本书全面论述了智能电网的技术与应用，讨论了支撑智能电网系统运行的信息与通信技术（ICT），传感、测量、控制及自动化技术，以及新能源并网与需求侧管理所需的电力电子及储能技术。本书通过大量的例题对智能电网分析的方法应用进行了示例分析，使读者可以全面掌握智能电网相关的基础理论与方法应用要点。

师瑞峰，男，工学博士，1977年生，华北电力大学控制与计算机工程学院副教授，院长助理。现为IEEE(2008M)、中国自动化学会(2010M)、中国电机工程学会(2010M)、中国系统工程学会(2008M)等学会会员，中国计算机学会高级会员(2006M, 2011SM)，中国系统仿真学会离散系统仿真专业委员会委员(2003S, 2006M, 2011CM)。1995.7-2006.1于北京航空航天大学学习，获工学学士、硕士、博士学位。2006.6-2008.3于北京航空航天大学从事博士后研究，2008年4月进入华北电力大学工作。

作者简介

原书前言

原书致谢

缩略语对照表

第1章智能电网1

1.1简介1

1.2为何选择智能电网"para" label-module="para">

1.2.1资产老化且传输能力不足2

1.2.2热约束2

1.2.3操作约束2

1.2.4供给安全3

1.2.5各国政策3

1.3什么是智能电网"para" label-module="para">

1.4早期智能电网尝试6

1.4.1主动配电网6

1.4.2虚拟电厂8

1.4.3其他尝试和验证9

1.5智能电网领域技术文献综述11

参考文献13

第1部分ICT

第2章数据通信16

2.1简介16

2.2专用、共享的通信通道17

2.3交换技术20

2.3.1线路交换20

2.3.2信息交换21

2.3.3包交换技术21

2.4通信通道22

2.4.1有线通信24

2.4.2光纤26

2.4.3无线电通信29

2.4.4移动通信30

2.4.5卫星通信31

2.5分层结构与协议31

2.5.1ISO/OSI模型31

2.5.2TCP/IP35

参考文献38

第3章面向智能电网的通信技术39

3.1简介39

3.2通信技术40

3.2.1IEEE 802系列40

3.2.2移动通信51

3.2.3多协议标签交换52

3.2.4电力线路通信53

3.3信息交换标准54

3.3.1智能电表标准54

3.3.2Modbus54

3.3.3DPN355

3.3.4IEC 6185056

参考文献57

第4章智能电网信息安全59

4.1简介59

4.2加密与解密60

4.2.1对称密钥加密61

4.2.2公钥密码加密65

4.3认证65

4.3.1基于共享密钥的身份认证66

4.3.2基于密钥分发中心的认证66

4.4数字签名66

4.4.1私钥签名67

4.4.2公钥签名67

4.4.3消息摘要68

4.5电网安全标准68

4.5.1IEEE 1686：IEEE推出的IED电网安全能力标准684.5.2IEC 62351:电力系统管理及相关信息交换——数据与通信安全69

参考文献69

ⅩⅦ第2部分传感、测量、控制及自动化技术

第5章智能测量与DSI72

5.1简介72

5.2智能测量73

5.2.1电子测量的发展73

5.2.2智能测量的关键元素75

5.3智能仪表:已有硬件回顾75

5.3.1信号采集76

5.3.2信号调理77

5.3.3A-D转换78

5.3.4计算80

5.3.5输入/输出82

5.3.6通信83

5.4面向智能测量的通信设施与协议83

5.4.1HAN83

5.4.2NAN84

5.4.3数据集中器85

5.4.4电能表数据管理系统85

5.4.5通信协议85

5.5DSI86

5.5.1DSI提供的服务87

5.5.2DSI的实现90

5.5.3DSI实现的硬件支持93

5.5.4消费者自需求侧的灵活性传送95

5.5.5DSI的系统支持95

参考文献96

第6章配电自动化设备98

6.1简介98

6.2变电站自动化设备99

6.2.1电流互感101

6.2.2电压互感器104

6.2.3智能电子设备105

6.2.4间隔控制器107

6.2.5RTU107ⅩⅧ6.3配电系统故障108

6.3.1故障隔离和恢复组件109

6.3.2故障定位、隔离和恢复114

6.4电压调节117

参考文献120

第7章配电管理系统122

7.1简介122

7.2数据源与相关外部系统123

7.2.1SCADA系统123

7.2.2CIS125

7.3建模与分析工具125

7.3.1配电系统建模125

7.3.2拓扑分析129

7.3.3负载预测131

7.3.4潮流分析132

7.3.5故障计算135

7.3.6状态估计138

7.3.7其他分析工具142

7.4应用分析142

7.4.1系统监控142

7.4.2系统运行143

7.4.3系统管理144

7.4.4OMS145

参考文献147

第8章输电系统运行148

8.1简介148

8.2数据源148

8.2.1IED与SCADA系统148

8.2.2PMU149

8.3EMS151

8.4广域应用153

8.4.1在线暂态稳定控制器155

8.4.2磁极滑动预防控制器155

8.5可视化技术157

8.5.1视觉二维演示157

8.5.2视觉三维演示158

参考文献159

第3部分电力电子与储能技术

ⅩⅨ第9章电力电子变换器162

9.1简介162

9.2CSC164

9.3VSC167

9.3.1VSC在低中功率中的应用168

9.3.2中高功率设备中的VSC171

参考文献174

第10章智能电网中的电力电子176

10.1简介176

10.2可再生能源发电176

10.2.1PV系统177

10.2.2风能、水能和潮汐能系统179

10.3故障电流限制183

10.4并联补偿186

10.4.1D-STATCOM187

10.4.2有源滤波器192

10.4.3储能并联补偿器192

10.5串联补偿195

参考文献197

第11章大功率潮流中的电力电子设备200

11.1简介200

11.2FACTS201

11.2.1无功补偿201

11.2.2串联补偿206

11.2.3晶闸管控制移相变压器209

11.2.4统一潮流控制器210

11.2.5线间潮流控制器211

11.3HVDC212

11.3.1CSC213

11.3.2VSC216

11.3.3多端HVDC219

参考文献220

第12章储能222

12.1简介222

12.2储能技术225

12.2.1电池225

12.2.2液流电池226

12.2.3燃料电池和氢电解槽227

12.2.4飞轮储能229

12.2.5SMES系统230

12.2.6超级电容器231

12.3案例分析一：风电中的储能231

12.4案例分析二：电动汽车充电的基于智能体的控制235

参考文献2372100433B

我国已经建立了系统的特高压与智能电网技术标准体系，编制相关国际标准19项，特高压交流电压已成为国际标准电压。

国际电工委员会主席克劳斯·武赫雷尔表示，中国的特高压输电技术在世界上处于领先水平，这种能够减少长距离输电损耗的技术，在世界其他地区也将有广泛的应用前景。

智能电网新型配电技术的应用

未来的配电技术必须具有如下特点：网络快速自愈、抗扰动能力强、提供优质电力、与用户互动等。这些智能电网配电技术都会促进云计算数据机房的供电系统更加安全可靠。

1、同步开断技术

云计算数据中心机房中，由于电力需求量大，常涉及到高压供电。高压开关大都是机械开关，开断时间长、分散性大。这种慢过程的机械开断容易引起操作过电压，加速设备老化或者直接损害设备。同步开断，又称智能开关，是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。采用电子开关取代机械开关，在理论上应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压。这样，由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低，由于操作引起设备（包括断路器本身）的损坏也可大大减少。

2、故障电流限制技术

由于云计算数据中心的规模，数据中心的用电电流是很大的，短路电流也呈日益增大的趋势，如果不采取有效的抑制短路电流的措施，一旦发生短路故障，开关及用户设备将是无法承受的。随着电力电子技术、超导技术等的发展，限制短路电流已成为可能，这就依赖于故障电流限制器（FaultCurrentLimiter,FCL）的研制和开发。国外对超导FCL和电力电子FLC研究较多，这可以在云计算数据中心中借鉴和应用。

3、主动配电网技术

未来“主动配电网”可能采取类似英特网的形式，即分布式决策和双向潮流。在遍布全系统的所有节点上都将有控制设备。主动配电网的功能是将电源和用户需求有效连接起来，允许双方共同决定如何最好地实时运行。要达到这一要求，控制水平要远高于配电网的水平。这包括潮流评估、有竞争力的电压控制和保护技术，以及比配电网拥有更多的传感器和自动装置的新型通信控制系统等，实现云计算数据中心供电系统的主动预警，负载均衡和三相平衡等。

4、储能技术

储能技术已被视为电网运行过程中的重要组成部分。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。

储能技术可用于云计算数据中心的应急供电状况，以及充分利用当地的峰谷电价差。现有的电能存储方式主要可分为机械储能、化学储能、电磁储能和相变储能等。超导储能由于超导体电流大，能量密度高，存取快速，可作为理想的电磁能储藏器，超导材料临界温度低一直是超导储能应用的限制因素，直接冷却超导储能（HTc-SMES）的研究受到了美日等国的高度重视，但绝大部分超导储能装置为低温超导储能系统。

智能电网新型用电技术的应用

在智能电网的框架下，需要新型用电技术提高电力需求弹性，提升电力需求侧管理的智能化水平，帮助电力用户与智能电网进行互动，实现云计算数据中心更加方便、高效、经济、环保的管理用电。

1、先进传感器技术

未来的数据中心传感器将更加智能化，功能将逐步融合。风、火、水、电、气、温度、湿度、烟雾、二氧化碳等都是传感器的采集对象。传感器不仅可以分析和提取数据中心环境的特征数据，而且可以和特定的数据管理分析系统进行信息交互，可以对数据中心的日常数据、整体效能和环境指数提供整体分析和科学评估。

2、先进用电监控技术

用电监控技术分为两个层面：用电监测技术和用电控制技术。新型用电监测技术对用户的电力消费信息进行动态的准实时监测，帮助用户了解自身的详细用电信息，以指导用户优化系统的用电行为。新型用电控制技术在信息获取的基础上，结合用户的用电需要，对整个数据中心用电系统进行自动控制，实现电能更合理的分配。

智能电网环境中的物联网技术应用

目前，物联网在智能电网中的每个环节都有应用，协助实现了对电网的智能控制和优化配置，提高电力规划的管理能力。

第一：发电环节。对常规能源发电的机组的运行情况、设备之间的互动以及各种参数指标实行实时监控，对风力、太阳能发电进行电机组的稳态特性和动态特性进行稳定性分析预测，实现发电环节的自动、稳定和高效。

第二：输送环节。运用物联网在每个节点上的监控能力，对整个输送线路上的导线温度、线路电容、绝缘子污秽以及线路风振进行全程监测，并作出评估和诊断。由于智能电网具有自愈的特性，对发现破坏或者不正常的情况进行自我治愈，对用户实现连续供电。

第三：变电环节。将物联网应用到智能电网后，可以通过物联网中的传感器对重要变电设备进行检测，并将数据传送到管理终端，实现对整个变电站的实时检修，对周围的安全进行防护，更好地提高变电环节的可靠性和智能化水平。

第四：配电环节。由于我国国土广阔，所以配电规模和配电设备数量都十分巨大。物联网可靠传递特性恰好可以针对这一情况实现配电网络中的配电现场作业、配电网络设备以及运行状态信息的有效传递并进行安全防护，避免大规模人力、物力的投入。

第五：用电环节。物联网技术与门禁系统、防盗防火系统以及有情境控制的结合，实现了电网与用户的双向互动。革新电力服务的传统模式为用户提供更加优质、便捷的服务，提高了人民生活质量。2100433B

前言

第一部分 智能电网发展概况

1-1 什么是智能电网？

1-2 智能电网具备哪些主要特征？

1-3 智能电网的先进性主要体现在哪些方面？

1-4 为什么说智能电网是电网发展的必然趋势？

1-5 智能电网将对世界经济社会发展产生哪些促进作用？

1-6 建设智能电网对我国电网发展具有哪些重要意义？

1-7 我国建设智能电网具有哪些有利条件？

1-8 我国何时正式提出建设智能电网？

1-9 美国智能电网发展主要关注哪些领域？

1-10 美国在发展智能电网方面主要开展了哪些工作？

1-11 欧洲智能电网发展主要关注哪些领域？

1-12 欧盟在发展智能电网方面主要开展了哪些工作？

1-13 日本在发展智能电网方面主要开展了哪些工作？

1-14 韩国在发展智能电网方面主要开展了哪些工作？

1-15 丹麦在风力发电方面开展了哪些工作？

1-16 西班牙在太阳能发电方面开展了哪些工作？

1-17 意大利在自动抄表方面开展了哪些工作？

1-18 以色列在推动电动汽车应用方面开展了哪些工作？

1-19 国际标准化组织在智能电网方面主要开展了哪些工作？

1-20 国外研究智能电网的主要组织有哪些？

第二部分 坚强智能电网发展战略与规划

2-1 什么是坚强智能电网？

2-2 为什么必须以坚强为基础来发展智能电网？

2-3 为什么要建设以特高压电网为骨干网架的坚强智能电网？

2-4 建设坚强智能电网的社会经济效益主要表现在哪些方面？

2-5 建设坚强智能电网对于节能减排有何重要意义？

2-6 建设坚强智能电网对于清洁能源发展有何重要作用？

2-7 建设坚强智能电网对于提升能源资源的优化配置能力有何重要意义？

2-8 建设坚强智能电网对于电力系统的发展有何重大意义？

2-9 智能电网将给人们的生活带来哪些好处？

2-10 坚强智能电网建设的指导思想是什么？

2-11 坚强智能电网建设的基本原则是什么？

2-12 坚强智能电网建设的发展战略框架是什么？

2-13 坚强智能电网的总体发展目标是什么？

2-14 坚强智能电网建设的两条主线是什么？

2-15 坚强智能电网建设分为哪三个阶段？

2-16 坚强智能电网体系架构包括哪四个部分？

2-17 坚强智能电网的内涵包括哪五个方面？

2-18 坚强智能电网建设包括哪些环节？

2-19 坚强智能电网建设第一阶段主要开展了哪些重点工作？

2-20 坚强智能电网发展规划的框架体系如何组成？

2-21 电网智能化规划包括哪些内容？

……

第三部分 智能发电

第四部分 智能输电

第五部分 智能变电

第六部分 智能配电

第七部分 智能用电

第八部分 智能调度

第九部分 通信信息

第十部分 智能电网相关技术及应用展望

附录A 名词术语中英文对照

参考文献2100433B

《智能电网基础》内容涉及面广，语言通俗易懂，介绍深入浅出，便于读者学习、掌握。

《智能电网基础》一方面是对国内外现有智能电网研究的较全面的总结，具有内容新、资料全的特点；另一方面，也是作者在此方面研究与实践的初步总结。《智能电网基础》可供从事智能电网研究和应用的人员参考，也可供高等院校相关专业师生学习参考。