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1、智能电网设计与分析基础刖百第1章智能电网架构设计11.1概述112现有电网和智能电网的比较11.3 能源独立和安全法案(2007):智能电网实施依据214计算智能31.5 电力系统改进41.6 通信与标准417试验平台41.7 本书结构41.9智能电网各市场驱动力概览61.10各利益相关方的角色与职能61.10.1电力公司81.10.2政府实验室与示范项目81.10.3电力系统工程研究中心(PSERC)81.10.4研究机构9110.5技术公司、销售商与制造厂9111基于性能评价的智能电网工作定义101.12典型架构101.13智能电网各构成组件的功能121.13.1智能设备接口组件121.1
2、3.2储能组件12113.3输电子系统组件121.13.4监视与控制技术组件12113.5智能配电网子系统组件121.13.6需求侧管理组件131. 14小结13参考文献13推荐阅读I3第2章智能电网通信与测量技术14目录V2. 1通信与测量143. 2监视、PMUx智能电表与测量技术162.2.1广域测量系统（WAMS）172.2.2相量测量单元（PMU）172.2.3智能电表182.2.4智能家电192.2.5高级量测体系（AMl）1923GlS与谷歌地图工具202.4多代理系统（MAS）技术212.4.1用于智能电网的多代理系统212.4.2多代理系统示例222.4.3多代理技术231.
3、5 微电网与智能电网的比较231.6 6小结24参考文献24第3章用于智能电网设计的性能分析工具261.7 1潮流计算研究概述261.8 智能电网中潮流计算的挑战以及现有方法的不足261.9 潮流计算研究现状：经典与扩展的方程与算法273. 3.1高斯-赛德尔方法274. 3.2牛顿-拉夫逊方法285. 3.3快速解耦方法296. 3.4配电网潮流方法293.4 阻塞管理效果323.5 用于智能电网设计的潮流计算333.6 随机动态最优潮流（DSOPF）在智能电网中的应用343.7 静态安全评估（SSA）和预想事故分析353.8 预想事故及其分类383.8.1稳态预想事故分析393.8.2性能
4、指标393. 8.3灵敏度分析方法403.9智能电网预想事故研究413. 10小结42参考文献42推荐阅读第4章智能电网稳定性分析工具444. 1电网稳定性概述444.2现有电压稳定性分析工具的优点与不足444. 3电压稳定性评估484. 3.1电压稳定与电压崩溃494. 3.2电压稳定分类504. 3.3静态稳定性（I型不稳定）515. 3.4动态稳定性（II型不稳定）514. 3.5动态电压稳定性研究中的分析技术514.4 电压稳定性评估技术534.5 电压稳定性指标564-6静态电压稳定性研究中的分析技术584.6.1用于检测电压崩溃点的直接法594.6.2非直接法（连续方法）594.
5、7电压稳定性的应用与实施示例604.8 通过电压稳定的预防控制实现稳定性约束优化614.9 功角稳定性评估634.9.1暂态稳定性644.9.2应用于实际电力系统的稳定性分析654.9.3稳定区域的边界664.9.4主导UEP搜索算法684.9.5智能电网DSA设计中的过程变化694. 10状态估计714. 10.1加权最小二乘法估计的数学公式735. 10.2坏数据的检测和辨识746. 10.3预估计分析747. 10.4后估计分析778. 10.5鲁棒状态估计779. 10.6智能电网环境下的状态估计8010. 0.7实时网络建模8211. 10.8智能电网中状态估计实施方法8212. 1
6、0.9动态状态估计8313. 10.10小结84参考文献84推荐阅读目录v第5章用于智能电网设计的计算工具865. 1计算工具概述865.2 决策支持工具（DS）865.3 优化技术885.4 经典优化方法905.4.1线性规划905.4.2非线性规划905.4.3整数规划915.4.4动态规划925.4.5随机规划与机会约束规划（CCP）925.5启发式优化935.5.1人工神经元网络（ANN）945.5.2专家系统（ES）951.6 进化计算技术965. 6.1遗传算法（GA）976. 6.2粒子群优化（PSO）977. 6.3蚁群优化981.7 自适应动态规划技术991.8 Paret。
7、方法1011.9 混合优化技术及智能电网应用1011.10 计算挑战1025. 11小结103参考文献103第6章智能电网设计的路径1065.1 引言1065.2 智能电网发展的障碍和解决方案1066. 3基于先进的优化和控制技术的智能电网设计路径1086.4 一般层次的自动化1086.4.1 1可靠性1096.4.2 稳定性1106.4.3 经济调度1106.4.4 机组组合1116.4.5 4.5安全性分析1126.5 输电层次中智能电网的大型电力系统自动化1126.5.1故障和稳定性诊断1136.5.2无功功率控制1136.6配电系统自动化需求1141.1.1 6.1电压无功功率控制11
8、51.1.2 电能质量1161.1.3 网络重构1176.6.4需求侧管理1176.6.5分布式发电控制1186.7智能电网的终端用户/家用电器层次1186. 8自适应控制和最优化方法的应用1186.9小结119参考文献119推荐阅读120第7章可再生能源与储能1217. 1可再生能源1217.2 智能电网中可利用的可持续能源1217. 2.1太阳能1228. 2.2太阳能发电技术1229. 2.3光伏系统建模12210. .4风电机组系统12411. 2.5生物质-生物能12612. 2.6小型与微型水电12613. .7燃料电池12614. .8地源热泵1277.3 可持续能源利用中的渗透
9、率与波动性问题1277.4 需求响应问题12875电动汽车与插电式混合动力电动汽车12976插电式混合动力电动汽车技术1307.7 环境影响1317.7.1气候变化1317.7.2气候变化的影响1327.8 储能技术1327.9 税收抵免1367. 10小结137参考文献137推荐阅读138目录IX第8章互操作、标准与信息安全1398. 1引言1398.2互操作性1398.2.1互操作性发展现状1408.2.2互操作性的益处与挑战1408.2.3智能电网环境下的互操作模型1408.2.4智能电网通信网络的互操作性1408.2.5互操作性和电网的控制1418.3 标准1418.4 智能电网信息安
10、全1438.4.1信息安全发展现状1448.4.2信息安全风险1468.4.3高级量测体系中的信息安全考虑1478. 4.4降低信息安全风险的途径1488.5 信息安全以及用户可采取的防御措施1488.6 小结149参考文献149推荐阅读150第9章智能电网的研究、教育和培训1519. 1引言1519.5 智能电网的研究领域15193智能电网的研究活动1529.4 跨学科的研究活动1529.5 智能电网教育1539.5.1模块1:引言1549.5.2模块2:体系结构1549.5.3模块3:功能1549.5.4模块4:工具和技术1549.5.5模块5:设计途径1559.5.6模块6:可再生能源技
11、术1559.5.7模块7:通信技术1559.5.8模块8:标准、互操作和信息安全1559.5.9模块9:案例研究和试验平台1559.6培训和职业发展1569. 7小结156参考文献156第10章智能电网的案例研究和试验平台1579.1 1引言1579.2 2示范工程1579.3 3高级计量1579.4 4含可再生能源的微网1589.5 5电力系统的机组组合问题1599.6 6用于配网自动化最优网络重构的自适应动态规划1639.7 7可再生能源接入的案例研究16710. 7.1智能电网行动描述16711. 7.2智能电网应用的实施方法16810.8 试验平台和评测系统16810.9 智能输电的挑
12、战16910.10 智能输电的益处16910.11 11小结169参考文献170第11章后记171附录缩略语表173第1章智能电网架构设计1.1概述现有电网采用一种由发电、输电、配电等环节构成的垂直结构.并在控制系统和各类设备的支持下实现系统的可靠、稳定和经济运行。然而，系统运行人员正在面临着前所未有的挑战，例如，在现有系统中接入可再生能源、技术的快速革新以及多样化的市场主体和终端用户。作为下一代电网的智能电网，将充分利用通信手段和实时测量技术来提高系统的适应性和预测能力.抵抗来自内部和外部的安全威胁。智能电网的设计框架是基于对现有电力行业的拆分、重组以及资产优化。这个新一代的电网将能够：1）
13、处理调度计划和跨区能量传输中的不确定性；2）接纳可再生能源；3）优化输配电网络的传输容量，满足对电能质量和可靠性的日益增长的需求；4）应对系统运行中出现的难以预料的事件和各种不确定性，并积极地进行规划。1.2 现有电网和智能电网的比较如上所述，现有电网中存在一系列因素使其不能有效地满足供电可靠性的要求表将我有电坪和智能电网做了比较表I.1现有电网和智能电网的比较期望的特点现有电网智能电网用户的主动参与兼容所有发电和储能形式新产品、服务和市场为数字经济提供高质量电能资产优化利用和高效运行对系统扰动的预测与应变能力（自愈能力）抵御信息攻击与自然灾害的能力信息对用户不透明,用户不能参与互动以集中式发
14、电为主，分布式能源的接入存在很多障碍有限的、集成度很差的定名市场；用户有限的参与机会重点关注停运,而对电能质量问题则响应很慢运行数据与资产管理缺乏集成，业务流程陷入筒仓模式立足于防止事故的进一步扩大；强调故障后对资产的保护易受到恐怖袭击和自然灾害的影响,哨应速度慢提供充分的信息,用户通过需求响应和分布式能源主动参与互动存在大量“即插即用”、可再生的分布式能源成熟、高度集成的逐售市场;新兴电力市场的增长优先保证电能质量，有各种各样的质量，价格方案可供选择，快速处理问题极大扩展了电网参数的采集范围;注重事故预警.以尽量减少对用户的影响对事故的自动检测和响应:通过持续的预测分析来防患于未然对信息攻击
15、与自然灾害具有抵御能力.快速的系统恢复能力1.3 能源独立和安全法案（2007）:智能电网实施依据在美国前总统GeorgeW.Bush签署的2007能源独立和安全法案（EISA）中对智能电网做了生动的描绘：智能电网应能够有效而可靠地实施预测、实现自适应和自重构。如该法案中所概括的，美国电网的现代化目标就是为了维护一个可靠而安全的电力基石出设施2J.以足未来需戌增长的要米。图1.1说明了推进这样一个向用户提供及时的侪息和控制选项,集成“智能”家电和消费设备。识别并降低RI码料他电网发展的不介理或不必要的壁垒，促进相关技术、实践和服务的实施。加大对数字信息和控制技术的利用度，以提升电I网的可鸵性、
16、安全性和效率.开发和引入需求响应、需求侧资源以及能效资源。部署和集成高级电储能和削峰技术，如插电式电动汽车、储热式空调等C在保证充分的信息安全的前提下，对电网运行和费源进行动态优化。剂署和蛆成含可再生傕源在内的分布式资源和发电。为接入电网的电器、设备以及支持电网运行的基础设施制定通信和/掾作标准。部署“智能”技术（指能对家电和消费设备进行运行优化的实时、白动、交互技术），mr计员、通信以及配网H动化。图LI智能电网的基本特征高效、可靠系统发展所需的一系列特性。本法案成立了一个智能电网专门委员会，其职责是“确保原本分散在能源部以及联邦政府其他部门中的、与智能电网相关的技术与实践活动得以彼此沟通、
17、协同与整合”。专门委员会的任务包括：研究与开发；开发广为接受的标准与协议；厘清智能电网技术实践与电力公司管制之间、智能电网技术实施与基础设施开发、系统可靠性和安全性之间以及智能电网技术实践与电能供需、传输、分配乃至政策等方方面面的关系。针对这项法案，美国的研究与教育团体正在积极参与：D智能电网研发项目；2)开发广为接受的智能电网标准和协议；3)开发满足智能电网实施条件的基础设施：4)开发系统可靠性与安全性的保障技术；5)制定政策，鼓励为智能电网的发、输、配诸环节提供技术支持。智能电网开发与实施中有5个关键方面，如图1.2所示。电力系统改进通信9标准料能电网环境与经济计修智能图1.2智能电网实施
18、的5个关键方面1.4 计算智能在本书中，“计算智能”特指对大电网进行优化所需的一系列高级分析工具,如基于启发式或进化理论的规划软件、决策支持工具以及自适应优化技术。原文此处为保护(protection),依上下文应为协议(protocol)译者注1.5 电力系统改进决策者们认为，在全美广泛采用可再生能源,5、将有助于减少热能和化石能源消耗产生的碳排放，满足需求的不确定性的要求，并在一定程度上提高电能输送的可靠性。1.6 通信与标准由于电网运行规划的时间尺度可能短至加，智能电网的高级自动化系统会在快速的决策过程中产生海量运行数据。利用新算法可使智能电网具备更强的自适应性和预测能力,这样，就需要为
19、电网的管理、运行和市场营销所需的通信网络制定新的规范。1.7 试验平台以上对智能电网的特征作了讨论。只有评估当前电网和拟建的智能电网，才可以充分显示智能电网的特点和所面临的挑战。这样的智能电网系统一旦被全面实现，将允许用户参与互动，并在高级软件的支持下提高发、输电能力，降低电网的脆弱度，保证适应性、可靠性、充裕度和电能质量。培训工具的开发和电网运行管理所需的技能培训都会创造许多新的就业机会，这也是智能电网发展的重要目标之一。如今，智能电网将在试验平台和示范项目中进行测试。为了尽快建成第一代智能电网，相关的试验平台和研究中心应开展跨学科合作。为消除导致系统脆弱性的根源，电力公司和智能电网技术厂家
20、应重点关注系统安全控制，不能仅仅盯住局部的脆弱性和威胁。但是，在现有系统上很难甚至不可能增加安全控制，理想的做法是将其集成到全新的系统中，这样可以避免很多实施上的问题。对于已建成的安全控制中心，还需要对其有效性进行定期评估，以保持智能电网对各种新威胁的抵御能力。1.8 本书结构本书共分为11章。本章为概述.讲述智能电网的概念、基本原理、工作定义以及系统架构。第2章介绍了智能电网的通信与测量技术。第3章介绍与潮流计算、最优潮流、预想事故分析等相关的软件工具，而与电压稳定、功角稳定和状态估计等相关的软件则放到第4章介绍。第5章评估了适应智能电网特点的各种计算智能方法。第1阐述了使用通用动态随机优化
21、技术的智能电网路径设计。第7章原文本节标题为“环境与经济”.此处根据上下文修改为“试聆平台”。一译者注对可再生能源及其波动性、随机性问题作了综述，随后讨论了储能技术及其容量和配置问题。为了评价可再生能源的经济和环境效益，本章还专门讨论了需求侧管理(DSM)和需求响应、气候变化以及税收抵免等几个问题。第8章讨论了制定国家标准的重要性。随后又讨论了互操作性问题,分析了在满足系统运行约束的前提下，如何使新技术能易于适配到老系统。为了保护可再生能源的安全利用和通信基础设施.本章还讨论了信息安全问题。为充分发挥新技术的性能优势和经济效益，需要开展一系列重大研究，并且不能忽视职业教育和培训，第9章对此作了
22、介绍。第10章研究了若干智能电网开发案例，讨论了用于辅助实施的试验平台。在智能电网得以全面实施之前，研究人员和决策者尚面临很多巨大挑战，本章对此作了概括，并呼吁加大投资和开展跨学科合作。图1.3是本书各章内容的示意图。图1.3本书各章内容的示意图智能电网概述科能电婢工作定义、系统架构PM-彷能电&与测属技术智能电网功能、地理信息系统、谷歌地图工具 多代理系统、多代理技术工具开发与性能评价智能电网I：H与技术潮流分析Ift念、科能电网分析新方法最优潮流电压与功角稳定、状态估计计算技术通信与测信监视、PMLK智能电衣与其他洲量技术值想方故分析料能电网发展的障碍Lj解决方案利用而级优化与控制技术设计
23、智能电网 发电Ha停 MH4t配电C动化妙用户/家电层面自动化随机动态地优潮流(DSoPF)的开发与应用 智能电M设计技术评价JH市场与电价可再生他源技术储能技术需求响应电动汽+与插电式混合动力汽车环境影响q气候变化税收抵免和鼓励标准互操作信息安全推进智能电网发展的研究领域与条件智能电网教育技术培训与职业发展智能电Iq案例研究与试验平台1.9智能电网各市场驱动力概览出于改善系统效率和可靠性的目的，并受市场和新机遇的驱使，智能电网应具备以下能力：1）满足进一步集成数字系统的需要，提高电力系统运行效率。在市场竞争环境下，放松管制的电力工业可以在满足系统约束、计及需求的季节性和每日波动的前提下进行市
24、场化改造。竞争市场增大了跨区域的功率交换，这给现今日益老化的电网带来了更大的压力，迫切需要提升实时控制的水平。2）处理电网阻塞、提高用户参与度、降低投资的不确定性。这些都需要对电网进行增容以提高供电可靠性。3）无缝接入可再生能源（RES）和分布式发电。大量低成本分布式发电的接入将会改变现有电网的形态。除了系统运行人员和决策者，各利益相关方也在推动智能电网的发展。下面讨论他们各自的作用以及所承担的具体角色。1.10各利益相关方的角色与职能和分析传统电网一样，分析智能电网的重点也应集中在识别各利益相关方及其在电网发展中的功能。各利益相关方包括电力公司、发电商以及用户、决策者、技术提供商、研究机构等
25、。所有利益相关方的全面参与是促使智能电网成为现实的重要因素。决策者是指联邦及各州的监管机构，其职责是确保政策的连续性以及协调各方需求。智能电网的发展将带来降低能源价格、减少对外来石油的依存度、提高能效和供电可靠性等好处，各利益相关方将从中获益。各利益相关方的分类如图1.4所示。智能电网发展中还有一些参与者，如政府机构、制造厂以及研究机构。一些政府机构，如联邦政府能源部（DoE）所属的国家可再生能源实验室（NatiOnalRe-newableEnergyLaboratory,NREL）,以及一些州立机构，如加州能源委员会、纽约州能源研究与开发署等都是智能电网的积极倡导者。在“智能电网概述”这份专
26、题报告中，能源部讨论了智能电网实现的背景、挑战、机遇和必要性。报告中将智能电网定义为这样一种技术：“智能电网改革了整个电力工业，引进了许多理念、概念和技术，把电力公司和电网接入了互联网，实现了电网的现代化”。智能电网的特点包括双向的数字通信、即插即用能力、支持用户参与互动的高级量测体系及相关设施、建立在标准之上的互操作性，以及低成本的通信和电子设备。图1.4各利益相关方及其职能智能电网还有其他一些广受认同的特性，如集成高级的电网可视化技术以便实现广域感知，将实时传感数据、天气信息以及电网模型集成到地理信息系统中等。不过，我们认为智能电网还应具备对供需不确定性的适应能力、具备预测能力和防患于未然
27、的预警能力，对于这些，能源部在其智能电网定义中缺乏相应的考虑。另一个联邦机构，联邦能源监管委员会（FederalEnergyRegulatoryCommis-sion,FERC）已批准开发如下项目：1）信息安全：要求NIST制定一套标准和协议，既能满足信息安全要求，又要满足能源独立和安全法案（EISA）以及联邦能源监管委员会制定的可靠性标准。2）系统间通信：在大电网各区域市场运营商、电力公司、需求响应集总代理以及用户之间存在各类信息交换，需要制定一套公共信息模型来规范信息交换。3）广域状态感知：要求为全国各大电网的运行调度人员配备专门的设备，让调度人员能获取系统的全景信息，这样才可以更好地完成
28、系统监视和运行。4）大电网对新兴技术的兼容与接纳。智能电网应能够接纳越来越多的可再生NationalInstituteofStandardsandTechnology,美国国家标准与技术研究院O译者注能源、需求响应资源以及储能装置，这是解决目前大型电力系统所面临挑战的有效措施。而这需要明确相关标准体系的开发。电动交通是另一项新兴技术，它的推广应用也要做到标准先行。1.10.1电力公司南加州爱迪生(SouthCaliforniaEdison.SCE)和其他一些电力公司承诺改造现有电表。厂家也正在向基于开放标准的高级计量体系靠拢。这一系列的行动已使得诸如服务质量、节能减耗等指标得到持续改善。高级量
29、测体系(AMl)是智能电网必不可少的组成部分pepc。控般公司(PEPCOHoldings)一直致力于这项技术的研发，并提出了这样一些理念：提倡并资助围绕终端用户进行的技术创新、倡导高效能源管理、提供多种电价选择方案和需求响应方案、降低总体能源成本、实现节能减排等。1.10.2政府实验室与示范项目在20多年前，PNNL就提出了智能电网的很多基本思想。在20世纪80年代中期，PNNL的研究人员设计了第一代的数据采集系统并安装在100O余座建筑里，这套系统能够以准实时的方式监视所有电器的用电情况。PNNL开发了一整套的分析工具与技术，覆盖了从输电层面的相量测量与控制技术一直到位于用户端的电网友好型
30、电器(Grid-FriendIyAPPliance.GFA)，促进了传感器、故障诊断、设备设计与运行等技术的发展与完善。2006年1月，在其首次报告“电网智能化(GridWise)m概念之后的第四年，PNNL正式发布了“电网智能化合作倡议”旨在通过示范工程对新一代电网的相关技术进行验证。谟示官翌近了来自华也和饭近的畋个家庭用户。“电网智能化项目”由设于能源部电气与能源保险办公室的“电网智能化联盟”负责管理。联盟成员包括阿海底、通用电气、IBM、施耐德电气、美国电力公司(AEP),美国邦纳维尔电力局(BPA),ConEd.PJM互联电网公司、Battelle.RDS.SAICsNexgen,以及
31、RockPortCapitalPartners公司口”。智能电网各种应用得以实施离不开各个自动化系统之间的互援作性。作为智能电网的主要倡导者.电河智能化柒构委员会(GridWi86ArchitectureConciLGWAC)正在积松推进比现工作。1.10.3电力系统工程研究中心(PSERC)美国电力系统工程研究中心(PowerSystemsEngineeringResearchCenter,PS-ERC)由13所大学和若干工业伙伴共同组成，旨在用最新技术解决电网遇到的问题。PSERC的总体目标是：为电网运行与规划开发新策略、新技术、新的分析手段以及新的计算工具，从而支撑电网的灵活、可靠、稳定
32、运行。GridWiseInitiative,见www.pnnl.govo1.10.4研究机构美国电力科学研究院（日ectricPowerResearchInstitute,EPRI）和大学联盟已经为智能电网发展开发了软件架构。这些软件基于电力、通信、计算机控制相互融合的思想，主要用于电网技术框架的开发。EPRl开发了智慧电网（Intelligrid）软件，这是一个基于开放标准和需求导向的软件，实现了产品与系统间的互操作，整合了数据网络与设备。电力公司在规划、设计、实施IT系统时，可以利用这套软件，从中获得标准与技术方面的方法、工具及建议。1.10.5技术公司、销售商与制造厂在全球范围内，旧M公
33、司是为智能电网提供信息技术（IT）类设备的主要供货商。在2008年，旧M公司被美国电力公司（AEP）、密歇根煤气与电力公司以及用户能源（ConsumersEnergy）公司列为智能电网能效项目的优先IT支持服务商。旧M公司负责的智能电网（GridSmart）项目可以显示出能源使用情况以及是否参与能效项目。旧M公司在其中充当系统集成商的角色。IBM公司还提出了智慧电网（IntelIigentPoWerGrid）的概念，其要点可概括为：利用现代的数据集成与分析技术提高电网的可观测性，支撑高级的电网运行与控制；建立集成的电能传输链；具备高级电力公司战略规划功能C以下为W电网的主要标：D电网设备和资产
34、中嵌入智能的IP使能装置（数字处理器），或被这样的装置所监视。2）通过数据通信网，智能装置能够在保证信息安全的前提下与电力公司后台系统通信，甚至智能装置彼此之间能够相互通信。3）利用高级分析工具，对来自智能装置以及其他数据源的原始数据进行数据融合与变换，形成有用的信息。4）商务智能与优化工具既可以自动地又可以在人工参与的情况下提供高级的决策支持。智慧电网的数据库与系统架构由5个主要部分组成，分别为数据源、数据传输、数据集成、分析、优化。除此之外，还包含用于数据分发的一系列手段，如发布-订阅中间件、数据门户以及基于Web的服务8J.思科（CISCO）公司对智能电网的贡献在于提出了一个IP架构。思
35、科公司将智能电网描述为与电网紧密集成的数据通信网络，这个集成的网络能以准实时的方式采集并分析与电力输、配、用相关的数据。基于这些数据进行预测，将预测结果和决策支持信息提供给各利益相关方,辅助其进行电力管理。发、输、配、用各部分的紧密集成是该架构的关键特征。事实上，智能电网尚无一个广为接受的或者普适的定义，已有定义都是针对特定领域和场合。下面我们试图针对利益相关方和开发人员，给出智能电网的一个工作定义。1.11基于性能评价的智能电网工作定义智能电网的工作定义中应包含如下要素：1）能够实时评估电网的健康状态。2）能进行预测分析并执行预防性控制。3）能够兼容分布式能源和可再生能源等新资源。4）能够处
36、理随机性需求，并能对智能家电做出反应。5）能够提供自愈、重构和故障恢复等功能。6）能够实时处理负荷与市场成员的随机性。7）能够通过智能设备、通信协议与标准以及智能算法形成更为复杂的交互行为，以改善智能通信与交通系统。在智能电网环境下，利用智能控制策略处理电网阻塞、失稳或可靠性问题。智能电网将能够保障信息安全，具有很强的适应能力，能可靠地抵御大扰动的冲击。智能电网还将具备其他一些特性，例如，能够接入可再生和分布式能源，可以与可再生能源、插电式混合动力汽车（Pug-inHybridElectricVehicle,PHEV）进行双向信息交换等。此外，新型接口技术可以为制造业和服务业的投资者、企业家提
37、供数据流模式和信息。综合以上分析，本书给出如下的智能电网工作定义：“一个高级、数字化、具有双向潮流的电力系统。能对各种不确定性进行预测，具有自愈、自适应、弹性和可再生性。兼容于现有和未来的组件、设备、系统标准并支持互操作性。能够保障信息安全，抵御恶意攻击J为实现上述定义中描述的特性，智能电网需要更为鲁棒、经济的实时测量技术和更为先进的通信技术，以完成数据与信息的传输；根据上述定义，智能电网将允许接入智能家电，支持部署电动汽车和混合动力汽车等高级储能装置，支持多种储能控制策略，支持需求侧管理和各种需求响应方案。1.12典型架构参与智能电网开发的各个机构提出了多种智能电网架构方案。本书介绍其中两种
38、。第一种来自美国能源部，如图1.5所示。在此架构中，美国能源部将智能电网分为9大区域，分别为输电自动化、系统协同与态势评估、系统运行调度、配网自工作定义是指共同工作的人士能够理解并接受的定义。它不要求获得任何标准机构的认可,其目的是使同行们有了共同认识和共同语言,从而获得研究工作上的方便和效率。工作定义的另一个意义在于，它有助于促进和完善未来的正式定义的制定。一译者注动化、可再生能源接入、能源效率、分布式发电与储能、需求参与信号和方案以及智能家电、PHEV和储能。图L6展示了第二种架构。在这个技术框架中，未来的智慧电网分为若干子系统，并包含智能、技术、新型工具以及创新等几个层次。此架构中包含了
39、电力系统的大型发电、输电、配电、终端用户等诸多环节。下一节将介绍各环节中重要组件的功能。图L5美国能源部关于智能电网设计的典型架构（架构1）未来智慧也网智能接口信息安全图1. 6智慧电网（架构2）, J可再生假源（太 阳能、公能等）能源经济变革净化环境 能源系 可移动电能新型也能传输纳米科技 微电网能设管理系统高级配网自动化JMomoh1.13智能电网各构成组件的功能在电力系统的发电层面，智能化的提升将从提高发电的稳定性与可靠性方面，扩展到智能控制以及含可再生能源的电源构成等方面。1.13.1智能设备接口组件智能监控设备是发电单元实时信息处理的组成部分。无论在集总分配式还是区域式能源系统中，都
40、需要在系统运行中无缝地集成这些监控设备。1.13.2储能组件为了解决可再生能源固有的波动性问题、减少用电高峰时电能供需之间的缺口，希望能对电能进行存储以达到平滑出力或者移峰的目的。储能因此成为一项非常重要的技术。现有的能量存储技术包括抽水蓄能、先进电池、液流电池、压缩空气、超导储能、超级电容器以及飞轮等。在智能电网发电层面设计之初，就应引入一些相关的市场机制以处理可再生能源、分布式发电、环境污染等问题。1.13.3 输电子系统组件输电系统用于连接各个重要的变电站和负荷中心，它是整个互联电力系统的主干。以较为低廉的价格实现电能的高效与可靠传输一直是输电系统规划和运行人员的最终目标。输电网络必须能
41、够承受负荷的动态变化和抵御各种事故以保持电能的不间断传输。为确保输电系统的性能、可靠性以及供电质量，制定了各种电力安全事故处置规范。为了在输电层面达到智能电网所期望的性能指标，需要开发智能的性能评估技术和分析工具，如动态最优潮流、鲁棒状态估计、实时稳定性评估、可靠性分析以及市场仿真工具等。为了使输电子系统具备智能性，实现所谓的“智能输电”，需要基于PMU,状态估计以及通信技术对电网进行实时监视。1.13.4 监视与控制技术组件智能输电系统包括一个具有自我监视和自愈能力的智能网络，具有自适应性和预测性，使得发电侧和需求侧具有足够的鲁棒性，能够应对电网运行中出现的阻塞、失稳以及可靠性等问题。当遭受
42、大的扰动时，未来的电网应表现出足够的弹性，能够利用实时、自适应控制实现系统的可靠恢复。1.13.5智能配电网子系统组件配电网是完成电能向终端用户输送的最后一个环节。在配电网电压等级中，由主干馈线对小型工业用户供电，由次级配电线路对居民和商业用户供电。高级配电自动化系统需要一系列的技术支撑，如智能电表、用户和电力公司之间的通信连接、能量管理以及高级计量体系等。它应该包括故障检测、电压优化与负荷转移、自动计费、网络重构与自动恢复以及实时电价等模块,并具有自学习能力。1.13.6需求侧管理组件通过实施需求侧管理项目和能效项目，可以改变用户用电方式、减少高耗能机组的运行费用、推迟电源建设。需求侧管理项
43、目可以达到节能减排、减少用电支出、提高发电可靠性等目的。这些项目的综合效用将会改善电力公司的负荷曲线。为了实施这些项目，需要制定标准协议、建设具备双向通信能力的信息高速公路。另外，诸如即插即用、智能楼宇、智能家居、各种需求侧仪表、清洁空气法规、用户端能效优化接口等要素也必须各就其位。1. 14小结本章讨论了智能电网设计与发展过程中各利益相关方的职能及其取得的进展，给出了智能电网的工作定义,展示了智能电网的两种设计架构,讨论了未来智能电网的主要构成组件和功能。下一章将讨论智能电网分析与开发中所需要的工具和技术。参考文献1 44TheSmartGrid:AnIntroductionandSmart
44、GridSystemReport.,LitosStrategicCommunication,U.S.DepartmentofEnergy,2009.2 1.D.Kinter-Meyer,M.C.Chassin,D.P.Kannberg,etal.oGridWiseTM:TheBenefitsofaTransformedEnergySystem.*PacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL-14396,2003.3 44OverviewoftheSmartGrid:Policies,InitiativesandNeeds/ISONewEngland,2009.
45、4 *TheModemGridIniiiativeJGridWiseArchitectureCouncil,PacificNorthwestNationalLaboratory.2008.5J*,OurBlueprintfortheFuture?,PEPCOHoldings,2009.(6J-PSERCOverview,2008.mPSERC,28.7 J.Taft.*TheIntelligentPowerGrid.IBMGlobalServices,2006.8 “ANationalVisionforElectricity,sSecond100Years.OfficeofElectricTransmissionandDistribution,U.S.DepartmentofEnergy,2003.推荐阅读AmericanRecoveryandReinvestmentActof2009.PublicLawNo.111-5,2009.RVanDorenandJ.Taylor.44RethinkingElectricityRestructuring.”PolicyAnalysis2004,530,1-8.EPRIIntelligrid.ElectricPowerResearchInstitute.2001-2010.*SmartGridSystemReport
