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智能电网：概述，问题和机会。传感，建模，仿真，优化和控制的进展和挑战

摘要：过去130年中早期电力系统和电网的发展是通过机电机械和电力输送网络的自动化和控制实现的。今天的端到端电力和能源系统（从燃料源到最终用途）基本上取决于嵌入式系统，通常是传感器，计算，通信，控制和优化的重叠系统。在今天的设备和系统以及新兴的现代电力系统（包括dol-lars，瓦特，排放，标准等等）中，在几乎每一个感测和控制范围内，都有更多的机会和挑战。最近的政策与技术创新和商业机会的潜力相结合，吸引了对智能电网的高度兴趣。具有高度间断源的高度分布系统的潜力提供了机会和挑战。任何复杂的动态基础设施网络通常具有许多层，决策单元并且容易受到各种类型的干扰。需要有效的，智能的分布式控制，使得网络的一部分能够在局部故障或故障威胁的情况下保持操作，甚至自动重新配置。本演示文稿概述了智能电网以及分布式传感，建模和控制方面的最新进展，特别是在高压电网和消费者层面。这些进展可能有助于开发对电力系统网络的有效，智能，分散的控制，重点是解决分布式传感，计算，估计，控制和动态系统挑战和未来机遇。

关键词：智能电网；自愈能源基础设施；不确定动力系统

1 聚焦

电力系统是现代社会的基本基础设施。通常，大陆的规模，电力网和配电网络几乎达到发达国家的每一个家庭，办公室，工厂和机构，并且在诸如中国和印度等发展中国家中已经显着但不足以渗透。一旦“本地”系统的“松散”互连网络，电力网越来越多地托管大规模，长距离的电力（整个电力从一个公司到另一个公司的运动，有时通过第三方公司的输电线路 ）从一个区域到另一个区域。同样，分布式资源（主要是小型发电机）目前的连接正在快速增长。 互连的程度，如源，控制和负载的数量，随时间增长。在节点的绝对数量以及源，控制和负载的多样性方面，电力网格是最复杂的网络之一。

术语“智能电网”是指与电力网并行操作的计算机，通信，感测和控制技术的使用，用于提高电力输送的可靠性，最小化电能的成本消费者，并促进新发电源与电网的互连。

控制系统需要跨越广泛的时间，地理图形和工业规模，从设备到电力系统范围，从燃料源到消费者，从公用设施定价到需求响应等。随着反馈和通信的更多部署，出现了减少消耗，更好地利用可再生能源以及增加传输和分配网络的可靠性和性能的机会。同时，然而，关闭循环，他们从未关闭过，在多个时间和空间尺度，也创造控制挑战。控制系统社区具有非常丰富的历史，在理论以及开发这一领域的重要应用方面做出了开创性的贡献，从传感，计算和可视化，估计，优化和控制 - 从设备和机械到高 - 电网到本地配电系统。

如何管理或控制异构的，广泛分散的，全球互连的系统在任何情况下都是一个严重的技术问题。 它更复杂和难以控制它为最佳效率和最大消费者的最大利益，同时仍然允许所有的商业组件公平和自由地竞争。 本文提供了智能电网的概述和控制系统社区可以发挥的关键作用，以提高智能电网和大型分层系统的灵活性，安全性和灵活性。

社会和政府对智能电网的愿景将需要控制团体参与其实现。 反馈，优化，估计，动力学，稳定性...这些和其他控制系统控制器是智能电网技术的核心。 在许多方面，智能电网是一个控制问题！

2 概要

美国，中国，印度，欧盟，英国和世界其他国家的最新政策，加上技术创新和商业机会的潜力，吸引了对智能电网的高度兴趣。 最好实施新战略和基础设施的国家，地区和城市可能会重新洗牌世界啄食秩序。 新兴市场可以跳跃其他国家：

bull;美国智能电网技术的投资约为70亿美元

bull;中国投资73亿美元; 到2020年将投入960亿美元的智能电网技术

- 中国的能源需要在2020年翻番

- 许多变化将发生在家庭自己

- 到2015年，中国将占全球智能电网用户支出的18.2％。

bull;韩国近10亿美元：

- 6,000万美元的济州岛试点计划正在为6,000户家庭，一系列风电场和四条配电线路实施完全一体化的电网。 其领导人计划到2030年在全国实施智能电网。

bull;巴西：2007年至2017年间电力消费增长60％，水电，生物质能和风能可再生能源增长16-34％。 但是它们具有老化的网格，其是当前需要在两个方向上移动的单向功率流。

2007年，美国国会通过了“能源独立和安全法”，阐述了国家智能电网发展的具体目标。第1301节指出，“美国的政策是支持国家电力传输和分配系统的现代化，以维持一个可靠和安全的电力基础设施，以满足未来的需求增长，并实现以下各项目标，其一起表征智能电网：

1.增加使用数字信息和控制技术，提高电网的可靠性，安全性和效率。

2.网格操作和资源的动态优化，具有完全的网络安全...“。

智能电网是一个概念和一系列功能：它设计为固有灵活，适应各种能源生产来源，并适应和结合新技术，因为他们开发。它允许基于当时的供给和需求对能量的可变费率进行充电。在理论上，这将激励消费者将他们的大量使用电力（例如对于重型设备或对时间敏感的过程）转移到一天的需求低的时间。作为这些功能范围的例子，在2008年，美国能源部（DOE）将智能电网的功能定义为：

bull;来自电源干扰事件的“自我修复”

bull;使消费者积极参与应对

bull;针对物理和网络攻击进行弹性操作

bull;为21世纪的需求提供电力质量

bull;适应所有发电和存储选项

bull;实现新产品，服务和市场

bull;优化资产和高效运行。

最终目标是为未来的端到端电力系统（从燃料源，到发电，输电，配电和最终用途）：

bull;允许安全，实时的双向电源和信息流

bull;实现间歇性可再生能源的整合，帮助电力系统脱碳

bull;实现有效的需求管理，客户选择，安全高效的电网运行

bull;启用安全收集和沟通有关能源使用的详细数据，以帮助减少需求并提高效率。

3 Data海啸发展：CSS的机会

在过去14年中，我们越来越重视将传感器，电子通信和计算能力整合到所有发电，输电和配电资产，以提高电力对社会的价值[20-22]。信息技术（IT）在该系统中起着关键作用，并将网络保持在一起。然而，我们担心先进的IT，通信和控制系统的发展可能不够迅速，无法满足客户的需求。图。图1描绘了由于生成大量数据而在不久的将来预期的增加的服务。输入数据的“海啸”将改变实用程序如何操作和维护网格。自然地，要探讨的问题之一是所有这些数据是否需要集中，以及如何将其简化为信息和被管理或存储在何处。

图1示出了可以由典型的实用工具生成的数据，其决定将通信基础设施覆盖在其电力输送系统上，并开始分阶段地从配电自动化到与客户的完全连接增强其系统的功能。

从图1的角度来看，美国国会图书馆包含20兆字节（TB）的数据;代表英国历史1000年的英国国家档案馆，包含600 TB; Google的搜索引擎抓取程序处理大约850 TB的信息（即来自网络的原始数据量）。一个TB等于1,024千兆字节（GB）。

数据量的增加导致投资和技术开发，至少在短期内，在以下领域：

bull;分析：挖掘数据以增加理解和商业潜力;

bull;标准合并，以实现互操作性和增强安全性;

bull;太阳能和电动汽车的渗透率增加：需求转变，整合新的工具和技术。

还有许多与智能电网的开发和广泛部署相关的挑战：

bull;电力行业，计算机，通信和电子行业已经开始为通信，计算机消息结构，传感和控制设备接口制定标准，但是，在智能电网建成之前还有很多工作要做。

bull;复杂性的主要来源是多尺度传感和电信网络与电网的相互依存性。问题范围从最高命令和控制级别到中间级别的各个电源站和变电站，然后到最低级别的设备和电力设备。

bull;具有可变发电量和不可调度性的可再生能源高度渗透的高度分布式系统的潜力为控制社区和更广泛的社会带来机会和挑战。

我们专注于这种快速增长带来的挑战的传感，通信和控制方面：通过工程改进现有技术，发明需要新方法和材料的新技术。一些方法或材料的进步将改进现有技术（例如，更快的动态风险评估和控制，更强的，更高的电流架空线路），一些将使新兴技术（例如超导电缆，故障电流限制器和变压器）并且一些人将预期仍然是概念性的技术（例如，用于广泛的太阳能或风能发电的存储）。

4 概述/本概要摘要：

电力网络与感测，通信和控制的覆盖网络相结合构成了复杂的动态网络，地理上分散，非线性，并且在其组件之间以及与其人类所有者，运营商和用户之间进行交互。 没有一个实体能够完全控制这些多尺度，分布式，高度交互的网络，也没有任何这样的实体能够实时评估，监控和管理它们。

事实上，支持今天的建模，仿真和控制范式的传统数学方法无法处理这些关键基础设施的复杂性和互连性。 与CSS要考虑和解决的目标包括：

bull;系统科学：如何改造和设计一个具有大量这种不可预测电源的稳定，安全，坚固和弹性的电网？

bull;具有不确定性的混合系统的建模，仿真，控制和优化：资产优化，新型控制算法，提高效率，储能控制/协调，先进电力电子，电力质量，交通电气化，网络安全，技术和技术在未来的智能电网中发挥作用？

图.1.入侵数据的海啸（注：图中的AMI是指高级计量基础设施）

bull;如何开发可以使用安全传感识别和建立真实模型和适当响应的鲁棒控制和观察器？他们能够适应，控制和减轻干扰，以实现他们的目标吗？

bull;智能传输系统/资产包括自我监控和自我修复，以及控制实时信息以实现智能传输利用的能力。需要开发智能的网络物理安全控制策略来处理拥塞，前兆的不稳定性或可靠性问题。在可再生资源之间的信息交换，以及插电式混合动力/燃料电池运输系统的地方需求。

bull;实时监测传感器，通信和控制技术将构成智能电力系统的基础设施。然而，增加电子自动化的使用引起了关于自动化和控制系统的操作安全性的充分性的重大问题。此外，使用联网的电子系统用于发送，计量，调度，交易或电子商务，使用该技术所暗示的许多金融风险。一个及时的问题是将传感器支持的基于数据的模型与来自第一原理的导出模型与在线更新相结合。

有几个技术领域，控制社区可以贡献和IEEE CSS TC-SG可以解决，例如：

bull;在可变定价下优化需求响应

bull;分布式发电和存储在自动化和控制策略中的集成

bull;插入式电动和混合动力电动汽车的集成

bull;电力系统及其元件的分布式状态估计，具有有限的感测和通信

bull;智能电网控制系统的网络安全

bull;利用反馈和信息集成的新电源市场设计

bull;稳定性问题，特别是考虑到通信网络中的延迟和不确定性

bull;智能传输系统中的自我监控和自我修复

bull;多尺度，复杂网格的建模和分析

bull;更广泛的系统问题：我们如何能够利用大量不可预测的电源和可变需求来设计（和改造）稳定，安全，健壮和有弹性的电网。

在与参与IEEE智能电网，IEEE CSS TC-SG和智能电网愿景/路线图项目的CSS，CS和PES社会的同事和志愿者协商后，初步领域如下：

bull;需求侧优化和控制。发达国家90％的发电量在住宅，商业和工业场所消耗。需要能源效率和峰值负载减少以减少总体电力消耗，最小化使用昂贵的峰值电站，并充分利用可再生能源。将需要在家庭，建筑物和工业设备中的自动化和控制系统以最小化消耗和成本。

bull;智能传输和分配。新的传感器和功率流管理装置原则上可以承诺实现自愈网格的长期承诺。主要研究需求包括估计，观察者和在部分和不确定信息下的建模。

bull;实时电力市场的政策和定价机制。智能电网将带来新的业务和市场结构。必须解决与信息共享，实时或近实时动态定价，访问公平性和其他相关的问题。建模，控制，优化，将是至关重要的。

bull;集成分布式发电和存储的自动化方面。未来的电力系统可能具有来自可再生能源（例如风能和太阳能）的显着更大的贡献，其特征在于间歇性操作和缺乏调度能力。因此，将这些源集成在自动化和控制系统中是具有挑战性的，因为必须始终保持瞬时供给和需求之间的平衡。存储技术及其控制在这方面至关重要。还必须考虑插电式（包括混合动力）车辆。

总之，战略研发挑战，电力和能源的创新包括建立一个更强大和更智能的端到端电能基础设施和相关的系统和控制研发 - 集中于潜在的研发重点领域的CSS社区的影响增加 端到端系统的视角，其中包括以下整个频谱中的许多有前景的子区域：

传感/测量→分析/可视化→自动化/自愈系统

4.1 支持技术

bull;监测和分析：查看和了解复杂动态系统中发生的情况和风险评估

bull;自动化/控制：高压设备的主动控制...确保在竞争激烈的市场和碳限制的世界中的系统稳定性，可靠性，稳定性，安全性和效率

bull;分布式能源（DER）的集成和自适应控制，如可再生能源，“微电网”，存储，固体氧化物和其他燃料电池，光伏，超导磁能储存（SMES），可移动电池储能系统）等，整合和管理资源，以及为放松管制的能源市场制定新的业务战略

4.2 研究挑战

传感/测量→分析/可视化→自动化/自愈系统

bull;传感，通信和数据管理

- 智能传感器作为实时数据库中的元素;为这样的数据库寻求适当的高级查询工具？传感器接口到多分辨模型？指标？

- 市场结构，分布式发电，其他新特性对上述问题的影响;经济评价

- 增加对信息系统和软件的依赖

- 可靠性/鲁棒性是关键... V＆V仍然是一个巨大的挑战

- 灵活和健壮的通信架构（无线到光骨干，电力线方案），协议

- 处理延迟，可变时间延迟

- 数据管理，校准和验证（不良或缺失或恶意数据），共享和分

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