智能电网关键技术及面临挑战

AugustNo.82011

智能电网关键技术及面临挑战

侯付红，赵颖辉

摘

1

2

（1清远市水利水电勘测设计院有限公司，广东清远511518；2浙江同济科技职业学院，浙江杭州310021）

要：智能电网技术将从根本上改变目前的供配电及用电方式，它不仅有助于减少电力需求、节省费用，还可以

显著改善电力系统可靠性和效率。智能电网使用新的网络技术，包括可用于实时监测电力使用的传感器和以及可用于自动改变以减少电能消耗的控制器等。但是，智能电网也带来了安全与隐私问题、大规模分布式传感器系统管理等复杂问题。文中对智能电网技术进行了综述，指出了智能电网技术面临的问题和挑战。关键词：智能电网；传感器；电力系统可靠性；电力系统监控中图分类号：TM727；TP18一、引言

智能电网（SmartGrid），即通过使用信息与通信技术对电力系统的发电、输电、变电、配电以及用电环节进行全系统、实时和智能化的管理。在智能电网中，通过部署大量

的传感器，对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状

文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）08-0088-03

素不同，不同国家的电网企业和组织都在以自己的方式来理解智能电网，对智能电网进行研究和实践，各国智能电网发展的思路、路径和重点也各不相同。实现智能电网，由于其本身的复杂性和涉及广泛的利益相关者，需要漫长的过渡、

持续的研发和多种技术标准的长期共存。

况进行实时监控，同时把获得的监控数据通过网络通信系统进行收集、整合，通过对海量数据的分析、挖掘，达到对整个电网运行的智能化管理。宏观方面，智能电网可以实现水电、火电、核电、风电、太阳能发电等各种不同发电形式的接入与灵活调度；微观方面，通过部署在用电末端的智能电表及用户家庭中的集成化智能终端电子设备实现用户需求侧的精确管理，实现精确发电，提高用电效率。

建设智能电网，对于电力生产和输配电部门，能够提高电网资产利用效率，提升电网输送能力，降低输电损耗，提高供电可靠性和电能质量，减少停电损失。对于电力用户而言，能够提高终端用电设备的能源利用效率，获得更加优质、便捷的服务，促进节约用电，减少电费支出。在节能减排方面，有利于利用清洁能源的开发与利用，优化电源结构，提高能源利用效率，减少能源消耗，减少温室气体排放，实现节能减排。

智能电网技术首先是建立在目前高速发展的计算机与通信技术的基础上，同时通过先进的传感和测量技术、先进的智能控制方法以及人工智能与决策支持系统的应用，来实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。而要实现这些目标，智能电网的理论研究、技术实现、系统部署等，都面临许多前所未有的挑战，如智能配电、用户自适应性、安全性、标准和规范等。

二、技术标准与规范

目前，尽管世界各国专家针对电力工业应致力于提高电网智能化水平及等级已经达成共识，但是，智能电网还处于初期研究阶段，国际上尚无统一而明确的定义，而目前不同的智能电网概念还没有在学术界和工业界得到统一的认可，相关技术标准和规范也在制订当中。由于发展环境和驱动因

收稿日期：2011-06-07

作者简介：侯付红，清远市水利水电勘测设计院有限公司。

赵颖辉，浙江同济科技职业学院。

尽管国际上智能电网研究侧重点不同，重点关注都是与配电相关的问题。我国虽然有自己的特点，但同样应对配电和用电给予充分重视。在电网方面，目前国际上电网的发展可概括为两大趋势：一是统一或联合的特高压电网；另一个是分布发电与交互式供电的分散智能电网。中国是统一或联合的特高压电网的发展趋势的主要代表。在中国，随着电力工业高速发展，资源分布、经济发展的不均衡，需要提高电网输送能力，发展远距离大容量输电，加强统一或协调规划建设，形成统一调度运行的统一或联合特高压电网。在欧洲，其电力发展模式是向分布式发电、交互式供电的分散智能电网过渡，更加强调对环境的保护和可再生能源发电的发展。目前这些国家和地区的电网是联合的，但由于交互式供电、柔性交流输电技术的发展，电网的发展方向在发生改变。能源政策对电网发展方向具有重大影响。欧洲很重视环境保护和可再生能源发电的发展，在这种能源政策的引导下，能源发展终期目标是分布式发电，而不是强调电网规模的扩大。

比如，智能电网为了实时监视和分析系统目前状态，包括识别故障早期征兆及预测，对已经发生的扰动做出响应，在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通信网上，这些大量的智能化的二次设备的采集数据通过通信网络传送到控制中心进行分析和控制。因此，为了把智能化二次设备互联起来，必须明确并制定网络设备和二次设备间的互联互通标准。基于标准的、开放的体系并高度集成业界通用的通信系统，可以方便实现对系统中每一个成员的实时控制和信息交换，使得系统的每一部分都可双向通信。

因此，根据现有的电网的特点及其发展趋势，制定统一的智能电网技术标准和规范是当务之急。

三、智能仪表

第8期侯付红等：智能电网关键技术及面临挑战89

智能电网具有人工智能特征，能够自动平衡功率、自我监视、自我恢复，可以检测系统的一部分过负荷和更改潮流路径，防止造成潜在停电事故，同时，可以实现用户与电力部门实时通讯。在智能电网中，每个用户都装有智能仪表，电网公司会定期发布给用户一个电价曲线，以此来调控用户的用电行为，允许用户基于环境和电能价格优化电能使用。而要实现上述功能，智能仪表（SmartMeter）是其关键。智能仪表可以无线追踪和发送居民和商业用电信息。例如，欧洲的电力供应商已经开始使用云计算技术、计算机网络技术等应用在能源、医疗等领域。因此，发展智能电网可以带动一个巨大的智能仪表产业链，包括具有双向通讯能力的智能开关柜等。

如果智能电网接入大楼的电力系统，宽带连接将提供500Mbps下载速度，以及提供基于IP的流媒体服务等。这将挑战传统的Internet和多媒体服务提供商，如本地的Internet服务提供商，有线和卫星电视提供商等。消费者需要更快的宽带服务，内容提供商需要更快的Internet性能质量，而在大量的农村地区，由于GPRS等无线信号覆盖较差、电力线载波通信不方便，因此无线传感器网络则可以用于智能电网中的数据采集，也可以在小区变电站、家庭智能电网终端上使用，并且可以与其它无线、有线设备结合使用。

四、大规模系统监控与通信

坚强、灵活的电网络拓扑结构，是未来智能电网的基础。它需使系统在经历故障时，把故障影响局限在最小范围，并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电。因此，智能电网中部署有海量的传感与检测设备，以实现全面而完整地信息采集以及与用户的交互，要实现这些数据传递必须要有可靠的安全的通信信息网络的支撑，而依存于电力架构的通信信息网涉及到不同电压适配、不同区域传输、不同节点组网、不同组网成本等等；不同环节所使用的通信网络技术也不尽相同，如光纤通信、无线通信、IP通信、电力线载波通信、工业总线通信等。因而，每个电力环节需要有与其匹配且实用的网络建设模型，只有建立实用统一的通信网络模型才能更好地、规模地得到推广和应用。

智能电网的各个环节都需要信息的检测与传输，因而对于覆盖电网的通信网络更需要考虑低成本和广覆盖，尤其是智能配用电环节。因此，建立互通通信标准和完善通信安全架构、以及低成本、广覆盖的通信网络，是实现大规模智能电网监控的重大挑战。

五、海量数据管理与分析

采集准确的实时信息对于智能电网能够节省成本、动态定价、减少能量使用的关键因素，而智能电网基础设施产生的海量数据对服务提供商提出了极大的挑战.智能电网中海量的传感与检测设备每时每刻都将产生海量的数据，对这些大规模系统所产生的海量数据进行实时分析、故障分析、并进行系统预警，将需要高效的海量数据管理技术和大规模海量计算能力支持。具体包括：

（1）如何高效实现数据采集、传输、存储、处理和分析大量传感器采集的系统数据。因此，研究适合智能电网的数

据管理战略及其相关的技术十分重要。

（2）数据管理问题。比如，公共服务部门在智能电网数据管理和获取方面有哪些机会？使用何种系统和软件来收集和存储数据？费用如何？分析、存储、集成智能电网基础设施的长期挑战是什么？管理智能电网数据的标准及其扮演的角色？

（3）数据分析和商业智能，电网智能及预测性分析。比如，公共服务提供商如何分析智能电网数据，以提供对该分布式系统的深度理解？哪一个市场环节的机会最多?有哪些可能的手段用于实时的数据分析，以有助于避免供电故障、优化电网操作？预测分析的风险是什么？转换商业过程，以最大程度的利用智能电网技术的挑战是什么？

（4）消费者、送配电公司、电力提供商、技术合作伙伴之间如何有效沟通实现数据管理策略，理解客户需求。比如，谁拥有智能电网提供的数据？获取访问消费者数据的第三方的角色？安全保护的标准是什么？不同国家、不同州有什么不同？公共服务提供机构如何有效沟通智能电网技术的利益？

六、安全与隐私

为了实现高级计量体系和需求侧管理，如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应，高级计量体系往往由安装在用户端的智能电表、位于电力公司内的计量数据管理系统和连接它们的通信系统组成。为了加强需求侧管理，该体系又延伸到了用户住宅之内的室内网络。这些智能仪表能根据需要，同时实现多种计量，设定计量间隔，并具有双向通信功能，支持远程设置、接通或断离、双向计量、定时或随机计量读取。同时，有的也可以作为通向用户室内网络的网关，起到用户端口的作用，提供给用户实时电价和用电信息，并实现对用户室内用电装置的负荷控制，达到需求侧管理的目的。由于能实现带有时标的多种计量，智能电表实际上成为分布于网络上的系统传感器和量测点。它既可以使用户直接参与到实时电力市场中来，也可为系统的运行和资产管理带来巨大效益。

然而，智能电网的各个环节部署的大量的传感器和计量单元，使得网络安全环境更加复杂，系统中存在大量安全隐患的新建系统，同时由于智能配用电领域大量智能仪表的应用，给黑客提供了利用某些软件入侵机会操纵和关闭某些功能；原有的电力通信协议对安全考虑薄弱，而新通信技术的采用如WiFi无线上网等也引入了安全风险。

例如，目前智能仪表的脆弱性会招致大量的恶意攻击，包括消费者个人数据的窃取、特定建筑的电力中断、甚至是整个电网的崩溃。比如，如果要远程升级智能仪表（或其它智能电网设备），以增加额外功能或修补安全问题，远程控制功能往往会为攻击者打开大门，甚至有可能获取重要的控制权限。因此，必须阻止非授权的访问和使用智能仪表。虽然目前可以完全手工的升级单个智能仪表的软件和固件，但是随着数百万量级的智能仪表在电网中的部署，要一次性升级所有仪表的系统，仅靠人力几乎是无法完成的。现已有国外相关公司表示，他们在智能电表平台上发现了许多程序错误，利用这些错误，他们的团队入侵了智能电表系统，能操纵和关闭某些功能，暴露用户的使用记录，通过同样的途径，他

们可以向智能电表系统里植入蠕虫病毒。

（下转第91页）

第8期杨靓：长江渡船船员综合素质量化评估模型91

A。利用该软件确定的权重集A如图2所示。

图2长江渡船船员综合素质评估权重结果4．长江渡船船员综合素质评估模型单因素评价本文中使用的隶属度函数为：

设amn是根据评价指标确定的关于因素Umn的评价结果（m=1，2，3；n=1，2，3，4），那么。隶属度函数f（U）为：

min{5

v5

amnvj

j=1

j}≤amn≤max{j=1

vj},rmn=f(Umn)=max{0,1

}

~

ζj

其中：

ζj

=vj+1vj

rmn表示因素Umn对评价Vj的隶属程度。5．长江渡船船员模糊综合评估模型模糊综合评价确定了因素集U、评价集V、权重集A和单因素模糊矩阵R后，即可以获得一个一级评价向量，即：

Bi=AiD

Ri=(bi1,bi2,\",bim),i=1,2,\",s然后将每个Ui视为一个因素，记={U1,U2,\",Us}

于是μ又是一个因素集，其单因素评判矩阵为：

B1

b11b12\"b1mR=

B2b21b22\"b2m#=\"\"\"\"BS

bs1

bs2

\"

bsm

（上接第89页）

六、结语

智能电网作为目前的战略性新兴技术领域，是世界各国争相投资和研发、部署的重点，并花巨资进行技术标准的制订。本文对目前智能电网面临的挑战进行了综述，讨论了其关键技术。然而，由于智能电网目前仍处于发展阶段，许多相关理论、技术和标准仍处于发展变化之中，智能电网的定义、标准、定价模型等还不确定。智能电网前景很诱人，但目前需要解决的问题还很多。

参考文献

每个Ui作为U的一部分，反映了U的某种属性，按其重要性得到权重，即

A=(a1,a2,\",as)

于是得到二级评价向量，即B=ADR=(b1,b2,\",bs)

选取与最大评价指标maxbj相对性的评价元素Vj作为评价结果。

二、长江渡船船员素质评估模型的验证

依照1中所述的步骤，即可建立出长江内河船舶船员综合素质评估的模型。对4名船员进行综合素质评估，结果如下：

金某某：R=[00

0.0564

0.1352

0.8085]

王某某：R=[00.26860.1852

0.4026

0.2380]叶某某：R=[000.16050.65790.1805]余某某：R=[0

0

0.4750

0.3493

0.3564]

4名船员综合素质评估结果依次为“优秀”、“良好”、“良好”、“中等”。评估结果和岳阳海事局利用《渡船船员考核评估表》的评估结果相同。因此，利用模糊综合评判的方法建立的长江渡船船员综合素质量化评估模型提供了一种评价渡船船员素质的方法。

三、结论与展望

采用模型对4名船员的评估结果与海事局对该船员的实际适任能力的评估基本相符，说明模型可以为海事局和相关管理机构提供一个评价手段。如果有充足的样本，可以进一步地进行实证研究。

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