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(dòng)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(diǎn),并已在部分國家進(jìn)入前期發(fā)展或工程示范階段。

　　推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿υ谟诖龠M(jìn)間歇式可再生能源、電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷和各種儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),就必須首先實(shí)現(xiàn)信息在電力系統(tǒng)內(nèi)的雙向流動(dòng)和有效利用,并在此基礎(chǔ)上提高對(duì)系統(tǒng)的感知和控制能力。因此,引入新的計(jì)算、通信和傳感技術(shù),并實(shí)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(shí)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(jìn)電力一次系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的深度融合,并最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的目標(biāo)提供了新的思路和實(shí)現(xiàn)途徑。CPS是將計(jì)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(duì)于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展具有重要意義,美國等主要發(fā)達(dá)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(jì)劃和“863”計(jì)劃均已將CPS列為重點(diǎn)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(diǎn)的系統(tǒng):

　　1)該系統(tǒng)由計(jì)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(gè)系統(tǒng)的功能和行為特征。

　　2)由于系統(tǒng)的計(jì)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(gè)行為究竟是計(jì)算過程還是物理過程作用的結(jié)果。

　　因此,實(shí)現(xiàn)計(jì)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(biāo)。

　　CPS應(yīng)具有下列幾個(gè)重要功能:

　　1)信息與物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和綜合仿真

　　與傳統(tǒng)物理系統(tǒng)相比,CPS的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)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(xì)的系統(tǒng)信息。這些信息通過多個(gè)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(gè)整體進(jìn)行綜合分析和仿真,通過綜合仿真可以顯式評(píng)估信息系統(tǒng)與物理過程的相互影響,從而能夠更準(zhǔn)確地刻畫出CPS作為一個(gè)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(duì)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(chǔ)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(shí)獲得需要的信息,又要確保他們只能嚴(yán)格地按照其權(quán)限獲取信息。為CPS設(shè)計(jì)新的信息共享和協(xié)同機(jī)制是解決這一問題的關(guān)鍵。

　　3)大規(guī)模實(shí)體控制和系統(tǒng)全局優(yōu)化

　　未來CPS將會(huì)實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制的有機(jī)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(shí)也可以由控制中心集中控制。控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量靈活,控制中心在必要時(shí)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(jí)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(gè)控制系統(tǒng)以實(shí)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(gè)重要的技術(shù)特征:

　　1)虛實(shí)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(shí)時(shí)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(duì)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(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中的一個(gè)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(duì)多動(dòng)態(tài)鏈接

　　一般而言,組成CPS的各個(gè)部件之間的鏈接關(guān)系在很大比例上是動(dòng)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(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(ad-hocnetwork)將成為CPS的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

　　3)實(shí)時(shí)并行計(jì)算和信息處理

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

　　云計(jì)算的分布式架構(gòu)與CPS要求實(shí)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(jì)算技術(shù)實(shí)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(gè)大的區(qū)域甚至整個(gè)國家。因此,接入CPS的設(shè)備數(shù)量可能非常龐大。對(duì)于數(shù)量龐大的物理設(shè)備實(shí)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(dòng)識(shí)別和搜索接入系統(tǒng)的分布式電源;換言之,一個(gè)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(shí)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(dòng)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(yùn)行的能力。

　　除了上述幾個(gè)重要特征外,CPS在性能方面還應(yīng)具有靈活性(易于升級(jí)擴(kuò)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(gè)環(huán)節(jié)的特點(diǎn),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(shí)線分別表示信息流動(dòng)和電能流動(dòng)。可以看出,電力CPS主要由大量的計(jì)算設(shè)備(服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)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(jī)組、分布式電源、負(fù)荷等)組成。這些設(shè)備又通過2個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)互連。其中,各種信息設(shè)備(計(jì)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(fù)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(diǎn)是:①具有遠(yuǎn)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(jì)算設(shè)備;④在電力CPS中,各種負(fù)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(jì)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(fù)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(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)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(dòng)汽車以實(shí)現(xiàn)車輛防撞、防交通堵塞、減少能耗等目標(biāo)。另一方面,由于電動(dòng)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(dòng)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(fù)荷預(yù)測和發(fā)電調(diào)度。在交通CPS進(jìn)行車流量調(diào)度時(shí),也可以把對(duì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

　　4實(shí)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(gè)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(huì)明顯超過目前的電力系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)集中最優(yōu)控制所需的計(jì)算量就會(huì)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(jì)更靈活且有效的控制系統(tǒng)以實(shí)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(jì)算

　　大規(guī)模分布式計(jì)算技術(shù)如云計(jì)算是解決電力CPS計(jì)算問題的有效途徑。利用云計(jì)算技術(shù)可以有效整合系統(tǒng)中現(xiàn)有的計(jì)算資源,為各種分析計(jì)算任務(wù)提供強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力支持。云計(jì)算能支持各種異構(gòu)計(jì)算資源,與集中式的超級(jí)計(jì)算機(jī)相比,其可擴(kuò)展性很強(qiáng),且可以在現(xiàn)有計(jì)算能力不足時(shí)方便地升級(jí)。與傳統(tǒng)的計(jì)算模式相比,云計(jì)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(hù)和使用等優(yōu)點(diǎn)。

　　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(duì)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(duì)CPS的特點(diǎn)(如實(shí)時(shí)性要求高、結(jié)構(gòu)靈活等)進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整;此外,在應(yīng)用層之上增添了專門針對(duì)CPS的信息物理層(cyberphysicallayer)以描述物理系統(tǒng)的特征與動(dòng)態(tài)。針對(duì)CPS的通信協(xié)議尚有大量技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究。例如,如何保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計(jì)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(dòng)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(dòng)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(gè)典型動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。此外,由于電力系統(tǒng)對(duì)可靠性和在線計(jì)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(qiáng)的處理通信延遲和中斷的能力。可以預(yù)期,動(dòng)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(jī)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(dòng)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(biāo),對(duì)某些設(shè)備可能無法直接控制。例如,對(duì)于電動(dòng)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(duì)此進(jìn)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(dòng)控制相配合以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)控制目標(biāo),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(duì)于實(shí)現(xiàn)CPS目標(biāo)就具有重要意義。

　　6)虛實(shí)空間的自動(dòng)映射一致性

　　前已述及,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中構(gòu)造了物理系統(tǒng)的一個(gè)鏡像。虛實(shí)空間的自動(dòng)映射一致性包括2個(gè)內(nèi)涵:一是要保證所采集的系統(tǒng)信息與實(shí)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(zhǔn)確性。保證上述2點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制的基礎(chǔ)。

　　5、電力CPS的研究重點(diǎn)分析

　　電力CPS是一個(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和隨機(jī)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(gè)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(jì)算設(shè)備是信息流的起點(diǎn),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(jì)算設(shè)備的作用則是接收信息流并進(jìn)行相應(yīng)的分析處理,因而是信息流的終點(diǎn)。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(gè)到達(dá)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(gè)節(jié)點(diǎn)。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。基于上述考慮,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(dòng)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(shí),信息系統(tǒng)會(huì)從穩(wěn)態(tài)進(jìn)入到一個(gè)動(dòng)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(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型對(duì)于評(píng)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(jì)算、通信、傳感3個(gè)部分,分別用于完成信息的處理、傳輸與采集等功能。這3個(gè)部分共同決定電力信息系統(tǒng)的整體性能。

　　對(duì)于計(jì)算單元,可以基于排隊(duì)論和隨機(jī)過程進(jìn)行建模。對(duì)于傳感單元的建模,需要考慮的重點(diǎn)問題在于傳感單元數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率所服從的隨機(jī)過程。對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)建模,則是信息系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的核心。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)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(duì)OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層(networklayer)和傳輸層(transportlayer)建立其動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以模擬系統(tǒng)的離散狀態(tài)轉(zhuǎn)換,而對(duì)應(yīng)有窮自動(dòng)機(jī)的每一個(gè)離散狀態(tài),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為由相應(yīng)的微分方程組進(jìn)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(dòng)機(jī)、隨機(jī)過程、排隊(duì)論等工具,可以建立電力信息系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。將信息系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型與電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型聯(lián)立即可得到電力CPS的動(dòng)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(diǎn)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(shí),信息系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的線路負(fù)載情況,一個(gè)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(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。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(yùn)行點(diǎn)。

　　2)電力信息系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

　　信息系統(tǒng)動(dòng)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(shí)信息系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo),如傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)丟失率等變量的時(shí)變路徑,以及判斷系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生阻塞崩潰現(xiàn)象。信息系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析一般通過信息系統(tǒng)仿真來實(shí)現(xiàn)。

　　3)電力CPS的可靠性分析

　　由于信息系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)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(jī)組和輸電線路等電力系統(tǒng)元件之外,還必須計(jì)及信息系統(tǒng)元件故障對(duì)于電力系統(tǒng)可靠性的影響。因此,評(píng)估電力信息系統(tǒng)的可靠性是評(píng)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(huì)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(duì)相關(guān)電力設(shè)備的控制能力,因此信息系統(tǒng)故障對(duì)于電力系統(tǒng)造成的影響一般應(yīng)作為大擾動(dòng)。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(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)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(shí)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(yùn)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(jì)3個(gè)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(píng)估信息系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響;在物理層面上,仿真的目的是評(píng)估電力系統(tǒng)自身運(yùn)行狀況,以判斷系統(tǒng)是否能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行;在經(jīng)濟(jì)層面上,仿真的目的則是根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)(如電價(jià)和機(jī)組調(diào)度結(jié)果)。

　　除了上述3個(gè)主要方面外,在電力CPS的綜合仿真中還可以進(jìn)一步計(jì)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(jì)—能耗—排放”綜合仿真。

　　5.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃與運(yùn)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(duì)電力CPS的特點(diǎn)研究新的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與調(diào)度方法。具體地講,設(shè)計(jì)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(jìn)行,在規(guī)劃過程中除了要考慮發(fā)電機(jī)組和輸配電網(wǎng)絡(luò)外,還要考慮計(jì)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(fù)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(jī)構(gòu)和智能負(fù)荷、分布式電源、電動(dòng)汽車等設(shè)備之間傳遞信息與控制信號(hào)。因此,未來的智能電網(wǎng)將是一個(gè)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(shí)際運(yùn)行中存在由于故障或網(wǎng)絡(luò)攻擊而暫時(shí)失靈的可能,完全依賴網(wǎng)絡(luò)化控制有可能會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化

　　考慮到CPS應(yīng)具有自組織、自適應(yīng)、易于擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn),這就為中國CPS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)難得的機(jī)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(biāo)準(zhǔn),就可望在這一場新的技術(shù)革命中占據(jù)制高點(diǎn)。電力CPS作為CPS的子系統(tǒng),其標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)作。

　　能夠融合多類能源系統(tǒng)(如燃?xì)饩W(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(jìn)電源、電力網(wǎng)絡(luò)與負(fù)荷的深度協(xié)調(diào),能夠增強(qiáng)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(yùn)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(jì)算和控制部分。能源互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)為多個(gè)CPS子系統(tǒng)之間的信息交互提供了硬件基礎(chǔ)和計(jì)算資源,可以在多個(gè)子系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)交互,對(duì)參與主體實(shí)現(xiàn)公平對(duì)等互聯(lián)和信息共享。如何對(duì)這些子系統(tǒng)的CPS進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)CPS時(shí)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(biāo)之一是支持對(duì)海量用戶側(cè)資源的有效協(xié)調(diào)控制,這需要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)由“信息-物理-個(gè)體-社會(huì)”組成的四元復(fù)雜系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的交互機(jī)理和交互影響進(jìn)行建模與分析。需要進(jìn)一步深入研究。