智能电网标准评估及应用发展建议final.docx
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智能电网标准评估及应用发展建议final
智能电网标准评估及应用发展建议final
由ErichW.Gunther
AaronSnyder
GrantGilchrist
DarrenReeceHighfill
为加利福尼亚能源委员会制定
EnerNex公司
2020.2
草稿0.83
1.经营摘要
本文解决与建筑加利福尼亚智能电网标准和技术相关的四个差不多问题：
●我们立即面临哪些能够阻碍以后智能电网的创新技术。
●如何具有前瞻性地幸免建筑不兼容系统，替换这些系统时耗资庞大。
●如何培养新技术的开放式接入，竞争以及商业增长，这些新技术不仅能够给能源消费者带来新的方式满足其能源需求，同时同时能够节约费用。
●划分清晰政府是否应该介入的界限。
解决智能电网问题的一个关键因素是将电力系统和基础标准及技术分解成为一些连贯的部分，从而进行有针对性的研究，同时发觉阻碍最终方案开发的问题，同时预先将解决方案开发的问题暴露出来。
第一，对正在应用的和仍在开发的标准和技术进行高水平的概括，将有助于列出互操作系统的需求以及标准开发的需要。
标准开发机构和技术联盟的区别用于说明什么缘故尽管实现了标准化，却仍旧不能实现互操作性。
本文中将给出一个关于政策法规，司法权限和标准与技术开发者如何塑造现代电网解决方案的讨论。
接下来，智能电网问题被分解为四个关键部分：
发电系统，输电系统，配电系统及用户。
本文将清晰地描述相关部分的作用区域，并指出其相互关系，暴露系统间的接缝，指出需要追加投资来进展的标准以及需要投资来建设的与智能电网相关的项目。
通信设施的横向分解关于如上所述的四个应用设施区域间元件的连接专门必要，这些分解包括宅域网，场局域网络，变电站域网络，广域网，公用事业局域网以及企业集成网。
然后将给出与加州智能电网部署策略相关的关键领域中的一个详细清单，那个清单包括关于现有或进展中的详细标准，最正确做法，立法及管制。
需要专门注意的是，依照加州智能电网进展蓝图，这些标准如何长期投入使用。
最后，从什么标准和技术应该被推广，或者研究以满足实现现代电网的目标的角度，提出了解决措施来解决上面的四个问题。
本文中一个专门重要的发觉是，现今专门多成熟的标准和做法都能够被应用以协助智能电网的开展，智能电网的高层决策者缺乏对这些标准的认识，缺乏对这些做法和规程的应用指导方针，以及应用它们时的清晰的最正确实践以及管制的指导方针。
关键建议包括：
政策制定者应该采纳美国国家能源部〔DOE〕〝电网智能化结构互操作备忘录〞来评估包含设备采购建议。
应该制定法规以鼓舞设备和产品生产商支持基于标准的技术而不是专有的解决方案。
法规要幸免制定可能的强制的专门标准或技术，而这些标准的制定是为了得到某些特定的结果。
需要开展研究来加速那些能够填补这些空白的标准的进展，这些空白包括安全方面，智能电网及设备治理，信息隐私治理，以及场局域网络和互用性。
标准及技术介绍
世界范畴内的标准进展机构〔SDOs〕均在相同的法规下实施职能。
大体上，参与实际开发工作的委员会成员受到反信任条例或者法案的约束，被禁止参与反竞争行为，如市场划分，价格讨论等。
而且，知识产权被视为标准语言的潜在资源，要求对所有人公布。
投票时，关于候选投票者的平稳利益有严格的操纵，从而实现公平公平。
例如，美国国家标准协会〔ANSI〕有三个类别，生产者，使用者及大众，关于投票团体来说，没有一个类别能够超过合格投票者人数的40%。
标准通常以实际的标准开始，即在足够的生产者中具有共性，才称产品/方法/协议为〝标准〞。
除此之外，SDOs实际上制定法律上的标准，立即一些行为译成与法规相似的法典。
鉴于对投票平稳性，公布条例，公布参与的慎重关注，在特定的管辖区内采纳某些特定标准而不采纳法律。
在北美洲，公用事业有如下相关的SDOs：
ANSI：
美国国家标准协会〔ansi.org〕
DIN：
德国标准协会（din.de）
IEC：
国际电工委员会（iec.ch）
IEEE：
电子电气工程师协会（ieee.org）
ISO：
国际标准化组织（iso.org）
ITU：
国际电信联盟（itu.int）
上述例子之一的德国标准协会看来有些不合适，然而，在许多领域，诸如电力测量方面，DIN标准专门具有阻碍力。
与SDOs不同的是所谓的〝联盟〞。
他们是一些认可一项专门技术价值的实体或个体，同时他们建立一个利益群体来促进这项技术的编撰设计及市场推广等。
联盟和标准群体的差异在于二者的规程及工作成果。
由于任何数目的利益群体都能够形成一个联盟，其运行规程专门宽泛。
其中一个例子确实是Zigbee联盟，它包括15个成员〔〝推广员〞〕，由技术厂商，参与者及采纳者组成。
Zigbee联盟的工作成效以〝档案资料〞或协定性能规范而闻名。
由于联盟并未被要求必须有一个平稳的会员机制，或者从某种意义上必须遵从一定的反信任规程，他们的工作成果必须提交给一个SDO，目的是使其能够变成一个法律上的标准。
以下为一些知名的宅域网市场的与公用事业相关的联盟：
家庭电力线组网联盟（homeplug.org）
Z波联盟（z_wavealliance.org）
Zigbee联盟（zigbee.org）
每个技术联盟都包含来自工业界的不同厂商来实现他们的既定目标。
通常在某些规范写进SDOs成为标准之前，联盟以类似于推广标准的方式来推广这些规范。
大多数联盟的目标也是实现互操作性，联盟通过一系列的认证程序来保证互操作性的实现。
在2020年8月，Zigbee联盟和家庭电力线组网联盟共同宣布了一项标准的实施。
该举措在运算工业界的例子包括Wi-Fi联盟和USB制定论坛。
如何超越标准化
制定标准是为了给出人们对某项技术的能够达成共识的差不多明白得。
除非标准的界限包括互通性测试或指导方针，一项技术最好要遵从标准。
与物理技术〔型号〕不同，在电力工业技术中，互通性至多是进展某标准的委员会的一个愿望。
这就突出说明，对专门的用户组织，其要紧任务确实是发觉互操作性的要求，并编制测试方案对产品是否符合互操作性进行测试，同时对结果进行认证。
除了SDOs及联盟外，还有另一种重要的实体——〝用户团体〞。
用户团体，标准化组织及联盟之间的区别在于，相关于一些标准进展组织，用户团体承诺其成员对标准应用于技术规范进行自由的讨论。
一个例子能够表达这种关系，即IEC61750标准进展委员会〔技术委员会57，工作组10〕和UCA国际用户团体〔UCAlug〕ICE61850委员会。
IEC技术委员会由国内专家组成，被ICE任命。
在产生IEC标准时，每个委员会均遵从一个规定的流程，如IEC61850的一套标准。
这套标准的第10部分是互通性测试。
UCAlugIEC61850委员会由一些专家组成，这些专家每半年就产品如何符合IEC61850标准这一问题进行一次讨论。
产品测试在该委员会认可的一致、公布和公平的环境中进行，保证产品满足标准的要求。
在UCA中还有如OpenHAN〔HAN-宅域网〕及AMI-SEC〔高级测量基础设施保证〕如此的公布了系统需求规格的工作组。
这些规范承诺用户采纳一般文档的方式进行交流，以明白得满足最终商业目标的复杂性。
规范也能够通过标准组织以法律标准的形式来撰写，以保证产品符合需求。
同时以标准团体协助工作的形式撰写，来进展法律性的标准以生产出符合期望需求的产品。
另一个为真正的互操作性奠定基础的工作组是GridWiseArchitecture（GWAC）。
与NIST〔国家标准技术协会〕合作，GWAC赞助Grid-Interop会议，那个会议的目标是实现系统间的互操作、业务流程的互操作、建立可连续进展的电力系统、进展一体化智能电网政策以及全面凝视发电和用电过程。
超越用户和厂商导向的标准和技术一个方法是利用政府机关的规章制度，最好的规章制度确实是具有适当的奖励和惩处措施，而没有太多硬性规定的准那么和目标。
另一业界的一个例子是美国法律中为汽车生产商制定的公司平均节约燃料标准〔CAFE〕，作为行业的目标，并没有指定专门的模型。
需要哪些交通工具，需要什么样的容量，承诺制造厂家进展自己的技术〔引擎，燃烧技术等〕来满足政府标准。
为了打破某一地区标准的限制，IEC和IEEE，ANSI和IEEE能够联合制定一些标准，并在更广范畴内推广，这是真正互联互通的重要步骤。
2.方法论
电力系统设施
为了便于分析，电力系统被分为三个部分，按照惯例，沿着传统线路分别是发电系统，输电系统及配电系统。
所有不同的负荷类别，包括工业，商用及居民都被纳入〝用户〞范畴。
发电系统
为了便于讨论，发电系统指容量在250MVA以上的高容量中央发电机组，通过输电和配电网络与用户连接，这其中可能包括容量大于这一最小门限的风电场。
为了便于分析，这些风电场将被视为一个简单的发电站。
图1a：
NERC互联系统
图1b：
NERC区域
输电系统
输电系统与配电系统一起，有时被称为〝大电网〞。
北美的电网分为四个互联的同步电网：
魁北克互联系统，东部互联系统，西部互联系统〔亦称西部电力系统，或WECC〕以及德克萨斯互联系统电力可靠性协会〔亦称ERCOT及德克萨斯区域实体，或TRE〕，如下图1a。
东部互联系统包括如下的区域：
佛罗里达可靠性和谐委员会〔FRCC〕，中西部可靠性组织〔MRC〕，东北部电力和谐协会〔NPCC〕，可靠性第一公司〔RFC〕，SERC可靠性公司〔SERC〕，以及西南部联合电网〔SPP〕。
那个地点所说的〝互联同步〞的定义为该区域的电力生产如何去满足负荷需求，同时定义了如大停电的灾难性问题边界。
输电系统运行在最高的电压等级，一样为138-1000kV。
配电系统
配电系统是大电网中设备密度及爱护需求最大的部分，配电系统并不是一个真正的〝电网〞，例如，关于一个负荷存在多条供电路径，而是每个负荷都能够清晰地与一个输电电源对应配对，专门是变电站节点。
有些工业用电企业有带有切换装置的多电源馈电系统来保证其具有更高的可靠性。
现在也能够在配电系统中接入发电机，这一技术被称为分布式发电或分布式电源。
这一发电系统的容量在5到500MVA之间，包括风电机组，太阳能阵列，太阳能热电，小型水电机组，燃料电池以及涡轮机组等。
在考虑分布式电源的定义时，电池能量储备技术超导磁能储备技术以及其他一些技术将会被划分到发电系统中。
配电系统的操作与爱护同系统中设备的数量有关。
每：
250000个用户需要多达有60000个配电变压器，多达227条馈线以及45个变电站。
在变电站，每条馈线可能还会有一个变压器，将输电网或输电子网的电压级别转换为配电网电压级别。
配电网通常运行在13.8-138kV，尽管有些系统运行者认为34.5-138kV应被成为输电子网，同时配电系统应该包括240V-34.5kV。
用户
过去，用户仅仅被视作一个收入来源，但在不久的今后〔甚至在现在的某些情形下〕，用户会被视作一个〝合伙人〞。
一旦一个能够将所有用户及公用设备进行适当连接同时能够实现其之间交流的通信系统成为可能，治理和操纵每个负荷将会变得专门简单。
通过费率政策和奖励，用户将会被鼓舞以调整他们关于能源的消费〔及需求〕，从而幸免在尖峰时段购买电能。
这些所谓的〝需求响应〞程序能够使电力公司延长其关于基础设施的投资，相反将这些钱投入改善长期经营的工作中。
需求响应的一个方案确实包括一些关于基础设施的投资，然而，这些投资将用于通信设施方面，以使得架设输电线路更加容易一些。
更加先进的设备如带双向通信功能的表计，带双向通信功能的表计，以及家用自动化设备如可编程通信出口操纵器将关心用户治理其能源需求。
关于商业及工业用户来说，一种可能是安装链接在内部传感器和操纵器系统上的能量治理系统，它能够起到杠杆作用平稳连续负荷和税率结构，承诺需求响应操作和需求竞价操作。
3.通信设备
智能电网是通过在电力系统基础设施中覆盖通信设备来实现的，智能电网对通信设备的划分是按照其所实现的功能来进行的，与电力系统的设备并不具有一一对应的关系。
宅域网〔HAN〕
有时也被称为房域网〔PAN〕或楼域网〔BAN〕，该网络是一个单独房间中的网络，例如工业厂房、商业大楼或者家庭，其与一个或者多个网络进行通信。
电力公司期望利用这些网络，通过家庭网络或者不同类型的网桥，减轻高负荷时段由于诸如需求相应等因素带来的网络压力。
场域网〔FAN〕
该网络要紧用于一个或者多个网络中的设备通信，通信要紧在用户服务接入点与公共服务网络回程点之间进行。
由于其是电力公司所能组建的覆盖最广的通信网，其要紧用于高级量测体系。
配电自动化和操纵设备〔DAC〕也包括在FAN内。
变电站域网〔SAN〕
该网络要紧用于同一个变电站内单个或者多个网络间设备的通信，通常是电容器组，继电器以及其他的变电站自动化设备，该网络通常作为SCADA网络的基础网络。
一个工作组正在对如何扩展SAN标准〔IEC61850〕从而实现变电站间的通信。
广域网〔WAN〕
本区域是连接FAN，SAN，公用设施LAN以及后勤办公室间的桥梁，包括从操纵中心到变电站间的通信，通常被称为〝回程〞通信。
局域网〔LAN〕
该网络定义了通信设备之间〝邻近〞的关系。
顾名思义，一个楼层，一栋楼或者一个服务器机房往往是一个LAN。
HAN，FAN以及SAN均为不同类型的LAN。
图2给出了一个智能电网的示意图。
理想的情形是，每个域中，为实现商业的、技术的、社会的最终目标，通过鼓舞所有成员〔公司、用户等〕广泛参与的形式，来实现成员间和技术间的相互沟通和阻碍。
从HAN中，消费者能够购买和安装监测和操纵设备，利用包括通信和电力系统设备的通信网，数据将在任何需要的时刻和地点被转化为有用的信息。
在现实生活中，每个区域的水平部分代表互操作区，可能存在着相互竞争和互补的技术与标准，同时在不考虑其他域需求的情形下进展。
图2：
智能电网高级概观
4.企业整合
企业整合确定了不同应用间的连接，这些应用需要被用来驱动公用商业需求。
这通常包括具有〝系统〞在名字中的应用，如停电治理系统〔OMS〕，地理信息系统〔GIS〕，配电治理系统〔DMS〕，能源治理系统〔EMS〕，客户信息系统〔CIS〕，测量数据治理系统〔MDMS〕，甚至是企业资源规划系统〔ERP〕。
通常情形下每一个应用系统均由不同的厂商提供，这就造成了在用于公用业务时数据治理方面的困难。
目前，工业界正向通用信息模型这一目标进展，逐步摒弃专用系统的进展。
图3所示为上述网络，图中包括部分设备、系统和参与者。
人们专门容易从HAN，通过LAN和WAN，回溯到公用事业企业。
除了这方面，OSI〔开放系统互连〕有七个层：
应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层和物理层。
这是设备和系统间这是对系统和设备间互操作性障碍的一个更全面的描述。
要想实现互联互通，两个设备和系统之间必须在上述七层中的每一层都能实现互操作。
物理层以〝数据位〞作为媒介交换信息，数据链路层〔媒体访问操纵或MAC〕是帧〔多比特〕交换的媒介，网络层为数据包〔多帧〕决定路径和应用逻辑地址，端到端连接和数据段〔多数据包〕交换在传输层中实现，会话层处理数据表达和加密，最终，在应用层中实现与用户之间的交互。
有时，某些技术使用OSI协议中的不同模型。
尽管这些模型可能只用到七层模型中的三层或者四层，然而这些模型通常都具有所有的七层模型的功能。
图3：
企业系统，通信和层
5.智能电网需求与现行标准的差异及分析
在企业中各个不同网络中都存在着大量的可用标准，将这些标准域实际的需求列出通常是有益的，这确实是所谓的〝差异〞分析。
明确需求〔不符合该需求的技术将被审核〕有益于进行差异分析。
从实例提取需求的方法是编制需求列表的最好方法。
发电系统
电力设备本身具有明确的定义，以及专门成熟的标准和规章制度。
关于公司运营系统和设备的通信，也同样具有这些标准和制度。
但即便如此，技术是不断进步的，随之也会显现新的标准。
输电系统
电力设备本身具有明确的定义，以及专门成熟的标准和规章制度。
关于公司运营系统和设备的通信，也同样具有这些标准和制度。
但即便如此，技术是不断进步的，随之也会显现新的标准。
依照其应用领域，将具有代表性的标准，规范和技术进行分类，具体如表1所示：
表1：
输电系统标准和技术
领域
标准/规格/技术
操纵中心
IEC61970公用信息模型（CIM）
IEC60870-6交互操纵中心协议（ICCP）
NRECA多对话
变电站
IEEEC37.1SCADA和自动化系统
IEEEC37.2设备功能数目
IEC61850协议,配置和信息模型
IEEE1646通信性能
分布式网络协议（DNP3）
变频器
IEEEC37.111-1999–故障录波数据格式
COMTRADE
IEEE1159.3电力通信协议PQDIF
变电站外
IEEEC37.118相量测量
IEC61850-90（开发中）
IEEE1588精确定时协议
网络定时协议
安全性
IEEE1686IED安全性
IEC62351公用设施通信安全性
NERC关键性基础设施爱护（CIP）标准
硬化/码
IEEE1613变电站传送门硬化
IEC61000-4电磁兼容性
IEC60870-2远程操纵运行条件
IEC61850-3常规要求
配电系统
集中供电和典型的变电站设计具有明确的定义，以及专门成熟的标准和规章制度。
对传统设备间的通信亦如此；配电系统具有专门大创新空间。
非中央供电模式，是将分布式电源通过配电网接入电力系统。
目前，有两个标准组织，IEEESCC21〔标准和谐委员会〕和IECTC8〔技术委员会〕，都设立了工作组重点研究将电能的生产和储备在一次侧〔高压侧，34.5kV〕和二次侧〔低压侧，240V〕都与配电系统相连接的技术标准。
这些标准的例子有IEEE1547，针对风电机组的IEC61400系列，针对建立太阳能发电站的IEC60364-7-712以及针对农村小型可再生能源和混合发电系统的IEC62257。
关于如何实现这些技术，在定义信息交换标准上面差不多开展了大量的工作，其目的在于承诺模型交换、负荷潮流运算结果交换、运行数据交换以及操纵数据交换。
总的来说，该项工作被称为公用信息模型〔CIM〕标准。
在标准方面，IEC在61970，61968和61850系列有许多相关标准。
第一个被称为通用接口定义〔GID〕和CIM，第二个包含了针对业务间信息交换的CIM，第三个那么针对变电站设备监控，操作和操纵。
该领域中的其他协议包括分布式网络协议〔DNP3〕和针对所谓配电自动化产品的变频器〔Modbus〕，以及针对电力计量产品的ANSIC12.19〔基于平台的数据模型〕和ANSIC12.22〔网络通信〕。
IEC制定的62056系列中的一系列标准提供了一套有竞争力的计量协议。
用户
对用户来说，设备标准通常是由产品〔专门是电力消费产品〕安全法规来驱动。
保险商实验室〔UL〕，加拿大标准协会〔CSA〕以及负责国家电力法〔NFPA70〕的国家消防协会〔NFPA〕是要紧的开发安全标准的机构，其中的版本之一用于判定设施的安全性。
另一个安全导向的标准是IEEEC2，称为国家电气安全码〔NESC〕。
针对通信信号和干扰，美国联邦通讯委员会〔FCC〕依照联邦法规协会〔CFR〕中第47章第15部分来治理产品。
大多数的设备都需要通过检测和认证，以保证其在存在干扰信号的条件下能正常工作，且可不能在某一频段内产生干扰信号。
由于在通信市场中存在着许多不同类型的产品，通信标准和规范历来都未能获得广泛的应用。
以下这些面向工业界的标准正试图改变这一状况，这些表中包括由Zigbee和Homeplug联盟所开发的相应规范，以及如BACnet〔楼宇自动化和操纵网络通信协议〕，LONWorks，和X-10等的标准。
在某些情形下，技术联盟会围绕一个标准来对符合标准的产品进行认证并处理与市场相关的问题。
这方面的一个例子是Wi-Fi〔无限高保真技术的缩写〕联盟，它的形成是为了解决符合IEEE802.11系列标准的产品的市场需求。
对高耗能产品，EnergyStar是一项由美国政府支持的打算，它量化了这些产品的效率，使消费者能够依照使用效率来选择和购买该产品。
该项打算同样也适用于整个家庭以及房屋改建及商业和工业楼宇。
领导能源与环境设计〔LEED〕是一个由美国绿色建筑委员会制定的打算，侧重于评判和认证高性能绿色建筑。
工业和政府团体的例子是OpenHAN〔宅域网〕工作组，他是UCAIug的开放智能电网小组委员会的一部分。
那个由电力公司，供应商和第三方代表组成的跨行业团体建立了一个OpenHAN系统需求规格，旨在促进一个可行的，强有力的且有竞争力的宅域网市场。
正如其名称所示，其规格包含了最低系统需求，这些要求被认为是是网络中的电力公司和用户所要求必须开发的功能。
在商业应用方面，由劳伦斯伯克利国家实验室所做的关于〝关于开发一个低成本通信基础设备以改善商业楼宇中的需求响应的可靠性，可重复性，稳固性及成本效益的可行性〞研究结果差不多公布，它被称为开放自动化需求响应通信标准〔OpenADR或OpenAuto-DR〕。
这些标准描述了应用页面服务来发送需求响应信号给最终用户。
图4：
域的分解
6.交叉分解
如图4所示，网络被分解为离散域，每一个离散域并非包含一切功能。
这些域包括：
企业〔整合〕，操纵中心〔局域网〕，广域网，变电站〔域网〕，场局域网，用户〔宅域网〕和分布式能源。
电力公司运营中所需要的大多数系统都差不多完成设计、招标和建设，并已开始独立运行。
常见的同时存在于在运行和通信领域的应用系统是SCADA系统，操纵中心借助广域网利用SCADA系统对变电站内的设备进行操作。
尽管存在内部分层，研究者一直在假定存在高速通信网的前提下致力于高级应用的研发，例如大规模部署的电能指令监控系统和相量测量监视系统。
前者往往需要功能丰富的监控设备〔大量数据，到示波级〕和超高速通信以在电力系统运行中能够正常工作。
后者数据量少，但仍需高速通信〔少延迟〕来保证从系统爱护到系统状态运算都能有效应用该系统。
正如公司业务仍旧有内部仓储操作组成一样，产品域具有相同的特点。
一个公司能够同时在两个领域同时提供全面解决方案是十分罕见的。
进一步研究那个问题，也会发觉那些标准和用户委员会也往往把精力放在一个域，一个集成的解决方案，或者某一〔系列〕产品。
AMI通信技术
目前，厂商正在围绕着五个技术建设〝最后一英里〞AMI通信解决方案：
无线星空，无线网状网，电力线载波〔PLC〕，宽带电力线〔BPL〕以及光纤。
无线星空技术在授权〔200MHz，900MHz〕和未授权〔900MHz，2.4GHz〕的频带内均可使用。
授权技术的优势包括更大的传输功率〔2Wvs.1W〕和对干扰源的抗击。
要紧缺点是它需要获得经营许可证才能运行。
理想的频率也可能差不多分配。
未授权技术的优势在于其利用〝自由〞频率从而不存在需要经营许可证的问题，同时其能够使用的频率资源更为丰富。
这两个方面通常能够降低干扰，然而传输功率会降低。
对有线技术而言，其要紧障碍是信号在诸如变压器等的电力系统设备中的传播，由于变压器是天然的无线电频率信号滤波器。
另一个困难是将双向通信速率最大化。
对电力线宽带技术BPL而言，通过选择频带来解决通信速度的问题，同时，电力线通信往往对其他无线电技术产生干扰。
应用光纤技术不存在上述问题。
然而，电力公司专门难仅仅为了实现单一用途而投资建设〝光纤入户〞工程。
小型电力公司有事会投资建设〝光纤入户〞工程，以此来为用户优先提供有线电视、服务以及互联网服务，之后其仍有足够的带宽来实现其电力业务运营。
有线技术的要紧缺点是由于他们使用配电线作为传输媒介，往往与水表与煤气表不兼容。
这时就产生了对无线技术的需求
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