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1、智能电网标准评估及应用发展建议由Erich W. GuntherAaron SnyderGrant GilchristDarren Reece Highfill为加利福尼亚能源委员会制定EnerNex公司2009.2草稿0.831. 经营摘要本文解决与建造加利福尼亚智能电网标准和技术相关的四个基本问题：l 我们即将面临哪些能够影响未来智能电网的创新技术。l 如何具有前瞻性地避免建造不兼容系统,替换这些系统时耗资巨大。l 如何培养新技术的开放式接入,竞争以及商业增长,这些新技术不仅能够给能源消费者带来新的方式满足其能源需求,并且同时能够节省费用。l 划分清楚政府是否应该介入的界限。解决智能电网问
2、题的一个关键因素是将电力系统和基础标准及技术分解成为一些连贯的部分,从而进行有针对性的研究,同时发现妨碍最终方案开发的问题,并且预先将解决方案开发的问题暴露出来。首先,对正在应用的和仍在开发的标准和技术进行高水平的概括,将有助于列出互操作系统的需求以及标准开发的需要。标准开发机构和技术联盟的区别用于解释为什么虽然实现了标准化,却仍然不能实现互操作性。本文中将给出一个关于政策法规,司法权限和标准与技术开发者如何塑造现代电网解决方案的讨论。接下来,智能电网问题被分解为四个关键部分：发电系统,输电系统,配电系统及用户。本文将清晰地描述相关部分的作用区域,并指出其相互关系,暴露系统间的接缝,指出需要追
3、加投资来发展的标准以及需要投资来建设的与智能电网相关的项目。通信设施的横向分解对于如上所述的四个应用设施区域间元件的连接非常必要,这些分解包括宅域网,场局域网络,变电站域网络,广域网,公用事业局域网以及企业集成网。然后将给出与加州智能电网部署策略相关的关键领域中的一个详细清单,这个清单包括关于现有或发展中的详细标准,最佳做法,立法及管制。需要特别注意的是,根据加州智能电网发展蓝图,这些标准如何长期投入使用。最后,从什么标准和技术应该被推广,或者研究以满足实现现代电网的目标的角度,提出了解决措施来解决上面的四个问题。本文中一个非常重要的发现是,现今很多成熟的标准和做法都可以被应用以协助智能电网的
4、开展,智能电网的高层决策者缺乏对这些标准的认识,缺乏对这些做法和规程的应用指导方针,以及应用它们时的清晰的最佳实践以及管制的指导方针。关键建议包括：政策制定者应该采用美国国家能源部DOE电网智能化结构互操作备忘录来评估包含设备采购建议。应该制定法规以鼓励设备和产品生产商支持基于标准的技术而不是专有的解决方案。法规要避免制定可能的强制的特殊标准或技术,而这些标准的制定是为了得到某些特定的结果。需要开展研究来加速那些能够填补这些空白的标准的发展,这些空白包括安全方面,智能电网及设备管理,信息隐私管理,以及场局域网络和互用性。标准及技术介绍世界围的标准发展机构SDOs均在相同的法规下实施职能。大体上
5、,参与实际开发工作的委员会成员受到反信任条例或者法案的约束,被禁止参与反竞争行为,如市场划分,价格讨论等。而且,知识产权被视为标准语言的潜在资源,要求对所有人公开。投票时,对于候选投票者的平衡利益有严格的控制,从而实现公平公正。例如,美国国家标准协会ANSI有三个类别,生产者,使用者及大众,对于投票团体来说,没有一个类别能够超过合格投票者人数的40%。标准通常以实际的标准开始,即在足够的生产者中具有共性,才称产品/方法/协议为标准。除此之外,SDOs实际上制定法律上的标准,即将一些行为译成与法规相似的法典。鉴于对投票平衡性,公开条例,公开参与的谨慎关注,在特定的管辖区采用某些特定标准而不采用法
6、律。在北美洲,公用事业有如下相关的SDOs：ANSI：美国国家标准协会.ansi.orgDIN：德国标准协会IEC：国际电工委员会IEEE：电子电气工程师协会ISO：国际标准化组织ITU：国际电信联盟上述例子之一的德国标准协会看来有些不合适,但是,在许多领域,诸如电力测量方面,DIN标准非常具有影响力。与SDOs不同的是所谓的联盟。他们是一些认可一项特殊技术价值的实体或个体,并且他们建立一个利益群体来促进这项技术的编撰设计及市场推广等。联盟和标准群体的差异在于二者的规程及工作成果。由于任何数目的利益群体都可以形成一个联盟,其运行规程非常宽泛。其中一个例子就是Zigbee联盟,它包括15个成员推
7、广员,由技术厂商,参与者及采用者组成。Zigbee联盟的工作成效以档案资料或协定性能规而闻名。由于联盟并未被要求必须有一个平衡的会员机制,或者从某种意义上必须遵从一定的反信任规程,他们的工作成果必须提交给一个SDO,目的是使其能够变成一个法律上的标准。下列为一些知名的宅域网市场的与公用事业相关的联盟：家庭电力线组网联盟Z波联盟Zigbee联盟每个技术联盟都包含来自工业界的不同厂商来实现他们的既定目标。通常在某些规写进SDOs成为标准之前,联盟以类似于推广标准的方式来推广这些规。大多数联盟的目标也是实现互操作性,联盟通过一系列的认证程序来保证互操作性的实现。在20XX8月,Zigbee联盟和家庭
8、电力线组网联盟共同宣布了一项标准的实施。该举措在计算工业界的例子包括Wi-Fi联盟和USB制定论坛。如何超越标准化制定标准是为了给出人们对某项技术的能够达成共识的基本理解。除非标准的界限包括互通性测试或指导方针,一项技术最好要遵从标准。与物理技术型号不同,在电力工业技术中,互通性至多是发展某标准的委员会的一个愿望。这就突出表明,对专门的用户组织,其主要任务就是发现互操作性的要求,并编制测试方案对产品是否符合互操作性进行测试,同时对结果进行认证。除了SDOs及联盟外,还有另一种重要的实体用户团体。用户团体,标准化组织及联盟之间的区别在于,相对于一些标准发展组织,用户团体允许其成员对标准应用于技术
9、规进行自由的讨论。一个例子能够体现这种关系,即IEC61750标准发展委员会技术委员会57,工作组10和UCA国际用户团体UCAlugICE61850委员会。IEC技术委员会由国专家组成,被ICE任命。在产生IEC标准时,每个委员会均遵从一个规定的流程,如IEC61850的一套标准。这套标准的第10部分是互通性测试。UCAlug IEC61850委员会由一些专家组成,这些专家每半年就产品如何符合IEC61850标准这一问题进行一次讨论。产品测试在该委员会认可的一致、公开和公正的环境中进行,保证产品满足标准的要求。在UCA中还有如OpenHANHAN-宅域网及AMI-SEC高级测量基础设施保障这
10、样的公布了系统需求规格的工作组。这些规允许用户采用普通文档的方式进行交流,以理解满足最终商业目标的复杂性。规也可以通过标准组织以法律标准的形式来撰写,以保证产品符合需求。并且以标准团体协助工作的形式撰写,来发展法律性的标准以生产出符合期望需求的产品。另一个为真正的互操作性奠定基础的工作组是GridWise Architecture。与NIST国家标准技术协会合作,GWAC赞助Grid-Interop会议,这个会议的目标是实现系统间的互操作、业务流程的互操作、建立可持续发展的电力系统、发展一体化智能电网政策以及全面审视发电和用电过程。超越用户和厂商导向的标准和技术一个方法是利用政府机关的规章制度
11、,最好的规章制度就是具有适当的奖励和惩罚措施,而没有太多硬性规定的准则和目标。另一业界的一个例子是美国法律中为汽车生产商制定的公司平均节约燃料标准CAFE,作为行业的目标,并没有指定特别的模型。需要哪些交通工具,需要什么样的容量,允许制造厂家发展自己的技术引擎,燃烧技术等来满足政府标准。为了打破某一地区标准的限制,IEC和IEEE,ANSI和IEEE可以联合制定一些标准,并在更广围推广,这是真正互联互通的重要步骤。2. 方法论电力系统设施为了便于分析,电力系统被分为三个部分,按照惯例,沿着传统线路分别是发电系统,输电系统及配电系统。所有不同的负荷类别,包括工业,商用及居民都被纳入用户畴。发电系
12、统为了便于讨论,发电系统指容量在250MVA以上的高容量中央发电机组,通过输电和配电网络与用户连接,这其中可能包括容量大于这一最小门限的风电场。为了便于分析,这些风电场将被视为一个简单的发电站。图1a：NERC互联系统 图1b：NERC区域输电系统输电系统与配电系统一起,有时被称为大电网。北美的电网分为四个互联的同步电网：魁北克互联系统,东部互联系统,西部互联系统亦称西部电力系统,或WECC以及德克萨斯互联系统电力可靠性协会亦称ERCOT及德克萨斯区域实体,或TRE,如图1a所示。东部互联系统包括如下的区域：佛罗里达可靠性协调委员会FRCC,中西部可靠性组织MRC,东北部电力协调协会NPCC,
13、可靠性第一公司RFC,SERC可靠性公司SERC,以及西南部联合电网SPP。这里所说的互联同步的定义为该区域的电力生产如何去满足负荷需求,并且定义了如大停电的灾难性问题边界。输电系统运行在最高的电压等级,一般为138-1000kV。配电系统配电系统是大电网中设备密度及维护需求最大的部分,配电系统并不是一个真正的电网,例如,对于一个负荷存在多条供电路径,而是每个负荷都能够清晰地与一个输电电源对应配对,尤其是变电站节点。有些工业用电企业有带有切换装置的多电源馈电系统来保证其具有更高的可靠性。现在也可以在配电系统中接入发电机,这一技术被称为分布式发电或分布式电源。这一发电系统的容量在5到500MVA
14、之间,包括风电机组,太阳能阵列,太阳能热电,小型水电机组,燃料电池以及涡轮机组等。在考虑分布式电源的定义时,电池能量存储技术超导磁能存储技术以及其他一些技术将会被划分到发电系统中。配电系统的操作与维护同系统中设备的数量有关。每：250000个用户需要多达有60000个配电变压器,多达227条馈线以及45个变电站。在变电站,每条馈线可能还会有一个变压器,将输电网或输电子网的电压级别转换为配电网电压级别。配电网通常运行在13.8-138kV,尽管有些系统运行者认为34.5-138kV应被成为输电子网,并且配电系统应该包括240V-34.5kV。用户过去,用户仅仅被视作一个收入来源,但在不久的将来甚
15、至在现在的某些情况下,用户会被视作一个合伙人。一旦一个能够将所有用户及公用设备进行适当连接并且能够实现其之间交流的通信系统成为可能,管理和控制每个负荷将会变得非常简单。通过费率政策和奖励,用户将会被鼓励以调整他们对于能源的消费及需求,从而避免在尖峰时段购买电能。这些所谓的需求响应程序能够使电力公司延长其对于基础设施的投资,相反将这些钱投入改善长期经营的工作中。需求响应的一个方案确实包括一些对于基础设施的投资,但是,这些投资将用于通信设施方面,以使得架设输电线路更加容易一些。更加先进的设备如带双向通信功能的表计,带双向通信功能的表计,以及家用自动化设备如可编程通信出口控制器将帮助用户管理其能源需求。对于商业及工业用户来说,一种可能是安装在部传感器和控制器系统上的能量管理系统,它能够起到杠杆作用平衡持续负荷和税率结构,允许需求响应操作和需求竞价操作。3. 通信设备智能电网是通过在电力系统基础设施中覆盖通信设备来实现的,智能电网对通信设备
