1、研究背景

　　近年来,在世界范围内的节能减排浪潮和信息技术快速发展的推动下,电力系统正在发生深刻的变革。智能电网的研究已成为电力工业界和学术界关注的焦点,并已在部分国家进入前期发展或工程示范阶段。

　　推动智能电网发展的主要动力在于促进间歇式可再生能源、电动汽车等新型负荷和各种储能设备的并网与优化调度,以及用户侧更广泛和深入的参与。此外,智能电网还具有高效、可自愈、高可靠性和高安全性等主要特征。要实现上述目标,就必须首先实现信息在电力系统内的双向流动和有效利用,并在此基础上提高对系统的感知和控制能力。因此,引入新的计算、通信和传感技术,并实现信息系统和电力系统更紧密的融合与协作将是实现电力系统智能化的关键。

　　信息物理融合系统(cyberphysicalsystem,CPS)的提出与发展为促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合,并最终实现电网智能化的目标提供了新的思路和实现途径。CPS是将计算资源与物理系统深度融合所构成的新型系统。由于CPS对于经济和技术发展具有重要意义,美国等主要发达国家都将其列为优先开展的研究领域。在中国,国家自然科学基金、科技部“973”计划和“863”计划均已将CPS列为重点资助领域。

　　2、CPS概述

　　2.1CPS的定义和功能

　　CPS是具有下列特点的系统:

　　1)该系统由计算设备、通信网络、传感设备与物理设备共同组成。所有设备相互协同和相互影响,共同决定整个系统的功能和行为特征。

　　2)由于系统的计算/信息处理过程与物理过程紧密结合并相互影响,这导致无法区分系统的某个行为究竟是计算过程还是物理过程作用的结果。

　　因此,实现计算/信息系统与物理系统的融合是CPS研究最核心的目标。

　　CPS应具有下列几个重要功能:

　　1)信息与物理系统的实时监控和综合仿真

　　与传统物理系统相比,CPS的一个重要优势在于可以借助传感器网络和通信网络获得全面而详细的系统信息。这些信息通过多个不同的通信网络(如Internet、电力系统专用通信网络、无线通信网络)集成到CPS的控制中心。CPS将物理系统和信息系统作为一个整体进行综合分析和仿真,通过综合仿真可以显式评估信息系统与物理过程的相互影响,从而能够更准确地刻画出CPS作为一个系统的整体行为特征。这种分析和仿真方式是CPS区别于传统物理系统的最重要特征之一。

　　2)信息集成、共享和协同

　　在CPS中传感器网络将不断地采集数据并汇总到CPS控制中心,对于大规模CPS,如此产生的数据量将非常惊人。海量数据流的传输、集成和存储是现有的行业信息系统无法解决的,也是CPS必须具备的重要功能。

　　由于CPS一般覆盖广阔的地域,系统中的信息设备和物理设备一般分属于很多不同的所有者。CPS既要让参与者能及时获得需要的信息,又要确保他们只能严格地按照其权限获取信息。为CPS设计新的信息共享和协同机制是解决这一问题的关键。

　　3)大规模实体控制和系统全局优化

　　未来CPS将会实现分散控制和集中控制的有机结合,CPS的大部分物理部件中都将植入嵌入式控制设备并通过通信网络与CPS控制中心互联。这样,这些设备既可以分散控制,在必要时也可以由控制中心集中控制。控制器的设计应尽量灵活,控制中心在必要时应该可以在线修改具体控制器的参数设置,甚至直接升级控制器软件。这样,控制中心可以根据传感器网络收集的系统信息不断调整整个控制系统以实现系统的全局优化。

　　2.2CPS的技术特征

　　与现有信息系统和物理系统相比,CPS具有下列几个重要的技术特征:

　　1)虚实共存同变

　　物理系统的状态通过传感器和通信网络反馈回CPS的控制中心,CPS根据来自物理系统的实时信息不断修正仿真模型参数以提高仿真精度;仿真结果又将通过CPS对物理系统的控制影响物理系统的行为。这样,在CPS中相当于构造了物理系统在计算机虚拟环境中的一个镜像,物理系统和其虚拟镜像将同步变化并相互影响。物理系统信息的高速反馈可以保证虚拟镜像的精度。

　　2)多对多动态链接

　　一般而言,组成CPS的各个部件之间的链接关系在很大比例上是动态的,这与现有物理系统的联网方式有很大区别。例如,电力CPS可以把电动汽车和各种智能家电也包括在内。这些设备可通过无线网络接入CPS的信息系统,其连接状态和接入网络的位置可以不断变化。因此,点对点网络(ad-hocnetwork)将成为CPS的重要技术基础。

　　3)实时并行计算和信息处理

　　CPS一般对分析和仿真的实时性要求很高。此外,CPS系统需要处理的信息量远远大于传统的信息系统。这些都对CPS的计算和信息处理能力提出了很高的要求。传统的集中式计算平台难以满足要求。

　　云计算的分布式架构与CPS要求实现集中控制和分散控制相结合的要求正相吻合,可以基于云计算技术实现CPS的分布式控制系统。

　　4)自组织和自适应

　　从规模上讲,CPS一般覆盖一个大的区域甚至整个国家。因此,接入CPS的设备数量可能非常庞大。对于数量庞大的物理设备实行人工管理显然是行不通的。因此,CPS应具有自组织功能。例如,电力CPS应能够自动识别和搜索接入系统的分布式电源;换言之,一个分布式电源一旦接入了系统,控制中心就应当能够立即获得该电源的各种信息,并能够随时控制该电源。此外,CPS还应具有自适应功能,也就是说,CPS应具有自动排除各种系统故障(包括物理系统故障和信息系统故障)、保证系统正常运行的能力。

　　除了上述几个重要特征外,CPS在性能方面还应具有灵活性(易于升级扩展,易于与CPS的其他子系统接口)、完备性(物理系统与其虚拟镜像同步且一致)、可靠性(能够在不确定环境下可靠工作)、安全性(能够抵御物理的和虚拟的攻击)等特征。

　　3、电力CPS的体系结构

　　综合考虑电力系统各个环节的特点,构造了电力CPS的体系结构,如图1所示。

　　图1电力CPS的体系结构

　　图中的虚线和实线分别表示信息流动和电能流动。可以看出,电力CPS主要由大量的计算设备(服务器、计算机、嵌入式计算设备等)、数据采集设备(传感器、PMU、嵌入式数据采集设备等)和物理设备(大型发电机组、分布式电源、负荷等)组成。这些设备又通过2个大型网络互连。其中,各种信息设备(计算、传感、控制)通过通信网络相互连接,而各种物理设备(电源、负荷)则通过输电、配电网络相互连接。

　　电力CPS不同于常见电网控制体系的特点是:①具有远大于智能电网的信息采集范围;②其通信网络是有线网络和无线网络的结合;③包括大量分布式计算设备;④在电力CPS中,各种负荷设备和分布式电源也与控制中心联网并可以由控制中心直接控制。

　　更具体地讲,电力CPS主要由以下部分组成:

　　1)控制中心

　　2)分布式计算设备

　　3)通信网络

　　4)输电、配电网络

　　5)电源和负荷

　　电力CPS可以与CPS的其他子系统通过网络连接并协同工作。例如,电力CPS可以与交通CPS一起对电动汽车进行协同控制。一方面,未来的交通CPS将通过车载无线传感和控制系统控制电动汽车以实现车辆防撞、防交通堵塞、减少能耗等目标。另一方面,由于电动汽车既是用电设备,又可以作为分布式电源,因此将是未来电力系统的重要组成部分。电动汽车的车载传感设备提供的车辆位置、电池状态等信息,既可以被交通CPS用于车流量调度,也可以被电力系统用于负荷预测和发电调度。在交通CPS进行车流量调度时,也可以把对电力系统的影响考虑在内,这有利于在更广的范围内实现节能减排目标。

　　4实现电力CPS的关键技术

　　1)全局优化与局部控制的协同技术

　　电力CPS的最终目的是能够实现整个系统的全局最优控制。由于未来电力CPS中需要控制的设备数量会明显超过目前的电力系统,实现集中最优控制所需的计算量就会非常惊人,因此不能完全依靠集中控制方式,而必须把集中控制与分散控制结合起来解决问题。

　　怎样设计更灵活且有效的控制系统以实现全局优化与局部控制的最优协调将是电力CPS所要解决的首要技术问题。

　　2)大规模分布式计算

　　大规模分布式计算技术如云计算是解决电力CPS计算问题的有效途径。利用云计算技术可以有效整合系统中现有的计算资源,为各种分析计算任务提供强大的计算与存储能力支持。云计算能支持各种异构计算资源,与集中式的超级计算机相比,其可扩展性很强,且可以在现有计算能力不足时方便地升级。与传统的计算模式相比,云计算还具有便于信息集成和分析,便于软件系统的开发、维护和使用等优点。

　　3)CPS通信协议

　　CPS是一种新型网络系统,因此就需要为其构造专门的网络通信协议栈。学术界已经提出了针对CPS的通信协议栈,例如:CPS-IP和CPI(cyberphysicalInternet)6层通信协议栈。以CPI协议栈为例,其继承了传统TCP/IP协议栈的5层结构(物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层),并针对CPS的特点(如实时性要求高、结构灵活等)进行了相应调整;此外,在应用层之上增添了专门针对CPS的信息物理层(cyberphysicallayer)以描述物理系统的特征与动态。针对CPS的通信协议尚有大量技术问题有待进一步研究。例如,如何保证网络内所有计算系统同步,如何处理各种性质完全不同的物理设备,如何为物理设备的状态数据定义格式,等。

　　4)动态网络和延迟/中断容忍网络(delay/disruptiontolerantnetwork)

　　由于电力CPS中可能接入大量无线设备,如电动汽车的传感与控制系统,以及其他无线传感设备,这就构成了一个典型动态网络。此外,由于电力系统对可靠性和在线计算分析的速度要求很高,这就要求通信网络必须具有很强的处理通信延迟和中断的能力。可以预期,动态网络和延迟/中断容忍网络技术将成为电力CPS的基础。

　　5)集群智能

　　在电力系统中,不同设备的所有者和使用者也可能不同,例如:发电机组为发电公司所有,输配电系统为电网公司所有,智能家电和电动汽车为私人用户所有,等等。因此,电力系统不仅由设备,也由设备的所有者和使用者组成。由于不同的所有者有不同的利益目标,对某些设备可能无法直接控制。例如,对于电动汽车,只能引导其使用者选择特定的行驶路线和充电方式,而无法对此进行控制。因此,需要深入研究如何适当引导电力系统的不同参与者,使得其行为与系统的自动控制相配合以实现整个系统的最优控制目标,这称为集群智能(groupintelligence)或分散决策问题。由于人是CPS不可或缺的重要组成部分,集群智能研究对于实现CPS目标就具有重要意义。

　　6)虚实空间的自动映射一致性

　　前已述及,实现对物理系统和信息系统的综合分析与仿真是CPS的重要功能,这相当于在计算机虚拟环境中构造了物理系统的一个镜像。虚实空间的自动映射一致性包括2个内涵:一是要保证所采集的系统信息与实际情况同步且一致;二是要保证系统模型和仿真结果的准确性。保证上述2点是实现系统最优控制的基础。

　　5、电力CPS的研究重点分析

　　电力CPS是一个崭新的研究领域,在理论和技术方面都有大量问题有待解决。电力CPS研究中存在的挑战包括以下几个方面。

　　5.1电力CPS的建模理论

　　1)电力系统与电力信息系统的统一建模方法

　　与电力系统类似,从整体上讲电力信息系统模型也可以分为稳态模型和动态模型2类,并分别用代数方程组和微分方程组描述。信息系统建模与电力系统建模的不同之处在于信息系统通常存在若干种离散工作状态,因此需要引入有穷自动机等数学工具处理离散工作状态之间的相互转换。联合采用微分代数方程组、有穷自动机和随机过程理论,就可以构成电力信息系统模型。由于信息系统模型和电力系统模型均以微分代数方程组为基础,因此可以方便地将两者联立,形成电力CPS的统一模型。

　　2)电力信息系统的稳态模型

　　与电力一次系统类似,电力信息系统也是一个网络化系统,因此其稳态模型可表示为网络流量模型。在电力信息系统中,传感设备和部分计算设备是信息流的起点,其作用是产生信息流并将其注入通信网络中。而另一部分计算设备的作用则是接收信息流并进行相应的分析处理,因而是信息流的终点。通信网络是传输信息的媒介,其中路由器等信息交换设备的主要作用是决定每一个到达交换设备的数据包(packet)下一步应该被交换到哪一个节点。换句话说,路由器的作用就是决定信息在网络中的流向。基于上述考虑,即可构建电力信息系统的稳态模型。

　　3)电力信息系统的动态模型

　　上面介绍的稳态模型主要用于解决信息流在通信网络中的路径分配问题。当通信网络中发生阻塞(congestion)时,信息系统会从稳态进入到一个动态过程,并在通信网络控制系统的作用下,过渡到新的稳态。然而,不当的控制措施可能导致通信网络的阻塞崩溃(congestivecollapse)。因此为信息系统建立准确的动态模型对于评估其性能是非常必要的。

　　一般而言,可以将电力信息系统分为计算、通信、传感3个部分,分别用于完成信息的处理、传输与采集等功能。这3个部分共同决定电力信息系统的整体性能。

　　对于计算单元,可以基于排队论和随机过程进行建模。对于传感单元的建模,需要考虑的重点问题在于传感单元数据产生速率所服从的随机过程。对于通信网络的动态建模,则是信息系统动态模型的核心。根据国际标准组织(ISO)所制定的通信网络的开放系统互联(opensysteminterconnection,OSI)模型,通信网络按照功能可以划分为7层。由于在电力系统分析和控制中所感兴趣的问题是通信网络造成的数据延迟和丢失现象,因此主要针对OSI模型中的网络层(networklayer)和传输层(transportlayer)建立其动态模型。

　　此外,由于信息系统通常是处在若干种离散工作状态下,为了处理信息系统在各种离散工作状态间的转换,可以引入有穷自动机作为数学工具,与微分方程组共同构成通信网络的数学模型。如图2所示,利用有穷自动机可以模拟系统的离散状态转换,而对应有穷自动机的每一个离散状态,系统的动态行为由相应的微分方程组进行模拟。这样的建模方法被称为通信网络的混合系统建模(hybridsystemmodelling)。

　　图2通信网络的混合系统建模

　　综上所述,利用微分代数方程组、有穷自动机、随机过程、排队论等工具,可以建立电力信息系统的动态模型。将信息系统的动态模型与电力系统的动态模型联立即可得到电力CPS的动态模型。

　　5.2电力CPS的分析方法

　　1)电力信息系统的稳态分析

　　当通信网络各节点和线路上注入的信息流量小于其交换能力和传输能力上限,且系统未发生故障时,信息系统处于稳态。根据通信网络的线路负载情况,一个数据包可以选择多条不同的传输路径;因此一般情况下,信息系统可能存在多个稳态运行点。稳态分析的主要目的就是基于稳态模型寻求最优稳态运行点。

　　2)电力信息系统的动态分析

　　信息系统动态分析着重求解在通信网络因存在阻塞或发生故障而处于暂态时信息系统的关键性能指标,如传输延时和数据丢失率等变量的时变路径,以及判断系统是否会发生阻塞崩溃现象。信息系统动态分析一般通过信息系统仿真来实现。

　　3)电力CPS的可靠性分析

　　由于信息系统对电力系统运行具有显著影响,因此在电力CPS的可靠性分析中,除了发电机组和输电线路等电力系统元件之外,还必须计及信息系统元件故障对于电力系统可靠性的影响。因此,评估电力信息系统的可靠性是评估电力CPS可靠性的重要一环。

　　4)电力CPS的安全性分析

　　电力信息系统发生故障会威胁电力系统的安全。因此,有必要发展有效的电力CPS安全性分析方法。由于信息系统故障的结果通常是控制中心失去对相关电力设备的控制能力,因此信息系统故障对于电力系统造成的影响一般应作为大扰动。所以,在电力CPS的安全性分析中,应该着重考虑信息系统故障对电力系统动态安全性的影响。

　　5)电力CPS的综合仿真

　　构建电力CPS的主要目的之一就是在更大范围内全面采集和利用与电力系统相关的各种信息,并在此基础上实现系统综合仿真,以便于调度人员和其他市场参与者全面掌握电力系统运行状态并在此基础上作出决策。从总体上讲,电力CPS综合仿真主要包括信息、物理和经济3个层面。

　　在信息层面上,仿真的目的就是利用电力信息系统分析方法评估信息系统运行状态以及其对电力系统的影响;在物理层面上,仿真的目的是评估电力系统自身运行状况,以判断系统是否能够安全稳定运行;在经济层面上,仿真的目的则是根据电力系统运行状态和一些关键市场信息的预测结果,预测市场运行状态(如电价和机组调度结果)。

　　除了上述3个主要方面外,在电力CPS的综合仿真中还可以进一步计及能耗和碳排放等因素,从而形成智能电网的“信息—物理—经济—能耗—排放”综合仿真。

　　5.3系统设计、规划与运行调度

　　在上述系统仿真、安全性与可靠性研究基础上,应针对电力CPS的特点研究新的设计、规划与调度方法。具体地讲,设计问题主要关注怎样更好地将通信、控制和传感设备嵌入到物理设备中构造新一代系统组件;此外,还需要研究相应的操作系统、编程语言、中间件等。未来的电力系统规划必须和信息系统规划统一进行,在规划过程中除了要考虑发电机组和输配电网络外,还要考虑计算设备、通信网络、传感设备的功能和布局等问题。

　　电力CPS的调度问题与传统调度问题的不同之处主要在于需要考虑分布式电源和各种智能负荷的控制问题。未来的智能电网必须依赖通信网络在调度机构和智能负荷、分布式电源、电动汽车等设备之间传递信息与控制信号。因此,未来的智能电网将是一个典型的网络化控制系统。而另一方面,考虑到通信网络在实际运行中存在由于故障或网络攻击而暂时失灵的可能,完全依赖网络化控制有可能会降低系统运行可靠性。因此,在智能电网环境下较为理想的控制方式应该是网络化控制与本地控制相结合的混合控制。

　　5.4电力CPS的标准化

　　考虑到CPS应具有自组织、自适应、易于扩展等特征,CPS在物理设备、通信协议、编程语言、软硬件接口等方面都必须遵循相应的行业标准。然而,由于CPS研究在世界范围内仍处于起步阶段,相关领域尚不存在通行的国际标准,这就为中国CPS产业的发展提供了一个难得的机遇。如果国内CPS学术界和产业界能够率先提出CPS的相关行业标准,就可望在这一场新的技术革命中占据制高点。电力CPS作为CPS的子系统,其标准化问题也相应地必须尽快提上议事日程。

　　6、结语

　　CPS是由计算设备、通信网络、传感设备和物理设备紧密融合所构成的新型网络系统。本文探讨了建立电力CPS的架构及其关键技术。一方面,电力CPS应该具有智能电网所应具有的所有重要功能;另一方面,作为未来大规模CPS的一个子系统,电力CPS也应具有CPS的各种特征,并可以方便地与CPS的其他子系统实现信息共享和协作。

　　能够融合多类能源系统(如燃气网络与供热网络)和智能交通网络的能源互联网的发展在最近几年受到了比较普遍的关注。就电力系统环节而言,能源互联网借助互联网技术促进电源、电力网络与负荷的深度协调,能够增强接纳间歇性可再生能源发电的能力,并改善系统整体运行效率。能源互联网也包括一次系统和信息系统,自然也是一种信息物理融合系统。能源互联网信息系统包括电力CPS以及与其相关联的一次能源CPS、交通CPS、供冷供热CPS等的传感、通信、计算和控制部分。能源互联网信息系统为多个CPS子系统之间的信息交互提供了硬件基础和计算资源,可以在多个子系统间实现海量数据交互,对参与主体实现公平对等互联和信息共享。如何对这些子系统的CPS进行协同规划和优化运行是实现能源互联网CPS时需要解决的重要问题。另一方面,发展能源互联网的重要目标之一是支持对海量用户侧资源的有效协调控制,这需要实现对用户行为及周边环境的精确理解。因此,与电力CPS相比,能源互联网CPS要能够支持对由“信息-物理-个体-社会”组成的四元复杂系统中子系统之间的交互机理和交互影响进行建模与分析。需要进一步深入研究。