智能电网:电力系统控制和安全

杂志,Inz。Indrajeet普拉萨德
moran的控制在电力工程,Politechnika Wroclawska,波兰弗罗茨瓦夫

文摘

智能电网将遗留的现代化电力网络。它提供了监测,保护和优化自动操作相互连接的元素。它转换中心从传统发电机和/或新兴可再生分布式发电机通过传输网络和分布式系统9工业消费者和/或家庭用户和他们的恒温器,电动汽车和智能电器。论述了智能电网的方方面面,并关注一些智能电网特性分布层次分布式发电的并网和活跃的分销管理,使用自动抄表(AMR)系统网络管理。在这篇文章中,身体和智能电网配电系统的网络安全问题进行了讨论,包括漏洞和安全需求。然后一个智能分布式控制体系结构提出了提供分销系统与威胁的防护和快速应对攻击和干扰的能力。预计这一设想的关键部分智能电网的电力系统控制技术。

关键字

智能电网、电力系统控制、电力系统安全、活跃的分销管理,自动化仪表读数。

介绍

智能电网是一个术语指的是下一代电网的电力分配和管理升级,通过融合先进的双向通信和普适计算能力提高控制效率、可靠性和安全性。智能电网提供电力供应商和消费者之间、家庭或建筑节约能源,降低成本,提高可靠性,效率和透明度[5]。

能源市场的过渡和有许多司机为创建一种新的对未来的电力输送系统。有很多驱动器和需要如下[2]:

1。分布式发电(DG)的渗透,特别是可再生能源(RES)的基础上,将继续由于环境原因。

2。欧洲和北美的愿景是常见的电力市场领域具有高渗透的分布式发电。

3所示。有效使用能源的客户级别和智能需求反应已成为一个重要问题。

4所示。电能质量(供应可靠性和电压质量)需求将增加由于公众和监管行动,同时预计失败率增加由于气候变化。

5。有必要,由于经济原因,提高现有网络的利用率。发展分销网络的传统方式是被动投资电线导致递减的利用率。

6。主要干扰的风险增加,概率和后果。概率增加的原因是电力网络的复杂性和故障率增加由于气候变化。由于社会的后果是增加更高的电力供应的依赖。

有许多研究,许多观点和概念为未来的电力输送系统,像超级电网,智能电网,微电网智能电网有源网络、动力电池等。

智能电网的特点是双向连接的电力和信息流来创建和自动广泛分发网络。它把传统电网效益现代通讯提供实时信息,使真正的瞬时平衡供给和de3mand管理[5]。

二世。智能电网的各个方面

智能电网的概念有不同的方面,如图1所示。它包括小说未来配电解决方案的基础设施,例如使用电力电子和直流。活动资源(即分布式发电、负荷、储存设备和电力汽车)改变传统的被动的分销网络是一个活跃的一个。新的网络解决方案和活动资源要求小说ICT网络操作和资产管理解决方案提供情报活动网络。智能电网能够活跃市场参与客户和商业环境的变化也有影响。智能电网是客户驱动的市场DG和消费者[2]。

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智能电网的概念可能具有这样的词灵活、智能、集成和合作。网格是灵活的,因为它们利用可控资源在整个网络。分别的被动网络灵活性了网络容量即网络本身可能处理所有可能的加载条件。智力只是投资保护、可控性和信息和通信技术,而不是纯粹的被动线,电缆、变压器和配电装置[2]。

三世。智能电网技术交易

智能电网可以使两种技术,直接影响能量的动态管理。这些都是;1)微型电网和分布式能源发电和2)传递能量。

微电网是自包含的,短时间的能量系统,就地生产和消费能力。这些系统可以进口电力,或出口,网格以及有能力从电网断开(岛)。决策过程需要确定最佳操作方式需要考虑本地操作以及网格操作[3]。

外电源成本相对较高时,一个策略基于出口过剩发电和减少进口电力将是最好的行动。如果外电源的成本低于成本的自发力量,然后最大化从电网电力进口而减少现场的一代将是一个合适的策略。如果紧急情况或故障发生在外部电网,微电网负荷可以缩短或从电网断开连接并在条件允许的[3]。

DG和现有可控资源,比如直接负荷控制、无功补偿和需求方面的集成提供了一个良好的智能电网可控资源的潜力。DG的集成和灵活的加载在分销网络将有利于网络适当地管理。传统的被动网络管理或“适合&忘记”的原则在DG连接需要变成活跃的网络管理。DG和其他活动资源的整合成一个分销系统是一个要求,为了充分利用积极的资源网络管理的好处。通过适当的活动资源的管理整个系统性能可能会改善目前使用实践[2]。

电力系统控制的一个重要任务是保持生产和消费之间的权力平衡,也就是保持电力系统的频率在一个适当的水平。这个过程变得越来越具有挑战性由于增加渗透水平的间歇性能源的产量,例如风能和太阳能。

今天的集中控制的电网将对分布式控制更多的本地化发展,自主决策。这些决策“软件代理”将与其他代理交互优化连接设备的能源利用率和系统。这些交互,称为传递能量,将以交易的形式与其他系统将根据当地经济和上下文。传递能量不会改变电网的要求必须运行在一个稳定的平衡状态与供给等于需求。自治以市场为导向的行为造成系统振荡和不稳定通过积极的反馈循环。电网操作的这种行为是非常有害的,必须主动管理以避免负面影响[3]。

第四,主动分配管理

电力的生产接近消费者将减少电力的传输。这也会影响网络的损失。网络的损失也可能会增加大DG单元时,如风力农场,位于远离消费和转移电力电气距离的增加而没有DG单元的情况。

间歇(不可调度、不确定和不受控制的)生产成被动网络不利益网络评级。分销网络的负载能力是由电压概要(下降或上升),电能质量和热的评级。薄弱的农村配电网的间歇生产可能导致电压升高的问题。网络就变得相当具有挑战性的尺寸有不同大小和类型的DG单元沿着网络。最坏的情况下规划DG并网原理被动网络应该替换为一个统计规划方法在活跃的网络(“回购2005”)。故障电流水平的增量由于新DG单元可能会导致投资网络如果超过组件的评级。电压控制和无功功率的能力DG单元也可以用于网络管理[2]。

要求保护的分销网络正在改变明显(Maki 2007)。保护方案设计为单向功率流可能会变得无效。不必要的动作,以及未被发现的错误或延迟继电器操作可能发生由于DG高渗透。DG也可能干扰自动包装。保护装置故障时的操作顺序是这样重要的。由于DG,现有方法用于故障定位也变得不合适。

当前的分销网络运营实践需要断开DG单元发生故障时。这将保持简单明了的操作条件,安全,适合自动重合闸。DG单元连接的目的点保护(如频率和电压继电器)是消除故障电弧的喂养DG单元和防止意外岛操作。DG的渗透水平增加时立即跳闸DG单元的后果可能会成为不良在输电网短路时被几个DG单元。即使在分销网络的故障可能发生不必要的断开DG单元由于不必要的旅行馈线或DG单元保护继电器、同步发电机失去同步,持续超速行驶和异步发电机或过电流和直流过电压过电流的电力电子转换器。当前操作实践显然创造了一个网络安全与稳定之间的矛盾。然而整个电力系统的稳定问题的后果和DG所有者和其他分销网络客户变得越来越重要时,断开DG单元可能会导致系统范围稳定或当地电能质量问题[2]。

V。先进的计量基础设施

AMI代表的第一步的实现数字化电网和它将提供的客户之间的双向沟通和公用事业。几个国家,包括意大利、荷兰、丹麦、瑞典和美国已经采取初步措施对AMI的部署安装自动抄表(AMR)系统,它可以读取远程测量寄存器。

1。描述和功能:AMI被广泛认为是由多个组件组成。指定在[7],这些包括:

我。智能电表

二世。客户的网关

三世。AMI通信网络

四、AMI头端

智能电表是能源数据的来源和能源相关信息。客户之间的网关提供了一个接口AMI网络和客户系统和家电等家庭区域网络(汉族)或建筑管理系统(BMS),这可能是也可能不是内置的智能电表。AMI通信网络提供了一个智能电表的通信链路AMI头端,和AMI头端处理外部系统之间的信息交换,如仪表数据管理系统(MDM)和AMI网络[1]。下图描述了输入和输出信号的一个典型的AMI。

2。弱点:尽管AMI的利用率增加的兴趣,已经有很少的工作,以确定安全需求等设备。然而,智能电表是极具吸引力的目标实施以来漏洞可以很容易地通过操纵能源成本和测量读数[8]。

AMI将认真隐私问题,大量的能源使用信息将存储在表。违反这个数据可能使客户的习惯和行为[8],[7]。客户也必须禁止查看信息通过网络发送其他客户[7]。参考文献[9]和[10]列表需要解决的几个关键隐私问题。

3所示。安全需求:为了抵御前面的漏洞,一些安全特性需要被纳入AMI的发展,随着新的隐私保护消费者的法律。目前的隐私法在美国是分散和模糊,并且不专门解决消费者的能源使用[8]。

一个安全功能,如加密,将无法涵盖所有可能的安全威胁[7]。因为它将该行业必须保持100%的正常运行时间,AMI的物理安全系统硬件和多个标准它需要加密和认证等安全特性[11]。此外,因为它将无法抵挡所有威胁,智能电表必须能够发现即使是最微妙的未经授权的更改和前兆篡改或入侵[1]。

在网络管理VI.AUTOMATIC仪表读数

的AMR(自动抄表)系统的主要作用是提供能源消耗数据的效用,但改造现有的能源计量系统的成本可能不合理没有增值功能。目前欧洲的许多公用事业水平安装大型AMR项目。到目前为止安装的焦点主要集中在远程读的能量测量。一些特定的应用程序也被开发出来,例如负载控制。使用AMR系统和数据的综合概念网络和电力市场管理仍然是罕见的[2]。

创造额外的价值函数的一个要求是AMR系统提供必要的集成的开放式体系结构的可能性。标准集成方法例如OLE过程控制(OPC)或开放连接通过开放标准可以开发新类型的智能系统集成[2]。

传统的AMR和配电管理系统(DMS)相互独立的系统没有集成如图3所示。AMR的主要作用是提供能源消耗数据的效用计费和平衡解决的目的。AMR系统也被用于负荷控制装置。到目前为止的自动监测和控制中心措施DMS主要用于操作20 kV中压网络。错误在低电压网络自动清除熔丝熔断,但没有收到信息,控制中心[2]。

(我目前的AMR米提供平台。e基础设施和通讯)来确定和开发新的上层函数(参见图4)。这些将用于开发网络资产管理,增强市场以及客户服务。第一个实现先进的AMR系统已经改变了基本的能量计的功能实时智能终端设备和网关,使客户之间的双向沟通和公用事业。基于先进的米警报的异常事件即侵犯网络故障和电压被启用。米也有一些添加安全保护功能[2]。AMR的使用和集成网络操作可以被看作是一个扩展的SCADA和低压配电自动化水平。如图4所示,AMR系统可以利用分销公司的许多功能

集成的AMR, DMS和电能质量监测系统提供信息用于整体资产管理和网络规划。目前先进的网络计算的应用网络信息系统和DMS使用hourly-load曲线作为负载信息。AMR系统提供的测量数据来确定更详细的负荷模型为不同的目的在网络管理和负荷预测。实时AMR数据可以用于状态估计,但用于网络规划负荷模型仍然是需要的。用于网络操作更准确的实时状态估计整个网络给信息电压,负载,损失,和强调的组件,也可以优化如网络拓扑结构、电压控制和负荷控制的行动。在网络规划更精确的负荷模型(如更准确的客户组织分工、区域模型,等等)为网络计算和信息实现电能质量(即中断,电压下降,电压水平)可以用来分配措施和投资[2]。

七世。智能电网安全

升级电网将许多新的安全挑战之前必须处理广泛部署智能电网技术就可以开始了。的数字化电网可能使远程攻击的快速增长,可能甚至跨国家或大陆[8]。此外,它正迅速成为计算机系统容易妥协由于在互联网上黑客工具可用性的增加和减少所需技术知识使用它们来实施重大损害[12]。

1。漏洞:为了保卫智能电网,[1]强调三种类型的漏洞,必须考虑物理、网络、和开源信息。

物理和网络:尽管物理攻击,入侵,武器攻击,或炸药,是真实的也是可怕的可能性,网络攻击有潜力成为破坏性和携带的隐形威胁和远程控制[13]。攻击者有可能发起的攻击几乎世界上任何位置。此外,目前90%以上的成功的网络攻击利用已知的漏洞和错误配置的操作系统、服务器和网络设备[14]。此外,该类型的协议和设备用于电力系统的通信和控制。的多样性和缺乏互操作性的通信协议引起的问题对于那些试图建立安全通信和变电站(或变电站中异构网络协议和设备)。在变电站控制网络,通常找媒体包括商业电话线、无线、微波、私人纤维,和互联网连接[1]。

2。安全需求:为了保护电力设施从上述威胁,一些防御机制需要最小化中断系统操作。

我。分层安全:分层安全(或深度防护国防部(DOD)指)涉及到战略结合多种安全技术在每一层的计算系统,以降低未授权访问的风险由于失败的任何单一的安全技术。它成倍地增加了攻击者的成本和难度妥协一个系统通过创建一个更强大的防御比任何单个组件的使用,因此,减少攻击的可能性。安全特性,在每一层包括检查、检测、预防、和加密[1]。

二世。欺骗欺骗:由两种可能的技术,掩饰,隐藏真实的,和仿真,显示错误。麦昆和波伊尔描述潜在的掩饰和仿真技术,可用于控制系统[15]。欺骗防御机制可以大大提高计划和执行的困难成功的攻击系统,并且可以提醒运营商可能威胁之前,任何系统都是伤害。

八世。智能分布式安全控制

深入和分层保护,智能分布式安全控制是必需的,这将使部分网络继续运行,甚至自动重新配置失败的地方失败的事件或威胁。与分布式智能组件作为独立的代理商,在每一个岛屿都有能力重组本身,有效利用当地资源保持他们的方式符合既定的全球目标,以减少负面影响对整个网络。本地控制器将引导偏远地区独立运作的时候重新加入网络,没有创造不可接受的当地条件期间或之后的过渡[1]。

达到期望的目标上面说的分销系统,分布式智能安全控制。模型是基于战略电力基础设施防御(SPID)系统控制体系结构开发的EPRI /国防部复杂互动网络/系统计划(CIN / SI)与智能系统广域保护和重新配置能力[1]。使用几个概念核心SPID模型,针对分销系统形成的体系结构。图的控制架构图5所示。

第九。交互式客户网关

发展分销管理和功能的电力市场的一个基本目标是使客户,或者至少客户连接点,积极改善例如分布式发电的并网,有效地利用能源,响应市场需求,供应的质量和管理分销网络的活跃。远程读能源仪表正在开发一个智能设备(如交互式客户网关)包括除了传统的能源计量也不同的高级功能根据当地情报和电力电子应用程序作为一个活跃的分销网络的一部分。交互式客户网关将基于现代电力电子的使用,先进的AMR技术和双向日期基地分布系统和应用程序之间的通信运营商(DSO)传输系统运营商(TSO),服务提供商和电力能源市场参与者(如聚合器),如图6所示[2]。

x的结论

提出了一些智能电网特性分布层次处理分布式发电的并网和活跃的分销管理,使用自动抄表(AMR)系统在网络管理和电能质量监测。远程读能源仪表正在开发一个智能设备(如交互式客户网关)包括除了传统的能源计量也不同的高级功能根据当地情报和电力电子应用程序作为一个活跃的分销网络的一部分。

之前的大规模部署和实现智能电网技术可以开始,必须解决网络和通信网络的安全。本文对智能电网及其相关的几个安全问题系统进行了讨论。此外,给出了一个智能分布式安全控制体系结构为配电系统提供更大保护障碍,有意的和无意的。

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