概览

电网的构成比较复杂，涉及发电、输电、配电、供电等多个环节。整个电网是随着用电需求的变化时刻在变化的。随着太阳能、风能、分布式能源技术的发展，电网也变得越来越复杂，如何智能化地维护电网的正常运行成为一个亟待解决的问题。

美国国家标准与技术研究院（NIST）于2021年2月发布了《NIST智能电网互操作性标准框架和路线图》第4.0版，这份文件反映了智能电网技术的进步以及NIST与电网行业合作的发展，还包括了对其智能电网网络安全准则的修订。本系列文章将对该标准的部分内容进行介绍和解读，更多的是想给各位读者一个导引，抛砖引玉，希望大家对智能电网安全领域更加感兴趣，引起大家对电网信息安全架构的思考，创造出更多的成果。涉及具体数据等详细内容，推荐感兴趣的读者直接去阅读该标准，这里也附上链接

https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/SpecialPublications/NIST.SP.1108r4.pdf 。

整个标准包含的内容是很庞大的。我们更多的是介绍和解读其中对智能电网的架构设计，以及其在网络安全方面的考虑和设计。

关于智能电网的架构设计，主要在原文第二章描述，网络安全在第五章。我们将会在本系列内容中着重讲述这两章。本期文章中，我们先介绍NIST智能电网理论模型，体会一下NIST智能电网的基本架构。

随着现代各种新技术的发展，电网的智能化和自动化不断面临着新的挑战。例如，据统计在过去的十年中，美国经历了非传统能源部署和使用的大幅增长。随着像太阳能光伏（PV）这类技术的安装成本持续大幅下降，部署量预计将大幅上升。然而各种新型发电设备的接入无疑增加了电网的复杂性。

除此之外，发电只是系统的一部分，随着各种各样的分布式能源技术（Distributed Energy Technologies）的发展，需求响应（Demand Response）也变得尤为重要。这里需要说明下，分布式能源技术通过在用户侧部署发电设施（例如太阳能等新型能源）并接入电网。用户优先使用本地发电，以电网供电作为补充，当本地电量充足时，甚至还可以将本地发电反向“卖”给电网，实现能源利用最大化。随着这些新技术逐渐被广泛地应用和规模化部署，电网将变得更加有弹性，对可靠性的要求也更高。

在电力系统中，大部分电力是在其产生时交付的，即产生的电力大部分都是直接被用户使用掉。因此，系统中的电力供应、传输、分配和消费是紧密耦合的，必须时刻读取电网中的运行数据，积极协调电网中的各种设备。随着技术的发展，传感器的成本甚至比能源技术的成本下降得更快，传感器和网络化能源设备的增长对我们理解和操作电网的能力的要求不断提高，这种能力也可以叫做互操作性（Interoperability）。

互操作性即及时、可操作地交换信息的能力，是电力系统的一个关键但未得到充分发展的能力。近年来电网发生了重大的现代化变革，但技术和相关标准的推广应用只适度地改善了互操作性。分布式能源和其他技术的扩展，以及客户期望的变化，使互操作性面临的挑战更加复杂。

在未来的智能电网中，分布式资源和用户资源占有重要地位，智能配电系统和其他关键集成商也是如此。随着电力生产、管理和消费的现代化，系统运行和经济结构的策略将多样化。这种多样化将受益于并最终依赖于更强的互操作性。互操作性的好处是广泛的，并能惠及所有规模的所有利益相关者。

同时，互操作性需要一种网络安全方法，保证不断开放的新的通信接口的安全性。

NIST理论模型

NIST已经开发了几个模型来描述智能电网的互操作性问题，在本版本的框架中，结合新兴的电力系统趋势，继续对这些模型进行了更新和扩展。在本篇文章中，我们首先来看NIST电网理论模型，通过这个模型可以看到NIST智能电网的整体架构。

NIST智能电网概念模型描述了电网系统和应用的整体构成。它的目的是提供一个高层次的系统视图。概念模型最初于2010年推出，每次框架修订时都会更新。图1中智能电网概念模型反映了整个电网中使用的分布式能源（DER）的数量和类型的大量增加，配电系统的日益重要和自动化，新的客户互动和资产以及服务提供商在配电系统中的作用。

图1 智能电网理论模型

概念模型中的每个领域及其子领域都描述了智能电网的概念角色和服务，包括每个域的服务类型，不同域之间的交互，例如：客户和需求响应管理、分布式发电聚集和停电管理。每个服务由一个领域内的一个或多个角色执行。例如，相应的服务可能包括智慧家庭、分布式能源（DER）和客户需求响应、负载控制和广域态势感知（WASA）。

(1) 包括DER的发电域（Generation Including DER）

电力产生的域，也可以储存能量。这个领域包括传统的发电来源和分布式能源（DER）。在逻辑层面上，“发电”包括那些传统的较大规模的技术，通常连接到传输系统，如传统的火力发电，大规模的水力发电，以及通常连接到传输的公用事业规模的可再生能源装置。发电机通过将其他能源转换为电力。这种转换的来源最常见的是核燃料，碳基燃料（如煤，天然气，石油），移动或储存的水，或可再生（如太阳能，风能，地热）。根据不同的州，发电机可能由公用事业公司或第三方拥有。

DER与用户和配电域提供的发电、存储和需求响应互相关联，并与服务提供商的综合能源互相关联。目前，某些类型的DER可以加入电网调度，例如向电网请求电力。在大多数情况下，DER目前没有得到辅助服务的回报。然而，联邦能源管理委员会一直在为了让多种类型的DER直接参与批发市场而降低准入门槛，并指导区域贸易组织建立补偿机制、降低关税，以允许DER参与其服务并获得回报。这里可以理解为由于政策等限制，大部分DER并不能通过将本地发电输送到电网获益。但是这会是未来的趋势，因此将DER作为发电域的一员也是大势所趋。

(2) 输电域（Transmission）

包括长距离的高压电的载体，也可以储存和发电。

输电领域的作用是将高电压下的散装发电从源头长距离输送到可以利用这些高电压的大客户，或者输送到配电网络，降压输送到最终使用的客户。除了德克萨斯州的ERCOT地区外，美国大陆的所有输电商都由FERC监管。

(3) 配电域（Distribution）

为客户提供电力的分销商，也可以储存和发电。

配电公司主营业务为从输电网络或DER向终端用户输送所产生的电力。配电领域的实体是垄断性的，通常是投资者拥有的公用事业、合作社或公共电力实体，其费率由监管机构或其他管理机构决定。在大多数司法管辖区，配电费用都会被列为单独的条目由配电公司收取。然而，在其他司法管辖区，发电、输电和配电的成本则被统一计算。

(4) 市场域（Markets）

美国的电力批发市场是由RTO或ISO管理的。他们的职责是管理大宗电力流，确保输电网的可靠性，进行其负责区域内的配电规划。这些实体受到FERC监管，通过提供市场管理和结算服务盈利。在美国，大范围的配电市场目前还不存在；然而，最近加州和纽约的监管活动表明，在这些州建立了配电市场平台。

(5) 服务提供商（Service Provider）

电力服务供应商是客户与配电或市场领域之间的接口。电力服务提供者一个常见的作用是，将那些无法进入能源市场的小型客户的负荷或需求响应能力聚集起来。在放松管制的市场中，多家电力服务供应商竞争向终端客户出售电力，并可自由安排能源的定价以及与能源捆绑的服务。能源服务供应商还帮助商业和工业客户根据相关的客户费率设计电力使用计划，这通常是为了管理高峰负荷和相关的高峰需求费用。新兴的电动汽车充电网络也属于电力服务供应商的一个新角色。

(6) 消费者域（Customer Domain）

包括电力的终端用户。许多电力客户已经开始更积极地主动管理其能源消耗。大多数美国电力客户现在都在其场所安装了智能电表。一般通过智能电表安装时提供的客户门户网站，客户可以获得能源使用信息，而且对他们的能源使用和管理方式有更深入的认识和了解。住宅和商业客户越来越多地选择通过提高能源效率、安装屋顶太阳能和能源储存设备来降低他们的能源成本。随着屋顶太阳能在许多州实现了与电网提供的能源的成本持平，以及储能成本的下降，可以预见这一趋势将继续。在放松能源管制的州，商业和工业客户已经利用零售电力服务提供商来降低他们的能源成本。大型商业客户，特别是那些拥有大型建筑的客户，正在越来越多地安装和利用建筑能源管理系统，以帮助节约他们的能源成本。

(7) 操作域（Operations）

电力系统的管理者，目的是维护电网的平稳运行，比如网络提供商，网络安全厂商等，他们逐渐在智慧电网中扮演着越来越重要的角色。

为了实现智能电网的功能，一个特定域的角色经常与其他域的角色互动。此外，随着系统复杂性的增加，通信和互操作性将不仅仅限制在传统物理连接的节点之内，一个组织很可能包含多个领域的组成部分。例如，北美的独立系统运营商（ISOs）和区域传输组织（RTOs）在市场和运营领域都有作用。同样，一个配电公司并不完全包含在配电领域内--它可能包含运营领域的角色，也许还包含市场领域的角色，因为整个系统的经济信号变得更加动态。

通过对域、接口、电力和通信流的可视化呈现，可以帮助大家从各个域的变化理解过渡到一个智能的、可互操作的电网。例如，一个包括DER、运营、配电和客户领域在内的更新的发电域既包括在本域内的改变也会对电网中其他域产生影响。

此外概念模型着重于域之间的通信接口和互操作性，因此并没有囊括与电网有关的所有可能的关注点。例如，在市场领域定义中的定价策略或其他经济活动都与运营直接相关，就不在本模型考虑范围之内。

尾声

本期内容，就先介绍到这里，本次推送中，我们介绍了NIST智能电网中的几个域的概念和基本功能，后续章节我们将会详细介绍每一个域的功能。

智能电网属于计算机科学与电力系统的交叉学科，笔者是计算机专业，因此对电力系统的理解如果有什么偏差，希望读者理解，欢迎大家提出批评与建议，我们会及时做出修正。