智能电网技术标准体系研究

/工业和信息化部产业发展促进中心 王伟 刘英军 中国电器工业协会 王琨 /

智能电网技术标准体系研究

/工业和信息化部产业发展促进中心 王伟 刘英军 中国电器工业协会 王琨 /

本文通过对国内外智能电网标准体系发展及现状的研究，以及我国智能电网标准体系机构的解读，提出了智能电网技术标准体系研究工具对于其发展的重要意义。

一、国外智能电网技术标准体系研究

（一）国际电工委员会

国际电工委员会（IEC，International Electro technical Commission）是世界上成立最早的非政府性国际电工标准化机构。为了推动智能电网建设，2009年4月，IEC标准化管理委员会（SMB，Standardization Management Board）召开首次会议组织成立了第三战略工作组——智能电网国际战略工作组（SG3），负责制定IEC的智能电网标准体系。我国国家电网公司也已派相关专家参加工作。该次会议明确了智能电网战略工作组的职责范围，其主要任务是智能电网IEC标准体系的研究。

IEC SG3下属三个工作组：智能电网路线图工作组（Roadmap task）、Mapping Chart工作组和用例工作组（Use Case task）。路线图工作组在2010年5月发布了《IEC智能电网标准路线图》（1.0版），在路线图中提出了信息系统体系结构、SOA架构等概念。

从2011年6月起，IEC开始计划新的架构，中期目标（mid-term 5-years）和长期目标（long term 15-years），并将IEC的体系架构与欧盟智能电网联合工作组（CEN/CENELEC/ETSI Joint WorkingGroup）的智能电网通用参考架构对接。

IEC认为，智能电网核心标准对智能电网应用和解决方案具有重大影响，适用于智能电网的主要技术领域。因此在1.0版路线图中首批推荐了五个核心标准，后来在2.0版路线中扩充到了八个，见下表。这八个核心标准主要包括放性架构、互操作、网络安全性等方面的标准。

IEC SG3还提出了两个标准的分析方法：IEC Mapping Chart和Use case，分别对应Mapping Chart工作组和用例工作组（Use Case task）的工作。

Mapping Chart工作组主要负责实现和完善IEC Mapping Chart，这是一个多维互动工具，可以把它看作是智能电网的地图。通过它，智能电网项目经理们可以快速识别标准是否可能用到，定位标准在智能电网中的位置，并验证工作流程和用例的可行性。Use Case工作组则分成方法学与七个领域组，目前主要工作是更新Use Case方法学，选择和发布系列通用用例（generic Uses Cases），并进行Use Cases用例库的管理工作。

目前IEC SG3下属的三个工作组都在围绕SG3的具体标准开发管理进行支持性工作。IEC认为智能电网最主要的一点在于能够提升对日益复杂的电力系统的可观性和可控性，这就要求在电网各个组成单元之间以及子系统间实现高度的信息共享。标准工作在实现信息共享方面非常关键，因此，标准工作对智能电网的实现至关重要。

（二）美国国家标准技术研究院

美国国家标准技术研究院（NIST）主导了美国智能电网标准体系的研究。NIST前身是美国国家标准局（NBS），隶属美国商务部，负责美国全国计量、标准的研究、开发和管理工作，在国际上享有很高的声誉。

NIST的主要研究成果是给出了制定互操作性框架的一份路线图，即2010年1月发布的《智能电网互操作标准框架和技术路线图》（1.0版），在2012年2月又发布了最终2.0版本。该路线图描述了互操作性标准发展与协调的现状、问题和优先事项。报告还介绍了智能电网的高层结构，包括智能电网的概念模型、构造原则与方法和网络安全战略。其中概念模型涵盖发电、输电、配电、用电、调度、市场和服务提供商七个领域。

表 IEG推荐的智能电网核心标准

NIST认为智能电网最终需要成百上千条规范和标准，并需要优先考虑八个领域：需求响应及用户用电效率、广域事态感知能力、电能储存、电气化交通、高级量测基础设施、配电网管理、信息安全以及网络通信。NIST还在2.0版本报告中着重叙述了电磁兼容问题也是影响智能电网互操作性的关键问题，因此在标准体系中应该考虑将电磁兼容问题纳入规划。这是在IEC、IEEE等其他组织的报告中没有谈及的。

（三）美国电气和电子工程师协会

美国电气和电子工程师协会（IEEE）也在大力开展智能电网的研究工作。2009年3月，IEEE批准成立了P2030工作组，其主要职责和研究重点是：为理解和定义电力系统与终端用电设备/用户之间的互操作提供技术指南；关注如何实现能源技术、信息技术和通信技术的融合；研究如何借助通信技术和控制技术，实现发电、输电、用电等环节的无缝操作；研究相关的接口定义；为建设更加可靠、灵活的电力系统提供新的方法；推动智能电网技术标准的编制和现有标准的修订工作。

2009年6月，P2030工作组召开了首次会议，其第一阶段的工作主要是编制《IEEE P2030标准草案：智能电网中基于信息和通信技术的电力系统与终端用电设备/用户之间的互操作》（简称“IEEE P2030标准草案”）。编制标准草案的目的是为理解智能电网中电力系统、终端用电设施及用户之间的互操作提供知识基础，包括其定义、特点、功能特性及其评价准则、工程原理的应用等。

该标准草案目前己经完成了6.0版。IEEE的智能电网的体系结构是通过三个不同专业角度的分析得到的。通过这三个角度的分析可以厘清其所应包含的主要组件以及这些组件之间存在的关系。这三个角度分别是：电力系统（Power systems）、通信技术（Communications technology）和信息技术（Information technology ）。

IEEE P2030标准中还提到了智能电网评估准则，用于提供框架对智能电网用例进行定量和定性评估。准则以信息传输质量对电网造成危害的严重程度（如人身伤害、财产损失）为依据，将等级分为三类：紧急（Critical）、重要（Important）和信息性的（Informative）。

（四）欧洲智能电网联合工作组

2010年3月，欧洲标准化委员会（CEN）和欧洲电子技术标准化委员会（CENELEC）召开了非正式会议，讨论欧洲智能电网技术标准化问题。2010年9月6日，由欧洲标准化委员会、欧洲电子技术标准化委员会和欧洲电信标准研究院（ETSI）成立了欧洲智能电网联合工作组（CEN/CENELEC/ETSI Joint Working Group， JWG），专为推进欧洲智能电网技术标准的研究工作。

2010年12月17日，联合工作组发布了欧盟智能电网标准的报告（1.0版），2011年6月最终报告获得欧洲各标准化组织审批通过。该报告借鉴了IEC和NIST的成果，详细阐述了欧盟的智能电网标准路线图。

欧盟路线图重视分布式能源和电动汽车方面的标准，强调信息安全标准和系统间的接口标准。在通信信息体系中，欧盟路线图也提出了多种模型的一致性问题，即IEC 61970、IEC 61850和IEC 61968的融合问题。路线图特别强调环保和政策法规的引领作用，重视开发工作的规范模式。报告认为为了保证智能电网的互操作性，应该用用例（Use Case）和自顶向下（top-down）的方法进行概念设计和指导，并用成熟的技术标准协调各种应用，如SOA。

欧盟路线图将现有标准分为交叉领域、专门领域和电力市场三大类，每一类中又进行了细分。在交叉领域，分为术语、参考体系、高层系统分析、数据模型接口、智能电网信息安全等，每一方面都分析了现状和差距，提出了行动建议，特别指出应将IEC 61850作为跨领域标准进一步研究，尽快替代IEC 60870。

二、中国智能电网技术标准体系研究

（一）基本情况

我国政府高度重视智能电网标准化工作，2010年12月国家能源局发文，正式成立了国家智能电网标准化总体工作推进组。通过建立国家层面的智能电网标准化机构，搭建中国智能电网标准化工作的组织机构。目前，国家智能电网标准化总体工作推进组正在组织起草制定《智能电网技术标准体系》。

早在2009年，国家电网公司就启动坚强智能电网标准体系研究。为了全面研究国内智能电网技术标准体系及相关标准的现状，涵盖智能电网各个环节，保证智能电网技术标准体系的先进性和完整性，国家电网公司按照九个专业分支，对已发布的标准进行了梳理、分析和研究。2010年6月发布了《坚强智能电网技术标准体系规划》（简称“《规划》”）报告，报告中按照SLO原则，将坚强智能电网技术企业标准体系为“8个专业分支、26个技术领域、92个标准系列，上千具体标准”的金字塔型四层结构，按照其英文缩写，简称DFSS体系，如图1所示。

国家电网公司智能电网技术标准体系框图如图2所示。

图1 国家电网公司智能电网技术标准体系的层次结构

图2 坚强智能电网技术标准体系框架

《规划》报告的发布为我国智能电网标准建设奠定了基础。国家智能电网标准化工作推进组研究我国智能电网标准体系时，就充分借鉴和应用了《规划》的研究思路和部分成果。在国际上该报告也得到了广泛关注。

坚强智能电网技术标准体系已在实际工程中支撑了智能变电站、配电自动化等试点工程的有序、协调建设，为我国智能电网的标准化建设奠定了基础，并将促进我国智能电网装备的产业化和国际化发展、推动国家能源战略的有效实施。

国家电网公司在2011年5月对《智能电网技术标准体系规划》（简称“《标准体系规划》”）又进行了修编。修编并未改变智能电网标准体系“8个专业分支、26个技术领域、92个标准系列”这一结构，只是对个别技术领域和标准系列进行了优化调整。

（二）智能电网标准体系详解

智能电网标准体系从三个专业角度（电网结构、设备（系统）和关键技术路线）分析和梳理。

（1）电网结构方面

（a）大电网

1）世界首创，拥有超前的技术、领先的标准：特高压直流输电（±1100 kV）技术标准；特高压交流输电（1000kV）技术标准；直流融冰+线路在线监测技术标准；多端直流输电技术标准；直流网络+直流集控技术标准；直流网与交流网的互联技术标准；欧美，超导输电技术。

2）需制定的标准：超大规模特高压互联大电网的安全运行标准；大电网安全稳定分析及控制标准；大电网一体化调度管理标准；大电网联合优化调度控制标准；大电网连锁事件条件下的智能分析、预警标准；大电网运行在线安全自动告警标准；大电网的一体化分级协调控制标准；高压直流输电换流阀；直流场关键设备（有源滤波器、直流断路器、光电式电流互感器等）标准。

（b）区域电网

涵盖华北、华中、华东、东北、西北、西南六大区域电网。

本领域标准涵盖：直流背靠背联网与解列技术标准；电力市场技术标准；柔性直流输电技术标准；输电线路状态监测装置标准；输电线路设备状态监测系统标准；线路状态与运行环境监测设备标准；欧美非管制的市场方式。

（c）省级电网

各区域电网下的省级电网。本领域标准涵盖：直流背靠背联网与解列技术标准；电力市场技术标准；柔性直流输电技术标准；输电线路状态监测装置标准；输电线路设备状态监测系统标准；线路状态与运行环境监测设备标准；交流联网技术标准；区域稳定技术标准；柔性交流输电技术标准；电力市场技术标准；柔性直流输电技术标准；输电线路状态监测装置标准；输电线路设备状态监测系统标准；线路状态与运行环境监测设备标准；欧美非管制的市场方式。

（d）配电网

配电网又名地区级电网，由城市电网和农村电网及无数微电网组成。本领域技术标准涵盖：并网离网技术；停电恢复不间断供电技术；智能配电设备；配电自动化与配网规划系统；分布式电源和微网控制、保护及接入标准。

（e）微电网

微电网主要技术领域包括：分布式电源；微网控制、保护及接入。

微电网关键设备包括：分布式发电；储能装置；能量转换装置；相关负荷和监控、保护装置；分布式电源标准化换流装置；分布式电源标准化电能控制装置；分布式电源及微电网电能质量治理装置；分布式电源微机保护装置；大容量、高可靠快速切换固态开关。

微电网作为智能电网的重要部分有效连接了发电侧和用户侧，且可灵活接入大量的分布式能源，并主动参与了电力系统的运行优化。智能电网相关技术的持续发展，必将推动微电网的广泛应用，微电网的发展在我国尚处于起始阶段，但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向，并且有着广阔的发展前景。

（f）袖珍网

袖珍网-低碳家庭——实现低碳的最小单元。关键设备（系统）包括：智能家电；智能插座；居民家用分布式电源及储能管理系统居民用电交互终端；智能用电小区。

（2）设备（系统）结构方面

在智能电网中，一次与二次、装备与电网、装置与系统之间更加融合。

智能电网的设备不仅涵盖二次系统的测控、保护、安全稳定控制等装置、还包括传统一次系统的智能电器、静止补偿装置、固态开关、优质低价和高容量的储能装置等。

智能电网设备大致按以下四个层级划分：第一层，发输变配用涵盖发输变配用等领域的智能元件、电器；第二层，传感量测保护控制涵盖本地传感、数据处理、智能量测、控制等；第三层，信息通信网络、智能网络涵盖用电信息采集的统一标准、统一平台、数据集中和双向互动等；第四层，高级调度中心、智能运行涵盖省级及以上智能电网调度技术支持系统基础平台和支撑平台的建设。

（3）三个视角方面

从能量流+通信网络+信息流三个视角方面分七大领域：基础与通用、发电、输电、变电、配电、用电、调度、通信信息等。

（三）标准体系各领域情况

（1）基础与通用

本领域包括术语和方法学、安全、电能质量等。

（2）发电领域关键设备及技术标准

（a）常规发电关键设备

涵盖：次同步振荡抑制装置、大机组设备状态检测与故障分析系统、水电机组设备状态监测、梯级水电站调度控制、发电厂快速并网装置、常规能源和新能源的自动化成套控制系统。

（b）大规模可再生能源关键设备

涵盖：风电场故障穿越装置、风光储智能控制系统、间歇电源功率预测调度、兆瓦级光伏并网逆变器系统、间歇式电源功率控制、风电机组控制系统、风光储联合电站一体化智能监控系统以及新能源发电监控系统。

（c）大规模储能关键设备

涵盖：集成储能功率平滑调节、化学电池模块化集成、电池储能能量管理、电池储能转换装置、飞轮储能装置、电容/超导储能装置、储能电站智能调度以及化学电池储能。

涉及技术标准：常规电源网源协调技术标准、风电并网技术标准、光伏并网技术标准、其他新能源并网技术标准及大容量储能系统并网技术标准。

（3）输电领域关键设备及技术标准

输电环节主要包括输电线路状态监测、柔性交流输电、直流输电。

（a）输电线路状态监测

涵盖：输电线路状态监测装置及输电线路状态监测系统。

（b）柔性交流输电

涵盖：静止无功补偿器、故障电流限制器、静止同步补偿、串补/可控串补及可控并联电抗器。

（c）直流输电

涵盖：直流场关键设备、多端柔性直流控制、柔性直流输电电缆、高压直流换流阀、柔性直流换流站及柔性直流换流阀。

涉及技术标准：特高压输电、柔性直流输电、柔性交流输电、线路状态与运行环境监测及输电资产全寿命周期管理等技术标准。

（4）变电领域关键设备及技术标准

变电环节主要包括设备层、系统层及站控层设备。

（a）设备层关键设备

涵盖：智能元件、传感器及测控装置、保护测控一体化装置、合并单元、智能组件、电子式互感器。

（b）系统层关键设备

涵盖：智能变电站监控系统、远动终端、间歇电源保护监控装置、广域及区域保护控制。

（c）运行技术支持关键设备

涵盖：检验/测试/评估系统、状态监测状态检修系统、多态遥视/安防/消防、数字装置调试试验装置、组态及系统调试工具。

涉及技术标准：智能变电站综合技术标准、变电设备智能化标准、智能变电站自动化系统标准、状态监测评估和检修、变电资产全寿命周期管理标准等。

（5）配电领域关键设备及技术标准

配电环节主要包括过程层智能化一次设备、站控层设备。

（a）智能配电设备

涵盖：大容量快速切换固态开关、智能配电开关、智能配变监测终端、复合电能质量控制器。

（b）配电自动化与配网规划

涵盖：配电自动化主站系统、配电调控一体支持系统、配网规划辅助决策系统。

（c）分布式电源和微网

分布式储能装置、配电保护测控一体化、供电系统微机保护装置、供电电能质量治理装备、供电换流装置及控制装置。

涉及技术标准：配电自动化、分布式电源及微电网并网、分布式储能系统接入配电网等技术标准。

（6）用电领域关键设备及技术标准

用电环节关键设备如下：

（a）用电信息采集

涵盖：用电信息采集主站、用电信息采集终端、智能电能表。

（b）智能用电小区

涵盖：居民用电交互终端、智能家电、智能插座、智能用电小区服务系统。

（c）智能大客户服务

涵盖：智能需求侧管理系统、大用户交互终端、智能楼宇管理系统、分布能源及储能管理系统。

（d）电动汽车充放电

涵盖：电动汽车充放电设备、充放电管理系统。

（e）智能营业厅

涵盖：智能营业厅管理系统、停电管理系统、用电地理信息系统、客户服务门户网站、自助服务终端及系统。

涉及技术标准：双向互动服务、智能量测、用户端用能管理、智能用能、电动汽车充放电、智能用电检测技术标准。

（7）调度领域关键设备及技术标准

智能电网调度技术支持系统研制（调度管理类应用、安全校核类应用、调度计划类应用、实时监控预警类应用、基础平台）。

涉及技术标准：智能电网调度系统、智能电网调度系统基础平台、智能电网调度系统应用功能、电网运行集中监控等技术标准。

（8）信息通信领域关键设备及技术标准

信息通信领域涵盖：通信网络、信息化应用。骨干通信网关键设备、配用电通信网关键设备、通信支撑网关键设备。

三、智能电网技术标准体系的分析方法

即使从全球的角度来看，智能电网的标准化建设也尚在起步阶段。智能电网的建设是一项长期的、复杂的系统工程，它涵盖政府、装备和服务供应商、科研机构等多个方面。其中关键之处，并不在于技术方面的问题，而在于能否建立全球通用的智能电网国际标准。因此，标准化是支撑智能电网建设的重要手段。

在实现标准化的过程中人们发现，标准化最重要最敏感的一环其实是标准的使用者。智能电网具有庞大的标准体系。以我国标准体系为例，下有8个专业分支，26个技术领域，92个标准/系列标准，具体标准则有数千条。而面向使用者的恰恰是这数千条最具体的标准。虽然这些标准大多是现有的而且已经发展得十分成熟，但要正确使用它们尚有难度。首先，要求使用者对这些标准具有高度深层次的认识；其次，使用者必须明确知道如何使用这些标准来达到最佳效果，并能随时依照工程项目的进程对其进行调整。正确使用标准是建立在正确分析标准基础上的，为了使人们正确使用标准，有必要对标准体系的分析方法进行研究，以获得高效正确的标准分析方法。

（一）流程分析方法

任何活动都是以业务为主线来完成的，智能电网的建设也不例外。因此在智能电网技术标准体系的研究过程中，可以根据对其组织结构图和业务功能体系图的分析，决定下一步重点调查的对象，对象可以是专业分支或者技术领域，或者标准系列，然后对该对象的业务信息、业务流程等进行详细调查，得出业务需求和解决办法。这种方法被称作流程分析方法。

流程分析方法作为一种成熟的管理方法，在项目管理和企业管理中已经运用了多年。流程分析的目的是了解各个业务流程的过程，明确各个相关操作者之间的业务关系，明确每个业务处理的意义，为业务流程的合理化改造提供建议，为系统的数据流程变化提供依据。

流程分析方法适用于单个或者小规模的活动业务分析。比如在变电站标准化建设中，流程分析方法是十分实用的。然而这种分析方法在智能电网中应用时，面对庞大的智能电网技术标准体系，以及各个专业分支、技术领域乃至标准系列之间错综复杂的关系，流程分析方法难以理清各个操作者之间的逻辑，也就难确定出明确的标准化流程，显得心有余而力不足，因此此种分析方法并不适应未来电网新需求。

（二）系统工程方法

基于智能电网技术标准体系的研究，IEC也提出了一种标准体系研究方法论：从系统的角度看问题，引入系统工程思想，使用用例（Use Case）来开发、分析和确定智能电网工程中的真实需求。这种方法论被称为“系统工程方法论”。见于IEC TC8发布的国际标准《用于能量系统研发要求的智能电网方法》（《IEC PAS 62559; IntelliGrid Methodology for Developing Requirements for Energy Systems》）。

智能电网是一个复杂的大型系统，为了满足智能电网的互操作性需求，需要处理大量来自系统层面的问题。系统工程正是一种用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统问题的方法。它以解决总体优化问题为目标，从复杂系统的总体入手，把研究对象作为整体看待，对任一对象的研究都必须从它的组成、结构、功能、交互、发展和外部环境等方面进行考察，进而通过综合分析、构造模型等来改善系统的结构，从而达到整体最优化。比如解决电力网络问题，不能只研究个别电力设备的质量问题，必须从电力系统总体入手。

IEC PAS 62559方法论的主要思想来源于美国电力科学研究院对智能电网体系架构进行研究的成果。研究中发现，要实现智能电网的可靠性、高效性以及自愈性等一系列功能，基本前提是实现电力系统和信息系统的互操作性，即实现电力系统基础设施与信息系统基础设施的共同交互设计。

然而，电力系统基础设施一直是电力工程师根据自身领域内的已有标准和技术规范建造，信息系统基础设施则是信息工程师根据本领域的已有标准和技术规范建造。但通常双方工程师都只熟悉自身领域的已有标准和规范，对对方领域则不甚了解。所以需要开发出一种令双方正确沟通的方法，通过这种方法沟通，能够使某一领域工程师在不必十分熟悉对方领域的情况下，就能正确地向对方领域工程师表达自己真实需求。该沟通方法亦即是IEC PAS 62559标准的研究初衷。

IEC PAS 62559标准的主要内容是基于电力企业实际业务需要，制定了一套电力系统领域专家在实现系统自动化过程中确定和描述用户需求的一套标准方法（学），即智能电网需求分析方法。

系统工程虽然是一门成熟的学科，却首次应用于智能电网领域。如果将极其复杂的研制对象称为系统，这个系统本身又是它所从属的某个更大系统的组成部分。系统工程就是组织管理这种系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，它对所有系统具有普遍意义。

四、智能电网技术标准体系研究工具

目前国际上有两种应用得比较成功、具有推广价值的分析工具，分别是IEC Mapping Chart工具和用例分析方法。这两种工具都是系统工程思想指导下的标准分析方法。系统工程思想，以其“宏观研究为主，兼顾微观研究”以及“并不追求构成系统的个别部分最优，而是通过协调系统各部分的关系，使系统整体目标和采取的方法达到最优”的中心思想，是目前最适合智能电网庞大的技术体系研究的方法论。因此系统工程方法论也是当前开发智能电网标准体系分析工具的主流指导思想。

图3 当前主流分析方法和分析工具

智能电网标准体系是指导智能电网建设的技术依据、制度保障和发展指南。而目前国际上现有的智能电网技术标准体系分析工具，要么不够与时俱进，不能紧跟现状；要么不适合我国国情，不能应用于我国坚强智能电网技术标准体系。因此，很有必要结合我国电网目前现状及未来发展目标，通过科学合理的分析方法，确定我国智能电网标准体系的指导方法和总体需求，开发出一套适用于我国智能电网技术标准体系的分析研究工具。