スマートグリッド

最初の交流電力網システムは、1886年にマサチューセッツ州グレートバリントンに設置されました。^{[ 10 ]}当時、このグリッドは電力の送電、配電、需要主導型制御を行う集中型の単方向システムでした。

20世紀には、地域電力網は徐々に拡大し、最終的には経済的および信頼性の観点から相互接続されるようになりました。1960年代までに、先進国の電力網は非常に大規模で成熟し、高度に相互接続されるようになり、数千の「中央」発電所が、大容量送電線を介して主要な負荷センターに電力を供給し、そこから分岐・分割されて、供給エリア全体の小規模な産業用および家庭用ユーザーに電力を供給していました。1960年代の電力網のトポロジーは、強力な規模の経済の結果でした。1 GW（1000 MW）から 3 GW 規模の大規模な石炭、ガス、石油火力発電所は、発電所が非常に大規模になった場合にのみ費用対効果が高くなる効率向上機能のおかげで、依然として費用対効果が高いことがわかっています。

発電所は、化石燃料の埋蔵地（鉱山や油井そのもの、あるいは鉄道、道路、港湾の供給ライン）に近い場所に戦略的に配置されました。山岳地帯に水力発電ダムを建設したことも、発展途上の電力網の構造に大きな影響を与えました。原子力発電所は、冷却水の確保を考慮して建設されました。また、化石燃料火力発電所は当初、非常に汚染度が高かったため、配電網が整備され次第、人口密集地から経済的に可能な限り遠く離れた場所に建設されました。1960年代後半には、先進国の人口の圧倒的多数が電力網に接続され、一部の地方地域のみが「電力網に接続されていない」状態となりました。

電力消費量の計測は、異なる利用者の（非常に変動の大きい）消費量に応じて適切な料金を請求できるようにするために、利用者ごとに必要でした。送電網の成長期にはデータ収集と処理能力が限られていたため、固定料金制が一般的に導入され、夜間の電力料金が日中の電力料金よりも低くなる二重料金制も導入されました。二重料金制の動機は、夜間の需要が低いことでした。二重料金制により、低コストの夜間電力を、日中の需要を「平準化」する「熱バンク」の維持などの用途に利用することが可能になり、夜間に停止する必要のあるタービンの数を減らし、発電および送電設備の利用率と収益性を向上させることができました。1960年代の送電網の計測能力は、価格シグナルをシステム全体に伝播させる程度に技術的な制約をもたらしました。

1970年代から1990年代にかけて、電力需要の増加に伴い発電所の数も増加した。一部の地域では、特にピーク時に電力供給が需要に追いつかず、停電、電力供給制限、電圧低下などの電力品質の低下を招いた。産業、暖房、通信、照明、娯楽など、電力への依存度が高まるにつれ、消費者はより高いレベルの電力供給を求めるようになった。

20世紀末にかけて、電力需要のパターンが確立されました。家庭用暖房や冷房によって需要が1日にピークを迎えるようになり、それに対応するため、短時間だけ稼働する「ピーク時発電機」が多数設置されました。これらのピーク時発電機（一般的には、設備投資コストが比較的低く、起動時間が短いことからガスタービンが使用されました）の稼働率は比較的低く、電力網の冗長性も必要だったため、電力会社には高額なコストがかかり、それが料金の値上げという形で転嫁されました。

21世紀には、中国、インド、ブラジルなどの発展途上国がスマートグリッド導入の先駆者と見なされていた。^{[ 11 ]}

21世紀初頭以来、電子通信技術の進歩を利用して電力網の制約とコストを解決する機会が明らかになってきた。計測の技術的制約により、ピーク電力価格を平均化してすべての消費者に均等に転嫁する必要はなくなった。同時に、化石燃料火力発電所による環境破壊への懸念の高まりから、大量の再生可能エネルギーを利用したいという願望が生まれた。風力発電や太陽光発電などの主要な形態は変動性が高いため、高度に制御可能な電力網に電源を接続することを容易にする、より高度な制御システムの必要性が明らかになった。^{[ 12 ]}太陽電池（および程度は低いが風力タービン）からの電力は、大規模な集中型発電所の必要性にも大きな疑問を投げかけている。急速に低下するコストは、集中型電力網トポロジーから、電力が電力網の限界で生成および消費される高度に分散されたトポロジーへの大きな変化を示している。最後に、一部の国でのテロ攻撃に対する懸念の高まりにより、潜在的な攻撃標的と見なされていた中央集権型発電所への依存度が低い、より強固なエネルギー網を求める声が上がっている。^{[ 13 ]}

スマートグリッド技術は、電子制御、計測、監視を使用する以前の試みから生まれました。1980年代には、自動メーター読み取りが大規模顧客の負荷を監視するために使用され、1990年代の高度計測インフラストラクチャに進化しました。このメーターは、1日のさまざまな時間帯に電力がどのように使用されたかを保存できます。 ^{[ 19 ]}スマートメーターは継続的な通信を追加して、リアルタイムで監視できるようにし、家庭内のデマンドレスポンス対応デバイスや「スマートソケット」へのゲートウェイとして使用できます。このようなデマンドサイド管理技術の初期形態は、電力供給周波数の変化を監視することによってグリッドの負荷をパッシブに感知する動的なデマンド対応デバイスでした。産業用および家庭用エアコン、冷蔵庫、ヒーターなどのデバイスは、グリッドがピーク状態にあるときに作動しないようにデューティサイクルを調整しました。2000年に開始されたイタリアのTelegestoreプロジェクトは、低帯域幅の電力線通信を介して接続されたスマートメーターを使用して、多数（2700万）の家庭をネットワーク化した最初のプロジェクトでした。^{[ 20 ]}一部の実験では電力線ブロードバンド（BPL）という用語が使われ、他の実験では家庭内のさまざまなデバイスへのより信頼性の高い接続や、ガスや水道などの他のユーティリティの計測をサポートするために推進されているメッシュネットワークなどの無線技術が使われた。 ^{[ 12 ]}

広域ネットワークの監視と同期は、1990年代初頭にボンネビル電力公社がスマートグリッドの研究を拡大し、非常に広い地理的領域にわたる電力品質の異常を非常に迅速に分析できるプロトタイプセンサーを導入したことで革命的になりました。この研究の集大成は、2000年に運用された最初の広域測定システム（WAMS）でした。^{[ 21 ]}他の国々もこの技術を急速に統合しており 、中国は2012年に過去5カ年経済計画が完了したときに、包括的な国家WAMSを導入し始めました。^{[ 22 ]}

スマートグリッドの初期の導入例としては、イタリアのTelegestoreシステム（2005年）、テキサス州オースティンのメッシュネットワーク（2003年以降）、コロラド州ボルダーのスマートグリッド（2008年）などが挙げられる。詳細は、下記の「 導入事例と導入未遂事例」を参照のこと。

スマートグリッドは、状態推定などの技術^{[ 24 ]}を利用して、障害検出を改善し、技術者の介入なしにネットワークの自己修復を可能にします。これにより、より信頼性の高い電力供給が確保され、自然災害や攻撃に対する脆弱性が軽減されます。

スマートグリッドの特徴として複数のルートが宣伝されているが、従来のグリッドにも複数のルートがあった。グリッド内の初期の送電線は放射状モデルを使用して構築され、後にネットワーク構造と呼ばれる複数のルートを介して接続が保証された。しかし、これにより新たな問題が生じた。ネットワーク全体の電流の流れまたは関連する影響が特定のネットワーク要素の制限を超えると、その要素が故障し、電流が他のネットワーク要素に分流され、最終的にはそれらも故障してドミノ効果を引き起こす可能性がある。停電を参照。これを防ぐ技術は、輪番停電または電圧低下（ブラウンアウト）による負荷遮断である。^{[ 25 ] [ 26 ]}

次世代の送配電インフラは、双方向のエネルギーの流れをより適切に処理できるようになり、建物の屋根に設置された太陽光発電パネルなどの分散型発電だけでなく、電気自動車のバッテリー、風力タービン、揚水式水力発電、燃料電池、その他の電源からの充電も可能になる。

従来のグリッドは電力の一方向の流れを想定して設計されていましたが、ローカルサブネットワークが消費する電力よりも多くの電力を生成する場合、逆方向の流れによって安全性や信頼性の問題が発生する可能性があります。^{[ 27 ]}スマートグリッドは、このような状況を管理することを目的としています。^{[ 12 ]}

スマートグリッド技術の導入により、エネルギーインフラ全体の効率向上に数多くの貢献が期待されています。特に、需要側管理、例えば、電力価格の短期的な急騰時にエアコンをオフにする^{[ 28 ]}、電圧/無効電力最適化（VVO）により配電線で可能な場合は電圧を下げる、メーター読み取りのためのトラックの出動をなくす、高度計測インフラシステムからのデータを使用した停電管理の改善によりトラックの出動を減らす、といったことが挙げられます。全体的な効果としては、送電線と配電線の冗長性が減り、発電機の利用率が向上し、電力価格の低下につながります^{[ 29 ] 。}

ピーク抑制・平準化と時間帯別料金制度

高コストのピーク使用期間中の需要を削減するために、通信および計測技術は、家庭や企業のスマートデバイスにエネルギー需要が高いことを通知し、使用された電力の量と使用時間を追跡します。また、電力会社がデバイスに直接通信してシステムの過負荷を防ぐことで消費を削減する能力も提供します。例としては、電力会社が電気自動車充電ステーションのグループの使用を削減したり、都市のエアコンの温度設定ポイントを変更したりすることが挙げられます。^{[ 30 ]}使用量を削減し、ピーク抑制またはピーク平準化と呼ばれることを実行するように促すために、電力料金は需要の高い期間に引き上げられ、需要の低い期間に引き下げられます。^{[ 12 ]}消費者や消費者デバイスがピーク時に電力を使用すると高額な料金が発生することを認識できれば、消費者や企業は需要の高い期間に消費量を減らす傾向があると考えられています。これは、エアコンのオン/オフを繰り返す、または食洗機を 午後5時ではなく 午後9時に運転するなどのトレードオフを行うことを意味します。企業や消費者が、電力需要の少ない時間帯にエネルギーを使用することによる直接的な経済的メリットを認識すれば、エネルギー運用コストを消費機器や建物の建設に関する意思決定に組み込み、結果としてエネルギー効率を高めるようになるというのが、この理論の根拠である。

スマートグリッドの柔軟性の向上により、エネルギー貯蔵を追加しなくても、太陽光発電や風力発電などの変動性の高い再生可能エネルギー源の普及率を高めることができます。^{[ 31 ]}現在のネットワークインフラは、多くの分散型フィードインポイントを可能にするように構築されておらず、通常、ローカル（配電）レベルで一部のフィードインが許可されていても、送電レベルのインフラはそれに対応できません。曇りや突風などの天候による分散型発電の急激な変動は、ガスタービンや水力発電機などの制御しやすい発電機の出力を変化させることで安定した電力レベルを確保する必要がある電力技術者にとって大きな課題となります。このため、スマートグリッド技術は、グリッド上で非常に大量の再生可能電力を実現するための必要条件となっています。また、V2G （Vehicle-to-Grid）もサポートされています。^{[ 32 ]}

スマートグリッドは、供給者（エネルギー価格）と消費者（支払意思額）間の体系的なコミュニケーションを可能にし、供給者と消費者の両方が運用戦略においてより柔軟かつ高度な対応を取ることを可能にします。ピーク時のエネルギー価格を支払う必要があるのは重要な負荷のみであり、消費者はエネルギーを使用するタイミングをより戦略的に選択できるようになります。柔軟性の高い発電事業者は、最大の利益を得るために戦略的にエネルギーを販売できますが、ベースロードの蒸気タービンや風力タービンなどの柔軟性の低い発電事業者は、需要レベルと現在稼働中の他の発電事業者の状況に基づいて変動する料金を受け取ります。全体的な効果は、エネルギー効率と、供給の時間変動する制約に敏感なエネルギー消費を評価するシグナルとなります。家庭レベルでは、ある程度のエネルギー貯蔵能力または熱容量を持つ機器（冷蔵庫、蓄熱器、ヒートポンプなど）は、市場をうまく活用し、エネルギーコストを低コストのエネルギーサポート期間に合わせて需要を調整することで、エネルギーコストを最小限に抑えることができます。これは、前述の二重料金制エネルギー価格設定の拡張です。

IntelliGrid  – 電力研究所 (EPRI) によって作成された IntelliGrid アーキテクチャは、高度な計測、配電自動化、デマンドレスポンスなどの IT ベースのシステムの計画、仕様策定、調達において電力会社が使用する標準と技術に関する方法論、ツール、推奨事項を提供します。このアーキテクチャは、デバイス、システム、技術を評価するための実地実験室としても機能します。サザン カリフォルニア エジソン、ロング アイランド パワー オーソリティ、ソルトリバー プロジェクト、TXU エレクトリック デリバリーなど、いくつかの電力会社が IntelliGrid アーキテクチャを適用しています。IntelliGrid コンソーシアムは、グローバルな研究活動を統合および最適化し、技術の研究開発に資金を提供し、技術の統合に取り組み、技術情報を普及させる官民パートナーシップです。 ^{[ 47 ]}

Grid 2030  – Grid 2030 は、電力業界、機器メーカー、情報技術プロバイダー、連邦政府および州政府機関、利益団体、大学、国立研究所によって作成された、米国の電力システムに関する共同ビジョン声明です。発電、送電、配電、蓄電、最終利用を網羅しています。 ^{[ 48 ]} National Electric Delivery Technologies Roadmap は、Grid 2030 ビジョンの実施文書です。このロードマップは、グリッドの近代化における主要な課題と問題点を概説し、政府と業界が米国の将来の電力供給システムを構築するために取るべき道筋を示しています。 ^{[ 49 ]}

モダングリッドイニシアチブ（MGI）は、米国エネルギー省（DOE）、国立エネルギー技術研究所（NETL）、電力会社、消費者、研究者、その他のグリッド関係者が協力して米国の電力網を近代化および統合するための取り組みです。DOEの電力供給およびエネルギー信頼性局（OE）がこのイニシアチブを後援しており、Grid 2030および国家電力供給技術ロードマップに基づいて構築され、GridWiseやGridWorksなどの他のプログラムと連携しています。 ^{[ 50 ]}

GridWise  – 米国の電力網を近代化するための情報技術の開発に重点を置いた、DOE OE プログラム。GridWise アライアンスと連携して、このプログラムは通信アーキテクチャと標準、シミュレーションと分析ツール、スマートテクノロジー、テストベッドと実証プロジェクト、新しい規制、制度、市場の枠組みに投資しています。GridWise アライアンスは、公共および民間の電力セクターの利害関係者のコンソーシアムであり、アイデアの交換、協力活動、連邦および州レベルの政策立案者との会合のためのフォーラムを提供しています。 ^{[ 51 ]}

GridWise Architecture Council (GWAC)は、米国の電力システムと相互作用する多数のエンティティ間の相互運用性を促進および可能にするために、米国エネルギー省によって設立されました。GWAC のメンバーは、電力供給チェーンとユーザーの多くの関係者を代表する、バランスの取れた尊敬されるチームです。GWAC は、電力システム全体の相互運用性の目標を明確にし、相互運用性を可能にするために必要な概念とアーキテクチャを特定し、国の電力システムを構成するシステム、デバイス、および機関の相互運用を促進するための実行可能な手順を開発するための業界ガイダンスとツールを提供します。GridWise Architecture Council 相互運用性コンテキスト設定フレームワーク、V 1.1 は、必要なガイドラインと原則を定義します。 ^{[ 52 ]}

GridWorks  – ケーブルや導体、変電所や保護システム、パワーエレクトロニクスなどの主要なグリッドコンポーネントを近代化することで電力システムの信頼性を向上させることに焦点を当てた、DOE OE プログラム。このプログラムの焦点には、高温超伝導システム、送電信頼性技術、配電技術、エネルギー貯蔵装置、GridWise システムに関する取り組みの調整が含まれます。 ^{[ 53 ]}

太平洋岸北西部スマートグリッド実証プロジェクト- このプロジェクトは、太平洋岸北西部の5つの州（アイダホ州、モンタナ州、オレゴン州、ワシントン州、ワイオミング州）にわたる実証プロジェクトです。約6万のメーター付き顧客が参加し、将来のスマートグリッドの多くの重要な機能が含まれています。 ^{[ 54 ]}

ソーラーシティ- オーストラリアのソーラーシティプログラムでは、スマートメーター、ピーク時とオフピーク時の料金設定、遠隔切り替え、および関連する取り組みを試験するためにエネルギー会社と緊密に協力しました。また、送電網のアップグレードのための限定的な資金も提供しました。 ^{[ 55 ]}

スマートグリッドエネルギー研究センター（SMERC）は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校に拠点を置き、スマートEV充電ネットワーク技術の大規模テストに力を注いでいます。電力会社と消費者のエンドデバイス間の双方向の情報フローのための別のプラットフォームを構築しました。SMERCはまた、制御センター、デマンドレスポンス自動化サーバー（DRAS）、ホームエリアネットワーク（HAN）、バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）、太陽光発電（PV）パネルで構成されるデマンドレスポンス（DR）テストベッドを開発しました。これらの技術は、ロサンゼルス水道電力局と南カリフォルニアエジソンの管轄区域内に、EV充電器、バッテリーエネルギー貯蔵システム、ソーラーパネル、DC急速充電器、および車両間電力供給（V2G）ユニットのネットワークとして設置されています。これらのプラットフォーム、通信、および制御ネットワークにより、UCLA主導のプロジェクトを、地元の2つの電力会社であるSCEとLADWPと提携してテストすることが可能になります。 ^{[ 56 ]}

Smart Quart -ドイツでは、Smart Quartプロジェクトがスマートグリッドを運用するための技術を開発、テスト、および実証するために3つのスマート地区を開発しています。このプロジェクトは、 E.ON、 Viessmann、gridX、hydrogeniousとアーヘン工科大学の共同事業です。2024年末までに、3つの地区すべてに地元で発電されたエネルギーが供給され、化石エネルギー源への依存度が大幅に低下することが計画されています。 ^{[ 57 ]}

Smart5Grid – ポルトガルでは、エネルギー分野の事業者が5Gネットワ​​ークの利用に伴うメリットを享受できるようにすることを目指しています。信頼性とセキュリティを備えたソリューションは、高速データ転送速度やリアルタイム監視など、スマートグリッドに課せられる特定の要件に的確に対応します。 ^{[ 58 ]}

インテリジェント電力網をモデル化するために、さまざまな概念が使用されてきました。これらは一般的に複雑系フレームワーク内で研究されています。最近のブレインストーミングセッション^{[ 59 ]}では、電力網は最適制御、生態学、人間の認知、ガラスダイナミクス、情報理論、雲の微物理学、その他多くの文脈で検討されました。以下は、近年登場した分析タイプの例です。

自己検証および自己監視を行う保護システム

Pelqim SpahiuとIan R. Evansは、彼らの研究で変電所ベースのスマート保護とハイブリッド検査ユニットの概念を紹介した。^{[ 60 ] [ 61 ]}

蔵本発振器

電力網は、非線形発振器の同期に関するよく研究されたフレームワークである蔵本モデルのバリエーションにマッピングされています。[62][63] このモデルは、電力システムが位相同期（位相ロックとも呼ばれる）を維持するためにどのように電力バランスを維持するかを記述します。厳密^{に言えば、このモデル}は、たとえば分岐挿入やパラメータ分散の役割を決定するために、通常の電力網に最もよく使用されます。非均一発振器は、さまざまな技術、さまざまな種類の発電機、消費パターンなどをモデル化するのにも役立ちます。このモデルは、ホタルの点滅の同期パターンを記述するためにも使用されています。^{[ 62 ]}

スマートグリッド通信ネットワーク

ネットワークシミュレータは、ネットワーク通信効果をシミュレート/エミュレートするために使用されます。これは通常、スマートグリッドデバイス、アプリケーションなどを備えたラボをセットアップし、ネットワークシミュレータによって仮想ネットワークを提供することを含みます。^{[ 64 ] [ 65 ]}

ニューラルネットワーク

ニューラルネットワークは、電力網管理にも応用が検討されている。電力システムは、非線形、動的、離散的、ランダムなど、さまざまな方法で分類できる。人工ニューラルネットワーク（ANN）は、これらの問題の中で最も難しい非線形問題の解決を目指す。

需要予測

ANNの応用例の一つに、需要予測があります。電力網が経済的かつ安定的に運用されるためには、需要予測が不可欠です。需要予測は、負荷によって消費される電力量を予測するために使用されるからです。これは、気象条件、日の種類、ランダムなイベント、事故などに依存します。しかし、非線形負荷の場合、負荷プロファイルは滑らかではなく、予測も容易ではないため、従来の人工知能モデルでは不確実性が高く、精度が低くなります。ANNがこのようなモデルを開発する際に考慮する要素には、電力消費量に基づく異なる顧客クラスの負荷プロファイルの分類、従来の電力網と比較してリアルタイムの電力価格を予測するための需要応答性の向上、過去の需要を単一の入力に結合するのではなく、ピーク負荷、ベース負荷、谷負荷、平均負荷などの異なるコンポーネントとして入力する必要性、そして最後に、特定の入力変数に対するタイプの依存性などがあります。最後のケースの例としては、平日か週末かといった曜日の種類が挙げられます。これは病院の電力網にはあまり影響しませんが、居住住宅の電力網の負荷プロファイルには大きな要因となります。^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]}

マルコフ過程

風力発電の人気が高まるにつれ、現実的な電力網の研究に不可欠な要素となっています。オフラインストレージ、風力変動、供給、需要、価格設定、その他の要因は、数学的なゲームとしてモデル化できます。ここでの目標は、勝利戦略を開発することです。マルコフ過程は、この種のシステムをモデル化および研究するために使用されてきました。^{[ 71 ]}

2009年、米国のスマートグリッド産業は約214億ドルと評価されていましたが、2014年までに少なくとも428億ドルを超える見込みです。米国のスマートグリッドの成功を踏まえ、世界市場はより速いペースで成長し、2009年の693億ドルから2014年には1714億ドルに急増すると予想されています。最も恩恵を受けるのは、スマートメーターのハードウェア販売業者と、メーターによって収集された膨大な量のデータを送信および整理するために使用されるソフトウェアのメーカーでしょう。^{[ 72 ]}

電力研究所による2011年の調査では、米国のスマートグリッドへの投資には20年間で最大4,760億ドルかかるが、その間に最大2兆ドルの顧客便益が得られると結論付けている。^{[ 73 ]} 2015年、世界経済フォーラムは、 OECD加盟国による今後25年間で7.6兆ドル以上（年間3,000億ドル）の変革的投資が必要であり、技術革新が変革の鍵となる電力インフラの近代化、拡張、分散化が必要であると報告した。^{[ 74 ]}国際エネルギー機関による2019年の調査では、米国の電力網の現在の（減価償却後の）価値は1兆ドル以上と推定されている。これをスマートグリッドに置き換える総コストは4兆ドル以上と推定されている。米国全土にスマートグリッドが完全に導入されれば、年間1,300億ドルの節約が見込まれる。^{[ 75 ]}

顧客がさまざまな料金体系に応じて電力供給会社を選択できるようになるため、輸送コストへの注目度が高まるだろう。保守・交換コストの削減は、より高度な制御を促進するだろう。

スマートグリッドは、住宅レベルまで電力供給を正確に制限し、小規模な分散型エネルギー発電および蓄電装置をネットワーク化し、運用状況とニーズに関する情報を伝達し、価格とグリッドの状態に関する情報を収集し、グリッドを中央制御から協調的なネットワークへと移行させます。^{[ 76 ]}

電力網をスマートグリッドに近代化することで日常業務の最適化が可能になる一方で、オンラインであるスマートグリッドはサイバー攻撃に対して脆弱になる可能性がある。^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]}発電所で生成された電力の電圧を長距離送電用に昇圧する変圧器、送電線自体、および消費者に電力を供給する配電線は特に脆弱である。^{[ 82 ]}これらのシステムは、現場から情報を収集し、それを制御センターに送信するセンサーに依存しており、制御センターではアルゴリズムが分析と意思決定プロセスを自動化する。これらの決定は現場に送り返され、既存の機器がそれを実行する。^{[ 83 ]}ハッカーは、これらの自動制御システムを妨害し、生成された電力を利用できるチャネルを遮断する可能性がある。^{[ 82 ]}これはサービス拒否攻撃またはDoS攻撃と呼ばれる。ハッカーはまた、システムに沿って送信される情報を破損させる整合性攻撃や、そのような情報が適切な場所に配信されるタイミングに影響を与える非同期攻撃を仕掛けることもできる。^{[ 83 ]}さらに、侵入者は、より特殊な脆弱性やセキュリティが優先されていない脆弱性を利用して、グリッドに接続された再生可能エネルギー発電システムやスマートメーターを介してアクセスすることができます。スマートグリッドにはスマートメーターなどのアクセスポイントが多数あるため、すべての弱点を防御することは困難です。^{[ 79 ]}高度持続的脅威 (APT) は、プログラマブルロジックコントローラ (PLC) を再プログラムして、物理的な損傷を与えながら、オペレーターに偽の「正常」な動作状態を表示することで、スマートグリッドを標的にするように進化しました。これらの脆弱性に対抗するために、専門家は、従来のネットワークセグメンテーションから「マイクロセグメンテーション」に移行し、インフラストラクチャのすべてのレイヤーで検証を必要とする「ゼロトラスト」モデルを採用することを推奨しています。^{[ 84 ]}

インフラのセキュリティ、特に通信技術に関するセキュリティについても懸念があります。懸念の中心は、スマートグリッドの中核となる通信技術です。電力会社と顧客の家庭や事業所のメーターとの間でリアルタイムの通信を可能にするように設計されているため、これらの機能が犯罪行為やテロ行為に悪用されるリスクがあります。^{[ 12 ]}この接続の重要な機能の1つは、電力供給を遠隔で遮断できることであり、電力会社は支払いを滞納している顧客への供給を迅速かつ容易に停止または変更できます。これは間違いなくエネルギー供給業者にとって大きなメリットですが、重大なセキュリティ問題も引き起こします。^{[ 85 ]}サイバー犯罪者は、これまで何度も米国の電力網に侵入しています。^{[ 86 ]}コンピュータへの侵入以外にも、産業界で広く使用されているSCADAシステムを標的としたStuxnetのようなコンピュータマルウェアがスマートグリッドネットワークへの攻撃に使用される可能性があるという懸念もあります。^{[ 87 ]}

米国では、導入が進むスマートメーターが送電網との通信に無線周波数（RF）技術を使用しているため、電力窃盗が懸念されている。電子機器の知識を持つ者は、干渉装置を考案してスマートメーターの実際の使用量よりも少ない数値を報告させることが可能である。同様に、同じ技術を用いて、消費者が使用している電力を他の顧客が使用しているように見せかけ、請求額を増やすこともできる。

巧妙に実行された大規模なサイバー攻撃による被害は広範囲に及び、長期にわたる可能性がある。攻撃の性質によっては、機能停止した変電所1か所の復旧に9日から1年以上かかる場合もある。また、狭い範囲で数時間の停電を引き起こす可能性もある。交通信号機やその他の経路制御機構、地下道路の換気設備などは電力に依存しているため、交通インフラに即座に影響が出る可能性がある。^{[ 88 ]}さらに、下水処理施設、情報技術分野、通信システムなど、電力網に依存するインフラも影響を受ける可能性がある。^{[ 88 ]}

2015年12月に発生したウクライナの電力網へのサイバー攻撃は、記録上初の事例であり、変電所を停止させることで約25万人の人々のサービスが中断された。^{[ 89 ] [ 90 ]}外交問題評議会は、このような攻撃の実行は困難であるにもかかわらず、実行に必要なリソースにアクセスできる国家が、このような攻撃の実行者となる可能性が最も高いと指摘している。サイバー侵入は、軍事的であろうとなかろうと、より大規模な攻撃の一部として使用される可能性がある。^{[ 90 ]}一部のセキュリティ専門家は、この種の事象は他の電力網にも容易に拡大できると警告している。^{[ 91 ]}ロイズ・オブ・ロンドン保険会社は、東部相互接続へのサイバー攻撃の結果を既にモデル化しており、15か国に影響を与え、9300万人を停電させ、さまざまな損害で国の経済に2430億ドルから1兆ドルの損失をもたらす可能性がある。^{[ 92 ]}

米国下院経済開発・公共建築物・緊急事態管理小委員会によると、電力網はすでに相当数のサイバー侵入を受けており、5件に2件は電力網の機能停止を目的としている。^{[ 82 ]}そのため、米国エネルギー省は、2017年の4年ごとのエネルギーレビューで、サイバー攻撃を「差し迫った危険」として挙げ、電力網のサイバー攻撃に対する脆弱性を低減するための研究開発を優先している。^{[ 93 ]}エネルギー省はまた、今日のスマートグリッドが将来にわたって通用することを保証する主要な鍵として、攻撃耐性と自己修復の両方を特定している。^{[ 83 ]}北米電力信頼性評議会が導入した重要インフラ保護基準など、すでに規制は存在するが、その多くは義務ではなく提案である。^{[ 90 ]}発電、送電、配電施設および機器のほとんどは民間の利害関係者が所有しており、こうした基準への準拠を評価する作業をさらに複雑にしている。^{[ 93 ]}さらに、たとえ電力会社が完全に遵守したいと思っても、費用がかかりすぎることに気づくかもしれない。^{[ 90 ]}

専門家の中には、スマート電力網のサイバー防御を強化する第一歩は、ソフトウェア、ハードウェア、通信プロセスに関する調査を含む、既存インフラの包括的なリスク分析を完了することだと主張する者もいる。さらに、侵入自体が貴重な情報を提供する可能性があるため、システムログや侵入の性質とタイミングに関するその他の記録を分析することも有効である。国土安全保障省がこうした手法を用いて既に特定している一般的な弱点には、コード品質の低さ、不適切な認証、ファイアウォールルールの脆弱性などがある。このステップが完了したら、前述の障害や欠陥がもたらす潜在的な影響を分析することが理にかなっていると示唆する者もいる。これには、直接的な影響だけでなく、並列システムへの二次的、三次的な連鎖的影響も含まれる。最後に、インフラの不備を単純に修復したり、斬新な戦略を採用したりするなど、リスク軽減策を展開して状況に対処することができる。こうした対策には、制御システムアルゴリズムを再コーディングしてサイバー攻撃への耐性と回復力を高めたり、データへの異常な変更や不正な変更をより効率的に検出できる予防策などが含まれる。システムを危険にさらす可能性のある人的ミスに対処するための戦略には、現場で働く人々に、たとえ内容を確認するためであっても、挿入するとマルウェアが侵入する可能性がある不審なUSBドライブに注意するよう教育することが含まれる。^{[ 83 ]}

その他の解決策としては、送電変電所の活用、制約のあるSCADAネットワーク、ポリシーに基づくデータ共有、制約のあるスマートメーターの認証などが挙げられる。

送電変電所では、ワンタイム署名認証技術と一方向ハッシュチェーン構造が利用されています。これらの制約は、高速署名および検証技術とバッファリング不要のデータ処理の開発によって解消されました。^{[ 94 ]}

制約のある SCADA ネットワーク向けに同様のソリューションが構築されています。これは、ハッシュベースのメッセージ認証コードをバイト ストリームに適用し、従来のシステムで利用可能なランダム エラー検出をデータの真正性を保証するメカニズムに変換するものです。^{[ 94 ]}

ポリシーベースのデータ共有は、GPSクロック同期のきめ細かい電力網測定値を利用して、電力網の安定性と信頼性を向上させます。これは、PMUによって収集される同期フェーザ要件を通じて行われます。^{[ 94 ]}

しかし、制約付きスマートメーターの認証には、少し異なる課題があります。制約付きスマートメーターの認証における最大の課題の1つは、エネルギー窃盗や同様の攻撃を防ぐために、サイバーセキュリティプロバイダーがデバイスのソフトウェアが本物であることを確認する必要があることです。この問題に対処するために、制約付きスマートネットワークのアーキテクチャが作成され、組み込みシステムの低レベルで実装されています。^{[ 94 ]}

スマートグリッドの保護システムは、グリッドの信頼性分析、障害保護、セキュリティおよびプライバシー保護サービスを提供します。スマートグリッドの追加通信インフラストラクチャは、追加の保護およびセキュリティメカニズムを提供しますが、外部からの攻撃や内部障害のリスクも伴います。2010 年に初めて作成され、2014 年に更新されたスマートグリッド技術のサイバーセキュリティに関するレポートで、米国国立標準技術研究所は、顧客のスマートメーターからエネルギー使用に関するより多くのデータを収集できる能力は、データ漏洩に対して脆弱な可能性のあるメーターに保存された情報から顧客の個人情報が抽出される可能性があるため、重大なプライバシー上の懸念も引き起こすと指摘しました。^{[ 95 ]}

様々な「スマートグリッド」システムは、二重の機能を備えています。例えば、高度計測インフラ（AMI）システムは、各種ソフトウェアと組み合わせることで、電力窃盗を検知し、消去法によって機器の故障箇所を特定することができます。これらは、人間の検針作業を不要にし、電力使用時間帯を測定するという本来の機能に加えて得られるものです。

盗難を含む世界的な電力損失は、年間2000億ドルと推定されている。^{[ 99 ]}

電力窃盗は、発展途上国で信頼性の高い電力サービスを提供する上で大きな課題となっている。^{[ 40 ]}

スマートグリッドの最も初期の、そして最大規模の例の1つは、イタリアのEnel SpAが設置したイタリアのシステムです。2005年に完成したTelegestoreプロジェクトは、同社が独自のメーターを設計・製造し、独自のシステムインテグレーターとして機能し、独自のシステムソフトウェアを開発したため、電力業界では非常に珍しいものでした。Telegestoreプロジェクトは、スマートグリッド技術を家庭向けに商業規模で初めて利用した事例として広く認識されており、21億ユーロのプロジェクト費用で年間5億ユーロの節約を実現しています。^{[ 20 ]}

現在までに世界最大規模の導入プログラムの一つとして、 2009年の米国復興・再投資法に基づき米国エネルギー省が資金提供したスマートグリッドプログラムが挙げられます。このプログラムでは、各電力会社からのマッチング資金が必要でした。このプログラムの一環として、官民合わせて90億ドル以上が投資されました。対象技術には、6,500万台以上の高度な「スマート」メーターを含む高度計測インフラ、顧客インターフェースシステム、配電・変電所自動化、電圧・無効電力最適化システム、1,000台以上のシンクロフェーザ、動的送電線定格、サイバーセキュリティプロジェクト、高度配電管理システム、エネルギー貯蔵システム、再生可能エネルギー統合プロジェクトなどが含まれます。このプログラムは、投資助成金（マッチング資金）、実証プロジェクト、消費者受容性調査、人材育成プログラムで構成されていました。各電力会社の個別プログラムからの報告書および全体的な影響に関する報告書は、2015年第2四半期までに完成する予定です。

米国では、2005 年エネルギー政策法および2007 年エネルギー独立安全保障法第 XIII 条により、スマートグリッド開発を促進するための資金が提供されています。その目的は、電力会社が需要をより正確に予測できるようにすること、そして場合によっては消費者を時間帯別料金制に参加させることです。また、より堅牢なエネルギー制御技術の開発にも資金が割り当てられています。^{[ 100 ] [ 101 ]}

米国では、テキサス州オースティン市が2003年からスマートグリッドの構築に取り組んでおり、同市の電力会社はまず手動メーターの3分の1を無線メッシュネットワークを介して通信するスマートメーターに置き換えた。現在、同市はサービスエリア全体で20万台のデバイス（スマートメーター、スマートサーモスタット、センサー）をリアルタイムで管理しており、2009年には100万人の消費者と4万3000の企業にサービスを提供する50万台のデバイスをリアルタイムでサポートする予定である。^{[ 102 ]}

コロラド州ボルダー市は、2008年8月にスマートグリッドプロジェクトの第1段階を完了しました。両システムとも、スマートメーターをスマートソケットやデバイスを制御するホームオートメーションネットワーク（HAN）へのゲートウェイとして使用しています。HANの設計者の中には、急速に進化する家庭用電子機器のビジネス分野で利用可能な新しい標準や技術との将来的な不一致を懸念して、制御機能をメーターから分離することを推奨する人もいます。^{[ 103 ]}

カナダのオンタリオ州にあるHydro One は、大規模なスマートグリッド構想を進めており、Trilliant の標準規格に準拠した通信インフラを導入しています。2010 年末までに、このシステムはオンタリオ州の 130 万人の顧客にサービスを提供する予定です。この構想は、Utility Planning Network から「北米最優秀 AMR 構想」賞を受賞しました。^{[ 104 ]}

イル・ディユーは2020年春に2年間のパイロットプログラムを開始しました。ケル・ピソ地区とその周辺地域の23軒の家がマイクログリッドに接続され、Engieのソフトウェアでスマートグリッドとして自動化されました。5軒の家には最大容量23.7kWのソーラーパネル64枚 が設置され、1軒の家には蓄電容量15kWhのバッテリーが設置されました。6軒の家は余剰の太陽エネルギーを温水器に蓄えています。動的なシステムが、ソーラーパネルから供給され、バッテリーと温水器に蓄えられたエネルギーを23軒の家全体に分配します。スマートグリッドソフトウェアは、5分間隔でエネルギーの供給と需要を動的に更新し、バッテリーからエネルギーを引き出すかパネルから引き出すか、また温水器に蓄えるタイミングを決定します。このパイロットプログラムはフランスで初めてのプロジェクトでした。^{[ 105 ] [ 106 ]}

ドイツのマンハイム市は、モデルシティ・マンハイム「MoMa」プロジェクトでリアルタイムブロードバンド電力線通信（BPL）を利用している。 ^{[ 107 ]}

オーストラリアのシドニーも、オーストラリア政府と提携してスマートグリッド、スマートシティプログラムを実施しました。^{[ 108 ]}

InovGridは、ポルトガルのエヴォラで行われているプロジェクトで、電力網に情報とデバイスを装備して、グリッド管理の自動化、サービス品質の向上、運用コストの削減、エネルギー効率と環境の持続可能性の促進、再生可能エネルギーと電気自動車の普及率の向上を目指しています。これにより、あらゆる瞬間の配電網全体の状態を制御および管理することが可能になり、供給業者やエネルギーサービス会社はこの技術プラットフォームを使用して、消費者に情報や付加価値のあるエネルギー製品およびサービスを提供できるようになります。このインテリジェントなエネルギーグリッドを導入するプロジェクトにより、ポルトガルとEDPはヨーロッパにおける技術革新とサービス提供の最先端に位置づけられます。^{[ 109 ] [ 110 ]}

いわゆるE-Energyプロジェクトでは、ドイツの複数の電力会社が6つの独立したモデル地域に最初の核を構築している。技術競争により、これらのモデル地域が「エネルギーのインターネット」の構築を主な目的とした研究開発活動を行うために選定された。^{[ 111 ]}

米国で最初に試みられた「スマートグリッド」技術の導入計画の一つは、2009年に米国の州であるマサチューセッツ州の電力規制当局によって却下された。^{[ 112 ]}ボストン・グローブ紙の記事によると、ノースイースト・ユーティリティーズの子会社であるウェスタン・マサチューセッツ・エレクトリック社は、公的補助金を利用して、低所得者層の顧客を後払いから前払い（「スマートカード」を使用）に切り替える「スマートグリッド」プログラムを作成しようとした。さらに、あらかじめ定められた量を超えて使用した電気料金には特別に引き上げられた「プレミアム」料金が課せられた。^{[ 112 ]}この計画は、「低所得者層の顧客に対する重要な供給停止防止策を損なう」として規制当局によって却下された。 ^{[ 112 ]}ボストン・グローブ紙によると、この計画は「低所得者層の顧客を不当に標的にし、生活に苦しむ消費者が電気を使えるようにするためのマサチューセッツ州の法律を回避した」。 ^{[ 112 ]}スマートグリッド計画、特にウェスタン・マサチューセッツ・エレクトリック社の前述の「スマートグリッド」計画を支持する環境団体の広報担当者は、「適切に使用すれば、スマートグリッド技術はピーク需要を削減する大きな可能性を秘めており、最も古く、最も汚染度の高い発電所のいくつかを閉鎖することができるだろう…これはツールだ」と述べた。^{[ 112 ]}

eEnergy Vermontコンソーシアム^{[ 113 ]}は、2009年の米国復興・再投資法によって一部資金提供を受けたバーモント州の州全体のイニシアチブであり、州内のすべての電力会社が約90%の高度計測インフラストラクチャの展開を含むさまざまなスマートグリッド技術を急速に採用し、現在さまざまな動的料金構造を評価している。

オランダでは、統合型スマートグリッド技術、サービス、ビジネスケースを実証するための大規模プロジェクト（5000以上の接続、20以上のパートナー）が開始されました。^{[ 114 ]}

テネシー州チャタヌーガのEPBは、市営電力会社で、2008年にスマートグリッドの建設を開始し、2009年には米国エネルギー省から1億1156万7606ドルの助成金を受け、建設と導入を加速させました（総予算は2億3221万9350ドル）。電力線遮断器（1170台）の設置は2012年4月に完了し、スマートメーター（17万2079台）の設置は2013年に完了しました。スマートグリッドの基幹となる光ファイバーシステムは、Fiber to the Homeイニシアチブを通じて、米国で初めて住宅向けギガビット速度のインターネット接続を提供するためにも使用され、現在では住民は最大10ギガビット/秒の速度を利用できます。スマートグリッドにより停電が平均60%削減され、市は年間約6000万ドルの節約になると推定されています。また、故障箇所の調査やトラブルシューティングのための「トラック出動」の必要性も減り、推定でトラック走行距離が63万マイル、二酸化炭素排出量が470万ポンド削減されました。2016年1月、EPBは電力再生におけるパフォーマンス優秀性（PEER）認証を取得した最初の主要配電システムとなりました。^{[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]}

一部の導入事例では、需要増加時の負荷遮断や需要削減のためにOpenADR規格が利用されています。