lèi)應用。下面將分別對上述三個(gè)平臺進(jìn)行闡述。
　　4智能電網(wǎng)信息系統基礎設施智能電網(wǎng)信息系統基礎設施是構建智能電網(wǎng)的硬件基礎，包括電力系統的各主要環(huán)節及控制、量測設備以及通信網(wǎng)絡(luò )。
　　4 1電力系統(system)控制和量測設備首先簡(jiǎn)單介紹電力系統的組成，電力系統主要由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度6個(gè)部分構成。發(fā)電環(huán)節包括傳統的水電、火電及新的核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電，針對發(fā)電環(huán)節的控制主要有面向發(fā)電機的頻率調節、電壓幅值調節、同步相位及有功無(wú)功功率調節，發(fā)電機的輸出電壓一般在1135kV范圍內。輸電環(huán)節將電網(wǎng)系統中的主要發(fā)電機和負荷中心連接在一起，構成電網(wǎng)系統的主干網(wǎng)絡(luò )，通常運行在最高電壓等級（如220kV以上）。常用的輸電技術(shù)有高壓直流輸電和柔性交流輸電。變電環(huán)節芫成電力的二次分配過(guò)程，連接變電站和配電站，一些大型工業(yè)負荷可能會(huì )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(guò)對于變電站的變壓比和無(wú)功補償設備，電網(wǎng)系統可以對電網(wǎng)的無(wú)功功率和電壓進(jìn)行控制。配電環(huán)節最絡(luò )芫成電能到個(gè)人用戶(hù)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(yè)用電，電壓等級在434二次配電系統則用于居民和企業(yè)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(wǎng)的基礎，智能電網(wǎng)的實(shí)現依賴(lài)于傳感器的應用和部署，目前智能電網(wǎng)中的傳感器包括電網(wǎng)運行維護(maintain)量測系統和個(gè)人用戶(hù)量測系統兩類(lèi)。其中電網(wǎng)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(xiàn)、電廠(chǎng)、電動(dòng)機側的電氣信息，常用的如SCADA系統的遠程絡(luò )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(wú)法及時(shí)獲取電網(wǎng)運行的動(dòng)態(tài)信息；各RTU單元無(wú)同步時(shí)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(shí)單元，測量精度更高；同時(shí)測量頻率更高，在幾十毫秒量級。而個(gè)人用戶(hù)量測系統主要用于測量個(gè)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(guò)獲取用戶(hù)各項不同用電設備的用電數據，并結合電網(wǎng)運行的情況進(jìn)行分析，給用戶(hù)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(dòng)數據采集；斷電管理；動(dòng)態(tài)計費管理；需求響應用于負載控制。
　　目前，在智能電表研制領(lǐng)域，存在兩種主要思路：（1）采用多個(gè)采集設備直接對用電器的數據進(jìn)行采集；2）采用一個(gè)采集設備采集數據，再用分類(lèi)算法對數據進(jìn)行辨識。其中第1種思路的缺陷在于每個(gè)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(xié)議及設備對數據采集進(jìn)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(jìn)行分類(lèi)，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(lèi)數據變得至關(guān)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(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)有功功率及無(wú)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(méi)有辦法區分（3）實(shí)現復雜，需同時(shí)測用功和無(wú)功功率電流大小及啟動(dòng)特征設計簡(jiǎn)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(zhuān)業(yè)人員安裝瞬時(shí)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(lèi)電器（1）每一個(gè)用戶(hù)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(shí)現智能電網(wǎng)目標的載體，電網(wǎng)系統的主要工作參數是頻率、電壓、相位、有功功率、無(wú)功功率。為實(shí)現對以上參數的控制，電網(wǎng)系統的控制對象包括各級發(fā)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(wǎng)絡(luò )通信網(wǎng)絡(luò )是智能電網(wǎng)的重要基礎設施。智能電網(wǎng)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(lài)于通信構架。由于電網(wǎng)系統存在多樣性和分散性的特點(diǎn)，目前電網(wǎng)系統尚無(wú)統一的體系構架。綜合考慮智能電網(wǎng)目前的組網(wǎng)方式及未來(lái)的應用需求，我們認為智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )體系自底向上的構架圄如圄3所示。
　　智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )系統按照智能電網(wǎng)底層量測單元的不同，智能電網(wǎng)通信組網(wǎng)也可以看成兩部分：1）由電網(wǎng)狀態(tài)量測單元PM
　　U、RTU構成的電力狀態(tài)監測網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)為局域范圍內節點(diǎn)數量較少。（2）由個(gè)人用戶(hù)量測單元構成的信息網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)是節點(diǎn)數量大，可擴展性要求高。
　　4 2.1個(gè)人用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )個(gè)人用戶(hù)量測單元往往先通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行連接，再接入廣域網(wǎng)。由智能電表連接組成的局域網(wǎng)包括家庭局域網(wǎng)HAN（HomeAreaNetwork）和可用的組網(wǎng)方式有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和競頻電力線(xiàn)傳輸BPL（BroadbandoverPowerLine）網(wǎng)絡(luò )。其中利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )構建智能電網(wǎng)個(gè)人用戶(hù)局域網(wǎng)已有成型的協(xié)議，已有標準包括Zgbee
　?、賲f(xié)議和OpenHAN協(xié)議。上述兩種協(xié)議均運行于IEEE80
　　2. 15.4無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準基礎之上。Zgbee協(xié)議是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的一種常用組網(wǎng)技術(shù)，多用于低速短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )構建，給出了一種基于Zgbee構建個(gè)人用戶(hù)局域網(wǎng)的方案。OpenHAN則是針對家庭電力系統專(zhuān)□設計的一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)協(xié)議，2008年由開(kāi)放智能電網(wǎng)用戶(hù)組OSGUG（OpenSmartGridUsersGroup）發(fā)布了第1版組網(wǎng)需求說(shuō)明文檔并于2010年進(jìn)行了修訂。構建個(gè)人用戶(hù)局域網(wǎng)的組網(wǎng)結構有星型網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)絡(luò )兩種。其中星型網(wǎng)絡(luò )的主要缺點(diǎn)是中央節點(diǎn)負擔重，存在單點(diǎn)失效問(wèn)題；而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )多見(jiàn)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的構架，由于其較好的自愈特性，實(shí)際也多采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )構建1期曹軍威等：智能電網(wǎng)倍息系統體系結構研究個(gè)人用戶(hù)電力信息網(wǎng)，但臨近集中節點(diǎn)（AccessPmnt）的節點(diǎn)是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的瓶頸。
　　42.2電力主干通信網(wǎng)智能電網(wǎng)主干通信網(wǎng)組網(wǎng)方式可以分為兩類(lèi)，第1類(lèi)是電力網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )結合的構架方式，即通信載體本身是電力網(wǎng)絡(luò )中的元素，包括基于GroundWre）及全介質(zhì)自承式架空光纜ADSS（A11DielectricSelfSupporting）。第2類(lèi)是智能電網(wǎng)信息網(wǎng)的構架與電力網(wǎng)絡(luò )分離，即采用額外的網(wǎng)絡(luò )構架電力系統信息網(wǎng)。而這種模式下也存在不同的信息網(wǎng)構架方式，大致可以分為3種，即采用光纖、無(wú)線(xiàn)信號及租用帶競。目前比較通用的做法是主干網(wǎng)絡(luò )采用光纖搭建(指搭蓋、建立)，邊緣網(wǎng)絡(luò )利用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行傳輸。
　　采用電力網(wǎng)絡(luò )元素構建信息網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )的故障將導致信息網(wǎng)絡(luò )的故障。而分離模式則可以解決上述問(wèn)題，使智能(intelligence)電網(wǎng)信息網(wǎng)構架更加自由，但分離模式下信息網(wǎng)必須另外選擇傳輸載體，需要在成本和傳輸性能上進(jìn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的條件，需要額外的傳輸方式，已有方案比如基于認知無(wú)線(xiàn)電CRCCogmtveRado）的傳輸構架模型，認知無(wú)線(xiàn)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(xié)議定義了空白頻諳搜尋方式。目前802.22協(xié)議已經(jīng)在電視頻(Video)諳中得到了部署，通過(guò)CR技術(shù)利用電視空白帶競，因此可用于在偏遠地區構架信息網(wǎng)絡(luò )。
　　已有的電力系統網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議包括IEC60870、IEC61850及IEC61970協(xié)議組，由于上述協(xié)議組主要針對不同類(lèi)型的數據網(wǎng)絡(luò )而構建，因此本節不做描述，在第6節中再進(jìn)行說(shuō)明。
　　42.3智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )(The internet)主要指標智能電網(wǎng)通信網(wǎng)構建最主要的兩個(gè)指標是網(wǎng)絡(luò )的穩定性和網(wǎng)絡(luò )延時(shí)。不同的網(wǎng)絡(luò )構建方式必然導致不同網(wǎng)絡(luò )特性，如何選取智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的構建方案是智能電網(wǎng)研究領(lǐng)域的一大重要問(wèn)題。
　　探討智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )延時(shí)及穩定性問(wèn)題有兩個(gè)思路：（1）從網(wǎng)絡(luò )拓撲及協(xié)議本身的角度出發(fā)進(jìn)行研究，如研究了在分離信息網(wǎng)構架模式下采用專(zhuān)用帶競和共享帶競的網(wǎng)絡(luò )性能及其影響因素；2）從信息論的角度出發(fā)研究智能電網(wǎng)的傳輸性能，如針對智能電網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信所需的信道容量以保證安全通信的需求的分析。在網(wǎng)絡(luò )性能分析的基礎上，考慮電力系統通信延時(shí)對控制性能的影響則是網(wǎng)絡(luò )化控制系統需要解決的問(wèn)題，但目前的網(wǎng)絡(luò )化控制系統通常針對單一網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行分析，不具有推廣性。
　　前文提到，目前電力信息網(wǎng)絡(luò )通常采用專(zhuān)網(wǎng)搭建(指搭蓋、建立)，但由于專(zhuān)用帶競部署的成本制約，專(zhuān)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(zhù)更好的傳輸延時(shí)性能，但問(wèn)題在于共享帶競模型下延時(shí)的穩定性受網(wǎng)絡(luò )條件的影響較大，如果背景噪聲比例高，則網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和包都會(huì )迅速上升?；赥CP/IP搭建了智能電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )延時(shí)和包情況。同時(shí)還針對共享帶競模型下不同帶競的情況進(jìn)行了比較。目前我國智能電網(wǎng)采用的是專(zhuān)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )情況下保證傳輸的實(shí)時(shí)性和穩定性將是一個(gè)難點(diǎn)。
　　而對于個(gè)人用戶(hù)量測網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量大，但單個(gè)節點(diǎn)的數據量有限，此外網(wǎng)絡(luò )多采用無(wú)線(xiàn)（wireless)方式構建，如何收集這些數據并保證數據的實(shí)時(shí)性是智能電網(wǎng)需要解決的問(wèn)題。針對個(gè)人用戶(hù)量測系統提出了一種基于壓縮傳感技術(shù)的智能電表量測系統模型，采用無(wú)線(xiàn)接入的方法，討另一方面，隨著(zhù)廣域監控節點(diǎn)的逐漸多，已有的電力信息網(wǎng)絡(luò )逐漸無(wú)法滿(mǎn)足系統需求，同時(shí)大數據量對帶競造成的壓力還容易造成時(shí)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(wǎng)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(guò)分析電網(wǎng)連接的耦合程度來(lái)判斷哪些數據是需要在區域之間進(jìn)行傳輸的，從而降低了需要傳輸數據的大小。
　　智能電網(wǎng)通信傳輸與傳統信息傳輸的主要區別在于系統的動(dòng)態(tài)性較強，智能電網(wǎng)通信難點(diǎn)在于其對網(wǎng)絡(luò )延時(shí)大小及時(shí)延的穩定性要求較高。傳統電網(wǎng)通信控制系統如SCADA系統面臨的主要問(wèn)題就在于延時(shí)過(guò)大，如何根據物理條件的限制在成本和性能之間進(jìn)行平衡，也是未來(lái)智能電網(wǎng)研究的主計算機學(xué)報要難點(diǎn)。除此之外，如何保證智能電網(wǎng)數據信道的保密性和安全性也是一個(gè)待解決問(wèn)題。
　　424智能電網(wǎng)上層應用網(wǎng)絡(luò )隨著(zhù)分布式發(fā)電和儲能技術(shù)的推廣，從電能供應和使用的層面來(lái)看，電網(wǎng)的自組織特性會(huì )加強，在局域范圍內電網(wǎng)表現出自產(chǎn)自銷(xiāo)的特點(diǎn)。比如未來(lái)用戶(hù)使用的電能可能一部分來(lái)自大電網(wǎng)的供給，而另一部分來(lái)自其附近的新能源產(chǎn)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(wǎng)的負載。而這種自組織的電力供應網(wǎng)絡(luò )，其網(wǎng)絡(luò )模型與內容分發(fā)網(wǎng)絡(luò )CDN（ContentDeliveryNetwork）一致，電網(wǎng)中也可能產(chǎn)生類(lèi)似于互聯(lián)網(wǎng)Cache和P2P的電力供應模式，即通過(guò)混合動(dòng)力汽車(chē)PHEV（PlugrinHybridElectricVehicle）和電動(dòng)汽車(chē)EV來(lái)充當Cache，在2004年便有類(lèi)似的想法被提出。本文認為智能電網(wǎng)上層應用網(wǎng)絡(luò )可利用覆蓋網(wǎng)技術(shù)及信息中心網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)行構建。）是基于當前TCP/IP架構互聯(lián)網(wǎng)通信的一種虛擬網(wǎng)絡(luò )。它通過(guò)在現有通信基礎框架上部署一組節點(diǎn)，改善TCP/IP網(wǎng)絡(luò )上的通信可靠性與服勞質(zhì)量。覆蓋網(wǎng)可針對智能電網(wǎng)應用的多樣性提供網(wǎng)絡(luò )通信基礎支撐。例如微網(wǎng)系統中的發(fā)電負載平衡問(wèn)題便可利用P2P模型解決。借助P2P技術(shù)在分布式資源發(fā)現方面的算法，系統可以較快獲取各節點(diǎn)用電和發(fā)電的數據，從而進(jìn)行調配。如果在節點(diǎn)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(wǎng)輸配電調配模型。除此之外，P2P技術(shù)在電力計價(jià)系統、智能保護系統、智能卸負荷等多個(gè)方面均可得到應用。覆蓋網(wǎng)技術(shù)還可用于提高智能電網(wǎng)的安全性能和時(shí)延性能。通過(guò)設置安全集線(xiàn)器（hub），數據集中器可以通過(guò)認證等方式選取安全數據轉發(fā)節點(diǎn)。且采用覆蓋網(wǎng)技術(shù)有助于提高網(wǎng)絡(luò )整體的可靠性，不宜產(chǎn)生單點(diǎn)失效問(wèn)題。
　?。↖nformationCentricNetwor-kmg，ICN）是當前未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)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(luò )端位置剝離，通過(guò)(tōng guò)發(fā)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(wǎng)狀態(tài)量測往往針對大型電網(wǎng)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(diǎn)負荷過(guò)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(kāi)始應用試點(diǎn)，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(hù)用電行為進(jìn)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(shí)現信息流的雙向傳遞，智能電表及AMI體系是構建智能電網(wǎng)的基礎。相對于電網(wǎng)狀態(tài)量測，個(gè)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(shí)對數據的實(shí)時(shí)性和安全性有要求。
　　智能電網(wǎng)量測系統是智能電網(wǎng)實(shí)現的基礎，實(shí)現電力數據的采集功能?，F有的量測系統包括SCADA系統、WAMS系統和AMI系統三類(lèi)。其中SCADA系統和WAMS系統芫成對電力狀態(tài)數據的采集而AMI芫成對個(gè)人用戶(hù)數據的采集。SCA-DA系統實(shí)時(shí)性不強，正逐步被WAMS系統替代，而AMI目前還處在發(fā)展中，尚未形成成形方案。另一方面，智能電網(wǎng)量測系統作用的發(fā)揮依賴(lài)于數據分析處理系統。下面將對智能電網(wǎng)數據表示與存儲構架進(jìn)行分析。
　　5.2數據表示與存儲系統52.1智能電網(wǎng)數據表示由于電網(wǎng)系統設備是由多個(gè)不同的廠(chǎng)家共同生產(chǎn)的，如何描述電網(wǎng)系統本身并且統一管理這些異構設備產(chǎn)生的數據是實(shí)現智能電網(wǎng)信息網(wǎng)的關(guān)鍵之一。電網(wǎng)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(guān)聯(lián)關(guān)系的表述、通信模型的表述等多方方面內容。同樣，智能電網(wǎng)的數據表示可以劃分為電力系統數據表示和個(gè)人用戶(hù)數據表示兩類(lèi)，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(gè)人用戶(hù)數據表示模型）智能電網(wǎng)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(xié)議組
　?、?、IEC61850協(xié)議組
　?、?、IEC61970協(xié)議組
　?、垡约罢谥贫ǖ腎EC61968協(xié)議組
　?、?。其中IEC60870協(xié)議組是較早（19901995年）制定的電力系統自動(dòng)化協(xié)議組，其通信模型和數據模型適用于采用專(zhuān)用通信線(xiàn)路搭建的點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò )，目前正在逐步被替換。IEC61850協(xié)議組是描述變電站內通信網(wǎng)絡(luò )和系統標準體系的協(xié)議組，于1999年發(fā)布。協(xié)議采用了面向對象的數據建模方法，實(shí)現了對數據的自我描述，傳輸的數據自己帶有說(shuō)明文件，使得數據傳輸時(shí)不需要再實(shí)現進(jìn)行規約和轉換，從而具備了面向服勞的特點(diǎn)，而IEC60870協(xié)議組下數據傳輸時(shí)需要收發(fā)雙方事先對數據庫進(jìn)行規約IEC61970協(xié)議組及IEC61968協(xié)議組均針對電網(wǎng)調度管理系統，其中IEC61970協(xié)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(gè)協(xié)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(wǎng)模型及其數據，可用UML圖來(lái)表示電力系統組件間的繼承、連接關(guān)系及資源屬計算機學(xué)報性，同時(shí)CIM模型還定義了CIM/XML文件，使得CIM模型可通過(guò)XML進(jìn)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(shí)，CIM還具有元數據描述管理的功能，可用于電網(wǎng)數據倉庫的建立。采用CIM模型對電力系統及其數據進(jìn)行建模是構建智能電網(wǎng)信息網(wǎng)的趨勢，均提出了基于CIM模型的智能電網(wǎng)信息共享平臺設計方案。
　　就以智能電表為單元的個(gè)人用戶(hù)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(xié)議組
　?、?。DLMS對智能(intelligence)電表數據的讀取、計費和負載控制進(jìn)行了規約，COSEM涵蓋了DLMS規約的傳輸與用戶(hù)層規范。
　　5.2.2智能電網(wǎng)數據存儲模型智能電網(wǎng)具有可靠性要求高和數據海量的特點(diǎn)，這要求智能電網(wǎng)數據的存儲必須設置必要的冗余和備份機制；同時(shí)電網(wǎng)數據的存儲模型必須滿(mǎn)足快速查找和處理要求；而由于智能電網(wǎng)應用多樣，不同應用實(shí)時(shí)性要求也不相同，由此智能電網(wǎng)的數據存儲也可分為在線(xiàn)數據和實(shí)時(shí)數據兩種模式(pattern)。
　　目前主要有4種智能電網(wǎng)數據存儲方案：第1類(lèi)方案為多個(gè)數據集中器，單一控制處理節點(diǎn)加上利用關(guān)系數據庫的集中存儲。其中每個(gè)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(wǎng)系統中的廣域控制模型與之類(lèi)似；第2類(lèi)方案與第1類(lèi)方案類(lèi)似，但將集中式存儲拆分為分布式數據庫存(in stock)儲。第3類(lèi)方案取消了利用關(guān)系型數據庫的存儲模式，提出了基于XML的〈關(guān)鍵字，值〉模型，并且采用類(lèi)似MapReduce的算法對數據庫進(jìn)行操作；第4類(lèi)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(wǎng)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(diǎn)上，該方式類(lèi)似于搜索引擎對網(wǎng)頁(yè)的搜索。結合智能電網(wǎng)中家庭電力數據的存儲和賬單計算這一應用對上述4類(lèi)方案的并發(fā)處理能力和處理時(shí)間進(jìn)行了仿真并給出了結以及針對家庭月賬單的計算時(shí)間。結果表明方案3的可擴展性較差而方案4的處理時(shí)間較長(cháng)，方案1和方案2類(lèi)似。
　　另一方面，由于智能電網(wǎng)數據應用類(lèi)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(wǎng)數據抽象為歷史模式、實(shí)時(shí)模式和未來(lái)模式進(jìn)行建模，而不是按照應用類(lèi)型對數據存儲進(jìn)行建模管理。其中實(shí)時(shí)數據管理主要針對實(shí)時(shí)數據分析(Data Analysis)的需求，利用內存數據庫進(jìn)行存儲。歷史模式主要針對歷史數據的存儲、查找，采用時(shí)序數據庫進(jìn)行存儲。而未來(lái)模式主要用于存儲未來(lái)的可能發(fā)生的設備的變化，例如加發(fā)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(wèn)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(xié)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(shí)也會(huì )引起系統(system)響應時(shí)間的區別，如何為智能電網(wǎng)選取合適的存儲模型，將是未來(lái)智能電網(wǎng)研究中的一個(gè)重要方向。
　　5.2.3基于云計算的智能電網(wǎng)數據存儲從系統實(shí)現上來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)系統的搭建依賴(lài)于云計算平臺，云計算平臺為物聯(lián)網(wǎng)應用提供了計算和存儲資源作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)典型實(shí)例，云計算技術(shù)與智能電網(wǎng)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(wǎng)數據分布式存儲在電網(wǎng)的各個(gè)節點(diǎn)，然后以服勞的形式將數據提供出來(lái)供應用訪(fǎng)問(wèn)獲取。云存儲有助于解決智能電網(wǎng)數據存儲的海量性和可靠性問(wèn)題。
　　OpenPDC是目前已經(jīng)按入運行的一個(gè)智能電網(wǎng)數據處理系統，其實(shí)現基于開(kāi)源平臺Hadoop.該系統應用對象為時(shí)間序列數據流，即數據源為經(jīng)過(guò)GPS授時(shí)的數據流。應用背景即為智能電網(wǎng)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(shí)，會(huì )產(chǎn)生大量的數據。目前該項目管理了北美東部約120個(gè)PMU的數據信息，平均數據量約為每小時(shí)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(gè)數已經(jīng)達到1000以上，再考慮個(gè)人用戶(hù)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數據，可以預見(jiàn)未來(lái)智能電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )造成巨大的壓力，采用分布式存儲成為一種必然。同時(shí)由于電網(wǎng)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(wǎng)系統的安全性。
　　1期曹軍威等：智能電網(wǎng)倍息系統(system)體系結構研究如何將云存儲應用于智能電網(wǎng)還存在不少問(wèn)題尚待解決。首先，雖然已有提及未來(lái)電網(wǎng)的存儲模型，但尚無(wú)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(wǎng)系統存在多樣性的特點(diǎn)，不同量測系統的數據格式并不統一，例如不同廠(chǎng)家的RTU數據格式都不相同，如何構建統一數據模型的問(wèn)題也需要解決。此外，失去時(shí)效性的大量數據需要遷移備份，并且這種遷移是頻繁發(fā)生的，這種情況下保證存儲系統的運行效率成為難點(diǎn)。此外某些應用對于電網(wǎng)數據的獲取有時(shí)間限制，分布式文件系統的查找效率無(wú)法滿(mǎn)足其需求。
　　總體來(lái)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(lái)智能(intelligence)電網(wǎng)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(wǎng)按入實(shí)際運行后，面臨的另一個(gè)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(gè)時(shí)間進(jìn)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(wǎng)既要滿(mǎn)足個(gè)人絡(luò )端用戶(hù)與電網(wǎng)系統的交互需求，也要滿(mǎn)足電網(wǎng)控制系統對電網(wǎng)穩定性的控制需求，未來(lái)智能電網(wǎng)中有兩大類(lèi)應用需要海量數據處理技術(shù)的支撐。第一類(lèi)是智能電網(wǎng)穩定運行監控系統，它根據量測系統獲取到的數據進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全評估DSA（DynamicSecurityAssessment），保證電網(wǎng)運行穩定，以及電網(wǎng)系統出現故障后恢復系統。第二類(lèi)是智能銷(xiāo)售和消費系統，它通過(guò)實(shí)時(shí)電價(jià)自動(dòng)平衡電能的供應和消耗，如微軟開(kāi)發(fā)的Google的PowerMeter系統
　?、谠擃?lèi)應用多與微網(wǎng)系統相結合，考慮新能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能接入后分散發(fā)電資源的利用問(wèn)題。此外，考慮智能電網(wǎng)數據的海量性，智能電網(wǎng)分析決策系統與云計算技術(shù)的結合是未來(lái)趨勢（trend)，因此本文認為未來(lái)智能電網(wǎng)分析決策系統結構如圄6所示。
　　智能(intelligence)電網(wǎng)分析決策系統5 31智能電網(wǎng)分析決策需求對于第一類(lèi)應用，第一是要解決電網(wǎng)穩定性的判定問(wèn)題電力系統的穩定性分為靜態(tài)穩定和暫態(tài)穩定兩類(lèi)，其中暫態(tài)穩定描述的是電網(wǎng)出現大擾動(dòng)后的魯棒性，比如出現短路故障、短線(xiàn)以及發(fā)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(tài)穩定評估方法（TSA）可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是基于數學(xué)模型(model)的方法，包括時(shí)域仿真法，即通過(guò)建立電力系統各元件的微分方程，再通過(guò)數值方法求解各狀態(tài)量的時(shí)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(dòng)態(tài)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(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 另一類(lèi)是基于數據本身的模式識別方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、支持向量機、遺傳算法等多種方法。其中第一類(lèi)方法面臨兩個(gè)主要困難：一是實(shí)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(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)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(jīng)驗的方法給定負荷的參數(parameter)，不精確，如何對電網(wǎng)負荷參數進(jìn)行在線(xiàn)辨識也是未來(lái)智能電網(wǎng)亟需解決的問(wèn)題。而第二類(lèi)方法同樣面臨當系統規模較大時(shí)，數據集數量過(guò)大的問(wèn)題，如何進(jìn)行特征選取和壓縮目前尚無(wú)統一的模式。另一方面，在獲取到電網(wǎng)故障信息后，如何迅速重新配置電網(wǎng)結構使電網(wǎng)系統重歸穩態(tài)是第二個(gè)需要解決的問(wèn)題。已有的方法包括啟發(fā)式算法、專(zhuān)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(shí)會(huì )出現計算瓶頸。
　　通過(guò)智能電表獲取到用戶(hù)用電數據后，智能電網(wǎng)的另一項功能是對用戶(hù)用電行為進(jìn)行預測和建議，充分利用分布式能源發(fā)電能力，并通過(guò)電力使用時(shí)間(time)的遷移降低峰值使用時(shí)間段電力系統壓力，進(jìn)而提高電力系統運行效率。其核心思想是利用實(shí)時(shí)電價(jià)調節用戶(hù)行為。該類(lèi)應用通常分三步實(shí)現：（1）根據用戶(hù)數據構建行為模型并進(jìn)行預測。
　?。?）中心處理單元獲取用戶(hù)數據進(jìn)行全局優(yōu)化（屬于多目標優(yōu)化問(wèn)題），例如對于單個(gè)用戶(hù)來(lái)說(shuō)優(yōu)化目標是最小費用，而對于電力系統來(lái)說(shuō)優(yōu)化目標是電力系統運行穩定性和效率。
　?。?）實(shí)時(shí)控制系統控制電器開(kāi)關(guān)已有的實(shí)現方案多基于多級代理（agentbased），計算機學(xué)報每級代理進(jìn)行出價(jià)（需要/發(fā)出的總電力及價(jià)格），再逐級匯總由最高級代理進(jìn)行優(yōu)化，如給出的實(shí)時(shí)定價(jià)算法就是這樣一種方法。結合電冰箱的用電控制實(shí)例進(jìn)行了說(shuō)明。據，該類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題屬于NP芫全問(wèn)題，因此多采用啟發(fā)式算法求解。此外，如不考慮用戶(hù)向電網(wǎng)中送電的問(wèn)題，則可以利用線(xiàn)性規劃方法求解。
　　5 32基于云計算的智能電網(wǎng)數據處理由于電網(wǎng)系統規模大、節點(diǎn)多，特別是智能電表得到的數據需要實(shí)時(shí)規劃和調度，這需要大量的計算資源進(jìn)行分析處理，智能電網(wǎng)數據處理與云計算技術(shù)的結合成為必然。
　　已有研究工作探討智能電網(wǎng)與云計算技術(shù)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(wǎng)數據，對數據子集進(jìn)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(guān)，每個(gè)數據子集可以獨立進(jìn)行運算處理，智能電網(wǎng)中的某些應用符合這種運算模式，比如實(shí)時(shí)電價(jià)計算。但還存在一類(lèi)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(fā)電負荷平衡(balance)、電網(wǎng)應急報警。這種情況下簡(jiǎn)單的云計算模型并不能進(jìn)行處理。電網(wǎng)的物理特性是系統本身的關(guān)聯(lián)性較強（電力系統之間存在電氣連接），也即意味著(zhù)數據存在關(guān)聯(lián)性，是否可以改進(jìn)并行算法，降低傳輸和計算的資源消耗，是未來(lái)智能電網(wǎng)研究的一個(gè)方向，如前文提到的通過(guò)分析電網(wǎng)連接的耦合層度來(lái)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(mǎn)足處理時(shí)限要求，也是難點(diǎn)。
　　5.4控制與執行系統智能電網(wǎng)包括電能的發(fā)、輸、變、配、用等5個(gè)環(huán)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(chǎng)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(wǎng)系統頻率下降、電壓下降、發(fā)電機失效、過(guò)負荷都會(huì )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(jìn)行調控，具體包括穩定控制、電壓及無(wú)功功率控制、頻率及有功功率控制、配電網(wǎng)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(wǎng)結合是未來(lái)智智能控制執行系統能電網(wǎng)需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題，因為新能源接入往往會(huì )給電網(wǎng)帶來(lái)新的安全穩定問(wèn)題。在電壓及無(wú)功功率控制方面，已有算法包括優(yōu)化問(wèn)題求解的梯度類(lèi)算法、牛頓法、二次規劃法、線(xiàn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò )等多種方法。頻率及功率控制方面，已有算法包括經(jīng)典的IP控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法及線(xiàn)性規劃法等。而配電網(wǎng)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(fā)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(wú)功補償器ASV
　　C、可控串聯(lián)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(fā)電控制的方法將在6.2節及6.3節進(jìn)行詳細論述，在此不做討論。
　　從系統構架上來(lái)看，傳統電網(wǎng)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(fā)送至數據中心進(jìn)行集中處理并給出控制反饋，而分散策略指將大電網(wǎng)按區域劃分，每個(gè)區域有自己的控制中心，控制中心之間通過(guò)共享數據實(shí)現對整個(gè)系統的控制。從系統性能上來(lái)看，集中式控制往往會(huì )對主節點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)大的處理壓力和帶競壓力，同時(shí)也容易造成單點(diǎn)失效，所以未來(lái)電網(wǎng)的控制結構會(huì )逐步向分散結構過(guò)渡；另一方面，隨著(zhù)新能源（解釋:向自然界提供能量轉化的物質(zhì))的引入，未來(lái)電網(wǎng)將是許多分散的微電網(wǎng)的集合，分1期曹軍威等：智能電網(wǎng)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(wú)需芫全在廣域范圍內傳遞，對于減少網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和保證網(wǎng)絡(luò )穩定性也可能產(chǎn)生積極作用，如在信息網(wǎng)構架采用OPGW組網(wǎng)方法下研究了集中和分散控制策略下電網(wǎng)系統的延時(shí)和穩定性。從結果(result)上看，分散控制的平均延時(shí)更小且方差更小，意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的穩定性更好。
　　本節對實(shí)現智能電網(wǎng)的4個(gè)重要支撐平臺進(jìn)行了分析。為了實(shí)現智能電網(wǎng)對電力的穩定控制、能源的實(shí)時(shí)調配以及新能源的接入等目標，需要構建基于智能電網(wǎng)基礎設施和支撐平臺的應用體系。下面著(zhù)重從發(fā)電側、電網(wǎng)側和用電側這3方面對智能電網(wǎng)信息系統應用體系進(jìn)行介紹。
　　6智能電網(wǎng)信息系統應用體系6.1發(fā)電側應用由于傳統化石能源的無(wú)法再生性及對環(huán)境造成的影響，綠色能源即新能源發(fā)電以及隨之產(chǎn)生的微網(wǎng)系統正逐漸成為未來(lái)電網(wǎng)系統發(fā)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(cháng)速度在每年10%60%之間。列出了至2020年世界各國新能源發(fā)電占電網(wǎng)發(fā)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(fā)電芫全取代傳統能源發(fā)電。
　　本節著(zhù)重對新能源發(fā)電接入傳統電網(wǎng)后的控制管理和能源調度問(wèn)題(Emerson)進(jìn)行分析，對于傳統電網(wǎng)的發(fā)電控制問(wèn)題不予涉及，因為該類(lèi)問(wèn)題已經(jīng)在電力系統領(lǐng)域進(jìn)行過(guò)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(fēng)能、太陽(yáng)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(gè)帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個(gè)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(fēng)力發(fā)電中風(fēng)的速度和時(shí)間是不可控的?？煞峙赡茉吹慕尤牍芾砼c化石能源發(fā)電系統無(wú)明顯不同，而不可分派能源由于能源供應的波動(dòng)性，接入電網(wǎng)后會(huì )對電網(wǎng)系統的穩定性出現影響。因此，不可分派能源的接入管理問(wèn)題將是未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)電系統的研究重點(diǎn)。目前，不可分派能源發(fā)電主要以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃料電池為主。據2009年的統計數據，風(fēng)力發(fā)電的容量長(cháng)比其余新能源發(fā)電系統容量之和還要多，全球風(fēng)力發(fā)電裝機總容量達到160GW，而光伏發(fā)電則是長(cháng)速度最快的新能源發(fā)電系統。
　　光伏發(fā)電系統和風(fēng)力發(fā)電系統的主要特點(diǎn)在于其能源供應的間歇性，因此會(huì )造成發(fā)電輸出電壓、頻率的波動(dòng)。而這種波動(dòng)性在接入電網(wǎng)后會(huì )對電網(wǎng)系統的整體穩定性產(chǎn)生影響。這種發(fā)電電壓和頻率的波動(dòng)性表現為兩類(lèi)問(wèn)題：一類(lèi)是正常發(fā)電期間由于能源供應波動(dòng)造成的電能質(zhì)量問(wèn)題，如風(fēng)速時(shí)大時(shí)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(dòng)問(wèn)題，如風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)機輸出功率的波動(dòng)，極端情況下風(fēng)力過(guò)小或過(guò)大為保護風(fēng)力發(fā)電機會(huì )停止發(fā)電，即停止輸出。為解決第一類(lèi)問(wèn)題，電力系統領(lǐng)域已進(jìn)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(guò)在風(fēng)力發(fā)電機和電網(wǎng)之間加入變流器及電容器組合等電力電子器件，以實(shí)現對電壓抖動(dòng)、頻率抖動(dòng)、無(wú)功補償和有功輸出等發(fā)電系統關(guān)鍵參數的控制。例如風(fēng)力發(fā)電機自20世紀80年代起經(jīng)過(guò)了四五代的改進(jìn)，早期的風(fēng)力電機速度不可控，風(fēng)機輸出僅通過(guò)一個(gè)無(wú)功補償環(huán)節就加入到大電網(wǎng)中，因此風(fēng)力的波動(dòng)直接會(huì )輸入到電網(wǎng)系統中，而目前的可控變速恒頻風(fēng)力電機已可較好實(shí)現對風(fēng)機輸出的電能質(zhì)量控制，詳細信息可。在電能質(zhì)量控制方面已有技術(shù)包括機械開(kāi)關(guān)電容MSC
　　S、基于可控晶闡管的靜止無(wú)功補償SVCs以及靜止同步補償STATCOM在實(shí)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(fā)電間歇性造成的第2類(lèi)問(wèn)題，則更依賴(lài)于智能電網(wǎng)傳感、量測、通信和數據處理環(huán)節的支撐圄8以風(fēng)力發(fā)電為例描述了智能電網(wǎng)信息系統對風(fēng)力發(fā)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(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)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(fēng)力發(fā)電系統可能出現的輸出不穩定問(wèn)題，主要有兩條思路：一是通過(guò)預測風(fēng)場(chǎng)所在地的風(fēng)力輸出信息，結合負載測的能源需求信息，通過(guò)與電能存儲結合的混合新能源發(fā)電系統進(jìn)行實(shí)時(shí)調度，以實(shí)現穩定的發(fā)電輸出但第1種思路需要大量的分布式存儲設備與風(fēng)電系統配套建設，成本較高；二是通過(guò)對電網(wǎng)負荷的實(shí)時(shí)控制、平衡風(fēng)力發(fā)電輸出和負載功率需求之間的關(guān)系，在風(fēng)機輸出減少時(shí)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(dòng)(electric)汽車(chē)儲能系例如就是采用抽水儲能與新能源發(fā)電系統結合的實(shí)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