1、研究背景
近年來,在世界范圍內的節能減排浪潮和信息技術快速發展的推動下,電力系統正在發生深刻的變革。智能電網的研究已成為電力工業界和學術界關注的焦點,并已在部分國家進入前期發展或工程示范階段。
推動智能電網發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備的并網與優化調度,以及用戶側更廣泛和深入的參與。此外,智能電網還具有高效、可自愈、高可靠性和高安全性等主要特征。要實現上述目標,就必須首先實現信息在電力系統內的雙向流動和有效利用,并在此基礎上提高對系統的感知和控制能力。因此,引入新的計算、通信和傳感技術,并實現信息系統和電力系統更緊密的融合與協作將是實現電力系統智能化的關鍵。
信息物理融合系統(cyberphysicalsystem,CPS)的提出與發展為促進電力一次系統與電力信息系統的深度融合,并最終實現電網智能化的目標提供了新的思路和實現途徑。CPS是將計算資源與物理系統深度融合所構成的新型系統。由于CPS對于經濟和技術發展具有重要意義,美國等主要發達國家都將其列為優先開展的研究領域。在中國,國家自然科學基金、科技部“973”計劃和“863”計劃均已將CPS列為重點資助領域。
2、CPS概述
2.1CPS的定義和功能
CPS是具有下列特點的系統:
1)該系統由計算設備、通信網絡、傳感設備與物理設備共同組成。所有設備相互協同和相互影響,共同決定整個系統的功能和行為特征。
2)由于系統的計算/信息處理過程與物理過程緊密結合并相互影響,這導致無法區分系統的某個行為究竟是計算過程還是物理過程作用的結果。
因此,實現計算/信息系統與物理系統的融合是CPS研究最核心的目標。
CPS應具有下列幾個重要功能:
1)信息與物理系統的實時監控和綜合仿真
與傳統物理系統相比,CPS的一個重要優勢在于可以借助傳感器網絡和通信網絡獲得全面而詳細的系統信息。這些信息通過多個不同的通信網絡(如Internet、電力系統專用通信網絡、無線通信網絡)集成到CPS的控制中心。CPS將物理系統和信息系統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作為一個系統的整體行為特征。這種分析和仿真方式是CPS區別于傳統物理系統的最重要特征之一。
2)信息集成、共享和協同
在CPS中傳感器網絡將不斷地采集數據并匯總到CPS控制中心,對于大規模CPS,如此產生的數據量將非常驚人。海量數據流的傳輸、集成和存儲是現有的行業信息系統無法解決的,也是CPS必須具備的重要功能。
由于CPS一般覆蓋廣闊的地域,系統中的信息設備和物理設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限獲取信息。為CPS設計新的信息共享和協同機制是解決這一問題的關鍵。
3)大規模實體控制和系統全局優化
未來CPS將會實現分散控制和集中控制的有機結合,CPS的大部分物理部件中都將植入嵌入式控制設備并通過通信網絡與CPS控制中心互聯。這樣,這些設備既可以分散控制,在必要時也可以由控制中心集中控制。控制器的設計應盡量靈活,控制中心在必要時應該可以在線修改具體控制器的參數設置,甚至直接升級控制器軟件。這樣,控制中心可以根據傳感器網絡收集的系統信息不斷調整整個控制系統以實現系統的全局優化。
2.2CPS的技術特征
與現有信息系統和物理系統相比,CPS具有下列幾個重要的技術特征:
1)虛實共存同變
物理系統的狀態通過傳感器和通信網絡反饋回CPS的控制中心,CPS根據來自物理系統的實時信息不斷修正仿真模型參數以提高仿真精度;仿真結果又將通過CPS對物理系統的控制影響物理系統的行為。這樣,在CPS中相當于構造了物理系統在計算機虛擬環境中的一個鏡像,物理系統和其虛擬鏡像將同步變化并相互影響。物理系統信息的高速反饋可以保證虛擬鏡像的精度。
2)多對多動態鏈接
一般而言,組成CPS的各個部件之間的鏈接關系在很大比例上是動態的,這與現有物理系統的聯網方式有很大區別。例如,電力CPS可以把電動汽車和各種智能家電也包括在內。這些設備可通過無線網絡接入CPS的信息系統,其連接狀態和接入網絡的位置可以不斷變化。因此,點對點網絡(ad-hocnetwork)將成為CPS的重要技術基礎。
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系統需要處理的信息量遠遠大于傳統的信息系統。這些都對CPS的計算和信息處理能力提出了很高的要求。傳統的集中式計算平臺難以滿足要求。
云計算的分布式架構與CPS要求實現集中控制和分散控制相結合的要求正相吻合,可以基于云計算技術實現CPS的分布式控制系統。
4)自組織和自適應
從規模上講,CPS一般覆蓋一個大的區域甚至整個國家。因此,接入CPS的設備數量可能非常龐大。對于數量龐大的物理設備實行人工管理顯然是行不通的。因此,CPS應具有自組織功能。例如,電力CPS應能夠自動識別和搜索接入系統的分布式電源;換言之,一個分布式電源一旦接入了系統,控制中心就應當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還應具有自適應功能,也就是說,CPS應具有自動排除各種系統故障(包括物理系統故障和信息系統故障)、保證系統正常運行的能力。
除了上述幾個重要特征外,CPS在性能方面還應具有靈活性(易于升級擴展,易于與CPS的其他子系統接口)、完備性(物理系統與其虛擬鏡像同步且一致)、可靠性(能夠在不確定環境下可靠工作)、安全性(能夠抵御物理的和虛擬的攻擊)等特征。
3、電力CPS的體系結構
綜合考慮電力系統各個環節的特點,構造了電力CPS的體系結構,如圖1所示。
圖1電力CPS的體系結構
圖中的虛線和實線分別表示信息流動和電能流動。可以看出,電力CPS主要由大量的計算設備(服務器、計算機、嵌入式計算設備等)、數據采集設備(傳感器、PMU、嵌入式數據采集設備等)和物理設備(大型發電機組、分布式電源、負荷等)組成。這些設備又通過2個大型網絡互連。其中,各種信息設備(計算、傳感、控制)通過通信網絡相互連接,而各種物理設備(電源、負荷)則通過輸電、配電網絡相互連接。
電力CPS不同于常見電網控制體系的特點是:①具有遠大于智能電網的信息采集范圍;②其通信網絡是有線網絡和無線網絡的結合;③包括大量分布式計算設備;④在電力CPS中,各種負荷設備和分布式電源也與控制中心聯網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)分布式計算設備
3)通信網絡
4)輸電、配電網絡
5)電源和負荷
電力CPS可以與CPS的其他子系統通過網絡連接并協同工作。例如,電力CPS可以與交通CPS一起對電動汽車進行協同控制。一方面,未來的交通CPS將通過車載無線傳感和控制系統控制電動汽車以實現車輛防撞、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備,又可以作為分布式電源,因此將是未來電力系統的重要組成部分。電動汽車的車載傳感設備提供的車輛位置、電池狀態等信息,既可以被交通CPS用于車流量調度,也可以被電力系統用于負荷預測和發電調度。在交通CPS進行車流量調度時,也可以把對電力系統的影響考慮在內,這有利于在更廣的范圍內實現節能減排目標。
4實現電力CPS的關鍵技術
1)全局優化與局部控制的協同技術
電力CPS的最終目的是能夠實現整個系統的全局最優控制。由于未來電力CPS中需要控制的設備數量會明顯超過目前的電力系統,實現集中最優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合起來解決問題。
怎樣設計更靈活且有效的控制系統以實現全局優化與局部控制的最優協調將是電力CPS所要解決的首要技術問題。
2)大規模分布式計算
大規模分布式計算技術如云計算是解決電力CPS計算問題的有效途徑。利用云計算技術可以有效整合系統中現有的計算資源,為各種分析計算任務提供強大的計算與存儲能力支持。云計算能支持各種異構計算資源,與集中式的超級計算機相比,其可擴展性很強,且可以在現有計算能力不足時方便地升級。與傳統的計算模式相比,云計算還具有便于信息集成和分析,便于軟件系統的開發、維護和使用等優點。
3)CPS通信協議
CPS是一種新型網絡系統,因此就需要為其構造專門的網絡通信協議棧。學術界已經提出了針對CPS的通信協議棧,例如:CPS-IP和CPI(cyberphysicalInternet)6層通信協議棧。以CPI協議棧為例,其繼承了傳統TCP/IP協議棧的5層結構(物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層),并針對CPS的特點(如實時性要求高、結構靈活等)進行了相應調整;此外,在應用層之上增添了專門針對CPS的信息物理層(cyberphysicallayer)以描述物理系統的特征與動態。針對CPS的通信協議尚有大量技術問題有待進一步研究。例如,如何保證網絡內所有計算系統同步,如何處理各種性質完全不同的物理設備,如何為物理設備的狀態數據定義格式,等。
4)動態網絡和延遲/中斷容忍網絡(delay/disruptiontolerantnetwork)
由于電力CPS中可能接入大量無線設備,如電動汽車的傳感與控制系統,以及其他無線傳感設備,這就構成了一個典型動態網絡。此外,由于電力系統對可靠性和在線計算分析的速度要求很高,這就要求通信網絡必須具有很強的處理通信延遲和中斷的能力。可以預期,動態網絡和延遲/中斷容忍網絡技術將成為電力CPS的基礎。
5)集群智能
在電力系統中,不同設備的所有者和使用者也可能不同,例如:發電機組為發電公司所有,輸配電系統為電網公司所有,智能家電和電動汽車為私人用戶所有,等等。因此,電力系統不僅由設備,也由設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,對某些設備可能無法直接控制。例如,對于電動汽車,只能引導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引導電力系統的不同參與者,使得其行為與系統的自動控制相配合以實現整個系統的最優控制目標,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,實現對物理系統和信息系統的綜合分析與仿真是CPS的重要功能,這相當于在計算機虛擬環境中構造了物理系統的一個鏡像。虛實空間的自動映射一致性包括2個內涵:一是要保證所采集的系統信息與實際情況同步且一致;二是要保證系統模型和仿真結果的準確性。保證上述2點是實現系統最優控制的基礎。
5、電力CPS的研究重點分析
電力CPS是一個嶄新的研究領域,在理論和技術方面都有大量問題有待解決。電力CPS研究中存在的挑戰包括以下幾個方面。
5.1電力CPS的建模理論
1)電力系統與電力信息系統的統一建模方法
與電力系統類似,從整體上講電力信息系統模型也可以分為穩態模型和動態模型2類,并分別用代數方程組和微分方程組描述。信息系統建模與電力系統建模的不同之處在于信息系統通常存在若干種離散工作狀態,因此需要引入有窮自動機等數學工具處理離散工作狀態之間的相互轉換。聯合采用微分代數方程組、有窮自動機和隨機過程理論,就可以構成電力信息系統模型。由于信息系統模型和電力系統模型均以微分代數方程組為基礎,因此可以方便地將兩者聯立,形成電力CPS的統一模型。
2)電力信息系統的穩態模型
與電力一次系統類似,電力信息系統也是一個網絡化系統,因此其穩態模型可表示為網絡流量模型。在電力信息系統中,傳感設備和部分計算設備是信息流的起點,其作用是產生信息流并將其注入通信網絡中。而另一部分計算設備的作用則是接收信息流并進行相應的分析處理,因而是信息流的終點。通信網絡是傳輸信息的媒介,其中路由器等信息交換設備的主要作用是決定每一個到達交換設備的數據包(packet)下一步應該被交換到哪一個節點。換句話說,路由器的作用就是決定信息在網絡中的流向。基于上述考慮,即可構建電力信息系統的穩態模型。
3)電力信息系統的動態模型
上面介紹的穩態模型主要用于解決信息流在通信網絡中的路徑分配問題。當通信網絡中發生阻塞(congestion)時,信息系統會從穩態進入到一個動態過程,并在通信網絡控制系統的作用下,過渡到新的穩態。然而,不當的控制措施可能導致通信網絡的阻塞崩潰(congestivecollapse)。因此為信息系統建立準確的動態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據產生速率所服從的隨機過程。對于通信網絡的動態建模,則是信息系統動態模型的核心。根據國際標準組織(ISO)所制定的通信網絡的開放系統互聯(opensysteminterconnection,OSI)模型,通信網絡按照功能可以劃分為7層。由于在電力系統分析和控制中所感興趣的問題是通信網絡造成的數據延遲和丟失現象,因此主要針對OSI模型中的網絡層(networklayer)和傳輸層(transportlayer)建立其動態模型。
此外,由于信息系統通常是處在若干種離散工作狀態下,為了處理信息系統在各種離散工作狀態間的轉換,可以引入有窮自動機作為數學工具,與微分方程組共同構成通信網絡的數學模型。如圖2所示,利用有窮自動機可以模擬系統的離散狀態轉換,而對應有窮自動機的每一個離散狀態,系統的動態行為由相應的微分方程組進行模擬。這樣的建模方法被稱為通信網絡的混合系統建模(hybridsystemmodelling)。
圖2通信網絡的混合系統建模
綜上所述,利用微分代數方程組、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的動態模型。將信息系統的動態模型與電力系統的動態模型聯立即可得到電力CPS的動態模型。
5.2電力CPS的分析方法
1)電力信息系統的穩態分析
當通信網絡各節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,且系統未發生故障時,信息系統處于穩態。根據通信網絡的線路負載情況,一個數據包可以選擇多條不同的傳輸路徑;因此一般情況下,信息系統可能存在多個穩態運行點。穩態分析的主要目的就是基于穩態模型尋求最優穩態運行點。
2)電力信息系統的動態分析
信息系統動態分析著重求解在通信網絡因存在阻塞或發生故障而處于暫態時信息系統的關鍵性能指標,如傳輸延時和數據丟失率等變量的時變路徑,以及判斷系統是否會發生阻塞崩潰現象。信息系統動態分析一般通過信息系統仿真來實現。
3)電力CPS的可靠性分析
由于信息系統對電力系統運行具有顯著影響,因此在電力CPS的可靠性分析中,除了發電機組和輸電線路等電力系統元件之外,還必須計及信息系統元件故障對于電力系統可靠性的影響。因此,評估電力信息系統的可靠性是評估電力CPS可靠性的重要一環。
4)電力CPS的安全性分析
電力信息系統發生故障會威脅電力系統的安全。因此,有必要發展有效的電力CPS安全性分析方法。由于信息系統故障的結果通常是控制中心失去對相關電力設備的控制能力,因此信息系統故障對于電力系統造成的影響一般應作為大擾動。所以,在電力CPS的安全性分析中,應該著重考慮信息系統故障對電力系統動態安全性的影響。
5)電力CPS的綜合仿真
構建電力CPS的主要目的之一就是在更大范圍內全面采集和利用與電力系統相關的各種信息,并在此基礎上實現系統綜合仿真,以便于調度人員和其他市場參與者全面掌握電力系統運行狀態并在此基礎上作出決策。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分析方法評估信息系統運行狀態以及其對電力系統的影響;在物理層面上,仿真的目的是評估電力系統自身運行狀況,以判斷系統是否能夠安全穩定運行;在經濟層面上,仿真的目的則是根據電力系統運行狀態和一些關鍵市場信息的預測結果,預測市場運行狀態(如電價和機組調度結果)。
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,從而形成智能電網的“信息—物理—經濟—能耗—排放”綜合仿真。
5.3系統設計、規劃與運行調度
在上述系統仿真、安全性與可靠性研究基礎上,應針對電力CPS的特點研究新的設計、規劃與調度方法。具體地講,設計問題主要關注怎樣更好地將通信、控制和傳感設備嵌入到物理設備中構造新一代系統組件;此外,還需要研究相應的操作系統、編程語言、中間件等。未來的電力系統規劃必須和信息系統規劃統一進行,在規劃過程中除了要考慮發電機組和輸配電網絡外,還要考慮計算設備、通信網絡、傳感設備的功能和布局等問題。
電力CPS的調度問題與傳統調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。未來的智能電網必須依賴通信網絡在調度機構和智能負荷、分布式電源、電動汽車等設備之間傳遞信息與控制信號。因此,未來的智能電網將是一個典型的網絡化控制系統。而另一方面,考慮到通信網絡在實際運行中存在由于故障或網絡攻擊而暫時失靈的可能,完全依賴網絡化控制有可能會降低系統運行可靠性。因此,在智能電網環境下較為理想的控制方式應該是網絡化控制與本地控制相結合的混合控制。
5.4電力CPS的標準化
考慮到CPS應具有自組織、自適應、易于擴展等特征,CPS在物理設備、通信協議、編程語言、軟硬件接口等方面都必須遵循相應的行業標準。然而,由于CPS研究在世界范圍內仍處于起步階段,相關領域尚不存在通行的國際標準,這就為中國CPS產業的發展提供了一個難得的機遇。如果國內CPS學術界和產業界能夠率先提出CPS的相關行業標準,就可望在這一場新的技術革命中占據制高點。電力CPS作為CPS的子系統,其標準化問題也相應地必須盡快提上議事日程。
6、結語
CPS是由計算設備、通信網絡、傳感設備和物理設備緊密融合所構成的新型網絡系統。本文探討了建立電力CPS的架構及其關鍵技術。一方面,電力CPS應該具有智能電網所應具有的所有重要功能;另一方面,作為未來大規模CPS的一個子系統,電力CPS也應具有CPS的各種特征,并可以方便地與CPS的其他子系統實現信息共享和協作。
能夠融合多類能源系統(如燃氣網絡與供熱網絡)和智能交通網絡的能源互聯網的發展在最近幾年受到了比較普遍的關注。就電力系統環節而言,能源互聯網借助互聯網技術促進電源、電力網絡與負荷的深度協調,能夠增強接納間歇性可再生能源發電的能力,并改善系統整體運行效率。能源互聯網也包括一次系統和信息系統,自然也是一種信息物理融合系統。能源互聯網信息系統包括電力CPS以及與其相關聯的一次能源CPS、交通CPS、供冷供熱CPS等的傳感、通信、計算和控制部分。能源互聯網信息系統為多個CPS子系統之間的信息交互提供了硬件基礎和計算資源,可以在多個子系統間實現海量數據交互,對參與主體實現公平對等互聯和信息共享。如何對這些子系統的CPS進行協同規劃和優化運行是實現能源互聯網CPS時需要解決的重要問題。另一方面,發展能源互聯網的重要目標之一是支持對海量用戶側資源的有效協調控制,這需要實現對用戶行為及周邊環境的精確理解。因此,與電力CPS相比,能源互聯網CPS要能夠支持對由“信息-物理-個體-社會”組成的四元復雜系統中子系統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。