王 濤，趙曉明，余志慧，張 彩，陳建梅

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

IEEE智能電網(wǎng)標準體系及研究進展

王 濤1，趙曉明2，余志慧3，張 彩2，陳建梅2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

智能電網(wǎng)的發(fā)展離不開技術(shù)標準的支撐，IEEE作為全球最大的專業(yè)技術(shù)組織，其標準協(xié)會IEEE-SA已經(jīng)著手規(guī)劃和推動智能電網(wǎng)標準的研究和實踐，頒布了一系列智能電網(wǎng)新技術(shù)標準，初步形成了智能電網(wǎng)標準體系。以IEEE智能電網(wǎng)標準為研究對象，系統(tǒng)介紹了IEEE智能電網(wǎng)標準的發(fā)展歷史、標準框架、專業(yè)分布、智能電網(wǎng)標準遠景規(guī)劃和研究進展等內(nèi)容，以期為我國智能電網(wǎng)標準的制定和標準化工作提供借鑒和參考。

標準體系；智能電網(wǎng)；IEEE；遠景規(guī)劃

0 引言

隨著全球資源環(huán)境壓力的日益增大、電力市場化進程的持續(xù)推進、用戶環(huán)保意識的與日俱增，以及對電能可靠性、質(zhì)量要求的不斷提高，全球能源向多元化、清潔化、電氣化和智能化方向快速推進和演化。靈活、安全、可靠、經(jīng)濟、友好的智能電網(wǎng)不僅能夠保障能源供應(yīng)，還可以大規(guī)模接納可再生能源并實現(xiàn)智能互動，成為世界電網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢[1-8]。

與任何技術(shù)的發(fā)展一樣，智能電網(wǎng)的發(fā)展離不開技術(shù)標準的支撐，技術(shù)的執(zhí)行者、生產(chǎn)者和整合者只有通過統(tǒng)一的標準才能定義和執(zhí)行新的技術(shù)。為此，以美國和歐盟為代表的一些國家和地區(qū)，以及國外研究機構(gòu)和標準化組織著手開展了規(guī)劃和推動智能電網(wǎng)標準的研究和實踐，頒布了一系列以互操作技術(shù)為代表的智能電網(wǎng)新技術(shù)標準[9-10]。例如，IEC（國際電工委員會）于2008年成立SG3智能電網(wǎng)戰(zhàn)略專家組負責制定智能電網(wǎng)標準框架，重點關(guān)注智能電網(wǎng)設(shè)備和互操作協(xié)議與模型，先后推出了涉及開放架構(gòu)的IEC 62357標準，涉及公共信息模型的IEC 61970標準，涉及變電站自動化的IEC 61850標準，涉及配電管理的IEC 61968標準，涉及網(wǎng)絡(luò)安全的IEC 62351標準等5個關(guān)鍵標準。NIST（美國國家標準技術(shù)研究所）也是智能電網(wǎng)標準的主要研究單位之一，2010年1月由其主導(dǎo)并發(fā)布的《智能電網(wǎng)互操作標準框架和技術(shù)路線圖》推動了智能電網(wǎng)互操作標準的廣泛采用。

IEEE（電氣電子工程師學會）作為全球最大的專業(yè)技術(shù)組織，在智能電網(wǎng)概念普及之初，其下設(shè)的IEEE-SA（IEEE標準協(xié)會）就已經(jīng)開始著手制定相關(guān)標準，至今已頒布智能電網(wǎng)標準198項，包括IEEE P2030系列在內(nèi)的多項智能電網(wǎng)標準在全球處于領(lǐng)先地位，并且新技術(shù)標準仍在源源不斷地推出[11-13]。

針對IEEE智能電網(wǎng)標準的研究，國內(nèi)還鮮有開展，下面以IEEE智能電網(wǎng)標準為研究對象，系統(tǒng)介紹IEEE智能電網(wǎng)標準的發(fā)展歷史、標準框架、專業(yè)分布、相關(guān)合作標準和智能電網(wǎng)標準遠景規(guī)劃等內(nèi)容，以期為我國智能電網(wǎng)標準的制定和標準化工作提供借鑒和參考。

1 IEEE智能電網(wǎng)標準概述

1.1 國內(nèi)外智能電網(wǎng)定義

由于發(fā)展環(huán)境和驅(qū)動因素的不同，各個國家的電網(wǎng)企業(yè)都在按自己的理解對智能電網(wǎng)進行研究和實踐，各國智能電網(wǎng)發(fā)展的思路、路徑和重點也各不相同。因此，智能電網(wǎng)概念本身也在不斷發(fā)展、豐富和明晰中[6]。文獻[14]提出，智能電網(wǎng)是將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、先進的電力電子技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)和原有的輸配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成的新型電網(wǎng)。然而，有國外學者指出此種智能電網(wǎng)體系是當代尚處在轉(zhuǎn)型中的一種智能電網(wǎng)體系拓撲結(jié)構(gòu)，未來的新型智能電網(wǎng)則是一種即插即用的集成智能微電網(wǎng)群，不僅依靠“電力交換高速公路”進行能量交換，還通過“數(shù)據(jù)交換高速公路”互聯(lián)，實時進行協(xié)調(diào)控制[15]。這種新型智能電網(wǎng)體現(xiàn)了IEEE所倡導(dǎo)的用戶廣泛參與、高度雙向互動、自愈安全兼容、交互協(xié)調(diào)高效的特征[16]。在IEEE的智能電網(wǎng)定義中，信息交換和控制技術(shù)、分布式計算技術(shù)、新型儲能技術(shù)和電動汽車技術(shù)廣泛融合于電力系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)中，構(gòu)成了完整的信息構(gòu)架和基礎(chǔ)設(shè)施體系，形成一個新型的現(xiàn)代化電網(wǎng)[17]。

1.2 IEEE及其標準體系

IEEE的前身是成立于1884年的AIEE（美國電氣工程師協(xié)會）和成立于1912年的IRE（無線電工程師協(xié)會）。前者主要致力于有線通信、光學以及動力系統(tǒng)的研究，后者則是國際無線電領(lǐng)域不斷擴大的產(chǎn)物。1963年，AIEE和IRE宣布合并，IEEE正式成立。如今，IEEE在全球160多個國家擁有400 000多名會員，在航空航天、生物科技、計算機工程、新能源、地理信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、無線通信等高科技領(lǐng)域都走在了前沿。

IEEE標準協(xié)會IEEE-SA是世界領(lǐng)先的標準制定機構(gòu)，并和多個國際標準組織建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系，其中包括IEC、ISO（國際標準化組織）、ITU（國際電信同盟）等。目前，IEEE-SA已成為包括智能電網(wǎng)在內(nèi)的新興技術(shù)領(lǐng)域標準的核心來源。IEEE-SA至今共制、修訂標準6 523項，其中現(xiàn)行有效標準1 838項，涉及航空航天、生物工程、能源電力、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，圖1為IEEE標準體系及其行業(yè)分布。

圖1 IEEE標準體系及其行業(yè)分布

1.3 IEEE智能電網(wǎng)標準發(fā)展歷程

IEEE-SA圍繞IEEE對智能電網(wǎng)的定義以及智能電網(wǎng)內(nèi)涵的不斷延伸，先后將其原有的32項標準納入智能電網(wǎng)標準體系，特別是在2009年3月19日，IEEE批準成立了P2030工作組，專門負責智能電網(wǎng)相關(guān)標準的制定工作，智能電網(wǎng)標準不斷擴充。IEEE智能電網(wǎng)標準發(fā)展歷程和關(guān)鍵時間節(jié)點如下：

（1）2009年成立工作組。2009年3月IEEE批準成立P2030工作組，專門負責智能電網(wǎng)相關(guān)標準的制定工作。2009年6月工作組發(fā)布了《智能電網(wǎng)互操作框架》，涉及智能電網(wǎng)術(shù)語、特性、性能、評價標準以及電力系統(tǒng)、終端電器及負載的互操作工程應(yīng)用準則。2009年7月在加拿大卡爾加里召開會議，關(guān)注可再生能源、靈活交流輸電、需求側(cè)管理、雙向信息顯示裝置等內(nèi)容。2009年10月在美國紐約討論發(fā)電、輸電、配電、儲能及用戶間的互操作性界面劃分，連接限制，通信鏈路和數(shù)據(jù)存儲要求等內(nèi)容。

（2）2011年頒布智能電網(wǎng)互操作性指南。工作組推出了《能源技術(shù)和信息技術(shù)與電力系統(tǒng)（EPS）、最終應(yīng)用及負荷的智能電網(wǎng)互操作性指南》，用于指導(dǎo)未來智能電網(wǎng)標準的開發(fā)。

（3）2013年關(guān)注可再生能源。工作組關(guān)注可再生能源、動態(tài)轉(zhuǎn)換負載等內(nèi)容，關(guān)注電動汽車與電網(wǎng)的互操作性問題、智能電網(wǎng)的離散和混合型存儲設(shè)備的整合問題，以及對存儲系統(tǒng)與電網(wǎng)互連標準方面的相關(guān)測試程序做出指導(dǎo)。

（4）2016年頒布智能電網(wǎng)遠景標準及路線圖。IEEE公布了智能電網(wǎng)遠景標準及路線圖2030系列和2050系列，主要集中在計算技術(shù)、通信技術(shù)、控制系統(tǒng)、車輛技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、電能消費、家庭與智能電網(wǎng)，目標是利用潛在的應(yīng)用場景，全面研究和提供下一代智能電網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)。

P2030工作組聚焦電力、通信和信息技術(shù)三大領(lǐng)域，通過開放式流程，廣泛調(diào)動行業(yè)團體參與標準制定工作，重點聚焦于智能電網(wǎng)的互操作，力圖實現(xiàn)能源技術(shù)、信息技術(shù)和通信技術(shù)的融合，建立行業(yè)普遍認可的智能電網(wǎng)標準。

P2030工作組主要圍繞智能電網(wǎng)的互操作性進行標準的制定，涉及發(fā)電、輸電、配電、用戶側(cè)服務(wù)，具體包括可再生能源、儲能、電動汽車充電樁、靈活交流輸電、可適應(yīng)性繼電器、動態(tài)轉(zhuǎn)換負載、自動故障隔離/電路恢復(fù)、需求側(cè)管理、雙向信息顯示裝置、運行數(shù)據(jù)和非運行數(shù)據(jù)安全等內(nèi)容。

2011年起，IEEE-SA在智能電網(wǎng)標準制定上開始提速，全年總共發(fā)布了31項智能電網(wǎng)標準，直至今日頒布數(shù)量仍保持高位。表1給出了部分IEEE智能電網(wǎng)標準。

2 IEEE智能電網(wǎng)標準體系

圖2為IEEE智能電網(wǎng)標準體系，包含智能電網(wǎng)基礎(chǔ)標準181項，智能電網(wǎng)遠景標準18項。181項智能電網(wǎng)基礎(chǔ)標準分布在通信、網(wǎng)絡(luò)、廣播；組件、電路、設(shè)備和系統(tǒng)；場、波、電磁學；通用設(shè)計指南；電力、能源和工業(yè)應(yīng)用5大類別中。IEEE 2030系列智能電網(wǎng)標準主要分布在智能電網(wǎng)基礎(chǔ)標準的通信、網(wǎng)絡(luò)、廣播；組件、電路、設(shè)備和系統(tǒng)2個類別中。

從更細化的專業(yè)類別看，變電站通信設(shè)備標準、繼電保護標準、通信協(xié)議標準數(shù)量排在IEEE智能電網(wǎng)標準中的前3位，其中變電站通信設(shè)備標準有42項之多，排在第1位，另外分布式能源標準、測量標準和斷路器標準數(shù)量也較多（如圖3所示）。

3 IEEE智能電網(wǎng)遠景標準

2013年以來，IEEE公布了一系列旨在促進持續(xù)創(chuàng)新和全球智能電網(wǎng)發(fā)展的2030年、2050年標準研究項目。這些項目主要集中在計算技術(shù)、通信技術(shù)、控制系統(tǒng)、車輛技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、電能消費、家庭與智能電網(wǎng)，目標是利用潛在的應(yīng)用場景，全面研究和提供下一代智能電網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)。

參與智能電網(wǎng)遠景規(guī)劃項目的IEEE組織包括IEEE通信協(xié)會，IEEE計算機學會，IEEE控制系統(tǒng)學會，IEEE智能交通協(xié)會和IEEE電力與能源學會。根據(jù)IEEE的要求，這些智能電網(wǎng)研究項目都包含一個長期的遠景文件、參考模型和路線圖，以及一些短期的有利于解決更為緊迫問題的研究，涵蓋預(yù)測智能電網(wǎng)的未來發(fā)展和未來所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和機遇。

表1 部分IEEE智能電網(wǎng)標準

圖2所示IEEE智能電網(wǎng)標準體系包含了IEEE智能電網(wǎng)2030遠景和2050遠景。其中，IEEE 2050電網(wǎng)遠景包含3個標準文件，分別是《IEEE 2050電網(wǎng)遠景》、 《IEEE 2050電網(wǎng)遠景、參考模型》、 《IEEE 2050電網(wǎng)遠景、路線圖》。IEEE 2050電網(wǎng)遠景系列標準，旨在提供智能電網(wǎng)標準未來發(fā)展的指導(dǎo)方針和優(yōu)先事項，特別是針對發(fā)電、輸電、配電和終端使用領(lǐng)域，也涵蓋了相關(guān)的操作和控制問題，定義了未來的能源供應(yīng)、生產(chǎn)和使用等應(yīng)用場景。

IEEE 2030智能電網(wǎng)遠景系列標準，則涉及到計算技術(shù)、通信技術(shù)、控制系統(tǒng)、車輛技術(shù)，且每個技術(shù)主題各包含3方面內(nèi)容，分別是未來圖景、技術(shù)參考模型和技術(shù)路線圖。

圖2 IEEE智能電網(wǎng)標準體系

圖3 IEEE智能電網(wǎng)標準專業(yè)類別細分

以通信技術(shù)為例，在未來圖景文檔中，首先介紹了智能電網(wǎng)通信基礎(chǔ)設(shè)施基本架構(gòu)，接著介紹了通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和層次，最后介紹了一些新興技術(shù)，如固態(tài)變壓器、無線電力傳輸和量子密鑰分配等；在技術(shù)參考模型中提出，在同一時空模型中，在電網(wǎng)上直接“覆蓋”通信網(wǎng)，使任何通信技術(shù)都可以為電網(wǎng)服務(wù)；而技術(shù)路線圖則是其未來圖景文檔的進一步補充，提出通信技術(shù)將是未來智能電網(wǎng)的主要實現(xiàn)技術(shù)，因為數(shù)據(jù)交換的需求將擴大到整個智能電網(wǎng)。通信技術(shù)將有助于提高智能電網(wǎng)負荷預(yù)測水平、電網(wǎng)的自愈能力和可靠性，促進消費者主動參與需求側(cè)響應(yīng)機制，還能提高抵御物理和網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力。智能電網(wǎng)通信也將有助于提高電能質(zhì)量，讓可再生能源更加方便地并入電網(wǎng)，協(xié)助優(yōu)化資產(chǎn)和服務(wù)，提高經(jīng)營效率。

有關(guān)計算技術(shù)的3個標準，則專注于廣義的計算技術(shù)，跨多個計算學科，聚焦計算技術(shù)在未來電網(wǎng)中所扮演的角色，提出了多種應(yīng)用場景下的應(yīng)用模式，例如大功率輸電系統(tǒng)、孤島發(fā)電以及不同的需求側(cè)參與，旨在提高電力系統(tǒng)的性能和容量、可靠性和彈性。在計算技術(shù)路線圖中，提出了短期（0～5 年）、 中期（6～15 年）和長期（15年以上）的分時段階段性演化的概念。

有關(guān)控制技術(shù)的3個標準，涉及控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)進化中的作用。同樣聚焦控制技術(shù)在可再生能源利用、智能電網(wǎng)自愈技術(shù)、儲能技術(shù)、電力市場、需求側(cè)響應(yīng)、微電網(wǎng)、虛擬發(fā)電廠等新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，提出一種新的控制理念，類似設(shè)計出一個分布式系統(tǒng)接口，與社會科學諸如經(jīng)濟學、社會學和心理學進行連接，并提供上述關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的藍圖，以確保在智能電網(wǎng)傳統(tǒng)領(lǐng)域（如發(fā)電、輸電、配電、電力市場、電力電子）和新興領(lǐng)域（如可再生能源、電動汽車、需求側(cè)響應(yīng)、可控負載）之間進行優(yōu)化控制，增加系統(tǒng)彈性和可靠性，構(gòu)造一個整體的、普遍的閉環(huán)系統(tǒng)，關(guān)注底層的物理連接拓撲結(jié)構(gòu)和各個領(lǐng)域之間的動態(tài)相互作用及其控制算法和結(jié)構(gòu)。

汽車電動化將是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分。IEEE有關(guān)智能電網(wǎng)電動汽車的2個標準從6個不同角度討論了電動汽車技術(shù)在未來30年里的發(fā)展遠景：社會、經(jīng)濟、政治的影響；電動汽車與智能電網(wǎng)互動；基礎(chǔ)設(shè)施；旅行；通信；運行和應(yīng)用場景。涉及到模型滲透，交通網(wǎng)格互操作，電動汽車高級應(yīng)用和電動汽車外設(shè)技術(shù)。

除了上述計算技術(shù)、通信技術(shù)、控制系統(tǒng)、車輛技術(shù)外，IEEE智能電網(wǎng)遠景技術(shù)標準還提出了“智能電網(wǎng)消費者社會化”、“智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全”和“智能電網(wǎng)對其連接家庭的影響”3個遠景標準，涉及網(wǎng)絡(luò)安全漏洞、網(wǎng)絡(luò)威脅和攻擊、隱私、價值鏈、與消費者關(guān)系等方面。

4 結(jié)語

深入研究IEEE智能電網(wǎng)標準的發(fā)展歷史、標準框架、專業(yè)分布、相關(guān)合作標準和智能電網(wǎng)標準遠景規(guī)劃等內(nèi)容，有助于推動我國智能電網(wǎng)國際標準的制定和實施，提升我國標準的國際競爭力，支撐智能電網(wǎng)“中國制造2025”戰(zhàn)略和能源互聯(lián)網(wǎng)“走出去”、“一帶一路”行動計劃。研究內(nèi)容將為完善我國智能電網(wǎng)領(lǐng)域的標準化工作提供借鑒和參考。

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Review and Research Progress of IEEE Smart Grid Standard System

WANG Tao1， ZHAO Xiaoming2，YU Zhihui3，ZHANG Cai2，CHEN Jianmei2

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；3.State Grid Hangzhou Power Supply Company， Hangzhou 310009，China）

Technical standards are essential to the development of smart grid.IEEE is the largest professional technical organization in the world and IEEE-SA is undertaking the planning and promotion of smart grid standard research and practice by issuing a series of technical standards for smart grid to form preliminary smart grid standard system.Taking IEEE smart grid standard as the research object，the paper introduces its development， standard framework， professions distribution as well as long range planning and research of smart grid standards，expecting to provide reference for the establishment of smart grid standards and the standardization work in China.

standard system；smart grid；IEEE；long range planning

10.19585/j.zjdl.201709002

1007-1881（2017）09-0008-05

TM76

B

國家863高技術(shù)基金項目（2015AA050104）

2017-07-27

王 濤（1976），男，高級工程師，從事人力資源管理工作。

趙曉明（1976），男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、電力科技情報等。（通訊作者）

（本文編輯：方明霞）