智能电网：基础设施、相关技术及解决方案

　　关于本书（前勒口）
　　智能电网到底是什么？为什么它受到了如此广泛的关注？电力企业、设备供应商和监管者正在为发展智能电网做些什么？为了回答这些问题，以及更多的相关问题，《智能电网：基础设施、相关技术及解决方案》一书为读者给出了更加清晰的描述，使读者能够更好理解当前电力工业界*为热门的话题——智能电网的发展驱动力及相关基础设施。本书汇集了一大批**专家和行业领导者在各自领域所拥有的知识和观点。
　　本书主要特征: 
　　描述了电力工业界试图发生改变的内在动力；
　　探讨了智能电网理念的商业驱动力、预期收益及市场前景；
　　审视了智能电网建设方案及其支撑技术的技术框架；
　　描述了智能电网领域中技术发展及标准协调所扮演的角色，包括在为实现智能电网而努力的过程中出现的多种新理念和新组织；
　　同时展示了业界当前的技术及新技术中所蕴涵的前瞻性观点；
　　从电力企业、监管方和消费者等不同的视角深入探讨了成功建设智能电网所需面对的各种障碍和关键因素；
　　总结了全世界范围内近年来关于智能电网的**成果；
　　对下一代智能电网的内在驱动力和必要技术做了展望。
　　智能电网的内涵不仅限于其字面含义，而在于其为电力企业、用电用户、社会和环境所带来的巨大效益。本书在对相关领域目前的发展程度及未来将面对的挑战进行广泛研究的基础上，为我们提供了一个全球的视角，告诉我们智能电网如何将21世纪的新技术与20世纪的电网**地结合起来。

 

　　本书全面阐述了当前智能电网领域的基本理念、*技术、工业标准和相关政策法规，以及智能电网在全球范围内的实践情况，使读者能对智能电网这一当今电力工业界的热门话题建立起全局性的概念。书中的智能电网不是对当前电力系统的简单修补和数字化，而是对电力系统的各个方面都有更新换代的要求，所涉及的范围相当广泛。本书通过大量技术细节的介绍，辅之以详尽直观的图表，使对电力系统任一侧面感兴趣的读者都能获得大量有价值的信息，进而理解和把握相关的知识，乃至以之为基础对相应领域进行更加深入的研究。
　　本书适用于从事电力系统的规划、运行、设备制造等专业人员及电气专业学生和教师使用，也可以作为任何对智能电网感兴趣人士的入门读物。

译者序
原书序
原书前言
致谢
本书作者
贡献者列表
第1章 电力行业概况
1.1 美国：电力行业历史回顾
1.1.1 电气化和监管
1.1.2 1965年美国东北部停电事件
1.1.3 1973～1974年能源危机
1.1.4 放松管制
1.1.5 2000～2001年西部能源危机
1.1.6 2003年东北部大停电
1.2 世界其他地区
1.2.1 西欧和东欧
1.2.2 拉丁美洲
1.2.3 中东和非洲
1.2.4 亚太地区
1.3 电力监管体系
致谢
参考文献

第2章 智能电网是什么？为什么现在提出？
2.1 智能电网还是更加智能的电网？
2.2 智能电网的驱动力
2.3 利益：不仅仅是商业上的论证
2.3.1 电力公司的利益
2.3.2 用户利益
2.3.3 环境利益
2.3.4 提高可再生清洁能源的比重
2.3.5 电动汽车与电网的整合
2.3.6 协同收益
2.4 美国电力行业面临的挑战
2.4.1 发电和能源结构的变化
2.4.1.1 煤
2.4.1.2 天然气
2.4.1.3核能
2.4.1.4 燃油
2.4.1.5可再生能源发电
2.4.1.6储能技术
2.4.1.7用户需求管理
2.4.2 输电线路扩建
2.4.3 新的需求
2.4.4 新技术带来的机遇
2.4.5 监管所面临的挑战
2.5 联邦政府对美国智能电网的影响
2.5.1 2007年能源独立与安全法案，第XIII编
2.5.2 2009年美国复苏与再投资法案
2.5.3 美国能源部
2.5.3.1智能电网示范项目和投资补贴
2.5.3.2智能电网工作组
2.5.3.3电力咨询委员会
2.5.4 美国国家标准与技术研究院
2.5.4.1智能电网互操作性工作组
2.5.4.2智能电网咨询委员会
2.5.5 联邦能源管理委员会
2.6 国际条约和非政府组织
2.6.1 条约和谈判
2.6.2 国家、地区的行动和先例
2.6.2.1亚洲/太平洋地区
2.6.2.2欧洲
2.6.2.3非洲/拉丁美洲
2.6.3 非政府组织
2.7 智能电网行业计划
2.7.1 EPRI的IntelliGrid方法
2.7.2 EPRI智能电网示范计划
2.7.3 智能能源协会
2.7.4 智能电网协会
2.7.5 智能电网架构委员会
2.7.6 国际电工委员会第57技术委员会
2.7.7 IEC智能电网战略小组（SG 3）
2.7.8 英国低碳转型计划
2.7.9 电力网络战略小组
2.7.10 OFGEM低碳网络基金
2.7.11 欧洲可再生能源战略
2.7.12 可持续电力和分布式发电中心
2.7.13 智能电网信息交换中心
2.8 智能电网的市场前景
2.8.1 市场驱动力
2.8.2 市场潜力
2.8.3 智能电网和IT支出预测

第3章 智能电网技术
3.1 技术驱动力
3.1.1 电网改造
3.1.2 智能电网的特征
3.1.3 智能电网技术框架

3.2智能能源
3.2.1可再生能源发电
3.2.1.1智能电网下的市场调控与驱动
3.2.1.2集中式发电与分布式发电
3.2.1.3可再生能源技术
3.2.1.4智能电网中的可再生能源需
3.2.2储能系统
3.2.2.1储能技术在智能电网条件下的市场调控与驱动
3.2.2.2集中式与分布式储能系统
3.2.2.3储能技术
3.2.3电动汽车
3.2.3.1智能电网下的市场调控与驱动
3.2.3.2电动汽车技术
3.2.3.3电动汽车对电网的影响
3.2.4微网
3.2.4.1微网的定义
3.2.4.2发展微网的驱动力
3.2.4.3微网的收益
3.2.4.4微网的挑战与机遇
3.2.4.5微网试点工程
3.2.4.6微网的类型
3.2.4.7微网的架构
3.2.5新能源接入的挑战、收益及方案
3.2.5.1接入标准
3.2.5.2可再生能源接入的影响
3.2.5.3电动汽车接入的影响

3.3.智能变电站
3.3.1 保护、监测和控制设备（IED）
3.3.2传感器
3.3.3监控与数据采集（SCADA）
3.3.3.1主站
3.3.3.2远程终端设备
3.3.4变电站技术的进步
3.3.5智能馈线应用平台
3.3.6互操作性和IEC61850
3.3.6.1过程层
3.3.6.2 间隔层
3.3.6.3站层
3.3.6.4IEC61850的优点
3.3.7基于IEC61850的变电站设计
3.3.7.1变电站设计模式的转变
3.3.7.2IEC61850变电站层次结构
3.3.7.3IEC61850变电站架构
3.3.7.4基于站层总线的架构
3.3.7.5站层和过程总线架构
3.3.8变电站在智能电网中的角色
3.3.8.1工程与设计
3.3.8.2通信基础设施
3.3.8.3运行和维护
3.3.8.4企业集成
3.3.8.5试验与调试

3.4输电系统
3.4.1能量管理系统
3.4.1.1能量管理系统的历史
3.4.1.2当前的EMS技术
3.4.1.3智能电网能量管理系统的发展
3.4.1.4 控制系统网络安全方面的考虑
3.4.2柔性交流输电和高压直流输电
3.4.2.1 电力系统的发展
3.4.2.2 灵活交流输电系统
3.4.2.3 高压直流输电
3.4.3广域监测、保护和控制（WAMPAC）
3.4.3.1概述
3.4.3.2 WAMPAC的技术驱动力及其优点
3.4.3.3智能电网中的WAMPAC需求
3.4.3.4主要的WAMPAC应用实例
3.4.3.5WAMPAC在智能电网中的角色
3.4.4输电系统在智能电网中的角色

3.5配电系统
3.5.1配电网管理系统
3.5.1.1配电网SCADA
3.5.1.2配电网SCADA及控制的发展趋势
3.5.1.3配电网管理系统现状
3.5.1.4配电网管理系统的发展趋势
3.5.2电压无功控制（VVC）
3.5.2.1电力传输损耗
3.5.2.2配电网的电压波动
3.5.2.3电压对负荷的影响
3.5.2.4VVC的动机、目的和效益
3.5.2.5变电站内的VVC装置
3.5.2.6馈线上的VVC装置
3.5.2.7VVC的实现
3.5.2.8电压无功优化（VVO）
3.5.3故障监测、隔离和恢复供电（FDIR）
3.5.3.1配电网系统故障
3.5.3.2FDIR的驱动力、目标与益处
3.5.3.3FDIR设备
3.5.3.4FDIR的实现
3.5.3.5智能电网的可靠性要求
3.5.4停电管理（OMS）
3.5.5高效配电变压器

3.6通信系统
3.6.1通信：智能电网的关键条件
3.6.2智能电网通信需求
3.6.2.1高级计量体系中的通信技术
3.6.2.2智能电网运行的通信技术
3.6.2.3家庭局域网
3.6.3智能电网的无线网络解决方案
3.6.3.1蜂窝通信
3.6.3.2 射频无线网状网络
3.6.4通信标准和协议
3.6.4.1IEC 61850
3.6.4.2DNP3和IEC 60870-5
3.6.4.3IEEE 37.118
3.6.4.4IEC 61968-9和MultiSpeak
3.6.4.5ANSI C12.19、ANSI C12.18、ANSI C12.21和ANSI C12.22
3.6.4.6高可用性协议
3.6.4.7时间同步协议
3.6.5智能电网中的通信问题
3.6.5.1技术复杂性的处理
3.6.5.2遗留技术整合、转移、和技术生命周期
3.6.5.3通信服务规划和演变趋势
3.6.5.4无线网络的网络安全
3.6.5.5管理和组织的挑战
3.6.6智能电网通信：集成路线图

3.7 监视和诊断
3.7.1体系结构
3.7.1.1层次1：就地层
3.7.1.2层次2：站/馈线层次
3.7.1.3层次3：中央控制室层次
3.7.2无线传感器网络
3.7.3诊断
3.7.4未来的趋势

3.8地理空间技术
3.8.1技术路线图
3.8.1.1纸质地图的时代
3.8.1.2 数字地图的出现
3.8.1.3从地图到地理空间信息系统
3.8.1.4在电力企业各层面的应用
3.8.1.5发展中国家地理空间技术的应用
3.8.2发展中的电网
3.8.3地理空间中的智能电网
3.8.3.1核心空间功能
3.8.3.2电网的规划和设计
3.8.3.3电网的运行和维护
3.8.3.4移动的地理空间信息技术
3.8.3.5吸引用户
3.8.4智能电网对地理空间技术的影响
3.8.4.1规模上的处理
3.8.4.2向实时化转变
3.8.4.3支持分散的用户
3.8.4.4可用性
3.8.4.5可视化
3.8.4.6相关标准
3.8.4.7数据质量
3.8.4.8更加开放：传感器和其他数据源
3.8.4.9更加封闭：出于安全性考虑
3.8.4.10更加封闭：出于私密性考虑
3.8.5未来的方向
3.8.5.1结构
3.8.5.2云计算
3.8.5.3新地理技术(Neo-Geo)的地位

3.9 资产管理
3.9.1资产管理的驱动力
3.9.1.1安全性
3.9.1.2可靠性
3.9.1.3经济性
3.9.1.4监管体制
3.9.2资产利用优化
3.9.3资产管理的实施
3.9.4当智能电网遭遇商业行为：电力运行部门眼中的资产管理
3.9.4.1资产状态监测
3.9.4.2 对劳动力更有效的管理
3.9.4.3电力部门资产管理应用实例
3.9.5当智能电网遭遇用户实际需求：用户眼中的资产管理
3.9.5.1现场发电
3.9.5.2能量需求及消费的管理
3.9.6集中化数据驱动的资产管理
3.9.6.1数据采集
3.9.6.2数据集成及分析
3.9.6.3基于数据的决策
3.9.6.4决策的实施
3.9.7资产管理与地理空间信息的整合
3.9.8智能电网背景下的先进资产管理技术

3.10智能电表及高级计量体系（AMI）
3.10.1电表的演化过程
3.10.2电表读数方法的演化过程
3.10.3建设高级计量体系的驱动力及所带来的效益
3.10.4 高级计量体系的通讯协议、标准及典型方案
3.10.4.1ANSI C.12.18及C.12.19
3.10.4.2IEC 61968-9：通用信息模型
3.10.4.3IEC 62056 DLMS-COSEM标准
3.10.4.4北美电力可靠性委员会：关键设施继电保护安全性需求书
3.10.4.5美国国家标准技术局
3.10.4.6 智能能源规范
3.10.4.7通用信息模型
3.10.4.8802.16e
3.10.5高级计量体系的安全性
3.10.5.1高级计量体系的安全战略
3.10.5.2高级计量体系的安全性需求
3.10.5.3AMI安全性方面所面对的威胁
3.10.5.4AMI的实用安全性规范
3.10.6智能电网中的高级计量体系需求
3.10.6.1计量数据的读取
3.10.6.2 内部设备的管理
3.10.6.3远程配置
3.10.6.4固件升级
3.10.6.5时钟同步
3.10.6.6确保本地访问
3.10.6.7试验和诊断
3.10.

　　本书评论（后勒口）
　　“电力工业界的技术管理者们将会发现本书是非常有趣的，因为它的所有阐述都基于一系列全新的观点，介绍了各种可能的全新技术，可以为我们带来全新的产品及业务内容。电力工业界的技术人员也会发现这本书是非常有价值的，他们可以从中了解到智能电网的未来发展，以及基于目前技术基础上的各种新技术。电力监管者和标准制定者同样会把本书当作非常有价值的信息源，基于书中介绍到的各种新的技术标准和监管策略，他们可以把握电力工业未来可能出现的各种新政策。”
　　—IEEE电气绝缘杂志，2013年11月/12月
　　“本书作者从相关领域的科研和工程实践中归纳总结出大量有用的信息，让读者得以了解如何把当前的输配电网升级成‘智能电网’，介绍了如何利用相关技术来从更高层面对电力系统进行有效的了解和控制。”
　　—美国电力公司Thomas F. Weaver，美国俄亥俄州哥伦布市译者序

　　电力工业迈入21世纪，已经经历了100多年的历史。在此期间，电力系统所服务的现代文明社会发生了翻天覆地的变化，各种新技术、新理论层出不穷，使得我们当前生活的世界极其丰富多彩。一般而言，新技术的出现总会让我们的生活更加舒适，让我们适应和改造世界的力量更加强大，因此通常都会被人们积极地接纳和采用。然而当电力系统面对这些新生事物时，却往往表现出非常强烈的惰性。毫不夸张地说，电力工业可能是当今接受新技术慢的行业之一。正如本书原文中所说：“尽管一个世纪的时光已经过去，我们会发现当前的电力系统相关技术与19世纪末相比并无显著区别。当时使用的铜质电缆、木质电线杆、变压器以及各种计量表计等设备，目前仍然是电力系统的重要组成部分。”尽管书中所描述的是美国的情景，但在中国的电力工业界也不同程度地存在类似的现象。
　　造成这一局面有诸多深层次的原因。首先，众所周知，电力工业是现代社会真正的支柱行业，对经济、社会和人们的日常生活来讲都是不可或缺的。为了确保电力系统始终具备持续供电的能力，业界往往倾向于采用已被实践证明非常成熟的技术，而不是更加先进（同时相对而言也更加不可靠）的技术。其次，电力企业的组织架构往往具有分层分片的特征，客观上来说这为电力系统的灵活高效运行带来了重要保证，已经在全世界范围内得到了充分验证；然而，从另一个角度来看，过多的层次和过于复杂的管理体系也会削弱电力企业内部采纳新技术和新理念的效率和积极性。后，电力工业是典型的资本密集型工业，规划建设的输配电项目动辄涉及数千万乃至数十亿元的投资，某种新技术或新设备被引入电力系统，往往意味着一大批同类乃至相关的昂贵设备被替换，出于电力企业经济性和资本安全的考虑，决策者和政策制定者也不得不采取慎重的策略。
　　然而，当前全球的能源环境已迫使电力工业不得不接受新技术和新理念来拓展自身的生存和发展空间。一方面，随着人们生活水平的提高，对能源的需求也急剧增加。举例来说，我们通常所用的个人电脑的功率只有几十上百瓦，而大型企业的数据中心消耗功率可达上千千瓦，像谷歌、亚马逊这样十分依赖数据分析技术的IT企业，为支持企业基本业务所需的耗能更是天文数字。另一方面，全球变暖所带来的危害有目共睹，严格限制温室气体排放已成为全世界的共识，电力工业作为主要的（有可能是的）温室气体排放源，承受了巨大的压力。若继续沿用已存在数十上百年的陈旧技术，则电力工业将面临被时代淘汰的严重后果。可以说，目前在全世界范围内出现的建设智能电网的热潮是被电能生产和使用两方面倒逼的必然结果。
　　当然，是否意识到需要建设智能电网是一回事，如何把智能电网真正建设起来又是另一回事。电力系统作为复杂的人造系统，几乎涉及到当今所有的学科。仔细想来，从基本的数学、物理、化学，到的IT技术、材料科学，乃至经济学和法学领域的成果，在电力工业界都大有用武之地。既然建设智能电网并不是简单的技术改造，或不仅仅意味着电力系统的数字化，就必然涉及到前面所提到的所有内容。在开始着手建设真正的智能电网之前，必须要理清思路，对智能电网的发展沿革及所涉及各方面内容做全面把握。为达到此目的，本书是一个不可多得的资源。
　　原书卷帙浩繁，基本涵盖了目前关于智能电网的各方面的内容。全书的结构比较特殊，由于智能电网主要还是一个技术问题，故关于智能电网的技术所占篇幅（第3章），几占全书篇幅的80%左右，所论述的内容包括电能生产、输送、使用的各个环节，以及通信、监测诊断、高级计量体系、智能电网下的新管理手段和新技术、各种IT技术等诸多方面。本书其他的内容涉及当前全球电力发展概况、智能电网的现状以及发展趋势等。尽管当前智能电网领域的理论和技术发展迅速，但本书具有相当的前瞻性，所涉及内容在今后相当长的一段时间内都有极佳的参考价值。
　　本书翻译的分工如下：戴栋负责第1～2章、第4～6章及第3.1节，钟庆负责第3.2及第3.5节，李海峰负责第3.3～3.4节及第3.7节，朱林负责第3.6节、第3.8节和第3.13～3.14节，武志刚负责第3.9～3.12节和第3.15节。武志刚负责全书的统稿和校对。罗玲、林亚君、高苏、王素云也参加了部分翻译工作。
　　在本书的翻译过程中，翻译组的各位同事通力合作，群策群力，在完成繁重的教学和科研工作的同时，力争给读者提供准确的译文表述，以及有价值的专业知识。与此同时，在翻译过程的各个环节都得到了机械工业出版社刘星宁编辑的大力帮助和指导，值此译稿完成之际致以深深谢意。
　　由于译者能挤压出的时间有限，以及囿于专业知识和翻译水平所限，读者所能见到的译稿定有很多疏漏之处，欢迎广大读者批评指正。