主页（http://www.cnwulian.net）：美国智能电网测试环境发展特点和行动策略
摘要：智能电网的发展需要与之相适应的测试能力，测试环境将成为智能电网突破性发展的核心推动力。通过梳理美国智能电网测试环境的案例，分析了美国智能电网测试环境发展的特点，研究了美国国家标准技术研究院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)提出的发展机遇和发展思路，总结分析了美国智能电网测试环境提升发展的行动策略以及给我们的启示。NIST 和能源部(Department of Energy，DOE)的协调和引领、研究机构资源和能力的协同、公共基础资源的共享和远程访问，形成了美国智能电网测试环境发展的合力。智能电网测试环境的发展，应以满足智能电网发展需要为出发点，以模块化、互联互通为发展方向。
共享和远程开放需作为信息物理融合系统(cyber physic system，CPS)基础性和独特性测试资源建设的重要原则。系统模型、仿真工具和测试数据的积累和使用也需要整体协调、有序推进和充分共享。
关键词：智能电网;信息物理融合系统;测试环境;模块化;互联;通信
0 引言
随着越来越多的分布式可再生能源、电动汽车、储能和需求响应设施接入电网，随着越来越复杂的电力电子、控制和通信技术的应用，智能电网已经发展成为高度互联的信息物理融合系统(cyber physic system，CPS)[1]。电力信息物理融合系统的网络通信架构、控制体系、安全风险传播机制等是传统电网未曾涉及或者远不能比拟的。为了实现智能电网的坚韧、可靠和安全特性，须要与之相适应的标准体系和测试能力保障。
美国作为最早提出智能电网理念和实施路线图的国家，不仅同步开展了测试环境的研究和建设，而且在评估总结试点工程的基础上，开展了测试环境的顶层设计和建设引导。美国国家标准技术研 究 院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)认为，测试环境是智能电网发展的关键资源之一，并将成为智能电网突破性发展的核心推动力[2]。美国对智能电网测试环境的高端定位、顶层引领协同、全面系统集成等均是其他国家未曾企及的。
本文通过梳理美国智能电网测试环境的案例，分析了美国智能电网测试环境发展的特点，探究了NIST 提出的智能电网测试环境的发展机遇、技术挑战和战略布局，剖析了美国智能电网测试环境提升发展的行动策略及其给我们的启示，提出了我国智能电网测试环境发展建议。
1 美国智能电网测试环境发展的特点
智能电网测试环境的初始目的是测试某一特定需求功能。随着智能电网的发展，测试环境的定位、构成及能力不断扩展和深化。
1.1 扩展测试功能，适应新型构成的电网发展
美国从能源部(Department of Energy，DOE)国家实验室、州立大学、研究机构到电力公司，在智能电网建设初期就同步开展了大量的智能电网测试环境建设。文献[2]提供了 DOE 国家实验室、大学以及企业现有的近 40 个智能电网测试环境清单和简介。文献[3]从促进协同和互操作的角度，提供了 10 个 DOE 国家实验室、杜克能源等 5 个电力公司以及伊利诺伊大学等 7 个大学测试环境的测试内容。每个测试环境都各具特色。其中，DOE 所属的国家可再生能源实验室(National Renewable Energy
Laboratory，NREL)的能源系统集成设施(EnergySystems Integration Facility，ESIF)建立于 2013 年，集成了电力系统、热力系统、燃料系统的测试装备，具有高性能建模和仿真能力，提供兆瓦级的电力硬件在环(power hardware-in-the-loop，PHIL)测试环境，开展新能源技术的全功率实时模拟测试和评估，以及可再生能源高比例接入电网的稳定性等研究。随着高级配电管理系统(advanced distribution management systems，ADMS)、用户能源管理等理念和技术的发展，NREL 充分发挥其电力设备在环、建模、仿真的独特优势，不断扩展 ESIF 的构成和功能。
NREL 在 ESIF 基础上增加了通信层，连接电力系统实时模拟器、电力设备和网络设备，构建了微网测试平台，开展微网电能质量、微网控制器、微网模式切换等测试[4]。NREL 与杜克能源、GE 公司一 起，正在构建配电管理系统(distribution management system，DMS)综合测试环境，实现智
能逆变器等设备与 DMS 模拟电网的实时状态交互，开展电压无功优化应用等测试工作，形成了ADMS 测试环境的雏形[5]。NREL 利用 ESIF 的分布式能源仿真功能、电力硬件在环的实时网络仿真能力，采用主动网络管理(active network management，ANM)控制技术，加强智能家居及其设备的集成，协同控制住宅光伏发电、电动汽车充电和储能系统，管理反向功率、需求响应服务，提高电网承载能力[6] 。
NREL 的 ESIF 在技术研究和应用中承担着独特的作用。DOE 近期发布的《高级配电管理系统2016—2020 五年规划》征求意见稿(简称 ADMSMYPP)[7]，明确指出将充分发挥 NREL 的 ESIF 现有能力，建立逼真的 ADMS 测试环境，评估和解决ADMS 技术应用中面临的挑战。2015 年 NREL 参与合作，为 Miramar 海军陆战队航空站(Marine Corps Air Station，MCAS)建立了完全依赖太阳能和电池的微网。为降低项目风险，项目团队利用 ESIF，模拟 MCAS 环境，先行开展了概念验证[5]。
表1 列出了美国 DOE 国家实验室和大学的部分智能电网测试环境的功能扩展情况。从表 1 中可以看出，虽然各实验室和大学建设的测试平台各具特色，但网络安全和通信都成为其基本组成，一方面是因为通信和网络安全贯穿整个智能电网架构;另一方面也反映了通信和网络安全的重要性。
1.2 多种形式、功能、系统的集成和交互
智能电网是电力、通信和 IT 无缝集成的信息物理融合系统，其测试环境的架构和实施是一门科学[8]。
十几年前建立的美国国家数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)测试环境，成功开展了控制系统风险评估、漏洞修补、加固验证等工作，其中的发电、输电等组成都是由真实设备构成，实物部署的大量成本限制了类似测试环境的发展[9]。文献[10]提出 CPS 测试环境应体现网络、控制和物理系统之间的交互，实物、仿真、模拟的混合模型是建立可扩展、高保真、有成效的 CPS 测试环境的核心。实时数字仿真、电力硬件在环、网络在环成为测试环境的普遍且重要元素。
爱达荷国家实验室 (Idaho National Laboratory，INL)的电网可靠性和控制系统测试环境，由自主运行的输电系统、配电系统以及实时全数字的电磁暂态电力系统仿真器构成，模拟真实电力系统环境，与电力系统控制和保护装置直接连接，开展继电器保护和控制系统的实时闭环测试等安全研究[11]。
