城市化，生活水平的提高和技术的进步增加了对能源需求的需求。这使电耗上升到了如果不加照顾的情况下将不再可管理的水平。这不仅是提供可持续能源，而且还维护全球环境的令人震惊的情况。 城市消耗了总能源消耗的近75-80％，而城市的温室气体排放量占80％。传统的，集中控制的电能分配系统已经使用了很长时间。这通常称为电网。自从使用电力以来，即使随着技术的进步，全球电网也具有相似的结构，动力学和原理。
这些传统的电网仅专注于一些基本功能，例如发电，配电和控制。 当前形式的电网不可靠，传输损耗高，电能质量差，容易出现电力不足和停电，电力供应不足，不鼓励集成分布式能源。传统的非智能系统缺乏监控和实时控制，这为智能电网作为实时解决方案创造了一个挑战性的机会。要解决这些问题，就需要对电力输送结构进行彻底的改革。
智能电网技术提供了一种解决方案，可以更好地发电，并提供一种有效的电力传输和分配方式。 由于其多功能性，与传统网格相比，它可以更轻松地安装且所需空间更少。智能电网设计的概念旨在实现电网的可观察性，创建资产的可控制性，增强电力系统的性能和安全性，尤其是运营，维护和计划的经济方面。这就是为什么还考虑将智能电网技术用于微电网级别，最终将其连接到所有其他微电网以形成大型智能电网网络的原因。
本文讨论了智能电网的概述，其特性和功能包括 可靠性，安全性，能源管理，自我修复 。它还将讨论智能电网如何改变电网技术的概念，以及在现代电网中有多少潜在的革命。
智能电网概念
没有特定的智能电网起点。随着电力分配系统的启动，这个概念开始发展。到那时，需要不同的要求，例如控制，监控，价格以及电力传输和分配的服务。通常，智能电网的实施与智能电表的安装相关。最新发展正在考虑的基本需求是通过电网传输和分配能量的可靠性和效率。
定义
为了将电力分配给消费者，需要一种被称为电网的电导体网络。 如果该网络具有自动控制和监视系统，那么它可能就是智能电网。从技术上讲，智能电网是常规电网的概念，具有一些最新的自动化功能，使它们更加可靠和可持续。传统电网仅用于传输和分配电力，但是这种智能电网的现代概念可以根据情况进行通信，存储甚至决策。
智能电网是一种智能的电力网络，它整合了所有利益相关者的行为，这些利益相关者是发电机，消费者以及两者的所有利益相关者，以便以经济，安全的方式 为电力提供效率，可持续性 。因此，智能电网并不是要实施的单一技术。如图1所示，它的利益相关者增加了它的广泛性和依赖性。
图1.智能电网的工作概念。
它为利益相关者提供了一个机会，可以最大化其电气网络的效率，可靠性，经济性能和安全性。其架构的概述如图2所示。
图2.智能电网架构概述。
可靠性
网格系统的成功取决于以可靠性衡量的客户需求。 这意味着具有连续供电的无缺陷和无误差系统。智能电网有潜力检测任何故障并允许系统自我修复。常规电网存在有关可再生资源，微电网和需求响应的相互作用的问题。随着需求的增加，这些网格的尺寸和复杂性使得分析其可靠性变得更加困难。但是智能电网很好地解决了这些问题。为此，智能电网具有监视和存储所有数据并评估其服务可靠性的能力。还可以远程监视电网的混合发电和管理，从而增强其可靠性。动态随机最优潮流（DSOPF）等技术有助于估算和优化智能电网中的潮流。因此，随着通信系统的发展，智能电网可以具有更好的可靠性。
安全性
安全性是智能电网发展中具有挑战性的问题之一。 随着自动化程度的提高，对网格的远程监视和控制使网格更容易受到网络攻击。根据电力研究所的数据，系统的网络安全是智能电网的最大问题之一。Suleiman等人提出了一种方法，该方法可通过使用智能电网系统对待分析和集成系统安全威胁模型来识别通常由攻击者利用的智能电网的弱点。同样，在2014年，Ashok等人从协调的网络攻击角度提出了一种解决广域监视和保护与控制的网络物理安全问题的方法，最终将提高安全性。在智能电网的不同安全领域中，一些有前途的正在进行的研究包括：具有多个数据使用者的保护隐私的智能计量，使用环网通信体系结构和安全威胁模型的智能电网中的正交代码隐私机制。由于安全性将被视为实施智能电网技术的最大障碍之一，因此正在进行的这些研究有望解决这一障碍。
需求方管理系统
智能电网通过两种通信能力提供给需求方或用户与电网进行交互。 它为消费者提供了一种以经济的方式使用电力的机会。它不仅有助于提高需求方的效率，而且还有助于提高配送端的效率。通过将电力需求减少或转移到替代品上，它有助于电网在高峰期减少需求和压力。当前，为了解决经济，可靠性和经济方面的问题，在智能电网领域进行了大量投资，包括 需求侧资源，负荷管理系统和能源效率计划 。通常，需求方管理系统仅关注公用事业公司与消费者之间的通信。
随着智能电网的发展，这个定义也开始了设备和公用事业的革命，成为被称为 “智能设备”的“智能”设备 。这些具有与电网通信的能力，这使得房屋更加自治，并方便用户有效而高效地使用电力。这些电器改变了家庭用电的需求。诸如“ ZigBee”之类的不同网络协议提供了对家用电器进行无线控制的解决方案。这些协议具有与参与家庭能源管理系统的所有利益相关者进行沟通和协调的能力，从而为用户提供最佳的最佳解决方案。因此，智能电网正在将传统家用电器的趋势转变为“智能”。
测光
配电系统中的自动化与智能自动仪表相关联。计量提供了一个通道，以实现用户与分配器之间的智能电网概念中的双向通信。它们不仅可以帮助分销商建立更准确的计费系统，还可以帮助消费者控制电能的使用。这些仪表配备了用于自动化， 电能质量监控和停电通知的传感器 。电力市场放松管制后价格上涨，消费者不满意以及鼓励智能电表的月度电表指示都有不同的驱动因素。
高级计量基础架构（AMI）提供了一种实时解决方案，该解决方案可以收集消费者数据并提供从电网到公用事业部门的通信网络。 AMI通过将消费者与配电系统相结合，为大型电网的现代化提供了前进的机会。它为停电管理，电动汽车和智能设备的集成，变压器和馈线监控以及故障隔离提供了机会。研究人员设计了一种用于通过变电站自动化系统（SAS）进行配电自动化的新系统。该系统具有通过本地控制措施解决拥堵的能力，而对可再生能源的限制最小。
微电网与可再生资源整合
从可再生资源（例如太阳能，风能，电池存储设备）发电是充分考虑满足不断增长的电力需求和减少温室气体排放的可可豆。它们甚至有助于减少高峰时段电网的电力压力。通常，这些资源的站点位于偏远地区。甚至有时候，不可能有一个完整的功能网格来传输或分配电力。这里使用微电网，这些微电网聚集在一起形成一个庞大的配电网络。因此，使用大量的微网格和源将导致要处理大量数据。因此，研究人员通过使用一种架构来解决此问题，该架构在整个电网中使用智能系统来有效地分配电源。
自我修复
对于一个健壮的智能电网，它不应该仅仅局限于诊断故障发生在电网中，而且还可以将其消除以保持稳定的电力供应。对于具有自我修复能力的电网，它使用实时通信和安装在整个电网中的数字组件来监视电网的电气特性。有了此功能，网格就足够聪明了，并且能够找出自然或某些人为错误可能引起的潜在问题。这些智能系统会立即对任何此类异常做出反应，并在问题滚滚而成为大问题并造成重大停电之前将问题系统隔离出来，并自动重新分配电力传输以实现连续服务，除非消除了错误。具有自我修复功能的智能电网有三个主要优点：
新技术与研究
为了智能电网的发展，正在进行许多正在进行的研究活动，以使其更可靠，更可持续地满足现代需求。这些研究集中在不同的技术上。很难涵盖所有这些研究和进步，但是本节将介绍与智能电网相关的一些著名的最新技术和研究活动。
能源管理系统
对于可靠的电网，至关重要的是所有组件必须从发电到消耗都必须协同工作。网格中涉及很多复杂的组件。这些组件通过某些计算机软件进行通信并一起工作。因此，规划和在网格上的实现是通过互操作性来完成的。NIST发起了智能电网互操作性（SGIP），它负责制定和维护智能电网标准，并且涉及的所有组件都必须进行有效的通信和运行。还有责任为电网的所有利益相关者（ 包括客户，市场，服务提供商，电力系统，发电，输电和配电网络 ）提供一个平台，以共同形成一个现代，可靠和高效的电网系统。为了理解和实施能源管理，电网和用户端都必须发挥作用。诸如先进计量基础设施（AMI），用于电网的通信网络和网络安全之类的技术可实现电网中的自我决策功能，从而使能源管理系统对智能电网更为现实。
物联网（IoT）
物联网（IoT）将互联网带入了下一步发展。通过计算和通信功能，将整个世界压缩到一只手中，它使生活变得更轻松，自动化和方便。 随着智能电网及其组件的发展，需要一种有效，可靠且更智能的方式来交互这些组件的技术。物联网有望完全填补所有这些特征，从而将智能电网带入新时代。但是，随着这项新技术的出现，一些严重的安全问题出现了，包括假冒，数据篡改，滥用，授权，隐私问题和网络攻击。物联网基础智能电网必须具有身份验证，机密性，用户隐私和数据完整性等服务，以避免任何安全风险。物联网为客户提供的连接性，可以提高他们的体验和效率。它允许客户与电网进行灵活轻松的交互，从而通过诊断和邻域范围内的抄表功能来降低成本。 简而言之，它使智能电网变得更加智能。
大数据
智能电网完全取决于其接收的数据。它不仅是网格的眼睛，而且还可以作为网格的背骨。为了可靠，高效地运行智能电网，需要从发电，输电，转换和电力利用中收集大量数据。网格所做的所有决定都取决于它。它在智能电网的自主功能中也起着关键作用。智能电网技术中的大数据面临许多挑战，包括从存储到其可视化和安全性。研究人员还致力于如何将数据组合成信息和有益的应用。
从不同的传感器，无线传输和通信收集的大量数据被累积。从生成到使用的所有数据收集都被不同的算法用来预测，并且也将有助于充分识别功率使用的模式。这最终将对实现智能能源管理系统有用。能源大数据不仅包含从电表收集的数据，而且还包含与天气和环境有关的大量数据。如果没有“ 4V”（体积，速度，多样性和价值）和“ 3E”（能量，交换和同理心），则此数据的特征是不完整的。针对大数据的分析开发了不同的算法和模型，但仍然存在与大数据相关的一些主要问题，例如：IT基础架构，数据收集和治理，数据处理和分析，
智能电网的未来研究
智能电网的开发正在进行大量研究。在智能电网的不同领域中，针对不同方面的未来研究仍具有很大的潜力。 其中包括预测，潮流优化，通信，微电网集成，需求和能源管理系统，符合 互操作性，可伸缩性，经济因素，数据加密以及最重要的是发电，输电和配电自动化等方面的标准。
结论
技术和设备的进步可以经济和环保的方式改变能源的利用。 智能电网概念的演进有潜力通过减少碳排放并与更多可再生能源组合来以最佳方式满足未来所有能源利用需求。通过提高电力输送的可靠性，效率和质量，它可以使传统的电网和用户行为朝着能源利用的方向发生重大变化。需要政府政策来促进智能电网的实施。由于这只是现代电网新时代的开始，因此仍有大量潜力可用于改进和实施此概念。
近期趋势
在过去的十年中，智能电网的研究和进步已经大大增加。这就是为什么智能电网技术已从虚拟现实和概念转移到实施阶段的原因。过去五年来，智能电网方面的研究有了巨大的增长，不久之后，它将以更大的灵活性和更有效的方式改变配电领域的格局。
