什么是智能電網(wǎng)?它是怎么被定義的?

城市化，生活水平的提高和技術的進步增加了對能源需求的需求。這使電耗上升到了如果不加照顧的情況下將不再可管理的水平。這不僅是提供可持續(xù)能源，而且還維護全球環(huán)境的令人震驚的情況。城市消耗了總能源消耗的近75-80％，而城市的溫室氣體排放量占80％。傳統(tǒng)的，集中控制的電能分配系統(tǒng)已經(jīng)使用了很長時間。這通常稱為電網(wǎng)。自從使用電力以來，即使隨著技術的進步，全球電網(wǎng)也具有相似的結構，動力學和原理。

這些傳統(tǒng)的電網(wǎng)僅專注于一些基本功能，例如發(fā)電，配電和控制。當前形式的電網(wǎng)不可靠，傳輸損耗高，電能質(zhì)量差，容易出現(xiàn)電力不足和停電，電力供應不足，不鼓勵集成分布式能源。傳統(tǒng)的非智能系統(tǒng)缺乏監(jiān)控和實時控制，這為智能電網(wǎng)作為實時解決方案創(chuàng)造了一個挑戰(zhàn)性的機會。要解決這些問題，就需要對電力輸送結構進行徹底的改革。

智能電網(wǎng)技術提供了一種解決方案，可以更好地發(fā)電，并提供一種有效的電力傳輸和分配方式。由于其多功能性，與傳統(tǒng)網(wǎng)格相比，它可以更輕松地安裝且所需空間更少。智能電網(wǎng)設計的概念旨在實現(xiàn)電網(wǎng)的可觀察性，創(chuàng)建資產(chǎn)的可控制性，增強電力系統(tǒng)的性能和安全性，尤其是運營，維護和計劃的經(jīng)濟方面。這就是為什么還考慮將智能電網(wǎng)技術用于微電網(wǎng)級別，最終將其連接到所有其他微電網(wǎng)以形成大型智能電網(wǎng)網(wǎng)絡的原因。

本文討論了智能電網(wǎng)的概述，其特性和功能包括可靠性，安全性，能源管理，自我修復。它還將討論智能電網(wǎng)如何改變電網(wǎng)技術的概念，以及在現(xiàn)代電網(wǎng)中有多少潛在的革命。

智能電網(wǎng)概念

沒有特定的智能電網(wǎng)起點。隨著電力分配系統(tǒng)的啟動，這個概念開始發(fā)展。到那時，需要不同的要求，例如控制，監(jiān)控，價格以及電力傳輸和分配的服務。通常，智能電網(wǎng)的實施與智能電表的安裝相關。最新發(fā)展正在考慮的基本需求是通過電網(wǎng)傳輸和分配能量的可靠性和效率。

定義

為了將電力分配給消費者，需要一種被稱為電網(wǎng)的電導體網(wǎng)絡。如果該網(wǎng)絡具有自動控制和監(jiān)視系統(tǒng)，那么它可能就是智能電網(wǎng)。從技術上講，智能電網(wǎng)是常規(guī)電網(wǎng)的概念，具有一些最新的自動化功能，使它們更加可靠和可持續(xù)。傳統(tǒng)電網(wǎng)僅用于傳輸和分配電力，但是這種智能電網(wǎng)的現(xiàn)代概念可以根據(jù)情況進行通信，存儲甚至決策。

智能電網(wǎng)是一種智能的電力網(wǎng)絡，它整合了所有利益相關者的行為，這些利益相關者是發(fā)電機，消費者以及兩者的所有利益相關者，以便以經(jīng)濟，安全的方式為電力提供效率，可持續(xù)性。因此，智能電網(wǎng)并不是要實施的單一技術。它的利益相關者增加了它的廣泛性和依賴性。

它為利益相關者提供了一個機會，可以最大化其電氣網(wǎng)絡的效率，可靠性，經(jīng)濟性能和安全性。

可靠性

網(wǎng)格系統(tǒng)的成功取決于以可靠性衡量的客戶需求。這意味著具有連續(xù)供電的無缺陷和無誤差系統(tǒng)。智能電網(wǎng)有潛力檢測任何故障并允許系統(tǒng)自我修復。常規(guī)電網(wǎng)存在有關可再生資源，微電網(wǎng)和需求響應的相互作用的問題。隨著需求的增加，這些網(wǎng)格的尺寸和復雜性使得分析其可靠性變得更加困難。但是智能電網(wǎng)很好地解決了這些問題。為此，智能電網(wǎng)具有監(jiān)視和存儲所有數(shù)據(jù)并評估其服務可靠性的能力。還可以遠程監(jiān)視電網(wǎng)的混合發(fā)電和管理，從而增強其可靠性。動態(tài)隨機最優(yōu)潮流（DSOPF）等技術有助于估算和優(yōu)化智能電網(wǎng)中的潮流。因此，隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，智能電網(wǎng)可以具有更好的可靠性。

安全性

安全性是智能電網(wǎng)發(fā)展中具有挑戰(zhàn)性的問題之一。隨著自動化程度的提高，對網(wǎng)格的遠程監(jiān)視和控制使網(wǎng)格更容易受到網(wǎng)絡攻擊。根據(jù)電力研究所的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全是智能電網(wǎng)的最大問題之一。Suleiman等人提出了一種方法，該方法可通過使用智能電網(wǎng)系統(tǒng)對待分析和集成系統(tǒng)安全威脅模型來識別通常由攻擊者利用的智能電網(wǎng)的弱點。同樣，在2014年，Ashok等人從協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡攻擊角度提出了一種解決廣域監(jiān)視和保護與控制的網(wǎng)絡物理安全問題的方法，最終將提高安全性。在智能電網(wǎng)的不同安全領域中，一些有前途的正在進行的研究包括：具有多個數(shù)據(jù)使用者的保護隱私的智能計量，使用環(huán)網(wǎng)通信體系結構和安全威脅模型的智能電網(wǎng)中的正交代碼隱私機制。由于安全性將被視為實施智能電網(wǎng)技術的最大障礙之一，因此正在進行的這些研究有望解決這一障礙。

需求方管理系統(tǒng)

智能電網(wǎng)通過兩種通信能力提供給需求方或用戶與電網(wǎng)進行交互。它為消費者提供了一種以經(jīng)濟的方式使用電力的機會。它不僅有助于提高需求方的效率，而且還有助于提高配送端的效率。通過將電力需求減少或轉(zhuǎn)移到替代品上，它有助于電網(wǎng)在高峰期減少需求和壓力。當前，為了解決經(jīng)濟，可靠性和經(jīng)濟方面的問題，在智能電網(wǎng)領域進行了大量投資，包括需求側資源，負荷管理系統(tǒng)和能源效率計劃。通常，需求方管理系統(tǒng)僅關注公用事業(yè)公司與消費者之間的通信。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，這個定義也開始了設備和公用事業(yè)的革命，成為被稱為“智能設備”的“智能”設備。這些具有與電網(wǎng)通信的能力，這使得房屋更加自治，并方便用戶有效而高效地使用電力。這些電器改變了家庭用電的需求。諸如“ ZigBee”之類的不同網(wǎng)絡協(xié)議提供了對家用電器進行無線控制的解決方案。這些協(xié)議具有與參與家庭能源管理系統(tǒng)的所有利益相關者進行溝通和協(xié)調(diào)的能力，從而為用戶提供最佳的最佳解決方案。因此，智能電網(wǎng)正在將傳統(tǒng)家用電器的趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸悄堋薄?/p>

測光

配電系統(tǒng)中的自動化與智能自動儀表相關聯(lián)。計量提供了一個通道，以實現(xiàn)用戶與分配器之間的智能電網(wǎng)概念中的雙向通信。它們不僅可以幫助分銷商建立更準確的計費系統(tǒng)，還可以幫助消費者控制電能的使用。這些儀表配備了用于自動化，電能質(zhì)量監(jiān)控和停電通知的傳感器。電力市場放松管制后價格上漲，消費者不滿意以及鼓勵智能電表的月度電表指示都有不同的驅(qū)動因素。

高級計量基礎架構（AMI）提供了一種實時解決方案，該解決方案可以收集消費者數(shù)據(jù)并提供從電網(wǎng)到公用事業(yè)部門的通信網(wǎng)絡。AMI通過將消費者與配電系統(tǒng)相結合，為大型電網(wǎng)的現(xiàn)代化提供了前進的機會。它為停電管理，電動汽車和智能設備的集成，變壓器和饋線監(jiān)控以及故障隔離提供了機會。研究人員設計了一種用于通過變電站自動化系統(tǒng)（SAS）進行配電自動化的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通過本地控制措施解決擁堵的能力，而對可再生能源的限制最小。

微電網(wǎng)與可再生資源整合

從可再生資源（例如太陽能，風能，電池存儲設備）發(fā)電是充分考慮滿足不斷增長的電力需求和減少溫室氣體排放的可可豆。它們甚至有助于減少高峰時段電網(wǎng)的電力壓力。通常，這些資源的站點位于偏遠地區(qū)。甚至有時候，不可能有一個完整的功能網(wǎng)格來傳輸或分配電力。這里使用微電網(wǎng)，這些微電網(wǎng)聚集在一起形成一個龐大的配電網(wǎng)絡。因此，使用大量的微網(wǎng)格和源將導致要處理大量數(shù)據(jù)。因此，研究人員通過使用一種架構來解決此問題，該架構在整個電網(wǎng)中使用智能系統(tǒng)來有效地分配電源。

自我修復

對于一個健壯的智能電網(wǎng)，它不應該僅僅局限于診斷故障發(fā)生在電網(wǎng)中，而且還可以將其消除以保持穩(wěn)定的電力供應。對于具有自我修復能力的電網(wǎng)，它使用實時通信和安裝在整個電網(wǎng)中的數(shù)字組件來監(jiān)視電網(wǎng)的電氣特性。有了此功能，網(wǎng)格就足夠聰明了，并且能夠找出自然或某些人為錯誤可能引起的潛在問題。這些智能系統(tǒng)會立即對任何此類異常做出反應，并在問題滾滾而成為大問題并造成重大停電之前將問題系統(tǒng)隔離出來，并自動重新分配電力傳輸以實現(xiàn)連續(xù)服務，除非消除了錯誤。具有自我修復功能的智能電網(wǎng)有三個主要優(yōu)點：

新技術與研究

為了智能電網(wǎng)的發(fā)展，正在進行許多正在進行的研究活動，以使其更可靠，更可持續(xù)地滿足現(xiàn)代需求。這些研究集中在不同的技術上。很難涵蓋所有這些研究和進步，但是本節(jié)將介紹與智能電網(wǎng)相關的一些著名的最新技術和研究活動。

能源管理系統(tǒng)

對于可靠的電網(wǎng)，至關重要的是所有組件必須從發(fā)電到消耗都必須協(xié)同工作。網(wǎng)格中涉及很多復雜的組件。這些組件通過某些計算機軟件進行通信并一起工作。因此，規(guī)劃和在網(wǎng)格上的實現(xiàn)是通過互操作性來完成的。NIST發(fā)起了智能電網(wǎng)互操作性（SGIP），它負責制定和維護智能電網(wǎng)標準，并且涉及的所有組件都必須進行有效的通信和運行。還有責任為電網(wǎng)的所有利益相關者（包括客戶，市場，服務提供商，電力系統(tǒng)，發(fā)電，輸電和配電網(wǎng)絡）提供一個平臺，以共同形成一個現(xiàn)代，可靠和高效的電網(wǎng)系統(tǒng)。為了理解和實施能源管理，電網(wǎng)和用戶端都必須發(fā)揮作用。諸如先進計量基礎設施（AMI），用于電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡和網(wǎng)絡安全之類的技術可實現(xiàn)電網(wǎng)中的自我決策功能，從而使能源管理系統(tǒng)對智能電網(wǎng)更為現(xiàn)實。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）將互聯(lián)網(wǎng)帶入了下一步發(fā)展。通過計算和通信功能，將整個世界壓縮到一只手中，它使生活變得更輕松，自動化和方便。隨著智能電網(wǎng)及其組件的發(fā)展，需要一種有效，可靠且更智能的方式來交互這些組件的技術。物聯(lián)網(wǎng)有望完全填補所有這些特征，從而將智能電網(wǎng)帶入新時代。但是，隨著這項新技術的出現(xiàn)，一些嚴重的安全問題出現(xiàn)了，包括假冒，數(shù)據(jù)篡改，濫用，授權，隱私問題和網(wǎng)絡攻擊。物聯(lián)網(wǎng)基礎智能電網(wǎng)必須具有身份驗證，機密性，用戶隱私和數(shù)據(jù)完整性等服務，以避免任何安全風險。物聯(lián)網(wǎng)為客戶提供的連接性，可以提高他們的體驗和效率。它允許客戶與電網(wǎng)進行靈活輕松的交互，從而通過診斷和鄰域范圍內(nèi)的抄表功能來降低成本。簡而言之，它使智能電網(wǎng)變得更加智能。

大數(shù)據(jù)

智能電網(wǎng)完全取決于其接收的數(shù)據(jù)。它不僅是網(wǎng)格的眼睛，而且還可以作為網(wǎng)格的背骨。為了可靠，高效地運行智能電網(wǎng)，需要從發(fā)電，輸電，轉(zhuǎn)換和電力利用中收集大量數(shù)據(jù)。網(wǎng)格所做的所有決定都取決于它。它在智能電網(wǎng)的自主功能中也起著關鍵作用。智能電網(wǎng)技術中的大數(shù)據(jù)面臨許多挑戰(zhàn)，包括從存儲到其可視化和安全性。研究人員還致力于如何將數(shù)據(jù)組合成信息和有益的應用。

從不同的傳感器，無線傳輸和通信收集的大量數(shù)據(jù)被累積。從生成到使用的所有數(shù)據(jù)收集都被不同的算法用來預測，并且也將有助于充分識別功率使用的模式。這最終將對實現(xiàn)智能能源管理系統(tǒng)有用。能源大數(shù)據(jù)不僅包含從電表收集的數(shù)據(jù)，而且還包含與天氣和環(huán)境有關的大量數(shù)據(jù)。如果沒有“ 4V”（體積，速度，多樣性和價值）和“ 3E”（能量，交換和同理心），則此數(shù)據(jù)的特征是不完整的。針對大數(shù)據(jù)的分析開發(fā)了不同的算法和模型，但仍然存在與大數(shù)據(jù)相關的一些主要問題，例如：IT基礎架構，數(shù)據(jù)收集和治理，數(shù)據(jù)處理和分析，

智能電網(wǎng)的未來研究

智能電網(wǎng)的開發(fā)正在進行大量研究。在智能電網(wǎng)的不同領域中，針對不同方面的未來研究仍具有很大的潛力。其中包括預測，潮流優(yōu)化，通信，微電網(wǎng)集成，需求和能源管理系統(tǒng)，符合互操作性，可伸縮性，經(jīng)濟因素，數(shù)據(jù)加密以及最重要的是發(fā)電，輸電和配電自動化等方面的標準。

結論

技術和設備的進步可以經(jīng)濟和環(huán)保的方式改變能源的利用。智能電網(wǎng)概念的演進有潛力通過減少碳排放并與更多可再生能源組合來以最佳方式滿足未來所有能源利用需求。通過提高電力輸送的可靠性，效率和質(zhì)量，它可以使傳統(tǒng)的電網(wǎng)和用戶行為朝著能源利用的方向發(fā)生重大變化。需要政府政策來促進智能電網(wǎng)的實施。由于這只是現(xiàn)代電網(wǎng)新時代的開始，因此仍有大量潛力可用于改進和實施此概念。

近期趨勢

在過去的十年中，智能電網(wǎng)的研究和進步已經(jīng)大大增加。這就是為什么智能電網(wǎng)技術已從虛擬現(xiàn)實和概念轉(zhuǎn)移到實施階段的原因。過去五年來，智能電網(wǎng)方面的研究有了巨大的增長，不久之后，它將以更大的靈活性和更有效的方式改變配電領域的格局。
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