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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GridStat35

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ZigBee75

4.4.3 Z-Wave76

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PDC158

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SANET235

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 802.15.4249

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

14.3.1 802.15.4254

14.3.2 6LoWPAN254

14.3.3 RPL256

14.3.4 CoAP256

14.3.5 EXI258

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 PEPCO363

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