一、新型电力系统背景情况
现在很多人会提及“零碳”，但“零碳”观点是错误的。地球上的生命都碳基生命，包括各种动物、植物和生物，零碳意味着无生命！
二氧化碳是植物光合作用的重要原料。研究表明，农作物产量会随二氧化碳浓度增加而提高，通常大气中的二氧化碳浓度约100~2000ppm，若降低到50ppm以下，则光合作用停止，所以火电厂烟囱附近的植被通常生长地很好。
综上所述，“双碳”不是“零碳”。“双碳”意味着工业低碳，农业高碳！
如上图所示，展示了在双碳目标下我国发电装机的发展。其中，光伏和风电的数量基本持平。但是，当太阳落山之后，40亿光伏无法发电。当夏季高温，40亿风电亦无法发电。
目前，我国总装机量为24亿，其中煤电占11亿。但我国在煤电占50%的情况下，缺煤限电的情况仍然很严重。所以新型电力系统仍面临五大结构性的安全问题，分别是：电源结构、电网结构、用电结构、网络信息、以及调度控制。
其中，电源结构、电网结构、用电结构的问题难以调节。电源结构存在随机间歇电源多，快速调节电源少的困难；电网结构存在跨区电网尚未成网，全网互济能力较差的困难；用电结构存在需求侧响应较差、高耗能问题突出的困难。
由于电以光速传输不易储存，“发、输、配、用”均瞬间完成，所以必须实时控制系统平衡。我国和欧美国家相比，由于我国燃气资源稀缺，燃气轮机比例小，近年来实时控制系统平衡变得愈发困难。
为了解决电力调度的平衡问题，我国主要依靠火电硬调节。近期由于煤炭涨价等原因，导致部分地区供电紧张，所以维持平衡的难度非常大。
大规模新能源（光伏和直驱型风机0惯量、双馈型风机部分惯量）并网、大量直流馈入受端（0惯量）电网，导致系统总体有效惯量不断减小，抗扰动能力持续恶化。
以上图为例，在2015年9月19日锦苏直流闭锁大功率缺额情况下，华东电网频率恢复过程分为四个阶段。故障后0～3秒左右，惯性缓冲调节，若系统惯量小则电网频率迅速下跌；故障后3~30秒左右，一次调频动作，频率下跌减缓，至最低点后逐渐回升；故障30秒后，二次调频启动，电网频率继续恢复；故障100秒后，抽蓄机组等快速电源启动，恢复并维持电网频率。
据网络统计，近10年来全球共发生32起储能电站起火或爆炸事故，储能电站起火爆炸大多发生在充电中或充电后休止中，且大多数事故采用了三元锂离子电池。
2021年4月16日北京国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站（磷酸铁锂电池）发生事故，事故造成2名消防员牺牲，1名消防员受伤，电站内1名员工失联。
相比电化学储能电站，电网与城市热网协同的方法总体效率超80%，更安全，更经济！以北京为例，北京东郊热电厂统筹优化发电与供热，总效率超过80%！
由于我国电网使用了免费的空气绝缘，电网抵御重大灾害和破坏的能力不足。除了雷电、暴雪、山火等自然灾害，也无法抵御石墨炸弹和电磁脉冲炸弹的袭击。
如果使用地下交联聚乙烯电缆或地下气体绝缘管道GIL，其成本是现在的10到20倍。
我国发电资源与用电负荷呈逆向分布，跨越黑河腾冲线的西电东送是主要能源流向。特高压运行规模达到“11交11直”，特高压交直流混联、电力大规模跨区输送已成为国家电网典型特征。
电网“强直弱交”是指交流电网太弱，直流电网太强。目前，全世界公认的技术是“直流输电，交流联网”，从而形成一个花篮结构。
但经过实践发现，直流电网最大的问题在于其可靠性，高压直流输电阀组由上百级晶闸管串联组成，可靠性差，损耗较大，由于地极偏磁严重，导致电压稳定恶化。为了解决这个问题需要使用大量的冷却，其能耗成本高于交流电。
上图是国民用电曲线图，具有明显的波峰波谷特征。
在电动汽车储能方面，G2V与V2G尚未形成规模，存在很多基础性问题。
在微电网方面，其目的是实现自发自用，余电上网，自主控制，就地调节。但微电网相关技术规范有待完善，当前很容易出现电压不稳的瓶颈。
在家用光伏和家用电器方面，中心广播的电网状态信息进行辅助判断。用户家中业务应用通过WiFi上互联网即可。
在大型储能和大型电源方面，《电力法》规定必须由调度负责控制。在微型储能方面，居民可以完全自主控制，根据并网点的电压和频率，结合电网调度广播的电网事故状态信息，自主控制储能设备的投退。
如上图所示，电力系统安全稳定有三道防线，分别是继电保护、稳定控制、解列控制。
我国电网自动化技术40年来经历了四个发展阶段：早期探索、引进消化、自主开发、逐步超越。电力系统的数字化技术转型在20年前已经完成，现在正在向智能化技术前进，开创了智能电网新时代。
二、智能电网和安全防护
智能电网调度控制系统D5000已在国家电网所有国网省三级调度及大部分地市调控中心投运，形成了电网调度专用云（约10万计算节点）和专用物联网（约2亿实时测点），实现了多级电网调度的协调运作。地（市）级以上调度控制中心的典型配置为300台计算机（100台机架服务器、100台刀片服务器、100台图形工作站）。
近10余年来，随着智能电网调度控制系统的逐步建设完善，目前已达10万多套计算机、10万余套网络设备，遍布全国各省。
除此之外，我国实现了电网多重相继故障在线预警。从原来每年两次（夏季、冬季）电网运行方式计算，提高到每15分钟周期计算和秒级大扰动事件触发即时计算，在国际上首次实现了实时跟踪分析分钟级电网多重相继故障，有效提高了调度应对电网多重相继故障的能力。
控制系统有自身的规律，电力系统也有自身规律。如上图所示，控制功能的响应时间和作用距离成正比。因此决不能将控制系统集中在一个区域，否则会引起非常严重的事故。
目前，我国的智能电网系统已经形成了一系列标准，其中最主要的五个标准分别是：通用图形界面、通用服务接口、通用模型描述、通用通信协议、通用安全防护。我国智能电网标准向国际电工委员会ICE贡献了两条规范指南，足以说明该系统已是世界领先。
目前，我国智能电网已为世界之最。数字化（信息化）、自动化、智能化必须满足电力系统实用化要求。
由于半导体器件都是高耗能器件，所以需要谨防过度智能化，造成无谓的高能耗（如比特币挖矿等）。
近年来，国家进行了多次电力一次设备智能化。以视频监视隔离刀闸为例，造成了很多资源浪费。
因此过度智能化也带来了很多问题，例如一次设备智能化后可靠性下降；一次和二次设备寿命不匹配；大部分智能化设备实用性不强；变电站实时量测点增加10倍以上。
如何提高一次设备自身质量？如何提高智能设备实用化水平？如何防止过度数字化、过度智能化？是大家需要思考并着手解决的问题。
在智能电表及用电信息采集方面，公网远方控制存在安全风险，未来可能只保留非实时远方读表功能。互联网企业需要高度加强对用户的敏感数据及隐私信息的保护。
目前，网络安全威胁形势日益严峻。仅在2008年8月奥运期间(2周)涉奥电网受到外网攻击8939次。
2017年5月，Google发现Intel的CPU内藏有Minix操作系统，很快Google的张量处理器TPU也被发现漏洞，后又发现熔断meltdown、幽灵spectre、POP SS、僵尸负荷等隐患，所有支持乱序执行和分支预测功能的处理器（CPU、GPU、TPU等）都有问题。由此可见，网络安全威胁从软件向硬件发展。
如上图所示，近年来我国电网遭受外网恶意攻击的频度增加。目前，我国电网平均每8秒钟遭1次攻击，每日遭遇攻击10000多次。在国家重大活动期间电网遭受外网恶意攻击的频度比平时增加数倍！
综上所述，工业控制系统需要内生式安全，即功能安全、密码技术，网络安全三合一。适用于工业系统SCADA、DCS、CCS、PLC等。
虽然各工业领域业务特性差异很大，防护措施不尽相同，但网络安全防护体系相同！工业领域GB/Z41288-2022是重要工业控制系统网络安全防护导则，是工业领域网络安全的硬体系。
重要工业控制系统网络安全防护体系（TEMt）主要以全面安全管理、应急备用措施、以及安全防护措施三个维度进行工业网络安全防护。
在内生安全方面，需要保证监控系统无恶意软件、操作系统无恶意后门、整机主板无恶意芯片、主要芯片无恶意指令、以及可信计算安全免疫。
根据国家最新标准，重要工业工程行业可用专用云，必须与企业管理的专用云进行有效的安全隔离，绝不能使用社会公用云，避免信息泄露，保护工业系统的网络安全。
在重点工业控制方面，为了避免万物互联，雾大成霾，工业控制可用专用的物联网，实现按需互联，确保国家的工业财产安全。
“零信任”架构是在边界安全防护的基础上，增加一层基于身份的逻辑安全边界，把访问控制从粗粒度的网络边界层面，迁移到细粒度的所有主体、客体和业务层面，对所有的人、设备、访问请求等进行身份验证和权限管控，实现内外兼防，自拆边界等于自毁长城！
由此可见，工业云需要硬件面向集群，软件面向服务。其中，硬件包括多核众核芯片、对称多道处理SMP、服务器集群NUMA。软件服务包括虚拟化、网络GRID、以及云计算
三、电力行业数字化转型
工业控制系统应该以业务为中心，并非将数据作为中心。整个系统分为前台，中台和后台，其中，前台是业务的访问层，中台是业务的应用层，后台是业务的数据库层。
如上图所示，通过数据面向模型，模型面向业务。工业大数据被分布处理后，成为工业小数据，实现了毫秒级的计算。除此之外，无业务模型的数据是垃圾数据，假数真算，东数西算，离开业务，纯粹费电。
现阶段的人工智能四肢发达，五官英俊，思维简单，仍处在成长阶段。如果将人工智能用在电力系统和生产控制系统，必须结合电力系统模型。没有业务模型的AI实时闭环控制，存在重大安全隐患！
目前，多种光纤通信适应工业控制业务。其中，可见光通信秉承了光通信的优势，抗电磁干扰，防水防油，保密性强，无信息逸散风险，并且对比于激光通信，虽然速率较低（100K~100Mbps)，但是介质容易加工(剪切即可)，耐恶劣环境（弯折，震动，磨损），更加适应工业现场环境。还易与末端的无线光通信LiFi相结合，适用于智能电子式交通信号灯类业务。
由于无线通信面向移动目标，发电厂、变电站、输电线、用电大楼都不移动，所以固定业务不需无线专网。厂站车间的金属反射、电磁干扰、粉尘环境等，对无线通信干扰很大。所以为了适应固定业务，应采用光纤+无线的F5G方式。
如上图所示，传统的应用系统和传统工控系统，需要逐步升级为新型分布式工控系统，由工控网络进行连接，进一步保障工业生产的安全，提高工业生产的效率。
为了破解三大结构问题急需市场机制或电价政策，目前最为有效的方法是双边峰谷电价：促进发电侧和用电侧平衡最为有效！总体电价及平均电价水平不变，高峰时段上调30%，低谷时段下调30%，可由各省发改委根据各地具体情况制定，逐步过渡到电力市场。
如上图所示，解决电源结构问题50~100年，解决电网结构问题需10~20年，而解决用电结构问题可当日见效！
新型电力系统的核心目标是让电力系统更安全可靠、更经济高效、更绿色环保、更实用友好。
企业需要注意的是在新型电力系统中，电网主网结构未变、分层控制方式未变、安全防护体系未变、电力通信网络未变。
政府和企业必须谨防双碳过度零碳化、储能过度电池化、电网过度直流化、通信过度无线化、设备过度智能化，业务过度数字化。
