第一部分 电力系统：主要组成部分 2
第1章 智能电网之前的电力系统介绍 2
1.1 概述 2
1.2 传统的电网 6
1.2.1 电网中的早期通信网络 9
1.2.2 电网和通信网络两者之间的一个类比 15
1.3 电力基本法则 18
1.3.1 电荷、电压和接地 18
1.3.2 电导率 19
1.3.3 欧姆定律 20
1.3.4 电路 21
1.3.5 电磁场 22
1.3.6 电磁感应 23
1.3.7 电路基础 25
1.3.8 磁路 27
1.4 案例研究：停电事故的事后分析 29
1.4.1 停电事故的启示 29
1.4.2 一个简单的案例研究 31
1.5 智能电网驱动因素 36
1.6 智能电网的目标 37
1.6.1 在数字经济中提供满足一系列需要的电能质量 38
1.6.2 容纳所有发电和存储单元 38
1.6.3 拥有新的产品、服务和市场 38
1.6.4 使用户能积极参与 38
1.6.5 有弹性地运行以抵御物理攻击、网络攻击和自然灾害 39
1.6.6 以自愈方式预期和响应系统扰动 39
1.6.7 优化资产利用和运行效率 39
1.7 标准简括 40
1.8 从能量和信息到智能电网及其通信 40
1.9 小结 41
1.10 习题 43
第2章 发电 46
2.1 引言 46
2.2 集中式发电 48
2.2.1 交流电 48
2.2.2 复功率和无功功率 52
2.2.3 电能质量 55
2.2.4 发电 56
2.3 管理和控制：SCADA系统介绍 61
2.3.1 效率和环境 66
2.4 能量存储 67
2.5 小结 71
2.6 习题 71
第3章 输电 73
3.1 引言 73
3.2 电网基本组成部分 76
3.2.1 控制中心 76
3.2.2 变压器 77
3.2.3 电容器组 78
3.2.4 继电器和重合闸装置 79
3.2.5 变电站 79
3.2.6 逆变器 79
3.3 经典电网分析技术 81
3.3.1 频率分析 81
3.3.2 标幺制系统 82
3.3.3 相量 82
3.3.4 潮流分析 84
3.3.5 故障分析 88
3.3.6 状态估计 89
3.3.7 柔性交流输电系统 90
3.4 输电面临的挑战 90
3.4.1 集成电压-无功功率控制 91
3.4.2 地磁感应电流 93
3.4.3 质量问题 94
3.4.4 大规模同步 95
3.4.5 输电市场 96
3.5 无线电能传输 96
3.6 小结 97
3.7 习题 97
第4章 配电 99
4.1 引言 99
4.1.1 配电系统中的变压器 103
4.1.2 馈线 106
4.1.3 电力线 106
4.1.4 配电拓扑 109
4.1.5 配电系统设计 110
4.2 保护技术 114
4.2.1 熔断器、断路器、继电器和重合闸装置 114
4.2.2 距离保护 117
4.2.3 纵联保护 118
4.2.4 保护和稳定性 119
4.2.5 特殊保护方案和校正措施方案 119
4.2.6 录波器 119
4.2.7 保护协调 120
4.3 降压节能 120
4.4 配电线载波 121
4.5 小结 122
4.6 习题 122
第5章 用电 124
5.1 引言 124
5.2 负荷 125
5.2.1 电力市场 131
5.2.2 重组的含义 134
5.2.3 频率 136
5.2.4 系统运行与管理 137
5.2.5 自动化：智能电网的诱因 138
5.2.6 人类影响因素 139
5.3 用电变化 140
5.4 用户的观点 140
5.5 可见性 142
5.5.1 微电网 143
5.6 用户灵活性 147
5.6.1 用户能量管理 147
5.6.2 插电式电动汽车 149
5.7 小结 149
5.8 习题 150
第二部分 通信网络：推动者 154
第6章 什么是智能电网通信 154
6.1 引言 154
6.1.1 麦克斯韦方程组 158
6.1.2 特征系统和图谱 159
6.2 能量和信息 159
6.2.1 追溯信息的物理现象 160
6.3 系统观点 164
6.4 电力系统信息理论 165
6.4.1 复杂理论 172
6.4.2 网络编码 173
6.4.3 信息理论和网络科学 175
6.4.4 网络科学和路由 177
6.4.5 压缩感知技术 177
6.5 通信架构 180
6.5.1 智能电网应用与通信 181
6.5.2 主动网络 182
6.6 无线通信介绍 186
6.6.1 电磁辐射 186
6.6.2 波动方程 188
6.7 小结 193
6.8 习题 194
第7章 需求响应和高级量测体系 195
7.1 引言 195
7.2 需求响应 196
7.3 高级量测体系 199
7.4 IEEE 802.15.4、6LoWPAN、ROLL和RPL 203
7.4.1 电力线电压和通信的关系 203
7.4.2 IEEE 802介绍 203
7.4.3 IEEE 802.15介绍 204
7.4.4 IEEE 802.15.4 204
7.4.5 IEEE 802.15.4g智能公用网络介绍 209
7.4.6 6LoWPAN介绍 209
7.4.7 Ripple路由协议、低功率和低损耗网络路由介绍 210
7.5 IEEE 802.11 212
7.6 小结 213
7.7 习题 214
第8章 分布式发电和输电 216
8.1 引言 216
8.2 分布式发电 217
8.2.1 分布式控制 222
8.2.2 大量小型发电机并网 224
8.2.3 分布式发电：未来展望 226
8.2.4 光伏发电 227
8.3 智能输电系统 230
8.3.1 柔性交流输电系统 231
8.4 无线电能传输 232
8.5 广域监测 235
8.6 网络控制 246
8.7 小结 249
8.8 习题 250
第9章 配电自动化 252
9.1 引言 252
9.1.1 性能指标 255
9.2 应用配电自动化实现保护配合 256
9.2.1 时间-电流曲线 256
9.3 自愈、通信和配电自动化 259
9.3.1 配电拓扑结构 261
9.3.2 一个算法实例 261
9.3.3 一个简化的配电系统保护通信模型 263
9.3.4 通信模型 264
9.3.5 配电保护通信系统概率诠释 266
9.3.6 WiMAX介绍 272
9.3.7 WiMAX网络模式 274
9.4 小结 276
9.5 习题 276
第10章 标准概述 278
10.1 引言 278
10.2 美国国家标准技术研究所 279
10.3 国际电工委员会 280
10.4 国际大电网委员会 284
10.5 美国电气电子工程师学会 284
10.6 美国国家标准学会 288
10.7 国际电信联盟 291
10.8 美国电力科学研究院 292
10.9 其他标准化活动 293
10.9.1 Modbus 293
10.9.2 电力线载波 294
10.9.3 微软电力和公用事业智能能源参考架构 294
10.10 小结 297
10.11 习题 297
第三部分 终极目标：智能电网嵌入式和分布式智能 300
第11章 电网中的机器智能 300
11.1 引言 300
11.2 机器智能和通信 300
11.2.1 什么是机器智能 301
11.2.2 智能和通信之间的关系 303
11.2.3 通信中的智能 303
11.2.4 电网中的智能 304
11.3 智能电网的计算模型 304
11.3.1 分析层级规划 306
11.3.2 动态规划 307
11.3.3 随机规划 308
11.3.4 拉格朗日松弛 309
11.3.5 通信复杂度 310
11.4 电网中的机器智能 311
11.4.1 神经网络 311
11.4.2 专家系统 313
11.4.3 模糊逻辑 313
11.4.4 进化计算 315
11.4.5 自适应动态规划 317
11.4.6 Q-Learning算法 319
11.5 智能电网中机对机通信 320
11.5.1 语义网 320
11.5.2 认知无线电 321
11.6 小结 322
11.7 习题 323
第12章 状态估计和稳定性 325
12.1 引言 325
12.2 网络控制 331
12.3 状态估计 332
12.4 分布状态估计 333
12.5 稳定性 336
12.5.1 系统性能 336
12.6 稳定和高渗透分布式发电 343
12.7 小结 344
12.8 习题 344
第13章 同步相量应用 346
13.1 引言 346
13.2 同步相量 346
13.2.1 相量 347
13.2.2 时钟和同步 349
13.2.3 同步相量压缩 352
13.3 相量测量装置 355
13.3.1 相量数据集中器 355
13.4 网络同步相量信息 356
13.5 同步相量应用 358
13.6 小结 359
13.7 习题 360
第14章 电力电子 362
14.1 引言 362
14.2 电力电子介绍 364
14.2.1 提高电能质量的电力电子技术 367
14.3 电力电子变压器 369
14.4 保护装置和限流器 377
14.5 超导技术 378
14.6 小结 383
14.7 习题 384
第15章 未来智能电网 386
15.1 引言 386
15.1.1 创新理论 387
15.2 地磁风暴发电机 389
15.3 未来微电网 392
15.3.1 从电网到微电网再到纳米电网：继续削减规模 392
15.3.2 纳米级发电 393
15.3.3 真正的纳米电网 395
15.4 纳米级通信网络 395
15.5 新兴技术 399
15.5.1 量子能量传输 400
15.6 近太空发电 400
15.7 小结 402
15.8 习题 404
附录 智能电网仿真工具 406
参考文献 409