引言

信息物理系統(tǒng)是指通過通信、計算機、控制技術的有機融合,實現(xiàn)實時感知、動態(tài)控制與信息服務融合的多維異構復雜系統(tǒng)。智能電網(wǎng)是通過應用先進的控制方法、測量和傳感技術、決策支持技術等,實現(xiàn)電網(wǎng)的高可靠性、可持續(xù)性、高安全性,使電力市場能夠有效、公平運營。

近年來,隨著智能電網(wǎng)技術的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)的自動化程度也越來越高。當今電網(wǎng)覆蓋了所有電壓等級,包含發(fā)一輸-變-配一用電等各個環(huán)節(jié),具有較高的安全性和可靠性,能夠兼容分布式電源和可再生能源,支持用戶側參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)等,即電力CPS是智能電網(wǎng)和信息物理系統(tǒng)的有機結合。未來的電力CPS除了繼承數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng),還可以借助各類負荷和分布式電源等得到更全面的信息。

1電力CPS體系結構

1.1通信網(wǎng)絡

專用網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡三大類組成了電力CPS的通信網(wǎng)絡。普通有線網(wǎng)絡用于連接非關鍵設備:專用有線網(wǎng)絡可提高信號傳輸可靠性,降低通信延遲,滿足實時性需求:無線網(wǎng)絡用于連接部分活動的設備或無線傳感設備。

1.2分布式計算設備

電力CPS不但要滿足實時處理很多電氣測量信息的需求,還要能夠對大量物理設備進行控制,因此具備超強的數(shù)據(jù)處理和計算能力是基礎,但傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無法滿足電力CPS的這些要求?；谠朴嬎愕确植际接嬎慵夹g以其強大的存儲和計算能力得到了廣泛應用,滿足電力CPS需求,特點是能夠整合系統(tǒng)中各種異構計算設備。

1.3控制中心

控制中心是整個電力CPS的核心,通過通信網(wǎng)絡與其他系統(tǒng)互聯(lián)。主要功能包括:采集信息:修正系統(tǒng)模型并進行仿真計算和分析:控制各類物理設備等。

1.4電源和負荷

未來電力CPS的控制中心將連接各種分布式電源、負荷設備等,并且可以直接控制它們。在必要時,能夠自動按照負荷的重要程度將次要負荷設備斷開,提高供電可靠性。

1.5輸配電網(wǎng)絡

未來輸配電網(wǎng)絡中將接入大量的傳感器,電力CPS可以與其他行業(yè)的CPS進行數(shù)據(jù)交互。例如,電動汽車作為未來電力CPS的重要組成部分,既能當作分布式電源,又是用電設備。電力CPS為了實現(xiàn)對電動汽車的協(xié)同控制可以與交通CPS的數(shù)據(jù)進行交互。電動汽車車載傳感設備提供的一系列信息,

不但能控制電動汽車進行車流量調(diào)度等,還可以被電力系統(tǒng)用于發(fā)電調(diào)度和負荷預測。

2實現(xiàn)電力CPS的關鍵技術

2.1通信協(xié)議

學術界已經(jīng)提出了一種新的六層通信協(xié)議棧CPI,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層、信息物理層,此協(xié)議棧繼承了現(xiàn)在的TCP/IP結構,新的信息物理層添加于應用層之上,用來對物理系統(tǒng)的動態(tài)和特征進行描述。

2.2分散控制與集中控制的協(xié)同技術

電力CPS的最終目的是對整個系統(tǒng)的控制達到全局最

優(yōu)。隨著電力CPS中設備數(shù)量的大大增加,必須把分散控制與集中控制結合起來才可以,而如何實現(xiàn)分散控制與集中控制協(xié)同且靈活高效的技術是關鍵。

2.3分布式計算模式

與傳統(tǒng)的集中式計算模式相比,基于云計算的分布式計算模式可以有效整合系統(tǒng)中的各種異構計算資源,具備強大的存儲與計算能力,其優(yōu)點是擴展性強,易于運維等。電力CPS分散與集中控制的協(xié)同模式與分布式計算模式相符合。

2.4虛實空間的自動映射

虛實空間的自動映射是實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制的基礎,包括兩個方面內(nèi)容:一是系統(tǒng)模型與仿真結果的準確性:二是所采集的系統(tǒng)信息與實際情況的一致性。

2.5延遲容忍網(wǎng)絡

未來的電力CPS中,由于大量無線傳感設備的接入而構成一個典型動態(tài)網(wǎng)絡,比如電動汽車的傳感與控制系統(tǒng),對通信網(wǎng)絡處理中斷和延遲的能力有較高要求,具備高可靠性和很強的在線計算分析能力。延遲容忍網(wǎng)絡（DTN）是一種新型的網(wǎng)絡體系結構,解決了在高誤碼率、長時延、頻繁中斷等特征的異構網(wǎng)絡中的通信問題,可以滿足電力CPS需求。DTN在多種不同類型的應用層之下、傳輸層之上添加了一個DTN層,能夠利用下層網(wǎng)絡提供的服務進行數(shù)據(jù)傳輸。也就是說,DTN將運行在各種網(wǎng)絡的已有協(xié)議棧上,為兩個或多個異種網(wǎng)絡節(jié)點物理連接時提供存儲轉發(fā)的網(wǎng)關功能。

3電力CPS需要研究的問題

電力CPS作為一個全新的研究領域,在技術和理論方面都有大量亟待解決的問題。

3.1基礎理論和系統(tǒng)模型

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的差異主要存在兩個方面:一是理論基礎不同。電力系統(tǒng)的理論基礎是連續(xù)數(shù)學,建模工具是代數(shù)方程組和微分方程組:信息系統(tǒng)的理論基礎是離散數(shù)學,建模工具一般是離散數(shù)學工具,如有窮自動機。二是實時性方面。電力系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性要求較高,信息系統(tǒng)則正好相反。新的系統(tǒng)理論和模型要能夠適應信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)并存的特點。

3.2系統(tǒng)仿真算法

實現(xiàn)電力CPS的最優(yōu)控制、分析其行為特征,仿真算法作為重要工具,也是研究的重點之一。

3.3可靠性

信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)同時影響著電力CPS,有待研究的問題是信息系統(tǒng)可靠性和電力系統(tǒng)可靠性的融合,二者作為相對成熟的研究領域,要重點關注它們之間的相互影響。

3.4安全性

電力CPS的安全性是重點研究的問題,需要同時對物理系統(tǒng)的安全性和信息系統(tǒng)的安全性進行研究。既要考慮人為攻擊和破壞,又要考慮系統(tǒng)自身故障。信息系統(tǒng)的安全性和物理系統(tǒng)的安全性是相輔相成的,比如對信息系統(tǒng)的攻擊也可能導致物理系統(tǒng)的大規(guī)模故障。未來的電力CPS一定會越來越依賴信息網(wǎng)絡,因此網(wǎng)絡安全的重要性也不可忽視。目前電力網(wǎng)絡是按照業(yè)務的重要程度劃分安全區(qū),一般分為3～4個大區(qū),l區(qū)即生產(chǎn)控制大區(qū)、ll區(qū)即非實時控制大區(qū)、lll區(qū)即管理信息大區(qū)。實行"安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、縱向認證、橫向隔離"的網(wǎng)絡架構,雖然安全性較高,但在電力CPS環(huán)境下,依然存在攻擊電網(wǎng)的可能性。未來的電力CPS應融合現(xiàn)有的電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的安全理論,構建統(tǒng)一的電力CPS安全性理論。3.5系統(tǒng)設計規(guī)劃

未來的電力系統(tǒng)在規(guī)劃時不但要考慮輸配電網(wǎng)絡,還要考慮信息系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡、設備的功能和布局等,此外,相應的操作系統(tǒng)、編程語言等也是研究的重點內(nèi)容。如何在物理設備中更好地將通信、傳感設備等融合進去也是需要關注的問題。

3.6電力CPS的標準化

目前,全世界對CPS的相關研究仍處于初級階段,因此在通信協(xié)議、物理設備、軟硬件接口、編程語言等方面還沒有相應的行業(yè)標準。

3.7調(diào)度運行

電力系統(tǒng)的運行將會隨著大量電動汽車、分布式電源、智能家電等的接入存在不穩(wěn)定因素,傳統(tǒng)電力調(diào)度的職責是電力CPS調(diào)度必須具備的,除此以外還需考慮各種負荷和分布式電源的控制問題。

4結語

電力CPS作為一個新的研究領域,主要功能綜合了物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)同與共享、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)仿真、全局優(yōu)化、設備控制等,由物理設備、傳感設備、通信網(wǎng)絡、計算設備等緊密融合。當前仍有大量理論和技術問題有待解決。