[科普中国]-美国智能电网测试环境

背景

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了、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。电力信息物理融合系统的网络通讯架构、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。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它国家未曾企及的。

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、构成和能力不断扩展和深化1。

扩展测试功能，适应新型构成的电网发展美国从能源部国家实验室、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。有文献提供了美国从能源部国家实验室、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。也有文献从促进协同和互操作的角度，提供了10个美国从能源部国家实验室、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，美国从能源部所属的国家可再生能源实验室的能源系统集成设施建立于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、用户能源管理等理念和技术的发展，美国国家可再生能源实验室充分发挥其电力设备在环、建模、仿真的独特优势，不断扩展能源系统集成设施的构成和功能。

美国国家可再生能源实验室在能源系统集成设施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。美国国家可再生能源实验室与杜克能源、GE公司一起，正在构建配电管理系统综合测试环境，实现智能逆变器等设备与配电管理系统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，形成了高级配电管理系统测试环境的雏形。 美国国家可再生能源实验室利用能源系统集成设施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。

美国国家可再生能源实验室的能源系统集成设施在技术研究和应用中承担着独特的作用。美国从能源部近期发布的《高级配电管理系统2016-2020五年规划》征求意见稿，明确指出将充分发挥美国国家可再生能源实验室的能源系统集成设施现有能力，建立逼真的高级配电管理系统测试环境，评估和解决高级配电管理系统技术应用中面临的挑战。2015年美国国家可再生能源实验室参与合作，为Miramar海军陆战队航空站建立了完全依赖太阳能和电池的微网。为降低项目风险，项目团队利用能源系统集成设施，模拟MCAS环境，先行开展了概念验证。

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。

十几年前建立的美国国家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。

爱达荷国家实验室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。

为解决清洁能源与电网的无缝集成问题，美国国家可再生能源实验室主导了电网研究和技术实验的集成网络测试环境项目(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(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，利用实时白主的确定性控制，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。

真实运行数据促进测试环境的成效美国国家标准技术研究院认为电力系统、通信和控制集成的逼真模拟是高度互联的信息物理融合系统测试环境发展的关键问题，同时，高度互联的信息物理融合系统数据的缺失也是影响测试环境发展的重要因素。

西北太平洋国家实验室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。西北太平洋国家实验室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西北太平洋国家实验室的时序配电系统仿真分析工具GridLAB-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。美国国家可再生能源实验室在配电管理系统综合测试环境中，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。

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，通讯贯穿整个智能电网架构，承担智能电网各组成之问以及对外信息交互。目前智能网通信的性能、适宜性、互操作性和安全性还存在很多问题有待解决。有文献阐述了智能电网通信网络的总体架构，分析了高级量测网络、变电站网络、配电网络的通信延迟、带宽等通信参数。

有研究认为，智能电网是电力基础设施和通信基础设施的组合。通讯与电力系统的融合成为研究关注点。橡树岭国家实验室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。工业互联网联盟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，增强了设备之问、设备与控制中心、设备与云数据通信的可行性。为加快智能电网通信及其标准的开发，美国国家标准技术研究院开展了智能电网通信网络研究项目，采用GridLAB-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。

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以及事件后的快速恢复。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。

美国国家标准技术研究院发布的《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。有文献认为，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。

美国智能电网测试环境的发展思路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高度互联的信息物理融合系统连接测试的灵活性。

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。

互联互通大规模高度互联的信息物理融合系统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。美国国家标准技术研究院认为，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。美国国家标准技术研究院, 美国从能源部国家实验室已在开展互联试验。

美国智能电网测试环境发展的行动策略测试环境发展的协同和协调美国国家标准技术研究院于2014年组织了来白行业、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“MeasurementChallenges and Opportunities for Developing SmartGrid Testbeds”，就智能电网测试环境的定位和发展方向形成共识。

2015年11月美国国家科学基金会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。

概念设计和理论验证美国国家标准技术研究院根据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。

2015年10月美国国家标准技术研究院启动了信息物理融合系统测试环境概念设计项目，研发高度互联的信息物理融合系统测试环境模块化的总体设计原则和设计概念，指导高度互联的信息物理融合系统测试环境的开发、运行和发展，形成了跨行业互联的高度互联的信息物理融合系统测试环境的建设计划。

测试能力与技术应用发展的同步规划美国从能源部于2016年8月发布了《高级配电管理系统2016-2020五年规划》(简称高级配电管理系统 MYPP)征求意见稿，将高级配电管理系统测试环境与高级配电管理系统开发等作为技术研究领域之一，同步开展规划研究。

高级配电管理系统测试环境将以美国国家可再生能源实验室的能源系统集成设施为基础，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，建立逼真的高级配电管理系统测试环境，测试评估高级配电管理系统功能对系统运行的影响、高级配电管理系统系统组成之问的互操作、高级配电管理系统与硬件设备的相互作用以及高级配电管理系统的薄弱环节和坚韧性等。高级配电管理系统 MYPP还提出了高级配电管理系统测试环境的建议结构图，其核心包括商业化的配电管理系统系统、能源系统集成设施的模拟控制室功能、与输配电EMS等各种模拟器的交互等。

地理分布的实时仿真平台的互联试验研究在美国从能源部的INTEGRATE项目资助下，美国国家可再生能源实验室 ,爱达荷国家实验室和西北太平洋国家实验室三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美国国家可再生能源实验室的能源系统集成设施电力硬件在环、爱达荷国家实验室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美国国家可再生能源实验室, 爱达荷国家实验室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。

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DETER，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。

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、高度白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3。

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，通讯与电力系统的融合、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。

美国国家标准技术研究院和美国从能源部的协调和引领、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。

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。

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、白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白独立建设应用、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的研究的高级阶段。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，加强智能电网的测试环境的研究、规划和建设。其次，加强智能电网测试工作的整体组织协调。组织来白电力、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：协调整个智能电网的测试活动；形成我国智能电网测试环境现状分析；分析测试环境对智能电网可能的业务提升点；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；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，协调各类测试资源和能力的建设和发展。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，支撑各领域高度互联的信息物理融合系统的发展。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的测试环境，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。

结语目前，作为智能电网的延仲和扩展，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。