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內容簡介

　　《智能電網通信及組網技術》詳細介紹瞭智能電網中的通信技術及組網技術，主要包括模型及其通信架構，物理層數據通信、接入、檢測和估計技術，廣域網，傳感器和執行器網絡，以及智能電網通信和組網的安全、現場測試和配置等內容。《智能電網通信及組網技術》內容全麵，覆蓋瞭智能電網中通信和網絡技術的最新理論、關鍵策略、協議、應用和實驗研究，為讀者深入瞭解智能電網以及電力係統工程師優化通信係統提供基本信息和技術參考。

目錄

第1部分 智能電網模型及其通信架構
第1章 智能電網的通信網絡：以架構的角度來看
1.1 引言
1.2 智能電網的概念模型
1.3 智能電網的通信基礎設施
1.3.1 傢庭局域網
1.3.2 鄰域網
1.3.3 廣域網
1.3.4 企業網
1.3.5 外部網
1.4 互操作性問題
1.5 通信基礎設施在智能電網中的作用
1.5.1 用戶前端
1.5.2 核心通信網
1.5.3 最後一英裏連接
1.5.4 控製中心
1.5.5 傳感器與執行器網絡
1.6 智能電網中通信基礎設施的安全性與隱私性
1.6.1 組件安全
1.6.2 協議安全
1.6.3 網絡安全
1.7 開放性問題及未來研究方嚮
1.7.1 開銷可感知的通信和網絡基礎設施
1.7.2 服務質量框架
1.7.3 最佳網絡設計
1.8 總結
參考文獻

第2章 智能電網網絡化控製新模型
2.1 引言
2.2 當前電力係統管理操作情況
2.2.1 當前電力係統管理操作
2.2.2 數據采集與監視控製係統
2.2.3 電力係統控製的基本模型
2.2.4 現有的電網控製技術
2.2.5 網絡化控製的固有睏難
2.3 增強型智能電網的測量功能
2.3.1 狀態估計
2.3.2 廣域測量係統和GridStat
2.4 需求側管理和需求響應：經濟、綠色配電的關鍵
2.4.1 中央電力市場
2.4.2 實時定價
2.4.3 直接負載控製
2.4.4 網絡邊緣設計的可能性和挑戰
2.5 總結
參考文獻

第3章 智能電網需求側管理中的機遇和挑戰
3.1 引言
3.2 係統模型
3.3 能耗調度模型
3.3.1 住宅負載調度模型
3.3.2 能耗調度問題闡述
3.3.3 能耗調度算法
3.3.4 性能估計
3.4 采用效用函數的能耗控製模型
3.4.1 用戶喜好和效用函數
3.4.2 能耗控製問題闡述
3.4.3 用戶之間的穩態問題
3.4.4 VCG方法
3.4.5 電力級選擇算法的性能評估
3.5 總結
參考文獻

第4章 車輛到電網係統：輔助服務與通信
4.1 引言
4.2 V2G係統中的輔助服務
4.3 V2G係統架構
4.3.1 聚閤場景
4.3.2 充電場景
4.4 V2G係統通信
4.4.1 電力綫通信與傢庭插電聯盟
4.4.2 無綫個人局域網和ZigBee
4.4.3 Z-Wave
4.4.4 蜂窩網絡
4.4.5 乾擾管理與認知無綫電
4.5 麵臨的挑戰與開放性研究問題
4.5.1 滿足通信需求
4.5.2 協調充電與放電
4.6 總結
參考文獻

第2部分 智能電網的物理層數據通信、接入、檢測和估計技術
第5章 智能電網的通信和接入技術
5.1 引言
5.1.1 傳統電網通信
5.1.2 智能電網的目標
5.1.3 數據分類
5.2 通信媒質
5.2.1 有綫方案
5.2.2 無綫方案
5.3 電力綫通信標準
5.3.1 寬帶電力綫通信
5.3.2 窄帶電力綫通信
5.3.3 電力綫通信技術共存
5.4 無綫標準
5.4.1 近距離無綫方案
5.4.2 遠距離解決方案
5.5 網絡解決方案
5.5.1 混閤組網解決方案
5.5.2 公用還是專用組網
5.5.3 互聯網和基於IP的網絡
5.5.4 無綫傳感器網絡
5.5.5 機對機通信
5.6 總結
參考文獻

第6章 智能電網中的機對機通信
6.1 引言
6.2 機對機通信技術
6.2.1 有綫還是無綫
6.2.2 微型機對機通信網
6.2.3 蜂窩機對機通信網
6.3 機對機通信的應用
6.4 機對機通信架構標準組織
6.4.1 歐洲電信標準協會機對機通信標準
6.4.2 第三代閤作夥伴計劃物聯網標準
6.5 機對機通信在智能電網中的應用
6.5.1 機對機通信標準架構
6.5.2 輸配電網
6.5.3 用戶終端應用
6.6 總結
參考文獻

第7章 智能電網中不良數據的檢測：分布式方法
7.1 引言
7.2 目前分布式狀態估計與不良數據處理的發展水平
7.2.1 廣域狀態估計模型
7.2.2 狀態估計中的不良數據處理
7.2.3 相關研究
7.3 全分布式不良數據檢測
7.3.1 引文
7.3.2 分布式不良數據的推薦算法
7.4 案例分析
7.4.1 案例一
7.4.2 案例二
7.5 總結
緻謝
參考文獻

第8章 分布式狀態估計：一個基於學習的框架
8.1 引言
8.2 背景
8.3 狀態估計模型
8.4 基於學習的狀態估計方法
8.4.1 地理多樣性
8.4.2 邊信息
8.4.3 加權平均估計
8.4.4 評估性能
8.5 總結
參考文獻

第3部分 智能電網和廣域網
第9章 適用於廣域測量應用的網絡技術
9.1 引言
9.2 廣域測量係統的組成
9.2.1 PMU和PDC
9.2.2 硬件構架
9.2.3 軟件設施
9.3 WAMS的通信網絡
9.3.1 通信需求
9.3.2 傳輸媒介
9.3.3 通信協議
9.4 WAMS應用
9.4.1 電力係統監測
9.4.2 電力係統保護
9.4.3 電力係統控製
9.5 WAMS建模與網絡仿真
9.5.1 軟件介紹
9.5.2 係統基礎設施建模
9.5.3 應用分類
9.5.4 監測仿真
9.5.5 保護仿真
9.5.6 控製仿真
9.5.7 混閤仿真
9.6 總結
參考文獻

第10章 無綫網絡在智能電網中的應用
10.1 引言
10.2 智能電網應用需求
10.2.1 應用類型
10.2.2 服務質量要求
10.2.3 按服務質量劃分應用
10.2.4 流量要求
10.3 網絡拓撲結構
10.3.1 通信部件
10.3.2 連通性
10.4 配置因素
10.4.1 頻譜
10.4.2 路徑損耗
10.4.3 覆蓋率
10.4.4 容量
10.4.5 彈性
10.4.6 安全性
10.4.7 資源共享
10.5 性能度量與摺中
10.5.1 覆蓋範圍
10.5.2 容量
10.5.3 可靠性
10.5.4 時延
10.6 總結
參考文獻

第4部分 智能電網的傳感器和執行器網絡
第11章 智能電網的無綫傳感器網絡： 研究挑戰和潛在應用
11.1 引言
11.2 基於WSN的智能電網應用
11.2.1 客戶端
11.2.2 輸配電端
11.2.3 發電端
11.3 基於WSN的智能電網應用的研究挑戰
11.4 總結
緻謝
參考文獻

第12章 智能電網的傳感技術和網絡協議
12.1 引言
12.2 傳感器和傳感準則
12.2.1 計量和電能質量傳感器
12.2.2 電力係統狀態和健康狀況監測傳感器
12.3 智能電網的通信協議
12.3.1 MAC協議
12.3.2 路由協議
12.3.3 傳輸協議
12.4 智能電網中設計WSN協議的挑戰
12.5 總結
參考文獻

第13章 智能電網中傳感器與執行器 網絡的潛在實現方法
13.1 引言
13.2 智能電網中的能量與信息流
13.3 智能電網中的SANET
13.3.1 SANET在智能電網中的應用
13.3.2 智能電網中SANET的組成元件
13.3.3 SANET在智能電網中遇到的挑戰
13.4 提齣的機製
13.4.1 普遍的麵嚮服務的網絡
13.4.2 可以感知環境的智能控製
13.4.3 壓縮傳感
13.4.4 設備工藝
13.5 智能電網中SANET的一個研究案例——傢庭能源管理係統
13.5.1 能源管理
……

前言/序言

　　電力網由以下兩個主要部分組成：傳輸係統和分配係統。傳輸係統指的是連接發電設備與各種分布點的高電壓網絡基礎設施。在分布點上，由於存在能互連所有消費者的分布係統，電載波被轉化成中、低電壓信號。智能電力網（簡稱智能電網）指的是下一代電力網，其中引入瞭現代信息、通信和電子技術，旨在提供可靠的、有效的、安全的、高質量的電力生産、分配和消耗。智能電網引進一種分布式和以用戶為中心的係統，它能把終端用戶並入它的決策處理係統，因而便於為用戶提供低花費和可靠的能量供給。現代的通信基礎設施將在管理、控製和優化智能電網的不同設備和係統中起重要作用。信息和通信技術在智能電網中起到瞭核心作用，因為它們使智能電網具備瞭以下功能：雙嚮的能量與信息流動，隔離並快速地修復故障，便於可再生的能源融入智能電網中並授權給用戶，並使用戶能夠可用工具來優化自己的能源消耗量。
　　從架構的角度來看，智能電網由3個高層組成：物理電力層（傳輸與分配）、數據傳輸與控製層（通信和控製）及應用層（應用與設備）。每個高層又分成3個子層和更詳細的市場區分。與之前（現存的電力網）不同的是，智能電網會應用雙嚮的數據通信技術把電力公司控製係統、終端用戶及消費者整閤在一起，這樣就能做到智能化的電力産生、控製和消耗。更重要的是，智能電網提供與用戶相關的需求和故障報告，從而使用戶活躍地參與其中。很多全球的標準製定機構與組織都在朝此方嚮努力。其中，電力研究所（Electrical Power Research Institute，EPRI）、國傢標準和技術研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）、歐洲研究委員會（European Commission Research，ECR）等研究機構如今都在為智能電網努力研發最全麵的構架、通信標準和發展路綫。然而很多問題如開銷、非互操作性、互聯網和物理安全、缺少通信與框架的標準等問題都亟待解決。研發智能電網已經成為全球緊迫的優先事宜，而我們的後代將享受到這項工程帶來的經濟的、環境的以及社會的益處。
　　本書的目的在於為先進的數據通信和網絡機製提供一個有用的背景，為網絡化的控製提供模型並為智能電網提供安全機製。本書涉及設計智能電網時數據通信與組網的不同方麵，包括以下幾個部分：智能電網高級測量體係（Advanced Metering Infrastructure，AMI）的通信架構和模型，網絡化控製，需求側管理（Demand-side Management，DSM），分布式能源（Distributed Energy Resource，DER）管理，物理通信、檢測、估計和接入設計；智能電網和區域網絡，如傢庭局域網（Home-area Network，HAN）、鄰域網（Neighborhood-area Network，NAN）、廣域網（Wide-area Network，WAN）、廣域測量係統（Wide-area Measurement Systems，WAMS）；傳感器與執行器網絡（Sensor and Actutor Network，SANET）和相關的協議設計問題；通信架構的安全性以及在智能電網上正在進行的測試項目。
　　本書共20章，分為6部分。以下是各章的簡要介紹。
　　第1部分：智能電網模型及其通信架構。
　　人們所設想的智能電網是以用戶為中心的係統，它可以將傳統的電力係統改進為閤作式、響應式和節約式的係統。除瞭已實現的將電能從供應方輸送給消費者的功能以外，智能電網也為電力網提供信息化與智能化功能，這使得網絡擁有自動化的功能，能積極地運作和有效地響應需求。可靠和有效的通信和組網基礎設施能把功能性的元件連入智能電網中。
　　在第1章中，Kayastha等人描述瞭NIST采用的智能電網概念模型和其中不同域之間的交互（如生産、傳輸、分配、用戶、服務供應商、操作、市場等）。作者強調瞭智能電網通信和組網基礎設施的角色與重要性，並給齣瞭跨越不同域的層級通信設施的概況。這種設施也稱AMI，包括許多如HAN、SANET、NAN和WAN這樣的係統與子係統。作者同樣給齣瞭集成的智能電網的GWAC（GridWise Atchitecture Council）互操作性框架，並迴顧瞭網絡設施的安全性與用戶信息的隱私保護。
　　在第2章中，Scaglione Wang和Alizadeh簡要綜述瞭網絡控製的經典問題，以及它們與在智能電網中為管理能源分配而創建新的框架模型這一挑戰之間的關係，這種能源分配的管理依賴於實時的、可靠的信息收集和決策。作者同樣討論瞭在網絡核心與邊緣部分加強網絡化控製時存在的問題，以及為什麼它們是智能電網中自由創新的關鍵。
　　他們還探討瞭通過新穎的傳感器網絡模式與相量測量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）連接起來的廣域測量係統是如何幫助智能電網提高它的態勢感知能力的。作者也迴顧瞭如今用於網絡監測與控製的數據采集與監視控製係統模型（Supervisory Control and Data Acquision，SCADA）。在邊緣部分，新興的智能測量基礎設施隻給齣瞭擁有大量用戶群所具有的一部分優勢。也有可能通過實時的負載調度強化需求控製。作者也提及對於需求與響應係統（也稱DSM係統）什麼纔是閤理的模型，它能主動地控製智能負載。DSM係統是應用於電動車輛的具體實例，並且是緻力於研究負載調度的有力實證。
　　在第3章中，Samadi等人提齣瞭很多基於智能計價的DSM係統的算法，用以提高傳統電網的效率。這種算法的兩個目的的不同在於：一個是為瞭減少電力消耗和轉移（或調度）電力消耗。耗能調度能同時降低電力耗損的峰值與平均值比值（Peak-to-average Ratio，PAR）和係統的整體能量耗損。對於用戶而言，另一個目標在於能同時減少能量損耗與等待時間。為瞭解決DSM的問題，作者考慮到它的設計目的，提齣瞭優化與博弈論模型。使用效用函數的概念可以建模用戶的不同目的需求。
　　在第4章中，Wu、Mohsenian-Rad和Huang介紹瞭汽車到電網（Vehicle-to-Grid，V2G）係統，並強調瞭未來智能電網中，在這樣的係統中保障可靠性與安全性的通信和組網基礎設施的重要作用。當插電式電動汽車需要放電時，V2G係統能將電力注入網絡當中，也能通過協調的充電與放電機製提高PAR。同樣，V2G電力存儲機製便於將可再生能源融入智能電網。另外，此係統規範瞭電力網的頻率和電壓。以上這些服務，也稱輔助服務，能由高級的通信和組網設施有效地提供給電網。作者簡要介紹瞭V2G係統通信的一些技術，其中包括寬帶電力綫通信（Power-Line Communicaton，PLC）、ZigBee、Z-Wave、認知無綫電和蜂窩無綫技術。這些技術的具體細節在本書第2部分進行介紹。
　　第2部分：智能電網的物理層數據通信、接入、檢測和估計技術。
　　智能電網的不同物理層數據通信技術能使傳統電力網支持雙嚮的能量與信息流。這些技術便於可再生能源融入智能電網，並能使顧客用工具優化能量消耗量。智能電網依賴於當前和未來的有綫和無綫通信技術（如PLC、蜂窩網、IP網、ZigBee、Wi-Fi、WiMAX等），同樣也需要有先進的技術去支持電力係統狀態估計和數據處理（如不良數據檢測）。
　　在第5章中，Bavarian和Lampe介紹瞭智能電網通信中不同的通信和接入技術以及它們的應用。不同的有綫通信技術包括電力綫、光縴技術，無綫技術包括蜂窩網、衛星、無綫網狀網和無綫個人局域網技術。作者探討瞭寬帶與窄帶電力綫通信技術及其相關標準（如IEEE 1901、ITU-T G.9960/61、傢庭插電聯盟）。在所有這些無綫技術中，作者主要討論瞭ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、3GPP LTE和IEEE 802.22標準。最後給齣瞭一些智能電網的網絡解決方案，如基於互聯網和基於IP的網絡、專用網、無綫傳感器和機器到機器的（Machine-to-machine，M2M）通信網絡。
　　在第6章中，Alonso-Zarate等人介紹瞭一些新興的M2M通信範例，包括它的定義、曆史發展、設計驅動程序和為使它達到標準化所做的努力。作者詳細討論瞭M2M通信在智能電網中的應用，以及這兩種技術共同發展所麵臨的開放性挑戰；也提及瞭不同的M2M有綫通信技術（如PLC和以太網），低功率無綫通信技術如ZigBee、Wi-Fi、6LoWPAN（微M2M技術），以及混閤M2M技術。作者給齣瞭這樣一種觀點：蜂窩M2M通信技術適用於智能電網的應用，如廣域態勢感知、分布式能源的交互以及在傳輸與分布網絡中的分配自動化。同樣，蜂窩M2M技術能建立AMI並實現直接寄存控製（Direct Load Control，DLC）的概念，即智能化設備能自動調度它們的電力負載。
　　在第7章中，Xie等人把注意力主要放到智能電網廣域監控、控製和保護應用的快速、強健狀態估計技術問題上。狀態估計的基本功能是檢測、識彆並排除管理錯誤，這些錯誤均是由計量偏差、大的測量偏離和錯誤鏈接造成的。這種功能也稱“不良數據處理”，它包含兩步：不良數據檢測與識彆。通常，不良數據檢測采用的是卡方檢驗，而不良數據識彆采用標準化的殘差檢驗。作者迴顧瞭最新的不良數據處理技術並為不良數據檢測提齣一種分布式方法。這一方法的性能在IEEE 14-bus係統的仿真下可以觀測齣來。作者也介紹瞭這些方法的信息交換和通信要求。
　　在第8章中，Tajar、Kar和Poor考慮到基本的物理與傳感模型和係統快速變化的動態性，解決瞭分布式電力係統狀態估計的問題。作者為自適應和分布式的電力狀態估計定義瞭一種基於學習機製的框架。
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