智能电网通信 使电网智能化成为可能

?1.连接电力系统工程与计算机通信领域之间的桥梁；
?2.涵盖从发电到用电的智能电网，既包括当前智能电网的计划，又包括智能电网未来如何发展；
?3.从传统的电力系统和通信的角度来探索智能电网；
?4.讨论所有智能电网涉及的电力系统、通信和机器学习；
?5.介绍了电力系统信息理论这一新领域；
?6.配套网站http://wwww.wiley.com/go/bush_smart提供了章后习题答案。
 

《智能电网通信——使电网智能化成为可能》全面阐述了智能电网、智能电网通信和网络技术。全书共分三大部分：第1部分回顾了传统电力系统及其基本法则，分析了智能电网的驱动因素和目标，介绍了发电、输电、配电和用电等电力系统基本组成部分；第2部分介绍了通信网络这个智能电网的主要推动者，阐述了电力系统信息理论和通信架构、需求响应和高级量测体系、分布式发电和输电、配电自动化和智能电网通信标准；第3部分将通信技术应用到实际电网中，并展望了纳米电网和机器智能等智能电网前沿技术。《智能电网通信——使电网智能化成为可能》通过电力系统、通信和网络技术的交叉，为读者提供了一个理解电力系统和通信网络技术的途径，从而为人们探索和发现电力、能源和信息之间的新型关系提供了动力。

史蒂芬•F.布什毕业于卡内基梅隆大学，并在通用电气公司信息服务部门工作。在这儿，当他作为一名研究人员在堪萨斯大学信息与通信技术中心工作时获得了博士学位。
布什博士目前在通用电气公司全球研发中心担任杰出科学家，在那里他发表了许多会议论文和期刊论文，出版了一些专著，并指导了有关新型通信和网络主题的国际会议专题报告。布什博士曾获得美国国防部高级研究计划局（DARPA）颁发的金杯，表彰他在主动网络研究领域的研究工作。布什博士一直是DARPA和洛克希德马丁公司赞助的许多研究项目的主要研究者，包括：主动式网络(DARPA/ITO)、信息保障和生存能力工程工具(DARPA/ISO)、容错式网络(DARPA/ATO) 和无连接网络(DARPA/ATO)，涉及能源感知传感器网络。
布什博士是IEEE通信协会标准化项目开发委员会的负责人，也是IEEE智能电网通信新兴技术分委员会的成员，是为纳米和分子通信框架标准工作组做推荐工作的IEEEP1906.1的主席。他还担任了IEEE智能电网通信技术方面的杰出讲师。

译者序
原书前言
作者简介
致谢
缩略语表
第一部分电力系统：主要组成部分
第1章 智能电网之前的电力系统介绍2
1.1概述2
1.2传统的电网6
1.2.1电网中的早期通信网络9
1.2.2电网和通信网络两者之间的一个类比15
1.3电力基本法则18
1.3.1电荷、电压和接地18
1.3.2电导率19
1.3.3欧姆定律20
1.3.4电路21
1.3.5电磁场22
1.3.6电磁感应23
1.3.7电路基础25
1.3.8磁路27
1.4案例研究：停电事故的事后分析29
1.4.1停电事故的启示29
1.4.2一个简单的案例研究31
1.5智能电网驱动因素36
1.6智能电网的目标37
1.6.1在数字经济中提供满足一系列需要的电能质量38
1.6.2容纳所有发电和存储单元38
1.6.3拥有新的产品、服务和市场38
1.6.4使用户能积极参与38
1.6.5有弹性地运行以抵御物理攻击、网络攻击和自然灾害39
1.6.6以自愈方式预期和响应系统扰动39
1.6.7优化资产利用和运行效率39
1.7标准简括40
1.8从能量和信息到智能电网及其通信40
1.9小结41
1.10习题43

第2章 发电46
2.1引言46
2.2集中式发电48
2.2.1交流电48
2.2.2复功率和无功功率52
2.2.3电能质量55
2.2.4发电56
2.3管理和控制：SCADA系统介绍61
2.3.1效率和环境66
2.4能量存储67
2.5小结71
2.6习题71

第3章 输电73
3.1引言73
3.2电网基本组成部分76
3.2.1控制中心76
3.2.2变压器77
3.2.3电容器组78
3.2.4继电器和重合闸装置79
3.2.5变电站79
3.2.6逆变器79
3.3经典电网分析技术81
3.3.1频率分析81
3.3.2标幺制系统82
3.3.3相量82
3.3.4潮流分析84
3.3.5故障分析88
3.3.6状态估计89
3.3.7柔性交流输电系统90
3.4输电面临的挑战90
3.4.1集成电压-无功功率控制91
3.4.2地磁感应电流93
3.4.3质量问题94
3.4.4大规模同步95
3.4.5输电市场96
3.5无线电能传输96
3.6小结97
3.7习题97

第4章 配电99
4.1引言99
4.1.1配电系统中的变压器103
4.1.2馈线106
4.1.3电力线106
4.1.4配电拓扑109
4.1.5配电系统设计110
4.2保护技术114
4.2.1熔断器、断路器、继电器和重合闸装置114
4.2.2距离保护117
4.2.3纵联保护118
4.2.4保护和稳定性119
4.2.5特殊保护方案和校正措施方案119
4.2.6录波器119
4.2.7保护协调120
4.3降压节能120
4.4配电线载波121
4.5小结122
4.6习题122

第5章 用电124
5.1引言124
5.2负荷125
5.2.1电力市场131
5.2.2重组的含义134
5.2.3频率136
5.2.4系统运行与管理137
5.2.5自动化：智能电网的诱因138
5.2.6人类影响因素139
5.3用电变化140
5.4用户的观点140
5.5可见性142
5.5.1微电网143
5.6用户灵活性147
5.6.1用户能量管理147
5.6.2插电式电动汽车149
5.7小结149
5.8习题150

第二部分 通信网络：推动者
第6章 什么是智能电网通信154
6.1引言154
6.1.1麦克斯韦方程组158
6.1.2特征系统和图谱159
6.2能量和信息159
6.2.1追溯信息的物理现象160
6.3系统观点164
6.4电力系统信息理论165
6.4.1复杂理论172
6.4.2网络编码173
6.4.3信息理论和网络科学175
6.4.4网络科学和路由177
6.4.5压缩感知技术177
6.5通信架构180
6.5.1智能电网应用与通信181
6.5.2主动网络182
6.6无线通信介绍186
6.6.1电磁辐射186
6.6.2波动方程188
6.7小结193
6.8习题194

第7章 需求响应和高级量测体系195
7.1引言195
7.2需求响应196
7.3高级量测体系199
7.4IEEE 802.15.4、6LoWPAN、ROLL 和 RPL 203
7.4.1电力线电压和通信的关系203
7.4.2IEEE 802介绍203
7.4.3IEEE 802.15介绍204
7.4.4IEEE 802.15.4 204
7.4.5IEEE 802.15.4g智能公用网络介绍209
7.4.66LoWPAN介绍209
7.4.7Ripple路由协议、低功率和低损耗网络路由介绍210
7.5IEEE 802.11 212
7.6小结213
7.7习题214

第8章 分布式发电和输电216
8.1引言216
8.2分布式发电217
8.2.1分布式控制 222
8.2.2大量小型发电机并网224
8.2.3分布式发电：未来展望226
8.2.4光伏发电227
8.3智能输电系统230
8.3.1柔性交流输电系统231
8.4无线电能传输232
8.5广域监测235
8.6网络控制246
8.7小结249
8.8习题250

第9章 配电自动化252
9.1引言252
9.1.1性能指标255
9.2应用配电自动化实现保护配合256
9.2.1时间-电流曲线256
9.3自愈、通信和配电自动化259
9.3.1配电拓扑结构261
9.3.2一个算法实例261
9.3.3一个简化的配电系统保护通信模型263
9.3.4通信模型264
9.3.5配电保护通信系统概率诠释266
9.3.6WiMAX介绍272
9.3.7WiMAX网络模式274
9.4小结276
9.5习题276

第10章 标准概述278
10.1引言278
10.2美国国家标准技术研究所279
10.3国际电工委员会280
10.4国际大电网委员会284
10.5美国电气电子工程师学会284
10.6美国国家标准学会288
10.7国际电信联盟291
10.8美国电力科学研究院292
10.9其他标准化活动293
10.9.1Modbus293
10.9.2电力线载波294
10.9.3微软电力和公用事业智能能源参考架构294
10.10小结297
10.11习题297

第三部分 终极目标：智能电网嵌入式和分布式智能
第11章 电网中的机器智能300
11.1引言300
11

原书前言

1.目的
如果生活中突然没有了电，哪怕只有几个小时，文明的核心就会消失，成群的美国市民马上开始哄抢和制造混乱。那个场面一定非常可怕，社会必定变得非常不安定、不和谐。
——Alexander Solzhenitsyn 于哈佛毕业纪念日午后练习课
1978年6月8日，星期四

对于那些不是非常精通电力系统和通信技术的读者来说，他们很自然会对这门不断发展的技术的许多方面感到好奇。例如，电力系统和通信技术是如何发展到目前的状态并创造出“智能电网”等一系列术语的？当然，电力系统和通信技术是电气工程的两个分支并都包含对电能的控制。那为什么两个领域相去甚远？思考这些问题又会引出更多的基础问题。电力系统和信息到底是什么关系？具体来说，就是电力系统和通信理论的基本关系是什么？思考这些问题有助于我们解决更多实际问题。通信效率对电能传输和分配效率具有怎样的潜在影响？什么类型的通信技术最适合电网的不同部分?考虑遥远的未来也是非常有趣的。在未来几十年，电网会变成什么样?无线电能传输如何使电网发生巨大变革?其基本限制因素是什么?有没有分布式发电数量的根本限制？如果有，应该如何克服该限制？电网中的通信技术真地能如人们所预想的那样使更多的用户参与、机器智能化和自组织化吗？你的特别研究对未来电网有所贡献的机会在哪里？《智能电网通信——使电网智能化成为可能》将通过电力系统和通信技术的交叉，为您解决以上问题和其他问题提供必需的知识储备。对信息和图论专家以及网络科学研究者来说，深刻理解先进的电力系统信息理论和网络分析技术以在电力系统领域实施快速、高效、可行的解决方案是非常重要的。
《智能电网通信——使电网智能化成为可能》的主要目的是在电力系统工程和计算机通信领域之间搭建一座桥梁。据我所知，在这次电网“现代化”过程的早期阶段，许多电力系统工程师都有点过于自信，认为通信系统在任何情况下都能够可靠、高效能、低延迟地工作。当然有这种观点并不奇怪，因为当今时代通信网络几乎无处不在，并且嵌入了越来越小的设备。对于非通信工程师而言，认为通信网络已经不存在问题且已准备好应用于任何地方是很自然的。从另一个方面来说，由于电网也已无处不在且又如此可靠，大多数非电力系统工程师也想当然地认为电力技术已经不存在问题。事实上，我们中的大多数人认为电源插座很容易找到，并且我们的电子设备只要插到插座上就能很好地工作。很少有人在将插头插入插座或操作他们的电子设备时考虑电网的复杂性。从某种意义上来说，电网和通信取得了它们各自的成功——电网和通信网络都被想当然地认为几乎在任何情况、任何应用背景下都能完美地工作。读者很快就会发现，电网和通信系统本身来说都是高度复杂的系统，它们的结合将会产生更加深远的影响。
《智能电网通信——使电网智能化成为可能》的另一个目的是避免本书先前所提到的糟糕假设成为可能：展示不断发展中的电网所具有的复杂性和操作要求，将所谓的“智能电网”展现给通信网络工程师；同样，将通信系统的复杂性和操作要求展现给电力系统工程师。在撰写本书的时候，很少有实际工作者在电力系统、计算机通信和网络这些领域都具有很深的造诣。因此，本书的又一个目的，可能也是最重要的目的，就是为读者提供一个理解电力系统和通信网络技术的基本途径。电力系统涵盖很宽的知识范围，从大功率电力设备本体到保护机制再到潮流和稳定性分析。同样，通信网络也涵盖了信号处理、信息理论、图论和网络安全等多个主题。我希望电力系统和通信的这些主题以新颖的方式有机结合从而创造比它们简单叠加大得多的效应。换句话说，对电力系统工程师而言，如果在指导通信工程师实施电网通信时，仅仅考虑电力系统传统学科，那将是令人羞愧的事情；也就是说，那将失去在他们的领域中融入新的创意的机会。同样，对通信工程师而言，如果盲目服从电力系统工程师的指导并实施电网通信，而没有考虑电力系统和通信之间更好的结合方式，那也是令人羞愧的事情。我希望本书能够成为人们探索和发现电力、能源和信息之间根本新型关系的动力。
《智能电网通信——使电网智能化成为可能》最重要的目标是专注于基础知识——那些最难改变的基本概念。智能电网标准与技术目前处于快速演变时期；在可以预见的未来，这种演变将会继续进行。因此，无论现有的标准和技术看上去是多么优秀，它们都将迅速改变或消失。对读者来说，理解更多接近系统运行物理现象的基本概念更有意义。例如，理解电网中每千瓦功率输送产生的信息熵和射频通信功率损耗比理解一系列监控和数据采集协议详细的信息包结构更有价值。值得一提的是，6.3节阐述了能量、通信及所需计算之间的基本关系。这些关系非常好，即使是通信和电力系统专家也应该重视。鉴于技术变化之快速，就像理解生物体的演化过程一样，理解技术所经历的可预测的演变过程非常重要。例如，市场压力和知识产权的本质驱动着技术朝着我们所预测的方向发展，