电网系统物理

【鹏越·工控安全】专题系列（117）——智能电网CPS及其关键技术（上）

实现信息系统与传统电力系统深度协作的新型智能电网架构是实现电网智能化的关键。近年来提出的信息物理融合系统（cyberphysicalsystem，CPS），将信息系统和物理系统深度融合，为信息系统真正意义上融入智能电网提供了一种新思路。...

随着智能电网建设深入，电力信息系统日渐成为支撑智能电网的重要“神经系统”，未充分融合信息系统的传统电力系统架构显然已不能适应智能电网发展需求，然而单纯引入信息系统将导致一次系统和信息系统在运行、分析和控制上的相互割裂，无法实现分布式电源全局优化调度和用户满意度等需求。

为此，构建实现信息系统与传统电力系统深度协作的新型智能电网架构是实现电网智能化的关键。近年来提出的信息物理融合系统（cyber physical system，CPS），将信息系统和物理系统深度融合，为信息系统真正意义上融入智能电网提供了一种新思路。CPS更加注重系统资源合理分配和系统性能高效优化，充分满足了与用户满意度的需求。构造智能电网CPS作为未来智能电网的基本架构已成为智能电网的发展趋势。

一、构建智能电网CPS的必要性以一次设备和二次设备为主要方面的传统电力系统建设未充分考虑互联各电力设备的信息系统，但随着智能电网建设的深入，这种现状已不能满足智能电网的需求。但简单地引入信息系统前沿技术对实现智能电网需求是不够的：①基于传统电网的分析控制方法没有充分考虑信息系统的影响。而智能电网中系统优化控制高度依赖通信网络，信息系统对于电网本身的影响不可忽略。②现有信息系统的分析控制方法均未计及电力系统本身影响，智能电网信息系统以电力系统实体为依托，信息系统必与电力系统本身密切相关。可见，单纯引入信息系统的电力系统架构存在一次系统和信息系统的相互割裂。因此，引入新的传感、计算和通信技术，构建信息和物理系统深度融合的智能电网CPS作为未来电网基本架构，成为必然趋势。具体而言，其构建具有以下必要性。
1）智能电网实现大量分布式电源、储能装置和电动汽车等可再生能源的并网控制和优化调度。对分布式电源的优化调度，迫切要求信息系统具有对物理设备的全局优化和深度交互功能，并且需要充分计及信息系统对电力系统的影响。CPS的深度融合性正能够实现，传统电力系统架构无法实现的全局最优控制和信息、物理系统间的深度交互。
2）智能电网CPS克服了电力系统和电力信息系统的割裂，计及两个系统的相互影响，更符合智能电网的提升用户侧互动参与和电力系统运营效率等要求。

3）CPS是继Internet和物联网之后一项革命性技术，构建服务于人类的大型CPS是未来趋势，而智能电网CPS作为大型CPS的一个子系统，其构建也应同步进行。

二、智能电网CPS功能定位

2.1.CPS概述

由于CPS提出时间不长，目前尚未形成统一定义。Lee提出CPS是许多计算过程和物理过程的紧密集成，通过计算组件和通信网络监制物理实体。Baheti等认为CPS是紧密融合计算组件与物理组件，并能够实现动态影响和相互协调的高可靠性系统。还有文献则认为CPS是在充分感知环境基础上，将计算、通信和控制能力深度融合的网络化物理设备系统，实现了信息世界和物理世界的完全融合。
本文结合现有各种CPS概念，认为CPS是信息资源和物理资源紧密融合而形成的能够实现虚拟世界和实际物理世界深度交互与协同的下一代智能系统。具体地讲，CPS是将计算能力、通信能力、感知能力和自治控制能力四者嵌入到物理设备和整个CPS系统中，这四种能力进行内部以及与物理系统之间的深度整合，在对物理环境进行分布式深度感知的基础上，通过可靠数据通信和计算处理，为物理系统提供动态自治控制服务，最终实现物理系统尚不具备的自治性、高效性、可靠性和灵活性。2.2.智能电网CPS的功能定位
智能电网引入CPS的核心目的是实现电力信息系统与电力物理系统的深度融合，克服两者相互孤立的现状。结合CPS特点，智能电网CPS的主要功能可定位为：
1）具有智能电网所要求的
各种功能包括可靠性、自愈性、互动性以及支持用户侧参与等功能。需要强调的是，支持分布式电源的整体优化调度是智能电网CPS功能的重中之中。

2）具有对大规模电网中所有
物理实体统一控制和整个系统全局优化的功能。当前电力系统对物理实体控制灵活性较差，通常仅控制大型发电机组和输配电网络，其他大量物理设备难以实现系统全局协调和最优控制。构建智能电网CPS的主要目的是大幅度提升系统对物理实体的控制能力，最大化提升系统的整体运行效率。
3）具有智能电网物理实体系统和电力信息系统的实时监控和交互式综合计算。
4）实现智能电力物理系统和信息系统间的无缝集成。将两者作为一个整体进行同时感知、综合计算和整体控制。
5）智能电网CPS是未来构建的全局CPS的一个子系统。作为子系统，智能电网CPS必须实现与其他CPS子系统的信息流动、共享和协作。

三、智能电网CPS体系架构

3.1.智能电网CPS体系架构

体系架构是实现智能电网CPS的首要问题，有文献指出CPS的抽象结构是将物理系统和信息系统视为两个具有大量节点的深度交互网络。还有文献则给出了实现CPS的一种体系架构。本文在此基础上，结合智能电网特征，构造一个智能电网CPS基本实现架构，如图1所示。

从图中可以看出，智能电网CPS主要由感知系统（传感设备）、计算系统（计算设备）、控制中心（控制设备/执行器）、物理设备和CPS网络5部分组成，所有信息设备和物理设备通过两个大型CPS网络互连。图中的空心箭头和单线箭头分别表示智能电网CPS中的电能流动和信息流动，其中双向的箭头表示信息流或电能流是双向流动的。
（1）物理设备
物理设备是物理系统中的主要部分，主要指智能电网中的各种电源、负荷等电力设备，包括：大型发电组、分布式电源、储能装置以及电动汽车、智能家电等各类负荷。物理设备中存在很多具有能量双向流动性和供电可中断性的负荷（如电动汽车、小型微网等），这也是智能电网相需要强大的信息系统支撑的原因之一。
智能电网CPS中的各种分布式电源和负荷等物理设备未来都需要通过内嵌传感设备和网络实现与控制中心的信息交互，因此需要为智能电网CPS中的每个物理设备分配一个不冲突的网络地址以及CPS的专用通信协议。
（2）感知系统、计算系统和控制中心

CPS的感知系统由大量传感器节点以内嵌于物理实体方式组成，计算设备则兼有内嵌于物理实体方式和集中配置方式。感知、计算设备的内嵌方式有效提升了信息系统和物理系统的深度融合，但内嵌式小型计算设备远不能满足智能电网CPS所要求的计算能力，可考虑引入云计算等大规模分布式计算技术。
控制中心由大量的控制设备和执行器组成，类似于目前电力系统调度中心，主要负责整理采集信息和仿真分析信息，并制定控制策略。控制设备或内嵌于物理实体，或集中存在于CPS中。
（3）智能电网CPS

网络智能电网CPS中有两个大型网络实现所有物理设备和信息设备的互联，分别是智能电网CPS通信网络和输/配电网络。
智能电网CPS的通信网络负责连接各信息设备，其中的信息交互主要为信息流，未来的CPS通信网络主要有目前的电力系统专用智能电网CPS的输电/配电网络是传统电力系统供电网络，连接电力系统物理设备，主要负责电能流的传输。

3.2.智能电网CPS分层结构
上述提出的智能电网CPS体系架构重点强调了智能电网CPS的实现和物理构造，对前期构建CPS的物理实现至关重要。但随着智能电网CPS建设的深入，必将更加注重所构建系统的服务质量，因此本文对一种面向服务的智能电网CPS分层结构做了阐述。
有文献提出，面向服务的CPS分层结构可分为节点层、网络层、资源层和服务层的四层结构，本文在四层结构的基础上，结合智能电网特点，提出面向服务的智能电网CPS分层结构为六层结构，如图2所示。

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1）物理层。主要是智能电网中的电力设备，是感知和执行的对象。

2）感控层。由传感设备和执行设备组成，直接作用于电力设备，向上采集感知信息、向下发送控制信息。

3）协调层。由于感控层节点众多、采集数据量巨大，因此需在感控层和网络层之间设置协调层，该层具有一定信息处理能力，实现优化上传数据、信息初步判断与本地执行、协调感控层内节点等功能。
4）网络层。由下一代通信网络和电力输配电网络组成。
5）信息层。系统中的强大计算资源信息整合与存储资源，实现对采集信息的计算分析和信息资源的整合，又称为资源层。
6）服务层。将整个智能电网CPS包装成服务对外提供给用户，为用户提供操作接口。