DQZHAN技術訊：美國智能電網測試環境發展特點和行動策略
摘要：智能電網的發展需要與之相適應的測試能力，測試環境將成為智能電網突破性發展的核心推動力。通過梳理美國智能電網測試環境的案例，分析了美國智能電網測試環境發展的特點，研究了美國國家標準技術研究院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)提出的發展機遇和發展思路，總結分析了美國智能電網測試環境提升發展的行動策略以及給我們的啟示。NIST 和能源部(Department of Energy，DOE)的協調和**、研究機構資源和能力的協同、公共基礎資源的共享和遠程訪問，形成了美國智能電網測試環境發展的合力。智能電網測試環境的發展，應以滿足智能電網發展需要為出發點，以模塊化、互聯互通為發展方向。
共享和遠程開放需作為信息物理融合系統(cyber physic system，CPS)基礎性和獨特性測試資源建設的重要原則。系統模型、仿真工具和測試數據的積累和使用也需要整體協調、有序推進和充分共享。
關鍵詞：智能電網;信息物理融合系統;測試環境;模塊化;互聯;通信
0 引言
隨著越來越多的分布式可再生能源、電動汽車、儲能和需求響應設施接入電網，隨著越來越復雜的電力電子、控制和通信技術的應用，智能電網已經發展成為高度互聯的信息物理融合系統(cyber physic system，CPS)[1]。電力信息物理融合系統的網絡通信架構、控制體系、**風險傳播機制等是傳統電網未曾涉及或者遠不能比擬的。為了實現智能電網的堅韌、可靠和**特性，須要與之相適應的標準體系和測試能力保障。
美國作為*早提出智能電網理念和實施路線圖的國家，不僅同步開展了測試環境的研究和建設，而且在評估總結試點工程的基礎上，開展了測試環境的頂層設計和建設引導。美國國家標準技術研 究 院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)認為，測試環境是智能電網發展的關鍵資源之一，并將成為智能電網突破性發展的核心推動力[2]。美國對智能電網測試環境的**定位、頂層**協同、**系統集成等均是其他國家未曾企及的。
本文通過梳理美國智能電網測試環境的案例，分析了美國智能電網測試環境發展的特點，探究了NIST 提出的智能電網測試環境的發展機遇、技術挑戰和戰略布局，剖析了美國智能電網測試環境提升發展的行動策略及其給我們的啟示，提出了我國智能電網測試環境發展建議。
1 美國智能電網測試環境發展的特點
智能電網測試環境的初始目的是測試某一特定需求功能。隨著智能電網的發展，測試環境的定位、構成及能力不斷擴展和深化。
1.1 擴展測試功能，適應新型構成的電網發展
美國從能源部(Department of Energy，DOE)國家實驗室、州立大學、研究機構到電力公司，在智能電網建設初期就同步開展了大量的智能電網測試環境建設。文獻[2]提供了 DOE 國家實驗室、大學以及企業現有的近 40 個智能電網測試環境清單和簡介。文獻[3]從促進協同和互操作的角度，提供了 10 個 DOE 國家實驗室、杜克能源等 5 個電力公司以及伊利諾伊大學等 7 個大學測試環境的測試內容。每個測試環境都各具特色。其中，DOE 所屬的國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy
Laboratory，NREL)的能源系統集成設施(EnergySystems Integration Facility，ESIF)建立于 2013 年，集成了電力系統、熱力系統、燃料系統的測試裝備，具有高性能建模和仿真能力，提供兆瓦級的電力硬件在環(power hardware-in-the-loop，PHIL)測試環境，開展新能源技術的全功率實時模擬測試和評估，以及可再生能源高比例接入電網的穩定性等研究。隨著**配電管理系統(advanced distribution management systems，ADMS)、用戶能源管理等理念和技術的發展，NREL 充分發揮其電力設備在環、建模、仿真的獨特優勢，不斷擴展 ESIF 的構成和功能。
NREL 在 ESIF 基礎上增加了通信層，連接電力系統實時模擬器、電力設備和網絡設備，構建了微網測試平臺，開展微網電能質量、微網控制器、微網模式切換等測試[4]。NREL 與杜克能源、GE 公司一 起，正在構建配電管理系統(distribution management system，DMS)綜合測試環境，實現智
能逆變器等設備與 DMS 模擬電網的實時狀態交互，開展電壓無功優化應用等測試工作，形成了ADMS 測試環境的雛形[5]。NREL 利用 ESIF 的分布式能源仿真功能、電力硬件在環的實時網絡仿真能力，采用主動網絡管理(active network management，ANM)控制技術，加強智能家居及其設備的集成，協同控制住宅光伏發電、電動汽車充電和儲能系統，管理反向功率、需求響應服務，提高電網承載能力[6] 。
NREL 的 ESIF 在技術研究和應用中承擔著獨特的作用。DOE 近期發布的《**配電管理系統2016—2020 五年規劃》征求意見稿(簡稱 ADMSMYPP)[7]，明確指出將充分發揮 NREL 的 ESIF 現有能力，建立逼真的 ADMS 測試環境，評估和解決ADMS 技術應用中面臨的挑戰。2015 年 NREL 參與合作，為 Miramar **陸戰隊航空站(Marine Corps Air Station，MCAS)建立了完全依賴太陽能和電池的微網。為降低項目風險，項目團隊利用 ESIF，模擬 MCAS 環境，先行開展了概念驗證[5]。
表1 列出了美國 DOE 國家實驗室和大學的部分智能電網測試環境的功能擴展情況。從表 1 中可以看出，雖然各實驗室和大學建設的測試平臺各具特色，但網絡**和通信都成為其基本組成，一方面是因為通信和網絡**貫穿整個智能電網架構;另一方面也反映了通信和網絡**的重要性。
1.2 多種形式、功能、系統的集成和交互
智能電網是電力、通信和 IT 無縫集成的信息物理融合系統，其測試環境的架構和實施是一門科學[8]。
十幾年前建立的美國國家數據采集與監視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)測試環境，成功開展了控制系統風險評估、漏洞修補、加固驗證等工作，其中的發電、輸電等組成都是由真實設備構成，實物部署的大量成本限制了類似測試環境的發展[9]。文獻[10]提出 CPS 測試環境應體現網絡、控制和物理系統之間的交互，實物、仿真、模擬的混合模型是建立可擴展、高保真、有成效的 CPS 測試環境的核心。實時數字仿真、電力硬件在環、網絡在環成為測試環境的普遍且重要元素。
愛達荷國家實驗室 (Idaho National Laboratory，INL)的電網可靠性和控制系統測試環境，由自主運行的輸電系統、配電系統以及實時全數字的電磁暫態電力系統仿真器構成，模擬真實電力系統環境，與電力系統控制和保護裝置直接連接，開展繼電器保護和控制系統的實時閉環測試等**研究[11]。
為解決清潔能源與電網的無縫集成問題，NREL 主導了電網研究和技術實驗的集成網絡測試環境項目(integrated network testbed for energy grid research and technology experimentation ，INTEGRATE)。項目部署了主動網絡管理，集成了配 電 控 制 系 統 、 微 網 能 源 管 理 系 統 (Energy Management Systems，EMS)和智能家居 EMS，還將建立太陽能光伏、電動汽車、智能建筑、燃料電池技術和風電等電網服務能力模型，利用實時自主的確定性控制，連接和管理配電網中的分布式能源。項目研究了設備**互操作的信息通信和計算架構標準，研究和示范清潔能源技術的整體電網服務能力[12]。
1.3 真實運行數據促進測試環境的成效
NIST 認為電力系統、通信和控制集成的逼真模擬是 CPS 測試環境發展的關鍵問題，同時，CPS數據的缺失也是影響測試環境發展的重要因素[2]。西 北 太 平 洋 國 家 實 驗 室 (Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)的電力基礎設施運行中心匯集了北美東西部電網的真實數據，在智能電網測試和技術研究中占據著獨特的地位。PNNL 發揮其擁有的真實電網數據、行業**軟件等優勢，開展系統監視和分析研究，不僅能提供整個電網的實時狀態和分析數據，而且可**地預測即將發生的故障及其響應措施。北美東西部電網的真實數據為PNNL 的時序配電系統仿真分析工具 Grid LAB-D、電網運行和規劃技術集成軟件 Grid OPTICS 的開發和測試，提供了數據基礎[13]。NREL 在 DMS 綜合測試環境中，利用杜克能源提供的實際數據，模擬北卡羅來納州的配電饋線，可以超實時仿真杜克能源即將出現的運行狀況[5]。文獻[6]采用了 PecanStreet 提供的科羅拉多州家庭的每一分鐘實際負荷以及太陽能光伏的實際輸出數據，用于智能家居、ANM 技術的測試環境。Pecan Street 為研究人員提供了*大的客戶能源數據源[14]。
1.4 通信成為測試環境的支撐和專題研究對象
在傳統電網中，通信是三大重要支撐技術之一。在智能電網中，通信貫穿整個智能電網架構，承擔智能電網各組成之間以及對外信息交互。目前智能電網通信的性能、適宜性、互操作性和**性還存在很多問題有待解決[2]。文獻[15]闡述了智能電網通信網絡的總體架構，分析了**量測(advanced metering infrastructure，AMI)網絡、變電站網絡、配電網絡的通信延遲、帶寬等通信參數。文獻[16]分析了智能電網通信架構的服務質量、互操作、**性、標準化等關鍵要求。美國電科院Electric Power Research Institute，EPRI)組織工業界和研究機構研究制定了開放的互操作系統的標準及測試方法，分析了面向智能電網控制的近場通信、應急通信技術、同步通信架構和配用電 4G 通信技術[2]。
文獻[8]認為，智能電網是電力基礎設施和通信基礎設施的組合。通信與電力系統的融合成為研究關注點。橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)的分布式能源通信和控制實驗室，為分布式能源、負荷響應、智能逆變器和微網控制、通信和保護等研究，提供了獨特的測試環境[17]。工業互聯網聯盟(Industrial Internet Consortium，IIC)的微網通信和控制測試環境，集成了基于數據發布服務的通信平臺和分布式邊緣分析處理和控制應用，引入了實時分析和控制，增強了設備之間、設備與控制中心、設備與云數據通信的可行性[18]。
為加快智能電網通信及其標準的開發，NIST 開展了智能電網通信網絡研究項目，采用 Grid LAB-D模擬配電網，并與 ns-3 集成，形成了閉環的協同模擬架構，捕獲電力和通信系統的交互，評估相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)數據網等各種網絡結構性能，研究評估不同場景下各種通信協議的性能及其提升方法[19]。
1.5 網絡**成為測試環境的研究方向
網絡**涉及智能電網的方方面面，同時云計算、物聯網等新技術的發展、PMU 等實時監控以及再生能源集成的不斷增長，帶來智能電網信息**的變化和發展。智能電網的網絡**，不僅需要分析和防范單個攻擊，更要防御協同攻擊的影響;不僅需要研究單個控制系統的**方案，而且需要研究廣域控制的整體**機制;不僅需要關注**事件的監測、防護，而且需要研究事件中關鍵系統和關鍵服務的堅韌性(Resilience)以及事件后的快速恢復[20-22]。智能電網各組成的**要求及其防御措施各具特色，同時又有共通的分析和防護技術、策
略和方法。NIST 發布的《美國智能電網信息**指南》提出了智能電網信息**分析框架，認為智能電網的信息**需要在計算機系統和電力系統的技術、過程操作和管理等方面尋求平衡。文獻[23]認為，入侵監測等通用的網絡**措施有助于降低智能電網的**風險，但因智能電網的信息物理融合特性，這些通用的解決方案不能滿足智能電網的**需求。智能電網的網絡**需要跨越 IT 層面，與電力系統緊密結合，從電力系統角度分析網絡風險結果，形成信息物理**機制。文獻[24]指出信息物理融合系統的網絡**問題不同于傳統的網絡**，必須理解信息與物理系統的相互作用和影響，需要高保真地復制一定規模的 CPS 系統，這是智能電網堅韌性研究的關鍵要素。智能電網網絡**測試充分體現了系統性和集成性的特性。
文獻[25]將 IT層面的防護技術與具體的物理對象相結合，建立了模擬的控制網絡與仿真的物理模型實時交互的測試環境，采用網絡入侵檢測技術，分析物理模型和控制器之間的真實通信流量，測試驗證工業控制過程的入侵監測系統。伊利諾伊大學的智能電網測試環境，不僅關注電網網絡基礎設施的風險、入侵的有效監測和快速分析，而且還關注突發事件后的快速恢復。NREL 建立的分布式配電系統的網絡**測試環境，利用軟硬件系統模擬配電系統、通信和網絡**層，評估配電網信息**保護模式的作用[5]。愛荷華州立大學的智能電網**測試環境 Power Cyber，集成 SCADA 以及模擬和仿真技術，提供了一個逼真的電網控制基礎設施，可以模擬大電力系統的監測、保護和控制功能，準確展示智能電網信息物理融合的相互依賴關系。同時，Power Cyber 還集成了虛擬因特網技術，可以模擬互聯網規模的事件和攻擊，開展薄弱環節分析和系統影響研究，開展風險評估和攻擊防御評估[9]。
2 美國智能電網測試環境的發展思路
按照 NIST 的規劃和發展目標，目前美國測試環境在智能電網發展中發揮著重要但仍然有限的作用，處于初級向**發展的提升階段。未來 5 年，測試環境可在如表 2 所示方面推進智能電網的發展。在此基礎上，NIST 提出模塊化和互聯互通是美國智能電網測試環境的發展方向[2]。
2.1 模塊化
智能電網測試環境的模塊化，可以在一個環境中模擬多種集成方式，評估系統各種不同結構的性能，提升測試環境和基礎設施的互聯能力，提升智能電網與交通系統、應急響應等其他領域 CPS 連接測試的靈活性。
理想的模塊化、組合式的測試環境應擁有面向服務的、可擴展的、典型的能源系統結構;擁有可互操作、與硬件無關的可靈活配置的基本架構;具備與各種接**互的能力;能捕捉數據傳輸速率、延遲等特性;是嵌入式測試過程。
開發模塊化、可擴展的測試環境面臨技術復雜和成本高等問題，同時由于測試整體工作缺少路線指引和運作標準，目前模塊化組合式測試環境還沒有成熟的案例。
2.2 互聯互通
大規模 CPS 測試環境的開發和維護需要大量的資源，互聯互通共享成為智能電網測試環境發展的方向。NIST 認為，交互式能源等新興概念、控制系統互操作性、大數據分析、開放式數據交換、系統**和可靠性、集成標準和協議等智能電網技術研究需要測試環境的互聯。電動汽車的電網接入、智能建筑系統與配電運行的交互也需要跨應用、跨領域的測試環境互聯。
測試環境的互連面臨基礎設施共享、資源調配、系統互操作性、數據信息交換等一系列技術和觀念挑戰。NIST、DOE 國家實驗室已在開展互聯試驗。
3 美國智能電網測試環境發展的行動策略
3.1 測試環境發展的協同和協調
NIST 于 2014 年組織了來自行業、學術界和國家實驗室的專家，建立工作組，以智能電網有待解決的問題為切入點，分析了智能電網測試環境的發展需求，發布了技術白皮書 “Measurement Challenges and Opportunities for Developing Smart Grid Testbeds”(簡稱 MCODSGT)，就智能電網測試環境的定位和發展方向形成共識[2]。
2014 年 DOE 匯集了其下屬的國家實驗室專家和資源，建立了電網現代化實驗室聯盟 (Grid Modernization Laboratory Consortium，GMLC)，啟動了全新的電網研究模式。GMLC 將“設備和系統的集成測試”作為其六大重點技術研究領域之一，協調整個智能電網領域的測試活動，建立設備測試和驗證能力，開發集成測試過程，開放共享經過驗證的組件模型、仿真工具和測試資源，開展多種規模的系統集成和測試[26]。
2015 年11 月美國國家科學基金會(National Science Foundation，NSF)成立了可遠程訪問的信息物理融合測試環境工作組，研究遠程可訪問的信息物理融合測試平臺的建立和維護相關問題，計劃2017 年 7 月提交工作報告[27]。
3.2 CPS 測試環境的概念設計和理論驗證
NIST 根據 MCODSGT 報告的分析結果，啟動了智能電網測試環境項目，建立一組互聯和交互的實驗室，驗證智能電網的互操作性和性能標準，加速智能電網互操作標準開發，優化系統級的運行和控制技術，增強輸電和配電系統的廣域狀態感知，提升分布式能源和微網的性能[28]。
2015 年 10 月 NIST 啟動了信息物理融合系統測試環境概念設計項目，研發 CPS 測試環境模塊化的總體設計原則和設計概念，指導 CPS 測試環境的開發、運行和發展，形成了跨行業互聯的 CPS 測試環境的建設計劃[29]。
3.3 測試能力與技術應用發展的同步規劃
DOE 于 2016 年 8 月發布了《**配電管理系統 2016—2020 五年規劃》(簡稱 ADMS MYPP)征求意見稿[7]，將 ADMS 測試環境與 ADMS 開發等作為技術研究領域之一，同步開展規劃研究。ADMS 測試環境將以 NREL 的 ESIF 為基礎，采用開放的模塊化框架，利用大規模電網仿真以及真實系統數據，集成多個供應商的軟件和硬件組件，建立逼真的 ADMS 測試環境，測試評估 ADMS功能對系統運行的影響、ADMS 系統組成之間的互操作、ADMS 與硬件設備的相互作用以及 ADMS的薄弱環節和堅韌性等。ADMS MYPP 還提出了ADMS 測試環境的建議結構圖，其核心包括商業化的 DMS 系統、ESIF 的模擬控制室功能、與輸配電EMS 等各種模擬器的交互等。
3.4 地理分布的實時仿真平臺的互聯試驗研究
在 DOE 的 INTEGRATE 項目資助下，NREL、INL 和 PNNL 這 3 個國家實驗室聯合研究開發新型聯合實時仿真平臺，連接分布在不同地理區域的NREL 的 ESIF 電力硬件在環、INL 輸電測試網的控制器硬件在環實時模擬器，形成協同模擬的虛擬實驗室，開展大規模的電力和能源系統的動態和暫態分析。項目團隊已成功通過互聯網實時連接了NREL、INL 兩個實驗室的實時數字仿真器，研究解決了數據傳輸延遲等問題，開發了地理分布的測試系統的電網等效技術。這預示著世界任何地方的軟硬件將可以實時連接、綜合利用美國國家實驗室獨特的設施和能力，開展更大規模的電力和能源系統的建模和研究[30]。
3.5 基礎測試資源的遠程共享訪問
由美國國家科學基金會和國土**部共同投資、南加州大學和加州大學伯克利分校等共同建立的ETER(cyber DEfense technology experimental research)，是一個可遠程共享訪問的網絡**技術測試環境，由 PC 集群和控制層組成，可以為用戶建立獨特的網絡環境，提供許多攻擊和惡意軟件的模型和工具，開展信息**技術的開發和測試[31]。
文獻[32]提出了集成控制系統和 DETER 的組合式試驗框架，以評估拒絕服務等攻擊對控制系統的影。北卡羅來那州立大學(NCSU)將其 PMU 硬件在環測試環境與 DETER、分布式網絡技術設施服務平臺 ExoGENI 互聯，形成了電力系統廣域監測和控制的測試環境(DETER-WAMS-ExoGENI)，將大電網廣域監控的集中處理算法轉變為完全分布式的防網絡攻擊的信息物理融合架構，研究廣域通信網絡的各種性能瓶頸及其對廣域控制器閉環穩定性的影響，研究集成廣域控制和通信網絡的控制算法[33]。
4 美國智能電網測試環境發展的啟示
智能電網高度集成、高度融合、高度自治的特性推進了智能電網測試環境的研究和發展，同時，測試環境的發展也成為智能電網發展的核心動力。
美國智能電網測試環境已成為美國智能電網發展的重要資源和主要技術研究領域，已處于頂層設計**、**系統性集成、初步共享互聯階段。
模塊化、互聯互通是美國智能電網測試環境的發展方向，這一特征值得借鑒。實時數字仿真、電力硬件在環、網絡在環成為測試環境的重要元素，通信與電力系統的融合、信息與物理融合的**機制成為智能電網測試環境發展的重要關注點。
NIST 和 DOE 的協調和**、研究機構資源和能力的協同、DETER 等公共基礎資源的遠程共享，形成了美國智能電網測試環境發展的合力，將共同推動智能電網的突破性發展(如圖 1 所示)。
美國智能電網測試環境的行動策略同時也表明了富有成效的頂層設計從形成到落地的關鍵節點的核心內容。美國智能電網測試環境發展的頂層設計啟動于測試環境由初級向**發展之時，解決智能電網發展需**其切入點，前期的理論研究和實踐經驗的總結分析是其堅實的基礎，對智能電網測試環境的定位和發展方向達成共識是頂層設計的目標，集中核心力量開展關鍵技術的概念設計、驗證和試點是頂層設計落地的重要環節。
5 我國智能電網測試環境發展幾點建議
近年來，我國智能電網的基礎設施建設、自主研發技術水平等方面都有巨大發展，但在測試環境建設發展的系統性以及成效等方面較發達國家仍然有一定差距。
美國智能電網測試環境已從各自獨立建設應用、發揮著重要但有限作用的初級階段進入頂層設計**、推進更大規模能源系統研究的**階段。
美國智能電網測試環境的發展思路、策略以及路徑值得我們借鑒。首先，將測試環境作為智能電網發展的重要技術領域之一，加強智能電網測試環境的研究、規劃和建設。其次，加強智能電網測試工作的整體組織協調。組織來自電力、通信和計算機等專業的專家成立智能電網測試環境工作組：1)協調整個智能電網的測試活動;2)形成我國智能電網測試環境現狀分析;3)分析測試環境對智能電網可能的業務提升點;4)以滿足智能電網發展需要為出發點，統籌測試環境資源的規劃、建設和共享，明確目標，達成共識;5)加強測試工作的人力資源培養，注重知識結構的系統性。
技術研究方面，建議在模塊化、互聯互通方向的指引下，協調各類測試資源與能力的建設和發展。加強通信、網絡**測試的基礎研究及其與電力系統融合的理論研究。以互聯共享、可遠程訪問為導向，建設通信、網絡、**、數據分析等基礎測試資源，支撐各領域 CPS 的發展。電力技術研究型測試環境應在充分利用公共資源的基礎上，建設深度研究分析的組合式測試環境，同時考慮獨特資源的開放和互聯能力。整體協調和有序推進系統模型、仿真工具和測試數據的積累、驗證和開放共享，特別是真實運行數據的匿名化和共享。
6 結論
本文總結分析了美國智能電網測試環境發展的特點，著重剖析了美國 DOE 和 NIST 在智能電網測試環境領域的發展思路和策略，結合我國智能電**點，提出了可供參考的測試環境發展建議。
目前，作為智能電網的延伸和擴展，能源互聯網的概念、技術研究和試驗項目在我國迅速興起。
為確保能源互聯網的可持續發展，能源互聯網的測試環境研究和建設可能將是當務之急。借鑒美國智能電網的發展經驗，適時就測試環境的發展方向和策略在能源領域達成共識，盡快形成符合我國發展特點的能源互聯網測試環境發展策略，協調跨行業各類測試資源的協同建設和發展，促進我國能源互聯網的長期可持續發展。
