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