技术领域  本发明涉及现代电网技术(Modern Grid Initiative Technology)、网络技术(NetworkTechnology)、电能技术(Power Technology)、信息技术(Information Technology，IT)、计算机技术(Computer Technology)、数据库技术(Database Technology)、互联网(Internet)、人工智能(ArtificialIntelligence，AI)等。

智能电网将通信、信息、设备自动化和量测等现代先进技术高度融合集成，应用于发电、输电、变电、配电、用电、调度等各个环节以及电力信息系统。它也可称为数字电网、绿色电网、可控电网、网络电网。

背景技术  将发电设备、热力设备、变电设备等通过输电线路、输热管道，与用户的用电、用热设备连接起来的系统，称为动力系统。

将发电装置、变电装置、用户的用电(包括用热)装置等通过输电线路相连接的系统，称为电力系统。

电力系统中各种各样装置及其连接线路(包括变压器、输电线路和输热管道等)，称为电力设备。

各种不同电压等级的输电线路和变压器互连组成的输送电能的线路网络，称为电力网。

电力网分为输电网和配电网。按它的结构方式又分为闭式电力网和开式电力网。

不少于35kV高电压电力线路，称为高压配电网；不少于10kV中电压电力线路，称为中压配电网；380/220V电压的线路则属于低电压配电网。1000kV交流和800kV直流及其以上线路，称为特高压电网。

110kV电压及其以下电力线路，都称为配电网。配电网是电力系统与分散的用户直接相连的部分。

将10kV高压线路的电压降为380/220V后供给低压线路，称为一次降压供电方式。将不少于35kV高压线路的电压降为6-10kV，再由该电压降到380/220V后供给低压线路，称为二次降压供电方式。

变压器的调压方式有无载调压和有载调压。为了经济运行，可利用静电电容器调压法。

当前的高级控制技术都是以局部为系统的，例如一个变电站收集接近于实时的必要数据，而不依赖于全系统的通信网络设施。这些控制算法是在本地变电站层面自动实现的，并没有使全系统获益。

在配电网自动化系统中，配电设备包括一次设备-配电开关、二次设备-馈线终端单元(FeederTerminal Unit，FTU)、配变终端单元(Transformer Terminal Unit，TTU)等，以及为一、二次设备提供操作电源和工作电源的设备。信号回路是用来监视和控制本地的一次、二次设备运行状态的。

电子电力变压器(Electronic Power Transformer，EPT)是一种含有电子变换器并通过高频变压器实现磁耦合的输变电装置。它可将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能。

断路器的控制回路是能控制或操作断路器的分闸、合闸的回路。信号回路是用来监视和控制该一次设备运行状态的专用信息回路。

分布式发电(Distributed Generation，DG)通常是在66kV以下电压等级范围并网。它对电力系统的影响：大量DG在电力网随机连接和退出运行，使配电系统难于适应；不同类型的DG(基于逆交器的DG和旋转型的DG)、不同的DG联网方式可造成不同程度谐波畸变，以及可能造成系统电压升高或降低的现象等。

配电网本身节点数很多，大量分布式发电设备增加了许多节点，使得在所有可能网络结构中寻找最优拓扑结构方案更加困难。

特高压输电包括交流特高压(UHC)和高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)两种。

输电线路动态额定(Dynamic Line Rating，DLR)技术是在输电线路上安装在线监测装置，对导线的温度、张力、弧垂等状态和环境温度、日照、风速等气象条件进行监测，在不突破现行技术规程规定的前提下，根据数学模型计算出导线允许的最大载流量，调控电力网的运行。

自动控制是指应用控制装置，使机器、设备或生产过程等被控制对象能自动地按照预定方案进行工作。

开环控制系统是指输出量对起控制作用的输入量没有影响的系统。其作用信号是单方向传递的。

闭环控制系统是指输出量对起控制作用的输入量直接影响(负反馈)的系统。其作用信号按闭环传递。

可编程序控制器(Programmable Controlle，PLC)与其他控制系统类似，由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。它的输入部分是用来收集和存储被控制对象实际运行的数据和信号；逻辑部分是处理输入的信息，参照被控制对象的要求动作而作出相应的反应并将该反应送至输出部分；输出部分是向被控制对象提供其所需的执行信息，使其完成相应的动作。

PLC具有逻辑运算、计数、计时、模拟控制、数据处理和存储等功能，是智能电网不可缺少的控制装置；通过编程可改变其控制程序。程序是由编程器完成后送入PLC 微处理器的存储器内，可从存储器中读出、检查和修改。编程器用来输入、检查、修改用户程序和监视PLC的运行状态。

能传输信号的物质，称为传输介质。它包括电缆、光纤、无线、微波和激光等；主要指电缆或者光纤。能将计算机及其控制装置连接到计算机网络的并且具有处理信息流、包(packet)或者帧(frame)等在网络传输与接收中所有各种功能的集成电路芯片，称为接口电路。它也适用于计算机、数字装置或者网络之间的相互连接。通用计算机一般包含有与相应网络相连接的接口电路。

计算机是电力系统的控制核心，其用硬件和软件实现各种电力设备的控制功能。其中应用最广泛是工业个人计算机(industry personal computer，IPC)，也称为工业控制计算机。这种个人计算机(PersonalComputer，PC)的最大特点是改善了人机接口界面。它不仅具有性能稳定、运算速度快等优点，而且还具有高可靠性、环境适应性强的特点。

工业控制计算机能够在电力系统环境中可靠运行；能够与电力设备的传感器、电力设备的执行机构等直接接口；是完成电力系统各个自动化设备(以下称为数控装备)的测控和管理任务的微型计算机系列。它可用于电力运行现场，完成行过程的实时数据采集、实时处理及实时控制任务，也可作为电力设备的一个有机组成部分，完成电力设备的控制任务。

电力线载波可利用电力线通信；在用户和电力公司之间提供低成本、可靠、中低速、双向通信；支持电网控制功能。它可利用数据传输信道组成一个传输数据信息的电力远程监控网络。该网络可实时采集电力用户的电流、电压、有功功率、无功功率和告警信息，通过电力线传送到主控站计算机，通过数据处理后可对远程用户的用电进行抄表及其控制。

电力宽频通信(Broadband over Power Line，BPL)技术聚焦于因特网访问、语音服务等。

静止无功补偿器(Static VAr Compensators，SVC)是柔性交流输电系统(Flexible Alternating CurrentTransmission System，FACTS)中重要的器件；提供高质量的稳定和暂态电压控制；通过提供无功功率优化控制，减少电源的电压变化，改进暂态稳定性和降低系统损耗量

交流/直流(Alternating Current/Direct Current，AC/DC)变换器(inverter)为各种分布式电源提供了电力网接口；在高功率半导体上的进一步改进，能使大面积电力网转换成直流操作，在经济上可行。

电力单位必需通过租用昂贵的专线或者采用虚拟专用网(Virtual Private Network，VPN)技术，建立其内部专用广域网。

安全性是VPN另一个重大问题。每个连接到因特网的用户边缘路由器，都必须采取诸如防火墙这样的安全措施，以便确保每个站点的安全。但每个防火墙必须对因特网服务供应商(Internet Service Provider，ISP)开放，以便访问有关设备，这是安全隐患。当网络规模较大时，管理防火墙也很困难。安全套接字层(Secure Socket Layer，SSL)VPN只适合站点对网络的连接，无法实现多个网络之间的安全互操作。

防火墙无法抵抗计算机病毒的侵犯和攻击。现有电力网已经跟不上时代进步的要求和技术变革的步伐。

工业控制计算机、可编程制器、可编程调节器、电力设备中控制器、传感器等，称为电力智能组件。

发明内容本发明任务是利用电力监控技术和网络互联技术等，将发电、输电、配电、供电以及蓄电等各个电力设备，通过输电线路，与电能终端用户的各种用电设备和电动设备相连接而构成电能系统；将监视、测量、操纵、控制电力设备(包括承担其他电力工作的辅助设备)中的电力智能组件和执行元件等，通过传输介质相连接而组成智能信息系统。这两种系统(电能系统和智能信息系统)组成智能电网。智能信息系统的电力智能组件和执行元件反映和控制电能系统中的电力设备。

控制电力系统的各个电力设备能自动、优化地联合运行的电力智能组件和执行元件所组成的共享信息、分工协调的安全的智能信息网络以及该电力系统，称为智能信息网络及其电力系统，简称智能电网。

智能电网包含电力系统和智能信息网络两个体系。智能信息网络对电力系统的控制功能是分散化和层次化的；即各个控制对象位置分散、控制动作分散；同时控制功能又分层相对集中、统筹兼顾。

在发电机、输电塔、电线杆、用电设备等电力设备上安装的传感器和控制器等，通过因特网组成计算机网络，能产生、流通和处理各种电力设备的信息，并使电力设备安全可靠运行的系统，就是智能电网。智能电网能够在供电商和用电户之间建立可靠的广泛联系。需求响应(Demand Response，DR)和分布式能源(Distributed Energy Resources，DER)项目以及市场化供电运作，可以对用电户具有更大的吸引力。

智能电网将电力技术领域和网络技术领域牢固地融合在一起。它使电力系统依赖于计算机网络控制系统；并集成为自动恢复功能的、网络化的、满足广泛需求响应等的系统。

智能信息网络将电力设备控制技术、信息网络技术和管理技术有机结合，实现从发电到用电的所有环节中信息的智能交互，使电力的生产、输送和使用获得优化控制。计算机控制技术，尤其是计算机网络技术，同电力设备技术的融合，可以实时监控电力设备的需求和运行。

电力系统通过智能信息网络(即电力系统数字化信息网络)的实时控制，使整个电力系统的投资效益明显提高，并且可充分利用各种各样可再生能源、核能、废弃的能源等，令污染达到最低，使电能利用效率和供应安全提高到一个全新的水平。

智能电网在开放式网络和自动化控制的基础上，覆盖了分布式发电和供电的整个电力系统及其相关环节，并保证信息流、电能流和业务流的高度融合和统一。它是在智能网络的基础上建造的高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的电力系统。智能电网本质上是利用计算机专有网络的通信技术、自动控制技术和其他信息技术，实现以特高压电网为主干网架、各级电压网为基础网架的自动化电力系统。它通过自身内部自动调节维持电能供需平衡，达到了整个电力系统运行更加可靠、经济、环保的根本目标。

智能电网可以实时监控电力系统的运行状况，在故障发生之前尽量消除可疑隐患；在事故发生时也可以隔离故障线路，阻止事故扩散。

智能电网对每一个器件或元素都从安全性需求考虑，从整个系统的集成和平衡考虑；并确保系统安全和可靠。智能电网能根据不同价格提供不同等级的电能；能够减小因输配电的元件所引起的电能质量问题。

根据拓扑结构组成的某个计算机网络，其中功能最优的或者人为指定的一台服务器类计算机(或通用计算机)，称为该网络中的优势功能计算机，简称优机。该网络称为优机网络。

某个单位分散于不同地理位置的各个单独的计算机网络，都称为优机网络。它们可以是局域网、城域网或广域网。利用局域网技术将计算机、电力智能组件或执行元件等，组成电力系统安全可靠的局域网，就是优机局域网。

分别与一台优机(或该优机网络)和同一个公用网络(一般是因特网)互相连接的并且能控制这两个网络之间安全和精确地互操作(Interoperability)的通用计算机，称为在公用网络中能够辨别和认识身份的通用计算机，简称为辨机(图1)。它能够控制在同一个公用网络上的不同优机网络中的计算机之间，通过公用网络安全和精确地进行互操作。这个公用网络也可称为辨机网络。但它不包括辨机。

某个单位的各个优机网络通过辨机，与同一个公用网络的路由器相连接所组成的系统，称为该单位的专用(私有)互联网络(Internetwork)，简称专有网(Private Network)(图1)。

这种网络互联技术，使辨机处于优机网络和公用网络的唯一通道上。通过辨机控制输入/输出(I/O)接口的分开功能，实现与其相连接的优机网络和公用网络之间的物理隔离；又通过辨机控制其输入/输出接口的连接功能，实现两个优机网络之间进行信息互操作。

将某个电力企业分散于不同地理位置的各个优机网络(一般是局域网)，分别通过辨机(包含路由器)，与因特网相连接，形成该电力企业的信息专有网(图1)，称为电力系统的信息专有网，也简称专有网。

利用公用网络(通常指因特网)进行安全可靠的业务或/和职责的服务，就可以随时随地、方便易用、即时交互等。它为各个领域(或单位)的业务或职责的信息流、交易流、资金流、物流等的交互与共享、全天候跨地区与低成本的处理和传输，提供了很好的技术支撑。

专有网参照开放系统互连(Open System Interconnection，OSI)参考模型(Reference Model，RM)；实际采用互联网分层模型(Internet Layering Model)。传输控制协议/网际协议(Transmission ControlProtocol/Internet Protocol，TCP/IP)系列是专有网的主机或智能组件之间相互通信而约定和遵守的规则。计算机或电力智能组件也可以采用其他的网络协议。但它们接口电路必须兼容网际协议(IP)。

专有网中优机网络的信息交换设备对帧的逻辑构造的定义一致，但与如何具体实现帧的功能无关。

辨机是优网络中各个计算机及其设备跟外部计算机之间的第一道隔离屏障(图1)。它保护优机及其网络。优机是其网络中除优机外的各个计算机与外部计算机之间的第二道隔离屏障；又是与辨机联系的纽带。辨机的外存只需要安装操作系统和配置的标准程序。

辨机设置的原理为：最小服务原则、监控预防原则、系统安全原则、功能灵活原则、配置方便原则。

辨机上安装支持路由协议接口，实现路由器的功能；它可直接与互联网相连。它还有可扩展功能的模块插槽。辨机可以有多个计算机接口和网络接口，分别与多个不同的单重或多重优机网络中的优机或网络相连接。辨机主要作用是物理或逻辑隔离优机网络和公用网络。它的特定功能不允许病毒进入优机网络。

优机网络内所有基本结构组件以及它们的组合形态均运行于同一个网络操作系统和业务系统的软件版本上，并随着版本的升级在优机网络内增加业务，同时对整个专有网的业务提供新功能。

单位的各个优机网络，无论它们是局域网、城域网或者广域网，都可以分别与同一个公用网络，特别是因特网，共同构建该单位专有网；它具有可扩展、可剪裁、高可靠、高可信和复杂适应的功能。若该单位新增加一些优机网络，同样可以通过辨机接入公用网络，扩充其原来的专有网系统；该单位也可以减少某些优机网络，或者变更某个优机网络内部的计算机及设备；都不会影响与其相连接的专有网的性能。专有网中所有计算机和智能组件共享信息并可实现它们的即插即用。电力系统的专有网也是同样的。

专有网综合了优机网络的安全和服务质量，以及公用网络结构简单和成本低廉等优点，建立安全的信息通道。该系统的信息流，在公用网络上传输的信息是经过辨机加密处理、完整检查和身份认证的。这就保证信息的保密性、完整性和真实性。专有网具有抵抗黑客通过公用网络攻击该网的能力；在专有网的反计算机病毒、加密处理、完整检验和身份认证中，辨机可以采用各种各样的方法。

智能信息网络中优机网络(一般为局域网)的数据备份系统的结构(图2)，可以由备份客户端、备份服务器、介质服务器、备份存储单元和备份管理软件等组成。

可编程序控制器的程序由程序段(Block)组成。其中每一个指令都有固定格式。不同的电力数控装备，其指令格式也可能不同；需要按该装备的指令格式编写指令。编程要参照电力数控装备的编程说明书。

智能电网中的智能信息网络采用专有网技术；它是开放式结构；各个组织(发电、输电、配电、用电等)都在同一个专有网体系内进行数据交换共享信息，并保证各个接入设备的电力智能组件实现即插即用。

智能电网的关键技术：高级配电自动化(Advanced Distributed Automation，ADA)体系、高级量测(Advanced Metering Infrastructure，AMI)体系、自动控制方法、网络通信和自动决策等。

1、能够安全可靠地执行电力系统中某个任务的计算机数控系统(computer numerical control system)中的控制装置，称为电力领域的工业控制计算机；简称工控机。它能识别和执行数控系统供应商特定的代码和其他符合编码指令规定的程序。

电力系统中计算机数控系统能够执行不少于一个任务或一项工序的电力设备，称为计算机数控系统的电能生产装备，简称数控装备。智能电网中的计算机数控系统，称为自控设施。它包含工控机和数控装备。

自控设施一般由工控机、工业可编程序控制器、电力伺服系统、驱动装置和受控自动化电力设备等组成(图3)。它们分别通过接口，与电缆、电力智能组件的接口互通；与相关的电力设备相连接。

自控设施的工作流程是：工控机首先输入和存储经过编译完好的某些电力任务的汇编程序和数据等；然后对该任务的汇编程序进行相关处理。即将该任务中的各个运行过程的执行顺序交给工业可编程序控制器进行处理；得出的结果，输出到电力伺服系统，经过驱动装置，使数控装备执行相关的数控指令或任务。

工控机硬件结构如果含有不少于一个的微处理器。每个微处理器既运行独立程序，承担自控设施的一部分功能；又能通过连接线路或共享的存储器，与其他微处理器交换信息，协调步骤，共同执行相关任务。

中间件(Middleware)是自控设施的数控应用软件和系统操作软件之间相互沟通、交互的软件接口。它为系统操作软件和自控设施的应用软件之间提供标准接口；无论工控机和自控设施的底层怎样更新，只要接口(中间件)不变，应用软件也不必大幅修改，就能传输跨平台资源，实现共享的效果。

自控设施的硬件具有模块化结构特点，如果需要提高自控设施的性能时，只需增加功能模块。

工控机用于连续不断地监测、控制电力设备的运行；或用于电力系统的建模和高效仿真试验过程。

工业可编程序控制器(PLC)接受工控机发出的辅助功能控制命令，主要实现自控设施的各个电力运行任务的次序及其顺序的控制。它具有逻辑运算、计数、计时、模拟控制、数据处理等控制功能，是各种高性能自控设施或电力设备等生产设备中不可缺少的控制装置。它由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口电路、编程器、电源和外部设备等组成，其内部一般通过总线连接。其中输入/输出接口电路是工控机和自控设施或电力设备之间的连接平台。每一个连接的接口电路组件，被称为一点。

电力PLC可用于控制电力设备的程序编制、编辑、调试检查和运行的监视。它一般是单独的专用芯片，通过通信接口与CPU模块连接。在工控机正常工作时，不一定需要编程器。为了便于检查，每个接口电路都有指示灯。当接口电路接通时，相应的指示灯发亮；断开时，指示灯熄灭。管理员可以核对各点的续断状态。图4为可编程序控制器的工作流程图。

电力伺服系统由驱动控制电路和伺服硬件(或软件)构成。它通过接口电路与驱动装置相连接；接受工控机和可编程序控制器的数控指令。伺服系统根据工控机输出的参量指令和伺服控制程序，监控电力设备的各种参数及其误差，并转化成该参数的修改指令，反馈给工控机，再通过伺服系统纠正所产生误差。

伺服系统按其控制方式分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。在闭环伺服系统和半闭环伺服系统中，还装有检测仪器。伺服系统的基本要求是稳定性好、精确度高以及快速响应性。其执行元件或者驱动控制电路，是先将工控机和可编程序控制器发出的指令脉冲进行功率放大，然后转化为执行元件(或者驱动控制电路)所需的控制信号形式。这种控制信号传输给驱装置的执行元件(或者机械传动部件电路)；驱动相关数控装备做出相应的运行及辅助动作，实施程序段规定的运行或工序任务。

驱动装置是电力伺服系统与数控装备之间的传递和过渡系统。它是被执行电器的强电线圈或者被执行机械的轴承等。驱动装置的基本要求是反应灵活、精确度高以及动态响应性好。

伺服系统每个执行无件或者相应的驱动控制电路，都配有一套驱动装置；再由驱动装置带动数控装备的相关部件进行运行。驱动装置在不同自控设施的运行过程中，控制的数控装备的部件或者对象是不同的；接口也可能是不同的。采用标准化、通用化的驱动装置接口，可以灵活选用伺服系统。

现有的电力设备中的驱动装置，也可以根据环境改变或者升级要求，选用相关的标准化、通用化的驱动接口，以提高其技术附加值。

本地优机网络中的工控机，可以进行自动编程，并控制相应的自控设施运行。同时在运行中，本地优机网络一般还需要对自控设施的各个运行参数进行测试和各种开关进行控制。能够控制本地数控转备的电力智能组件之间进行高速度、高可靠性、标准化、数字化通信，就能满足本地电力系统的自动化需求。

利用工控机硬件的通用性和软件的柔性化，采用工控机的操作系统来实现自控设施的控制技术，可以集成不同供应商提供的软件并且适合电力系统的联网需要，而且具有与硬件无关的优点。

自控设施中除了工控机以外的其他部分，可以统称为数控装备。它是一个具有电力智能组件的电力设备(或输电线路设备)等。数控转备中的电力智能组件配置有硬件和软件，控制该装备的功能或者电力运行等。各个数控装备一般具有其执行功能所必需的硬件和软件或者其中之一。数控装备的电力智能组件中含有的微型处理器、存储器、总线和显示器等；也称为数控装备平台。

自控设施可以用于连续不断地监测、控制电力运行过程。例如，在发电厂可以通过电力传感器随时收集有关气体、液体等的流量、压力、温度等参数信息，并实时传输到工控机；一旦某些运行参数值偏离了预定的标准，工控机就会立即通过电力伺服系统，控制气泵、液泵、阀门、数控装备等作出相应的调整，使运行的参数值达到预定的际准值，从而使运行过程得到及时的控制。

现有的电力系统中自控设施的硬件和软件，大都是专用的和封闭的；很难对其进行升级换代的改造。

数控装备可以利用现有的电力PLC、电力伺服系统、驱动装置和电力设备等。只要这些数控装备所配备的相应硬件和软件相同，则工控机控制它们的电力运行或它们具有的功能也就相同。

2、具有编程和编译功能并控制和管理若干个自控设施的通用计算机，称为电力计算机。

由电力计算机和若干个自控设施(即工控机和数控装备)等，按照网络的物理拓扑结构(星形、环形、树形或总线形等)，通过传输介质短距离互相联接，称为电力自治单元，简称自治单元(图5)。其中每台自控设施分别承担一种，或者一种以上的电力任务；它们共同构成自治单元的功能。自治单元可以具有几个不同的功能。电力计算机存放自治单元的操作系统软件等，控制自治单元的功能。

电力计算机系统软件，含有自治单元的操作系统软件、数据库及其管理软件、语言处理(编程和编译程序)软件等。电力计算机支持工控机程序的数据格式，能及时传输和处理具体任务，并驱动自控设施自动化工作。它采用电力计算机本身的实时操作系统，或者由计算机扩展成的实时操作系统。

用于自治单元的操作系统，借助现成的电力计算机操作平台；实现实时控制。这一类操作系统有DOS、UNIX/Linux、Windows等。这是一种独立于硬件平台、与制造商无关的自治单元操作系统。电力计算机的不少于一个的处理器结构，能对自治单元进行实时控制和管理。电力计算机和工控机之间的通信传输介质是它们传输信息的通道。凭借这个通道，电力计算机传送经编译的工控机程序段和指令给自控设施。而自控设施回传电力运行状态及信息给电力计算机。

自治单元可以采用面向对象的模块化设计，使得自治单元的功能覆盖面大，可裁减性增强，便于满足不同数控装备的需求。这是自治单元的柔性化表现。它是一种现代化的电力运行和控制模式。自治单元带有自适应控制和工艺参数自动生成功能；可以在电力系统中根据各个参数的变化，自动优化电力运行过程，从而达到提高电力运行率、增加自控设施的寿命和保证电力质量。它可以建立以电力运行的物理参数等为支撑的、具有智能化的专家系统来指导电力运行。

自治单元的智能化还表现在自控设施故障自诊断功能和模式识别技术，使自治单元能够自己辨识图形和工艺，按照自然语言命令进行电力运行。只要能描述某个设备整个电力运行周期内的数学模型，自治单元就能控制电力运行的质量，并实现标准化。自治单元具有质量跟踪体系、仿真模拟体系和自动控制体系。

各个自治单元具有质量跟踪和质量保证等体系。它们能够保证自治单元中各个数控转备安全可靠运行，确保所输出电力质量不因自治单元而引起变差。稳定的质量(或性能卓越)是电力领域第一个核心技术。

仿真技术通过电力计算机对对自控设施及其电力运行进行静态或动态模拟，从而预测或者评价该自控设施的行为效果，为决策提供信息和依据。高效建模(或虚拟工作)是电力领域第二个核心技术。

自动控制-反馈可贯彻于电力运行每个环节。精确运行(或及时处理)是电力领域第三个核心技术。

自治单元具有体系结构的开放性，文本资料和数控编程工具丰富，且便于移植。电力计算机与自控设施之间一般采用星型拓扑结构，用接口电路和电缆连接。

现有的电力系统或者柔性电力单元，需要开发专用的软件来追随硬件的进步，一般技术滞后于电力系统要求的变化。它采用专用硬件和专用网络的通信方式，组网成本高。

现有电力设备供应厂家自行设计生产柔性电力单元的硬件和软件，使电力单元具有不同的软件和硬件模块、不同的编程语言、多种实时操作系统、非标准化接口等，带来使用上和维修上的复杂性。

采用自治单元可以使系统软件开发者、设备制造商和设备使用者均能适应当地电力环境改变，或者新技术出现而要求的修改、扩充或设计新的自治单元。这种方案能够使这三方面人员都最大限度地受益。

现有的电力领域中计算机控制程序一般都集中在单个计算机上，由于不同的生产厂家采用不同的标准，所以很难进行联网或者升级换代改造。

采用自治单元技术，只要电力计算机既满足IP协议，又具有与现有电力设备的控制组件相匹配的接口。自治单元就既能够继承现有的电力系统的宝贵资源，保证现有自动化电力设备资源的利用；同时又能够制定其电力运行软件的统一标准，确保软件、硬件、通信的标准化，容易组网，为企业将来的拓展留有余地。

3、将一台优机、若干电力计算机、数据库服务器和自控设施的工控机等，采用局域网技术，通过传输介质相连接而组成的智能电网中的局域网，称为智能电网的信息局域网，简称智能局域网(图6)。

智能局域网的网络操作系统(Network Operating Sestem，NOS)是在优机和每个电力计算机原有操作系统上增加网络所需要的功能。NOS运行在服务器类计算机上。智能局域网具有互操作性(interoperability)、可移植性(portability)、可扩展性(expandability)、可縮放性(scalability)和即插即用(plug&play)特征。它一般是以分布式控制为原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构；其构造是可移植的和透明的。

优机具有微处理器芯片、数据存储器(EEPROM)、工作存储器(RAM)和程序存储器(PROM)，并装有输入按键、显示器等。每个优机都有输入和输出接口电路。智能局域网的电力计算机或者自控设施之间也可以直接通过传输介质进行通信和业务信息交流。

智能局域网极大地满足电力系统对信息集成的需求，是实现新的电力运行模式(如虚拟电厂和高级配电自动化等)的基础单位。它提供一种不依赖于具体电力设备的中性机制平台，是一种崭新理念。它可以通过网络传递电力运行代码到电力计算机，再由其分配传送到相应的自控设施，最后由数控装备完成任务。

为了在电力主控站或远程进行监控某台电力设备的运行状况，可在该台设备上安装摄像头。采用多媒体技术，可以实现智能局域网内的视频实时发布。

低压电力线通信网是在低压电力输送线上实现电力信息通信网络各个结点之间，或者该网络与其他通信网络之间互操作的系统。它将用户端的电力线既作为电力网中的低压输电线路，又作为电力智能通信专用网络的信息线路。各种家用电器均可作为网络终端。

电力线通信网的物理结构采用正交频分复用(OFDM)调制/解调技术的可编程序控制器专用传输芯片，可支持100MBit/s的传输速率。其主要由多路选择路由器、电力线通信网接口、跨度变压器等硬件装置和专用PLC应用软件所组成。电力线通信网的网络接口电路，通过跨度变压器接入智能局域网。

电力线通信网存在信号衰减大、线路阻抗变化大(时变性)、噪声源繁多并且干扰强等诸多不利因素。它可采用数字用户线(xDSL)技术，包括先进的数字信号自适应均衡技术、回波抵消技术和高效的编码调制技术；在不同程度上提高双绞电力线对的传输能力，为用户提供低成本的综合业务接入方式。

智能局域网可以充分实现电力企业内部的资源和信息共享，完全适应电力控制功能的运行模式。

现有的电力系统的电力信息专用网络，由于在专用网的资金和技术上存在难以克服的问题，并且还缺乏很多电力智能组件和执行元件互联于专用网络中，包括用电户的接入装置，它们通常是用来检测电力设备并获得所需要的数据，以及提供控制机制去管理电力系统。

利用智能局域网对自治单元的可重构性和数据通信的兼容性，可以为大批电力设备开发各种工控机；对各种电力设备进行计算机联网控制，并对电力自动线的关键设备进行配套开发。

4、若于个智能局域网或者电力专用网络中的一台优机，分别与一台辨机相连接；各个辨机都通过路由器与因特网连接，组建成智能电网的信息广域网，称为智能电网的专有广域网，简称智能广域网(图1)。

智能广域网是智能电网的一种信息运营模式；包含浏览器、服务器、客户机和数据库服务器等。

智能广域网中每一个智能局域网都通过辨机的控制功能，既与因特网相互逻辑隔离；又使各个智能局域网之间利用因特网互通。

对于小型智能局域网，优机的程序模块可以直接插在辨机的扩展功能槽上。辨机与优机合并为同一台。

智能广域网满足交互式应用和稳定性要求；具有互操作性；可以区分一个具体信息的各部分不同安全性要求；可以使用公钥基础结构，进行证和密钥分配。

智能广域网中的不同局域网之间，两台主机通过因特网的安全和精确的通信(图1)如下：

从局域网中的源端自控设施或者电力计算机发送的信息；经源端优机，到达装有《源端加密程序》等的源端辨机；经过加密之后；通过因特网；到装有《宿端解密程序》和《检查程序的程序》等的宿端辨机；经过解密和检查病毒后；转到宿端优机；最后到达宿端接收计算机。辨机对进出智能局域网的信息监控，并拒绝非法对智能局域网的访问。

智能广域网内的所有电力设备的电力智能组件和执行元件等，都可以相互通信。这种开放式大容量双向通信的网络模型，可以在不同的电力设备之间安全可靠传送信息；成为一个信息动态的、实时交互的、即插即用的网络结构；并能快速适用于各种新技术、应用和服务等。

智能广域网不仅能在网络环境下，实现远程控制电力运行和视频监控；而且能通过网络对电力计算机或自控设施进行远程软件修改、故障诊断，实现群控。

现有的电力信息主干网是电力宽带专用网络。它是基于网络化的电力运行、电力控制、电力市场的信息网络；集成电力系统的办公、语音、生产等信息服务于一体；由全国和各省、市区的主干网组成。但它不是开放式的网络。

电力信息主干网分为多层(一般为三层)；它的主于光缆，与因特网的光缆不同；是以架设在220kV高压输电线上的特殊OPGW光缆为主，兼有对输电线路起保护的地线作用。

将现有的电力信息主干网作为电力专用网络，通过辨机互联于因特网；就能够充分利用现有的电力信息网络资源，并且将该网络由封闭式的信息网络改造成为开放式的信息网络。

现有的分布于远距离的某个电力系统的各个网络互联组成的专用网络，必须采用昂贵的专用线路。

现有的虚拟专用网(Virtual Private Network，VPN)技术，容易被黑客(HACK)采用“反端口”技术攻克，入侵到防火墙后面的计算机或者数据设备。现有的防火墙，无法防御计算机病毒的攻击。

5、同一个电力企业集团的各个智能局域网中的优机；原料采购和物流运输等辅助专用网络的优机；电表抄写、电费计算和售后服务等专用局域网的优机；合作伙伴内部网络的优机等；分别通过辨机，与互联网连接起来，构建一个安全可靠的电力和商务综合专有广域网，称为电力领域综合网，简称综合网(图7)。

综合网内部的各个优机网络的两台主机之间，通过因特网；安全和精确通信(图7)如下：

从综合网的某个优机网络中的源端计算机发送的信息；经源端优机，到达源端的装有《源端加密程序》等源端辨机；经过加密之后；通过因特网；到装有《宿端解密程序》和《检查程序的程序》等的宿端辨机；经过解密和检查病毒后；转到宿端接收优机；最后转给接收计算机。这样，每台辨机都会对进出的信息进行监控，并且拒绝非法信息的访问。

综合网中每一个智能局域网都通过辨机的控制功能，既与因特网相互逻辑隔离；又使各个智能局域网之间利用因特网互通。综合网能确保信息的安全性和信息的真实性、可靠性与保密性。

综合网可以实现用电户主动参与智能电网的管理和决策。它可提供一个用户接口电路，支持用户的参与。这个接口可以是多种形式的；可以是一些简单的指示和警告灯，也可以是具体的网络互联的接口。

现有虚拟外联网络技术，对于通过伪装外联网络或者专用网络的地址进行非法的企业内部信息资源访问和欺骗，无能为力；也无法避免黑客绕开身份认证和鉴别机制，伪装身份，破坏已有内部计算机连接。

6、对一个特定的输入信号，通过拉普拉斯变换，求取系统的输出响应，称为系统的时域分析。智能电网采用计算机仿真方法，可以分析各种多输入、多输出的非线性系统和各种复杂系统，可在时域里模拟出任何输入作用下系统的动态响应和系统中参数变化情况，具有周期短、费用低、结果准确可靠等。

自动系统动态特性计算机仿真的步骤可以用框图表示(图8)。

由人工或控制装置使被控对象按照一定要求状态变化的操作，称为控制；它分为人工控制和自动控制。

智能电网中，自动控制可以有各种不同的形式，但一般都是由以下基本元素构成(图9)：

给定值组件、比软组件、校正组件、放大组件、执行机构、控制对象、检测环节。

在电力系统中，为了正常进行生产，必须按照预定的要求对电力设备进行操作；如必须使供电的电压和频率自动维持不变，就是自动控制的结果。

智能电网利用计算机仿真分析，控制系统动态性能，关键需要：建立描述控制系统动态性能的数学模型(建模)和选择适当的算法编制仿真程序(软件)。其中建模方法有传递函数法、状态空间法、功率键合图法等；软件开发有MATLAB软件、工具箱TOOLBOX和Simulik仿真工具。

智能电网的数学模型就是描述系统I/O变量与内部其他变量之间关系的数字表达式，通常有两种方法：一种是I/O描述，如微分方程等；另一种是内部描述，适用于多变量控制系统。

建立电力系统的数学模型有两种方法：分析法和实验法。配电网的数学模型，可以根据欧姆定律和基尔霍夫定律；建立各种自动控制系统的数学模型，还要应用流体力学的相关定律等。

电力系统是一种相当多的系统和复杂系统的综合体，涉及的因素较多，有些需要通过实验方法去建立数学模型；即根据试验数据拟合出比较接近实际系统的数学模型。

建模包括静态建模和动态建模。在电力系统的仿真体系中主要是动态建模。

电力系统是很庞大的体系。将它按照某种规则，分为各个小的、易于描述的部分；每一个小部分又可分为更小的部分，直到每一小部分(元素)都能够直接描述，分解过程才结束。这种方法称为分解综合法。

由于电力运行是一个具有多变量控制和动态体系的复杂过程，要实现智能电网运行过程的多模式化，应当采用闭式控制模式，在电力系统运行过程中动态调整变量。在这种模式下，易于将计算机实时技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM技术、伺服控制、自适应控制、动态数据管理、动态补偿、动态仿真等技术融于一体，构成电力运行闭环控制系统，实现智能电网中信息的集成化、智能化和网络化。

智能电网中实时控制可以分为“硬”实时和“软”实时两种。两者的差别在于是否使用专门的硬件来确保智能电网的综合网对特定的事件产生准确无误的响应。综合网可以实时监控电力系统的运行状况，在故障发生之前尽量消除可疑隐患；在事故发生时也可以隔离故障线路，阻止事故扩散。智能电网对每一个元素都从安全性需求考虑，从整个系统的集成和平衡考虑；确保信息的安全和可靠。

综合网能够根据不同的电力价格提供不同等级的电能；能够减小因输配电元件引起的电能质量问题。

高级控制方法可支持输配电和消费者层面的控制，也可管理有功功率和无功功率。它可处理系统分析所需要的大量数据；可以用于支持分布式智能体、分析工具和操作应用软件。控制技术可以分析、诊断和预测智能电网中电力设备的状况；并决策和采取正确的动作去排除、缓解或避免电量短缺和电能质量问题。

电力系统技术同专有网技术的结合，可以促使智能电网的关键技术：高级量测体系、高级配电自动化体系、自动控制方法、网络通信和自动决策发生根本性的变化。

现有的电力领域中的计算机控制网络，不能支撑高级控制所需要的高速性能和广泛的覆盖功能；同时它还不能提供开放式信息网络框架。

现有的控制系统的通信设施是由一系列广泛的相互补充的技术组成的。传感器将所需要的信息传送到控制系统，并由控制系统进行处理，再发送给控制装置。根据具体的情况，将这些控制通信设施联成智能局域网，或直接作为电力专用网络，接入综合网。这就可以充分利用现有的电力设备资源。

7、智能电网中的高级量测体系(AMI)是电力设备所配置的基础设施，并且必须集成于电力系统中。它是一个计量系统；能够每小时或以更高频率记录用户的用电行为或者其他参数，并通过智能广域网将测量的数据传送到主站中心；是实现智能电网的4个主要里程碑技术中的第一个。

高级量测体系是由若干技术和应用组成的；包括智能表计、智能局域网、专有网络、表计数据管理系统和接口电路等。

智能表计是一种可编程的电表，具有功能：分时电价；为用户和电力企业提供耗电量；停电以及供电通知；远程关、开功能；防止高额电价或者为需求响应服务的负荷峰值限制；电能质量监测；防窃电监视等。利用智能广域网可以远程抄表。基于开放式智能广域网，允许数据在其上可靠传输。智能表计接口与ICP/IP兼容并连接在智能局域网中；它依赖于智能局域网的技术，就可以互联于任何智能电网的综合网。

电力设备的现场检测仪器和执行器件的接口电路，采用局域网技术，连接成智能局域网，通过TCP/IP协议实现互联、互通和互操作。

将专用的微处理器嵌入检测仪器和执行元件，使它们具有数学运算和数字通信的能力。通过综合网，能够远程监测并操作它们控制电力设备的正常运行。

家庭网络(HAN)和智能局域网的用户接口电路可以互联，这就将智能表计和可控电力设备联系在一起。家庭网络的电能管理功能主要包括：实时显示给用户查看电能的使用情况和价格信息；根据用户的意见对电价信息反馈；根据用户需求，设置能耗或负荷控制峰值；在用户不参与的情况下能自动调节负荷；用户主动人控功能。

家庭网络/用户接口电路为智能电网提供了一个面向市场的接口电路。它相当于用户的“智能体”。它还能添加新的服务，如安全监控。家庭网络能够通过多种方法实现，如用户接口电路可以装在任何设备(表计本体、临近的收集器、网关或用户提供的设备)中。

现有的电力宽频通信(BPL)技术还没有融入到电力系统的通信体系中，也没有在用户侧得到充分地应用。现有的电力系统缺乏各种智能传感器和能远距离控制电力设备的智能器件。

8、智能电网中的高级配电自动化(ADA)体系，采用因特网的开放式通信系统，能兼容集成所有的供电商和需电用户的计算机类设备以及综合网(或智能广域网)中的互操作的电力智能组件和执行元件。它实现故障的自动隔离、非故障区段的恢复，并可采取多种方法。它取决于自控设施的特点和整体方案。配电自动化的控制模式一般为集中式控制。

智能电网中ADA能够对所有可控设备进行完全自动的控制以及优化系统的运行。ADA中各种组件的信息，通过智能广或网实现互操作。它实现了配电领域的革命性进展。

配电自动化(Distribution Automation，DA)包括配电网架配置、监控与数据采集(Supervisory Controland Data Acquisition，SCADA)、通信网络和配电分析、馈线自动化(Feeder Automation，FA)等。

馈线自动化指故障定位、隔离、非故障区域的供电恢复的实施等。

配电自动化提供了各种监测和控制的电力智能组件，能够进行实时监控电力设备与数据采集；可以优化局部负载和响应的供应，能够监测设备健康状态，以提供快速重新配置配电网的特定部分。

变电站SCADA属于变电站自动化的一部分；可以故障定位。变电站的详细的监测信息可用来定位故障。配电网SCADA涉及电容器组和调压器的监测和控制。它集成综合的监测和双向通信，可提供优化的电压控制，利用分布式配电，可以更好实现无功补偿控制。

分布式配电自动化(Distributed Distributed Automation，DDA)，简称分布式配电，是一种建在用户端的分布能源供应方式，既可以独立运行，也可以并网运行。它高效地利用发电产生的废能生成热和电；可以利用沼气、焦炉煤气等资源和风能、太阳能、水能等可再生能源；就近供电减少了大容量远距离高电压输电线路的建设和电能传输的损失。分布式配电实现优质能源源梯度合理利用，能效可达80％以上，二氧化碳排放大量减少；固体废弃物排放几乎为零。

由智能局域网控制的能够对当地用户提供电能和热能的独立电力系统，称为局域电力网。它是由小型负载和电源组成的可控电力回路，并与智能局域网共同构成的系统。局域电力网是智能电网中一个可控的单元，可以在数秒之内反应以满足智能电网的输配电需求；可以增加本地用电的可靠性、降低馈线损失等。

一个局域电力网可以等效成智能电网中的一个可控单元(电源或负载)；它可以从智能电网获得电能(等效负载)；在需要时也可以向智能电网提供电能(等效电源)。局域电力网有两种并网模式：向智能电网传送电能，或获取智能电网的电能。

当局域电力网检测到智能电网故障时，可以及时与智能电网断开而运行于孤岛模式，通过切换局域电力网内各个公布式电源的控制策略，继续为局域电力网内的关键负载供电，提高可靠性。当智能电网侧故障消失，重新切换至并网模式。局域电力网的控制器需要根据实际运行条件的变化，实现两种模式之间的平滑切换。

实施分布式配电，以重合器、分段器、负荷开关等具有机电一体化特性的自动配电开关设备为基础，在架空线路上作为分段和隔离故障用的开关具有操作可靠、体积小、免维护和安装方便的特点。

馈线终端单元(Feeder Terminal Unit，FTU)和配变终端单元(Transformer Terminal Unit，TTU)用于采集开关的运行数据、控制开关的分合。它们具有通信功能。

智能电网通过FTU的测量实现配电网的SCADA功能，并通过对各个FTU的控制，实现配电网的故障识别、故障隔离、网络重构以及配电网的无功/电压控制和优化运行等功能。

配变终端单元用于采集配电网变压器低压侧的运行数据，控制低压电容器投切以实现无功补偿。

实现故障的自动隔离、非故障区段的恢复，有本地控制和主站控制两种方式：本地控制以FTU之间的配合为主，不需要通信通道，通过对线路过流或失压的监测以及对开关分合闸的逻辑控制，实现故障区段的隔离和非故障区段的供电恢复；主站控制需要可靠的通信通道，通过主站软件对FTU传送的信息的分析判断，根据合理的隔离策略和网络重构策略，通过远方控制配电开关，实现故障区段的隔离和非故障区段的供电恢复。

现有的低速的SCDAD系统以及能量管理系统(Energy Management Systems，EMS)的应用，成功集成了区域输电组织、发电厂等部分，但是这些应用还是缺少全面的系统集成。智能电网具有高速的通信体系。

智能电网的配电模式可以采用远方集中控制。它依赖于智能广域网，适合于建立一个完整的、可靠的、统一的自动化体系平台。

9、智能电网中的高级输电运行监测采用广域测量系统(Wide Area Measurement System，WAMS)。它是以同步相量测量技术为基础，以电力系统动态监测、分析和控制为目标的实时监控系统。其核心是：高精度(微秒级)同步采集电力广域系统的实时运行参数—相量，通过智能广域网将分散的相量数据集中，获得时空坐标下电力系统全局的动态信息。

智能电网的线路动态增容运行的方法是建立数学模型(图10)。

输电线路动态额定(DLR)技术可提高输电线路的传输电能、减少输电设备的投入等。它的系统构成图(图11)主要是由数据采集终端和设在调度中心的一个监控管理平台组成的。它们之间的数据传输是通过智能广域网(或因特网)的线路完成的。DLR技术具有环保、经济和高科技等特点；可以提高传输系统的稳定性，增加导线的传送能力，避免不必要的突发事故；其设备属于电子类产品，对环境的影响小。

相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)可以实现发电机功角和母线电压相量的实时测量，并对相关联支路电流的三相交流采样；应用相量算法计算正负零序相量、频率和功率；然后由全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收器提供的高精度的时钟信号将测量结果打上时标，将这些相量通过智能广域网传送到数据中心；数据中心可以对各个子站的数据进行同步处理和存储，并计算电力系统的惯性中心角度和各机组以及母线的相对相角；再由相关的应用程序对相量数据实时评估，以动态监视智能电网的安全稳定性。

故障定位对智能电网正常运行、迅速排除故障非常重要，其有两种方法：阻抗法和行波法。它们的原理相同，是基于输电线路双端测量方法。智能电网中的广域测量系统可以在同一时标下进行高精度双端测量。同样根据线路两侧广域测量系统提供的同步电压和电流相量，可以快速计算输电线路的各种参数，可以为智能电网的各种系统进行分析和计算，提供精确的参数集合。

智能电网的继电保护以及安全自动控制是基于整个系统的相量构成的；能够反映智能电网的整个区域或较大区域的安全运行水平；各个电力设备之间能够相互协调和配合，进行优化控制和配置。

现有的电力系统中继电保护以及安全自动控制是基于本地的局部相量构成的；反映的只是较小一个区域的运行状态；各个电力设备之间缺乏相互协调和配合，难以做到对系统进行优化控制。

10、智能电网包含有大型的发电容量大的、集中的发电厂；还可以兼容后来不断增加的分布式能源(DER)。这些分布式能源是多样的和分散的，包括可再生能源、核能等。

智能电网中分布式能源是与电力网互连的。它可以在不同点接入电力网；如输电端、配电端、交流电或直流电的电力网、局域电力网中。

分布式能源的多样化包括容量相对较小的发电资源：光电、风能、燃料电池、即插即用的柴油发电机和储能设备等。它们一般接入智能电网中的低压电力网或者通过局域电力网接入。

可再生能源，如风能和太阳能等，可以是分布式的，也可以是集中式的，可以是个人的风轮机，也可以是集中的风电场。

配电自动化能够高效集成和利用各种分布式能源。这种集成系统基于实时的系统控制和双向通信能力，可提高智能电网的可靠性，并为智能电网的效率和运行提供了新的选项。分布式能源可以成为配电管理中的一个组成部分，并融入智能电网中。

分布式能源可以增强智能电网的安全因素。使用不同类型的发电厂和燃料会增强智能电网的弹性；非集中的发电增加了地理上的分散性。智能电网兼容分布式可再生能源和其他分布式低排放的清洁能源，可以减少对环境的影响。

分布式能源的通信设施，采用智能广域网。它是一个标准的、普遍的、集成的通信平台，可以用于所有的电力系统电力智能组件或执行元件之间的相互通信；智能传感器和控制器可以相互通信。分布式能源接近于负荷区域(如居民小区和商业中心等)，是一种可选择的或者提高质量的电源。

智能电网利用智能广域网，可以协调许多小的、分散的和间隙式的电源；并安全可靠地将它们联网。

智能电网依托智能广域网的功能，可以处理电力网的瞬态和稳态行为以及大量DER的集成问题。它具有一个完整的各个DER对电力网互联和运作的调制软件，控制电力系统安全可靠运行。

智能电网运行时，可以进行多个方面的优化，例如当电力容量过剩时，可以避免高成本发电资源的启用。动态的实时的数据可以告知何时、何地的未使用电量是可用的。智能电网可以查找并使用这些过剩的电量。利用智能电网使用过剩的运行电量的方法，也适用于变压器、输电网和配电网。

现有的电力系统缺少通信的集成和标准化；在电力系统中还没有将通信延伸到用户侧。现有的电力网运行模式不能可靠地操作许多分布式能源。

附图说明

图1专有网(或智能广域网)结构图。若干个智能局域网或者专用网络中的优机，分别与一台辨机相连接；各个辨机都通过路由器与因特网连接；组建成专有网(或智能广域网)。

图2网络备份自动化方案图。智能广域网的系统备份自动化解决方案，可由一些主要的优机网络中的备份系统(备份客户端、主备份服务器、介质服务器、备份存储单元和备份管理软件等)承担。

图3自控设施结构图。一般由工控机、工业可编程序控制器、电力伺服系统、驱动装置等组成。

图4可编程序控制器的工作流程图。其主要完成六个模块的处理。

图5自治单元结构图。由一台电力计算机和若干台自控设施，按照物理拓扑结构(星形、环形、树形或者总线形等)，通过传输介质，互相联接在一起，分别承担电力运行的一部分工作(或电力运行)。

图6智能局域网结构图。它是将一台优机、电力计算机、数据库服务器和数控电力设备，通过网络接口卡和通信电缆直接连接而成的局域网；具有互操作性、可移植性、可扩展性、可縮放性和即插即用特征。

图7智能电网的综合网结构图。电力企业的总部和其分布于不同地理位置的跨地区的若干个分支机构等各个内部优机网络的优机，分别通过辨机，与互联网连接起来，就构建成为综合网。

图8计算机仿真过程示意图。它是智能电网自动系统动态特征计算机仿真过程框图。

图9自动控制系统示意图。由给定值组件、比较组件、校正组件、放大组件、执行机构等组成。

图10线路动态增容数学模型。其主要有7个步骤。

图11输电线路动态额定系统构成图。其主要由数据采集终端和设在调度中心的一个监控管理平台组成。

具体实施方式智能电网分为两个不同功能和结构的系统：物理能源输送系统(即电力系统)和控制它的智能信息网络(即智能广域网或者综合网)。信息系统具有能够能监视电力设备(如红外图像等)的电力智能组件和操作电力设备的执行元件。它可以提供该设备的健康状态可视信号。这种信号可以通过智能广域网远程传输到监视主站中心。智能电网可以分析高风险的区域(甚至单个设备)，以便采取紧急或意外措施。智能电网能够使系统优化和高效运行、可以收集和存储有用的数据并且在需要的地方和时间使用。

智能电网收集和配置电力运行数据，必须有技术工具，具体包括：

1)需要系统优化和高效运行，包括在各种电力设备上安装传感器/电力智能组件，以便对运行状态实时监测。

传感器上获得的各种信息，可以通过智能广域网，传送到电力处理中心，进行收集和自动分析。对于那些需要维护的设备，安排人员进行维护；对于那些需要检修的设备，与电力系统进行隔离并检修。这些处理过程可以在本地或远程进行；但是优先必须满足的是几乎实时的询问和评估这些电力设备。

2)公共信息模型(Common Information Model，CIM)是确定电力系统在正常运行时各个电力设备允许的参数范围值。它是收集电力设备信息过程中的重要组成部分；是数据验证的最重要的方法；通过定义，它赋予设备所需要的被测量的性能标准，然后促使电力设备进行性能参数的验证和控制。

利用公共信模型和智能广域网，可以随时测试电力系统的运行状态，及时发现和警示电力设备存在的隐患，以便检修或处理。

3)变电站自动化(SA)中的智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)，可以通过智能广域网，远程进行有效监控。变电站自动化功能应当延伸到配电层。它支持远程视频的使用。这些视频可以传输电力设备的健康状态，如温度和红外成像。变电站数据可以被传送至更多的控制区域。结果是：增加的测试将减少评估设备状态的时间。根据预测的例行维护在变电站自动化方案实现下，也能够变成现实。应用变电站自动化技术，可以监测更多的电力设备，并且是扩展电能质量数据的基础。

4)广域通信是指电力系统范围内的电力设备，与电力运行的管理员之间的数据交换。智能广域网可以满足于收集来自电力设备的数据和信息，用于管理员对电能质量的管理。智能广域网可以用于智能电网之中的信息传输、处理和存储等。

智能电网的系统优化级别可以满足电力系统不同层次的需求，即：

1)系统优化在配电方面需要配置电路和运行能力以最小化损耗。这种软件解决方案比较容易实现。

2)系统优化在运行方面需要对输电线路和变压器实施实时的动态额定管理。采用温度传感器在适当的位置监测电力线路的温度。当线路有不一致的温度环境时，可以短时应用平均值。变压器也应当装有温度传感器。将变压器运行于接近温度极限，可以节约电力运行成本和增加设备利用率。

3)区域输电组织(RTO)的系统优化，可以综合完整的数据，显示一个全貌图。智能电网可以通过自动配置，避免电能的回路潮流或者经过一个区域到另外一个区域的电能流动。在RTO有多种可用的控制区域方案。这种配置可以节省高代价的更新，促使经济地利用电能。

4)智能电网应用技术的系统优化，最普通的方法是测量可靠性和经济性，智能广域网的安全性。

利用输电线路动态额定技术(图11)，可以在输电线路上安装在线监测装置，对导线的温度、张力、弧垂等状态和环境温度、日照、风速等气象条件进行监测，在不突破现行技术规程规定的前提一，利用智能广域网，根据数学模型自动计算出导线允许的最大载流量并且调控电力网的优化动行。

智能电网可通过不断的流程优化，信息整合，实现电力运行管理的自动化，不断提升电力企业的效率。

自由、开放式的智能广域网能够整合各种计算机平台上电力信息，可以与其他系统的网络互联、互通、互操作，并且能够给电力设备提供一种统一风格的交互方式。

优机具有网络地址转换(Network Address Translation，NAT)程序，能识别其网络中各个计算机名称或者计算机的互联网协议(Internet Protocol，IP)地址。NAT 将优机网络中计算机的内部地址，转换成IP地址在互联网上使用；也屏蔽优机网络的IP地址，对优机网络起到保护作用。NAT是优机的标准程序。

优机有两种物理隔离的接口，一种用来连接优机网络并处理信息传输与接收的细节；另一种用来直接连接另一台常规计算机(辨机)的接口。由于优机网络不直接与其他网络连接，因此可以对优机采用先进技术，以提高该网络系统的效率和可靠性。优机也有可扩展功能的模块插槽。

辨机的标准程序：

《检查程序的程序》功能：源端或宿端的辨机接收到明文信息后，对信息进行检查，发现其中的任意程序或指令代码之后，把它们排列在一起，并且暂时存储在外存储器中，同时将第一道程序或指令呈现在指定计算机的显示屏上。如果它们是允许其访问的合法程序或指令；则在第一次出现提示时，选择“以后都允许”复选项，辨机以后碰到这些程序时，不会再次询问，并允许其访问。在一定时间内没有答复或者选择“不允许”复选项，辨机就丢弃它们。源端和宿端辨机运行该程序；可防止病毒攻击辨机保护的网络。

《源端加密程序》功能：单位源端辨机把欲通过公用网络发送的明文信息后面，添加对称加密的秘钥；将此组合数据输入单向散列函数(Message Digest)，得出散列(Hash)值(称为源端散列值)；然后将明文信息(不包含密钥)后面添加源端散列值，用密钥进行加密，变成密文；最后将该密文送行宿端辨机。

《宿端解密程序》功能：宿端辨机用单位事先约定的共享的密钥，将接收的密文解密变成明文，得到明文信息和源端散列值；把明文信息(不包含散列值)后面添加密钥；将此组合数据，输入事先约定的单向散列函数，得到散列值(称为宿端散列值)；该宿散列值与接收到的源端散列值相比较；如果这两个散列值相同；则确认该信息是从合法源端辨机发出的，接受该信息；否则丢弃该信息。

身份验证(Authentication)最简单办法，是在辨机中建立一个用户名(或服务器)的密码数据库。

辨机通过访问控制列表(Access Control List，ACL)来进行身份验证。用户名和密码数据库列表简单地对不同类型的源端被保护网络(以其辨机IP地址为代表)身份进行识别。

授权(Authorization)则规定了用户名在获得访问该网络资格后，能做什么。

身份验证和授权新办法，是建立一个用户名、IP地址、密码和授权权限数据库。

辨机访问控制列表，用来进行用户名(指其他企业、合作伙伴企业或者远程客户或者组织)身份验证。该列表对不同类型的源端(用户名)辨机IP地址和用户名的密码进行身份识别。只有用户名、IP地址和用户名的密码，与该访问控制列表中相同时，基于地址的身份验证才能保证生效。

辨机具有将一个被保护的局域网中计算机，送往(或者接收)该企业另一个局域网计算机的信息，加密(或解密)后，转发给因特网(或者该局域网)的标准程序等；它含有处理信息流等的程序。

专有网(或智能广域网)的两台主机，通过公用网络的安全(防御计算机病毒)通信(图1)如下：

专有网的一个网络中源端计算机信息，要送往另一个网络中的宿端计算机时，该信息先经过源端优机，到达源端的辨机，转发到公用网络上(一般为互联网)进行传输；到达宿端的辨机，明文信息在此处经过《检查程序的程序》进行病毒检查和处理后，明文信息由宿端辨机转发给宿端优机；经宿端优机的网络地址转换程序，发送到该宿端优机网络中的接收计算机。这种信息传输可避免病毒对优机网络的攻击和侵害。

两个被保护优机网络中两台计算机之间，通过Internet 进行安全和精确的通信如下(图1)：

源端辨机装有《源端加密程序》和《宿端解密程序》等，能够加密各种信息，并且只允许该源端被保护网络中的计算机的信息，经过加密之后，进入互联网。

宿端辨机装有《源端加密程序》和《宿端解密程序》等，能够解密从互联网进来的各种信息，并且只允许该单位或者合作伙伴指定的源端网络中的计算机信息，经过解密之后，进入到该宿端的接收计算机。

《检查程序的程序》、《源端加密程序》和《宿端解密程序》集成在一起，安装在辨机上。辨机运行时能够自动做出相应的选择，即可保证辨机在公用网络上安全保密传输信息。

辨机的隔离域名(Split Domain Name)技术，将优机网络的域名服务器与辨机网络的域名服务器隔离，以隐蔽优机网络中各个主机的IP地址；从而更进一步保护优机网络。

专有网具有抵抗黑客通过公用网络攻击该网的能力；在网络的反计算机病毒、加密处理、完整检验和身份认证中，辨机可以采用各种各样的方法。例如：

辨机装有《检查程序的程序》，可以防止各种各样计算机病毒的攻击。

装有《源端加密程序》和《宿端解密程序》等的辨机，可以在互联网协议栈的各层，特别是应用层，采用信息加密体制、数字签名和访问控制策略；保证在公用网络上信息和数据传输的安全性和精确性。

备份软件提供完整的数据保护(图2)。例如Veritas NetBackup软件采用四级层次结构，集中管理，适应多种应用结构。其技术特点为灵活设置、灾难恢复、并行处理、数据可靠、使用简便、有监控能力等。

1、自控设施由工控机、可编程序控制器、伺服系统、驱动装置、数控装备、检测设备等组成(图3)。它们之间通过接口电路或者传动部件互相连接。

工控机是自控设施的控制核心。它根据存储的电力任务的汇编程序，或者以国际标准化组织(International Standard Organization，ISO)C标谁等编写的电力运行程序及其数据，控制和操纵自控设施的各种功能，完成该电力任务的任务。由于采用了通用计算机，使许多难以实现的电力系统功能，可以通过工控机的软件和硬件来实现，以提高自控设施的性能和可靠性。

工控机含有微处理器、内存储器、各种驱动器和输入/输出装置等。它具有计算机操作系统；一般采用CPU16位以上；主机频率5MHz以上；内存1MB以上和足够容量的硬盘存储器。

工控机常用的操作系统是磁盘操作系统(Disk Operation System，DOS)、UNIX/Linux、Windows等；它控制自控设施的各种基本功能。它可以采用多处理器结构，除了承担程序输入、数据处理、控制辅助设备和伺服系统等任务，并进行实时控制和管理之外；还要对时钟信号和故障信号等引起的中断进行处理。它可以使多道程序交叉进行，如在控制脉冲输出的空闲时间进行数据输入处理，既调用各种功能子程序，完成下一数据段的读入和数据处理工作，又保证在执行电力任务中将下一个电力任务的汇编程序输入和准备完毕。一旦当前电力任务完成，就立即开始下一任务的运算和控制。

自控设施具有实时处理和传输能力，支持电力任务的数据格式和电力任务顺序，并驱动设备自动化。它一般采用工控机的实时系统或者由该系统扩展成的实时系统，作为自控设施的操作系统。

数字信号处理器(digital signal processor，DSP)专为信号处理而设计，是解决实时处理要求的单片可编程序处理芯片。目前的DSP为了提高运算速度，一般采用不同于能用处理器的哈佛式结构；程序指令与数据的存储空间分离，各自有自己的地址和数据总线。这就使得处理指令和数据可以同时执行，从而大大提高了运算速度。数字信号处理器中设置硬件乘法器和乘法累加器，使它在进行乘法和常用的累加之类的运算时速度更快。它的计算速度达每秒数千万次甚至数十亿次定点或者浮点运算。

DSP使用灵活，与一般微控制器相比，其速度更快、效率更高。这种数字式控制芯片能很好地克服模拟式控制器的缺点，而且具有很多模拟式控制器所没有的优点，如：实时产生平滑的参考信号、对无刷电机和感应电机做矢量控制、电力运行高分辨率的PWM输出、采用神经网络和模糊逻辑控制算法等。

工控机可根据实际应用的具体情况，直接采用DSP或PC机等。例如以8031、8051等单片机作为工控机的微处理器。

工控机的只读存储器(EPROM)用于存储操作系统软件；随机存储器(RAM)用于存储汇编程序或者按照ISO C标准编写的电力任务的功能程序，以及中间结果等。工控机接口电路，供其与电力计算机、可编程序控制器、伺服系统和检测仪器等进行信息交流。它的输入键盘可以直接将程序或数据输入，并且将输入的信息显示在其显示器上。工控机的硬件结构根据CPU的数量，分为单处理器结构和多处理器结构。

根据自控设施的多种不同具体功能，工控机采用相应的多处理器结构系统。一般情况下每个处理器承担一个功能模块的处理工作。多个处理器同时工作，共同完成汇编程序指定给自控设施的相应实时电力任务。多处理器的电力计算机的运算和实时处理的能力可以适应复杂的电力任务。

采用这种多处理器的方法，Linux就可以扩展成实时控制系统。同时Linux还能够兼容多种硬件平台，并可以得到源代码。

工控机的诊断程序的功能是在电力任务中能及时发现系统的故障，并且指出故障的类型。也可以在电力运行前或者故障发生后，检查系统主要部件的功能是否正常，并且指出发生故障的部位。

可编程序控制器是一种智能电网的微控制器。它不同于通用计算机的是：它是专门为智能电网的现场领或开发的，具有更多功能强大的输入/输出接口和面向电力领域工程技术人员的编程语言。PLC基于其不同组成的微型计算机，接口电路的点数不同。例如C28P有28点，16个输出接口和12个输入接口。

图4为PLC的工作过程。PLC在工作过程中，主要完成六个模块的处理。从自诊断模块开始执行，对软件和硬件进行校验和测试。测试结束后，如果PLC控制开关已经拨向编程工作方式，则进入编程器处理模块，这时CPU立即将总线控制权交给编程器，可以根据需要对PLC工作进行在线监视和修改数控设施运行程序等操作。当编程器完成处理工作或者达到所规定的信息交换时间后，CPU重新获得总线控制权。当进行完编程处理器模块后，如果PLC配置了信息交换功能模块，这时开始扫描执行此模块。该模块主要完成PLC与PLC之间、PLC与磁带机、PLC与工控机之间进行信息交换。

经过用信息交换模块和电力任务处理模块之后，PLC开始执行超进检查模块。若扫描周期时间没有超过设定的时间，则继续执行下一个扫描周期。若超过了，则CPU将停止电力任务，复位至输入/输出状态，并且在进行报警后转入停机扫描过程。当超时或者自诊断出错时，PLC进入出错处理模块，并进行报警、显示错误，同时作相应处理，然后停止扫描过程。

PLC与工控机之间的信息交换分两个方向进行：一个方向是工控机向PLC发送信息，主要信息有各种功能代码：准备功能字代码、辅助功能字代码和地址符功能字代码等的信息，手动/中断方式信息，各种功能信息等。另一个方向是PLC向工控机发送信息，主要信息有各种功能代码的应答信息和被控制电力设备的有关参考信息等。

PLC与伺服系统之间的信息交换也分为两个方向进行：一个方向是PL C向伺服系统发送的信息，主要信息有控制自动化电力设备的执行元件、各种状态指示和故障报警等。另一个方向是伺服系统向PLC发送信息，主要信息有伺服系统操作面板输给电力设备的输入信息和操作面板上各种开关、按钮等信息；还有各种电力任务的运动部件的开关、电力任务状态的监视信号和伺服系统电力任务的准备信号等。

PLC控制各个设备是通过设计相应的程序来实现的。当在现场装配和调试过程中需要改变控制逻辑时，就不必改变外部电路，只要改写程序重新固化即可。它的程序稍微修改就可用于不同的控制对象。因此PLC不仅可以用于单台设备的控制，而且可以用于多台设备的控制系统之中。

在PLC的输出模块中有直接用于驱动强电线圈的功能模块，所以具有较强的驱动能力，一般都能直接驱动伺服系统的执行电器线圈，接通或都断开强电电路。

伺服系统由执行元件或者驱动控制电路构成。它通过接口电路与驱动装置相连接；接受工控机和PLC的数控指令。伺服系统按其控制方式分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺系统。在闭环伺服系统和半闭环伺服系统中，还装有检测仪器。

伺服系统的执行元件或者驱动控制电路是先将工控机和PLC发出的指令脉冲进行功率放大，然后转化为执行元件或者驱动控制电路所需的控制信号形式。这种控制信号传输给驱动装置的执行元或者机械传动部件电路；驱动各种电力运行设备做出相应的动作，实施电力运行。

自控设施需要对各种物质参数测量和各种开关量控制。电力运行环节参数值属于动态信息，不仅数据量大、名目繁多且形式复杂。这些电力运行参数具有对电能质量跟踪等功能，必须保证数据准确和及时更新。所以数据反馈可由非接触式实时数据采集系统完成；以保证数据采集的实时、准确和数据反馈的及时。

在闭环伺服统和半闭环伺服系统中，检测仪器对电力运行设备进行监测，间接或者直接采集数控装备中的电力运行实际参数信息，与该电力运行要求的指令参数进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后传输给执行部件，控制实际的电力运行参数达到预定的指令参数标准值范围。

一旦某些电力运行参数值偏离了预定的标准值范围，伺服系统将该参数值反馈给自动控制装置，由相关的执行元件对有关的驱动控制电路做出相应的调整，使该电力运行参数达到预定的标准值范围，从而使电力运行得到及时的控制，使电力运行按照规定的要求进行。

数字伺服系统具有高速度、高精度、抗干扰和无漂移等特点。它使伺服设备的控制，实现数字化。自控设施一般通过数字通信接口和通信协议来控制伺服系统和驱动电力运行设备。

驱动装置是伺服系统与电力运行设备之间的传递和过渡系统。它是被执行电器的强电线圈或者被执行机械的轴承等。驱动装置的基本要求主要是反应灵活、精确度高以及动态响应性好。伺服系统每个执行元件或者相应的驱动控制电路，都配有一套驱动转置。由驱动装置带动电力装置的相关组件进行运行。驱动装置在电力领域不同的各个部门中，控制电力设备的对像是不同的。

电力设备驱动程序管理数据传输和控制特定类型的物理设备的操作，包括开始和完成输入/输出操作，处理中断和执行设备要求的任何差错处理等实时性很强、与设备相关联的操作。其是根据具体设备的具体硬件设计的，并与工控机兼容。每一个物理设备对应一个驱动程序，不同硬件有不同的驱动程序。

自控设施驱动程进程同时访问资源(如内存、I/O、中断源等)，实现多进程实时电力运行。

自控设施通过输入的汇编程序等，控制和管理电力设备的某种电力任务，执行该电力运行等。工控机系统软件，含有操作系统、电力运行功能程序(汇编程序、ISO C标准程序等)和管理系统等。工控机具有实时处理和传输能力，支持电力运行的数据格式并且驱动设备自动化运行的实施。

各个电力系统可以根据环境改变或者升级要求，通过选用相关的标准化、通用化的集成电路接口，将电力设备改充为自控设施。则自控设施的通用软件硬件资源，可以采纳、吸收和兼容现有电力系统。

2、遵守电子工业协会(EIA)标准RS-232或者RS-422等，由一台电力计算机和若干台自控设施，按照物理拓扑结构，短距离(连线在15米之内)互相联接在一起，就构成自治单元(图5)。

自治单元一般采用将所有的自控设施中的工控机都连接在电力计算机上。这是一种星形拓扑(startopology)结构(图5)。根据具体的情况，还可以采用环形、树形或者总线形等拓扑结构。

RS-232定义的连接线上，自治单元信号可以同时在两个方向上传输，就是全双工传输(full duplextransmisson)；如果信号轮流在两个方向上传输，就是半双工传输(half duplex transmisson)。

自治单元中的电力计算机软件，含有磁盘操作系统DOS或者UNIX/Linux或者Windows等、语言处理(如：编译程序等)和数据库及其管理系统等。自治单元具有实时多任务的处理能力，支持电力运行的数据格式，能及时传输和处理具体任务，并且驱动自控设施自动化电力运行的实施。

电力计算机一般采用CPU16位以上；主机频率5MHz以上；内存2MB以上和足够容量的硬盘存储器，常用于存放计算机所需要的固定信息，如自动编程需要的电力质量数据、电力运行数据、电力工具数据和归档的工控机程序等。它和自控设施之间的通信传输介质是它们传输信息的通道。凭借这个通道，电力计算机传送程序和指令给自控设施。而自控设施返回或传回电力运行状态及其他一些信息给电力计算机。它们之间通过接口电路用电缆连接。

在自治单元中，电力计算机的硬件结构根据所需要的CPU数量，分为单处理器结构和多处理器结构。

单处理器结构系统由中央处理器CPU、内存储器、输入/输出接口等三部分以及将它们连接(一般为总线)起来的信号线组成。该系统中只有一个微处理器，集中控制整个电力计算机，分时处理非实时的编程、管理和输入/输出等任务。

多处理器结构系统通过由某种物理拓扑(星型、环状、总线等)线路连接在一起的、不少于一个的微处理器组成。每个处理器承担电力计算机的一部分功能。它既能具有独立的电力运行程序，又能通过通信介质线路或者共享的存储器与其他处理器交换信息，仂调步骤，共同完成自治单元承担的任务。由于多个处理器可同时工作。因此自治单元的运算和实时处理的能力大大增强，可适应电力运行复杂和特殊的要求。

自治单元软件可以分为系统软件和应用软件。电力计算机可以采用DOS、UNIX/Linux或者Windows等的操作系统软件；一般采用Linux。

Linux内核采用模块化的结构，其主要模块包括：存储管理、CPU和进程管理、文件系统管理、设备管理和驱动、网络通信以及系统的引导、系统调用等。Linux允许电力设备根据自己自治单元的实际配置定制Linux的内核，从而有效地简化Linux内核，提高系统启动速度，并且释放更多的内存资源。

自治单元的软件平台，在很大程度上决定了其工作方式、工作效率及其工作结果。Linux系统结构被分为两个态：用户态和核心态。

在核心态中，操作系统和CPU没有任何限制。程序可以执行所有特权级指令，代码可以访问所有系统内存。操作系统软件的特权级别高于应用程序软件。通过这种机制，应用程序的不当行为在总体上不会破坏系统的稳定性。

Linux提供的图形用户界面(GUI)方案是工业标准X-Window System。它类似Windows图形界面。电力设备可以使用鼠标方便、直观和快捷地进行操作。Linux在通信和网络功能方面优于其他操作系统；是多任务、多设备的操作系统，可以支持多个电力设备同时使用并共享系统的磁盘、外部设备等系统资源。

X-Window System最重要的特点之一是它与设备无关的结构。任何硬件只要和X协议兼容，就可以执行X程序并显示一系列包含图文的窗口，而不需要重新编译和链接。

电力计算机软件是为实现自治单元各项功能所编制的专用软件，也称为控制软件。其存放在电力计算机的EPROM中。各种自治单元的功能设置和控制方案各不相同，主要根据具体的要求而确定。

自治单元的基本功能由多个功能模块组成；不同的软件结构对这些功能模块的安排与管理方式也不同。它的特点是多任务和实时性，可以采用的相应软件技术为多任务同时处理和多重实时中断处理。多任务同时处理是使电力计算机在同一时刻或者同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。多重实时中断处理系统中，中断管理主要由硬件完成，而自治单元的软件结构则取决于系统的中断结构。自治单元各项实时任务被安排成不同优先级别的中断服务程序或在同一个中断程序中按优先级高低顺序执行。

自治单元能控制计算机辅助设计(computer aided design，CAD)、计算机辅助制造(computer aidedmanufacturing，CAM)与电力运行管理等自动化电力运行。它对各个自控设施之间的接口制定协议。这些协议从CAD和电力运行管理开始，分为CAM和电力运行监控，综合成为电力运行调度，然后利用各个功能模块进行解释，形成PLC和伺服系统所需要的信息和数据，对电力设备的伺服和执行机构进行控制。

电力计算机的输入数据处理程序功能：接收或编制电力运行的程序，将程序用标准代码表示的电力运行指令和数据进行译码、数据处理，并将汇编程序和数据按规定的格式存放。其中输入程序主要有两个任务，一个是从光电阅读机或者键盘输入电力运行，编制程序并将其存放在任务程序存储器中；另一个是从任务程序存储器中把电力运行程序逐段逐段往外调出，送入缓冲区，以便译码使用。

应用软件为电力任务的软件、自动编程软件及其辅助软件，例如CAD/CAM软件等。它需要通过自治单元的系统软件，才能与计算机硬件发生关系。在自动编程软件中，按编程信息的输入方式，可分为：批处理方式自动编程和人机对话式自动编程。

自治单元可以在同一时间或者同一时间间隔内完成两种以上性质相同或者不同的工作。这需要对电力计算机软件的各个功能模块实行多任务并行处理。为此，可以在电力计算机软件设计中，采用资源分时共享并行处理和资源重叠流水并行处理技术。

电力计算机和自控设施之间的通信传输介质，是它们传输信息的通道。凭借这个通道，电力计算机传送经编译的程序和指令给自控设施。而自控设施返回或者传送电力运行状态及其他一些信息给电力计算机。它们之间用接口电路连接。

自治单元是电力系统的多元化，适用于电力领域中各个行业。它将一组不同功能的自控设施通过RS-232和RS-422近距离串行接口，组成各种类型的电力运行系列；与电力计算机进行多种数据交换。自治单元使用大规模和超大规模集成电路，可大幅度降低自治单元的故障率。同时它还具有人工智能(AI)功能的故障诊断系统，即把专家们所掌握的各种故障原因及其处置方法作为知识库储存到数据库中，以知识库为依据来开发软件，分析并查找故障原因，提出排除故障的方法。

3、智能局域网(图6)是局域网技术和电力设备技术相结合的产物，并且依赖于局域网的共享网络的拓扑结构。优机具有微处理器和存储器，并装有输入按键、显示器等。其存储器分为数据存储器(EEPROM)、工作存储器(RAM)和程序存储器(EPROM)等集成电路。优机在放网络操作系统(Network Operating System，NOS)。它控制智能局域网的资源，操作智能局域网的运行；并可以并发多个自治单元。

优机一般采用CPU32位以上；主机频率20MHz以上；内存8MB以上并配有足够容量的硬盘存储器。它是优机网络的核心，具有网络操作系统软件，管理各个自治单元之间的通信，管理自治单元的资源和对这些资源的使用。优机一般采用波分、时分或者实时控制；具有多功能、多任务的处理能力，支持电力运行任务的数据格式，能及时传输和处理具体任务，并且驱动自治单元控制的电力设备运行的实施。

各个自治单元的电力计算机通过网络接口卡和智能局域网的通信传输电缆连接起来，使任意一台电力计算机之间都能够相互通信并且可以共享优机网络资源(图6)。

NetWare386充分利用了Intel微机系列的微处理器性能，是局域网的工业标谁。它是一个多任务、多网络操作系统；安装在优机上。自治单元内存NetWare的外壳(NetWare Sell)程序，截取自治单元的电力设备的电力智能组件服务请求，并加以判断。如果是对该自治单元的访问，就把请求交给自治单元的电力计算机处理；如果是对优机的请求，则将请求送到优机，由优机处理，再将结果送回给电力设备的电力智能组件。

优机网络的各个电力计算机或者自控设施也可以直接通过传输介质进行通信和业务信息交流。它还可以对传输的各种信息实行安全性等级管理：对于一个信息中的某些部分段落，还可以根据其不同的安全等级，进行相应的安全加密。

智能局域网的网络文件系统(Network File System，NFS)允许应用程序打开一个远程文件，在文件中移动到一个指定位置，并且在该位置开始读写数据。

4、智能广域网(图1)中各个辨机装有相同的《检查程序的程序》、《源端加密程序》和《宿端解密程序》标准程序等。每台辨机都会对进出优机网络的信息进行监控，并且拒绝非法对单位内部网络的访问。

辨机一般采用CPU32位以上；主机频率20MHz以上；内存4MB以上。各个辨可以装有标准程序和相同的《对单位身份认证和授权程序》程序，并且这些辨机中都有各个辨机的IP地址表和每个优机网络中的各个主机称(或者地址)的访问控制列表。每台辨机都会对进出因特网的优机网络的信息进行监控，并且拒绝非法对单位内部网络的访问。对于拥有众多优机网络的智能广域网，满足交互式应用和稳定性的要求；具有互操作性；可区分一个具体文件的不同安全性要求；可使用公钥基础结构，进行认证和密钥分配。

对于小型智能广域网，优机的程序模块可以直接插在辨机的扩展功能槽上。即优机和辨机直接合并。

智能广域网满足交互式应用和稳定性要求；具有互操作性；可以区分一个具体文件的各部分不同安全性要求；可以使用公钥基础结构，进行认证和密钥分配。

万一智能广域网遭到因特网上恶意攻击，也只有辨机瘫痪，并不会影响到其中的智能局域网正常工作。

辨机还会详细记录所有的外部访问；同时防止因特网上外部信息的非法访问。它使外界优机或者自治单元对于智能局域网的访问，只能先集中在辨机上。这就保证智能局域网上的所有优机或者自治单元的可靠和安全。辨机还允许与其相连的优机，通过因特网，传送和接收本系统的其他智能局域网的加密信息。

辨机不但含有工作站的程序，而且还可以采用信息验证码(message authentication code，MAC)技术对传输数据进行编码，确保受到恶意攻击的信息的完整性。其典型的编码机制是密码散列(cryptographichashing)机制。

对于智能广域网之中的智能局域网，目前可能办理的各种业务，放在在线存储(OnStore)设备中，保证随时读取这些信息。为防范可能发生的数据灾难，使用离线存储(OffStore)设备对这些业务的数据进行备份存储。

使用虚拟存储(Storage Virtualization)备份管理软件，可以提供一个透明的存储系统。按照智能局域网的指令，自动将归档备份目录下的非活动数据自动归档备份到近线存储(NearStore)设备中，将历史数据自动归档备份到离线存储设备中。

5、综合网(图7)中装有相同的《检查程序的程序》、《源端加密程序》和《宿端解密程序》标准程序以及《对单位身份认证和授权程序》等的合作伙伴的辨机和电力企业的智能广域网的辨机，都会对进出优机网络的信息进行监控，并且拒绝非法对智能广域网的访问。

在综合网中各个辨机与合作伙伴指定的网络相连接的辨机，装有相同的《检查程序的程序》、《源端加密程序》和《宿端解密程序》标准程序以及《对单位身份认证和授权程序》程序，并且这些辨机中都有各个辨机的IP地址表和优机网络与合作伙伴指定的网络中的每个主机名称(或者地址)的访问控制列表。每台辨机都会对进出综合网的优机网络的信息进行监控，并拒绝非法对单位内部网络和合作伙伴网络的访问。

与单位或者组织优机网络相连接的辨机，装有《检查程序的程序》、《源端加密程序》和《宿端解密程序》等，能够解密从互联网进来的各种信息，并且只允许该单位或者组织的其他源端优机网络或者合作伙伴指定的源端网络中的计算机的信息，经过解密之后，进入到该宿端优机网络中的接收计算机。

与合作伙伴指定的网络相连接的辨机，装有《检查程序的程序》、《源端加密程序》和《宿端解密程序》功能等，能够解密从互联网进来的各种信息，并且只允许该单位或者组织的源端优机网络中的计算机信息，经过解密之后，进入到合作伙伴的宿端优机，再转发给接收计算机。

6、将仿真技术用于电力运行的分析设计，需要按建模的要求建立模型，并通过对相应模型的状态跟踪或者模拟而得到实际电力运行的行为特性，检查自治单元在电力运行中的各种真实过程和危险。仿真法可用于各个自治单元电力运行设计的各个阶段，将数学的和经验的模型结合在一起，通过模拟电力运行情况，得到仿真电力运行数据，以检验数控代码的正确性和电力运行的准确性。

在智能电网中，自动控制一般都具有以下基本功能(图9)：

给定值组件是设定被控量的给定值的装置；比较组件交所检测的被控量与给定量比较；由校正组件按某种规律确定偏差量；放大组件将偏差信号扩大成适用于执行机构工作的信号；作用到控制对象。检测环节用于检测被控量，并将其转换为与给定量统一的物理量。

智能电网利用计算机仿真分析，控制系统动态性能(图8)；可在时域里模拟出任何输入作用下，系统的动态响应和系统中参数变化情况。其具体步骤：建立描述现有系统或拟用系统动态特性的数学模型；将数学模型转化为适合计算机仿真的模型(一阶微分方程或差分方程)；选用适当的算法(如龙格—库塔法)编制m文件或用智能电网曾经存储的m文件；通过计算机仿真，获得自动控制系统动态过程参数变化和响应特性的数据或曲线；通过分析自动系统的动态性能的仿真结果或进行变参数仿真，得到提高伺服系统或拟用系统的动态性能的改进方案。智能电网将计算机仿真分析与自动控制系统的方法相结合，实现数据分析的可视化和自动控制系统参数的获得；并控制智能电网中的电力系统安全可靠运行。

实时控制依赖于数据传感器和各种数据传输格式。能够测量正在运行的参数(例如瓦和瓦时、伏安和伏安时、伏特、安培、功率因数、相位角、谐波等)的传感器，都应当具备与智能广域网系统接口的功能。

分布式智能体是一咱智能局域网；它可以是自适应、自我学习、自我修复和自动控制的系统；能够在本局域网内快速响应，以减轻中心控制系统的负担。许多这种智能体可以利用对等机作为辨机，互联组成一个多个智能体系统。这种多智能体系统可以完成单个智能体很难完成的任务。

智能电网中的控制功能，除了考虑智能局域网的本地电力运行情况外，还需要考虑整个电力网的运行情况。智能电网根据控制功能的不同，对一些控制采用分布式部署，对另一些控制采用集中式部署。

智能电网通过强大的高速计算机处理了各种传感器的实时监测数据，可以利用专家诊断系统提供控制信号给设备外，还将为运行人员提供信息。自主动作可以持续在本地运行；也可以扩展到其他区域或整个电力系统。智能广域网可以支撑高级控制所需要的高速性能和广泛的覆盖功能；同时它还能提供安全可靠的开放式信息网络框架。

7、智能电网中的高级量测体系主要包括家庭网络系统，智能表计、本地通信网络(或智能局域网)、智能广域网、表计数据管理系统以及数据集成平台等。

智能表计标准可以是“Utility Industry and Device Data Tables”(C12.19)。该标准定义了一个标准数据结构，并且使用C12.22标准来传输这个数据结构。C12.22基于开放式智能广域网互联模型，允许数据表在任何可靠的网络通信系统上传输。

自动抄表(Automatic Meter Reading，AMR)系统一般是由电能表、终端、通信线路、数据库和主站管理系统等组成。低压电力线载波自动抄表系统是集成电表数据采集、载波传输、数据存储、数据通信、数据处理以及通断控制等功能于一体的自动化系统。

智能电网可以采用HomePlug支持家庭自动化等应用；它是在原有电源线上设计了一套低速的感应器测量和监控用的网络(HomePlug CC标准)；它还能够实现家庭与外部网络的连接，直接使用电力线接入因特网(HomePlug BPL)，实施宽带联网的应用。

家庭网络/用户接口电路为智能电网提供了一个面向市场的接口电路。家庭网络能够通过多种方法实现，如用户接口电路可以装在任何设备(表计本体、临近的收集器、网关或用户提供的设备)中。

用户接口电路是硬件和软件的一个组合体，能够使用户侧电力设备和供电企业的电力系统之间的双向通信。用户接口电路在智能广域网与用户的家庭网络之间提供了一个物理和逻辑上的链接。它是一个网络地址转换器和转换协议网关的共同体。

用户接口电路是用户与电力公司之间的中间件。它可以服务许多不同的客户端：居民和商业用户；电能服务供应商；独立的系统运行人员；配电公司等。电能服务供应商能够提供服务：自动抄表；从一个站点的多个用户处收集数据，可作累计；传送新的费率到表计；实施分时电价，可变的峰值时间，实时费率；给用户提供刺激方案和工具，鼓励用户通过控制设备(恒温器和热水加热器等)减小电的负荷；在紧急状态下从参与需求响应的用户侧迅速减少负荷。用户接口还可以提供许多新的服务。

8、智能电网中的高级配电自动化包括配电网架规划、馈线自动化的设施、配电设备的选择、通信系统和配电网的主站等。

合理的配电网架是实施配电自动化的基础，配电网架规划是实施配电自动化第一步，配电网架原则为：

既遵循相关标准，又结合本地电力网实际情况；主干线路宜采用环网接线、开放式运行；导线和电力设备应满足负荷转移的要求；主干线路宜分为3-5段，并装设分段开关，分段主要考虑负荷密度、负荷性质和线路长度；配电设备自身可靠，有一定的容量裕度，并具有遥控和智能控制功能；符合当地的城市规划和建设，以便更有利于配电网自动化的实施与发展。

配电网的停电包括检修停电和故障停电两部分。智能电网可以在正常检修时，縮小因检修造成的停电范围；在发生故障时，减小停电范围，縮短停电时间。它可以控制具有多电源的配电网，在进行检修时，只对检修区段停电，通过倒路操作给非检修区段进行供电；可以在故障时，快速地对故障进行定位隔离，恢复非故障区段的供电。

故障区段的自动隔离、非故障区段的恢复可以采用主站控制方式和本地控制相结合方式。对于本地的胡障，通过智能局域网，可以采用本地控制方式进行处理。如果没有本地控制器或者控制器失灵，则通过智能广域网，采用主站远程控制方式。

馈线终端单元用于采集开关的运行数据、控制开关的分合。智能电网通过馈线终端单元的测量，实现配电网的SCADA功能，并能够通过对各馈线终端单元的控制，实现配电网的故障识别、故障隔离、网络重构以及配电网的无功/电压控制和优化运行等功能。馈线终端单元系列因与开关、变压器配套，往往安装在户外，馈线终端单元的抗震动、抗干扰和抗高温的要求比较高。馈线终端单元内部必须配置蓄电池。

配变终端单元用于采集配电变压器低压侧的运行数据，控制低压电容器投切以实现无功补偿。

开关的操作电源和馈线终端单元的工作电源要根据配电网和设备的具体情况确定，可以从380V/220V低压电力网直接取得，也可以从10kV线路通过互感器获得；可从其他配电线路获得后备电源，也可采用不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)或蓄电池作为后备电源。

低压终端单元的通信系统采用智能局域网；实现对各个负荷结点的测量与控制，如终端抄表、负荷控制；并通过智能广域网，与自动化中心主站通信。

智能广域网自动化的调度中心(中心主站)；它由共享同一个数据库、但实现配电网自动化不同功能的工作站以及服务器组成。

配调中心(智能局域网)硬件设备及接口符合国际工业标准，操作系统可以采用Linux网络操作系统。

9、智能电网中的高级输电运行监测处于智能广域网的覆盖范围，可以沿输电线路各点，实施关键点的运行状态实时监测，提高传输容量。线路动态增容数学模型(图10)：监测数据是与线路动态增容有关的关键点的实时运行数据，主要为导线的温度、环境温度、日照强度、运行电流等；基本数学公式是依据技术规程的摩尔根公式；导线特性参数是指其物理参数；电力系统运行规则主要为N-1原则；运行参数设置指线路额定运行参数(如温度限额、电流限额等)、线路增容运行的目标参数(如安全时间等)、断面参数(如各相关线路的潮流转移比)；模型假设是在确保增容运行安全的条件下的公式化假设。

输电线路动态额定技术(图11)是在输电线路杆塔上安装数据采集终端，对导线的物理参数进行监测，信号通过电力信息主干网或者智能广域网，传送到临控管理平台，在不突破现行技术规程规定的前提下，根据数学模型运算，调控电力网的运行。

相量测量单元可以直接测量母线结点的电压相量以及相关联支路的电流相量；监控管理平台以故障后一小段时间窗内的轨迹作为初始分析轨迹，通过这些轨迹来改进暂态稳定分析方法。

均匀广域测量和实时动态安全分析，使柔性交流输电系统装置、发电机励磁系统、高压直流等设备协调优化运行，以充分利用输电线路的传输容量。

智能电网根据广域同步相量的实测结果，分析系统的功角摇摆特征和同调性质，利用互联系统协调解列的优化控制方案，可以防止大面积停电事故的发生。

10、智能电网中分布式能源可以在不同点接入电力网；它使馈线上的电压幅值发生变化。它接入电力系统，可以提供有效的接地，以防止单相接地短路时非故障相出现过电压。智能电网通过分布式发电在接入电力网之前发给电力调度中心的信号，对配电系统的电力网结构和电流的分布进行分析，并作出调整方案。当分布式电源接入时，智能电网可以立即作出反映和控制。

智能电网根据分布式发电的国际标准(如IEEE 1547标准，IEEE 519：1992标准，IEC 61400-21等)，可以解决分布式发电与电力网的互连问题。即智能电网可以仂调分布式发电的并网所产生两个方面的问题：一个是并网系统本身结构和性能；另一个是分布式电源对电力系统运行、控制、保护各个方面产生的影响。

智能电网依托智能广域网(或综合网)，对电力网的容量、并网的接入点、并网电压、线路保护、资源等级和市场条件等，对发电机组、并网设施、输电配电网的运行等进行分析，确定分布式电源的最优并网方案并且可以执行该方案。