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第1部分 智能电网模型及其通信架构 3

第1章 智能电网的通信网络：以架构的角度来看 3

1.1 引言 3

1.2 智能电网的概念模型 4

1.3 智能电网的通信基础设施 5

1.3.1 家庭局域网 7

1.3.2 邻域网 7

1.3.3 广域网 7

1.3.4 企业网 7

1.3.5 外部网 8

1.4 互操作性问题 8

1.5 通信基础设施在智能电网中的作用 10

1.5.1 用户前端 10

1.5.2 核心通信网 11

1.5.3 最后一英里连接 14

1.5.4 控制中心 15

1.5.5 传感器与执行器网络 16

1.6 智能电网中通信基础设施的安全性与隐私性 17

1.6.1 组件安全 17

1.6.2 协议安全 18

1.6.3 网络安全 18

1.7 开放性问题及未来研究方向 19

1.7.1 开销可感知的通信和网络基础设施 19

1.7.2 服务质量框架 19

1.7.3 最佳网络设计 19

1.8 总结 20

参考文献 20

第2章 智能电网网络化控制新模型 27

2.1 引言 27

2.2 当前电力系统管理操作情况 27

2.2.1 当前电力系统管理操作 28

2.2.2 数据采集与监视控制系统 29

2.2.3 电力系统控制的基本模型 30

2.2.4 现有的电网控制技术 32

2.2.5 网络化控制的固有困难 33

2.3 增强型智能电网的测量功能 34

2.3.1 状态估计 34

2.3.2 广域测量系统和GridStat 35

2.4 需求侧管理和需求响应：经济、绿色配电的关键 38

2.4.1 中央电力市场 39

2.4.2 实时定价 41

2.4.3 直接负载控制 43

2.4.4 网络边缘设计的可能性和挑战 44

2.5 总结 45

参考文献 45

第3章 智能电网需求侧管理中的机遇和挑战 52

3.1 引言 52

3.2 系统模型 53

3.3 能耗调度模型 53

3.3.1 住宅负载调度模型 54

3.3.2 能耗调度问题阐述 54

3.3.3 能耗调度算法 56

3.3.4 性能估计 57

3.4 采用效用函数的能耗控制模型 58

3.4.1 用户喜好和效用函数 58

3.4.2 能耗控制问题阐述 59

3.4.3 用户之间的稳态问题 60

3.4.4 VCG方法 63

3.4.5 电力级选择算法的性能评估 64

3.5 总结 65

参考文献 66

第4章 车辆到电网系统：辅助服务与通信 69

4.1 引言 69

4.2 V2G系统中的辅助服务 70

4.3 V2G系统架构 72

4.3.1 聚合场景 74

4.3.2 充电场景 74

4.4 V2G系统通信 75

4.4.1 电力线通信与家庭插电联盟 75

4.4.2 无线个人局域网和ZigBee 75

4.4.3 Z-Wave 76

4.4.4 蜂窝网络 76

4.4.5 干扰管理与认知无线电 76

4.5 面临的挑战与开放性研究问题 77

4.5.1 满足通信需求 77

4.5.2 协调充电与放电 77

4.6 总结 78

参考文献 78

第2部分 智能电网的物理层数据通信、接入、检测和估计技术 87

第5章 智能电网的通信和接入技术 87

5.1 引言 87

5.1.1 传统电网通信 87

5.1.2 智能电网的目标 88

5.1.3 数据分类 90

5.2 通信媒质 91

5.2.1 有线方案 92

5.2.2 无线方案 94

5.3 电力线通信标准 97

5.3.1 宽带电力线通信 98

5.3.2 窄带电力线通信 99

5.3.3 电力线通信技术共存 100

5.4 无线标准 101

5.4.1 近距离无线方案 101

5.4.2 远距离解决方案 102

5.5 网络解决方案 104

5.5.1 混合组网解决方案 105

5.5.2 公用还是专用组网 105

5.5.3 互联网和基于IP的网络 105

5.5.4 无线传感器网络 106

5.5.5 机对机通信 107

5.6 总结 109

参考文献 109

第6章 智能电网中的机对机通信 113

6.1 引言 113

6.2 机对机通信技术 115

6.2.1 有线还是无线 115

6.2.2 微型机对机通信网 116

6.2.3 蜂窝机对机通信网 118

6.3 机对机通信的应用 119

6.4 机对机通信架构标准组织 120

6.4.1 欧洲电信标准协会机对机通信标准 120

6.4.2 第三代合作伙伴计划物联网标准 122

6.5 机对机通信在智能电网中的应用 124

6.5.1 机对机通信标准架构 124

6.5.2 输配电网 125

6.5.3 用户终端应用 127

6.6 总结 129

参考文献 129

第7章 智能电网中不良数据的检测：分布式方法 133

7.1 引言 133

7.2 目前分布式状态估计与不良数据处理的发展水平 134

7.2.1 广域状态估计模型 134

7.2.2 状态估计中的不良数据处理 134

7.2.3 相关研究 135

7.3 全分布式不良数据检测 136

7.3.1 引文 136

7.3.2 分布式不良数据的推荐算法 137

7.4 案例分析 139

7.4.1 案例一 140

7.4.2 案例二 141

7.5 总结 143

致谢 144

参考文献 144

第8章 分布式状态估计：一个基于学习的框架 146

8.1 引言 146

8.2 背景 147

8.3 状态估计模型 147

8.4 基于学习的状态估计方法 148

8.4.1 地理多样性 148

8.4.2 边信息 149

8.4.3 加权平均估计 149

8.4.4 评估性能 150

8.5 总结 151

参考文献 151

第3部分 智能电网和广域网 157

第9章 适用于广域测量应用的网络技术 157

9.1 引言 157

9.2 广域测量系统的组成 158

9.2.1 PMU和PDC 158

9.2.2 硬件构架 159

9.2.3 软件设施 160

9.3 WAMS的通信网络 161

9.3.1 通信需求 162

9.3.2 传输媒介 162

9.3.3 通信协议 163

9.4 WAMS应用 164

9.4.1 电力系统监测 164

9.4.2 电力系统保护 166

9.4.3 电力系统控制 169

9.5 WAMS建模与网络仿真 171

9.5.1 软件介绍 171

9.5.2 系统基础设施建模 171

9.5.3 应用分类 173

9.5.4 监测仿真 173

9.5.5 保护仿真 174

9.5.6 控制仿真 175

9.5.7 混合仿真 176

9.6 总结 176

参考文献 177

第10章 无线网络在智能电网中的应用 179

10.1 引言 179

10.2 智能电网应用需求 179

10.2.1 应用类型 179

10.2.2 服务质量要求 180

10.2.3 按服务质量划分应用 180

10.2.4 流量要求 183

10.3 网络拓扑结构 186

10.3.1 通信部件 186

10.3.2 连通性 187

10.4 配置因素 189

10.4.1 频谱 189

10.4.2 路径损耗 190

10.4.3 覆盖率 190

10.4.4 容量 192

10.4.5 弹性 192

10.4.6 安全性 193

10.4.7 资源共享 193

10.5 性能度量与折中 193

10.5.1 覆盖范围 193

10.5.2 容量 195

10.5.3 可靠性 197

10.5.4 时延 198

10.6 总结 199

参考文献 200

第4部分 智能电网的传感器和执行器网络 203

第11章 智能电网的无线传感器网络：研究挑战和潜在应用 203

11.1 引言 203

11.2 基于WSN的智能电网应用 204

11.2.1 客户端 204

11.2.2 输配电端 206

11.2.3 发电端 207

11.3 基于WSN的智能电网应用的研究挑战 208

11.4 总结 210

致谢 210

参考文献 210

第12章 智能电网的传感技术和网络协议 215

12.1 引言 215

12.2 传感器和传感准则 216

12.2.1 计量和电能质量传感器 216

12.2.2 电力系统状态和健康状况监测传感器 218

12.3 智能电网的通信协议 219

12.3.1 MAC协议 220

12.3.2 路由协议 222

12.3.3 传输协议 226

12.4 智能电网中设计WSN协议的挑战 227

12.5 总结 228

参考文献 228

第13章 智能电网中传感器与执行器网络的潜在实现方法 232

13.1 引言 232

13.2 智能电网中的能量与信息流 233

13.3 智能电网中的SANET 235

13.3.1 SANET在智能电网中的应用 235

13.3.2 智能电网中SANET的组成元件 237

13.3.3 SANET在智能电网中遇到的挑战 240

13.4 提出的机制 240

13.4.1 普遍的面向服务的网络 240

13.4.2 可以感知环境的智能控制 241

13.4.3 压缩传感 242

13.4.4 设备工艺 242

13.5 智能电网中SANET的一个研究案例——家庭能源管理系统 244

13.5.1 能源管理系统 244

13.5.2 EMS的设计和实现 244

13.6 总结 245

参考文献 246

第14章 智能电网中无线传感器网络的应用及其性能评估 248

14.1 引言 248

14.2 智能电网中的约束协议栈 249

14.2.1 IEEE 802.15.4 249

14.2.2 基于IPv6的低速无线个人局域网 250

14.2.3 低功耗有损网络的路由协议 251

14.2.4 受约束的应用协议 252

14.2.5 W3C制定的高效XML交换格式 253

14.3 实现 254

14.3.1 802.15.4 254

14.3.2 6LoWPAN 254

14.3.3 RPL 256

14.3.4 CoAP 256

14.3.5 EXI 258

14.4 性能评估 258

14.4.1 采用IEEE 802.15.4协议的链路性能 259

14.4.2 基于6LoWPAN的网络吞吐量 260

14.4.3 在多跳场景下基于RPL的网络吞吐量 262

14.4.4 CoAP性能 263

14.4.5 CoAP的多跳性能 265

14.5 总结 266

参考文献 266

第5部分 智能电网通信和组网的安全问题 271

第15章 网络攻击对智能电网影响的分析 271

15.1 引言 271

15.2 背景 272

15.2.1 风险管理 272

15.2.2 当前的发展水平 273

15.3 网络攻击影响分析的框架 273

15.3.1 图和动力系统 273

15.3.2 基于图的动力系统模型合成 274

15.4 研究案例 275

15.4.1 13节 点配电测试系统 275

15.4.2 模型合成 278

15.4.3 攻击场景一 278

15.4.4 攻击场景二 280

15.4.5 攻击场景三 282

15.5 总结 283

参考文献 284

第16章 在智能电网中干扰操控电力交易市场 287

16.1 引言 287

16.2 电力交易市场模型 288

16.3 攻击体制 290

16.3.1 攻击机制 290

16.3.2 损耗分析 291

16.4 防御对策 294

16.5 总结 296

参考文献 296

第17章 电力系统状态估计的安全性：攻击和保护方案 299

17.1 引言 299

17.2 电力系统状态估计和隐秘攻击 300

17.2.1 电网和测量模型 300

17.2.2 状态估计和不良数据检测 302

17.2.3 BDD和隐秘攻击 302

17.3 点对点SCADA网络中的隐秘攻击 303

17.3.1 最小代价隐秘攻击：问题公式化 303

17.3.2 最小代价隐秘攻击的精确计算 304

17.3.3 最小代价的上界 305

17.3.4 数值结果 307

17.4 点对点SCADA网络中对攻击的防护 308

17.4.1 完美保护 308

17.4.2 不完美的保护 309

17.4.3 数值结果 309

17.5 对SCADA网络路由的隐秘攻击 310

17.5.1 测量攻击代价 311

17.5.2 变电站攻击的影响 312

17.5.3 数值结果 313

17.6 对SCADA网络路由上隐秘攻击的防护 313

17.6.1 单路径和多路径路由 314

17.6.2 数据认证和保护 316

17.7 总结 316

参考文献 317

第18章 智能电网中的分层安全架构 319

18.1 引言 319

18.2 分层架构 320

18.2.1 物理层 322

18.2.2 控制层 323

18.2.3 通信层 323

18.2.4 网络层 323

18.2.5 监督层 323

18.2.6 管理层 323

18.3 鲁棒弹性控制 324

18.4 安全的网络路由 327

18.4.1 分层路由 328

18.4.2 集中式与分布式的架构 329

18.5 信息安全管理 330

18.5.1 漏洞管理 330

18.5.2 用户打补丁 331

18.6 总结 333

参考文献 334

第19章 应用驱动的安全智能电网设计 338

19.1 引言 338

19.2 对先进仪表设施的入侵检测 340

19.2.1 智能电表和安全问题 340

19.2.2 环境感知和监控方案的架构 341

19.2.3 基于规范的IDS强制执行策略 342

19.3 SCADA系统的融合网络 344

19.3.1 对网络融合的需求和挑战 344

19.3.2 具有时效性限制的架构 345

19.4 鉴权的设计原则 347

19.4.1 为智能电网设计安全鉴权协议的要求和挑战 347

19.4.2 认证协议的设计准则 348

19.4.3 使用案例：DNP3的安全认证补充 349

19.5 总结 350

致谢 351

参考文献 351

第6部分 现场测试和配置 357

第20章 案例研究和最新智能电网现场试验得到的经验教训 357

20.1 引言 357

20.2 智能电网 357

20.2.1 济州岛智能电网试验项目 357

20.2.2 Hydro one的高级分布式系统项目 358

20.2.3 智能家庭项目 361

20.3 智能电力系统 361

20.4 智能用户 362

20.4.1 PEPCO 363

20.4.2 联邦爱迪生 363

20.4.3 康涅狄格光电 364

20.4.4 加利福尼亚州定价试点 365

20.5 经验教训 365

20.6 总结 365

参考文献 366