对智能电网网络的测量与控制
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智能电网
从中心控制的变电站网络发展到智能电网理论上虽然简单，但是实际上涵盖的内容非常多。概念上，智能电网的理念是将变电站中的所有传感器和致动器联网，并沿多个方向进行延伸。这些新方向包括：
●在一个大洲上分布有数百万个传感器、开关、继电器以及断电器等
●新一类网络连接
●通过发电设备进行控制，通过新电源和负载进行控制，而不仅仅是通过分布式电网。
●新一类传感器
●新的控制算法
这些新挑战促使变电站中已有的私有网络进行变革。
第一个也是最明显的变化就是智能电网，它有大量的节点，覆盖广阔的地理范围，无法通过将现有的私有网络桥接起来进行管理。它需要使用互联网，而不仅仅是互联网骨干网。为能够延伸到独立的电厂、居民街区的电路断路器、屋顶太阳能板控制器、智能电表以及家庭中的电动车辆充电设备，智能电网的控制网络需要采用无线和固网，以及公网和私网进行连接。
这种变化对电网安全产生了深刻的影响。据报道，已经有人通过互联网来连续探测并攻击控制网络。而智能电网采用了公共基础设施，这些攻击会发现新目标。
业界曾尝试预测IEC 62351会遇到什么样的挑战，这一标准提供了认证和防入侵探测，保护不受非法监听和欺骗的影响。但是，网络虽然很好，但在这些方面也只是采取了临时应急措施。早在2010年，Anthony Metke和Randy Ekl以及后来的摩托罗拉，讨论认为只有完全公开密钥的加密方法能够有效的保护电网的安全。其他专家提醒说，即使是这一方法，在其他应用中也是脆弱的，只有通过连续监测、主动防御，甚至是攻击将要发起的攻击，才能实现智能电网的安全。对于网络适配器设计人员，一直对威胁进行防御并不可行，因此，对于不断扩大的城市，其物理安全取决于功能电网。
更高级的控制
由于有更多的节点和公共网络，智能电网的新一类节点越来越复杂。对于传统的大规模和中等规模发电厂，电网现在增加了很多小规模太阳能设施，未来还有储能设施。随着电动车辆的逐步发展，新一类非典型用电行为——新的存储介质，开始连接到电网中。增加的这些东西改变了电力从电厂向用户单向流动的老方式，会对本地分支阻抗产生极大的影响。由于智能电网的一个主要目标是维持动态稳定性——特别是响应意外的瞬时变化，因此，阻抗和电流方向的突然变化是很大的问题。
对此，电力公司扩展了他们的传感器功能。一个例子是更多的使用了相位测量单元(PMU， 图4)。这些设备实际上是波形慢变的数字转换器，一般是30个采样/秒。PMU使用GPS时间参考对采样打上时间戳，因此，在原理上，控制中心能够通过网络同时了解电压、相位和波形，支持控制中心精确的调整效率和电力质量。
图4.现代PMU是低速波形数字转换器，具有GPS时间参考和冗余网络连接。
但是，这一功能要求对其他节点的事件打上时间戳——继电器、太阳能板控制器、车辆充电器、断路器等。如此广泛的时间协议意味着不仅需要数百万个GPS接收机，而且还要在公网上支持IEEE 1588。
一些结论
电厂或者变电站的智能电网网络要求看起来比较简单。网络必须提供PRP或者HSR冗余功能。在实际中，这些要求意味着控制器必须有多个网络端口和协议堆栈，随时找到复制的和受损丢失的数据包，只将正确的信息传递给应用层——零延时。
而且，网络必须符合某些消息非常严格的延时要求，GPS接收机和IEEE 1588相结合，提供精确的时间戳，进行事件报告和数据采样。Altera技术部资深员工和系统规划师Vince Bridgers指出，IEEE 1588也有自己的难点。网络经过周期性的训练，在参考时钟和本地时钟之间建立失调。在训练之间，包括网络拓扑、意外的适配器或者软件延时，以及PHY延时在内的很多来源都会导致抖动。Bridgers说，办法是提供硬件时间戳的确定性PHY，或者使用高优先级消息队列来旁路协议栈中的延时。然而，网络冗余和极低抖动IEEE 1588不能共存。Koskiahde说：“从一开始就需要把IEEE 1588支持设计到冗余网络中。不能在设计后期将其加到HSR或者PRP中。”
问题最大的要求是安全。大量的工作要投入到实现安全系统中，使用了加密加速器、可信计算内核以及篡改探测等。但是，把冗余网络和低延时、低抖动消息融合到这一环境中，会使得设计人员进入一个完全陌生的领域。
最后，将智能电网扩展到变电站范围之外也是一个挑战。这种扩展加重了我们讨论的所有这些问题。
网络是公网时，零恢复时间冗余网络这一概念立刻就带来了问题。如果能够采用冗余连接，两种不同的网络连接之间的偏移足够小，可以实现故障恢复吗?冗余能够弥补互联网不可避免的传输延时，或者对于变电站之外的设备，设计人员是不是要放弃IEC 61850要求?
相似的问题也存在于公网IEEE 1588中。电力公司能否不在智能电网的每一个节点上放置GPS接收机便可以降低抖动?还有，电力公司防火墙之外如此众多节点的安全问题?公开密钥加密和大量的防入侵手段相结合能否保护智能电网不受故意的恶意攻击?或者，在出现恶意攻击时，在不能保证传输、延时和抖动的情况下，电网系统工程师能够想出有效的控制算法?智能电网的最终实现还有很多问题要解决。
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