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美国智能电网测试环境发展特点和行动策略

时间:2017-08-17 17:53来源:电网技术杂志 作者:fei
《环球表计》信息站播报:

  智能电网的发展需要与之相适应的测试能力,测试环境将成为智能电网突破性发展的核心推动力。通过梳理美国智能电网测试环境的案例,分析了美国智能电网测试环境发展的特点,研究了美国国家标准技术研究院 (National Institute of Standards and Technology,NIST)提出的发展机遇和发展思路,总结分析了美国智能电网测试环境提升发展的行动策略以及给我们的启示。NIST 和能源部(Department of Energy,DOE)的协调和引领、研究机构资源和能力的协同、公共基础资源的共享和远程访问,形成了美国智能电网测试环境发展的合力。智能电网测试环境的发展,应以满足智能电网发展需要为出发点,以模块化、互联互通为发展方向。

  共享和远程开放需作为信息物理融合系统(cyber physic system,CPS)基础性和独特性测试资源建设的重要原则。系统模型、仿真工具和测试数据的积累和使用也需要整体协调、有序推进和充分共享。

  关键词:智能电网;信息物理融合系统;测试环境;模块化;互联;通信

  0 引言

  随着越来越多的分布式可再生能源、电动汽车、储能和需求响应设施接入电网,随着越来越复杂的电力电子、控制和通信技术的应用,智能电网已经发展成为高度互联的信息物理融合系统(cyber physic system,CPS)[1]。电力信息物理融合系统的网络通信架构、控制体系、安全风险传播机制等是传统电网未曾涉及或者远不能比拟的。为了实现智能电网的坚韧、可靠和安全特性,须要与之相适应的标准体系和测试能力保障。

  美国作为最早提出智能电网理念和实施路线图的国家,不仅同步开展了测试环境的研究和建设,而且在评估总结试点工程的基础上,开展了测试环境的顶层设计和建设引导。美国国家标准技术研 究 院 (National Institute of Standards and Technology,NIST)认为,测试环境是智能电网发展的关键资源之一,并将成为智能电网突破性发展的核心推动力[2]。美国对智能电网测试环境的高端定位、顶层引领协同、全面系统集成等均是其他国家未曾企及的。

  本文通过梳理美国智能电网测试环境的案例,分析了美国智能电网测试环境发展的特点,探究了NIST 提出的智能电网测试环境的发展机遇、技术挑战和战略布局,剖析了美国智能电网测试环境提升发展的行动策略及其给我们的启示,提出了我国智能电网测试环境发展建议。

  1 美国智能电网测试环境发展的特点

  智能电网测试环境的初始目的是测试某一特定需求功能。随着智能电网的发展,测试环境的定位、构成及能力不断扩展和深化。

  1.1 扩展测试功能,适应新型构成的电网发展

  美国从能源部(Department of Energy,DOE)国家实验室、州立大学、研究机构到电力公司,在智能电网建设初期就同步开展了大量的智能电网测试环境建设。文献[2]提供了 DOE 国家实验室、大学以及企业现有的近 40 个智能电网测试环境清单和简介。文献[3]从促进协同和互操作的角度,提供了 10 个 DOE 国家实验室、杜克能源等 5 个电力公司以及伊利诺伊大学等 7 个大学测试环境的测试内容。每个测试环境都各具特色。其中,DOE 所属的国家可再生能源实验室(National Renewable Energy

  Laboratory,NREL)的能源系统集成设施(EnergySystems Integration Facility,ESIF)建立于 2013 年,集成了电力系统、热力系统、燃料系统的测试装备,具有高性能建模和仿真能力,提供兆瓦级的电力硬件在环(power hardware-in-the-loop,PHIL)测试环境,开展新能源技术的全功率实时模拟测试和评估,以及可再生能源高比例接入电网的稳定性等研究。随着高级配电管理系统(advanced distribution management systems,ADMS)、用户能源管理等理念和技术的发展,NREL 充分发挥其电力设备在环、建模、仿真的独特优势,不断扩展 ESIF 的构成和功能。

  NREL 在 ESIF 基础上增加了通信层,连接电力系统实时模拟器、电力设备和网络设备,构建了微网测试平台,开展微网电能质量、微网控制器、微网模式切换等测试[4]。NREL 与杜克能源、GE 公司一 起,正在构建配电管理系统(distribution management system,DMS)综合测试环境,实现智

  能逆变器等设备与 DMS 模拟电网的实时状态交互,开展电压无功优化应用等测试工作,形成了ADMS 测试环境的雏形[5]。NREL 利用 ESIF 的分布式能源仿真功能、电力硬件在环的实时网络仿真能力,采用主动网络管理(active network management,ANM)控制技术,加强智能家居及其设备的集成,协同控制住宅光伏发电、电动汽车充电和储能系统,管理反向功率、需求响应服务,提高电网承载能力[6] 。

  NREL 的 ESIF 在技术研究和应用中承担着独特的作用。DOE 近期发布的《高级配电管理系统2016—2020 五年规划》征求意见稿(简称 ADMSMYPP)[7],明确指出将充分发挥 NREL 的 ESIF 现有能力,建立逼真的 ADMS 测试环境,评估和解决ADMS 技术应用中面临的挑战。2015 年 NREL 参与合作,为 Miramar 海军陆战队航空站(Marine Corps Air Station,MCAS)建立了完全依赖太阳能和电池的微网。为降低项目风险,项目团队利用 ESIF,模拟 MCAS 环境,先行开展了概念验证[5]。

  

 

  表1 列出了美国 DOE 国家实验室和大学的部分智能电网测试环境的功能扩展情况。从表 1 中可以看出,虽然各实验室和大学建设的测试平台各具特色,但网络安全和通信都成为其基本组成,一方面是因为通信和网络安全贯穿整个智能电网架构;另一方面也反映了通信和网络安全的重要性。

  1.2 多种形式、功能、系统的集成和交互

  智能电网是电力、通信和 IT 无缝集成的信息物理融合系统,其测试环境的架构和实施是一门科学[8]。

  十几年前建立的美国国家数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)测试环境,成功开展了控制系统风险评估、漏洞修补、加固验证等工作,其中的发电、输电等组成都是由真实设备构成,实物部署的大量成本限制了类似测试环境的发展[9]。文献[10]提出 CPS 测试环境应体现网络、控制和物理系统之间的交互,实物、仿真、模拟的混合模型是建立可扩展、高保真、有成效的 CPS 测试环境的核心。实时数字仿真、电力硬件在环、网络在环成为测试环境的普遍且重要元素。

  爱达荷国家实验室 (Idaho National Laboratory,INL)的电网可靠性和控制系统测试环境,由自主运行的输电系统、配电系统以及实时全数字的电磁暂态电力系统仿真器构成,模拟真实电力系统环境,与电力系统控制和保护装置直接连接,开展继电器保护和控制系统的实时闭环测试等安全研究[11]。

  为解决清洁能源与电网的无缝集成问题,NREL 主导了电网研究和技术实验的集成网络测试环境项目(integrated network testbed for energy grid research and technology experimentation ,INTEGRATE)。项目部署了主动网络管理,集成了配 电 控 制 系 统 、 微 网 能 源 管 理 系 统 (Energy Management Systems,EMS)和智能家居 EMS,还将建立太阳能光伏、电动汽车、智能建筑、燃料电池技术和风电等电网服务能力模型,利用实时自主的确定性控制,连接和管理配电网中的分布式能源。项目研究了设备安全互操作的信息通信和计算架构标准,研究和示范清洁能源技术的整体电网服务能力[12]。

  1.3 真实运行数据促进测试环境的成效

  NIST 认为电力系统、通信和控制集成的逼真模拟是 CPS 测试环境发展的关键问题,同时,CPS数据的缺失也是影响测试环境发展的重要因素[2]。西 北 太 平 洋 国 家 实 验 室 (Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的电力基础设施运行中心汇集了北美东西部电网的真实数据,在智能电网测试和技术研究中占据着独特的地位。PNNL 发挥其拥有的真实电网数据、行业领先软件等优势,开展系统监视和分析研究,不仅能提供整个电网的实时状态和分析数据,而且可精确地预测即将发生的故障及其响应措施。北美东西部电网的真实数据为PNNL 的时序配电系统仿真分析工具 Grid LAB-D、电网运行和规划技术集成软件 Grid OPTICS 的开发和测试,提供了数据基础[13]。NREL 在 DMS 综合测试环境中,利用杜克能源提供的实际数据,模拟北卡罗来纳州的配电馈线,可以超实时仿真杜克能源即将出现的运行状况[5]。文献[6]采用了 PecanStreet 提供的科罗拉多州家庭的每一分钟实际负荷以及太阳能光伏的实际输出数据,用于智能家居、ANM 技术的测试环境。Pecan Street 为研究人员提供了最大的客户能源数据源[14]。

  1.4 通信成为测试环境的支撑和专题研究对象

  在传统电网中,通信是三大重要支撑技术之一。在智能电网中,通信贯穿整个智能电网架构,承担智能电网各组成之间以及对外信息交互。目前智能电网通信的性能、适宜性、互操作性和安全性还存在很多问题有待解决[2]。文献[15]阐述了智能电网通信网络的总体架构,分析了高级量测(advanced metering infrastructure,AMI)网络、变电站网络、配电网络的通信延迟、带宽等通信参数。文献[16]分析了智能电网通信架构的服务质量、互操作、安全性、标准化等关键要求。美国电科院Electric Power Research Institute,EPRI)组织工业界和研究机构研究制定了开放的互操作系统的标准及测试方法,分析了面向智能电网控制的近场通信、应急通信技术、同步通信架构和配用电 4G 通信技术[2]。

  文献[8]认为,智能电网是电力基础设施和通信基础设施的组合。通信与电力系统的融合成为研究关注点。橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的分布式能源通信和控制实验室,为分布式能源、负荷响应、智能逆变器和微网控制、通信和保护等研究,提供了独特的测试环境[17]。工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium,IIC)的微网通信和控制测试环境,集成了基于数据发布服务的通信平台和分布式边缘分析处理和控制应用,引入了实时分析和控制,增强了设备之间、设备与控制中心、设备与云数据通信的可行性[18]。

  为加快智能电网通信及其标准的开发,NIST 开展了智能电网通信网络研究项目,采用 Grid LAB-D模拟配电网,并与 ns-3 集成,形成了闭环的协同模拟架构,捕获电力和通信系统的交互,评估相量测量装置(phasor measurement unit,PMU)数据网等各种网络结构性能,研究评估不同场景下各种通信协议的性能及其提升方法[19]。

  1.5 网络安全成为测试环境的研究方向

  网络安全涉及智能电网的方方面面,同时云计算、物联网等新技术的发展、PMU 等实时监控以及再生能源集成的不断增长,带来智能电网信息安全的变化和发展。智能电网的网络安全,不仅需要分析和防范单个攻击,更要防御协同攻击的影响;不仅需要研究单个控制系统的安全方案,而且需要研究广域控制的整体安全机制;不仅需要关注安全事件的监测、防护,而且需要研究事件中关键系统和关键服务的坚韧性(Resilience)以及事件后的快速恢复[20-22]。智能电网各组成的安全要求及其防御措施各具特色,同时又有共通的分析和防护技术、策

  略和方法。NIST 发布的《美国智能电网信息安全指南》提出了智能电网信息安全分析框架,认为智能电网的信息安全需要在计算机系统和电力系统的技术、过程操作和管理等方面寻求平衡。文献[23]认为,入侵监测等通用的网络安全措施有助于降低智能电网的安全风险,但因智能电网的信息物理融合特性,这些通用的解决方案不能满足智能电网的安全需求。智能电网的网络安全需要跨越 IT 层面,与电力系统紧密结合,从电力系统角度分析网络风险结果,形成信息物理安全机制。文献[24]指出信息物理融合系统的网络安全问题不同于传统的网络安全,必须理解信息与物理系统的相互作用和影响,需要高保真地复制一定规模的 CPS 系统,这是智能电网坚韧性研究的关键要素。智能电网网络安全测试充分体现了系统性和集成性的特性。

  文献[25]将 IT层面的防护技术与具体的物理对象相结合,建立了模拟的控制网络与仿真的物理模型实时交互的测试环境,采用网络入侵检测技术,分析物理模型和控制器之间的真实通信流量,测试验证工业控制过程的入侵监测系统。伊利诺伊大学的智能电网测试环境,不仅关注电网网络基础设施的风险、入侵的有效监测和快速分析,而且还关注突发事件后的快速恢复。NREL 建立的分布式配电系统的网络安全测试环境,利用软硬件系统模拟配电系统、通信和网络安全层,评估配电网信息安全保护模式的作用[5]。爱荷华州立大学的智能电网安全测试环境 Power Cyber,集成 SCADA 以及模拟和仿真技术,提供了一个逼真的电网控制基础设施,可以模拟大电力系统的监测、保护和控制功能,准确展示智能电网信息物理融合的相互依赖关系。同时,Power Cyber 还集成了虚拟因特网技术,可以模拟互联网规模的事件和攻击,开展薄弱环节分析和系统影响研究,开展风险评估和攻击防御评估[9]。

  2 美国智能电网测试环境的发展思路

  按照 NIST 的规划和发展目标,目前美国测试环境在智能电网发展中发挥着重要但仍然有限的作用,处于初级向高级发展的提升阶段。未来 5 年,测试环境可在如表 2 所示方面推进智能电网的发展。在此基础上,NIST 提出模块化和互联互通是美国智能电网测试环境的发展方向[2]。

  2.1 模块化

  智能电网测试环境的模块化,可以在一个环境中模拟多种集成方式,评估系统各种不同结构的性能,提升测试环境和基础设施的互联能力,提升智能电网与交通系统、应急响应等其他领域 CPS 连接测试的灵活性。

  理想的模块化、组合式的测试环境应拥有面向服务的、可扩展的、典型的能源系统结构;拥有可互操作、与硬件无关的可灵活配置的基本架构;具备与各种接口交互的能力;能捕捉数据传输速率、延迟等特性;是嵌入式测试过程。

  开发模块化、可扩展的测试环境面临技术复杂和成本高等问题,同时由于测试整体工作缺少路线指引和运作标准,目前模块化组合式测试环境还没有成熟的案例。

  2.2 互联互通

  大规模 CPS 测试环境的开发和维护需要大量的资源,互联互通共享成为智能电网测试环境发展的方向。NIST 认为,交互式能源等新兴概念、控制系统互操作性、大数据分析、开放式数据交换、系统安全和可靠性、集成标准和协议等智能电网技术研究需要测试环境的互联。电动汽车的电网接入、智能建筑系统与配电运行的交互也需要跨应用、跨领域的测试环境互联。

  测试环境的互连面临基础设施共享、资源调配、系统互操作性、数据信息交换等一系列技术和观念挑战。NIST、DOE 国家实验室已在开展互联试验。

  

 

  3 美国智能电网测试环境发展的行动策略

  3.1 测试环境发展的协同和协调

  NIST 于 2014 年组织了来自行业、学术界和国家实验室的专家,建立工作组,以智能电网有待解决的问题为切入点,分析了智能电网测试环境的发展需求,发布了技术白皮书 “Measurement Challenges and Opportunities for Developing Smart Grid Testbeds”(简称 MCODSGT),就智能电网测试环境的定位和发展方向形成共识[2]。

  2014 年 DOE 汇集了其下属的国家实验室专家和资源,建立了电网现代化实验室联盟 (Grid Modernization Laboratory Consortium,GMLC),启动了全新的电网研究模式。GMLC 将“设备和系统的集成测试”作为其六大重点技术研究领域之一,协调整个智能电网领域的测试活动,建立设备测试和验证能力,开发集成测试过程,开放共享经过验证的组件模型、仿真工具和测试资源,开展多种规模的系统集成和测试[26]。

  2015 年11 月美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)成立了可远程访问的信息物理融合测试环境工作组,研究远程可访问的信息物理融合测试平台的建立和维护相关问题,计划2017 年 7 月提交工作报告[27]。

  3.2 CPS 测试环境的概念设计和理论验证

  NIST 根据 MCODSGT 报告的分析结果,启动了智能电网测试环境项目,建立一组互联和交互的实验室,验证智能电网的互操作性和性能标准,加速智能电网互操作标准开发,优化系统级的运行和控制技术,增强输电和配电系统的广域状态感知,提升分布式能源和微网的性能[28]。

  2015 年 10 月 NIST 启动了信息物理融合系统测试环境概念设计项目,研发 CPS 测试环境模块化的总体设计原则和设计概念,指导 CPS 测试环境的开发、运行和发展,形成了跨行业互联的 CPS 测试环境的建设计划[29]。

  3.3 测试能力与技术应用发展的同步规划

  DOE 于 2016 年 8 月发布了《高级配电管理系统 2016—2020 五年规划》(简称 ADMS MYPP)征求意见稿[7],将 ADMS 测试环境与 ADMS 开发等作为技术研究领域之一,同步开展规划研究。ADMS 测试环境将以 NREL 的 ESIF 为基础,采用开放的模块化框架,利用大规模电网仿真以及真实系统数据,集成多个供应商的软件和硬件组件,建立逼真的 ADMS 测试环境,测试评估 ADMS功能对系统运行的影响、ADMS 系统组成之间的互操作、ADMS 与硬件设备的相互作用以及 ADMS的薄弱环节和坚韧性等。ADMS MYPP 还提出了ADMS 测试环境的建议结构图,其核心包括商业化的 DMS 系统、ESIF 的模拟控制室功能、与输配电EMS 等各种模拟器的交互等。

  3.4 地理分布的实时仿真平台的互联试验研究

  在 DOE 的 INTEGRATE 项目资助下,NREL、INL 和 PNNL 这 3 个国家实验室联合研究开发新型联合实时仿真平台,连接分布在不同地理区域的NREL 的 ESIF 电力硬件在环、INL 输电测试网的控制器硬件在环实时模拟器,形成协同模拟的虚拟实验室,开展大规模的电力和能源系统的动态和暂态分析。项目团队已成功通过互联网实时连接了NREL、INL 两个实验室的实时数字仿真器,研究解决了数据传输延迟等问题,开发了地理分布的测试系统的电网等效技术。这预示着世界任何地方的软硬件将可以实时连接、综合利用美国国家实验室独特的设施和能力,开展更大规模的电力和能源系统的建模和研究[30]。

  3.5 基础测试资源的远程共享访问

  由美国国家科学基金会和国土安全部共同投资、南加州大学和加州大学伯克利分校等共同建立的ETER(cyber DEfense technology experimental research),是一个可远程共享访问的网络安全技术测试环境,由 PC 集群和控制层组成,可以为用户建立独特的网络环境,提供许多攻击和恶意软件的模型和工具,开展信息安全技术的开发和测试[31]。

  文献[32]提出了集成控制系统和 DETER 的组合式试验框架,以评估拒绝服务等攻击对控制系统的影。北卡罗来那州立大学(NCSU)将其 PMU 硬件在环测试环境与 DETER、分布式网络技术设施服务平台 ExoGENI 互联,形成了电力系统广域监测和控制的测试环境(DETER-WAMS-ExoGENI),将大电网广域监控的集中处理算法转变为完全分布式的防网络攻击的信息物理融合架构,研究广域通信网络的各种性能瓶颈及其对广域控制器闭环稳定性的影响,研究集成广域控制和通信网络的控制算法[33]。

  4 美国智能电网测试环境发展的启示

  智能电网高度集成、高度融合、高度自治的特性推进了智能电网测试环境的研究和发展,同时,测试环境的发展也成为智能电网发展的核心动力。

  美国智能电网测试环境已成为美国智能电网发展的重要资源和主要技术研究领域,已处于顶层设计引领、全面系统性集成、初步共享互联阶段。

  模块化、互联互通是美国智能电网测试环境的发展方向,这一特征值得借鉴。实时数字仿真、电力硬件在环、网络在环成为测试环境的重要元素,通信与电力系统的融合、信息与物理融合的安全机制成为智能电网测试环境发展的重要关注点。

  NIST 和 DOE 的协调和引领、研究机构资源和能力的协同、DETER 等公共基础资源的远程共享,形成了美国智能电网测试环境发展的合力,将共同推动智能电网的突破性发展(如图 1 所示)。

  美国智能电网测试环境的行动策略同时也表明了富有成效的顶层设计从形成到落地的关键节点的核心内容。美国智能电网测试环境发展的顶层设计启动于测试环境由初级向高级发展之时,解决智能电网发展需求是其切入点,前期的理论研究和实践经验的总结分析是其坚实的基础,对智能电网测试环境的定位和发展方向达成共识是顶层设计的目标,集中核心力量开展关键技术的概念设计、验证和试点是顶层设计落地的重要环节。

  

 

  5 我国智能电网测试环境发展几点建议

  近年来,我国智能电网的基础设施建设、自主研发技术水平等方面都有巨大发展,但在测试环境建设发展的系统性以及成效等方面较发达国家仍然有一定差距。

  美国智能电网测试环境已从各自独立建设应用、发挥着重要但有限作用的初级阶段进入顶层设计引领、推进更大规模能源系统研究的高级阶段。

  美国智能电网测试环境的发展思路、策略以及路径值得我们借鉴。首先,将测试环境作为智能电网发展的重要技术领域之一,加强智能电网测试环境的研究、规划和建设。其次,加强智能电网测试工作的整体组织协调。组织来自电力、通信和计算机等专业的专家成立智能电网测试环境工作组:1)协调整个智能电网的测试活动;2)形成我国智能电网测试环境现状分析;3)分析测试环境对智能电网可能的业务提升点;4)以满足智能电网发展需要为出发点,统筹测试环境资源的规划、建设和共享,明确目标,达成共识;5)加强测试工作的人力资源培养,注重知识结构的系统性。

  技术研究方面,建议在模块化、互联互通方向的指引下,协调各类测试资源与能力的建设和发展。加强通信、网络安全测试的基础研究及其与电力系统融合的理论研究。以互联共享、可远程访问为导向,建设通信、网络、安全、数据分析等基础测试资源,支撑各领域 CPS 的发展。电力技术研究型测试环境应在充分利用公共资源的基础上,建设深度研究分析的组合式测试环境,同时考虑独特资源的开放和互联能力。整体协调和有序推进系统模型、仿真工具和测试数据的积累、验证和开放共享,特别是真实运行数据的匿名化和共享。

  6 结论

  本文总结分析了美国智能电网测试环境发展的特点,着重剖析了美国 DOE 和 NIST 在智能电网测试环境领域的发展思路和策略,结合我国智能电网特点,提出了可供参考的测试环境发展建议。

  目前,作为智能电网的延伸和扩展,能源互联网的概念、技术研究和试验项目在我国迅速兴起。

  为确保能源互联网的可持续发展,能源互联网的测试环境研究和建设可能将是当务之急。借鉴美国智能电网的发展经验,适时就测试环境的发展方向和策略在能源领域达成共识,尽快形成符合我国发展特点的能源互联网测试环境发展策略,协调跨行业各类测试资源的协同建设和发展,促进我国能源互联网的长期可持续发展。

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