智能电网是一种电网,包括各种运营和能源措施,包括智能电表,智能电器,可再生能源和节能资源。 电力调节和电力生产和分配的控制是智能电网的重要方面。

推出智能电网技术还意味着对电力服务行业进行了根本性的重新设计,尽管该术语的典型用法主要集中在技术基础设施上。

自21世纪初以来,利用电子通信技术的改进来解决电网的限制和成本的机会已经变得显而易见。 计量的技术限制不再迫使峰值电价平均并且平均传递给所有消费者。 与此同时,对化石燃料发电站造成的环境破坏的担忧日益增加,导致人们希望使用大量的可再生能源。 诸如风力和太阳能之类的主导形式是高度可变的,因此对更复杂的控制系统的需求变得明显,以促进源与其他高度可控的网格的连接。 来自光伏电池(以及较小程度上的风力涡轮机)的电力也显着地质疑大型集中式发电站的必要性。 快速下降的成本指向从集中式网格拓扑到高度分布式的拓扑的重大变化,其中功率在网格的极限处生成和消耗。 最后,一些国家对恐怖袭击的关注日益增加,这导致人们呼吁建立一个更加强大的能源网络,而不那么依赖于被认为是潜在攻击目标的集中发电站。

解决方案
智能电网包括不同类型的解决方案,其中瓶颈必须在网格中吸收:

调节供应 – 当供应可能对当地电网变得过多时,例如具有许多太阳能电池板的社区。
调节需求 – 当供应波动时,可以通过可比较的方式波动需求来补偿。 这可以通过调整消费者对报价的价格来完成。 在家庭中,智能电表如果注意到价格下降,可以向电动汽车发出可以开始充电的信号。 如果这种情况大规模发生,尽管供应波动,供需仍然保持平衡。
一个真实的例子是在例如南非城市中过载的网络。 如果需求变得太大,智能电表将用于关闭用户。
荷兰智能电表每15分钟可以将用过的电力传输到网络运营商的中心站。

荷兰的网络运营商预算约为100亿美元,用于引进大约1000万台智能电表。

匹配供需
匹配当地供需通常被认为是引入智能电网的一个原因,但这不是必需的。 荷兰电网管理者的传统是强大的超大型本地网络,建立在未来更大的用途上。 即使有许多当地发电,电网仍然作为已有电厂的国家实体进行监管。 对于那些发电厂来说,许多本地发电的需求略低。

大型分散式发电机,如风电场运营商,必须提前24小时注册生产。 因此,他们必须提前24小时预测其产量。 这很有可能。 由于这种分散式发电是提前24小时预测的,因此发电厂可以调整其发电量。 在荷兰和欧盟其他国家,可持续发电具有优先权。

经济学

市场前景
2009年,美国智能电网行业的估值约为214亿美元 – 到2014年,它将超过至少428亿美元。 鉴于美国智能电网的成功,预计全球市场将以更快的速度增长,从2009年的693亿美元激增至2014年的1714亿美元。这些细分市场将受益最多的将是智能计量硬件销售商和用于传输和组织由仪表收集的大量数据的软件制造商。 最近,世界经济论坛报告称,未来25年(或每年3000亿美元)需要超过7.6万亿美元的转型投资,以实现电力基础设施的现代化,扩展和分散,技术创新是转型的关键。

一般经济学发展
由于客户可以选择他们的电力供应商,根据他们不同的关税方法,运输成本的重点将会增加。 减少维护和更换成本将刺激更先进的控制。

智能电网精确地将电力限制到住宅水平,网络小规模分布式能源生成和存储设备,传达有关运行状态和需求的信息,收集价格和电网状况的信息,并将电网从中央控制转移到协作网络。

美国和英国的储蓄估计和担忧
美国能源部的一项研究计算出,美国电网的智能电网内部现代化将在未来20年内节省46至1170亿美元。 除了这些工业现代化的好处之外,智能电网功能还可以通过协调低优先级家用设备(如热水器)将能源效率从电网扩展到家庭,以便他们使用电力充分利用最理想的能源。 智能电网还可以协调来自大量小型电力生产商(如屋顶太阳能电池板的所有者)的电力生产 – 这种安排对于当地公用事业的电力系统运营商来说是个问题。

一个重要问题是消费者是否会根据市场信号采取行动。 美国能源部(DOE)作为美国复苏和再投资法智能电网投资补助和示范计划的一部分,资助了特殊的消费者行为研究,以检查订阅基于时间的公用事业费率计划的消费者的接受度,保留率和响应度。先进的计量基础设施和客户系统,如家用显示器和可编程通信恒温器。

另一个问题是,完全支持智能电网的电信成本可能过高。 使用“动态需求管理”的形式提出了较便宜的通信机制,其中设备通过根据电网频率改变其负载来削减峰值。 电网频率可用于传递负载信息而无需额外的电信网络,但它不支持经济讨价还价或量化贡献。

尽管使用了特定且经过验证的智能电网技术,但智能电网是一组相关技术的总称,其中规范通常是商定的,而不是特定技术的名称。 这种现代化电力网络的一些好处包括能够在高峰时段减少消费者侧的电力消耗,称为需求侧管理; 实现分布式发电的电网连接(光伏阵列,小型风力发电机,微型水力发电机,甚至建筑物内的组合式热发电机); 将电网储能纳入分布式发电负荷平衡; 并消除或包含诸如广泛的电网级联故障之类的故障。 智能电网的效率和可靠性的提高有望为消费者节省资金并有助于减少二氧化碳排放。

反对和关注
大多数反对意见和担忧集中在智能电表和由他们启用的项目(例如远程控制,远程断开和可变费率定价)上。 在遇到智能电表的反对意见时,它们通常被称为“智能电网”,它将智能电网连接到对手眼中的智能电表。 反对或关注的具体要点包括:

消费者对隐私的担忧,例如执法部门对使用数据的使用
对“公平”电力供应的社会关注
担心复杂的费率系统(例如可变利率)会消除清晰度和问责制,使供应商能够利用客户
关注大多数智能电表中的远程可控“杀伤开关”
对安然风格的社会关注滥用信息杠杆
关于给予政府机制控制所有权力使用活动的使用的担忧
对智能电表的射频辐射的担忧

安全
虽然将电网现代化为智能电网可以优化日常流程,但在线智能电网可能容易遭受网络攻击。 增加发电厂用于长途旅行的电力的变压器,输电线路本身以及向其消费者提供电力的配电线路特别容易受到影响。 这些系统依靠传感器从现场收集信息,然后将其传送到控制中心,算法自动化分析和决策过程。 这些决定被发送回现场,现有设备执行它们。 黑客有可能破坏这些自动控制系统,切断允许利用发电的通道。 这称为拒绝服务或DoS攻击。 它们还可以发起完整性攻击,这些攻击会破坏沿系统传输的信息以及影响何时将这些信息传递到适当位置的失步攻击。 此外,入侵者可以通过可再生能源发电系统和连接到电网的智能电表再次访问,利用更专业的弱点或安全性未被优先考虑的弱点。 由于智能电网具有大量接入点,如智能电表,因此很难保护其所有弱点。 人们还担心基础设施的安全性,主要涉及通信技术。 担忧主要集中在智能电网核心的通信技术上。 旨在允许客户家庭和企业中的公用事业和仪表之间的实时联系,存在这些能力可被用于犯罪甚至恐怖行动的风险。

电力盗窃是美国关注的问题,其中部署的智能电表使用RF技术与电力传输网络进行通信。 具有电子知识的人可以设计干扰设备,使智能电表报告低于实际使用。 类似地,可以采用相同的技术使得看起来消费者正在使用的能量正由另一个客户使用,从而增加了他们的账单。

执行良好,规模庞大的网络攻击造成的破坏可能是广泛而持久的。 根据攻击的性质,一个无能力的变电站可能需要9天到一年多的时间进行维修。 它还可能在小半径内造成数小时的停机。 它可能对交通基础设施产生直接影响,因为交通信号灯和其他路线机制以及地下道路的通风设备都依赖于电力。 此外,依赖电网的基础设施,包括废水处理设施,信息技术部门和通信系统可能会受到影响

2015年12月乌克兰电网网络攻击是此类记录中的第一次,通过使变电站脱机,中断了对近25万人的服务。 对外关系委员会已经指出,各州最有可能成为这种袭击的肇事者,因为尽管这样做有很大的困难,但他们可以获得资源来进行攻击。 网络入侵可以用作更大攻击性,军事性或其他方面的部分。 一些安全专家警告说,这种类型的事件很容易扩展到其他地方的网格。 保险公司Lloyd’s of London已经模拟了东部互联的网络攻击结果,这可能会影响15个州,使9300万人处于黑暗状态,并使该国经济从各种损失中的2430亿美元降至1万亿美元。 。

根据美国众议院经济发展,公共建筑和应急管理小组委员会的报告,电网已经出现了大量的网络入侵,其中每五个中就有两个旨在使其丧失能力。 因此,美国能源部已优先考虑研究和开发,以减少电网对网络攻击的脆弱性,并称其为2017年四年能源评估中的“迫在眉睫的危险”。 能源部还将攻击阻力和自我修复确定为确保当今智能电网面向未来的主要关键。 虽然已经制定了相关法规,即北美电力可靠性委员会提出的关键基础设施保护标准,但其中很大一部分是建议而非强制性要求。 大多数发电,输电和配电设施和设备归私人利益相关者所有,这进一步使评估遵守这些标准的任务复杂化。 此外,即使公用事业公司想要完全遵守,他们也可能会发现这样做太昂贵了。

一些专家认为,增加智能电网网络防御的第一步是完成对现有基础设施的全面风险分析,包括软件,硬件和通信过程的研究。 此外,由于入侵本身可以提供有价值的信息,因此分析系统日志及其性质和时间的其他记录可能很有用。 国土安全部已使用此类方法确定的常见弱点包括代码质量差,身份验证不当以及防火墙规则不足。 一旦完成这一步骤,一些人会建议,然后完成对上述失败或缺点的潜在后果的分析是有意义的。 这包括直接后果以及对并行系统的二阶和三阶级联影响。 最后,可以部署风险缓解解决方案,其中可能包括对基础设施不足或新策略的简单修复,以解决这种情况。 一些此类措施包括重新编码控制系统算法,使其能够更好地抵御和恢复网络攻击或预防性技术,从而更有效地检测数据的异常或未经授权的更改。 解决可能危及系统的人为错误的策略包括教育那些在现场工作的人要警惕奇怪的USB驱动器,如果插入可能会引入恶意软件,即使只是检查其内容。

其他解决方案包括利用传输变电站,受约束的SCADA网络,基于策略的数据共享以及受约束智能电表的认证。

传输变电站使用一次性签名认证技术和单向哈希链结构。 这些限制因此已经通过创建快速签名和验证技术以及无缓冲数据处理得以纠正。

已经为受约束的SCADA网络构建了类似的解决方案。 这涉及将基于哈希的消息认证码应用于字节流,将遗留系统上可用的随机错误检测转换为保证数据真实性的机制。

基于策略的数据共享利用GPS时钟同步细粒度电网测量来提高电网稳定性和可靠性。 它通过PMU收集的同步相量要求来实现这一点。

然而,受约束的智能电表的证明面临着稍微不同的挑战。 对受限智能电表进行认证的最大问题之一是,为了防止能源盗窃和类似攻击,网络安全提供商必须确保设备的软件是真实的。 为了解决这个问题,已经在嵌入式系统中以低级别创建并实现了受约束智能网络的架构。

采用的其他挑战
在实用程序安装高级计量系统或任何类型的智能系统之前,它必须为投资创建业务案例。 一些组件,如安装在发电机上的电力系统稳定器(PSS)[需要澄清]非常昂贵,需要在电网控制系统中进行复杂的集成,仅在紧急情况下需要,并且只有在网络上的其他供应商拥有它们时才有效。 没有任何动力安装它们,电力供应商不会。 大多数公用事业公司发现很难证明为单个应用程序安装通信基础设施(例如抄表)。 因此,公用事业公司通常必须识别将使用相同通信基础设施的多个应用程序 – 例如,读取仪表,监控电力质量,远程连接和断开客户,启用需求响应等。理想情况下,通信基础设施不会仅支持近期应用程序,但将来会出现未预料到的应用程序。 监管或立法行动也可以推动公用事业部门实施智能电网拼图。 每个公用事业公司都有一套独特的业务,监管和立法驱动因素来指导其投资。 这意味着每个实用程序将采用不同的途径来创建其智能电网,并且不同的实用程序将以不同的采用率创建智能电网。

智能电网的某些功能吸引了目前正在或希望提供类似服务的行业的反对意见。 一个例子是通过电力线互联网接入与宽带和DSL互联网提供商竞争。 用于网格的SCADA控制系统的提供商有意设计专有硬件,协议和软件,使得它们不能与其他系统互操作以便将其客户与供应商联系起来。

将数字通信和计算机基础设施与电网现有的物理基础设施相结合,带来了挑战和固有的脆弱性。 根据IEEE安全和隐私杂志,智能电网将要求人们开发和使用支持更大程度的态势感知的大型计算机和通信基础设施,并允许更具体的命令和控制操作。 该过程对于支持主要系统是必要的,例如需求响应广域测量和控制,电力的存储和运输以及配电的自动化。

电力盗窃/电力损失
各种“智能电网”系统具有双重功能。 这包括高级计量基础设施系统,当与各种软件一起使用时,可用于检测电力盗窃并通过消除过程检测设备故障发生的位置。 除了它们的主要功能之外,它们不需要人工抄表和测量电力使用时间。

包括盗窃在内的全球电力损失估计每年约为两千亿美元。

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在发展中国家提供可靠的电力服务时,电力盗窃也是一项重大挑战。

部署和尝试部署
Enel公司。 意大利的Enel SpA安装的意大利系统是最早的,也是最大的智能电网之一。 Telegestore项目于2005年完成,在公用事业领域非常不寻常,因为该公司设计并制造了自己的仪表,充当了自己的系统集成商,并开发了自己的系统软件。 Telegestore项目被广泛认为是智能电网技术首次应用于家庭,每年节省5亿欧元,项目成本为21亿欧元。

美国能源部 – ARRA智能电网项目:迄今为止世界上最大的部署计划之一是美国能源部的智能电网计划,该计划由2009年美国复苏和再投资法案资助。该计划需要来自个别公用事业 作为该计划的一部分,共投入了超过90亿美元的公共/私人资金。 技术包括高级计量基础设施,包括超过6500万个先进的“智能”仪表,客户接口系统,配电和变电站自动化,电压/ VAR优化系统,1,000多个同步相量,动态线路评级,网络安全项目,高级配电管理系统,储能系统和可再生能源集成项目。 该计划包括投资补助(配对),示范项目,消费者接受研究和劳动力教育计划。 所有个别公用事业计划的报告以及总体影响报告将于2015年第二季度完成。

德克萨斯州奥斯汀市。 在美国,德克萨斯州奥斯汀市自2003年以来一直致力于建设智能电网,当时它的公用事业公司首先用通过无线网状网络进行通信的智能电表取代了1/3的手动电表。 它目前实时管理200,000台设备(智能电表,智能恒温器和整个服务区域内的传感器),并预计在2009年实时支持500,000台设备,为100万消费者和43,000家企业提供服务。

科罗拉多州博尔德于2008年8月完成了其智能电网项目的第一阶段。两个系统都使用智能电表作为控制智能插座和设备的家庭自动化网络(HAN)的网关。 一些HAN设计者倾向于将控制功能与仪表解耦,而不考虑未来与家用电子设备快速发展的业务部门提供的新标准和技术不匹配。

位于加拿大安大略省的Hydro One正在进行大规模的智能电网计划,部署了Trilliant的符合标准的通信基础设施。 到2010年底,该系统将为安大略省的130万客户提供服务。 该计划获得了公用事业规划网络颁发的“北美最佳AMR倡议”奖。

德国曼海姆市正在其模型城曼海姆“MoMa”项目中使用实时宽带电力线(BPL)通信。

澳大利亚的阿德莱德还计划在Tonsley Park重建中实施本地化的绿色智能电网电网。

悉尼还在澳大利亚与澳大利亚政府合作实施了智能电网智能城市计划。

埃武拉。 InovGrid是葡萄牙埃武拉的一个创新项目,旨在为电网配备信息和设备,实现电网自动化管理,提高服务质量,降低运营成本,提高能源效率和环境可持续性,以及提高可再生能源和电动汽车的渗透率。 在任何特定时刻都可以控制和管理整个配电网的状态,允许供应商和能源服务公司使用该技术平台为消费者提供信息和增值能源产品和服务。 这个安装智能电网的项目将葡萄牙和EDP置于欧洲技术创新和服务提供的前沿。

电子能源 – 在所谓的电子能源项目中,德国多家公用事业公司正在六个独立的模型区域创建第一个核心。 技术竞赛确定了这一示范区域开展研究和开发活动,其主要目标是创建“能源互联网”。

马萨诸塞州。 2009年美国马萨诸塞州的电力监管机构拒绝了美国首次尝试部署“智能电网”技术。 根据波士顿环球报的一篇文章,Northeast Utilities的Western Massachusetts Electric Co.子公司实际上试图利用公共补贴创建一个“智能电网”计划,该计划将低收入客户从后付款转换为预付费账单(使用“智能”除了特定的高于“预定量”使用的电费的“高级”费率之外。 监管机构拒绝了这一计划,因为它“削弱了对低收入客户反对关闭的重要保护”。 根据波士顿环球报的报道,该计划“不公平地针对低收入客户并规避马萨诸塞州的法律,旨在帮助陷入困境的消费者保持关注”。 一个支持智能电网计划和西马萨诸塞州电气公司上述“智能电网”计划的环保组织的发言人特别指出,“如果使用得当,智能电网技术有很大的潜力可以减少高峰需求,这将使我们能够关闭了一些最古老,最脏的发电厂……这是一种工具。“

eEnergy佛蒙特财团是佛蒙特州的一项美国全州计划,部分资金来自2009年美国复苏和再投资法案,该州的所有电力公司都迅速采用了各种智能电网技术,其中包括约90%的先进技术。计量基础设施部署,目前正在评估各种动态费率结构。

在荷兰,启动了一个大型项目(> 5000个连接,> 20个合作伙伴),以展示综合智能电网技术,服务和商业案例。

LIFE工厂微电网(LIFE13 ENV / ES / 000700)是一个示范项目,是LIFE + 2013计划(欧洲委员会)的一部分,其主要目的是通过实施全尺寸工业智能电网来证明微电网可以成为一个最适合希望尽量减少对环境影响的工厂的能源生产和管理解决方案。

OpenADR实现
某些部署使用OpenADR标准在较高需求期间减少负载和减少需求。

中国
中国的智能电网市场估计为223亿美元,预计到2015年将增长到614亿美元。霍尼韦尔正在与中国国家电网公司一起使用OpenADR需求响应标准为中国开展需求响应试点和可行性研究。 国家电网公司,中国科学院和通用电气公司打算共同制定中国智能电网推广标准。

英国
OpenADR标准在英国布拉克内尔展示,商业建筑的最高使用率降低了45%。 由于试点,苏格兰和南方能源(SSE)表示,它将连接伦敦西部泰晤士河谷的30座商业和工业建筑,以满足需求响应计划。

美国
2009年,美国能源部向南加州爱迪生公司和霍尼韦尔公司提供了1,100万美元的资助,用于需求响应计划,该计划可自动降低参与工业客户在高峰时段的能源使用。 能源部向霍尼韦尔授予了1140万美元的拨款,用于使用OpenADR标准实施该计划。

夏威夷电力公司(HECO)正在实施一项为期两年的试点项目,以测试ADR计划应对风电间歇性的能力。 夏威夷的目标是到2030年从可再生能源中获得70%的电力.HECO将在通知后10分钟内为客户提供降低能耗的激励措施。

指南,标准和用户组
作为IEEE智能电网计划的一部分,IEEE 2030.2代表了针对传输和分配网络的公用存储系统的工作的扩展。 IEEE P2030小组预计将在2011年初提供有关智能电网接口的总体指导方针。 新指南将涵盖电池和超级电容器以及飞轮等领域。 该集团还制定了2030.1的努力起草指南,将电动汽车整合到智能电网中。

IEC TC 57创建了一系列国际标准,可用作智能电网的一部分。 这些标准包括IEC 61850,它是变电站自动化的体系结构,IEC 61970/61968 – 公共信息模型(CIM)。 CIM提供了用于将数据转换为信息的通用语义。

OpenADR是一种用于需求响应应用程序的开源智能电网通信标准。 它通常用于发送信息和信号,以在需求较高的时段期间关闭电力使用设备。

MultiSpeak创建了一个支持智能电网分配功能的规范。 MultiSpeak具有一组强大的集成定义,几乎支持分发实用程序或垂直集成实用程序的分发部分所需的所有软件接口。 使用可扩展标记语言(XML)和Web服务定义MultiSpeak集成。

IEEE已经创建了一个支持同步相量的标准 – C37.118。

UCA国际用户组讨论并支持智能电网中使用的标准的实际经验。

LonMark International内的公用事业任务组处理智能电网相关问题。

使用TCP / IP技术作为智能电表应用的通用通信平台的趋势越来越明显,因此公用事业可以部署多个通信系统,同时使用IP技术作为通用管理平台。

IEEE P2030是一个IEEE项目,旨在开发“能源技术和信息技术运行与电力系统(EPS)以及最终用途应用和负载的智能电网互操作性指南草案”。

美国国家标准与技术研究院已将ITU-T G.hn列为智能电网“为实施标准确定的标准”之一,“它认为有很强的利益相关方共识”。 G.hn是电力线,电话线和同轴电缆上的高速通信的标准。

OASIS EnergyInterop’ – OASIS技术委员会,负责开发能源互操作的XML标准。 它的出发点是加州OpenADR标准。

根据2007年能源独立和安全法案(EISA),NIST负责监督在美国实施智能电网所需的数百种标准的识别和选择。这些标准将由NIST转交给联邦能源监管部门委员会(FERC)。 这项工作已经开始,已经选择了第一批标准纳入NIST的智能电网目录。然而,一些评论员认为,智能电网标准化可以实现的好处可能受到越来越多涉及智能电网架构和技术的专利的威胁。如果技术在整个网络中广泛分布(“锁定”),则不会泄露涵盖标准化智能电网元素的专利,当专利持有人试图从市场的大部分区域收集意外租金时,可能会发生重大中断

.GridWise联盟排名
2017年11月,非营利性GridWise联盟以及清洁能源集团Clean Edge Inc.公布了所有50个州在电网现代化方面的排名。加州排名第一。其他顶级州是伊利诺伊州,德克萨斯州,马里兰州,俄勒冈州,亚利桑那州,哥伦比亚特区,纽约州,内华达州和特拉华州。“GridWise联盟的30多页报告代表了设计,建造和运营电网的利益相关者,深入探讨了全国的电网现代化工作,并按国家排名“。

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