摘要：智能電網(wǎng)的發(fā)展需要與之相適應(yīng)的測(cè)試能力，測(cè)試環(huán)境將成為智能電網(wǎng)突破性發(fā)展的核心推動(dòng)力。通過(guò)梳理美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的案例，分析了美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的特點(diǎn)，研究了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)提出的發(fā)展機(jī)遇和發(fā)展思路，總結(jié)分析了美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境提升發(fā)展的行動(dòng)策略以及給我們的啟示。NIST 和能源部(Department of Energy，DOE)的協(xié)調(diào)和引領(lǐng)、研究機(jī)構(gòu)資源和能力的協(xié)同、公共基礎(chǔ)資源的共享和遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，形成了美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的合力。智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的發(fā)展，應(yīng)以滿(mǎn)足智能電網(wǎng)發(fā)展需要為出發(fā)點(diǎn)，以模塊化、互聯(lián)互通為發(fā)展方向。

共享和遠(yuǎn)程開(kāi)放需作為信息物理融合系統(tǒng)(cyber physic system，CPS)基礎(chǔ)性和獨(dú)特性測(cè)試資源建設(shè)的重要原則。系統(tǒng)模型、仿真工具和測(cè)試數(shù)據(jù)的積累和使用也需要整體協(xié)調(diào)、有序推進(jìn)和充分共享。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);信息物理融合系統(tǒng);測(cè)試環(huán)境;模塊化;互聯(lián);通信

0 引言

隨著越來(lái)越多的分布式可再生能源、電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能和需求響應(yīng)設(shè)施接入電網(wǎng)，隨著越來(lái)越復(fù)雜的電力電子、控制和通信技術(shù)的應(yīng)用，智能電網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為高度互聯(lián)的信息物理融合系統(tǒng)(cyber physic system，CPS)[1]。電力信息物理融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)、控制體系、安全風(fēng)險(xiǎn)傳播機(jī)制等是傳統(tǒng)電網(wǎng)未曾涉及或者遠(yuǎn)不能比擬的。為了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的堅(jiān)韌、可靠和安全特性，須要與之相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系和測(cè)試能力保障。

美國(guó)作為最早提出智能電網(wǎng)理念和實(shí)施路線(xiàn)圖的國(guó)家，不僅同步開(kāi)展了測(cè)試環(huán)境的研究和建設(shè)，而且在評(píng)估總結(jié)試點(diǎn)工程的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了測(cè)試環(huán)境的頂層設(shè)計(jì)和建設(shè)引導(dǎo)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研 究 院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)認(rèn)為，測(cè)試環(huán)境是智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵資源之一，并將成為智能電網(wǎng)突破性發(fā)展的核心推動(dòng)力[2]。美國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的高端定位、頂層引領(lǐng)協(xié)同、全面系統(tǒng)集成等均是其他國(guó)家未曾企及的。

本文通過(guò)梳理美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的案例，分析了美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的特點(diǎn)，探究了NIST 提出的智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的發(fā)展機(jī)遇、技術(shù)挑戰(zhàn)和戰(zhàn)略布局，剖析了美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境提升發(fā)展的行動(dòng)策略及其給我們的啟示，提出了我國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展建議。

1 美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的特點(diǎn)

智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的初始目的是測(cè)試某一特定需求功能。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，測(cè)試環(huán)境的定位、構(gòu)成及能力不斷擴(kuò)展和深化。

1.1 擴(kuò)展測(cè)試功能，適應(yīng)新型構(gòu)成的電網(wǎng)發(fā)展

美國(guó)從能源部(Department of Energy，DOE)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、州立大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)到電力公司，在智能電網(wǎng)建設(shè)初期就同步開(kāi)展了大量的智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境建設(shè)。文獻(xiàn)[2]提供了 DOE 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)以及企業(yè)現(xiàn)有的近 40 個(gè)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境清單和簡(jiǎn)介。文獻(xiàn)[3]從促進(jìn)協(xié)同和互操作的角度，提供了 10 個(gè) DOE 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、杜克能源等 5 個(gè)電力公司以及伊利諾伊大學(xué)等 7 個(gè)大學(xué)測(cè)試環(huán)境的測(cè)試內(nèi)容。每個(gè)測(cè)試環(huán)境都各具特色。其中，DOE 所屬的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy

Laboratory，NREL)的能源系統(tǒng)集成設(shè)施(EnergySystems Integration Facility，ESIF)建立于 2013 年，集成了電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)的測(cè)試裝備，具有高性能建模和仿真能力，提供兆瓦級(jí)的電力硬件在環(huán)(power hardware-in-the-loop，PHIL)測(cè)試環(huán)境，開(kāi)展新能源技術(shù)的全功率實(shí)時(shí)模擬測(cè)試和評(píng)估，以及可再生能源高比例接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性等研究。隨著高級(jí)配電管理系統(tǒng)(advanced distribution management systems，ADMS)、用戶(hù)能源管理等理念和技術(shù)的發(fā)展，NREL 充分發(fā)揮其電力設(shè)備在環(huán)、建模、仿真的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不斷擴(kuò)展 ESIF 的構(gòu)成和功能。

NREL 在 ESIF 基礎(chǔ)上增加了通信層，連接電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)模擬器、電力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)建了微網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)展微網(wǎng)電能質(zhì)量、微網(wǎng)控制器、微網(wǎng)模式切換等測(cè)試[4]。NREL 與杜克能源、GE 公司一 起，正在構(gòu)建配電管理系統(tǒng)(distribution management system，DMS)綜合測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智

能逆變器等設(shè)備與 DMS 模擬電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)交互，開(kāi)展電壓無(wú)功優(yōu)化應(yīng)用等測(cè)試工作，形成了ADMS 測(cè)試環(huán)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(huán)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)仿真能力，采用主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理(active network management，ANM)控制技術(shù)，加強(qiáng)智能家居及其設(shè)備的集成，協(xié)同控制住宅光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)充電和儲(chǔ)能系統(tǒng)，管理反向功率、需求響應(yīng)服務(wù)，提高電網(wǎng)承載能力[6] 。

NREL 的 ESIF 在技術(shù)研究和應(yīng)用中承擔(dān)著獨(dú)特的作用。DOE 近期發(fā)布的《高級(jí)配電管理系統(tǒng)2016—2020 五年規(guī)劃》征求意見(jiàn)稿(簡(jiǎn)稱(chēng) ADMSMYPP)[7]，明確指出將充分發(fā)揮 NREL 的 ESIF 現(xiàn)有能力，建立逼真的 ADMS 測(cè)試環(huán)境，評(píng)估和解決ADMS 技術(shù)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。2015 年 NREL 參與合作，為 Miramar 海軍陸戰(zhàn)隊(duì)航空站(Marine Corps Air Station，MCAS)建立了完全依賴(lài)太陽(yáng)能和電池的微網(wǎng)。為降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用 ESIF，模擬 MCAS 環(huán)境，先行開(kāi)展了概念驗(yàn)證[5]。

表1 列出了美國(guó) DOE 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的部分智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的功能擴(kuò)展情況。從表 1 中可以看出，雖然各實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)建設(shè)的測(cè)試平臺(tái)各具特色，但網(wǎng)絡(luò)安全和通信都成為其基本組成，一方面是因?yàn)橥ㄐ藕途W(wǎng)絡(luò)安全貫穿整個(gè)智能電網(wǎng)架構(gòu);另一方面也反映了通信和網(wǎng)絡(luò)安全的重要性。

1.2 多種形式、功能、系統(tǒng)的集成和交互

智能電網(wǎng)是電力、通信和 IT 無(wú)縫集成的信息物理融合系統(tǒng)，其測(cè)試環(huán)境的架構(gòu)和實(shí)施是一門(mén)科學(xué)[8]。

十幾年前建立的美國(guó)國(guó)家數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)測(cè)試環(huán)境，成功開(kāi)展了控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、漏洞修補(bǔ)、加固驗(yàn)證等工作，其中的發(fā)電、輸電等組成都是由真實(shí)設(shè)備構(gòu)成，實(shí)物部署的大量成本限制了類(lèi)似測(cè)試環(huán)境的發(fā)展[9]。文獻(xiàn)[10]提出 CPS 測(cè)試環(huán)境應(yīng)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、控制和物理系統(tǒng)之間的交互，實(shí)物、仿真、模擬的混合模型是建立可擴(kuò)展、高保真、有成效的 CPS 測(cè)試環(huán)境的核心。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真、電力硬件在環(huán)、網(wǎng)絡(luò)在環(huán)成為測(cè)試環(huán)境的普遍且重要元素。

愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (Idaho National Laboratory，INL)的電網(wǎng)可靠性和控制系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，由自主運(yùn)行的輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)全數(shù)字的電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)仿真器構(gòu)成，模擬真實(shí)電力系統(tǒng)環(huán)境，與電力系統(tǒng)控制和保護(hù)裝置直接連接，開(kāi)展繼電器保護(hù)和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試等安全研究[11]。

為解決清潔能源與電網(wǎng)的無(wú)縫集成問(wèn)題，NREL 主導(dǎo)了電網(wǎng)研究和技術(shù)實(shí)驗(yàn)的集成網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境項(xiàng)目(integrated network testbed for energy grid research and technology experimentation ，INTEGRATE)。項(xiàng)目部署了主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理，集成了配 電 控 制 系 統(tǒng) 、 微 網(wǎng) 能 源 管 理 系 統(tǒng) (Energy Management Systems，EMS)和智能家居 EMS，還將建立太陽(yáng)能光伏、電動(dòng)汽車(chē)、智能建筑、燃料電池技術(shù)和風(fēng)電等電網(wǎng)服務(wù)能力模型，利用實(shí)時(shí)自主的確定性控制，連接和管理配電網(wǎng)中的分布式能源。項(xiàng)目研究了設(shè)備安全互操作的信息通信和計(jì)算架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，研究和示范清潔能源技術(shù)的整體電網(wǎng)服務(wù)能力[12]。

1.3 真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)促進(jìn)測(cè)試環(huán)境的成效

NIST 認(rèn)為電力系統(tǒng)、通信和控制集成的逼真模擬是 CPS 測(cè)試環(huán)境發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)，CPS數(shù)據(jù)的缺失也是影響測(cè)試環(huán)境發(fā)展的重要因素[2]。西 北 太 平 洋 國(guó) 家 實(shí) 驗(yàn) 室 (Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)的電力基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行中心匯集了北美東西部電網(wǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)，在智能電網(wǎng)測(cè)試和技術(shù)研究中占據(jù)著獨(dú)特的地位。PNNL 發(fā)揮其擁有的真實(shí)電網(wǎng)數(shù)據(jù)、行業(yè)領(lǐng)先軟件等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展系統(tǒng)監(jiān)視和分析研究，不僅能提供整個(gè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和分析數(shù)據(jù)，而且可精確地預(yù)測(cè)即將發(fā)生的故障及其響應(yīng)措施。北美東西部電網(wǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)為PNNL 的時(shí)序配電系統(tǒng)仿真分析工具 Grid LAB-D、電網(wǎng)運(yùn)行和規(guī)劃技術(shù)集成軟件 Grid OPTICS 的開(kāi)發(fā)和測(cè)試，提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[13]。NREL 在 DMS 綜合測(cè)試環(huán)境中，利用杜克能源提供的實(shí)際數(shù)據(jù)，模擬北卡羅來(lái)納州的配電饋線(xiàn)，可以超實(shí)時(shí)仿真杜克能源即將出現(xiàn)的運(yùn)行狀況[5]。文獻(xiàn)[6]采用了 PecanStreet 提供的科羅拉多州家庭的每一分鐘實(shí)際負(fù)荷以及太陽(yáng)能光伏的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)，用于智能家居、ANM 技術(shù)的測(cè)試環(huán)境。Pecan Street 為研究人員提供了最大的客戶(hù)能源數(shù)據(jù)源[14]。

1.4 通信成為測(cè)試環(huán)境的支撐和專(zhuān)題研究對(duì)象

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，通信是三大重要支撐技術(shù)之一。在智能電網(wǎng)中，通信貫穿整個(gè)智能電網(wǎng)架構(gòu)，承擔(dān)智能電網(wǎng)各組成之間以及對(duì)外信息交互。目前智能電網(wǎng)通信的性能、適宜性、互操作性和安全性還存在很多問(wèn)題有待解決[2]。文獻(xiàn)[15]闡述了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)，分析了高級(jí)量測(cè)(advanced metering infrastructure，AMI)網(wǎng)絡(luò)、變電站網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)的通信延遲、帶寬等通信參數(shù)。文獻(xiàn)[16]分析了智能電網(wǎng)通信架構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量、互操作、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等關(guān)鍵要求。美國(guó)電科院Electric Power Research Institute，EPRI)組織工業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)研究制定了開(kāi)放的互操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法，分析了面向智能電網(wǎng)控制的近場(chǎng)通信、應(yīng)急通信技術(shù)、同步通信架構(gòu)和配用電 4G 通信技術(shù)[2]。

文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，智能電網(wǎng)是電力基礎(chǔ)設(shè)施和通信基礎(chǔ)設(shè)施的組合。通信與電力系統(tǒng)的融合成為研究關(guān)注點(diǎn)。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)的分布式能源通信和控制實(shí)驗(yàn)室，為分布式能源、負(fù)荷響應(yīng)、智能逆變器和微網(wǎng)控制、通信和保護(hù)等研究，提供了獨(dú)特的測(cè)試環(huán)境[17]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(Industrial Internet Consortium，IIC)的微網(wǎng)通信和控制測(cè)試環(huán)境，集成了基于數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)的通信平臺(tái)和分布式邊緣分析處理和控制應(yīng)用，引入了實(shí)時(shí)分析和控制，增強(qiáng)了設(shè)備之間、設(shè)備與控制中心、設(shè)備與云數(shù)據(jù)通信的可行性[18]。

為加快智能電網(wǎng)通信及其標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)，NIST 開(kāi)展了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目，采用 Grid LAB-D模擬配電網(wǎng)，并與 ns-3 集成，形成了閉環(huán)的協(xié)同模擬架構(gòu)，捕獲電力和通信系統(tǒng)的交互，評(píng)估相量測(cè)量裝置(phasor measurement unit，PMU)數(shù)據(jù)網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能，研究評(píng)估不同場(chǎng)景下各種通信協(xié)議的性能及其提升方法[19]。

1.5 網(wǎng)絡(luò)安全成為測(cè)試環(huán)境的研究方向

網(wǎng)絡(luò)安全涉及智能電網(wǎng)的方方面面，同時(shí)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展、PMU 等實(shí)時(shí)監(jiān)控以及再生能源集成的不斷增長(zhǎng)，帶來(lái)智能電網(wǎng)信息安全的變化和發(fā)展。智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全，不僅需要分析和防范單個(gè)攻擊，更要防御協(xié)同攻擊的影響;不僅需要研究單個(gè)控制系統(tǒng)的安全方案，而且需要研究廣域控制的整體安全機(jī)制;不僅需要關(guān)注安全事件的監(jiān)測(cè)、防護(hù)，而且需要研究事件中關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵服務(wù)的堅(jiān)韌性(Resilience)以及事件后的快速恢復(fù)[20-22]。智能電網(wǎng)各組成的安全要求及其防御措施各具特色，同時(shí)又有共通的分析和防護(hù)技術(shù)、策

略和方法。NIST 發(fā)布的《美國(guó)智能電網(wǎng)信息安全指南》提出了智能電網(wǎng)信息安全分析框架，認(rèn)為智能電網(wǎng)的信息安全需要在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的技術(shù)、過(guò)程操作和管理等方面尋求平衡。文獻(xiàn)[23]認(rèn)為，入侵監(jiān)測(cè)等通用的網(wǎng)絡(luò)安全措施有助于降低智能電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，但因智能電網(wǎng)的信息物理融合特性，這些通用的解決方案不能滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的安全需求。智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全需要跨越 IT 層面，與電力系統(tǒng)緊密結(jié)合，從電力系統(tǒng)角度分析網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果，形成信息物理安全機(jī)制。文獻(xiàn)[24]指出信息物理融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，必須理解信息與物理系統(tǒng)的相互作用和影響，需要高保真地復(fù)制一定規(guī)模的 CPS 系統(tǒng)，這是智能電網(wǎng)堅(jiān)韌性研究的關(guān)鍵要素。智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全測(cè)試充分體現(xiàn)了系統(tǒng)性和集成性的特性。

文獻(xiàn)[25]將 IT層面的防護(hù)技術(shù)與具體的物理對(duì)象相結(jié)合，建立了模擬的控制網(wǎng)絡(luò)與仿真的物理模型實(shí)時(shí)交互的測(cè)試環(huán)境，采用網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)技術(shù)，分析物理模型和控制器之間的真實(shí)通信流量，測(cè)試驗(yàn)證工業(yè)控制過(guò)程的入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。伊利諾伊大學(xué)的智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境，不僅關(guān)注電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)、入侵的有效監(jiān)測(cè)和快速分析，而且還關(guān)注突發(fā)事件后的快速恢復(fù)。NREL 建立的分布式配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全測(cè)試環(huán)境，利用軟硬件系統(tǒng)模擬配電系統(tǒng)、通信和網(wǎng)絡(luò)安全層，評(píng)估配電網(wǎng)信息安全保護(hù)模式的作用[5]。愛(ài)荷華州立大學(xué)的智能電網(wǎng)安全測(cè)試環(huán)境 Power Cyber，集成 SCADA 以及模擬和仿真技術(shù)，提供了一個(gè)逼真的電網(wǎng)控制基礎(chǔ)設(shè)施，可以模擬大電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制功能，準(zhǔn)確展示智能電網(wǎng)信息物理融合的相互依賴(lài)關(guān)系。同時(shí)，Power Cyber 還集成了虛擬因特網(wǎng)技術(shù)，可以模擬互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的事件和攻擊，開(kāi)展薄弱環(huán)節(jié)分析和系統(tǒng)影響研究，開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和攻擊防御評(píng)估[9]。

2 美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的發(fā)展思路

按照 NIST 的規(guī)劃和發(fā)展目標(biāo)，目前美國(guó)測(cè)試環(huán)境在智能電網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮著重要但仍然有限的作用，處于初級(jí)向高級(jí)發(fā)展的提升階段。未來(lái) 5 年，測(cè)試環(huán)境可在如表 2 所示方面推進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，NIST 提出模塊化和互聯(lián)互通是美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的發(fā)展方向[2]。

2.1 模塊化

智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的模塊化，可以在一個(gè)環(huán)境中模擬多種集成方式，評(píng)估系統(tǒng)各種不同結(jié)構(gòu)的性能，提升測(cè)試環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)能力，提升智能電網(wǎng)與交通系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)等其他領(lǐng)域 CPS 連接測(cè)試的靈活性。

理想的模塊化、組合式的測(cè)試環(huán)境應(yīng)擁有面向服務(wù)的、可擴(kuò)展的、典型的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu);擁有可互操作、與硬件無(wú)關(guān)的可靈活配置的基本架構(gòu);具備與各種接口交互的能力;能捕捉數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲等特性;是嵌入式測(cè)試過(guò)程。

開(kāi)發(fā)模塊化、可擴(kuò)展的測(cè)試環(huán)境面臨技術(shù)復(fù)雜和成本高等問(wèn)題，同時(shí)由于測(cè)試整體工作缺少路線(xiàn)指引和運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)，目前模塊化組合式測(cè)試環(huán)境還沒(méi)有成熟的案例。

2.2 互聯(lián)互通

大規(guī)模 CPS 測(cè)試環(huán)境的開(kāi)發(fā)和維護(hù)需要大量的資源，互聯(lián)互通共享成為智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的方向。NIST 認(rèn)為，交互式能源等新興概念、控制系統(tǒng)互操作性、大數(shù)據(jù)分析、開(kāi)放式數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)安全和可靠性、集成標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議等智能電網(wǎng)技術(shù)研究需要測(cè)試環(huán)境的互聯(lián)。電動(dòng)汽車(chē)的電網(wǎng)接入、智能建筑系統(tǒng)與配電運(yùn)行的交互也需要跨應(yīng)用、跨領(lǐng)域的測(cè)試環(huán)境互聯(lián)。

測(cè)試環(huán)境的互連面臨基礎(chǔ)設(shè)施共享、資源調(diào)配、系統(tǒng)互操作性、數(shù)據(jù)信息交換等一系列技術(shù)和觀(guān)念挑戰(zhàn)。NIST、DOE 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已在開(kāi)展互聯(lián)試驗(yàn)。

3 美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的行動(dòng)策略

3.1 測(cè)試環(huán)境發(fā)展的協(xié)同和協(xié)調(diào)

NIST 于 2014 年組織了來(lái)自行業(yè)、學(xué)術(shù)界和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)家，建立工作組，以智能電網(wǎng)有待解決的問(wèn)題為切入點(diǎn)，分析了智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的發(fā)展需求，發(fā)布了技術(shù)白皮書(shū) “Measurement Challenges and Opportunities for Developing Smart Grid Testbeds”(簡(jiǎn)稱(chēng) MCODSGT)，就智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的定位和發(fā)展方向形成共識(shí)[2]。

2014 年 DOE 匯集了其下屬的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)家和資源，建立了電網(wǎng)現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟 (Grid Modernization Laboratory Consortium，GMLC)，啟動(dòng)了全新的電網(wǎng)研究模式。GMLC 將“設(shè)備和系統(tǒng)的集成測(cè)試”作為其六大重點(diǎn)技術(shù)研究領(lǐng)域之一，協(xié)調(diào)整個(gè)智能電網(wǎng)領(lǐng)域的測(cè)試活動(dòng)，建立設(shè)備測(cè)試和驗(yàn)證能力，開(kāi)發(fā)集成測(cè)試過(guò)程，開(kāi)放共享經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的組件模型、仿真工具和測(cè)試資源，開(kāi)展多種規(guī)模的系統(tǒng)集成和測(cè)試[26]。

2015 年11 月美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation，NSF)成立了可遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)的信息物理融合測(cè)試環(huán)境工作組，研究遠(yuǎn)程可訪(fǎng)問(wèn)的信息物理融合測(cè)試平臺(tái)的建立和維護(hù)相關(guān)問(wèn)題，計(jì)劃2017 年 7 月提交工作報(bào)告[27]。

3.2 CPS 測(cè)試環(huán)境的概念設(shè)計(jì)和理論驗(yàn)證

NIST 根據(jù) MCODSGT 報(bào)告的分析結(jié)果，啟動(dòng)了智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境項(xiàng)目，建立一組互聯(lián)和交互的實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證智能電網(wǎng)的互操作性和性能標(biāo)準(zhǔn)，加速智能電網(wǎng)互操作標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)的運(yùn)行和控制技術(shù)，增強(qiáng)輸電和配電系統(tǒng)的廣域狀態(tài)感知，提升分布式能源和微網(wǎng)的性能[28]。

2015 年 10 月 NIST 啟動(dòng)了信息物理融合系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境概念設(shè)計(jì)項(xiàng)目，研發(fā) CPS 測(cè)試環(huán)境模塊化的總體設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)概念，指導(dǎo) CPS 測(cè)試環(huán)境的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和發(fā)展，形成了跨行業(yè)互聯(lián)的 CPS 測(cè)試環(huán)境的建設(shè)計(jì)劃[29]。

3.3 測(cè)試能力與技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的同步規(guī)劃

DOE 于 2016 年 8 月發(fā)布了《高級(jí)配電管理系統(tǒng) 2016—2020 五年規(guī)劃》(簡(jiǎn)稱(chēng) ADMS MYPP)征求意見(jiàn)稿[7]，將 ADMS 測(cè)試環(huán)境與 ADMS 開(kāi)發(fā)等作為技術(shù)研究領(lǐng)域之一，同步開(kāi)展規(guī)劃研究。ADMS 測(cè)試環(huán)境將以 NREL 的 ESIF 為基礎(chǔ)，采用開(kāi)放的模塊化框架，利用大規(guī)模電網(wǎng)仿真以及真實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，集成多個(gè)供應(yīng)商的軟件和硬件組件，建立逼真的 ADMS 測(cè)試環(huán)境，測(cè)試評(píng)估 ADMS功能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響、ADMS 系統(tǒng)組成之間的互操作、ADMS 與硬件設(shè)備的相互作用以及 ADMS的薄弱環(huán)節(jié)和堅(jiān)韌性等。ADMS MYPP 還提出了ADMS 測(cè)試環(huán)境的建議結(jié)構(gòu)圖，其核心包括商業(yè)化的 DMS 系統(tǒng)、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(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的互聯(lián)試驗(yàn)研究

在 DOE 的 INTEGRATE 項(xiàng)目資助下，NREL、INL 和 PNNL 這 3 個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)新型聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，連接分布在不同地理區(qū)域的NREL 的 ESIF 電力硬件在環(huán)、INL 輸電測(cè)試網(wǎng)的控制器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)模擬器，形成協(xié)同模擬的虛擬實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展大規(guī)模的電力和能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)分析。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已成功通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)連接了NREL、INL 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器，研究解決了數(shù)據(jù)傳輸延遲等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了地理分布的測(cè)試系統(tǒng)的電網(wǎng)等效技術(shù)。這預(yù)示著世界任何地方的軟硬件將可以實(shí)時(shí)連接、綜合利用美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室獨(dú)特的設(shè)施和能力，開(kāi)展更大規(guī)模的電力和能源系統(tǒng)的建模和研究[30]。

3.5 基礎(chǔ)測(cè)試資源的遠(yuǎn)程共享訪(fǎng)問(wèn)

由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)土安全部共同投資、南加州大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校等共同建立的ETER(cyber DEfense technology experimental research)，是一個(gè)可遠(yuǎn)程共享訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)測(cè)試環(huán)境，由 PC 集群和控制層組成，可以為用戶(hù)建立獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供許多攻擊和惡意軟件的模型和工具，開(kāi)展信息安全技術(shù)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試[31]。

文獻(xiàn)[32]提出了集成控制系統(tǒng)和 DETER 的組合式試驗(yàn)框架，以評(píng)估拒絕服務(wù)等攻擊對(duì)控制系統(tǒng)的影。北卡羅來(lái)那州立大學(xué)(NCSU)將其 PMU 硬件在環(huán)測(cè)試環(huán)境與 DETER、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)施服務(wù)平臺(tái) ExoGENI 互聯(lián)，形成了電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測(cè)和控制的測(cè)試環(huán)境(DETER-WAMS-ExoGENI)，將大電網(wǎng)廣域監(jiān)控的集中處理算法轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆植际降姆谰W(wǎng)絡(luò)攻擊的信息物理融合架構(gòu)，研究廣域通信網(wǎng)絡(luò)的各種性能瓶頸及其對(duì)廣域控制器閉環(huán)穩(wěn)定性的影響，研究集成廣域控制和通信網(wǎng)絡(luò)的控制算法[33]。

4 美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的啟示

智能電網(wǎng)高度集成、高度融合、高度自治的特性推進(jìn)了智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的研究和發(fā)展，同時(shí)，測(cè)試環(huán)境的發(fā)展也成為智能電網(wǎng)發(fā)展的核心動(dòng)力。

美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境已成為美國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展的重要資源和主要技術(shù)研究領(lǐng)域，已處于頂層設(shè)計(jì)引領(lǐng)、全面系統(tǒng)性集成、初步共享互聯(lián)階段。

模塊化、互聯(lián)互通是美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的發(fā)展方向，這一特征值得借鑒。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真、電力硬件在環(huán)、網(wǎng)絡(luò)在環(huán)成為測(cè)試環(huán)境的重要元素，通信與電力系統(tǒng)的融合、信息與物理融合的安全機(jī)制成為智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的重要關(guān)注點(diǎn)。

NIST 和 DOE 的協(xié)調(diào)和引領(lǐng)、研究機(jī)構(gòu)資源和能力的協(xié)同、DETER 等公共基礎(chǔ)資源的遠(yuǎn)程共享，形成了美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的合力，將共同推動(dòng)智能電網(wǎng)的突破性發(fā)展(如圖 1 所示)。

美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的行動(dòng)策略同時(shí)也表明了富有成效的頂層設(shè)計(jì)從形成到落地的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的核心內(nèi)容。美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)啟動(dòng)于測(cè)試環(huán)境由初級(jí)向高級(jí)發(fā)展之時(shí)，解決智能電網(wǎng)發(fā)展需求是其切入點(diǎn)，前期的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)分析是其堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的定位和發(fā)展方向達(dá)成共識(shí)是頂層設(shè)計(jì)的目標(biāo)，集中核心力量開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)的概念設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和試點(diǎn)是頂層設(shè)計(jì)落地的重要環(huán)節(jié)。

5 我國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展幾點(diǎn)建議

近年來(lái)，我國(guó)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、自主研發(fā)技術(shù)水平等方面都有巨大發(fā)展，但在測(cè)試環(huán)境建設(shè)發(fā)展的系統(tǒng)性以及成效等方面較發(fā)達(dá)國(guó)家仍然有一定差距。

美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境已從各自獨(dú)立建設(shè)應(yīng)用、發(fā)揮著重要但有限作用的初級(jí)階段進(jìn)入頂層設(shè)計(jì)引領(lǐng)、推進(jìn)更大規(guī)模能源系統(tǒng)研究的高級(jí)階段。

美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的發(fā)展思路、策略以及路徑值得我們借鑒。首先，將測(cè)試環(huán)境作為智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)領(lǐng)域之一，加強(qiáng)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境的研究、規(guī)劃和建設(shè)。其次，加強(qiáng)智能電網(wǎng)測(cè)試工作的整體組織協(xié)調(diào)。組織來(lái)自電力、通信和計(jì)算機(jī)等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)家成立智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境工作組：1)協(xié)調(diào)整個(gè)智能電網(wǎng)的測(cè)試活動(dòng);2)形成我國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境現(xiàn)狀分析;3)分析測(cè)試環(huán)境對(duì)智能電網(wǎng)可能的業(yè)務(wù)提升點(diǎn);4)以滿(mǎn)足智能電網(wǎng)發(fā)展需要為出發(fā)點(diǎn)，統(tǒng)籌測(cè)試環(huán)境資源的規(guī)劃、建設(shè)和共享，明確目標(biāo)，達(dá)成共識(shí);5)加強(qiáng)測(cè)試工作的人力資源培養(yǎng)，注重知識(shí)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性。

技術(shù)研究方面，建議在模塊化、互聯(lián)互通方向的指引下，協(xié)調(diào)各類(lèi)測(cè)試資源與能力的建設(shè)和發(fā)展。加強(qiáng)通信、網(wǎng)絡(luò)安全測(cè)試的基礎(chǔ)研究及其與電力系統(tǒng)融合的理論研究。以互聯(lián)共享、可遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)為導(dǎo)向，建設(shè)通信、網(wǎng)絡(luò)、安全、數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)測(cè)試資源，支撐各領(lǐng)域 CPS 的發(fā)展。電力技術(shù)研究型測(cè)試環(huán)境應(yīng)在充分利用公共資源的基礎(chǔ)上，建設(shè)深度研究分析的組合式測(cè)試環(huán)境，同時(shí)考慮獨(dú)特資源的開(kāi)放和互聯(lián)能力。整體協(xié)調(diào)和有序推進(jìn)系統(tǒng)模型、仿真工具和測(cè)試數(shù)據(jù)的積累、驗(yàn)證和開(kāi)放共享，特別是真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的匿名化和共享。

6 結(jié)論

本文總結(jié)分析了美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展的特點(diǎn)，著重剖析了美國(guó) DOE 和 NIST 在智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展思路和策略，結(jié)合我國(guó)智能電網(wǎng)特點(diǎn)，提出了可供參考的測(cè)試環(huán)境發(fā)展建議。

目前，作為智能電網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的概念、技術(shù)研究和試驗(yàn)項(xiàng)目在我國(guó)迅速興起。

為確保能源互聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的測(cè)試環(huán)境研究和建設(shè)可能將是當(dāng)務(wù)之急。借鑒美國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，適時(shí)就測(cè)試環(huán)境的發(fā)展方向和策略在能源領(lǐng)域達(dá)成共識(shí)，盡快形成符合我國(guó)發(fā)展特點(diǎn)的能源互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展策略，協(xié)調(diào)跨行業(yè)各類(lèi)測(cè)試資源的協(xié)同建設(shè)和發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

朱曉燕(1965)，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ψ詣?dòng)化、電力系統(tǒng)信息安全

陳晰(1980)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ξ锫?lián)網(wǎng)、電力系統(tǒng)通信

陳星鶯(1964)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)運(yùn)行分析與控制、配用電自動(dòng)化及其高級(jí)應(yīng)用、電力市場(chǎng)與電力經(jīng)濟(jì)

史迪(1985)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源接入、儲(chǔ)能、微網(wǎng)、廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

原標(biāo)題:美國(guó)智能電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境發(fā)展特點(diǎn)和行動(dòng)策略