城市化，生活水平的提高和技術(shù)的進(jìn)步增加了對(duì)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(hù)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(zhǎng)時(shí)間。這通常稱為電網(wǎng)。自從使用電力以來(lái)，即使隨著技術(shù)的進(jìn)步，全球電網(wǎng)也具有相似的結(jié)構(gòu)，動(dòng)力學(xué)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(dāng)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(yīng)不足，不鼓勵(lì)集成分布式能源。傳統(tǒng)的非智能系統(tǒng)缺乏監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制，這為智能電網(wǎng)作為實(shí)時(shí)解決方案創(chuàng)造了一個(gè)挑戰(zhàn)性的機(jī)會(huì)。要解決這些問(wèn)題，就需要對(duì)電力輸送結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底的改革。

智能電網(wǎng)技術(shù)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(shè)計(jì)的概念旨在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可觀察性，創(chuàng)建資產(chǎn)的可控制性，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的性能和安全性，尤其是運(yùn)營(yíng)，維護(hù)和計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)方面。這就是為什么還考慮將智能電網(wǎng)技術(shù)用于微電網(wǎng)級(jí)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(luò)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(fù)。它還將討論智能電網(wǎng)如何改變電網(wǎng)技術(shù)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(méi)有特定的智能電網(wǎng)起點(diǎn)。隨著電力分配系統(tǒng)的啟動(dòng)，這個(gè)概念開(kāi)始發(fā)展。到那時(shí)，需要不同的要求，例如控制，監(jiān)控，價(jià)格以及電力傳輸和分配的服務(wù)。通常，智能電網(wǎng)的實(shí)施與智能電表的安裝相關(guān)。最新發(fā)展正在考慮的基本需求是通過(guò)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(fèi)者，需要一種被稱為電網(wǎng)的電導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)。如果該網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)控制和監(jiān)視系統(tǒng)，那么它可能就是智能電網(wǎng)。從技術(shù)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(dòng)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(jìn)行通信，存儲(chǔ)甚至決策。

智能電網(wǎng)是一種智能的電力網(wǎng)絡(luò)，它整合了所有利益相關(guān)者的行為，這些利益相關(guān)者是發(fā)電機(jī)，消費(fèi)者以及兩者的所有利益相關(guān)者，以便以經(jīng)濟(jì)，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(shí)施的單一技術(shù)。它的利益相關(guān)者增加了它的廣泛性和依賴性。

它為利益相關(guān)者提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以最大化其電氣網(wǎng)絡(luò)的效率，可靠性，經(jīng)濟(jì)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(wú)缺陷和無(wú)誤差系統(tǒng)。智能電網(wǎng)有潛力檢測(cè)任何故障并允許系統(tǒng)自我修復(fù)。常規(guī)電網(wǎng)存在有關(guān)可再生資源，微電網(wǎng)和需求響應(yīng)的相互作用的問(wèn)題。隨著需求的增加，這些網(wǎng)格的尺寸和復(fù)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(wèn)題。為此，智能電網(wǎng)具有監(jiān)視和存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)并評(píng)估其服務(wù)可靠性的能力。還可以遠(yuǎn)程監(jiān)視電網(wǎng)的混合發(fā)電和管理，從而增強(qiáng)其可靠性。動(dòng)態(tài)隨機(jī)最優(yōu)潮流（DSOPF）等技術(shù)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(wèn)題之一。隨著自動(dòng)化程度的提高，對(duì)網(wǎng)格的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制使網(wǎng)格更容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。根據(jù)電力研究所的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是智能電網(wǎng)的最大問(wèn)題之一。Suleiman等人提出了一種方法，該方法可通過(guò)使用智能電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)待分析和集成系統(tǒng)安全威脅模型來(lái)識(shí)別通常由攻擊者利用的智能電網(wǎng)的弱點(diǎn)。同樣，在2014年，Ashok等人從協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡(luò)攻擊角度提出了一種解決廣域監(jiān)視和保護(hù)與控制的網(wǎng)絡(luò)物理安全問(wèn)題的方法，最終將提高安全性。在智能電網(wǎng)的不同安全領(lǐng)域中，一些有前途的正在進(jìn)行的研究包括：具有多個(gè)數(shù)據(jù)使用者的保護(hù)隱私的智能計(jì)量，使用環(huán)網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)和安全威脅模型的智能電網(wǎng)中的正交代碼隱私機(jī)制。由于安全性將被視為實(shí)施智能電網(wǎng)技術(shù)的最大障礙之一，因此正在進(jìn)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(guò)兩種通信能力提供給需求方或用戶與電網(wǎng)進(jìn)行交互。它為消費(fèi)者提供了一種以經(jīng)濟(jì)的方式使用電力的機(jī)會(huì)。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(guò)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(dāng)前，為了解決經(jīng)濟(jì)，可靠性和經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題，在智能電網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)行了大量投資，包括需求側(cè)資源，負(fù)荷管理系統(tǒng)和能源效率計(jì)劃。通常，需求方管理系統(tǒng)僅關(guān)注公用事業(yè)公司與消費(fèi)者之間的通信。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，這個(gè)定義也開(kāi)始了設(shè)備和公用事業(yè)的革命，成為被稱為“智能設(shè)備”的“智能”設(shè)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(luò)協(xié)議提供了對(duì)家用電器進(jìn)行無(wú)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(guān)者進(jìn)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(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸悄堋薄?/p>

測(cè)光

配電系統(tǒng)中的自動(dòng)化與智能自動(dòng)儀表相關(guān)聯(lián)。計(jì)量提供了一個(gè)通道，以實(shí)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(zhǔn)確的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，還可以幫助消費(fèi)者控制電能的使用。這些儀表配備了用于自動(dòng)化，電能質(zhì)量監(jiān)控和停電通知的傳感器。電力市場(chǎng)放松管制后價(jià)格上漲，消費(fèi)者不滿意以及鼓勵(lì)智能電表的月度電表指示都有不同的驅(qū)動(dòng)因素。

高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)架構(gòu)（AMI）提供了一種實(shí)時(shí)解決方案，該解決方案可以收集消費(fèi)者數(shù)據(jù)并提供從電網(wǎng)到公用事業(yè)部門(mén)的通信網(wǎng)絡(luò)。AMI通過(guò)將消費(fèi)者與配電系統(tǒng)相結(jié)合，為大型電網(wǎng)的現(xiàn)代化提供了前進(jìn)的機(jī)會(huì)。它為停電管理，電動(dòng)汽車和智能設(shè)備的集成，變壓器和饋線監(jiān)控以及故障隔離提供了機(jī)會(huì)。研究人員設(shè)計(jì)了一種用于通過(guò)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS）進(jìn)行配電自動(dòng)化的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通過(guò)本地控制措施解決擁堵的能力，而對(duì)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(yáng)能，風(fēng)能，電池存儲(chǔ)設(shè)備）發(fā)電是充分考慮滿足不斷增長(zhǎng)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(shí)段電網(wǎng)的電力壓力。通常，這些資源的站點(diǎn)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)。甚至有時(shí)候，不可能有一個(gè)完整的功能網(wǎng)格來(lái)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(gè)龐大的配電網(wǎng)絡(luò)。因此，使用大量的微網(wǎng)格和源將導(dǎo)致要處理大量數(shù)據(jù)。因此，研究人員通過(guò)使用一種架構(gòu)來(lái)解決此問(wèn)題，該架構(gòu)在整個(gè)電網(wǎng)中使用智能系統(tǒng)來(lái)有效地分配電源。

自我修復(fù)

對(duì)于一個(gè)健壯的智能電網(wǎng)，它不應(yīng)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(yīng)。對(duì)于具有自我修復(fù)能力的電網(wǎng)，它使用實(shí)時(shí)通信和安裝在整個(gè)電網(wǎng)中的數(shù)字組件來(lái)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(cuò)誤可能引起的潛在問(wèn)題。這些智能系統(tǒng)會(huì)立即對(duì)任何此類異常做出反應(yīng)，并在問(wèn)題滾滾而成為大問(wèn)題并造成重大停電之前將問(wèn)題系統(tǒng)隔離出來(lái)，并自動(dòng)重新分配電力傳輸以實(shí)現(xiàn)連續(xù)服務(wù)，除非消除了錯(cuò)誤。具有自我修復(fù)功能的智能電網(wǎng)有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

新技術(shù)與研究

為了智能電網(wǎng)的發(fā)展，正在進(jìn)行許多正在進(jìn)行的研究活動(dòng)，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(shù)上。很難涵蓋所有這些研究和進(jìn)步，但是本節(jié)將介紹與智能電網(wǎng)相關(guān)的一些著名的最新技術(shù)和研究活動(dòng)。

能源管理系統(tǒng)

對(duì)于可靠的電網(wǎng)，至關(guān)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(fù)雜的組件。這些組件通過(guò)某些計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行通信并一起工作。因此，規(guī)劃和在網(wǎng)格上的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)互操作性來(lái)完成的。NIST發(fā)起了智能電網(wǎng)互操作性（SGIP），它負(fù)責(zé)制定和維護(hù)智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并且涉及的所有組件都必須進(jìn)行有效的通信和運(yùn)行。還有責(zé)任為電網(wǎng)的所有利益相關(guān)者（包括客戶，市場(chǎng)，服務(wù)提供商，電力系統(tǒng)，發(fā)電，輸電和配電網(wǎng)絡(luò)）提供一個(gè)平臺(tái)，以共同形成一個(gè)現(xiàn)代，可靠和高效的電網(wǎng)系統(tǒng)。為了理解和實(shí)施能源管理，電網(wǎng)和用戶端都必須發(fā)揮作用。諸如先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI），用于電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全之類的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中的自我決策功能，從而使能源管理系統(tǒng)對(duì)智能電網(wǎng)更為現(xiàn)實(shí)。

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(guò)計(jì)算和通信功能，將整個(gè)世界壓縮到一只手中，它使生活變得更輕松，自動(dòng)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(lái)交互這些組件的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)有望完全填補(bǔ)所有這些特征，從而將智能電網(wǎng)帶入新時(shí)代。但是，隨著這項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，一些嚴(yán)重的安全問(wèn)題出現(xiàn)了，包括假冒，數(shù)據(jù)篡改，濫用，授權(quán)，隱私問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)攻擊。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)智能電網(wǎng)必須具有身份驗(yàn)證，機(jī)密性，用戶隱私和數(shù)據(jù)完整性等服務(wù)，以避免任何安全風(fēng)險(xiǎn)。物聯(lián)網(wǎng)為客戶提供的連接性，可以提高他們的體驗(yàn)和效率。它允許客戶與電網(wǎng)進(jìn)行靈活輕松的交互，從而通過(guò)診斷和鄰域范圍內(nèi)的抄表功能來(lái)降低成本。簡(jiǎn)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(yùn)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(guān)鍵作用。智能電網(wǎng)技術(shù)中的大數(shù)據(jù)面臨許多挑戰(zhàn)，包括從存儲(chǔ)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(yīng)用。

從不同的傳感器，無(wú)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(lái)預(yù)測(cè)，并且也將有助于充分識(shí)別功率使用的模式。這最終將對(duì)實(shí)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(guān)的大量數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有“ 4V”（體積，速度，多樣性和價(jià)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(duì)大數(shù)據(jù)的分析開(kāi)發(fā)了不同的算法和模型，但仍然存在與大數(shù)據(jù)相關(guān)的一些主要問(wèn)題，例如：IT基礎(chǔ)架構(gòu)，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(lái)研究

智能電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行大量研究。在智能電網(wǎng)的不同領(lǐng)域中，針對(duì)不同方面的未來(lái)研究仍具有很大的潛力。其中包括預(yù)測(cè)，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(jì)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(dòng)化等方面的標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步可以經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方式改變能源的利用。智能電網(wǎng)概念的演進(jìn)有潛力通過(guò)減少碳排放并與更多可再生能源組合來(lái)以最佳方式滿足未來(lái)所有能源利用需求。通過(guò)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(lái)促進(jìn)智能電網(wǎng)的實(shí)施。由于這只是現(xiàn)代電網(wǎng)新時(shí)代的開(kāi)始，因此仍有大量潛力可用于改進(jìn)和實(shí)施此概念。

近期趨勢(shì)

在過(guò)去的十年中，智能電網(wǎng)的研究和進(jìn)步已經(jīng)大大增加。這就是為什么智能電網(wǎng)技術(shù)已從虛擬現(xiàn)實(shí)和概念轉(zhuǎn)移到實(shí)施階段的原因。過(guò)去五年來(lái)，智能電網(wǎng)方面的研究有了巨大的增長(zhǎng)，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(lǐng)域的格局。
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