1标准化的智能电网提升电网安全.docx

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1标准化的智能电网提升电网安全

标准化的智能电网提升电网安全

廖斌2006-10-1

摘要：

电网结构越来越复杂，电网的安全更加依赖自动化设备来进行智能愈合。

IECSA是智能电网项目的重要组成部分。

IECSA提供了集成的标准环境来使的智能设备可以相互通讯，使越来越复杂电网的安全性提高。

关键字：

智能电网、IECSA、安全、IEC61970、IEC61850、CIM

1智能电网概览1

1.1智能电网提升电力产业安全2

1.2智能电网开发项目3

2智能电网关键组成4

2.1IECSA（集成的能源和通讯系统架构）5

2.2FSM（快速系统仿真）6

2.3DER/ADA（分布式能量资源/配网高级自动化）7

2.4ConsumerPortal（用电设备门户）7

3采用智能电网技术实现自愈合电力系统8

3.1集成的通讯架构实现自愈合8

3.2常见自愈合业务场景9

4开放的信息化标准是智能电网核心9

5结论11

6参考文献11

1智能电网概览

智能电网（IntelliGrid）是美国电科院（EPRI）提出的下一代电网结构，同国内当前提出的数字化电网概念相比，具有更高的自动化程度；同时智能电网对于国内数字化电网概念当前比较强调数据采集和监控相比，更多清晰描述了未来的具体业务，并且由一组业务场景标准和技术实现标准所组成，具有有效的实现指导性。

智能电网有三个主要概念：

●数字化程度更高，有更多的传感器连接相关的资产和设备，并采集实时信息。

（先进传感）

●在公共、开放的信息标准的基础上建立的数据的整合体系。

（通信体系）

●进行分析和协调的能力，依据已经掌握的这些数据进行相关的分析，以优化运行和管理，并在第一时间及时协调所有相关的电力设备进行协同工作。

（高级应用）

要达到智能电网的愿景需要将电力网络和信息网络架构有机的结合起来，如下图所示：

实现电力流与信息流的合二为一！

图表1信息系统和电力传输系统合二为一的趋势

电力网络和信息网络的结合产生了电网管理行为和调控的智能化，从而有效提高电网安全、可靠性。

简单地说就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高有效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到最优化。

智能电网提升电力产业安全

EPRI看到了电力工业面临的一系列挑战：

在一个越来越复杂的电力网络环境中，需要提供越来越复杂的业务，而从发电到最终用户整体的电力通讯架构当前没有完整界定。

因此需要采用更加集成的通讯系统，电力企业采用集成能源和通讯系统架构可以带来以下好处：

●自愈合和自适应，在所有服务区域中采用自动化的应用来管理保护、故障监测、故障定位、故障隔离和自动服务修复。

●同用电设备和电力市场进行交互式通讯，允许实时的价格、能量贸易和负荷管理。

●优化原有设备的使用。

●对于紧急情况的预测、预防性计划检修，而不仅仅是重演。

●容易在不同的地点和不同的部门协调分配和允许以下活动：

发电、计量、负荷减载等。

●集成、合并以前分离的监控、保护、检修、能量管理、配网管理和市场营销协作信息技术。

●安全，保护重要的架构免受电脑和物理攻击。

针对不同的电力企业情况，可以采取不同层次功能的实现，并且不同电力企业（例如发电、输电、配电）通常只关注一个自己局部范围的问题，没有完成一个足够广泛的范围来描述电网今天面临的整体性问题，容易造成类似于美国东北的大停电事故。

图表2集成的能量和通讯系统架构带来的好处

上面第一层是：

增加电力价值和实力

第二层是：

第三层是：

底层是：

集成的能源和通讯系统架构

智能电网开发项目

智能电网是EPRI一个具体的开发项目，项目团队由一系列的科研机构、电力设备提供商和软件开发商所组成，开发了一系列交付产物使得这个集成架构可以变为现实：

●考虑由于电力企业的这些决策所受到影响的所有的干系人。

●通讯技术主要采用当今可用的工业技术标准。

●描述存在的和计划的电力企业活动和最佳实践，特别是受到影响的通讯的数据需求。

●采用用例描述重要的电力企业活动，特别是在领先的电力企业中采用的新实践和新技术，以及未来展望。

●采用标准的系统架构方法论进行电力企业通讯需求分析。

●推荐已经使用的最佳实践技术，包括在何时使用、何处使用，以及电力企业采用这些技术的迁移计划。

●推荐基于这些分析，在现有能力基础上必须开发或者修改的新技术。

●需要确定推进智能电网架构的活动计划和步骤，特别是必须开发或修订新的开放标准。

图表3智能电网项目开发过程

如上图所示，智能电网项目具有明确的开发过程和团队来完成这个复杂的技术和管理挑战。

智能电网的希望完成以下工作目标：

●开发完整的系统需求来支持整个产业范围内的企业架构，以便可以实现自愈合的电网和智能化的消费者通讯接口。

●推荐一系列相关的技术业务标准，同时推进强健的开放标准的开发和实现。

●通过一个系统工程来开发整体架构。

●识别在电力现实业务中和企业应用领域潜在的协同工作点以便可以共享这些信息。

2智能电网关键组成

智能电网项目包括以下4大部分：

●IECSA（集成的能源和通讯系统架构）integratedenergyandcommunicationssystemArchitecture

●FSM（快速系统仿真）

●DER/ADA（分布式能量资源/配网高级自动化）

●ConsumerPortal（用电设备门户）

图表4智能电网的4个组成部分

其中IECSA是联系其他三部分重要应用的核心。

2.1IECSA（集成的能源和通讯系统架构）

IECSA（IntegratedEnergyandCommunicationsSystemsArchitecture）是集成的能源和通讯系统架构的缩写，是属于美国电科院智能电网（IntelliGrid）工作的核心部分，这个项目在2002年第四季度开始启动。

IECSA在智能电网中相当于神经中枢的作用，由它来传导所有信息和命令。

IECSA致力于回答以下几个问题：

●电力系统未来是否能顺应工业时代进入一个“数字化”社会？

●如何在在电力系统未来构建完整的开放技术框架来支持高级电力自动化的需求？

●采用何种方式来协调如此庞大项目中不同干系人的需求？

CEIDS（ConsortiumforElectricInfrastructuretoSupportaDigitalSociety）是一个多年的协同研究项目，这个项目确定高层的数字化的电力同技术和业务的关系，并将信息技术专家、电力行业专家、客户和政府等相关干系人绑定在一起完成这些工作。

图表5IECSA的相关人员组成

外圈依次是:

市场交易

输电调度

配网调度

客户服务

主要发电企业

分布式发电资源

里面是：

集成的系统架构IECSA开发组

IECSA架构的研究成果共分为4部分：

●《VolumeI:

IntelliGridArchitectureUserGuidelinesandRecommendations》

●

《卷I：

智能电网架构用户向导和建议》

●《VolumeII:

IntelliGridArchitectureFunctionalRequirements》

《卷II：

智能电网功能需求》

●《VolumeIII:

IntelliGridArchitectureModel》

《卷III：

智能电网架构模型》

●《VolumeIV:

IntelliGridArchitectureTechnicalAnalysis》

《卷IV：

智能电网架构技术分析》

2.2FSM（快速系统仿真）

FSM在智能电网中是大脑的作用，由FSM来进行思考和分析所有状态，以便作出正确的决策，FSM是在现有的EMS高级应用上发展而来的，包括了现有EMS高级应用的许多功能，但从整个电网的协同工作来说，又有了许多新的挑战，下面是FSM需要支持的主要场景：

图表6FSM的功能

自动化的电网重建

自动化电压控制

自动化故障定位和隔离

继电保护系统（继保重合）

智能电网（自愈合、半定量风险分析（SQRA）等）

为了支持这些业务场景，需要有相关的工具和标准模型支持：

仿真工具

建模工具

电力潮流

拓扑模型

状态估计

设备模型

负荷聚合计算

负荷模型

事故分析

发电模型

负荷预测

图表7FSM包含的核心工具

建模工具部分由IEC61850、61970、61968等系列信息标准所界定。

2.3DER/ADA（分布式能量资源/配网高级自动化）

配网高级自动化实现分布式电源与电网的并联运行，以便充分利用小水电、大客户发电资源或者家庭发电资源等各种能源。

通过DER/ADA的作用，可以实现以下好处：

●用户可以自行控制，不会发生大规模停电事故；

●弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电，参与调峰；

●分布式发电的输配电损耗很低，甚至没有；

●调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动

2.4ConsumerPortal（用电设备门户）

用电设备门户的主要功能是同终端客户通讯，以便获得所有的用电设备状态，并下达协同工作指令，主要功能有：

●需求的响应和实时电价

●停运检测

●远程开，断

●电能质量监控

●完善客户的相关信息

用电设备门户（ConsumerPortal）可以包含居民用户、工业用户和商业用户等各种用电性质的用户，对于不同的用户可以有不同的前端设备，如下图所示：

图表8ConsumerPortal框架

用电设备门户（ConsumerPortal）在实现上同我们在信息行业中常听到的Portal概念有所不同，它的具体表现形式可能是：

●嵌入在表计中的门户

●在机顶盒中的门户

●由独立PC服务器所构成的门户

●由本地EMS所构成的门户

用电设备门户（ConsumerPortal）已经有许多工业的标准来实现，最重要的标准是OpenAMI标准，OpenAMI是一个电表计量标准，是由许多厂家联合组织成立的OpenAMI标准化组织制定的。

OpenAMI组织已经同智能电网项目组联合讨论标准的相关修订工作。

3采用智能电网技术实现自愈合电力系统

3.1集成的通讯架构实现自愈合

在以往的电力网络中，发电、输电、配电和最终用户分别独立成为一个通讯体系，在发生故障时难以进行通讯和协调各方面资源。

如下图所示：

图表9以往各自封闭的电网通讯系统

而智能电网可以通过即时同用电设备门户（consumerPortal）沟通了解用电设备状况、通过DER/ADA调集能量资源、通过集成的通讯架构（IECSA）进行无缝的通讯，最后动用和协同各级资源来实现自愈合，如下图所示：

图表10信息集成后的电网通讯系统

3.2常见自愈合业务场景

为了容易理解电力企业通讯、命令和控制架构必须处理的问题和应用领域范围，智能电网项目中虚构了未来的现实的场景，这些场景描述了一个完整的智能电网系统如何操作，展示如何使用智能电网（IntelliGrid）架构，通过通讯和协作过程来提升从发电到最终客户的整个电网的安全性和效率，使智能电网架构将支持的以往难以办到的许多业务问题。

总之，实现智能电网将使电力系统的同一时刻协同工作，采用最合适的操作来显著的提高电网安全和电能质量。

同时未来电力系统操作符合智能电网（IntelliGrid）架构定义的基本需求和相关的技术方法。

在智能电网（IntelliGrid）中有几十个详细业务场景讨论，其中有几个比较重要的场景：

●迎峰度夏

●暖通空调维修

●电压和无功管理

●采用民用发电机满足高峰负荷需求

●电网崩溃

●TFSM代理的使用场景

4开放的信息化标准是智能电网核心

运行智能电网，不可能由一家厂商来承建，也不可能一次建成，因此必须有开放的系统和共享的信息模式。

这也是实行智能电网的必备元素。

开放的系统能兼容各公司的产品、体系，使整个公司成为一个开放的平台，通过网络向社会公开一些信息和数据，而通过这个总线，客户能更方便的了解公司的情况，同时合作伙伴也可以通过这个网络整合彼此之间的信息，使之联系更加紧密。

对于智能电网只有存在开放性的体系，才能使各种信息达成共享，也才能让智能电网成为可能。

图表11标准在智能电网上的作用

如上图所示，在智能电网的整体结构中采用了不同的标准结合来完成整体系统架构的搭建。

为了实现这些未来的信息通讯集成，在现有的这些标准的结合上还需要进一步推进，下面是其中主要的一些推进方向：

推荐的标准

可能的开发组

描述

CIM和IEC61850

AdHocWG07

IEC61968和61970公共信息模型CIM界定了整个电网，而IEC61850-7对象模型界定变电站内部的设备和功能。

IEC将合并两个对象模型或在两者间定义一个标准的映射。

这将允许数据在两个实现不同数据模型的系统之间进行交换，并且允许采用配置工具创建EMS和SCADA系统间的信息共享。

IEC61970GID和61850ACSI和61968消息模型

AdHocWG07

通过现场通讯网络的传输，61970GID提供了访问访问操作信息的方法。

然而，如何精确的集成61970、61968和61850的方法并没有标准化。

IEC将标准化这些标准单元之间互操作的机制。

一体化的电力企业管理

WG12,WG13,DMTF

IEC61968和IEC61970公共信息模型（CIM,CommonInformationModel）还缺少企业管理方面的信息（例如.网络管理或系统管理。

在这方面，IECCIM将同电力行业以外的标准组织合作，例如：

DMTF（theDataModelingTaskForce）。

DMTF也有自己的CIM,但这个CIM不包含电力系统信息。

融合这两个标准将帮助融合电力控制网络和IT网络之间的关系。

5结论

现有国内的数字化电网概念主要涉及对电网的实时数据采集和监控，但是还难以达到实时电网安全提升，EPRI的智能电网提供了一个明确的路径和方法来提高整个电网的安全。

在21世纪，加强信息和电网的结合是一个方向，在SG186工程中也明确提出了信息规划，而在EPRI的智能电网中更多的讨论了在复杂电网情况下如何进行业务提升，如何结合并利用信息技术来提高现有电网的管理水平，这一点尤其值得学习。

智能电网的核心过程就是提供了标准、统一、协作的通讯框架，并且所有部分都采用了开放标准的方式来推进智能电网的建设。

采用标准化的技术通讯集成平台、采用标准化技术通讯的电力设备将使电网和信息技术网络能够实现统一，并真正建设成成一个可靠、安全、协作的实时网。

6参考文献

●智能电网官方网站：

http:

//intelligrid.info/2006年

●EPRI官方网站智能电网专题：

2006年

●《TheIntegratedElectricCommunicationsSystemArchitectureWhitePaper》ERPI？

？

？

●《ThePowerDeliverySystemoftheFuture》ClarkW.Gellings，ERPI？

？

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