NIST智能电网4.0版架构与安全解读（三）|理论模型中的运营域，发电域，输电域和配电域

概览

在本期文章中，我们将继续介绍剩余的四个域：运营域(Operations Domain)，包括DER的发电域(Generation Including DER domain)（后简称发电域）， 输电域(Transmission Domain)和配电域(Distribution Domain)。

运营域(Operations Domain)

运营域可以理解为整个智能电网的“大脑”，负责收集各个领域的信息并下达控制指令。如图1所示，运营域负责整个电力系统的平稳运行。运营域主要由受监管的公共事业单位(regulated utility, 指具有垄断地位，受相关部门监管的公共事业单位，与更依赖市场竞争调控的Deregulated 相对应)负责的。随着智能电网的发展，其中的部分功能逐渐改为由服务提供商提供。然而，无论服务提供商和市场如何发展，仍然需要regulated utility规划和运营整个电网，因为他们管理着构成配电系统的线路。

图1 运营域概览

目前有众多的能源管理系统分析电力系统的可靠性和效率。本版本的标准中更新了运营域，新增了运营域与发电域之间的通信流的内容，强调了DER状态对现代电网稳定的重要意义。

参考国际电化学委员会（IEC）61968-1的接口参考模型（IRM），我们在表一中给出了运营域的典型应用。

表1 – 运营域中的典型应用

包括DER的发电域(Generation Including DER Domain)(后简称发电域)

发电是将其他形式的能源转换为电力能源的过程，也是向客户输送电力的第一个过程。这种过程包括各种一次性能源及其对应的各种转换技术，比如化学燃烧、核裂变、流水、风、太阳辐射和地热等。作为电网的主要电力供应，发电域与输电或、配电或和客户域之间都有电气连接，并与运营、市场、输电和配电领域有信息连接。

图2-包括DER的发电域概览

过去，大型发电机只向高压输电系统供电，现代发电技术的可扩展性和模块化改变了发电资产和电网之间的关系，以及发电资产的分布。因此，本版本标准对发电域进行了更新，以反映较小规模和分布式发电资产与配电系统的可能的电气连接。发电域也被重新命名为 "包括DER的发电域"。

发电域与输电域、配电域之间的信息传输至关重要，因为没有输电和配电，用户就无法得到电力服务。发电域应该及时与其他两个域沟通各种性能参数和服务质量，比如某配电区域的供电量不足的信息或者是发电机故障信息等，从而帮助各方及时做出响应。比如某发电机故障信息传输到输电域，输电域就可以选择从其他发电厂输入电力或引导其用户采用其他解决方案，例如切换到其他紧急备用设施等。
如图2所示，在本次修订中，NIST引入了客户域的新功能，客户域可以通过发电域与配电域建立电气连接。这个改动对应了DER不用通过输电，而是直接通过配电设备就地利用电能。用户侧的电力资源与来自传统发电域中的电力资源相结合，表明在传统的结算和调度过程中，用户侧资源的参与度越来越高。现阶段的客户域已经包含了分布式发电、需求响应和其他负荷管理技术。电气连接从客户域开始，反映了客户域对发电能力或能源生产的需求。从客户域开始，在配电域的二级馈线上(而不是传统的变电站)终止的电气流，与传统的发电资产相比，突出了客户域中的发电资源的独特物理条件和控制需求。
后面配电域中我们会介绍，配电域中也会有自己的DER，这也使得发电域和配电域之间的通信变得越来越复杂。因此在本次修订中，发电域做了更新，以明确确定与配电域、客户域和服务提供商领域之间必要的通信流。
在未来，发电域面对的新需求可能包括控制温室气体排放、增加可再生能源占比、提供电力存储以应对可再生能源发电的可变性或推迟传统基础设施的淘汰等。由于其中一些需求需要跨领域的协调，因此未来其复杂性和互操作性的要求可以通过本标准使用的概念模型中的通信流来建模和分析。

发电域包括各种物理设施，如保护继电器、远程终端单元、设备监视器、故障记录器、用户界面和可编程逻辑控制器。表2显示了发电域中依赖于通信流且需要互操作性的一些典型应用。

表2-发电域的典型应用

输电域(Transmission Domain)

输电是指通过多个变电站将电能从发电源批量传输到配电系统的过程。输电网络通常由具备输电能力的公用事业公司、区域输电运营商或独立系统运营商（分别为RTO、ISO）运营，其主要职责是通过平衡整个输电网络的发电（供应）与负荷（需求）来维持电网的稳定。输电领域的物理设施包括远程终端单元、变电站电表、保护继电器、电能质量监测器、相位测量单元、下垂监测器、故障记录器和变电站用户界面。

图3-输电域概览

输电域的功能可以参考图3和表3。需要注意的是，输电领域可能也包含DER，例如蓄电或调峰发电装置。输电域中的能源和支持性辅助服务通过市场域采购。输电域同样由运营域管理。电能最后通过传输域交付给配电域，最终交付给客户域。

输电变电站使用变压器来提高或降低整个电力供应链的电压。变电站还包含开关、保护和控制设备。图3描述了连接发电（包括调峰装置）和存储与配电的升压和降压变电站，变电站也可以连接两条或多条输电线路。

输电塔、电力线和现场遥测设备（如图所示的线路下垂检测器）构成了输电网络基础设施的其余部分。输电网络通常通过SCADA系统进行监测和控制，该系统使用通信网络、现场监测设备和控制设备。

表3- 输电域中的典型应用

配电域(Distribution Domain)

配电领域的作用是输电域、客户域以及能耗、分布式存储和分布式发电的计量点之间的电气互连（见图4）。与包括DER域的发电域一样，配电域也可能包含DER，如电力存储、调峰发电装置或其他中等规模的资产，如社区太阳能装置等。
配电系统可以组成各种结构，包括径向、环形或网状。配电系统的可靠性取决于其结构、实施的配置和控制设备的类型、这些设备相互之间通信的可靠性以及和与其他域的通信可靠性。
历史上，配电系统一直是径向配置，几乎没有遥测，域内几乎所有的通信都是人工完成的。该领域中的“传感器”以前都是拥有电话的客户，客户打电话反映问题，然后再由现场工作人员调度运维以恢复电力。过去，该领域的许多通信接口是分层且单向的，即使电气连接刚刚开始支持双向流动，但是现在它们通常可以被认为是双向工作的。配电系统中可能有本地设备间（点对点）通信或更集中的通信方法。随着DER（包括电网或电表后）的普及率越来越高，如何用更高速的通信来实时管理和优化电力流、发电和用电，是目前被广泛关注的问题。

图4-配电域概览

在智能电网中，配电域将具有更多的传感和控制能力，并以更细化的方式与运行域进行实时通信，以管理由于新技术、变动的市场域、其他环境和安全因素带来的复杂电力流。总的来说，为了适应新型智能电网动态化的特点，需要修改配电系统的信息架构，提高其可观察性。如图4所示，本版本的配电域模型已经做出了更新，新增了额外的传感设备（如故障电路指示器）以及域操作功能（如稳定功能），这些功能在以前的概念模型中只限于传输域。

市场域可能不会直接与配电域进行交互，但是将以影响发电域和局部地区电力消费的方式与配电域间接交互。反过来，这些由市场力量引起的行为变化可能会对配电领域和电网产生结构上的影响。在一些模型下，服务供应商可能会使用配电域的基础设施与客户域进行通信，这也将促进配电域内的通信基础设施的升级。

应该注意的是，DER也可以被认为是输电域和配电域的资产，所以本版本的模型新增了这一点，从电气和通信的角度反映这一现实。表4列出了配电域中典型应用的例子。

表4-配电域典型应用