摘要：智能電網(wǎng)的發(fā)展需要與之相適應(yīng)的測試能力，測試環(huán)境將成為智能電網(wǎng)突破性發(fā)展的核心推動力。通過梳理美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境的案例，分析了美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的特點，研究了美國國家標準技術(shù)研究院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)提出的發(fā)展機遇和發(fā)展思路，總結(jié)分析了美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境提升發(fā)展的行動策略以及給我們的啟示。NIST 和能源部(Department of Energy，DOE)的協(xié)調(diào)和引領(lǐng)、研究機構(gòu)資源和能力的協(xié)同、公共基礎(chǔ)資源的共享和遠程訪問，形成了美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的合力。智能電網(wǎng)測試環(huán)境的發(fā)展，應(yīng)以滿足智能電網(wǎng)發(fā)展需要為出發(fā)點，以模塊化、互聯(lián)互通為發(fā)展方向。

共享和遠程開放需作為信息物理融合系統(tǒng)(cyber physic system，CPS)基礎(chǔ)性和獨特性測試資源建設(shè)的重要原則。系統(tǒng)模型、仿真工具和測試數(shù)據(jù)的積累和使用也需要整體協(xié)調(diào)、有序推進和充分共享。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);信息物理融合系統(tǒng);測試環(huán)境;模塊化;互聯(lián);通信

0 引言

隨著越來越多的分布式可再生能源、電動汽車、儲能和需求響應(yīng)設(shè)施接入電網(wǎng)，隨著越來越復雜的電力電子、控制和通信技術(shù)的應(yīng)用，智能電網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為高度互聯(lián)的信息物理融合系統(tǒng)(cyber physic system，CPS)[1]。電力信息物理融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)、控制體系、安全風險傳播機制等是傳統(tǒng)電網(wǎng)未曾涉及或者遠不能比擬的。為了實現(xiàn)智能電網(wǎng)的堅韌、可靠和安全特性，須要與之相適應(yīng)的標準體系和測試能力保障。

美國作為最早提出智能電網(wǎng)理念和實施路線圖的國家，不僅同步開展了測試環(huán)境的研究和建設(shè)，而且在評估總結(jié)試點工程的基礎(chǔ)上，開展了測試環(huán)境的頂層設(shè)計和建設(shè)引導。美國國家標準技術(shù)研 究 院 (National Institute of Standards and Technology，NIST)認為，測試環(huán)境是智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵資源之一，并將成為智能電網(wǎng)突破性發(fā)展的核心推動力[2]。美國對智能電網(wǎng)測試環(huán)境的高端定位、頂層引領(lǐng)協(xié)同、全面系統(tǒng)集成等均是其他國家未曾企及的。

本文通過梳理美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境的案例，分析了美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的特點，探究了NIST 提出的智能電網(wǎng)測試環(huán)境的發(fā)展機遇、技術(shù)挑戰(zhàn)和戰(zhàn)略布局，剖析了美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境提升發(fā)展的行動策略及其給我們的啟示，提出了我國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展建議。

1 美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的特點

智能電網(wǎng)測試環(huán)境的初始目的是測試某一特定需求功能。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，測試環(huán)境的定位、構(gòu)成及能力不斷擴展和深化。

1.1 擴展測試功能，適應(yīng)新型構(gòu)成的電網(wǎng)發(fā)展

美國從能源部(Department of Energy，DOE)國家實驗室、州立大學、研究機構(gòu)到電力公司，在智能電網(wǎng)建設(shè)初期就同步開展了大量的智能電網(wǎng)測試環(huán)境建設(shè)。文獻[2]提供了 DOE 國家實驗室、大學以及企業(yè)現(xiàn)有的近 40 個智能電網(wǎng)測試環(huán)境清單和簡介。文獻[3]從促進協(xié)同和互操作的角度，提供了 10 個 DOE 國家實驗室、杜克能源等 5 個電力公司以及伊利諾伊大學等 7 個大學測試環(huán)境的測試內(nèi)容。每個測試環(huán)境都各具特色。其中，DOE 所屬的國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy

Laboratory，NREL)的能源系統(tǒng)集成設(shè)施(EnergySystems Integration Facility，ESIF)建立于 2013 年，集成了電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)的測試裝備，具有高性能建模和仿真能力，提供兆瓦級的電力硬件在環(huán)(power hardware-in-the-loop，PHIL)測試環(huán)境，開展新能源技術(shù)的全功率實時模擬測試和評估，以及可再生能源高比例接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性等研究。隨著高級配電管理系統(tǒng)(advanced distribution management systems，ADMS)、用戶能源管理等理念和技術(shù)的發(fā)展，NREL 充分發(fā)揮其電力設(shè)備在環(huán)、建模、仿真的獨特優(yōu)勢，不斷擴展 ESIF 的構(gòu)成和功能。

NREL 在 ESIF 基礎(chǔ)上增加了通信層，連接電力系統(tǒng)實時模擬器、電力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)建了微網(wǎng)測試平臺，開展微網(wǎng)電能質(zhì)量、微網(wǎng)控制器、微網(wǎng)模式切換等測試[4]。NREL 與杜克能源、GE 公司一 起，正在構(gòu)建配電管理系統(tǒng)(distribution management system，DMS)綜合測試環(huán)境，實現(xiàn)智

能逆變器等設(shè)備與 DMS 模擬電網(wǎng)的實時狀態(tài)交互，開展電壓無功優(yōu)化應(yīng)用等測試工作，形成了ADMS 測試環(huán)境的雛形[5]。NREL 利用 ESIF 的分布式能源仿真功能、電力硬件在環(huán)的實時網(wǎng)絡(luò)仿真能力，采用主動網(wǎng)絡(luò)管理(active network management，ANM)控制技術(shù)，加強智能家居及其設(shè)備的集成，協(xié)同控制住宅光伏發(fā)電、電動汽車充電和儲能系統(tǒng)，管理反向功率、需求響應(yīng)服務(wù)，提高電網(wǎng)承載能力[6] 。

NREL 的 ESIF 在技術(shù)研究和應(yīng)用中承擔著獨特的作用。DOE 近期發(fā)布的《高級配電管理系統(tǒng)2016—2020 五年規(guī)劃》征求意見稿(簡稱 ADMSMYPP)[7]，明確指出將充分發(fā)揮 NREL 的 ESIF 現(xiàn)有能力，建立逼真的 ADMS 測試環(huán)境，評估和解決ADMS 技術(shù)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。2015 年 NREL 參與合作，為 Miramar 海軍陸戰(zhàn)隊航空站(Marine Corps Air Station，MCAS)建立了完全依賴太陽能和電池的微網(wǎng)。為降低項目風險，項目團隊利用 ESIF，模擬 MCAS 環(huán)境，先行開展了概念驗證[5]。

表1 列出了美國 DOE 國家實驗室和大學的部分智能電網(wǎng)測試環(huán)境的功能擴展情況。從表 1 中可以看出，雖然各實驗室和大學建設(shè)的測試平臺各具特色，但網(wǎng)絡(luò)安全和通信都成為其基本組成，一方面是因為通信和網(wǎng)絡(luò)安全貫穿整個智能電網(wǎng)架構(gòu);另一方面也反映了通信和網(wǎng)絡(luò)安全的重要性。

1.2 多種形式、功能、系統(tǒng)的集成和交互

智能電網(wǎng)是電力、通信和 IT 無縫集成的信息物理融合系統(tǒng)，其測試環(huán)境的架構(gòu)和實施是一門科學[8]。

十幾年前建立的美國國家數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)測試環(huán)境，成功開展了控制系統(tǒng)風險評估、漏洞修補、加固驗證等工作，其中的發(fā)電、輸電等組成都是由真實設(shè)備構(gòu)成，實物部署的大量成本限制了類似測試環(huán)境的發(fā)展[9]。文獻[10]提出 CPS 測試環(huán)境應(yīng)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、控制和物理系統(tǒng)之間的交互，實物、仿真、模擬的混合模型是建立可擴展、高保真、有成效的 CPS 測試環(huán)境的核心。實時數(shù)字仿真、電力硬件在環(huán)、網(wǎng)絡(luò)在環(huán)成為測試環(huán)境的普遍且重要元素。

愛達荷國家實驗室 (Idaho National Laboratory，INL)的電網(wǎng)可靠性和控制系統(tǒng)測試環(huán)境，由自主運行的輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及實時全數(shù)字的電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)仿真器構(gòu)成，模擬真實電力系統(tǒng)環(huán)境，與電力系統(tǒng)控制和保護裝置直接連接，開展繼電器保護和控制系統(tǒng)的實時閉環(huán)測試等安全研究[11]。

為解決清潔能源與電網(wǎng)的無縫集成問題，NREL 主導了電網(wǎng)研究和技術(shù)實驗的集成網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境項目(integrated network testbed for energy grid research and technology experimentation ，INTEGRATE)。項目部署了主動網(wǎng)絡(luò)管理，集成了配 電 控 制 系 統(tǒng) 、 微 網(wǎng) 能 源 管 理 系 統(tǒng) (Energy Management Systems，EMS)和智能家居 EMS，還將建立太陽能光伏、電動汽車、智能建筑、燃料電池技術(shù)和風電等電網(wǎng)服務(wù)能力模型，利用實時自主的確定性控制，連接和管理配電網(wǎng)中的分布式能源。項目研究了設(shè)備安全互操作的信息通信和計算架構(gòu)標準，研究和示范清潔能源技術(shù)的整體電網(wǎng)服務(wù)能力[12]。

1.3 真實運行數(shù)據(jù)促進測試環(huán)境的成效

NIST 認為電力系統(tǒng)、通信和控制集成的逼真模擬是 CPS 測試環(huán)境發(fā)展的關(guān)鍵問題，同時，CPS數(shù)據(jù)的缺失也是影響測試環(huán)境發(fā)展的重要因素[2]。西 北 太 平 洋 國 家 實 驗 室 (Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)的電力基礎(chǔ)設(shè)施運行中心匯集了北美東西部電網(wǎng)的真實數(shù)據(jù)，在智能電網(wǎng)測試和技術(shù)研究中占據(jù)著獨特的地位。PNNL 發(fā)揮其擁有的真實電網(wǎng)數(shù)據(jù)、行業(yè)領(lǐng)先軟件等優(yōu)勢，開展系統(tǒng)監(jiān)視和分析研究，不僅能提供整個電網(wǎng)的實時狀態(tài)和分析數(shù)據(jù)，而且可精確地預測即將發(fā)生的故障及其響應(yīng)措施。北美東西部電網(wǎng)的真實數(shù)據(jù)為PNNL 的時序配電系統(tǒng)仿真分析工具 Grid LAB-D、電網(wǎng)運行和規(guī)劃技術(shù)集成軟件 Grid OPTICS 的開發(fā)和測試，提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[13]。NREL 在 DMS 綜合測試環(huán)境中，利用杜克能源提供的實際數(shù)據(jù)，模擬北卡羅來納州的配電饋線，可以超實時仿真杜克能源即將出現(xiàn)的運行狀況[5]。文獻[6]采用了 PecanStreet 提供的科羅拉多州家庭的每一分鐘實際負荷以及太陽能光伏的實際輸出數(shù)據(jù)，用于智能家居、ANM 技術(shù)的測試環(huán)境。Pecan Street 為研究人員提供了最大的客戶能源數(shù)據(jù)源[14]。

1.4 通信成為測試環(huán)境的支撐和專題研究對象

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，通信是三大重要支撐技術(shù)之一。在智能電網(wǎng)中，通信貫穿整個智能電網(wǎng)架構(gòu)，承擔智能電網(wǎng)各組成之間以及對外信息交互。目前智能電網(wǎng)通信的性能、適宜性、互操作性和安全性還存在很多問題有待解決[2]。文獻[15]闡述了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)，分析了高級量測(advanced metering infrastructure，AMI)網(wǎng)絡(luò)、變電站網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)的通信延遲、帶寬等通信參數(shù)。文獻[16]分析了智能電網(wǎng)通信架構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量、互操作、安全性、標準化等關(guān)鍵要求。美國電科院Electric Power Research Institute，EPRI)組織工業(yè)界和研究機構(gòu)研究制定了開放的互操作系統(tǒng)的標準及測試方法，分析了面向智能電網(wǎng)控制的近場通信、應(yīng)急通信技術(shù)、同步通信架構(gòu)和配用電 4G 通信技術(shù)[2]。

文獻[8]認為，智能電網(wǎng)是電力基礎(chǔ)設(shè)施和通信基礎(chǔ)設(shè)施的組合。通信與電力系統(tǒng)的融合成為研究關(guān)注點。橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)的分布式能源通信和控制實驗室，為分布式能源、負荷響應(yīng)、智能逆變器和微網(wǎng)控制、通信和保護等研究，提供了獨特的測試環(huán)境[17]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(Industrial Internet Consortium，IIC)的微網(wǎng)通信和控制測試環(huán)境，集成了基于數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)的通信平臺和分布式邊緣分析處理和控制應(yīng)用，引入了實時分析和控制，增強了設(shè)備之間、設(shè)備與控制中心、設(shè)備與云數(shù)據(jù)通信的可行性[18]。

為加快智能電網(wǎng)通信及其標準的開發(fā)，NIST 開展了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)研究項目，采用 Grid LAB-D模擬配電網(wǎng)，并與 ns-3 集成，形成了閉環(huán)的協(xié)同模擬架構(gòu)，捕獲電力和通信系統(tǒng)的交互，評估相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)數(shù)據(jù)網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能，研究評估不同場景下各種通信協(xié)議的性能及其提升方法[19]。

1.5 網(wǎng)絡(luò)安全成為測試環(huán)境的研究方向

網(wǎng)絡(luò)安全涉及智能電網(wǎng)的方方面面，同時云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展、PMU 等實時監(jiān)控以及再生能源集成的不斷增長，帶來智能電網(wǎng)信息安全的變化和發(fā)展。智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全，不僅需要分析和防范單個攻擊，更要防御協(xié)同攻擊的影響;不僅需要研究單個控制系統(tǒng)的安全方案，而且需要研究廣域控制的整體安全機制;不僅需要關(guān)注安全事件的監(jiān)測、防護，而且需要研究事件中關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵服務(wù)的堅韌性(Resilience)以及事件后的快速恢復[20-22]。智能電網(wǎng)各組成的安全要求及其防御措施各具特色，同時又有共通的分析和防護技術(shù)、策

略和方法。NIST 發(fā)布的《美國智能電網(wǎng)信息安全指南》提出了智能電網(wǎng)信息安全分析框架，認為智能電網(wǎng)的信息安全需要在計算機系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的技術(shù)、過程操作和管理等方面尋求平衡。文獻[23]認為，入侵監(jiān)測等通用的網(wǎng)絡(luò)安全措施有助于降低智能電網(wǎng)的安全風險，但因智能電網(wǎng)的信息物理融合特性，這些通用的解決方案不能滿足智能電網(wǎng)的安全需求。智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全需要跨越 IT 層面，與電力系統(tǒng)緊密結(jié)合，從電力系統(tǒng)角度分析網(wǎng)絡(luò)風險結(jié)果，形成信息物理安全機制。文獻[24]指出信息物理融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，必須理解信息與物理系統(tǒng)的相互作用和影響，需要高保真地復制一定規(guī)模的 CPS 系統(tǒng)，這是智能電網(wǎng)堅韌性研究的關(guān)鍵要素。智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全測試充分體現(xiàn)了系統(tǒng)性和集成性的特性。

文獻[25]將 IT層面的防護技術(shù)與具體的物理對象相結(jié)合，建立了模擬的控制網(wǎng)絡(luò)與仿真的物理模型實時交互的測試環(huán)境，采用網(wǎng)絡(luò)入侵檢測技術(shù)，分析物理模型和控制器之間的真實通信流量，測試驗證工業(yè)控制過程的入侵監(jiān)測系統(tǒng)。伊利諾伊大學的智能電網(wǎng)測試環(huán)境，不僅關(guān)注電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的風險、入侵的有效監(jiān)測和快速分析，而且還關(guān)注突發(fā)事件后的快速恢復。NREL 建立的分布式配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全測試環(huán)境，利用軟硬件系統(tǒng)模擬配電系統(tǒng)、通信和網(wǎng)絡(luò)安全層，評估配電網(wǎng)信息安全保護模式的作用[5]。愛荷華州立大學的智能電網(wǎng)安全測試環(huán)境 Power Cyber，集成 SCADA 以及模擬和仿真技術(shù)，提供了一個逼真的電網(wǎng)控制基礎(chǔ)設(shè)施，可以模擬大電力系統(tǒng)的監(jiān)測、保護和控制功能，準確展示智能電網(wǎng)信息物理融合的相互依賴關(guān)系。同時，Power Cyber 還集成了虛擬因特網(wǎng)技術(shù)，可以模擬互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的事件和攻擊，開展薄弱環(huán)節(jié)分析和系統(tǒng)影響研究，開展風險評估和攻擊防御評估[9]。

2 美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境的發(fā)展思路

按照 NIST 的規(guī)劃和發(fā)展目標，目前美國測試環(huán)境在智能電網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮著重要但仍然有限的作用，處于初級向高級發(fā)展的提升階段。未來 5 年，測試環(huán)境可在如表 2 所示方面推進智能電網(wǎng)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，NIST 提出模塊化和互聯(lián)互通是美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境的發(fā)展方向[2]。

2.1 模塊化

智能電網(wǎng)測試環(huán)境的模塊化，可以在一個環(huán)境中模擬多種集成方式，評估系統(tǒng)各種不同結(jié)構(gòu)的性能，提升測試環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)能力，提升智能電網(wǎng)與交通系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)等其他領(lǐng)域 CPS 連接測試的靈活性。

理想的模塊化、組合式的測試環(huán)境應(yīng)擁有面向服務(wù)的、可擴展的、典型的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu);擁有可互操作、與硬件無關(guān)的可靈活配置的基本架構(gòu);具備與各種接口交互的能力;能捕捉數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲等特性;是嵌入式測試過程。

開發(fā)模塊化、可擴展的測試環(huán)境面臨技術(shù)復雜和成本高等問題，同時由于測試整體工作缺少路線指引和運作標準，目前模塊化組合式測試環(huán)境還沒有成熟的案例。

2.2 互聯(lián)互通

大規(guī)模 CPS 測試環(huán)境的開發(fā)和維護需要大量的資源，互聯(lián)互通共享成為智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的方向。NIST 認為，交互式能源等新興概念、控制系統(tǒng)互操作性、大數(shù)據(jù)分析、開放式數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)安全和可靠性、集成標準和協(xié)議等智能電網(wǎng)技術(shù)研究需要測試環(huán)境的互聯(lián)。電動汽車的電網(wǎng)接入、智能建筑系統(tǒng)與配電運行的交互也需要跨應(yīng)用、跨領(lǐng)域的測試環(huán)境互聯(lián)。

測試環(huán)境的互連面臨基礎(chǔ)設(shè)施共享、資源調(diào)配、系統(tǒng)互操作性、數(shù)據(jù)信息交換等一系列技術(shù)和觀念挑戰(zhàn)。NIST、DOE 國家實驗室已在開展互聯(lián)試驗。

3 美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的行動策略

3.1 測試環(huán)境發(fā)展的協(xié)同和協(xié)調(diào)

NIST 于 2014 年組織了來自行業(yè)、學術(shù)界和國家實驗室的專家，建立工作組，以智能電網(wǎng)有待解決的問題為切入點，分析了智能電網(wǎng)測試環(huán)境的發(fā)展需求，發(fā)布了技術(shù)白皮書 “Measurement Challenges and Opportunities for Developing Smart Grid Testbeds”(簡稱 MCODSGT)，就智能電網(wǎng)測試環(huán)境的定位和發(fā)展方向形成共識[2]。

2014 年 DOE 匯集了其下屬的國家實驗室專家和資源，建立了電網(wǎng)現(xiàn)代化實驗室聯(lián)盟 (Grid Modernization Laboratory Consortium，GMLC)，啟動了全新的電網(wǎng)研究模式。GMLC 將“設(shè)備和系統(tǒng)的集成測試”作為其六大重點技術(shù)研究領(lǐng)域之一，協(xié)調(diào)整個智能電網(wǎng)領(lǐng)域的測試活動，建立設(shè)備測試和驗證能力，開發(fā)集成測試過程，開放共享經(jīng)過驗證的組件模型、仿真工具和測試資源，開展多種規(guī)模的系統(tǒng)集成和測試[26]。

2015 年11 月美國國家科學基金會(National Science Foundation，NSF)成立了可遠程訪問的信息物理融合測試環(huán)境工作組，研究遠程可訪問的信息物理融合測試平臺的建立和維護相關(guān)問題，計劃2017 年 7 月提交工作報告[27]。

3.2 CPS 測試環(huán)境的概念設(shè)計和理論驗證

NIST 根據(jù) MCODSGT 報告的分析結(jié)果，啟動了智能電網(wǎng)測試環(huán)境項目，建立一組互聯(lián)和交互的實驗室，驗證智能電網(wǎng)的互操作性和性能標準，加速智能電網(wǎng)互操作標準開發(fā)，優(yōu)化系統(tǒng)級的運行和控制技術(shù)，增強輸電和配電系統(tǒng)的廣域狀態(tài)感知，提升分布式能源和微網(wǎng)的性能[28]。

2015 年 10 月 NIST 啟動了信息物理融合系統(tǒng)測試環(huán)境概念設(shè)計項目，研發(fā) CPS 測試環(huán)境模塊化的總體設(shè)計原則和設(shè)計概念，指導 CPS 測試環(huán)境的開發(fā)、運行和發(fā)展，形成了跨行業(yè)互聯(lián)的 CPS 測試環(huán)境的建設(shè)計劃[29]。

3.3 測試能力與技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的同步規(guī)劃

DOE 于 2016 年 8 月發(fā)布了《高級配電管理系統(tǒng) 2016—2020 五年規(guī)劃》(簡稱 ADMS MYPP)征求意見稿[7]，將 ADMS 測試環(huán)境與 ADMS 開發(fā)等作為技術(shù)研究領(lǐng)域之一，同步開展規(guī)劃研究。ADMS 測試環(huán)境將以 NREL 的 ESIF 為基礎(chǔ)，采用開放的模塊化框架，利用大規(guī)模電網(wǎng)仿真以及真實系統(tǒng)數(shù)據(jù)，集成多個供應(yīng)商的軟件和硬件組件，建立逼真的 ADMS 測試環(huán)境，測試評估 ADMS功能對系統(tǒng)運行的影響、ADMS 系統(tǒng)組成之間的互操作、ADMS 與硬件設(shè)備的相互作用以及 ADMS的薄弱環(huán)節(jié)和堅韌性等。ADMS MYPP 還提出了ADMS 測試環(huán)境的建議結(jié)構(gòu)圖，其核心包括商業(yè)化的 DMS 系統(tǒng)、ESIF 的模擬控制室功能、與輸配電EMS 等各種模擬器的交互等。

3.4 地理分布的實時仿真平臺的互聯(lián)試驗研究

在 DOE 的 INTEGRATE 項目資助下，NREL、INL 和 PNNL 這 3 個國家實驗室聯(lián)合研究開發(fā)新型聯(lián)合實時仿真平臺，連接分布在不同地理區(qū)域的NREL 的 ESIF 電力硬件在環(huán)、INL 輸電測試網(wǎng)的控制器硬件在環(huán)實時模擬器，形成協(xié)同模擬的虛擬實驗室，開展大規(guī)模的電力和能源系統(tǒng)的動態(tài)和暫態(tài)分析。項目團隊已成功通過互聯(lián)網(wǎng)實時連接了NREL、INL 兩個實驗室的實時數(shù)字仿真器，研究解決了數(shù)據(jù)傳輸延遲等問題，開發(fā)了地理分布的測試系統(tǒng)的電網(wǎng)等效技術(shù)。這預示著世界任何地方的軟硬件將可以實時連接、綜合利用美國國家實驗室獨特的設(shè)施和能力，開展更大規(guī)模的電力和能源系統(tǒng)的建模和研究[30]。

3.5 基礎(chǔ)測試資源的遠程共享訪問

由美國國家科學基金會和國土安全部共同投資、南加州大學和加州大學伯克利分校等共同建立的ETER(cyber DEfense technology experimental research)，是一個可遠程共享訪問的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)測試環(huán)境，由 PC 集群和控制層組成，可以為用戶建立獨特的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供許多攻擊和惡意軟件的模型和工具，開展信息安全技術(shù)的開發(fā)和測試[31]。

文獻[32]提出了集成控制系統(tǒng)和 DETER 的組合式試驗框架，以評估拒絕服務(wù)等攻擊對控制系統(tǒng)的影。北卡羅來那州立大學(NCSU)將其 PMU 硬件在環(huán)測試環(huán)境與 DETER、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)施服務(wù)平臺 ExoGENI 互聯(lián)，形成了電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測和控制的測試環(huán)境(DETER-WAMS-ExoGENI)，將大電網(wǎng)廣域監(jiān)控的集中處理算法轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆植际降姆谰W(wǎng)絡(luò)攻擊的信息物理融合架構(gòu)，研究廣域通信網(wǎng)絡(luò)的各種性能瓶頸及其對廣域控制器閉環(huán)穩(wěn)定性的影響，研究集成廣域控制和通信網(wǎng)絡(luò)的控制算法[33]。

4 美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的啟示

智能電網(wǎng)高度集成、高度融合、高度自治的特性推進了智能電網(wǎng)測試環(huán)境的研究和發(fā)展，同時，測試環(huán)境的發(fā)展也成為智能電網(wǎng)發(fā)展的核心動力。

美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境已成為美國智能電網(wǎng)發(fā)展的重要資源和主要技術(shù)研究領(lǐng)域，已處于頂層設(shè)計引領(lǐng)、全面系統(tǒng)性集成、初步共享互聯(lián)階段。

模塊化、互聯(lián)互通是美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境的發(fā)展方向，這一特征值得借鑒。實時數(shù)字仿真、電力硬件在環(huán)、網(wǎng)絡(luò)在環(huán)成為測試環(huán)境的重要元素，通信與電力系統(tǒng)的融合、信息與物理融合的安全機制成為智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的重要關(guān)注點。

NIST 和 DOE 的協(xié)調(diào)和引領(lǐng)、研究機構(gòu)資源和能力的協(xié)同、DETER 等公共基礎(chǔ)資源的遠程共享，形成了美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的合力，將共同推動智能電網(wǎng)的突破性發(fā)展(如圖 1 所示)。

美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境的行動策略同時也表明了富有成效的頂層設(shè)計從形成到落地的關(guān)鍵節(jié)點的核心內(nèi)容。美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的頂層設(shè)計啟動于測試環(huán)境由初級向高級發(fā)展之時，解決智能電網(wǎng)發(fā)展需求是其切入點，前期的理論研究和實踐經(jīng)驗的總結(jié)分析是其堅實的基礎(chǔ)，對智能電網(wǎng)測試環(huán)境的定位和發(fā)展方向達成共識是頂層設(shè)計的目標，集中核心力量開展關(guān)鍵技術(shù)的概念設(shè)計、驗證和試點是頂層設(shè)計落地的重要環(huán)節(jié)。

5 我國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展幾點建議

近年來，我國智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、自主研發(fā)技術(shù)水平等方面都有巨大發(fā)展，但在測試環(huán)境建設(shè)發(fā)展的系統(tǒng)性以及成效等方面較發(fā)達國家仍然有一定差距。

美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境已從各自獨立建設(shè)應(yīng)用、發(fā)揮著重要但有限作用的初級階段進入頂層設(shè)計引領(lǐng)、推進更大規(guī)模能源系統(tǒng)研究的高級階段。

美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境的發(fā)展思路、策略以及路徑值得我們借鑒。首先，將測試環(huán)境作為智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)領(lǐng)域之一，加強智能電網(wǎng)測試環(huán)境的研究、規(guī)劃和建設(shè)。其次，加強智能電網(wǎng)測試工作的整體組織協(xié)調(diào)。組織來自電力、通信和計算機等專業(yè)的專家成立智能電網(wǎng)測試環(huán)境工作組：1)協(xié)調(diào)整個智能電網(wǎng)的測試活動;2)形成我國智能電網(wǎng)測試環(huán)境現(xiàn)狀分析;3)分析測試環(huán)境對智能電網(wǎng)可能的業(yè)務(wù)提升點;4)以滿足智能電網(wǎng)發(fā)展需要為出發(fā)點，統(tǒng)籌測試環(huán)境資源的規(guī)劃、建設(shè)和共享，明確目標，達成共識;5)加強測試工作的人力資源培養(yǎng)，注重知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性。

技術(shù)研究方面，建議在模塊化、互聯(lián)互通方向的指引下，協(xié)調(diào)各類測試資源與能力的建設(shè)和發(fā)展。加強通信、網(wǎng)絡(luò)安全測試的基礎(chǔ)研究及其與電力系統(tǒng)融合的理論研究。以互聯(lián)共享、可遠程訪問為導向，建設(shè)通信、網(wǎng)絡(luò)、安全、數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)測試資源，支撐各領(lǐng)域 CPS 的發(fā)展。電力技術(shù)研究型測試環(huán)境應(yīng)在充分利用公共資源的基礎(chǔ)上，建設(shè)深度研究分析的組合式測試環(huán)境，同時考慮獨特資源的開放和互聯(lián)能力。整體協(xié)調(diào)和有序推進系統(tǒng)模型、仿真工具和測試數(shù)據(jù)的積累、驗證和開放共享，特別是真實運行數(shù)據(jù)的匿名化和共享。

6 結(jié)論

本文總結(jié)分析了美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展的特點，著重剖析了美國 DOE 和 NIST 在智能電網(wǎng)測試環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展思路和策略，結(jié)合我國智能電網(wǎng)特點，提出了可供參考的測試環(huán)境發(fā)展建議。

目前，作為智能電網(wǎng)的延伸和擴展，能源互聯(lián)網(wǎng)的概念、技術(shù)研究和試驗項目在我國迅速興起。

為確保能源互聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的測試環(huán)境研究和建設(shè)可能將是當務(wù)之急。借鑒美國智能電網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗，適時就測試環(huán)境的發(fā)展方向和策略在能源領(lǐng)域達成共識，盡快形成符合我國發(fā)展特點的能源互聯(lián)網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展策略，協(xié)調(diào)跨行業(yè)各類測試資源的協(xié)同建設(shè)和發(fā)展，促進我國能源互聯(lián)網(wǎng)的長期可持續(xù)發(fā)展。

作者簡介：

朱曉燕(1965)，女，碩士，高級工程師，研究方向為電力自動化、電力系統(tǒng)信息安全

陳晰(1980)，男，博士，高級工程師，研究方向為電力物聯(lián)網(wǎng)、電力系統(tǒng)通信

陳星鶯(1964)，女，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為智能配電網(wǎng)運行分析與控制、配用電自動化及其高級應(yīng)用、電力市場與電力經(jīng)濟

史迪(1985)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、新能源接入、儲能、微網(wǎng)、廣域監(jiān)測系統(tǒng)

原標題:美國智能電網(wǎng)測試環(huán)境發(fā)展特點和行動策略