智能電網(wǎng)技術(shù)與應用

師瑞峰，男，工學博士，1977年生，華北電力大學控制與計算機工程學院副教授，院長助理。現(xiàn)為IEEE(2008M)、中國自動化學會(2010M)、中國電機工程學會(2010M)、中國系統(tǒng)工程學會(2008M)等學會會員，中國計算機學會高級會員(2006M, 2011SM)，中國系統(tǒng)仿真學會離散系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會委員(2003S, 2006M, 2011CM)。1995.7-2006.1于北京航空航天大學學習，獲工學學士、碩士、博士學位。2006.6-2008.3于北京航空航天大學從事博士后研究，2008年4月進入華北電力大學工作。

作者簡介

原書前言

原書致謝

縮略語對照表

第1章智能電網(wǎng)1

1.1簡介1

1.2為何選擇智能電網(wǎng)"para" label-module="para">

1.2.1資產(chǎn)老化且傳輸能力不足2

1.2.2熱約束2

1.2.3操作約束2

1.2.4供給安全3

1.2.5各國政策3

1.3什么是智能電網(wǎng)"para" label-module="para">

1.4早期智能電網(wǎng)嘗試6

1.4.1主動配電網(wǎng)6

1.4.2虛擬電廠8

1.4.3其他嘗試和驗證9

1.5智能電網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)文獻綜述11

參考文獻13

第1部分ICT

第2章數(shù)據(jù)通信16

2.1簡介16

2.2專用、共享的通信通道17

2.3交換技術(shù)20

2.3.1線路交換20

2.3.2信息交換21

2.3.3包交換技術(shù)21

2.4通信通道22

2.4.1有線通信24

2.4.2光纖26

2.4.3無線電通信29

2.4.4移動通信30

2.4.5衛(wèi)星通信31

2.5分層結(jié)構(gòu)與協(xié)議31

2.5.1ISO/OSI模型31

2.5.2TCP/IP35

參考文獻38

第3章面向智能電網(wǎng)的通信技術(shù)39

3.1簡介39

3.2通信技術(shù)40

3.2.1IEEE 802系列40

3.2.2移動通信51

3.2.3多協(xié)議標簽交換52

3.2.4電力線路通信53

3.3信息交換標準54

3.3.1智能電表標準54

3.3.2Modbus54

3.3.3DPN355

3.3.4IEC 6185056

參考文獻57

第4章智能電網(wǎng)信息安全59

4.1簡介59

4.2加密與解密60

4.2.1對稱密鑰加密61

4.2.2公鑰密碼加密65

4.3認證65

4.3.1基于共享密鑰的身份認證66

4.3.2基于密鑰分發(fā)中心的認證66

4.4數(shù)字簽名66

4.4.1私鑰簽名67

4.4.2公鑰簽名67

4.4.3消息摘要68

4.5電網(wǎng)安全標準68

4.5.1IEEE 1686：IEEE推出的IED電網(wǎng)安全能力標準684.5.2IEC 62351:電力系統(tǒng)管理及相關(guān)信息交換——數(shù)據(jù)與通信安全69

參考文獻69

ⅩⅦ第2部分傳感、測量、控制及自動化技術(shù)

第5章智能測量與DSI72

5.1簡介72

5.2智能測量73

5.2.1電子測量的發(fā)展73

5.2.2智能測量的關(guān)鍵元素75

5.3智能儀表:已有硬件回顧75

5.3.1信號采集76

5.3.2信號調(diào)理77

5.3.3A-D轉(zhuǎn)換78

5.3.4計算80

5.3.5輸入/輸出82

5.3.6通信83

5.4面向智能測量的通信設施與協(xié)議83

5.4.1HAN83

5.4.2NAN84

5.4.3數(shù)據(jù)集中器85

5.4.4電能表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)85

5.4.5通信協(xié)議85

5.5DSI86

5.5.1DSI提供的服務87

5.5.2DSI的實現(xiàn)90

5.5.3DSI實現(xiàn)的硬件支持93

5.5.4消費者自需求側(cè)的靈活性傳送95

5.5.5DSI的系統(tǒng)支持95

參考文獻96

第6章配電自動化設備98

6.1簡介98

6.2變電站自動化設備99

6.2.1電流互感101

6.2.2電壓互感器104

6.2.3智能電子設備105

6.2.4間隔控制器107

6.2.5RTU107ⅩⅧ6.3配電系統(tǒng)故障108

6.3.1故障隔離和恢復組件109

6.3.2故障定位、隔離和恢復114

6.4電壓調(diào)節(jié)117

參考文獻120

第7章配電管理系統(tǒng)122

7.1簡介122

7.2數(shù)據(jù)源與相關(guān)外部系統(tǒng)123

7.2.1SCADA系統(tǒng)123

7.2.2CIS125

7.3建模與分析工具125

7.3.1配電系統(tǒng)建模125

7.3.2拓撲分析129

7.3.3負載預測131

7.3.4潮流分析132

7.3.5故障計算135

7.3.6狀態(tài)估計138

7.3.7其他分析工具142

7.4應用分析142

7.4.1系統(tǒng)監(jiān)控142

7.4.2系統(tǒng)運行143

7.4.3系統(tǒng)管理144

7.4.4OMS145

參考文獻147

第8章輸電系統(tǒng)運行148

8.1簡介148

8.2數(shù)據(jù)源148

8.2.1IED與SCADA系統(tǒng)148

8.2.2PMU149

8.3EMS151

8.4廣域應用153

8.4.1在線暫態(tài)穩(wěn)定控制器155

8.4.2磁極滑動預防控制器155

8.5可視化技術(shù)157

8.5.1視覺二維演示157

8.5.2視覺三維演示158

參考文獻159

第3部分電力電子與儲能技術(shù)

ⅩⅨ第9章電力電子變換器162

9.1簡介162

9.2CSC164

9.3VSC167

9.3.1VSC在低中功率中的應用168

9.3.2中高功率設備中的VSC171

參考文獻174

第10章智能電網(wǎng)中的電力電子176

10.1簡介176

10.2可再生能源發(fā)電176

10.2.1PV系統(tǒng)177

10.2.2風能、水能和潮汐能系統(tǒng)179

10.3故障電流限制183

10.4并聯(lián)補償186

10.4.1D-STATCOM187

10.4.2有源濾波器192

10.4.3儲能并聯(lián)補償器192

10.5串聯(lián)補償195

參考文獻197

第11章大功率潮流中的電力電子設備200

11.1簡介200

11.2FACTS201

11.2.1無功補償201

11.2.2串聯(lián)補償206

11.2.3晶閘管控制移相變壓器209

11.2.4統(tǒng)一潮流控制器210

11.2.5線間潮流控制器211

11.3HVDC212

11.3.1CSC213

11.3.2VSC216

11.3.3多端HVDC219

參考文獻220

第12章儲能222

12.1簡介222

12.2儲能技術(shù)225

12.2.1電池225

12.2.2液流電池226

12.2.3燃料電池和氫電解槽227

12.2.4飛輪儲能229

12.2.5SMES系統(tǒng)230

12.2.6超級電容器231

12.3案例分析一：風電中的儲能231

12.4案例分析二：電動汽車充電的基于智能體的控制235

參考文獻2372100433B

本書全面論述了智能電網(wǎng)的技術(shù)與應用，討論了支撐智能電網(wǎng)系統(tǒng)運行的信息與通信技術(shù)（ICT），傳感、測量、控制及自動化技術(shù)，以及新能源并網(wǎng)與需求側(cè)管理所需的電力電子及儲能技術(shù)。本書通過大量的例題對智能電網(wǎng)分析的方法應用進行了示例分析，使讀者可以全面掌握智能電網(wǎng)相關(guān)的基礎理論與方法應用要點。

我國已經(jīng)建立了系統(tǒng)的特高壓與智能電網(wǎng)技術(shù)標準體系，編制相關(guān)國際標準19項，特高壓交流電壓已成為國際標準電壓。

國際電工委員會主席克勞斯·武赫雷爾表示，中國的特高壓輸電技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先水平，這種能夠減少長距離輸電損耗的技術(shù)，在世界其他地區(qū)也將有廣泛的應用前景。

智能電網(wǎng)新型配電技術(shù)的應用

未來的配電技術(shù)必須具有如下特點：網(wǎng)絡快速自愈、抗擾動能力強、提供優(yōu)質(zhì)電力、與用戶互動等。這些智能電網(wǎng)配電技術(shù)都會促進云計算數(shù)據(jù)機房的供電系統(tǒng)更加安全可靠。

1、同步開斷技術(shù)

云計算數(shù)據(jù)中心機房中，由于電力需求量大，常涉及到高壓供電。高壓開關(guān)大都是機械開關(guān)，開斷時間長、分散性大。這種慢過程的機械開斷容易引起操作過電壓，加速設備老化或者直接損害設備。同步開斷，又稱智能開關(guān)，是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。采用電子開關(guān)取代機械開關(guān)，在理論上應用同步開斷技術(shù)可完全避免電力系統(tǒng)的操作過電壓。這樣，由操作過電壓決定的電力設備絕緣水平可大幅度降低，由于操作引起設備（包括斷路器本身）的損壞也可大大減少。

2、故障電流限制技術(shù)

由于云計算數(shù)據(jù)中心的規(guī)模，數(shù)據(jù)中心的用電電流是很大的，短路電流也呈日益增大的趨勢，如果不采取有效的抑制短路電流的措施，一旦發(fā)生短路故障，開關(guān)及用戶設備將是無法承受的。隨著電力電子技術(shù)、超導技術(shù)等的發(fā)展，限制短路電流已成為可能，這就依賴于故障電流限制器（FaultCurrentLimiter,FCL）的研制和開發(fā)。國外對超導FCL和電力電子FLC研究較多，這可以在云計算數(shù)據(jù)中心中借鑒和應用。

3、主動配電網(wǎng)技術(shù)

未來“主動配電網(wǎng)”可能采取類似英特網(wǎng)的形式，即分布式?jīng)Q策和雙向潮流。在遍布全系統(tǒng)的所有節(jié)點上都將有控制設備。主動配電網(wǎng)的功能是將電源和用戶需求有效連接起來，允許雙方共同決定如何最好地實時運行。要達到這一要求，控制水平要遠高于配電網(wǎng)的水平。這包括潮流評估、有競爭力的電壓控制和保護技術(shù)，以及比配電網(wǎng)擁有更多的傳感器和自動裝置的新型通信控制系統(tǒng)等，實現(xiàn)云計算數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的主動預警，負載均衡和三相平衡等。

4、儲能技術(shù)

儲能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運行過程中的重要組成部分。系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。

儲能技術(shù)可用于云計算數(shù)據(jù)中心的應急供電狀況，以及充分利用當?shù)氐姆骞入妰r差。現(xiàn)有的電能存儲方式主要可分為機械儲能、化學儲能、電磁儲能和相變儲能等。超導儲能由于超導體電流大，能量密度高，存取快速，可作為理想的電磁能儲藏器，超導材料臨界溫度低一直是超導儲能應用的限制因素，直接冷卻超導儲能（HTc-SMES）的研究受到了美日等國的高度重視，但絕大部分超導儲能裝置為低溫超導儲能系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)新型用電技術(shù)的應用

在智能電網(wǎng)的框架下，需要新型用電技術(shù)提高電力需求彈性，提升電力需求側(cè)管理的智能化水平，幫助電力用戶與智能電網(wǎng)進行互動，實現(xiàn)云計算數(shù)據(jù)中心更加方便、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的管理用電。

1、先進傳感器技術(shù)

未來的數(shù)據(jù)中心傳感器將更加智能化，功能將逐步融合。風、火、水、電、氣、溫度、濕度、煙霧、二氧化碳等都是傳感器的采集對象。傳感器不僅可以分析和提取數(shù)據(jù)中心環(huán)境的特征數(shù)據(jù)，而且可以和特定的數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)進行信息交互，可以對數(shù)據(jù)中心的日常數(shù)據(jù)、整體效能和環(huán)境指數(shù)提供整體分析和科學評估。

2、先進用電監(jiān)控技術(shù)

用電監(jiān)控技術(shù)分為兩個層面：用電監(jiān)測技術(shù)和用電控制技術(shù)。新型用電監(jiān)測技術(shù)對用戶的電力消費信息進行動態(tài)的準實時監(jiān)測，幫助用戶了解自身的詳細用電信息，以指導用戶優(yōu)化系統(tǒng)的用電行為。新型用電控制技術(shù)在信息獲取的基礎上，結(jié)合用戶的用電需要，對整個數(shù)據(jù)中心用電系統(tǒng)進行自動控制，實現(xiàn)電能更合理的分配。

智能電網(wǎng)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用

目前，物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的每個環(huán)節(jié)都有應用，協(xié)助實現(xiàn)了對電網(wǎng)的智能控制和優(yōu)化配置，提高電力規(guī)劃的管理能力。

第一：發(fā)電環(huán)節(jié)。對常規(guī)能源發(fā)電的機組的運行情況、設備之間的互動以及各種參數(shù)指標實行實時監(jiān)控，對風力、太陽能發(fā)電進行電機組的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性進行穩(wěn)定性分析預測，實現(xiàn)發(fā)電環(huán)節(jié)的自動、穩(wěn)定和高效。

第二：輸送環(huán)節(jié)。運用物聯(lián)網(wǎng)在每個節(jié)點上的監(jiān)控能力，對整個輸送線路上的導線溫度、線路電容、絕緣子污穢以及線路風振進行全程監(jiān)測，并作出評估和診斷。由于智能電網(wǎng)具有自愈的特性，對發(fā)現(xiàn)破壞或者不正常的情況進行自我治愈，對用戶實現(xiàn)連續(xù)供電。

第三：變電環(huán)節(jié)。將物聯(lián)網(wǎng)應用到智能電網(wǎng)后，可以通過物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器對重要變電設備進行檢測，并將數(shù)據(jù)傳送到管理終端，實現(xiàn)對整個變電站的實時檢修，對周圍的安全進行防護，更好地提高變電環(huán)節(jié)的可靠性和智能化水平。

第四：配電環(huán)節(jié)。由于我國國土廣闊，所以配電規(guī)模和配電設備數(shù)量都十分巨大。物聯(lián)網(wǎng)可靠傳遞特性恰好可以針對這一情況實現(xiàn)配電網(wǎng)絡中的配電現(xiàn)場作業(yè)、配電網(wǎng)絡設備以及運行狀態(tài)信息的有效傳遞并進行安全防護，避免大規(guī)模人力、物力的投入。

第五：用電環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與門禁系統(tǒng)、防盜防火系統(tǒng)以及有情境控制的結(jié)合，實現(xiàn)了電網(wǎng)與用戶的雙向互動。革新電力服務的傳統(tǒng)模式為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)、便捷的服務，提高了人民生活質(zhì)量。2100433B

前言

第一部分 智能電網(wǎng)發(fā)展概況

1-1 什么是智能電網(wǎng)？

1-2 智能電網(wǎng)具備哪些主要特征？

1-3 智能電網(wǎng)的先進性主要體現(xiàn)在哪些方面？

1-4 為什么說智能電網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢？

1-5 智能電網(wǎng)將對世界經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生哪些促進作用？

1-6 建設智能電網(wǎng)對我國電網(wǎng)發(fā)展具有哪些重要意義？

1-7 我國建設智能電網(wǎng)具有哪些有利條件？

1-8 我國何時正式提出建設智能電網(wǎng)？

1-9 美國智能電網(wǎng)發(fā)展主要關(guān)注哪些領(lǐng)域？

1-10 美國在發(fā)展智能電網(wǎng)方面主要開展了哪些工作？

1-11 歐洲智能電網(wǎng)發(fā)展主要關(guān)注哪些領(lǐng)域？

1-12 歐盟在發(fā)展智能電網(wǎng)方面主要開展了哪些工作？

1-13 日本在發(fā)展智能電網(wǎng)方面主要開展了哪些工作？

1-14 韓國在發(fā)展智能電網(wǎng)方面主要開展了哪些工作？

1-15 丹麥在風力發(fā)電方面開展了哪些工作？

1-16 西班牙在太陽能發(fā)電方面開展了哪些工作？

1-17 意大利在自動抄表方面開展了哪些工作？

1-18 以色列在推動電動汽車應用方面開展了哪些工作？

1-19 國際標準化組織在智能電網(wǎng)方面主要開展了哪些工作？

1-20 國外研究智能電網(wǎng)的主要組織有哪些？

第二部分 堅強智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃

2-1 什么是堅強智能電網(wǎng)？

2-2 為什么必須以堅強為基礎來發(fā)展智能電網(wǎng)？

2-3 為什么要建設以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的堅強智能電網(wǎng)？

2-4 建設堅強智能電網(wǎng)的社會經(jīng)濟效益主要表現(xiàn)在哪些方面？

2-5 建設堅強智能電網(wǎng)對于節(jié)能減排有何重要意義？

2-6 建設堅強智能電網(wǎng)對于清潔能源發(fā)展有何重要作用？

2-7 建設堅強智能電網(wǎng)對于提升能源資源的優(yōu)化配置能力有何重要意義？

2-8 建設堅強智能電網(wǎng)對于電力系統(tǒng)的發(fā)展有何重大意義？

2-9 智能電網(wǎng)將給人們的生活帶來哪些好處？

2-10 堅強智能電網(wǎng)建設的指導思想是什么？

2-11 堅強智能電網(wǎng)建設的基本原則是什么？

2-12 堅強智能電網(wǎng)建設的發(fā)展戰(zhàn)略框架是什么？

2-13 堅強智能電網(wǎng)的總體發(fā)展目標是什么？

2-14 堅強智能電網(wǎng)建設的兩條主線是什么？

2-15 堅強智能電網(wǎng)建設分為哪三個階段？

2-16 堅強智能電網(wǎng)體系架構(gòu)包括哪四個部分？

2-17 堅強智能電網(wǎng)的內(nèi)涵包括哪五個方面？

2-18 堅強智能電網(wǎng)建設包括哪些環(huán)節(jié)？

2-19 堅強智能電網(wǎng)建設第一階段主要開展了哪些重點工作？

2-20 堅強智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃的框架體系如何組成？

2-21 電網(wǎng)智能化規(guī)劃包括哪些內(nèi)容？

……

第三部分 智能發(fā)電

第四部分 智能輸電

第五部分 智能變電

第六部分 智能配電

第七部分 智能用電

第八部分 智能調(diào)度

第九部分 通信信息

第十部分 智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及應用展望

附錄A 名詞術(shù)語中英文對照

參考文獻2100433B

《智能電網(wǎng)基礎》內(nèi)容涉及面廣，語言通俗易懂，介紹深入淺出，便于讀者學習、掌握。

《智能電網(wǎng)基礎》一方面是對國內(nèi)外現(xiàn)有智能電網(wǎng)研究的較全面的總結(jié)，具有內(nèi)容新、資料全的特點；另一方面，也是作者在此方面研究與實踐的初步總結(jié)?！吨悄茈娋W(wǎng)基礎》可供從事智能電網(wǎng)研究和應用的人員參考，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生學習參考。