智能电网中的以太网
电网接受来自传统和绿色（可再生能源，如：太阳能、风能等）等不同能源的电力。然后把这个电力配送到工业、商业和住宅的消费者。流入电网的电力必须与流出电网的电力在实时连续的基础上，要尽可能相一致 。
当流入电力和流出电力不匹配的时候，会使电网产生电压波动。超额的需求会使电压降低，最终会造成故障。电网中的电力存储能够暂时提升电力供应，解决部分问题 ，但存储即有技术上的挑战，造价也非常昂贵。一个比较好的方法是使用实时信息和控制系统，平衡电网中流入的电力和流出的电力。
这些实时信息和系统必须依靠有线和无线通信网络，使用事实标准的网络就是以太网。不同以太网协议和参与的硬件，包括交换机、路由器和连接器构成了电网的通信骨干。
控制发电
对发电厂电力输出的排产是相对容易的，只需要一点儿或不需要实时的信息。一个配电中心的工作人员可以简单估算一下几天周期的客户需求，然后把这个信息通过电话告诉这个地区发电厂的运营者 。
发电厂会按照预先制定的估算排产发送电力。某些电厂，典型为大型火力电厂或核电厂，指定为基础负载供电，通常运行在或接近运行在满负荷状态。天然气涡轮机常用于尖峰时刻的发电，而水电单元则用于满足短期波动的需求。因为发电可预测和可控制，所以系统能够很好工作。
发电情景的主要变化发生在上世纪80年代，当时美国出现了独立电力生产者（IPP）。这些IPP不属于电力公司，但允许他们连接电网。由于各种不同的原因，对这些IPP电力输出的控制比电力公司完全拥有的发电厂要困难得多。
IPP希望他们的设施能在最大效率和低发电成本下运行，以增加利润。这些目标经常与电力公司发生直接冲突，因为电力公司关心的是控制IPP输出满足客户需求，而不顾效率的多少。为了缓解两者的冲突，需要在IPP和电力公司之间建立实时的信息通信。电力公司必须告知IPP他需要的电力数据，IPP必须让电力公司知道他是否能提供这些电力或满足到什么程度。
对于发电等式另一个大的变化是代用能源的出现，特别是风能和太阳能。与传统的发电不同，由太阳和风产生电力，因为太阳、特别是风会在一个很大范围里以一种不可预测的方式变化，所以破坏了整个电网中电力供给的稳定。
在很多实例中，特别是本地区，太阳能至少对需求具有一些 正相关性。如太阳普照大地时，至少部分电力需求是增加的，主要由于空调负载的增加。但风能与需求几乎没有相关性，在一些实例中甚至与需求为负相关。“在加州，当你最需要电的时候风能往往最不给力，”皮特达比说，他是PG&E 电力公司的首席执行官。
“当然，有些风是好事情。但如果风能低于一定的比例时－大概 15％或更小－你要做的事情是使用天然气弥补风能的不足－推动涡轮机，使你为满足用户需要的时能更加靠谱，”达比补充道。
最初，太阳能和风能的变化问题还能容忍，因为这些能源对于整个电网的电力供应仅为很小的比例。但是随着越来越多太阳能和风能电厂的建立，连接到电网的变化电力正在成为一个巨大的问题，特别是风电。
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监视和控制需求
发电在过去是非常容易管理的，仅需要相对小的努力就可以控制电力需求。
整个发电、输电和配电系统的设计，电力输出应能容纳尖峰负载。需求的尖峰和波谷相对容易预测，传统的排产发电可以维持比较好的发电和用电匹配 。
通常允许电力公司基于投资回报率来设定电价，所以对建设新电厂和相应的输电和配电基础设施具有激励作用。容许这些设施用数周或数月处理公众关注电厂排放和其他负面问题。
削平尖峰是新建电厂追求的目标，但要进行多种努力。通常这些努力不需要高速实时控制和信息系统。电力对某些最终用户，特别是大工业客户，简单使用阶梯电价的手段就可以取消或减少需求－这都基于与电力公司谈判的长期合同。
但今天电力公司的情况有非常大的不同。法规和公众舆论都在推行节能和绿色发电，而不是传统发电和新基础设施。加上来自太阳能、特别是风能的可变能源，使得发电－需求等式快速地变化。为了平衡发电与需求－一个电力公司必须能够连续调节发电、需求或两者－所有都以实时为基础。
通常控制需求比较容易而廉价，甚至在能够实时快速调节发电的时候。 需求的监视和控制需要复杂的控制系统，它们依靠大量的实时信息。 电力公司使用这些控制系统做出决定，对他们的客户发送信息。
收集关于当前需求的信息和把信息发布到发电机和客户，两者都可以通过以太网来传送。很多这样的网络已经在一些电力公司的现场存在了， 但还需要建立更多这样的网络。
图1：本图表示了电力怎样从发电厂配送到客户。实时电力监视通常在变电站执行。
变电站信息
关注电网电力流入和流出的实时信息由电力公司通过对他们输电和配电系统的监视来测量的，特别是他们的变电站。电力公司先使用变电站把发出的电压升高到输电的等级，然后再用变电站把输电电压降低到配电的水平（见图1）。
靠近电厂的变电站把发电电压从11－22kV升高到的输电电压138和 765kV。靠近使用点的变电站再把输电电压降到配电电压，范围从13.2kV到69kV。
在变电站，为不同的目的通常要进行电力测量，包括对变电站设备的控制和保护，诸如电路断路器和变压器。这些电力测量使用多种基于以太网的设备，诸如保护继电器和功率监视器。
这些设备通过变电站的以太网连接到变电站控制器，即可以是通用的可编程控制器（PLC），也可以是非常特殊的变电站控制器。在一些变电站，控制器也连接到本地的工业计算机。
理想的情况是所有这些以太网设备应该遵从IEC 61850标准－用于变电站自动化的标准。 遵从这个标准可以使这些设备的通信标准化和简单化。
这些以太网设备之间通信的管理通常由安装在变电站的交换机来完成。虽然这些交换机可以是管理型或非管理型的，但管理型交换机能提供更多功能，这对变电站自动化应用中以太网的可靠性至关重要。
在变电站环境中的以太网交换机必须能运行在恶劣的条件下，如温度和湿度有很大变化以及大振动和电噪声。由于变电站自动化网络任务的艰巨性，高可靠性是最重要的考量。与电力标准兼容，特别是用于变电站自动化的IEC 61850标准，确保可靠性要高于运行参数的范围。
除了在变电站等级的设备通信管理，交换机还要完成变电站与电力公司管控中心的SCADA系统通信。这些通信通过虚拟私有网络或一些其他方式，提供关键数据，使电力公司能够匹配发电和需求。
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图2：变电站设备之间的通信管理通常由以安装在变电站的以太网交换机完成。虽然这些交换机可以是管理型或非管理型，但管理型交换机能提供更多功能，这对变电站自动化应用中以太网的牢靠性是至关重要的。
平衡发电和需求
信息在变电站收集，然后通过SCADA系统提供给电力公司的管控中心。这个信息使电力公司能够连续监视电网中的电力流入和流出。
信息监视只是第一步，第二步是使用这个信息控制和平衡发电与需求。前面已经提到，发电的控制在今天的电力系统要比过去困难得多，主要因为IPP的出现和来自绿色电力资源的发电变化。
出现的一种趋势是，对电力公司不仅要提供输向电网的电力数量， 还要提供电力的预测性和可靠性。为了与风电做斗争，一些电力公司正强制性收取一种风能集成附加费，至少部分补贴了电力公司对付变化发电的费用。
这种收费很有争议，所以很多电力公司 不得不把原来提出的风能集成附加费率由 2.72美元/每千瓦每月 减少到1.29美元/每千瓦每月。这个附加费减少的部分是由于“当风力不可预测而忽高忽低时，为了发电的可靠性，对风力发动机所采取的行动，”但公众压力确实起到了作用。
IPP和绿色电力现已存在，所以他跟随电力公司把更多努力聚焦在发电－需求等式的需求侧。 控制需求的最佳方法要依靠基本经济学，也就是提高价格减小消耗。
一种粗放式管理是在整个时间都提高价格，而一种精细式管理是仅在高峰用电时间提高价格。基于来自变电站以太网收集的信息，电力公司现在具有实时高保真图像。
可以用两种办法对需求削峰。第一种，对个别客户需求可以按电力公司事先与该客户签订的协议进行削减。这种协议是一种与大型工业客户签订的长期协议， 新技术使它更为实际，可以扩展到小型工业、商业建筑、甚至到住宅客户的协议 。
因为有基于变电站的SCADA系统，以太网技术使满足这些客户的需求更为可行。使用有线和无线以太网将通过广域以太网收集来自智能电表的数据。
一旦收集了数据，有两种方法传递给客户。对于已经具有宽带因特网连接PC的客户，可以用浏览器在线实时访问他们的用电和价格情况。对于没有这种访问的客户或对于喜欢用一种分开显示用电的客户，现在有一种设备可以提供，显示实时用电和价格。通过价格调节，电力公司希望客户来控制需求。
（罗克韦尔自动化 华镕）
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