2019智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)

智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)目 錄前言第1章 智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計 11.1 概述 11.2 現(xiàn)有電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的比較 11.3 能源獨立和安全法案（2007）：智能電網(wǎng)實施依據(jù) 21.4 計算智能 31.5 電力系統(tǒng)改進 41.6 通信與標(biāo)準(zhǔn) 417 18

………………………4………………………41.9 智能電網(wǎng)各市場驅(qū)動力概覽 610 各利益相關(guān)方的角色與職能 61.10.1 電力公司 810.2 政府實驗室與示范項目 81.10.3 電力系統(tǒng)工程研究中心（PSERC） 81.10.4 研究機構(gòu) 91.10.5 技術(shù)公司、銷售商與制造廠 91.11 基于性能評價的智能電網(wǎng)工作定義 101.12 典型架構(gòu) 1013 智能電網(wǎng)各構(gòu)成組件的功能 1213.1 智能設(shè)備接口組件 121.13.2 儲能組件 121.13.3 輸電子系統(tǒng)組件 121.13.4 監(jiān)視與控制技術(shù)組件 121.13.5 智能配電網(wǎng)子系統(tǒng)組件 1213.6 需求側(cè)管理組件 131.14 小結(jié) 13參考文獻推薦閱讀

……………13……………13第2章 智能電網(wǎng)通信與測量技

…………………14目錄Ⅴ1 通信與測量 142.2 監(jiān)視、PMU、智能電表與測量技術(shù) 16221 廣域測量系統(tǒng)（222 相量測量單元（PMU）

………………17………………172.2.3 智能電表 182.2.4 智能家電 192.2.5 高級量測體系（AMI） 192.3 GIS與谷歌地圖工具 202.4 多代理系統(tǒng)（MAS）技術(shù) 212.4.1 用于智能電網(wǎng)的多代理系統(tǒng) 212.4.2 多代理系統(tǒng)示例 222.4.3 多代理技術(shù) 235 微電網(wǎng)與智能電網(wǎng)的比較 232.6 小結(jié) 24參考文獻 24第3章 用于智能電網(wǎng)設(shè)計的性能分析工具 261 潮流計算研究概述 263.2 智能電網(wǎng)中潮流計算的挑戰(zhàn)以及現(xiàn)有方法的不足 263.3 潮流計算研究現(xiàn)狀：經(jīng)典與擴展的方程與算法 27331 高斯-332 牛頓-

………27………283.3.3 快速解耦方法 293.3.4 配電網(wǎng)潮流方法 293.4 阻塞管理效果 323.5 用于智能電網(wǎng)設(shè)計的潮流計算 333.6 隨機動態(tài)最優(yōu)潮流（DSOPF）在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用 343.7 靜態(tài)安全評估（SSA）和預(yù)想事故分析 353.8 預(yù)想事故及其分類 383.8.1 穩(wěn)態(tài)預(yù)想事故分析 393.8.2 性能指標(biāo) 393.8.3 靈敏度分析方法 409 智能電網(wǎng)預(yù)想事故研究 413.10 小結(jié) 42參考文獻推薦閱讀

……………42……………42Ⅵ 第4章 智能電網(wǎng)穩(wěn)定性分析工具 441 電網(wǎng)穩(wěn)定性概述 444.2 現(xiàn)有電壓穩(wěn)定性分析工具的優(yōu)點與不足 444.3 電壓穩(wěn)定性評估 484.3.1 電壓穩(wěn)定與電壓崩潰 494.3.2 電壓穩(wěn)定分類 50433 靜態(tài)穩(wěn)定性（型不穩(wěn)定434 動態(tài)穩(wěn)定性（型不穩(wěn)定

…………51…………514.3.5 動態(tài)電壓穩(wěn)定性研究中的分析技術(shù) 514.4 電壓穩(wěn)定性評估技術(shù) 534.5 電壓穩(wěn)定性指標(biāo) 564.6 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究中的分析技術(shù) 584.6.1 用于檢測電壓崩潰點的直接法 594.6.2 非直接法（連續(xù)方法） 594.7 電壓穩(wěn)定性的應(yīng)用與實施示例 604.8 通過電壓穩(wěn)定的預(yù)防控制實現(xiàn)穩(wěn)定性約束優(yōu)化 614.9 功角穩(wěn)定性評估 634.9.1 暫態(tài)穩(wěn)定性 644.9.2 應(yīng)用于實際電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 654.9.3 穩(wěn)定區(qū)域的邊界 664.9.4 主導(dǎo)UEP搜索算法 684.9.5 智能電網(wǎng)DSA設(shè)計中的過程變化 694.10 狀態(tài)估計 714.10.1 加權(quán)最小二乘法估計的數(shù)學(xué)公式 734.10.2 壞數(shù)據(jù)的檢測和辨識 744103 4104

……………74……………774.10.5 魯棒狀態(tài)估計 774.10.6 智能電網(wǎng)環(huán)境下的狀態(tài)估計 804.10.7 實時網(wǎng)絡(luò)建模 8210.8 智能電網(wǎng)中狀態(tài)估計實施方法 824.10.9 動態(tài)狀態(tài)估計 834.10.10 小結(jié) 84參考文獻推薦閱讀

……………84……………85目錄Ⅶ第5章 用于智能電網(wǎng)設(shè)計的計算工具 861 計算工具概述 865.2 決策支持工具（DS） 865.3 優(yōu)化技術(shù) 885.4 經(jīng)典優(yōu)化方法 905.4.1 線性規(guī)劃 905.4.2 非線性規(guī)劃 905.4.3 整數(shù)規(guī)劃 915.4.4 動態(tài)規(guī)劃 925.4.5 隨機規(guī)劃與機會約束規(guī)劃（CCP） 925.5 啟發(fā)式優(yōu)化 935.5.1 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN） 945.5.2 專家系統(tǒng)（ES） 955.6 進化計算技術(shù) 965.6.1 遺傳算法（GA） 975.6.2 粒子群優(yōu)化（PSO） 975.6.3 蟻群優(yōu)化 985.7 自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃技術(shù) 995.8 Pareto方法 1019 混合優(yōu)化技術(shù)及智能電網(wǎng)應(yīng)用 1015.10 計算挑戰(zhàn) 1025.11 小結(jié) 103參考文獻 103第6章 智能電網(wǎng)設(shè)計的路徑 1066.1 引言 1062 智能電網(wǎng)發(fā)展的障礙和解決方案 1066.3 基于先進的優(yōu)化和控制技術(shù)的智能電網(wǎng)設(shè)計路徑 1086.4 一般層次的自動化 108641 642

…………………109…………………110643 644

………………110………………1116.4.5 安全性分析 1126.5 輸電層次中智能電網(wǎng)的大型電力系統(tǒng)自動化 1126.5.1 故障和穩(wěn)定性診斷 113Ⅷ 6.5.2 無功功率控制 1136.6 配電系統(tǒng)自動化需求 1146.6.1 電壓無功功率控制 115662 663

………………116………………1176.6.4 需求側(cè)管理 1176.6.5 分布式發(fā)電控制 1186.7 智能電網(wǎng)的終端用戶/家用電器層次 1188 自適應(yīng)控制和最優(yōu)化方法的應(yīng)用 1186.9 小結(jié) 119參考文獻 119推薦閱讀 120第7章 可再生能源與儲能 1211 可再生能源 1217.2 智能電網(wǎng)中可利用的可持續(xù)能源 1217.2.1 太陽能 1227.2.2 太陽能發(fā)電技術(shù) 122723 光伏系統(tǒng)建模724 風(fēng)電機組系統(tǒng)

…………122…………1247.2.5 生物質(zhì)-生物能 1267.2.6 小型與微型水電 126727 728

………………126………………1277.3 可持續(xù)能源利用中的滲透率與波動性問題 1277.4 需求響應(yīng)問題 1287.5 電動汽車與插電式混合動力電動汽車 1297.6 插電式混合動力電動汽車技術(shù) 1307.7 環(huán)境影響 1317.7.1 氣候變化 1317.7.2 氣候變化的影響 13278 9

……………………132……………………1367.10 小結(jié) 137參考文獻 137推薦閱讀 138目錄Ⅸ第8章 互操作、標(biāo)準(zhǔn)與信息安全 1398.1 引言 1398.2 互操作性 1392.1 互操作性發(fā)展現(xiàn)狀 1408.2.2 互操作性的益處與挑戰(zhàn) 140823 智能電網(wǎng)環(huán)境下的互操作模型824 智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的互操作性

………140………1408.2.5 互操作性和電網(wǎng)的控制 1418.3 標(biāo)準(zhǔn) 1418.4 智能電網(wǎng)信息安全 1438.4.1 信息安全發(fā)展現(xiàn)狀 1448.4.2 信息安全風(fēng)險 1468.4.3 高級量測體系中的信息安全考慮 1478.4.4 降低信息安全風(fēng)險的途徑 1485 信息安全以及用戶可采取的防御措施 1488.6 小結(jié) 149參考文獻 149推薦閱讀 150第9章 智能電網(wǎng)的研究、教育和培訓(xùn) 1519.1 引言 1512 智能電網(wǎng)的研究領(lǐng)域93 智能電網(wǎng)的研究活動

………151………1529.4 跨學(xué)科的研究活動 1529.5 智能電網(wǎng)教育 1539.5.1 模塊1：引言 1549.5.2 模塊2：體系結(jié)構(gòu) 1549.5.3 模塊3：功能 1549.5.4 模塊4：工具和技術(shù) 1549.5.5 模塊5：設(shè)計途徑 1559.5.6 模塊6：可再生能源技術(shù) 1559.5.7 模塊7：通信技術(shù) 1559.5.8 模塊8：標(biāo)準(zhǔn)、互操作和信息安全 1559.5.9 模塊9：案例研究和試驗平臺 1556 培訓(xùn)和職業(yè)發(fā)展 1569.7 小結(jié) 156Ⅹ 參考文獻 156第10章 智能電網(wǎng)的案例研究和試驗平臺 15710.1 引言 15710.2 示范工程 15710.3 高級計量 1574 含可再生能源的微網(wǎng) 15810.5 電力系統(tǒng)的機組組合問題 15910.6 用于配網(wǎng)自動化最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃 16310.7 可再生能源接入的案例研究 16710.7.1 智能電網(wǎng)行動描述 16710.7.2 智能電網(wǎng)應(yīng)用的實施方法 16810.8 試驗平臺和評測系統(tǒng) 16810.9 智能輸電的挑戰(zhàn) 16910.10 智能輸電的益處 16910.11 小結(jié) 169參考文獻 170第11章 后記 171附錄 縮略語表 173第1章 智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計1 概述現(xiàn)有電網(wǎng)采用一種由發(fā)電、輸電、配電等環(huán)節(jié)構(gòu)成的垂直結(jié)構(gòu)，并在控制系統(tǒng)和各類設(shè)備的支持下實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。然而，系統(tǒng)運行人員正在面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，例如，在現(xiàn)有系統(tǒng)中接入可再生能源、技術(shù)的快速革新以及多樣化的市場主體和終端用戶。作為下一代電網(wǎng)的智能電網(wǎng)，將充分利用通信手段和實時測量技術(shù)來提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和預(yù)測能力，抵抗來自內(nèi)部和外部的安全威脅。智能電網(wǎng)的設(shè)計框架是基于對現(xiàn)有電力行業(yè)的拆分、重組以及資產(chǎn)優(yōu)化。這個新一代的電網(wǎng)將能夠：處理調(diào)度計劃和跨區(qū)能量傳輸中的不確定性；接納可再生能源；，；，。12 現(xiàn)有電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的比較。 1.1 。 1.1 表1.1現(xiàn)有電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的比較[4]期望的特點現(xiàn)有電網(wǎng)智能電網(wǎng)用戶的主動參與兼容所有發(fā)電和儲能形式新產(chǎn)品、服務(wù)和市場為數(shù)字經(jīng)濟提供高質(zhì)量電能資產(chǎn)優(yōu)化利用和高效運行對系統(tǒng)擾動的預(yù)測與應(yīng)變能力（自愈能力）抵御信息攻擊與自然災(zāi)害的能力信息對用戶不透明，用戶不能參與互動以集中式發(fā)電為主，分布式能源的接入存在很多障礙有限的、集成度很差的躉售市場；用戶有限的參與機會重點關(guān)注停運，而對電能質(zhì)量問題則響應(yīng)很慢運行數(shù)據(jù)與資產(chǎn)管理缺乏集成，業(yè)務(wù)流程陷入筒倉模式立足于防止事故的進一步擴大；強調(diào)故障后對資產(chǎn)的保護易受到恐怖襲擊和自然災(zāi)害的影響，響應(yīng)速度慢提供充分的信息，用戶通過需求響應(yīng)和分布式能源主動參與互動存在大量“即插即用”、可再生的分布式能源成熟、高度集成的躉售市場；新興電力市場的增長優(yōu)先保證電能質(zhì)量，有各種各樣的質(zhì)量/價格方案可供選擇，快速處理問題極大擴展了電網(wǎng)參數(shù)的采集范圍；注重事故預(yù)警，以盡量減少對用戶的影響對事故的自動檢測和響應(yīng)；通過持續(xù)的預(yù)測分析來防患于未然對信息攻擊與自然災(zāi)害具有抵御能力，快速的系統(tǒng)恢復(fù)能力2 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)3 能源獨立和安全法案（2007）：智能電網(wǎng)實施依據(jù)在美國前總統(tǒng)GeorgeW.Bush簽署的2007能源獨立和安全法案（EISA）中對智能電網(wǎng)做了生動的描繪：智能電網(wǎng)應(yīng)能夠有效而可靠地實施預(yù)測、實現(xiàn)自適應(yīng)和自重構(gòu)。如該法案中所概括的，美國電網(wǎng)的現(xiàn)代化目標(biāo)就是為了維護一個可靠而安全的電力基礎(chǔ)設(shè)施[2]，以滿足未來需求增長的要求。圖1.1說明了推進這樣一個圖1.1智能電網(wǎng)的基本特征第1章智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計 3高效、可靠系統(tǒng)發(fā)展所需的一系列特性。本法案成立了一個智能電網(wǎng)專門委員會，其職責(zé)是“確保原本分散在能源部以及聯(lián)邦政府其他部門中的、與智能電網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)與實踐活動得以彼此溝通、協(xié)同與整合”[1]。專門委員會的任務(wù)包括：研究與開發(fā)；開發(fā)廣為接受的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議；厘清智能電網(wǎng)技術(shù)實踐與電力公司管制之間、智能電網(wǎng)技術(shù)實施與基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)、系統(tǒng)可靠性和安全性之間以及智能電網(wǎng)技術(shù)實踐與電能供需、傳輸、分配乃至政策等方方面面的關(guān)系。針對這項法案，美國的研究與教育團體正在積極參與：智能電網(wǎng)研發(fā)項目；開發(fā)廣為接受的智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議一；開發(fā)滿足智能電網(wǎng)實施條件的基礎(chǔ)設(shè)施；開發(fā)系統(tǒng)可靠性與安全性的保障技術(shù)；制定政策，鼓勵為智能電網(wǎng)的發(fā)、輸、配諸環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持。智能電網(wǎng)開發(fā)與實施中有5個關(guān)鍵方面，12所示。圖1.2智能電網(wǎng)實施的5個關(guān)鍵方面14 計算智能在本書中計算智能”特指對大電網(wǎng)進行優(yōu)化所需的一系列高級分析工具，如基于啟發(fā)式或進化理論的規(guī)劃軟件、決策支持工具以及自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)。②原文此處為保護（n），依上下文應(yīng)為協(xié)議（l）。譯者注4 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)15 電力系統(tǒng)改進，]，，，。16 通信與標(biāo)準(zhǔn)1h，智能電網(wǎng)的高級自動化系統(tǒng)會在快速。，，、。17 試驗平臺一以上對智能電網(wǎng)的特征作了討論。只有評估當(dāng)前電網(wǎng)和擬建的智能電網(wǎng)，才可以充分顯示智能電網(wǎng)的特點和所面臨的挑戰(zhàn)。這樣的智能電網(wǎng)系統(tǒng)一旦被全面實現(xiàn)，將允許用戶參與互動，并在高級軟件的支持下提高發(fā)、輸電能力，降低電網(wǎng)的脆弱度，保證適應(yīng)性、可靠性、充裕度和電能質(zhì)量。培訓(xùn)工具的開發(fā)和電網(wǎng)運行管理所需的技能培訓(xùn)都會創(chuàng)造許多新的就業(yè)機會，這也是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要目標(biāo)之一。如今，智能電網(wǎng)將在試驗平臺和示范項目中進行測試。為了盡快建成第一代智能電網(wǎng)，相關(guān)的試驗平臺和研究中心應(yīng)開展跨學(xué)科合作。為消除導(dǎo)致系統(tǒng)脆弱性的根源，電力公司和智能電網(wǎng)技術(shù)廠家應(yīng)重點關(guān)注系統(tǒng)安全控制，不能僅僅盯住局部的脆弱性和威脅。但是，在現(xiàn)有系統(tǒng)上很難甚至不可能增加安全控制，理想的做法是將其集成到全新的系統(tǒng)中，這樣可以避免很多實施上的問題。對于已建成的安全控制中心，還需要對其有效性進行定期評估，以保持智能電網(wǎng)對各種新威脅的抵御能力。18 本書結(jié)構(gòu)本書共分為11章。本章為概述，講述智能電網(wǎng)的概念、基本原理、工作定義以及系統(tǒng)架構(gòu)。第2章介紹了智能電網(wǎng)的通信與測量技術(shù)。第3章介紹與潮流計算、最優(yōu)潮流、預(yù)想事故分析等相關(guān)的軟件工具，而與電壓穩(wěn)定、功角穩(wěn)定和狀態(tài)估計等相關(guān)的軟件則放到第4章介紹。第5章評估了適應(yīng)智能電網(wǎng)特點的各種計算智能方法。第6章闡述了使用通用動態(tài)隨機優(yōu)化技術(shù)的智能電網(wǎng)路徑設(shè)計。第7章②原文本節(jié)標(biāo)題為“環(huán)境與經(jīng)濟”，此處根據(jù)上下文修改為“試驗平臺”。譯者注第1章智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計 5對可再生能源及其波動性、隨機性問題作了綜述，隨后討論了儲能技術(shù)及其容量和配置問題。為了評價可再生能源的經(jīng)濟和環(huán)境效益，本章還專門討論了需求側(cè)管理（DSM）和需求響應(yīng)、氣候變化以及稅收抵免等幾個問題。第8章討論了制定國家標(biāo)準(zhǔn)的重要性。隨后又討論了互操作性問題，分析了在滿足系統(tǒng)運行約束的前提下，如何使新技術(shù)能易于適配到老系統(tǒng)。為了保護可再生能源的安全利用和通信基礎(chǔ)設(shè)施，本章還討論了信息安全問題。為充分發(fā)揮新技術(shù)的性能優(yōu)勢和經(jīng)濟效益，需要開展一系列重大研究，并且不能忽視職業(yè)教育和培訓(xùn)，第9章對此作了介紹。第10章研究了若干智能電網(wǎng)開發(fā)案例，討論了用于輔助實施的試驗平臺。在智能電網(wǎng)得以全面實施之前，研究人員和決策者尚面臨很多巨大挑戰(zhàn)，本章對此作了概括，并呼吁加大投資和開展跨學(xué)科合作。圖1.3是本書各章內(nèi)容的示意圖。圖1.3本書各章內(nèi)容的示意圖6 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)9 智能電網(wǎng)各市場驅(qū)動力概覽出于改善系統(tǒng)效率和可靠性的目的，并受市場和新機遇的驅(qū)使，智能電網(wǎng)應(yīng)具備以下能力：滿足進一步集成數(shù)字系統(tǒng)的需要，提高電力系統(tǒng)運行效率。在市場競爭環(huán)境下，放松管制的電力工業(yè)可以在滿足系統(tǒng)約束、計及需求的季節(jié)性和每日波動的前提下進行市場化改造。競爭市場增大了跨區(qū)域的功率交換，這給現(xiàn)今日益老化的電網(wǎng)帶來了更大的壓力，迫切需要提升實時控制的水平。處理電網(wǎng)阻塞、提高用戶參與度、降低投資的不確定性。這些都需要對電網(wǎng)進行增容以提高供電可靠性。無縫接入可再生能源（RES）和分布式發(fā)電。大量低成本分布式發(fā)電的接入將會改變現(xiàn)有電網(wǎng)的形態(tài)。除了系統(tǒng)運行人員和決策者，各利益相關(guān)方也在推動智能電網(wǎng)的發(fā)展。下面討論他們各自的作用以及所承擔(dān)的具體角色。1.10 各利益相關(guān)方的角色與職能和分析傳統(tǒng)電網(wǎng)一樣，分析智能電網(wǎng)的重點也應(yīng)集中在識別各利益相關(guān)方及其在電網(wǎng)發(fā)展中的功能。各利益相關(guān)方包括電力公司、發(fā)電商以及用戶、決策者、技術(shù)提供商、研究機構(gòu)等。所有利益相關(guān)方的全面參與是促使智能電網(wǎng)成為現(xiàn)實的重要因素。決策者是指聯(lián)邦及各州的監(jiān)管機構(gòu)，其職責(zé)是確保政策的連續(xù)性以及協(xié)調(diào)各方需求。智能電網(wǎng)的發(fā)展將帶來降低能源價格、減少對外來石油的依存度、提高能效和供電可靠性等好處，各利益相關(guān)方將從中獲益。各利益相關(guān)方的分類如圖1.4所示。智能電網(wǎng)發(fā)展中還有一些參與者，如政府機構(gòu)、制造廠以及研究機構(gòu)。一些政府機構(gòu)，如聯(lián)邦政府能源部（DOE）所屬的國家可再生能源實驗室（NationalRe-newableEnergyLaboratoryNREL）以及一些州立機構(gòu)如加州能源委員會紐約州能源研究與開發(fā)署等都是智能電網(wǎng)的積極倡導(dǎo)者。在智能電網(wǎng)概述”這份專題報告中能源部討論了智能電網(wǎng)實現(xiàn)的背景挑戰(zhàn)機遇和必要性報告中將智能電網(wǎng)定義為這樣一種技術(shù)智能電網(wǎng)改革了整個電力工業(yè)引進了許多理念、概念和技術(shù)把電力公司和電網(wǎng)接入了互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了電網(wǎng)的現(xiàn)代化”[1智能電網(wǎng)的特點包括雙向的數(shù)字通信、即插即用能力、支持用戶參與互動的高級量測體系及相關(guān)設(shè)施、建立在標(biāo)準(zhǔn)之上的互操作性，以及低成本的通信和電子設(shè)備。第1章智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計 7圖1.4各利益相關(guān)方及其職能智能電網(wǎng)還有其他一些廣受認(rèn)同的特性，如集成高級的電網(wǎng)可視化技術(shù)以便實現(xiàn)廣域感知，將實時傳感數(shù)據(jù)、天氣信息以及電網(wǎng)模型集成到地理信息系統(tǒng)中[1]等。不過，我們認(rèn)為智能電網(wǎng)還應(yīng)具備對供需不確定性的適應(yīng)能力、具備預(yù)測能力和防患于未然的預(yù)警能力，對于這些，能源部在其智能電網(wǎng)定義中缺乏相應(yīng)的考慮。另一個聯(lián)邦機構(gòu)，聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FederalEnergyRegulatoryCommis-sion，F(xiàn)ERC）已批準(zhǔn)開發(fā)如下項目：1）信息安全：要求NIST一制定一套標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，既能滿足信息安全要求，又要滿足能源獨立和安全法案（EISA）以及聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會制定的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。2）系統(tǒng)間通信：在大電網(wǎng)各區(qū)域市場運營商、電力公司、需求響應(yīng)集總代理以及用戶之間存在各類信息交換，需要制定一套公共信息模型來規(guī)范信息交換。3）廣域狀態(tài)感知：要求為全國各大電網(wǎng)的運行調(diào)度人員配備專門的設(shè)備，讓調(diào)度人員能獲取系統(tǒng)的全景信息，這樣才可以更好地完成系統(tǒng)監(jiān)視和運行。 4）大電網(wǎng)對新興技術(shù)的兼容與接納。智能電網(wǎng)應(yīng)能夠接納越來越多的可再生②nluefndsdny，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院。譯者注8 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)能源、需求響應(yīng)資源以及儲能裝置，這是解決目前大型電力系統(tǒng)所面臨挑戰(zhàn)的有效措施。而這需要明確相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的開發(fā)。電動交通是另一項新興技術(shù)，它的推廣應(yīng)用也要做到標(biāo)準(zhǔn)先行。1.10.1 電力公司南加州愛迪生（SouthCaliforniaEdison，SCE）和其他一些電力公司承諾改造現(xiàn)有電表。廠家也正在向基于開放標(biāo)準(zhǔn)的高級計量體系靠攏。這一系列的行動已使得諸如服務(wù)質(zhì)量、節(jié)能減耗等指標(biāo)得到持續(xù)改善。高級量測體系（AMI）是智能電網(wǎng)必不可少的組成部分[5。PEPCO控股公司（PEPCOHoldings）一直致力于這項技術(shù)的研發(fā)并提出了這樣一些理念提倡并資助圍繞終端用戶進行的技術(shù)創(chuàng)新、倡導(dǎo)高效能源管理、提供多種電價選擇方案和需求響應(yīng)方案、降低總體能源成本、實現(xiàn)節(jié)能減排等。1.10.2 政府實驗室與示范項目20多年前，PNNL就提出了智能電網(wǎng)的很多基本思想。2080年代中期PNNL的研究人員設(shè)計了第一代的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并安裝在1000余座建筑里，這套系統(tǒng)能夠以準(zhǔn)實時的方式監(jiān)視所有電器的用電情況。PNNL開發(fā)了一整套的分析工具與技術(shù)，覆蓋了從輸電層面的相量測量與控制技術(shù)一直到位于用戶端的電網(wǎng)友好型電器（Grid-FriendlyAppliance，GFA）[2，促進了傳感器、故障診斷、設(shè)備設(shè)計與運行等技術(shù)的發(fā)展與完善。20061月，在其首次報告電網(wǎng)智能化（GridWise）”概念之后的第四年，PNNL正式發(fā)布了“電網(wǎng)智能化合作倡議”一，旨在通過示范工程對新一代電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)進行驗證[3]。該示范工程涉及了來自華盛頓和俄勒岡的300個家庭用戶。電網(wǎng)智能化項目”由設(shè)于能源部電氣與能源保險辦公室的電網(wǎng)智能化聯(lián)盟”負(fù)責(zé)管理。聯(lián)盟成員包括阿海琺、通用電氣、IBM、施耐德電氣、美國電力公司（AEP）、美國邦納維爾電力局（BPA）、ConEd、PJM互聯(lián)電網(wǎng)公司、Battelle、RDSSAICNexgenRockPortCapitalPartners公司[2等智能電網(wǎng)各種應(yīng)用得以實施，離不開各個自動化系統(tǒng)之間的互操作性。作為智能電網(wǎng)的主要倡導(dǎo)者，電網(wǎng)智能化架構(gòu)委員會（GridWiseArchitectureCouncilGWAC）[4正在積極推進此項工作。1.10.3 電力系統(tǒng)工程研究中心（PSERC）美國電力系統(tǒng)工程研究中心（PowerSystemsEngineeringResearchCenter，PS-ERC）[6]由13所大學(xué)和若干工業(yè)伙伴共同組成，旨在用最新技術(shù)解決電網(wǎng)遇到的問題。PSERC的總體目標(biāo)是：為電網(wǎng)運行與規(guī)劃開發(fā)新策略、新技術(shù)、新的分析手段以及新的計算工具，從而支撐電網(wǎng)的靈活、可靠、穩(wěn)定運行。②GridWiseInitiative，見www.pnnl.gov。第1章智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計 91.10.4 研究機構(gòu)美國電力科學(xué)研究院（ElectricPowerResearchInstitute，EPRI）和大學(xué)聯(lián)盟已經(jīng)為智能電網(wǎng)發(fā)展開發(fā)了軟件架構(gòu)。這些軟件基于電力、通信、計算機控制相互融合的思想，主要用于電網(wǎng)技術(shù)框架的開發(fā)。EPRI開發(fā)了智慧電網(wǎng)（Intelligrid）軟件，這是一個基于開放標(biāo)準(zhǔn)和需求導(dǎo)向的軟件，實現(xiàn)了產(chǎn)品與系統(tǒng)間的互操作，整合了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備。電力公司在規(guī)劃、設(shè)計、實施IT系統(tǒng)時，可以利用這套軟件，從中獲得標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)方面的方法、工具及建議。10.5 技術(shù)公司、銷售商與制造廠在全球范圍內(nèi)，IBM公司是為智能電網(wǎng)提供信息技術(shù)（IT）類設(shè)備的主要供貨商。在2008年，IBM公司被美國電力公司（AEP）、密歇根煤氣與電力公司以及用戶能源（ConsumersEnergy）公司列為智能電網(wǎng)能效項目的優(yōu)先IT支持服務(wù)商。IBM公司負(fù)責(zé)的智能電網(wǎng)（GridSmart）項目可以顯示出能源使用情況以及是否參與能效項目。IBM公司在其中充當(dāng)系統(tǒng)集成商的角色。IBM公司還提出了智慧電網(wǎng)（IntelligentPowerGrid）的概念，其要點可概括為：利用現(xiàn)代的數(shù)據(jù)集成與分析技術(shù)提高電網(wǎng)的可觀測性，支撐高級的電網(wǎng)運行與控制；建立集成的電能傳輸鏈；具備高級電力公司戰(zhàn)略規(guī)劃功能[7。以下為智慧電網(wǎng)的主要特點：電網(wǎng)設(shè)備和資產(chǎn)中嵌入智能的IP使能裝置（數(shù)字處理器），或被這樣的裝置所監(jiān)視。通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，智能裝置能夠在保證信息安全的前提下與電力公司后臺系統(tǒng)通信，甚至智能裝置彼此之間能夠相互通信。利用高級分析工具，對來自智能裝置以及其他數(shù)據(jù)源的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合與變換，形成有用的信息。商務(wù)智能與優(yōu)化工具既可以自動地又可以在人工參與的情況下提供高級的決策支持。智慧電網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)架構(gòu)由5個主要部分組成，分別為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)集成、分析、優(yōu)化。除此之外，還包含用于數(shù)據(jù)分發(fā)的一系列手段，如發(fā)布-訂閱中間件、數(shù)據(jù)門戶以及基于Web的服務(wù)[8]。思科（CISCO）公司對智能電網(wǎng)的貢獻在于提出了一個IP架構(gòu)。思科公司將智能電網(wǎng)描述為與電網(wǎng)緊密集成的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，這個集成的網(wǎng)絡(luò)能以準(zhǔn)實時的方式采集并分析與電力輸、配、用相關(guān)的數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)進行預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果和決策支持信息提供給各利益相關(guān)方，輔助其進行電力管理。發(fā)、輸、配、用各部分的緊密集成是該架構(gòu)的關(guān)鍵特征。事實上，智能電網(wǎng)尚無一個廣為接受的或者普適的定義，已有定義都是針對特定領(lǐng)域和場合。下面我們試圖針對利益相關(guān)方和開發(fā)人員，給出智能電網(wǎng)的一個工作定義。10 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)1.11 基于性能評價的智能電網(wǎng)工作定義智能電網(wǎng)的工作定義一中應(yīng)包含如下要素：1）能夠?qū)崟r評估電網(wǎng)的健康狀態(tài)。能進行預(yù)測分析并執(zhí)行預(yù)防性控制。能夠兼容分布式能源和可再生能源等新資源。能夠處理隨機性需求，并能對智能家電做出反應(yīng)。能夠提供自愈、重構(gòu)和故障恢復(fù)等功能。能夠?qū)崟r處理負(fù)荷與市場成員的隨機性。能夠通過智能設(shè)備、通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)以及智能算法形成更為復(fù)雜的交互行為，以改善智能通信與交通系統(tǒng)。在智能電網(wǎng)環(huán)境下，利用智能控制策略處理電網(wǎng)阻塞、失穩(wěn)或可靠性問題。智能電網(wǎng)將能夠保障信息安全，具有很強的適應(yīng)能力，能可靠地抵御大擾動的沖擊。智能電網(wǎng)還將具備其他一些特性，例如，能夠接入可再生和分布式能源，可以與可再生能源、插電式混合動力汽車（Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV）進行雙向信息交換等。此外，新型接口技術(shù)可以為制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的投資者、企業(yè)家提供數(shù)據(jù)流模式和信息。綜合以上分析，本書給出如下的智能電網(wǎng)工作定義：“一個高級、數(shù)字化、具有雙向潮流的電力系統(tǒng)。能對各種不確定性進行預(yù)測，具有自愈、自適應(yīng)、彈性和可再生性。兼容于現(xiàn)有和未來的組件、設(shè)備、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)并支持互操作性。能夠保障信息安全，抵御惡意攻擊。”為實現(xiàn)上述定義中描述的特性，智能電網(wǎng)需要更為魯棒、經(jīng)濟的實時測量技術(shù)和更為先進的通信技術(shù)，以完成數(shù)據(jù)與信息的傳輸；根據(jù)上述定義，智能電網(wǎng)將允許接入智能家電，支持部署電動汽車和混合動力汽車等高級儲能裝置，支持多種儲能控制策略，支持需求側(cè)管理和各種需求響應(yīng)方案。1.12 典型架構(gòu)參與智能電網(wǎng)開發(fā)的各個機構(gòu)提出了多種智能電網(wǎng)架構(gòu)方案。本書介紹其中兩種。第一種來自美國能源部，如圖1.5所示。在此架構(gòu)中，美國能源部將智能電網(wǎng)分為9大區(qū)域，分別為輸電自動化、系統(tǒng)協(xié)同與態(tài)勢評估、系統(tǒng)運行調(diào)度、配網(wǎng)自②工作定義是指共同工作的人士能夠理解并接受的定義。它不要求獲得任何標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的認(rèn)可，其目的是使同行們有了共同認(rèn)識和共同語言，從而獲得研究工作上的方便和效率。工作定義的另一個意義在于，它有助于促進和完善未來的正式定義的制定。譯者注第1章智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計 11動化、可再生能源接入、能源效率、分布式發(fā)電與儲能、需求參與信號和方案以及智能家電、PHEV和儲能。圖6。，、、。、、、。。圖1.5美國能源部關(guān)于智能電網(wǎng)設(shè)計的典型架構(gòu)（架構(gòu)1）圖1.6智慧電網(wǎng)（架構(gòu)2）12 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)1.13 智能電網(wǎng)各構(gòu)成組件的功能在電力系統(tǒng)的發(fā)電層面，智能化的提升將從提高發(fā)電的穩(wěn)定性與可靠性方面，擴展到智能控制以及含可再生能源的電源構(gòu)成等方面。1.13.1 智能設(shè)備接口組件智能監(jiān)控設(shè)備是發(fā)電單元實時信息處理的組成部分。無論在集總分配式還是區(qū)域式能源系統(tǒng)中，都需要在系統(tǒng)運行中無縫地集成這些監(jiān)控設(shè)備。1.13.2 儲能組件為了解決可再生能源固有的波動性問題、減少用電高峰時電能供需之間的缺口，希望能對電能進行存儲以達到平滑出力或者移峰的目的。儲能因此成為一項非常重要的技術(shù)?，F(xiàn)有的能量存儲技術(shù)包括抽水蓄能、先進電池、液流電池、壓縮空氣、超導(dǎo)儲能、超級電容器以及飛輪等。在智能電網(wǎng)發(fā)電層面設(shè)計之初，就應(yīng)引入一些相關(guān)的市場機制以處理可再生能源、分布式發(fā)電、環(huán)境污染等問題。1.13.3 輸電子系統(tǒng)組件輸電系統(tǒng)用于連接各個重要的變電站和負(fù)荷中心，它是整個互聯(lián)電力系統(tǒng)的主干。以較為低廉的價格實現(xiàn)電能的高效與可靠傳輸一直是輸電系統(tǒng)規(guī)劃和運行人員的最終目標(biāo)。輸電網(wǎng)絡(luò)必須能夠承受負(fù)荷的動態(tài)變化和抵御各種事故以保持電能的不間斷傳輸。為確保輸電系統(tǒng)的性能、可靠性以及供電質(zhì)量，制定了各種電力安全事故處置規(guī)范。為了在輸電層面達到智能電網(wǎng)所期望的性能指標(biāo)，需要開發(fā)智能的性能評估技術(shù)和分析工具，如動態(tài)最優(yōu)潮流、魯棒狀態(tài)估計、實時穩(wěn)定性評估、可靠性分析以及市場仿真工具等。為了使輸電子系統(tǒng)具備智能性，實現(xiàn)所謂的“智能輸電”，需要基于PMU、狀態(tài)估計以及通信技術(shù)對電網(wǎng)進行實時監(jiān)視。1.13.4 監(jiān)視與控制技術(shù)組件智能輸電系統(tǒng)包括一個具有自我監(jiān)視和自愈能力的智能網(wǎng)絡(luò)，具有自適應(yīng)性和預(yù)測性，使得發(fā)電側(cè)和需求側(cè)具有足夠的魯棒性，能夠應(yīng)對電網(wǎng)運行中出現(xiàn)的阻塞、失穩(wěn)以及可靠性等問題。當(dāng)遭受大的擾動時，未來的電網(wǎng)應(yīng)表現(xiàn)出足夠的彈性，能夠利用實時、自適應(yīng)控制實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠恢復(fù)。1.13.5 智能配電網(wǎng)子系統(tǒng)組件配電網(wǎng)是完成電能向終端用戶輸送的最后一個環(huán)節(jié)。在配電網(wǎng)電壓等級中，由主干饋線對小型工業(yè)用戶供電，由次級配電線路對居民和商業(yè)用戶供電。高級配電自動化系統(tǒng)需要一系列的技術(shù)支撐，如智能電表、用戶和電力公司之間的通信連接、能量管理以及高級計量體系等。它應(yīng)該包括故障檢測、電壓優(yōu)化與負(fù)荷轉(zhuǎn)移、自動計費、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與自動恢復(fù)以及實時電價等模塊，并具有自學(xué)習(xí)能力。第1章智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計 131.13.6 需求側(cè)管理組件通過實施需求側(cè)管理項目和能效項目，可以改變用戶用電方式、減少高耗能機組的運行費用、推遲電源建設(shè)。需求側(cè)管理項目可以達到節(jié)能減排、減少用電支出、提高發(fā)電可靠性等目的。這些項目的綜合效用將會改善電力公司的負(fù)荷曲線。為了實施這些項目，需要制定標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、建設(shè)具備雙向通信能力的信息高速公路。另外，諸如即插即用、智能樓宇、智能家居、各種需求側(cè)儀表、清潔空氣法規(guī)、用戶端能效優(yōu)化接口等要素也必須各就其位。14 小結(jié)本章討論了智能電網(wǎng)設(shè)計與發(fā)展過程中各利益相關(guān)方的職能及其取得的進展，給出了智能電網(wǎng)的工作定義，展示了智能電網(wǎng)的兩種設(shè)計架構(gòu)，討論了未來智能電網(wǎng)的主要構(gòu)成組件和功能。下一章將討論智能電網(wǎng)分析與開發(fā)中所需要的工具和技術(shù)。第2章 智能電網(wǎng)通信與測量技術(shù)1 通信與測量。備如[3和，[1。，、、、、。實時的測量、監(jiān)視和控制技術(shù)在未來智能電網(wǎng)中將扮演極為重要的角色。標(biāo)準(zhǔn)、信息安全、互操作等問題都與通信密切相關(guān)，這些問題將在第8章展開討論。在設(shè)計通信方案時，需要考慮重要信息和高敏感信息的安全傳輸問題，這些則離不開標(biāo)準(zhǔn)體系的制定。應(yīng)該說，現(xiàn)有的測量、監(jiān)視和控制技術(shù)都將在未來智能電網(wǎng)中繼續(xù)發(fā)揮作用，但需在標(biāo)準(zhǔn)制定、信息安全、互操作等方面繼續(xù)加強研究。尤其是，未來的系統(tǒng)將基于開放架構(gòu)、具備即插即用能力，那么，需要為智能傳感和控制設(shè)備、控制中心、保護系統(tǒng)、用戶提供一個安全、可信的通信網(wǎng)絡(luò)。這樣的通信網(wǎng)絡(luò)既可以是有線的，也可以是無線的，比如：1）多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-ProtocolLabelSwitching，MPLS）：是一種在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間利用標(biāo)簽引導(dǎo)數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)倪h程通信技術(shù)。WiM 2）全球微波互聯(lián)接入（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，AX：是一種利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的點到多點遠程無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)WiM 寬帶電力線載波（BroadbandoverPowerLines，BPL）：利用電力線實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通信。Wi-Fi：是一種廣泛采用的無線局域網(wǎng)技術(shù)。Spec其他技術(shù)，如光纖通信、網(wǎng)格（mesh）通信、多點擴頻（MultipointSpreadtrum）通信等。Spec智能電網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)具備如下5個特征：1）高帶寬。基于IP的數(shù)據(jù)通信（宜支持IPv6）。數(shù)據(jù)加密。信息安全。第2章智能電網(wǎng)通信與測量技術(shù) 15支持服務(wù)質(zhì)量（QoS）和IP電話（VoIP）。為實現(xiàn)軟硬件之間的可靠互聯(lián)，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以下為常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）[5，6]由至少兩臺計算機和大容量存儲設(shè)備（文件服務(wù)器）組成，同一局域網(wǎng)內(nèi)的計算機采用相同的通信協(xié)議彼此訪問。局域網(wǎng)配有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的接收和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理與控制，并實現(xiàn)用戶之間通信。局域網(wǎng)中的每個硬件（如計算機、打印機）稱為一個節(jié)點，同一局域網(wǎng)中可包含數(shù)百個節(jié)點局域網(wǎng)分布在有限的地理范圍內(nèi)一般不超過10km地理范圍受限帶來的一個好處是，局域網(wǎng)可以擁有很高的通信帶寬。局域網(wǎng)之間可以彼此互聯(lián)，還可以接入廣域網(wǎng)。如果需要互聯(lián)的局域網(wǎng)具有相似的體系結(jié)構(gòu)，那么中間可以采用網(wǎng)橋網(wǎng)橋的作用就像一個轉(zhuǎn)運點否則就需要利用網(wǎng)關(guān)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的互聯(lián)。局域網(wǎng)是一種共享訪問技術(shù)，即所有互聯(lián)設(shè)備共享同一種通信介質(zhì)，如同軸電纜、雙絞線、光纖等。這些設(shè)備還需通過網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）才能接入通信網(wǎng)。網(wǎng)管軟件負(fù)責(zé)對各種網(wǎng)絡(luò)資源進行監(jiān)視和管理。局域網(wǎng)具有如下特性和優(yōu)點：資源共享：同一局域網(wǎng)內(nèi)的計算機可以共享存儲設(shè)備、程序、數(shù)據(jù)文件等資源。例如，多個用戶可以使用同一臺打印機、共享同一個數(shù)據(jù)庫和軟件。局域性：顧名思義，局域網(wǎng)是一種局限在較小地理區(qū)域內(nèi)的計算機網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋范圍通常是辦公大樓、公共設(shè)施、校園等。成本和可用性：局域網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用軟件和接口設(shè)備都已成熟且價廉。高速通信：數(shù)據(jù)傳輸速率可達到1～10Mbit/s一。靈活性：易于擴展、易于運行維護。局域網(wǎng)有三種數(shù)據(jù)傳輸方式：單播傳輸：單個數(shù)據(jù)包僅被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中單個目標(biāo)節(jié)點（地址）。組播傳輸：單個數(shù)據(jù)包被復(fù)制并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的一組目標(biāo)節(jié)點，由源節(jié)點為數(shù)據(jù)包指定組播地址。廣播傳輸：單個數(shù)據(jù)包被復(fù)制并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的所有目標(biāo)節(jié)點，由源節(jié)點為數(shù)據(jù)包指定廣播地址。局域網(wǎng)拓?fù)涫侵赣脗鬏斀橘|(zhì)連接各種設(shè)備所采用的物理布局。最常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆腥缦?種：總線拓?fù)洌壕W(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點（工作站、服務(wù)器等）連接到同一線型公共總線上，數(shù)據(jù)從源節(jié)點發(fā)出后沿總線擴散，總線上其他節(jié)點都可以接收到數(shù)據(jù)。②現(xiàn)代局域網(wǎng)的傳輸速率已普通達到或超過00bt/s。譯者注16 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)環(huán)形拓?fù)洌壕W(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點首尾相連形成一個閉合的環(huán)路，數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著單方向在各節(jié)點間傳輸。星形拓?fù)洌壕W(wǎng)絡(luò)中以集線器或交換機作為中央節(jié)點，其他節(jié)點皆與中央節(jié)點直接相連。樹形拓?fù)洌汉涂偩€拓?fù)漕愃?，只不過分支鏈路中也允許接入通信節(jié)點。局域網(wǎng)中的設(shè)備和軟件皆采用相同的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議常用的有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE8023、令牌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)IEEE8025IEEE8802。上述標(biāo)準(zhǔn)可從IEEE出版社購買。用戶戶內(nèi)網(wǎng)（HomeAccessNetworkHAN）[2，3是一種空間上局限于單個家庭用戶的局域網(wǎng)HAN支持對戶內(nèi)數(shù)字設(shè)備和家電的遠程遙控智能電表智能家電、基于Web監(jiān)視器等都可以采用這種網(wǎng)絡(luò)。鄰近網(wǎng)絡(luò)（NeighborhoodAreaNetwork，NAN）是一種無線社區(qū)網(wǎng)絡(luò)，目前用于無線本地應(yīng)用。理想情況下，NAN的覆蓋區(qū)域?qū)⒊^局域網(wǎng)。，要充分重視各領(lǐng)域之間的信息集成和互操作問。、、在，7一，：大規(guī)模發(fā)電：包括市場服務(wù)接口、發(fā)電廠控制系統(tǒng)和發(fā)電機組。本領(lǐng)域通過廣域網(wǎng)、變電站局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)與電力市場、運行、輸電等領(lǐng)域交互。輸電：包括變電站設(shè)備與控制器、數(shù)據(jù)集中器以及儲能等。本領(lǐng)域通過廣域網(wǎng)、變電站局域網(wǎng)與發(fā)電和運行領(lǐng)域交互，并和配電領(lǐng)域緊密集成。配電：本領(lǐng)域通過現(xiàn)場局域網(wǎng)和運行、用戶領(lǐng)域交互。用戶：包括用戶端設(shè)備、計量系統(tǒng)、各種用戶端EMS、儲能、家電、PHEV等。本領(lǐng)域一般采用HAN和局域網(wǎng)等通信手段。服務(wù)提供商：包括提供計費等用戶服務(wù)的公用事業(yè)公司和第三方服務(wù)商。本領(lǐng)域主要利用互聯(lián)網(wǎng)與運行、用戶等領(lǐng)域交互。6）運行：包括EMS、廣域測量系統(tǒng)（WAMS）

二、SCADA等系統(tǒng)。本領(lǐng)域又可進一步劃分為獨立調(diào)度機構(gòu)（IndependentSystemOperator，ISO）、區(qū)域輸電組織（RegionalTransmissionOrganization，RTO）、輸電、配電等子領(lǐng)域。7）電力市場：包括ISO、RTO、集總代理以及其他各種市場參與方。22 監(jiān)視、PMU、智能電表與測量技術(shù)電力系統(tǒng)中的傳感、計量和測量系統(tǒng)為電網(wǎng)監(jiān)視和電力市場運行提供了必需的②見“STwkdprtdpbynds”。譯者注二原文為WebAccessManagementSystem（WAMS）。依據(jù)上下文，應(yīng)為WideAreaMeasurementSystem（S）。譯者注第2章智能電網(wǎng)通信與測量技術(shù) 17數(shù)據(jù)，在智能電網(wǎng)環(huán)境下，需對這些系統(tǒng)從電網(wǎng)的各個層面進行全面升級。其中，大量部署的傳感器除了提供電網(wǎng)監(jiān)視功能外，還具有如下應(yīng)用：故障停電檢測和處理，設(shè)備健康狀況和電網(wǎng)完整性評估，杜絕因估計抄表導(dǎo)致的誤差，提供防竊電保護，為電力用戶實施需求側(cè)管理提供支撐等。而在計量和測量方面，新的數(shù)字化技術(shù)將采用雙向通信，多種輸入（如電價信號、分時電價、RTO減緩電網(wǎng)阻塞[7），多種輸出（如實時用電數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量、電氣參數(shù)），并網(wǎng)與孤島運行能力，與發(fā)電機組、電網(wǎng)運行人員以及用戶門戶的接口來增強電力測量。這大大增強了數(shù)字技術(shù)在計量和測量中的應(yīng)用，推進了用戶端電表技術(shù)的發(fā)展，促進了WAMS的部署，實現(xiàn)了先進的電網(wǎng)監(jiān)視與保護功能[11，12。下面各節(jié)對這些測量技術(shù)做詳細說明。2.21 廣域測量系統(tǒng)（WAMS）電力公司設(shè)計WAMS的目的是為了優(yōu)化電網(wǎng)容量和防止擾動范圍的擴大。利用WAMS所提供的實時信息，可以進行系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行邊界的辨識，對動態(tài)擾動進行早期預(yù)警，從而防止或減輕大停電事故的發(fā)生。WAMS依賴于安裝在電網(wǎng)中的大量傳感器，這些傳感器利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如GPS）獲得精確的時間同步信號，并利用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸測量信息?，F(xiàn)有的技術(shù)都是利用傳感器采集同步相量信息，相量測量單元已被絕大多數(shù)智能電網(wǎng)系統(tǒng)所采用。2.22 相量測量單元（PMU）PMU（或稱同步PMU）就像一個照相機，能夠給電力系統(tǒng)拍個快照、打上時間標(biāo)簽后發(fā)送給運行人員。PMU主要采集母線的電壓相量和支路的電流相量，另外還能采集位置信息和其他電網(wǎng)運行參數(shù)[9，10。分布在電網(wǎng)各處的PMU能進行高精度、同步的信息采集，使得運行人員可以得到全網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點的功角信息并進行可視化。PMU利用GPS接收器得到高精度同步時鐘信號[12。除了專用PMU裝置外，其他智能電子裝置（如微機保護、故障錄波器）中也可以集成相量測量功能。EEE主持制定了同步相量標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)范從U到主站（[raCnn-tor）的信息傳輸規(guī)約。圖2.1給出了PMU測量系統(tǒng)的示意圖 。為了確保測量精度，PMU14MHz[3，裝置每周波可進行48次電壓、電流的相量計算，并可完成12次有功功率、無功功率、頻率和相角計算。這樣，就有條件對電壓穩(wěn)定問題實施在線識別和快速控制，以盡可能減少因電壓崩潰而導(dǎo)致的損失[8]。經(jīng)過多年的研究和工程應(yīng)用，PMU已被證實能在電壓穩(wěn)定的監(jiān)視與控制中發(fā)揮作用[6-9]。相量測量系統(tǒng)能夠提高廣域狀態(tài)感知能力，從而可以緩解電網(wǎng)阻塞現(xiàn)象，減少甚至防止大停電事故的發(fā)生。智能電網(wǎng)可以為相量測量技術(shù)提供高級的信息通信技術(shù)，從而提高電力系統(tǒng)在實時、動態(tài)條件下的可觀性。而可觀性的提高，又將反過來全面提升智能電網(wǎng)的發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)。尤其是，這將促進電網(wǎng)吸納越來18 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)圖2.1同步相量測量系統(tǒng)概念示意圖[9]越多的分布式發(fā)電，使得電源越來越靠近用戶，實現(xiàn)能源的高效利用。。除了以上討論的相量測量系統(tǒng)，電力公司還安裝了其他監(jiān)測裝置或系統(tǒng)，例如輸電線路動態(tài)增容、各種導(dǎo)線傳感器、絕緣子污穢放電監(jiān)測、射頻識別、電子式互感器，另外還有針對斷路器、電纜、電池、溫度、電流頻率的在線監(jiān)視系統(tǒng)等[10，11]。研究這些技術(shù)并將其應(yīng)用到智能電網(wǎng)中是一項重要且持續(xù)性的工作。2.23 智能電表智能電表有兩項功能：一是向用戶提供電量計費信息，以幫助用戶控制用電成本和電量消耗；二是向電力公司發(fā)送負(fù)荷數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，電力公司可以控制負(fù)荷率、統(tǒng)計尖峰負(fù)荷需求、制定電價策略。將智能電表和雙向通信技術(shù)相結(jié)合還可以實現(xiàn)自動抄表系統(tǒng)。除了電網(wǎng)領(lǐng)域，在供水、燃氣領(lǐng)域也在計劃采用智能表計系統(tǒng)[9]。有了智能電表，用戶可以獲得更為詳細和透明的賬單，清楚知道每千瓦時的電費，獲知自己的用電習(xí)慣，并通過主動改變用電習(xí)慣從而減少電費支出；而對電力公司而言，可以實現(xiàn)更快的故障停電監(jiān)測和供電恢復(fù)。在需求響應(yīng)方面，許多需求第2章智能電網(wǎng)通信與測量技術(shù) 19響應(yīng)項目的實施都以智能電表為基礎(chǔ)，如各種激勵費率和電價方案、稅收抵免、用戶志愿降載以獲得經(jīng)濟補償?shù)?。此外，智能電表還能用于遠方斷開/接入用戶、電器監(jiān)視與控制、智能溫度調(diào)節(jié)、預(yù)付費電能計量、設(shè)備開關(guān)操作，以及增強電網(wǎng)監(jiān)視等。在政府的支持下，全美已開始大規(guī)模部署智能電表。學(xué)術(shù)界積極開展高級計量技術(shù)和軟件的研發(fā)，以期提高現(xiàn)有電網(wǎng)分析、電壓穩(wěn)定和系統(tǒng)安全評估的水平。2.24 智能家電智能家電能夠響應(yīng)電力公司的激勵或控制信號實現(xiàn)循環(huán)打開與關(guān)斷。有了智能家電，用戶可以志愿參與需求響應(yīng)項目，在用電高峰或電網(wǎng)穩(wěn)定受到威脅時志愿降載，從而獲得經(jīng)濟補償。為此，智能家電的一項基本功能是允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)對其實施遠程控制。在電力總需求中空調(diào)取暖器熱水器電冰箱洗衣機烘干機等電網(wǎng)友（GFA）20[10GFA內(nèi)置小型芯片能夠?qū)崟r跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，一旦監(jiān)測到電網(wǎng)頻率低于預(yù)定值，則自動與電網(wǎng)斷開幾分鐘時間。當(dāng)電網(wǎng)中存在大量GFA時，就可以幫助電網(wǎng)從危機狀態(tài)中恢復(fù)穩(wěn)定。25 高級量測體系（AMI）作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)性功能模塊AMI的實施需要電網(wǎng)通信網(wǎng)以及相關(guān)信息系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施的有效融合AMI的各項功能對通信網(wǎng)絡(luò)有極強的依賴但在AMI所涉及的多個子系統(tǒng)中（如智能電表、用戶戶內(nèi)網(wǎng)、計量數(shù)據(jù)管理、高級配電管理等），尚缺乏一套完整的信息安全規(guī)范和實施導(dǎo)則。作為解決這個問題的第一步需要對AMI的信息安全問題進行需求分析一這些問題對電力工業(yè)而言大多為新問題，好在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中也存在類似的依賴于高可靠通信基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模應(yīng)用，AMI借鑒。另外，在國防、有線電視、電信等工業(yè)領(lǐng)域也有大量現(xiàn)成的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和最佳實踐，可供AMI直接采用。AMI功能主要有如下三類：電力市場應(yīng)用：幫助減少乃至消除由抄表和維護所產(chǎn)生的人員、交通和基礎(chǔ)設(shè)施支出，提高計費精度，在減少壞賬的同時，提供基于時間的電價方案；為能量管理提供準(zhǔn)確的用電數(shù)據(jù)。用戶端應(yīng)用：在負(fù)荷減載、減少壞賬、改善現(xiàn)金流等方面有助于增加用戶感知度，提高用戶用電的便利性和滿意度；支持需求響應(yīng)和負(fù)荷管理，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行效率。②美國能源部為此成立了專門委員會，并形成技術(shù)報告：AMISystemSecurityRequirements，見ht-p：//y.v。譯者注20 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)配電網(wǎng)運行：AMI采集的數(shù)據(jù)優(yōu)化電網(wǎng)；通過優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和實施分布式發(fā)電管理支持故障定位和恢復(fù)來提高事故處理效率減少停電時間提高用電滿意度，降低線損；支持緊急情況下的需求響應(yīng)（如消減用戶負(fù)荷）。今后，智能電表還將記錄用戶燃氣和自來水的使用情況，這樣，AMI的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉辉倬窒抻陔娋W(wǎng)。AMI的另一個值得關(guān)注的問題是網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全，將在第8章介紹。23 GIS與谷歌地圖工具在傳統(tǒng)電網(wǎng)的輸配電網(wǎng)絡(luò)和遠程通信網(wǎng)管理中，GIS就已得到了應(yīng)用。利用其提供的數(shù)據(jù)收集和運行維護功能，GIS還有助于電力公司的資產(chǎn)信息管理。谷歌地球（GoogleEarth）是谷歌公司開發(fā)的免費軟件，該軟件提供了一個用戶友好且仍在不斷完善的平臺，允許用戶獲取地理上下文信息并進行探究式研究與分析。利用鎖孔標(biāo)記語言（KeyholeMarkupLanguage，KML），用戶可以在地圖上疊加圖像、點、線、多邊形等基本圖元[7]，創(chuàng)建出可以動態(tài)更新的地理信息并共享到互聯(lián)網(wǎng)上。通過衛(wèi)星圖像，谷歌地圖的分辨率可精細至街道。將GIS與谷歌地圖（或其他地圖）結(jié)合起來，可以更好地建立輸電網(wǎng)絡(luò)與其周邊環(huán)境的關(guān)系，這對電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃很有意義，例如，合理規(guī)劃輸電線路走廊，優(yōu)化傳感器和線路桿塔的布局等。利用GIS的地圖信息對傳感器采集的實時信息進行可視化顯示，有助于快速鎖定故障位置、制定最佳搶修路徑并實現(xiàn)快速故障恢復(fù)，從而減少停電時間和設(shè)備損壞。根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢以及未來的需求，GIS應(yīng)在以下方面發(fā)揮作用：1）減少停電時間。防止電力設(shè)施被盜，避免由此導(dǎo)致的難以估量的損失。提高抄表和計費系統(tǒng)的效率。拓展用戶服務(wù)的項目。提高資產(chǎn)管理的水平。提高配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，如系統(tǒng)平均停電時間指標(biāo)（men-upnunndx，SI）和系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)（Smenup-tionFrequencyIndex，SAIFI）。改進用戶投訴記錄的分析手段。針對已有和假想的問題，加強電能質(zhì)量分析和事故研究。 9）合理安排諸如切負(fù)荷和植被控制一等任務(wù)計劃。②植被控制的目的是防止輸電線路周圍林木過于旺盛而發(fā)生線路觸樹故障。譯者注第2章智能電網(wǎng)通信與測量技術(shù) 21.4 多代理系統(tǒng)（S）技術(shù)MAS是由多個代理構(gòu)成的分布式計算系統(tǒng)，代理之間通過協(xié)作共同完成特定的任務(wù)。MAS的性能主要取決于代理之間的協(xié)同性（協(xié)商、合作能力），多個代理所表現(xiàn)出來的群體能力超過單個代理能力的簡單相加。在分布式系統(tǒng)應(yīng)用中MAS愈來愈受到重視在智能電網(wǎng)環(huán)境下MAS架構(gòu)可以改善電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)方案（22）。例如，在某個故障監(jiān)測與診MAS架構(gòu)系統(tǒng)包含一系列代理如仲裁代理（ArbitratorAgent，AA）系統(tǒng)監(jiān)視代理（SystemMonitoringAgentSMA）故障檢測代理（FaultDe-tectionAgent，F(xiàn)DA）、診斷代理（DiagnosisAgent，DA）、評判指標(biāo)計算代理（JudgmentIndexAgentJIA）以及調(diào)度代理（SchedulingAgentSA）代理之間利用通信交換信息，接受任務(wù)指派和反饋任務(wù)執(zhí)行的信息，通過對系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)視，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀況的實時管理。圖2.2多代理架構(gòu)簡示2.41 用于智能電網(wǎng)的多代理系統(tǒng)如第1章所述，美國能源部在其發(fā)起的“現(xiàn)代電網(wǎng)倡議”（dndn-22 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)tive）[1]中，認(rèn)為電網(wǎng)的智能化應(yīng)從輸、配電兩個層面，將高級傳感器技術(shù)、先進控制方法、集成通信技術(shù)集成到現(xiàn)有電網(wǎng)中。智能電網(wǎng)應(yīng)具有如下關(guān)鍵特征：自愈。用戶友好，鼓勵用戶參與電網(wǎng)互動。抵御攻擊。滿足面向21世紀(jì)的電能質(zhì)量要求。能夠接納所有的發(fā)電和儲能類型。使市場化成為可能。優(yōu)化資產(chǎn)，提高運行效率。對于任何電力運行監(jiān)控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的架構(gòu)都是核心問題，而這其中，又需重點考慮采用何種軟硬件協(xié)議以實現(xiàn)狀態(tài)和控制信息的傳輸。在常規(guī)電力系統(tǒng)中，上述信息的傳輸是由SCADA[4，5]系統(tǒng)完成的。目前，電網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)正在向MAS架構(gòu)發(fā)展。在MAS中，多個代理協(xié)同工作完成賦予的任務(wù)，實現(xiàn)單個代理所無法完成的系統(tǒng)目標(biāo)。代理具有自治性、社會性、反應(yīng)性和主動性[6，這使得MAS成為處理復(fù)雜系統(tǒng)的強大技術(shù)手段。MAS的自治性表現(xiàn)在其無須人工干預(yù)的情況下自主地完成指定的任務(wù)，其社會性表現(xiàn)在代理之間可以利用代理通信語言進行協(xié)商。MAS的反應(yīng)性指其具備感知所處環(huán)境并做出適當(dāng)反應(yīng)的能力。最后，MAS的主動性體現(xiàn)為能遵循承諾采取主動行動，不斷自我評價并逐步導(dǎo)向目標(biāo)。42 多代理系統(tǒng)示例本節(jié)介紹智能分布自治電力系統(tǒng)（IntelligentDistributedAutonomousPowerSys-tem，IDAPS一）MAS，重點介紹該系統(tǒng)中的控制代理、分布式能源代理、用戶代理和數(shù)據(jù)庫代理?？刂拼?。其職責(zé)包括：監(jiān)測系統(tǒng)電壓與頻率，識別電網(wǎng)擾動或故障狀態(tài)。當(dāng)檢測到上游電網(wǎng)發(fā)生故障時，向主斷路器發(fā)送跳閘命令，將IDAPS微網(wǎng)從公共電網(wǎng)隔離出來；從主電網(wǎng)接收電價（$/kWh）信號（可取自AMI），并發(fā)布到IDAPS內(nèi)部。分布式能源代理。其職責(zé)包括：保存分布式能源的屬性信息，監(jiān)控分布式能源的出力和運行狀態(tài)（并網(wǎng)/脫網(wǎng)）。分布式能源的屬性包括分布式能源識別符、類型（如太陽電池、微型燃氣輪機、燃料電池等）、額定出力（kW）、本地剩余燃料、成本函數(shù)或用戶同意向公網(wǎng)售電的價格點、分布式能源可用時間段（根據(jù)預(yù)定的檢修計劃表）。②由美國弗吉尼亞理工大學(xué)（VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity）提出的一種智能微電網(wǎng)架構(gòu)。譯者注第2章智能電網(wǎng)通信與測量技術(shù) 23用戶代理起到用戶網(wǎng)關(guān)的作用用戶通過該代理訪問IDAPS微網(wǎng)其職責(zé)包括：向用戶提供IDAPS內(nèi)所有實體（如分布式能源、負(fù)荷等）的實時信息；監(jiān)視各重要負(fù)荷和非重要負(fù)荷的用電情況；根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的優(yōu)先級控制負(fù)荷投切狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫代理：為其他代理、其他用戶提供公共的數(shù)據(jù)訪問點。其職責(zé)包括：存儲系統(tǒng)信息，記錄代理間共享的消息和數(shù)據(jù)。43 多代理技術(shù)MAS中的代理可定義為包含某個特定領(lǐng)域有用屬性的實體。按照這個定義，代理可視為一個信息處理單元，根據(jù)所掌握的信息自主執(zhí)行特定的任務(wù)。代理具有如下基本屬性：自治性：目標(biāo)導(dǎo)向，主動性，自啟動行為。協(xié)作性：能與其他代理合作，共同完成一個公共的目標(biāo)。知識層面的通信能力：代理之間彼此通信的語言具有一定的擬人性，而不是一般系統(tǒng)中程序與程序之間通過協(xié)議的通信方式。反應(yīng)性：能有選擇性地進行感知和行動。時間持續(xù)性：能在很長一段時間內(nèi)保持識別和狀態(tài)的持久性。MAS具有如下特點：單個代理不具備完整的問題求解能力。不存在全局的系統(tǒng)控制。分布式數(shù)據(jù)。異步計算。下面舉一個MAS技術(shù)應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)的實例一。船舶故障既可能由內(nèi)部故障引起，也可能由外部事故引起（如戰(zhàn)爭）。為使船舶獲得最佳性能，需盡可能恢復(fù)船舶供電系統(tǒng)。當(dāng)船舶電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護系統(tǒng)將盡快隔離故障。隨后，MAS系統(tǒng)將通過多個代理之間的協(xié)商與協(xié)作完成船上配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。25 微電網(wǎng)與智能電網(wǎng)的比較隨著對微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)研究的深入，兩者的區(qū)別不斷明晰。簡單地說，微電網(wǎng)是靠近負(fù)荷的小型電力系統(tǒng)，可以運行于孤島和并網(wǎng)兩種模式。微電網(wǎng)內(nèi)部主要由燃氣輪機或可再生能源提供能量，由專用電力電子器件完成能量轉(zhuǎn)換。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)有唯一連接點，并具備即插即用特性。微電網(wǎng)需要使用專門的濾波器來抑制②進一步內(nèi)容可參閱如下論文：JAMomoh，“AMulti-AgentBasedRestorationApproachforNAVYShipwrSm”。譯者注24 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)諧波，以改善電能質(zhì)量和運行效率。大學(xué)和政府機構(gòu)已開展了多個微電網(wǎng)示范工程，并建成了試驗平臺。概括起來，微電網(wǎng)可視為一個本地的、集中的電力系統(tǒng)，具有有限的高級控制功能；而智能電網(wǎng)是一個廣域的、分布的電力系統(tǒng)，具有復(fù)雜的自動控制和決策支持能力。6 小結(jié)本章主要討論了智能電網(wǎng)中的通信技術(shù)。對于測量技術(shù)，主要介紹了PMU和智能電表。本章將GIS視為一種重要的規(guī)劃工具，可用于重要設(shè)備的優(yōu)化布局。本章最后還討論了MAS在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。參考文獻第2章智能電網(wǎng)通信與測量技術(shù) 25第3章 用于智能電網(wǎng)設(shè)計的性能分析工具1 潮流計算研究概述潮流計算分析在電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行中起到關(guān)鍵的作用。例如，電力系統(tǒng)規(guī)劃人員需要根據(jù)峰值負(fù)荷下的潮流計算結(jié)果對導(dǎo)線、變壓器、電抗器、并聯(lián)電容器組等元器件進行選型。同時這些數(shù)據(jù)也可為新建電廠、供電走廊的選址提供依據(jù)，使之與周邊系統(tǒng)互聯(lián)后能夠滿足北美電力可靠性協(xié)會（NorthAmericanElectricRelia-bilityCorporation，NERC）對系統(tǒng)可靠性的要求。通過潮流分析可以判斷線路負(fù)荷及母線電壓是否存在越限，并發(fā)現(xiàn)諸如變壓器過載、節(jié)點相角過大、發(fā)電廠無功功率接近極限等對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響的情況。，，。，，[7，，。2 智能電網(wǎng)中潮流計算的挑戰(zhàn)以及現(xiàn)有方法的不足目前傳統(tǒng)的潮流計算方法存在缺點，將其用于分析智能電網(wǎng)的性能及運行前需要解決這些不足。首先考慮如下4個基本問題：與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)有何特殊之處？智能電網(wǎng)需要進行哪些分析計算？在潮流計算方面有哪些新的發(fā)展方向？新的潮流計算方法需具備哪些特點以適應(yīng)于智能電網(wǎng)性能評估的要求？31比較了現(xiàn)有的與期望的潮流計算方法的異同。表3.1潮流計算方法比較現(xiàn)有潮流計算方法期望的潮流計算方法集中式發(fā)電與控制基于基爾霍夫定律的潮流計算以負(fù)荷需求確定發(fā)電計劃人工倒閘操作和故障響應(yīng)系統(tǒng)仿真及響應(yīng)跟蹤集中與分布式相結(jié)合的發(fā)電與控制，分布式智能含大量電力電子器件的潮流計算含有可控發(fā)電及各種波動性、隨機性能源，動態(tài)負(fù)荷平衡[1，6]自動響應(yīng)及故障預(yù)防監(jiān)測過負(fù)荷以防止阻塞第3章用于智能電網(wǎng)設(shè)計的性能分析工具 27在開發(fā)新一代潮流計算方法時還需考慮如下特點：能夠適用于含可再生能源發(fā)電的輸配電系統(tǒng)[91]。具有自適應(yīng)能力以保證系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。需要智能分析工具以處理具有隨機性與不確定性的高阻抗聯(lián)系的配電網(wǎng)。考慮到功率的雙向流動性，有必要在電力電子器件中使用FACTs裝置。現(xiàn)有的大多數(shù)潮流計算工具只能在離線情況下計算電壓幅值、相角、潮流、功率等參數(shù)并完成調(diào)度計劃，僅小部分支持實時計算。為增強潮流計算能力，智能電網(wǎng)潮流計算過程將包括以下步驟：獲取輻射型或環(huán)形電網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)。存在數(shù)據(jù)傳輸通道以保證在線網(wǎng)絡(luò)求解的可行性。用節(jié)點導(dǎo)納矩陣來表示所研究系統(tǒng)的互聯(lián)關(guān)系，并確定初始條件。求解并評估節(jié)點有功和無功功率誤差，當(dāng)功率誤差越限時，需調(diào)整初始條件。根據(jù)當(dāng)前的有功、無功功率需求，確定合適的靜態(tài)電壓矢量，使節(jié)點功率誤差達到最小。上述過程需多次迭代直到滿足收斂條件，此時程序最終計算出電壓幅值、相角、潮流、網(wǎng)損等潮流數(shù)據(jù)，并輸出各節(jié)點的功率誤差。33 潮流計算研究現(xiàn)狀：經(jīng)典與擴展的方程與算法潮流計算首先需對電力系統(tǒng)建模，通常以母線為節(jié)點、以輸電線路為邊建立電網(wǎng)模型，電壓源和負(fù)荷皆接到母線上，母線上還可接入電感、并聯(lián)電容等元件。傳統(tǒng)潮流計算方法主要有以下三種：1）高斯-賽德爾（GaussSeidal）方法。2）牛頓-拉夫遜（Newton-Raphson）方法。3）快速解耦方法。下面分別作簡要介紹。3.31 高斯-賽德爾方法n基于基爾霍夫電流定律列寫節(jié)點電流方程，設(shè)Iinjection表示節(jié)點注入電流，則nIinj（j）=i=1Iji式中，Iinj（j）為節(jié)點j的注入電流；Iji為節(jié)點j流向節(jié)點i的電流。節(jié)點注入電流列矢量還可以表示為節(jié)點導(dǎo)納矩陣Ybus與節(jié)點電壓列矢量Vbus的乘積。節(jié)點注入功率可采用如下非線性方程表示，其中電源和負(fù)荷的功率皆用復(fù)功率表示：28 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)nSinj-k=Pg+jQg-（PLD+jQLD）=Vk（j=1YkjVj）?n若節(jié)點注入功率是給定值，則上式中節(jié)點電壓Vj可用迭代法求解，迭代公式為V（k+1）

=g（V（k））=1Pich-jQich

（k）i

Yii

Vi（

-j=1YijVj 式中，Yii、Yij為節(jié)點i的自導(dǎo)納和互導(dǎo)納；Pich、Qsch為節(jié)點i注入有功功率和無功功率的給定值；k為當(dāng)前迭代次數(shù)。

（k+1）

（k）若迭代是一個收斂過程，那么用Vi 代替Vi可以得到更好的收斂結(jié)果。所以，在一次迭代中得到的節(jié)點電壓值，既可在下一次迭代中使用，也可立即用于本次迭代的后續(xù)方程中。如果所選擇的初值比較接近于真實解，那么高斯-賽德爾方法具有線性收斂速度。值得注意的是，將傳統(tǒng)潮流計算方法應(yīng)用于輻射型結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)時，其性能會變差。原因是配電網(wǎng)中節(jié)點之間的連通支路很少，這樣，上一次迭代形成的節(jié)點電壓值，只有少數(shù)對本次迭代的節(jié)點電壓值的修正有貢獻，這就導(dǎo)致節(jié)點電壓向節(jié)點方向的變化很緩慢，算法收斂性差。3.32 牛頓-拉夫遜方法-牛頓-拉夫遜方法先給定節(jié)點電壓（幅值Vi、相位θi）初值，然后計算節(jié)點功率誤差ΔS：ΔS=ΔP+ΔQ=Sichi-（Vik））?（∑YijV（k）），并以ΔS≤ε作為迭代的收斂條件，其中ε為指定的容許誤差。該算法的修正方程為-ΔP（k）=-H（k） N（k）Δθ（k）=-J（k）Δθ（k）ΔQ（k） M（k） L（k）ΔV′（k） ΔV′（k）Δθ（k）=[Δ（k） Δ（k）Δθm（k）]

（k）

（k）

（k）

（k）式，ΔV（k）=[Δ（k）/（k） Δ（k）/（k）ΔV（k）/V（k）]，H 、

、M 、Nn n為雅可比矩陣J（k）中的分塊矩陣。根據(jù)上述方程求得修正量Δθ（k）、ΔV′（k）后，即可進一步得出θik+1）=θik）+Δθik）Vik+1）=Vik）+ΔVik）電壓可采用直角坐標(biāo)形式：e+if，或極坐標(biāo)形式：V∠θ。相應(yīng)地，上述迭代方程也具有直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)形式。牛頓-拉夫遜方法適應(yīng)于大規(guī)模潮流計算。但由于每次迭代中其計算量較大，所以將其應(yīng)用于輻射型配電網(wǎng)時反而效率不高。另外，當(dāng)系統(tǒng)的雅可比矩陣為奇異陣，或系統(tǒng)呈病態(tài)（如X/R比值較?。r，該方法難以適應(yīng)。第3章用于智能電網(wǎng)設(shè)計的性能分析工具 293.33 快速解耦方法快速解耦方法利用小角度近似原理消去雅克比矩陣中數(shù)值相對較小的元素，從而達到簡化雅克比矩陣的目的，所以這是一種潮流計算的高效算法。但當(dāng)系統(tǒng)中X/R比值較小時，其收斂性較差。另外，電壓V與有功功率P之間，以及相角θ與無功功率Q之間的關(guān)聯(lián)性也會導(dǎo)致該方法收斂性變差?？焖俳怦罘椒ɡ昧讼率黾僭O(shè)：由于實際系統(tǒng)中各元件兩端電壓相位差不大，可假設(shè)θk-θm≈0，則有s（θk-θm）1，n（θk-θm）0。由于節(jié)點電壓都接近于額定電壓，可認(rèn)為Vk1。又由于rkm?xkm，可知gkm0。這樣，雅可比矩陣可得到大量簡化，并且無需在每次迭代中重新形成雅可比矩陣。該近似方法利用了有功功率與電壓幅值、無功功率與電壓相位之間的低耦合性。在形成簡化的雅可比矩陣J之后，快速解耦方法利用以下方程組完成潮流的迭代求解： Δ ΔVQΔθ=-J-1VQ式中，方程左側(cè)為修正量。當(dāng)功率誤差滿足收斂條件，或者達到最大迭代次數(shù)時，迭代停止。在利用上述三種方法之一求解出各節(jié)點的電壓和相角后，就可以利用網(wǎng)絡(luò)方程進一步計算出網(wǎng)損和功率因數(shù)等參數(shù)，以及節(jié)點間傳輸功率。這樣，通過與在線實時數(shù)據(jù)測量相結(jié)合，可以完成智能電網(wǎng)條件下的潮流分析。34 配電網(wǎng)潮流方法經(jīng)典的配電網(wǎng)潮流方法有如下特點：所針對的配電網(wǎng)系統(tǒng)具有輻射型或少網(wǎng)孔型結(jié)構(gòu)。線路具有較高的R/X比值。利用配電網(wǎng)潮流程序處理單相負(fù)荷。分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電及裝在接近負(fù)荷中心的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。配電網(wǎng)系統(tǒng)中含有很多短線路，這些線路一般阻抗較小。由于快速解耦潮流法無法很好地處理線路R/X比值較大的病態(tài)系統(tǒng)，因此上述介紹的潮流計算方法[12]均需要加以改進才能應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)中。配電網(wǎng)通常有如下潮流方法：求解支路電流或潮流的前推回代方法。利用回代法計算節(jié)點電壓。利用功率偏差型牛頓法迭代求解節(jié)點電壓。ZBUS高斯法迭代求解分支電流。30 智能電網(wǎng)設(shè)計與分析基礎(chǔ)方法1：前推回代法。這種方法將配電網(wǎng)看做樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，其中系統(tǒng)的松弛母線作為樹的根節(jié)點，其他線路作為樹的枝葉節(jié)點。該方法從根節(jié)點起按廣度優(yōu)先搜索并對枝葉節(jié)點進行分層編號，編號反映了前推回代的順序。對于弱環(huán)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，需通過解環(huán)、計算補償電流等處理將其變?yōu)檩椛錉罹W(wǎng)絡(luò)后再進行后續(xù)計算?；卮^程將線路電流或潮流按從饋線末端（樹葉）至松弛母線（樹根）的順序進行疊加。算法流程為：確定系統(tǒng)松弛母線，確定根、節(jié)點及剩余各母線的初始電壓與相角。計算節(jié)點注入