美國智慧型電網測試環境

智慧型電網的發展需要與之相適應的測試能力，測試環境將成為智慧型電網突破性發展的核心推動力。通過梳理美國智慧型電網測試環境的案例，分析了美國智慧型電網測試環境發展的特點，研究了美國國家標準技術研究院提出的發展思路。美國國家標準技術研究院和美國能源部的協調和引領、研究機構資源和能力的協同、公共基礎資源的共享和遠程訪問，形成了美國智慧型電網測試環境發展的合力。智慧型電網測試環境的發展，應以滿足智慧型電網發展需要為出發點，以模組化、互聯互通為發展方向。共享和遠程開放需作為高度互聯的信息物理融合系統基礎性和獨特性測試資源建設的重要原則。

基本介紹

• 中文名：美國智慧型電網測試環境
• 外文名：Smart Grid Testbeds in the United States
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 發展思路：模組化、互聯互通
• 發展目的：提升分散式能源和微網的性能

背景

隨著越來越多的分散式可再生能源、電動汽車、儲能和需求回響設施接入電網，隨著越來越複雜的電力電了、控制和通信技術的套用，智慧型電網已經發展成為高度互聯的信息物理融合系統。電力信息物理融合系統的網路通訊架構、控制體系、安全風險傳播機制等是傳統電網未曾涉及或者遠不能比擬的。為了實現智慧型電網的堅韌、可靠和安全特性，須要與之相適應的標準體系和測試能力保障。

美國作為最早提出智慧型電網理念和實施路線圖的國家，不僅同步開展了測試環境的研究和建設，而且在評估總結試點工程的基礎上，開展了測試環境的頂層設計和建設引導。美國國家標準技術研究院認為，測試環境是智慧型電網發展的關鍵資源之一，並將成為智慧型電網突破性發展的核心推動力。美國對智慧型電網測試環境的高端定位、頂層引領協同、全面系統集成等均是其它國家未曾企及的。

美國智慧型電網測試環境發展的特點

智慧型電網測試環境的初始目的是測試某一特定需求功能。隨著智慧型電網的發展，測試環境的定位、構成和能力不斷擴展和深化。

擴展測試功能，適應新型構成的電網發展

美國從能源部國家實驗室、州立大學、研究機構到電力公司，在智慧型電網建設初期就同步開展了大量的智慧型電網測試環境建設。有文獻提供了美國從能源部國家實驗室、大學以及企業現有的近40個智慧型電網測試環境清單和簡介。也有文獻從促進協同和互操作的角度，提供了10個美國從能源部國家實驗室、杜克能源等5個電力公司以及伊利諾伊大學等7個大學測試環境的測試內容。每個測試環境都各具特色。其中，美國從能源部所屬的國家可再生能源實驗室的能源系統集成設施建立於2013年，集成了電力系統、熱力系統、燃料系統的測試裝備，具有高性能建模和仿真能力，提供兆瓦級的電力硬體在環(Power hardware-in-the-loop, PHIL)測試環境，開展新能源技術的全功率實時模擬測試和評估，以及可再生能源高比例接入電網的穩定性等研究。隨著高級配電管理系統、用戶能源管理等理念和技術的發展，美國國家可再生能源實驗室充分發揮其電力設備在環、建模、仿真的獨特優勢，不斷擴展能源系統集成設施的構成和功能。

美國國家可再生能源實驗室在能源系統集成設施基礎上增加了通信層，連線電力系統實時模擬器、電力設備和網路設備，構建了微網測試平台，開展微網電能質量、微網控制器、微網模式切換等測試。美國國家可再生能源實驗室與杜克能源、GE公司一起，正在構建配電管理系統綜合測試環境，實現智慧型逆變器等設備與配電管理系統模擬電網的實時狀態互動，開展電壓無功最佳化套用等測試工作，形成了高級配電管理系統測試環境的雛形。 美國國家可再生能源實驗室利用能源系統集成設施的分散式能源仿真功能、電力硬體在環的實時網路仿真能力，採用主動網路管理控制技術，加強智慧型家居及其設備的集成，協同控制住宅光伏發電、電動汽車充電和儲能系統，管理反向功率、需求回響服務，提高電網承載能力。

美國國家可再生能源實驗室的能源系統集成設施在技術研究和套用中承擔著獨特的作用。美國從能源部近期發布的《高級配電管理系統2016-2020五年規劃》徵求意見稿，明確指出將充分發揮美國國家可再生能源實驗室的能源系統集成設施現有能力，建立逼真的高級配電管理系統測試環境，評估和解決高級配電管理系統技術套用中面臨的挑戰。2015年美國國家可再生能源實驗室參與合作，為Miramar海軍陸戰隊航空站建立了完全依賴太陽能和電池的微網。為降低項目風險，項目團隊利用能源系統集成設施，模擬MCAS環境，先行開展了概念驗證。

多種形式、功能、系統的集成和互動

智慧型電網是電力、通信和IT無縫集成的信息物理融合系統，其測試環境的架構和實施是一門科學。

十幾年前建立的美國國家SCADA測試環境，成功開展了控制系統風險評估、漏洞修補、加固驗證等工作，其中的發電、輸電等組成都是由真實設備構成，實物部署的大量成本限制了類似測試環境的發展。

愛達荷國家實驗室的電網可靠性和控制系統測試環境，由自主運行的輸電系統、配電系統以及實時全數字的電磁暫態電力系統仿真器構成，模擬真實電力系統環境，與電力系統控制和保護裝置直接連線，開展繼電器保護和控制系統的實時閉環測試等安全研究。

為解決清潔能源與電網的無縫集成問題，美國國家可再生能源實驗室主導了電網研究和技術實驗的集成網路測試環境項目(INTEGRATE)。項目部署了主動網路管理，集成了配電控制系統、微網能源管理系統(EMS)和智慧型家居EMS，還將建立太陽能光伏、電動汽車、智慧型建築、燃料電池技術和風電等電網服務能力模型，利用實時白主的確定性控制，連線和管理配電網中的分散式能源。項目研究了設備安全互操作的信息通信和計算架構標準，研究和示範清潔能源技術的整體電網服務能力。

真實運行數據促進測試環境的成效

美國國家標準技術研究院認為電力系統、通信和控制集成的逼真模擬是高度互聯的信息物理融合系統測試環境發展的關鍵問題，同時，高度互聯的信息物理融合系統數據的缺失也是影響測試環境發展的重要因素。

西北太平洋國家實驗室的電力基礎設施運行中心匯集了北美東西部電網的真實數據，在智慧型電網測試和技術研究中占據著獨特的地位。西北太平洋國家實驗室發揮其擁有的真實電網數據、行業領先軟體等優勢，開展系統監視和分析研究，不僅能提供整個電網的實時狀態和分析數據，而且可精確地預測即將發生的故障及其回響措施。北美東西部電網的真實數據為西北太平洋國家實驗室的時序配電系統仿真分析工具GridLAB-D,電網運行和規劃技術集成軟體Grid OPTICS的開發和測試，提供了數據基礎。美國國家可再生能源實驗室在配電管理系統綜合測試環境中，利用杜克能源提供的實際數據，模擬北卡羅來納州的配電饋線，可以超實時仿真杜克能源即將出現的運行狀況。

通信成為測試環境的支撐和專題研究對象

在傳統電網中，通信是三大重要支撐技術之一。在智慧型電網中，通訊貫穿整個智慧型電網架構，承擔智慧型電網各組成之問以及對外信息互動。目前智慧型網通信的性能、適宜性、互操作性和安全性還存在很多問題有待解決。有文獻闡述了智慧型電網通信網路的總體架構，分析了高級量測網路、變電站網路、配電網路的通信延遲、頻寬等通信參數。

有研究認為，智慧型電網是電力基礎設施和通信基礎設施的組合。通訊與電力系統的融合成為研究關注點。橡樹嶺國家實驗室的分散式能源通信和控制實驗室，為分散式能源、負荷回響、智慧型逆變器和微網控制、通信和保護等研究，提供了獨特的測試環境。工業網際網路聯盟的微網通信和控制測試環境，集成了基於數據發布服務的通信平台和分散式邊緣分析處理和控制套用，引入了實時分析和控制，增強了設備之問、設備與控制中心、設備與雲數據通信的可行性。為加快智慧型電網通信及其標準的開發，美國國家標準技術研究院開展了智慧型電網通信網路研究項目，採用GridLAB-D模擬配電網，並與ns-3集成，形成了閉環的協同模擬架構，捕獲電力和通信系統的互動，評估PMU數據網等各種網路結構性能，研究評估不同場景下各種通信協定的性能及其提升方法。

網路安全成為測試環境的研究方向

網路安全涉及智慧型電網的方方面面，同時雲計算、物聯網等新技術的發展、PMU等實時監控以及再生能源集成的不斷增長，帶來智慧型電網信息安全的變化和發展。智慧型電網的網路安全，不僅需要分析和防範單個攻擊，更要防禦協同攻擊的影響；不僅需要研究單個控制系統的安全方案，而且需要研究廣域控制的整體安全機制；不僅需要關注安全事件的監測、防護，而且需要研究事件中關鍵系統和關鍵服務的堅韌性以及事件後的快速恢復。智慧型電網各組成的安全要求及其防禦措施各具特色，同時又有共通的分析和防護技術、策略和方法。

美國國家標準技術研究院發布的《美國智慧型電網信息安全指南》提出了智慧型電網信息安全分析框架，認為智慧型電網的信息安全需要在計算機系統和電力系統的技術、過程操作和管理等方面尋求平衡。有文獻認為，入侵監測等通用的網路安全措施有助於降低智慧型電網的安全風險，但因智慧型電網的信息物理融合特性，這些通用的解決方案不能滿足智慧型電網的安全需求。智慧型電網的網路安全需要跨越IT層面，與電力系統緊密結合，從電力系統角度分析網路風險結果，形成信息物理安全機制。

美國智慧型電網測試環境的發展思路

模組化

智慧型電網測試環境的模組化，可以在一個環境中模擬多種集成方式，評估系統各種不同結構的性能，提升測試環境和基礎設施的互聯能力，提升智慧型電網與交通系統、應急回響等其他領域高度互聯的信息物理融合系統連線測試的靈活性。

理想的模組化、組合式的測試環境應擁有面向服務的、可擴展的、典型的能源系統結構；擁有可互操作、與硬體無關的可靈活配置的基本架構，具備與各種接口互動的能力，能捕捉數據傳輸速率、延遲等特性，是嵌入式測試過程。

開發模組化、可擴展的測試環境面臨技術複雜和成本高等問題，同時由於測試整體工作缺少路線指引和運作標準，目前模組化組合式測試環境還沒有成熟的案例。

互聯互通

大規模高度互聯的信息物理融合系統測試環境的開發和維護需要大量的資源，互聯互通共享成為智慧型電網測試環境發展的方向。美國國家標準技術研究院認為，互動式能源等新興概念、控制系統互操作性、大數據分析、開放式數據交換、系統安全和可靠性、集成標準和協定等智慧型電網技術研究需要測試環境的互聯。電動汽車的電網接入、智慧型建築系統與配電運行的互動也需要跨套用、跨領域的測試環境互聯。

測試環境的互連面臨基礎設施共享、資源調配、系統互操作性、數據信息交換等一系列技術和觀念挑戰。美國國家標準技術研究院, 美國從能源部國家實驗室已在開展互聯試驗。

美國智慧型電網測試環境發展的行動策略

測試環境發展的協同和協調

美國國家標準技術研究院於2014年組織了來白行業、學術界和國家實驗室的專家，建立工作組，以智慧型電網有待解決的問題為切入點，分析了智慧型電網測試環境的發展需求，發布了技術白皮書“MeasurementChallenges and Opportunities for Developing SmartGrid Testbeds”，就智慧型電網測試環境的定位和發展方向形成共識。

2015年11月美國國家科學基金會成立了可遠程訪問的信息物理融合測試環境工作組，研究遠程可訪問的信息物理融合測試平台的建立和維護相關問題，計畫2017年7月提交工作報告。

概念設計和理論驗證

美國國家標準技術研究院根據MCODSGT報告的分析結果，啟動了智慧型電網測試環境項目，建立一組互聯和互動的實驗室，驗證智慧型電網的互操作性和性能標準，加速智慧型電網互操作標準開發，最佳化系統級的運行和控制技術，增強輸電和配電系統的廣域狀態感知，提升分散式能源和微網的性能。

2015年10月美國國家標準技術研究院啟動了信息物理融合系統測試環境概念設計項目，研發高度互聯的信息物理融合系統測試環境模組化的總體設計原則和設計概念，指導高度互聯的信息物理融合系統測試環境的開發、運行和發展，形成了跨行業互聯的高度互聯的信息物理融合系統測試環境的建設計畫。

測試能力與技術套用發展的同步規劃

美國從能源部於2016年8月發布了《高級配電管理系統2016-2020五年規劃》(簡稱高級配電管理系統 MYPP)徵求意見稿，將高級配電管理系統測試環境與高級配電管理系統開發等作為技術研究領域之一，同步開展規劃研究。

高級配電管理系統測試環境將以美國國家可再生能源實驗室的能源系統集成設施為基礎，採用開放的模組化框架，利用大規模電網仿真以及真實系統數據，集成多個供應商的軟體和硬體組件，建立逼真的高級配電管理系統測試環境，測試評估高級配電管理系統功能對系統運行的影響、高級配電管理系統系統組成之問的互操作、高級配電管理系統與硬體設備的相互作用以及高級配電管理系統的薄弱環節和堅韌性等。高級配電管理系統 MYPP還提出了高級配電管理系統測試環境的建議結構圖，其核心包括商業化的配電管理系統系統、能源系統集成設施的模擬控制室功能、與輸配電EMS等各種模擬器的互動等。

地理分布的實時仿真平台的互聯試驗研究

在美國從能源部的INTEGRATE項目資助下，美國國家可再生能源實驗室 ,愛達荷國家實驗室和西北太平洋國家實驗室三個國家實驗室聯合研究開發新型聯合實時仿真平台，連線分布在不同地理區域的美國國家可再生能源實驗室的能源系統集成設施電力硬體在環、愛達荷國家實驗室輸電測試網的控制器硬體在環實時模擬器，形成協同模擬的虛擬實驗室，開展大規模的電力和能源系統的動態和暫態分析。項目團隊已成功通過網際網路實時連線了美國國家可再生能源實驗室, 愛達荷國家實驗室兩個實驗室的實時數字仿真器，研究解決了數據傳輸延遲等問題，開發了地理分布的測試系統的電網等效技術。這預示著世界任何地方的軟硬體將可以實時連線、綜合利用美國國家實驗室獨特的設施和能力，開展更大規模的電力和能源系統的建模和研究。

基礎測試資源的遠程共享訪問

由美國國家科學基金會和國土安全部共同投資、南加州大學和加州大學伯克利分校等共同建立的DETER，是一個可遠程共享訪問的網路安全技術測試環境，由PC集群和控制層組成，可以為用戶建立獨特的網路環境，提供許多攻擊和惡意軟體的模型和工具，開展信息安全技術的開發和測試。

美國智慧型電網測試環境發展的啟示

智慧型電網高度集成、高度融合、高度白治的特性推進了智慧型電網測試環境的研究和發展，同時，測試環境的發展也成為智慧型電網發展的核心動力。美國智慧型電網測試環境已成為美國智慧型電網發展的重要資源和主要技術研究領域，已處於頂層設計引領、全面系統性集成、初步共享互聯階段。

模組化、互聯互通是美國智慧型電網測試環境的發展方向，這一特徵值得借鑑。實時數字仿真、電力硬體在環、網路在環成為測試環境的重要元素，通訊與電力系統的融合、信息與物理融合的安全機製成為智慧型電網測試環境發展的重要關注點。

美國國家標準技術研究院和美國從能源部的協調和引領、研究機構資源和能力的協同、DETER等公共基礎資源的遠程共享，形成了美國智慧型電網測試環境發展的合力，將共同推動智慧型電網的突破性發展。

美國智慧型電網測試環境的行動策略同時也表明了富有成效的頂層設計從形成到落地的關鍵節點的核心內容。美國智慧型電網測試環境發展的頂層設計啟動於測試環境由初級向高級發展之時，解決智慧型電網發展需求是其切入點，前期的理論研究和實踐經驗的總結分析是其堅實的基礎，對智慧型電網測試環境的定位和發展方向達成共識是頂層設計的目標，集中核心力量開展關鍵技術的概念設計、驗證和試點是頂層設計落地的重要環節。

我國智慧型電網測試環境發展幾點建議

近年來，我國智慧型電網的基礎設施建設、白主研發技術水平等方面都有巨大發展，但在測試環境建設發展的系統性以及成效等方面較已開發國家仍然有一定差距。

美國智慧型電網測試環境已從各白獨立建設套用、發揮著重要但有限作用的初級階段進入頂層設計引領、推進更大規模能源系統的研究的高級階段。美國智慧型電網測試環境的發展思路、策略以及路徑值得我們借鑑。首先，將測試環境作為智慧型電網發展的重要技術領域之一，加強智慧型電網的測試環境的研究、規劃和建設。其次，加強智慧型電網測試工作的整體組織協調。組織來白電力、通信和計算機等專業的專家成立智慧型電網測試環境工作組：協調整個智慧型電網的測試活動；形成我國智慧型電網測試環境現狀分析；分析測試環境對智慧型電網可能的業務提升點；以滿足智慧型電網發展需要為出發點，統籌測試環境資源的規劃、建設和共享，明確目標，達成共識；加強測試工作的人力資源培養，注重知識結構的系統性。

技術研究方面，建議在模組化、互聯互通方向的指引下，協調各類測試資源和能力的建設和發展。加強通信、網路安全測試的基礎研究及其與電力系統融合的理論研究。以互聯共享、可遠程訪問為導向，建設通信、網路、安全、數據分析等基礎測試資源，支撐各領域高度互聯的信息物理融合系統的發展。電力技術研究型測試環境應在充分利用公共資源的基礎上，建設深度研究分析的組合式的測試環境，同時考慮獨特資源的開放和互聯能力。整體協調和有序推進系統模型、仿真工具和測試數據的積累、驗證和開放共享，特別是真實運行數據的匿名化和共享。

結語

目前，作為智慧型電網的延仲和擴展，能源網際網路的概念、技術研究和試驗項目在我國迅速興起。為確保能源網際網路的可持續發展，能源網際網路的測試環境研究和建設可能將是當務之急。借鑑美國智慧型電網的發展經驗，適時就測試環境的發展方向和策略在能源領域達成共識，儘快形成符合我國發展特點的能源網際網路測試環境發展策略，協調跨行業各類測試資源的協同建設和發展，促進我國能源網際網路的長期可持續發展。