1.2 多种形式、功能、系统的集成和交互
智能电网是电力、通信和 IT 无缝集成的信息物理融合系统，其测试环境的架构和实施是一门科学[8]。
十几年前建立的美国国家数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)测试环境，成功开展了控制系统风险评估、漏洞修补、加固验证等工作，其中的发电、输电等组成都是由真实设备构成，实物部署的大量成本限制了类似测试环境的发展[9]。文献[10]提出 CPS 测试环境应体现网络、控制和物理系统之间的交互，实物、仿真、模拟的混合模型是建立可扩展、高保真、有成效的 CPS 测试环境的核心。实时数字仿真、电力硬件在环、网络在环成为测试环境的普遍且重要元素。
爱达荷国家实验室 (Idaho National Laboratory，INL)的电网可靠性和控制系统测试环境，由自主运行的输电系统、配电系统以及实时全数字的电磁暂态电力系统仿真器构成，模拟真实电力系统环境，与电力系统控制和保护装置直接连接，开展继电器保护和控制系统的实时闭环测试等安全研究[11]。
为解决清洁能源与电网的无缝集成问题，NREL 主导了电网研究和技术实验的集成网络测试环境项目(integrated network testbed for energy grid research and technology experimentation ，INTEGRATE)。项目部署了主动网络管理，集成了配 电 控 制 系 统 、 微 网 能 源 管 理 系 统 (Energy Management Systems，EMS)和智能家居 EMS，还将建立太阳能光伏、电动汽车、智能建筑、燃料电池技术和风电等电网服务能力模型，利用实时自主的确定性控制，连接和管理配电网中的分布式能源。项目研究了设备安全互操作的信息通信和计算架构标准，研究和示范清洁能源技术的整体电网服务能力[12]。
1.3 真实运行数据促进测试环境的成效
NIST 认为电力系统、通信和控制集成的逼真模拟是 CPS 测试环境发展的关键问题，同时，CPS数据的缺失也是影响测试环境发展的重要因素[2]。西 北 太 平 洋 国 家 实 验 室 (Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)的电力基础设施运行中心汇集了北美东西部电网的真实数据，在智能电网测试和技术研究中占据着独特的地位。PNNL 发挥其拥有的真实电网数据、行业领先软件等优势，开展系统监视和分析研究，不仅能提供整个电网的实时状态和分析数据，而且可精确地预测即将发生的故障及其响应措施。北美东西部电网的真实数据为PNNL 的时序配电系统仿真分析工具 Grid LAB-D、电网运行和规划技术集成软件 Grid OPTICS 的开发和测试，提供了数据基础[13]。NREL 在 DMS 综合测试环境中，利用杜克能源提供的实际数据，模拟北卡罗来纳州的配电馈线，可以超实时仿真杜克能源即将出现的运行状况[5]。文献[6]采用了 PecanStreet 提供的科罗拉多州家庭的每一分钟实际负荷以及太阳能光伏的实际输出数据，用于智能家居、ANM 技术的测试环境。Pecan Street 为研究人员提供了最大的客户能源数据源[14]。
1.4 通信成为测试环境的支撑和专题研究对象
在传统电网中，通信是三大重要支撑技术之一。在智能电网中，通信贯穿整个智能电网架构，承担智能电网各组成之间以及对外信息交互。目前智能电网通信的性能、适宜性、互操作性和安全性还存在很多问题有待解决[2]。文献[15]阐述了智能电网通信网络的总体架构，分析了高级量测(advanced metering infrastructure，AMI)网络、变电站网络、配电网络的通信延迟、带宽等通信参数。文献[16]分析了智能电网通信架构的服务质量、互操作、安全性、标准化等关键要求。美国电科院Electric Power Research Institute，EPRI)组织工业界和研究机构研究制定了开放的互操作系统的标准及测试方法，分析了面向智能电网控制的近场通信、应急通信技术、同步通信架构和配用电 4G 通信技术[2]。
文献[8]认为，智能电网是电力基础设施和通信基础设施的组合。通信与电力系统的融合成为研究关注点。橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)的分布式能源通信和控制实验室，为分布式能源、负荷响应、智能逆变器和微网控制、通信和保护等研究，提供了独特的测试环境[17]。工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium，IIC)的微网通信和控制测试环境，集成了基于数据发布服务的通信平台和分布式边缘分析处理和控制应用，引入了实时分析和控制，增强了设备之间、设备与控制中心、设备与云数据通信的可行性[18]。
为加快智能电网通信及其标准的开发，NIST 开展了智能电网通信网络研究项目，采用 Grid LAB-D模拟配电网，并与 ns-3 集成，形成了闭环的协同模拟架构，捕获电力和通信系统的交互，评估相量测量装置(phasor measurement unit，PMU)数据网等各种网络结构性能，研究评估不同场景下各种通信协议的性能及其提升方法[19]。
1.5 网络安全成为测试环境的研究方向
网络安全涉及智能电网的方方面面，同时云计算、物联网等新技术的发展、PMU 等实时监控以及再生能源集成的不断增长，带来智能电网信息安全的变化和发展。智能电网的网络安全，不仅需要分析和防范单个攻击，更要防御协同攻击的影响;不仅需要研究单个控制系统的安全方案，而且需要研究广域控制的整体安全机制;不仅需要关注安全事件的监测、防护，而且需要研究事件中关键系统和关键服务的坚韧性(Resilience)以及事件后的快速恢复[20-22]。智能电网各组成的安全要求及其防御措施各具特色，同时又有共通的分析和防护技术、策
略和方法。NIST 发布的《美国智能电网信息安全指南》提出了智能电网信息安全分析框架，认为智能电网的信息安全需要在计算机系统和电力系统的技术、过程操作和管理等方面寻求平衡。文献[23]认为，入侵监测等通用的网络安全措施有助于降低智能电网的安全风险，但因智能电网的信息物理融合特性，这些通用的解决方案不能满足智能电网的安全需求。智能电网的网络安全需要跨越 IT 层面，与电力系统紧密结合，从电力系统角度分析网络风险结果，形成信息物理安全机制。文献[24]指出信息物理融合系统的网络安全问题不同于传统的网络安全，必须理解信息与物理系统的相互作用和影响，需要高保真地复制一定规模的 CPS 系统，这是智能电网坚韧性研究的关键要素。智能电网网络安全测试充分体现了系统性和集成性的特性。
文献[25]将 IT层面的防护技术与具体的物理对象相结合，建立了模拟的控制网络与仿真的物理模型实时交互的测试环境，采用网络入侵检测技术，分析物理模型和控制器之间的真实通信流量，测试验证工业控制过程的入侵监测系统。伊利诺伊大学的智能电网测试环境，不仅关注电网网络基础设施的风险、入侵的有效监测和快速分析，而且还关注突发事件后的快速恢复。NREL 建立的分布式配电系统的网络安全测试环境，利用软硬件系统模拟配电系统、通信和网络安全层，评估配电网信息安全保护模式的作用[5]。爱荷华州立大学的智能电网安全测试环境 Power Cyber，集成 SCADA 以及模拟和仿真技术，提供了一个逼真的电网控制基础设施，可以模拟大电力系统的监测、保护和控制功能，准确展示智能电网信息物理融合的相互依赖关系。同时，Power Cyber 还集成了虚拟因特网技术，可以模拟互联网规模的事件和攻击，开展薄弱环节分析和系统影响研究，开展风险评估和攻击防御评估[9]。
2 美国智能电网测试环境的发展思路
按照 NIST 的规划和发展目标，目前美国测试环境在智能电网发展中发挥着重要但仍然有限的作用，处于初级向高级发展的提升阶段。未来 5 年，测试环境可在如表 2 所示方面推进智能电网的发展。在此基础上，NIST 提出模块化和互联互通是美国智能电网测试环境的发展方向[2]。
2.1 模块化
智能电网测试环境的模块化，可以在一个环境中模拟多种集成方式，评估系统各种不同结构的性能，提升测试环境和基础设施的互联能力，提升智能电网与交通系统、应急响应等其他领域 CPS 连接测试的灵活性。
理想的模块化、组合式的测试环境应拥有面向服务的、可扩展的、典型的能源系统结构;拥有可互操作、与硬件无关的可灵活配置的基本架构;具备与各种接口交互的能力;能捕捉数据传输速率、延迟等特性;是嵌入式测试过程。
开发模块化、可扩展的测试环境面临技术复杂和成本高等问题，同时由于测试整体工作缺少路线指引和运作标准，目前模块化组合式测试环境还没有成熟的案例。
2.2 互联互通
大规模 CPS 测试环境的开发和维护需要大量的资源，互联互通共享成为智能电网测试环境发展的方向。NIST 认为，交互式能源等新兴概念、控制系统互操作性、大数据分析、开放式数据交换、系统安全和可靠性、集成标准和协议等智能电网技术研究需要测试环境的互联。电动汽车的电网接入、智能建筑系统与配电运行的交互也需要跨应用、跨领域的测试环境互联。
测试环境的互连面临基础设施共享、资源调配、系统互操作性、数据信息交换等一系列技术和观念挑战。NIST、DOE 国家实验室已在开展互联试验。
3 美国智能电网测试环境发展的行动策略
3.1 测试环境发展的协同和协调
NIST 于 2014 年组织了来自行业、学术界和国家实验室的专家，建立工作组，以智能电网有待解决的问题为切入点，分析了智能电网测试环境的发展需求，发布了技术白皮书 “Measurement Challenges and Opportunities for Developing Smart Grid Testbeds”(简称 MCODSGT)，就智能电网测试环境的定位和发展方向形成共识[2]。
2014 年 DOE 汇集了其下属的国家实验室专家和资源，建立了电网现代化实验室联盟 (Grid Modernization Laboratory Consortium，GMLC)，启动了全新的电网研究模式。GMLC 将“设备和系统的集成测试”作为其六大重点技术研究领域之一，协调整个智能电网领域的测试活动，建立设备测试和验证能力，开发集成测试过程，开放共享经过验证的组件模型、仿真工具和测试资源，开展多种规模的系统集成和测试[26]。
2015 年11 月美国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)成立了可远程访问的信息物理融合测试环境工作组，研究远程可访问的信息物理融合测试平台的建立和维护相关问题，计划2017 年 7 月提交工作报告[27]。
