1、研究背景

　　近年來,在世界范圍內(nèi)的節(jié)能減排浪潮和信息技術(shù)快速發(fā)展的推動下,電力系統(tǒng)正在發(fā)生深刻的變革。智能電網(wǎng)的研究已成為電力工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點,并已在部分國家進入前期發(fā)展或工程示范階段。

　　推動智能電網(wǎng)發(fā)展的主要動力在于促進間歇式可再生能源、電動汽車等新型負荷和各種儲能設(shè)備的并網(wǎng)與優(yōu)化調(diào)度,以及用戶側(cè)更廣泛和深入的參與。此外,智能電網(wǎng)還具有高效、可自愈、高可靠性和高安全性等主要特征。要實現(xiàn)上述目標,就必須首先實現(xiàn)信息在電力系統(tǒng)內(nèi)的雙向流動和有效利用,并在此基礎(chǔ)上提高對系統(tǒng)的感知和控制能力。因此,引入新的計算、通信和傳感技術(shù),并實現(xiàn)信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)更緊密的融合與協(xié)作將是實現(xiàn)電力系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵。

　　信息物理融合系統(tǒng)(cyberphysicalsystem,CPS)的提出與發(fā)展為促進電力一次系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的深度融合,并最終實現(xiàn)電網(wǎng)智能化的目標提供了新的思路和實現(xiàn)途徑。CPS是將計算資源與物理系統(tǒng)深度融合所構(gòu)成的新型系統(tǒng)。由于CPS對于經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展具有重要意義,美國等主要發(fā)達國家都將其列為優(yōu)先開展的研究領(lǐng)域。在中國,國家自然科學(xué)基金、科技部“973”計劃和“863”計劃均已將CPS列為重點資助領(lǐng)域。

　　2、CPS概述

　　2.1CPS的定義和功能

　　CPS是具有下列特點的系統(tǒng):

　　1)該系統(tǒng)由計算設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備與物理設(shè)備共同組成。所有設(shè)備相互協(xié)同和相互影響,共同決定整個系統(tǒng)的功能和行為特征。

　　2)由于系統(tǒng)的計算/信息處理過程與物理過程緊密結(jié)合并相互影響,這導(dǎo)致無法區(qū)分系統(tǒng)的某個行為究竟是計算過程還是物理過程作用的結(jié)果。

　　因此,實現(xiàn)計算/信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合是CPS研究最核心的目標。

　　CPS應(yīng)具有下列幾個重要功能:

　　1)信息與物理系統(tǒng)的實時監(jiān)控和綜合仿真

　　與傳統(tǒng)物理系統(tǒng)相比,CPS的一個重要優(yōu)勢在于可以借助傳感器網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)獲得全面而詳細的系統(tǒng)信息。這些信息通過多個不同的通信網(wǎng)絡(luò)(如Internet、電力系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò))集成到CPS的控制中心。CPS將物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)作為一個整體進行綜合分析和仿真,通過綜合仿真可以顯式評估信息系統(tǒng)與物理過程的相互影響,從而能夠更準確地刻畫出CPS作為一個系統(tǒng)的整體行為特征。這種分析和仿真方式是CPS區(qū)別于傳統(tǒng)物理系統(tǒng)的最重要特征之一。

　　2)信息集成、共享和協(xié)同

　　在CPS中傳感器網(wǎng)絡(luò)將不斷地采集數(shù)據(jù)并匯總到CPS控制中心,對于大規(guī)模CPS,如此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將非常驚人。海量數(shù)據(jù)流的傳輸、集成和存儲是現(xiàn)有的行業(yè)信息系統(tǒng)無法解決的,也是CPS必須具備的重要功能。

　　由于CPS一般覆蓋廣闊的地域,系統(tǒng)中的信息設(shè)備和物理設(shè)備一般分屬于很多不同的所有者。CPS既要讓參與者能及時獲得需要的信息,又要確保他們只能嚴格地按照其權(quán)限獲取信息。為CPS設(shè)計新的信息共享和協(xié)同機制是解決這一問題的關(guān)鍵。

　　3)大規(guī)模實體控制和系統(tǒng)全局優(yōu)化

　　未來CPS將會實現(xiàn)分散控制和集中控制的有機結(jié)合,CPS的大部分物理部件中都將植入嵌入式控制設(shè)備并通過通信網(wǎng)絡(luò)與CPS控制中心互聯(lián)。這樣,這些設(shè)備既可以分散控制,在必要時也可以由控制中心集中控制?？刂破鞯脑O(shè)計應(yīng)盡量靈活,控制中心在必要時應(yīng)該可以在線修改具體控制器的參數(shù)設(shè)置,甚至直接升級控制器軟件。這樣,控制中心可以根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的系統(tǒng)信息不斷調(diào)整整個控制系統(tǒng)以實現(xiàn)系統(tǒng)的全局優(yōu)化。

　　2.2CPS的技術(shù)特征

　　與現(xiàn)有信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)相比,CPS具有下列幾個重要的技術(shù)特征:

　　1)虛實共存同變

　　物理系統(tǒng)的狀態(tài)通過傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)反饋回CPS的控制中心,CPS根據(jù)來自物理系統(tǒng)的實時信息不斷修正仿真模型參數(shù)以提高仿真精度;仿真結(jié)果又將通過CPS對物理系統(tǒng)的控制影響物理系統(tǒng)的行為。這樣,在CPS中相當(dāng)于構(gòu)造了物理系統(tǒng)在計算機虛擬環(huán)境中的一個鏡像,物理系統(tǒng)和其虛擬鏡像將同步變化并相互影響。物理系統(tǒng)信息的高速反饋可以保證虛擬鏡像的精度。

　　2)多對多動態(tài)鏈接

　　一般而言,組成CPS的各個部件之間的鏈接關(guān)系在很大比例上是動態(tài)的,這與現(xiàn)有物理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)方式有很大區(qū)別。例如,電力CPS可以把電動汽車和各種智能家電也包括在內(nèi)。這些設(shè)備可通過無線網(wǎng)絡(luò)接入CPS的信息系統(tǒng),其連接狀態(tài)和接入網(wǎng)絡(luò)的位置可以不斷變化。因此,點對點網(wǎng)絡(luò)(ad-hocnetwork)將成為CPS的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

　　3)實時并行計算和信息處理

　　CPS一般對分析和仿真的實時性要求很高。此外,CPS系統(tǒng)需要處理的信息量遠遠大于傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)。這些都對CPS的計算和信息處理能力提出了很高的要求。傳統(tǒng)的集中式計算平臺難以滿足要求。

　　云計算的分布式架構(gòu)與CPS要求實現(xiàn)集中控制和分散控制相結(jié)合的要求正相吻合,可以基于云計算技術(shù)實現(xiàn)CPS的分布式控制系統(tǒng)。

　　4)自組織和自適應(yīng)

　　從規(guī)模上講,CPS一般覆蓋一個大的區(qū)域甚至整個國家。因此,接入CPS的設(shè)備數(shù)量可能非常龐大。對于數(shù)量龐大的物理設(shè)備實行人工管理顯然是行不通的。因此,CPS應(yīng)具有自組織功能。例如,電力CPS應(yīng)能夠自動識別和搜索接入系統(tǒng)的分布式電源;換言之,一個分布式電源一旦接入了系統(tǒng),控制中心就應(yīng)當(dāng)能夠立即獲得該電源的各種信息,并能夠隨時控制該電源。此外,CPS還應(yīng)具有自適應(yīng)功能,也就是說,CPS應(yīng)具有自動排除各種系統(tǒng)故障(包括物理系統(tǒng)故障和信息系統(tǒng)故障)、保證系統(tǒng)正常運行的能力。

　　除了上述幾個重要特征外,CPS在性能方面還應(yīng)具有靈活性(易于升級擴展,易于與CPS的其他子系統(tǒng)接口)、完備性(物理系統(tǒng)與其虛擬鏡像同步且一致)、可靠性(能夠在不確定環(huán)境下可靠工作)、安全性(能夠抵御物理的和虛擬的攻擊)等特征。

　　3、電力CPS的體系結(jié)構(gòu)

　　綜合考慮電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的特點,構(gòu)造了電力CPS的體系結(jié)構(gòu),如圖1所示。

　　圖1電力CPS的體系結(jié)構(gòu)

　　圖中的虛線和實線分別表示信息流動和電能流動?？梢钥闯?電力CPS主要由大量的計算設(shè)備(服務(wù)器、計算機、嵌入式計算設(shè)備等)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(傳感器、PMU、嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備等)和物理設(shè)備(大型發(fā)電機組、分布式電源、負荷等)組成。這些設(shè)備又通過2個大型網(wǎng)絡(luò)互連。其中,各種信息設(shè)備(計算、傳感、控制)通過通信網(wǎng)絡(luò)相互連接,而各種物理設(shè)備(電源、負荷)則通過輸電、配電網(wǎng)絡(luò)相互連接。

　　電力CPS不同于常見電網(wǎng)控制體系的特點是:①具有遠大于智能電網(wǎng)的信息采集范圍;②其通信網(wǎng)絡(luò)是有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合;③包括大量分布式計算設(shè)備;④在電力CPS中,各種負荷設(shè)備和分布式電源也與控制中心聯(lián)網(wǎng)并可以由控制中心直接控制。

　　更具體地講,電力CPS主要由以下部分組成:

　　1)控制中心

　　2)分布式計算設(shè)備

　　3)通信網(wǎng)絡(luò)

　　4)輸電、配電網(wǎng)絡(luò)

　　5)電源和負荷

　　電力CPS可以與CPS的其他子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接并協(xié)同工作。例如,電力CPS可以與交通CPS一起對電動汽車進行協(xié)同控制。一方面,未來的交通CPS將通過車載無線傳感和控制系統(tǒng)控制電動汽車以實現(xiàn)車輛防撞、防交通堵塞、減少能耗等目標。另一方面,由于電動汽車既是用電設(shè)備,又可以作為分布式電源,因此將是未來電力系統(tǒng)的重要組成部分。電動汽車的車載傳感設(shè)備提供的車輛位置、電池狀態(tài)等信息,既可以被交通CPS用于車流量調(diào)度,也可以被電力系統(tǒng)用于負荷預(yù)測和發(fā)電調(diào)度。在交通CPS進行車流量調(diào)度時,也可以把對電力系統(tǒng)的影響考慮在內(nèi),這有利于在更廣的范圍內(nèi)實現(xiàn)節(jié)能減排目標。

　　4實現(xiàn)電力CPS的關(guān)鍵技術(shù)

　　1)全局優(yōu)化與局部控制的協(xié)同技術(shù)

　　電力CPS的最終目的是能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的全局最優(yōu)控制。由于未來電力CPS中需要控制的設(shè)備數(shù)量會明顯超過目前的電力系統(tǒng),實現(xiàn)集中最優(yōu)控制所需的計算量就會非常驚人,因此不能完全依靠集中控制方式,而必須把集中控制與分散控制結(jié)合起來解決問題。

　　怎樣設(shè)計更靈活且有效的控制系統(tǒng)以實現(xiàn)全局優(yōu)化與局部控制的最優(yōu)協(xié)調(diào)將是電力CPS所要解決的首要技術(shù)問題。

　　2)大規(guī)模分布式計算

　　大規(guī)模分布式計算技術(shù)如云計算是解決電力CPS計算問題的有效途徑。利用云計算技術(shù)可以有效整合系統(tǒng)中現(xiàn)有的計算資源,為各種分析計算任務(wù)提供強大的計算與存儲能力支持。云計算能支持各種異構(gòu)計算資源,與集中式的超級計算機相比,其可擴展性很強,且可以在現(xiàn)有計算能力不足時方便地升級。與傳統(tǒng)的計算模式相比,云計算還具有便于信息集成和分析,便于軟件系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用等優(yōu)點。

　　3)CPS通信協(xié)議

　　CPS是一種新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),因此就需要為其構(gòu)造專門的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了針對CPS的通信協(xié)議棧,例如:CPS-IP和CPI(cyberphysicalInternet)6層通信協(xié)議棧。以CPI協(xié)議棧為例,其繼承了傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧的5層結(jié)構(gòu)(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層),并針對CPS的特點(如實時性要求高、結(jié)構(gòu)靈活等)進行了相應(yīng)調(diào)整;此外,在應(yīng)用層之上增添了專門針對CPS的信息物理層(cyberphysicallayer)以描述物理系統(tǒng)的特征與動態(tài)。針對CPS的通信協(xié)議尚有大量技術(shù)問題有待進一步研究。例如,如何保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計算系統(tǒng)同步,如何處理各種性質(zhì)完全不同的物理設(shè)備,如何為物理設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)定義格式,等。

　　4)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)和延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(delay/disruptiontolerantnetwork)

　　由于電力CPS中可能接入大量無線設(shè)備,如電動汽車的傳感與控制系統(tǒng),以及其他無線傳感設(shè)備,這就構(gòu)成了一個典型動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。此外,由于電力系統(tǒng)對可靠性和在線計算分析的速度要求很高,這就要求通信網(wǎng)絡(luò)必須具有很強的處理通信延遲和中斷的能力?？梢灶A(yù)期,動態(tài)網(wǎng)絡(luò)和延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將成為電力CPS的基礎(chǔ)。

　　5)集群智能

　　在電力系統(tǒng)中,不同設(shè)備的所有者和使用者也可能不同,例如:發(fā)電機組為發(fā)電公司所有,輸配電系統(tǒng)為電網(wǎng)公司所有,智能家電和電動汽車為私人用戶所有,等等。因此,電力系統(tǒng)不僅由設(shè)備,也由設(shè)備的所有者和使用者組成。由于不同的所有者有不同的利益目標,對某些設(shè)備可能無法直接控制。例如,對于電動汽車,只能引導(dǎo)其使用者選擇特定的行駛路線和充電方式,而無法對此進行控制。因此,需要深入研究如何適當(dāng)引導(dǎo)電力系統(tǒng)的不同參與者,使得其行為與系統(tǒng)的自動控制相配合以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)控制目標,這稱為集群智能(groupintelligence)或分散決策問題。由于人是CPS不可或缺的重要組成部分,集群智能研究對于實現(xiàn)CPS目標就具有重要意義。

　　6)虛實空間的自動映射一致性

　　前已述及,實現(xiàn)對物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的綜合分析與仿真是CPS的重要功能,這相當(dāng)于在計算機虛擬環(huán)境中構(gòu)造了物理系統(tǒng)的一個鏡像。虛實空間的自動映射一致性包括2個內(nèi)涵:一是要保證所采集的系統(tǒng)信息與實際情況同步且一致;二是要保證系統(tǒng)模型和仿真結(jié)果的準確性。保證上述2點是實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制的基礎(chǔ)。

　　5、電力CPS的研究重點分析

　　電力CPS是一個嶄新的研究領(lǐng)域,在理論和技術(shù)方面都有大量問題有待解決。電力CPS研究中存在的挑戰(zhàn)包括以下幾個方面。

　　5.1電力CPS的建模理論

　　1)電力系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的統(tǒng)一建模方法

　　與電力系統(tǒng)類似,從整體上講電力信息系統(tǒng)模型也可以分為穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型2類,并分別用代數(shù)方程組和微分方程組描述。信息系統(tǒng)建模與電力系統(tǒng)建模的不同之處在于信息系統(tǒng)通常存在若干種離散工作狀態(tài),因此需要引入有窮自動機等數(shù)學(xué)工具處理離散工作狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換。聯(lián)合采用微分代數(shù)方程組、有窮自動機和隨機過程理論,就可以構(gòu)成電力信息系統(tǒng)模型。由于信息系統(tǒng)模型和電力系統(tǒng)模型均以微分代數(shù)方程組為基礎(chǔ),因此可以方便地將兩者聯(lián)立,形成電力CPS的統(tǒng)一模型。

　　2)電力信息系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型

　　與電力一次系統(tǒng)類似,電力信息系統(tǒng)也是一個網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng),因此其穩(wěn)態(tài)模型可表示為網(wǎng)絡(luò)流量模型。在電力信息系統(tǒng)中,傳感設(shè)備和部分計算設(shè)備是信息流的起點,其作用是產(chǎn)生信息流并將其注入通信網(wǎng)絡(luò)中。而另一部分計算設(shè)備的作用則是接收信息流并進行相應(yīng)的分析處理,因而是信息流的終點。通信網(wǎng)絡(luò)是傳輸信息的媒介,其中路由器等信息交換設(shè)備的主要作用是決定每一個到達交換設(shè)備的數(shù)據(jù)包(packet)下一步應(yīng)該被交換到哪一個節(jié)點。換句話說,路由器的作用就是決定信息在網(wǎng)絡(luò)中的流向?；谏鲜隹紤],即可構(gòu)建電力信息系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型。

　　3)電力信息系統(tǒng)的動態(tài)模型

　　上面介紹的穩(wěn)態(tài)模型主要用于解決信息流在通信網(wǎng)絡(luò)中的路徑分配問題。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生阻塞(congestion)時,信息系統(tǒng)會從穩(wěn)態(tài)進入到一個動態(tài)過程,并在通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的作用下,過渡到新的穩(wěn)態(tài)。然而,不當(dāng)?shù)目刂拼胧┛赡軐?dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)的阻塞崩潰(congestivecollapse)。因此為信息系統(tǒng)建立準確的動態(tài)模型對于評估其性能是非常必要的。

　　一般而言,可以將電力信息系統(tǒng)分為計算、通信、傳感3個部分,分別用于完成信息的處理、傳輸與采集等功能。這3個部分共同決定電力信息系統(tǒng)的整體性能。

　　對于計算單元,可以基于排隊論和隨機過程進行建模。對于傳感單元的建模,需要考慮的重點問題在于傳感單元數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率所服從的隨機過程。對于通信網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)建模,則是信息系統(tǒng)動態(tài)模型的核心。根據(jù)國際標準組織(ISO)所制定的通信網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)互聯(lián)(opensysteminterconnection,OSI)模型,通信網(wǎng)絡(luò)按照功能可以劃分為7層。由于在電力系統(tǒng)分析和控制中所感興趣的問題是通信網(wǎng)絡(luò)造成的數(shù)據(jù)延遲和丟失現(xiàn)象,因此主要針對OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層(networklayer)和傳輸層(transportlayer)建立其動態(tài)模型。

　　此外,由于信息系統(tǒng)通常是處在若干種離散工作狀態(tài)下,為了處理信息系統(tǒng)在各種離散工作狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換,可以引入有窮自動機作為數(shù)學(xué)工具,與微分方程組共同構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。如圖2所示,利用有窮自動機可以模擬系統(tǒng)的離散狀態(tài)轉(zhuǎn)換,而對應(yīng)有窮自動機的每一個離散狀態(tài),系統(tǒng)的動態(tài)行為由相應(yīng)的微分方程組進行模擬。這樣的建模方法被稱為通信網(wǎng)絡(luò)的混合系統(tǒng)建模(hybridsystemmodelling)。

　　圖2通信網(wǎng)絡(luò)的混合系統(tǒng)建模

　　綜上所述,利用微分代數(shù)方程組、有窮自動機、隨機過程、排隊論等工具,可以建立電力信息系統(tǒng)的動態(tài)模型。將信息系統(tǒng)的動態(tài)模型與電力系統(tǒng)的動態(tài)模型聯(lián)立即可得到電力CPS的動態(tài)模型。

　　5.2電力CPS的分析方法

　　1)電力信息系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析

　　當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點和線路上注入的信息流量小于其交換能力和傳輸能力上限,且系統(tǒng)未發(fā)生故障時,信息系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的線路負載情況,一個數(shù)據(jù)包可以選擇多條不同的傳輸路徑;因此一般情況下,信息系統(tǒng)可能存在多個穩(wěn)態(tài)運行點。穩(wěn)態(tài)分析的主要目的就是基于穩(wěn)態(tài)模型尋求最優(yōu)穩(wěn)態(tài)運行點。

　　2)電力信息系統(tǒng)的動態(tài)分析

　　信息系統(tǒng)動態(tài)分析著重求解在通信網(wǎng)絡(luò)因存在阻塞或發(fā)生故障而處于暫態(tài)時信息系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標,如傳輸延時和數(shù)據(jù)丟失率等變量的時變路徑,以及判斷系統(tǒng)是否會發(fā)生阻塞崩潰現(xiàn)象。信息系統(tǒng)動態(tài)分析一般通過信息系統(tǒng)仿真來實現(xiàn)。

　　3)電力CPS的可靠性分析

　　由于信息系統(tǒng)對電力系統(tǒng)運行具有顯著影響,因此在電力CPS的可靠性分析中,除了發(fā)電機組和輸電線路等電力系統(tǒng)元件之外,還必須計及信息系統(tǒng)元件故障對于電力系統(tǒng)可靠性的影響。因此,評估電力信息系統(tǒng)的可靠性是評估電力CPS可靠性的重要一環(huán)。

　　4)電力CPS的安全性分析

　　電力信息系統(tǒng)發(fā)生故障會威脅電力系統(tǒng)的安全。因此,有必要發(fā)展有效的電力CPS安全性分析方法。由于信息系統(tǒng)故障的結(jié)果通常是控制中心失去對相關(guān)電力設(shè)備的控制能力,因此信息系統(tǒng)故障對于電力系統(tǒng)造成的影響一般應(yīng)作為大擾動。所以,在電力CPS的安全性分析中,應(yīng)該著重考慮信息系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)動態(tài)安全性的影響。

　　5)電力CPS的綜合仿真

　　構(gòu)建電力CPS的主要目的之一就是在更大范圍內(nèi)全面采集和利用與電力系統(tǒng)相關(guān)的各種信息,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)綜合仿真,以便于調(diào)度人員和其他市場參與者全面掌握電力系統(tǒng)運行狀態(tài)并在此基礎(chǔ)上作出決策。從總體上講,電力CPS綜合仿真主要包括信息、物理和經(jīng)濟3個層面。

　　在信息層面上,仿真的目的就是利用電力信息系統(tǒng)分析方法評估信息系統(tǒng)運行狀態(tài)以及其對電力系統(tǒng)的影響;在物理層面上,仿真的目的是評估電力系統(tǒng)自身運行狀況,以判斷系統(tǒng)是否能夠安全穩(wěn)定運行;在經(jīng)濟層面上,仿真的目的則是根據(jù)電力系統(tǒng)運行狀態(tài)和一些關(guān)鍵市場信息的預(yù)測結(jié)果,預(yù)測市場運行狀態(tài)(如電價和機組調(diào)度結(jié)果)。

　　除了上述3個主要方面外,在電力CPS的綜合仿真中還可以進一步計及能耗和碳排放等因素,從而形成智能電網(wǎng)的“信息—物理—經(jīng)濟—能耗—排放”綜合仿真。

　　5.3系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃與運行調(diào)度

　　在上述系統(tǒng)仿真、安全性與可靠性研究基礎(chǔ)上,應(yīng)針對電力CPS的特點研究新的設(shè)計、規(guī)劃與調(diào)度方法。具體地講,設(shè)計問題主要關(guān)注怎樣更好地將通信、控制和傳感設(shè)備嵌入到物理設(shè)備中構(gòu)造新一代系統(tǒng)組件;此外,還需要研究相應(yīng)的操作系統(tǒng)、編程語言、中間件等。未來的電力系統(tǒng)規(guī)劃必須和信息系統(tǒng)規(guī)劃統(tǒng)一進行,在規(guī)劃過程中除了要考慮發(fā)電機組和輸配電網(wǎng)絡(luò)外,還要考慮計算設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備的功能和布局等問題。

　　電力CPS的調(diào)度問題與傳統(tǒng)調(diào)度問題的不同之處主要在于需要考慮分布式電源和各種智能負荷的控制問題。未來的智能電網(wǎng)必須依賴通信網(wǎng)絡(luò)在調(diào)度機構(gòu)和智能負荷、分布式電源、電動汽車等設(shè)備之間傳遞信息與控制信號。因此,未來的智能電網(wǎng)將是一個典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。而另一方面,考慮到通信網(wǎng)絡(luò)在實際運行中存在由于故障或網(wǎng)絡(luò)攻擊而暫時失靈的可能,完全依賴網(wǎng)絡(luò)化控制有可能會降低系統(tǒng)運行可靠性。因此,在智能電網(wǎng)環(huán)境下較為理想的控制方式應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)化控制與本地控制相結(jié)合的混合控制。

　　5.4電力CPS的標準化

　　考慮到CPS應(yīng)具有自組織、自適應(yīng)、易于擴展等特征,CPS在物理設(shè)備、通信協(xié)議、編程語言、軟硬件接口等方面都必須遵循相應(yīng)的行業(yè)標準。然而,由于CPS研究在世界范圍內(nèi)仍處于起步階段,相關(guān)領(lǐng)域尚不存在通行的國際標準,這就為中國CPS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個難得的機遇。如果國內(nèi)CPS學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界能夠率先提出CPS的相關(guān)行業(yè)標準,就可望在這一場新的技術(shù)革命中占據(jù)制高點。電力CPS作為CPS的子系統(tǒng),其標準化問題也相應(yīng)地必須盡快提上議事日程。

　　6、結(jié)語

　　CPS是由計算設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備和物理設(shè)備緊密融合所構(gòu)成的新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文探討了建立電力CPS的架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)。一方面,電力CPS應(yīng)該具有智能電網(wǎng)所應(yīng)具有的所有重要功能;另一方面,作為未來大規(guī)模CPS的一個子系統(tǒng),電力CPS也應(yīng)具有CPS的各種特征,并可以方便地與CPS的其他子系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享和協(xié)作。

　　能夠融合多類能源系統(tǒng)(如燃氣網(wǎng)絡(luò)與供熱網(wǎng)絡(luò))和智能交通網(wǎng)絡(luò)的能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在最近幾年受到了比較普遍的關(guān)注。就電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)而言,能源互聯(lián)網(wǎng)借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進電源、電力網(wǎng)絡(luò)與負荷的深度協(xié)調(diào),能夠增強接納間歇性可再生能源發(fā)電的能力,并改善系統(tǒng)整體運行效率。能源互聯(lián)網(wǎng)也包括一次系統(tǒng)和信息系統(tǒng),自然也是一種信息物理融合系統(tǒng)。能源互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)包括電力CPS以及與其相關(guān)聯(lián)的一次能源CPS、交通CPS、供冷供熱CPS等的傳感、通信、計算和控制部分。能源互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)為多個CPS子系統(tǒng)之間的信息交互提供了硬件基礎(chǔ)和計算資源,可以在多個子系統(tǒng)間實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)交互,對參與主體實現(xiàn)公平對等互聯(lián)和信息共享。如何對這些子系統(tǒng)的CPS進行協(xié)同規(guī)劃和優(yōu)化運行是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)CPS時需要解決的重要問題。另一方面,發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)的重要目標之一是支持對海量用戶側(cè)資源的有效協(xié)調(diào)控制,這需要實現(xiàn)對用戶行為及周邊環(huán)境的精確理解。因此,與電力CPS相比,能源互聯(lián)網(wǎng)CPS要能夠支持對由“信息-物理-個體-社會”組成的四元復(fù)雜系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的交互機理和交互影響進行建模與分析。需要進一步深入研究。