配電網信息物理系統(tǒng)(CPS)的初步探討

，，

(1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116；2.福建省電力有限公司技術中心，福建 福州 350007； 3.福建省電力有限公司電力科學研究院，福建 福州 350007；4.福建省電力有限公司，福建 福州 350003)

1 引言

長久以來，相對主網的發(fā)展，我國配電網的發(fā)展明顯滯后,低于國際先進水平,部分地區(qū)的配電技術發(fā)展緩慢，設備陳舊、技術落后、管理不規(guī)范，造成供電可靠性差、效率低、安全性低[1-2]。盡管技術的進步已經使得對電力系統(tǒng)的實時監(jiān)控和優(yōu)化管理進一步擴展到配電網絡日益經濟可行，但應用現狀相對滯后，有待推動。所以發(fā)展智能配電網已經成為配電網發(fā)展的必然趨勢[3]。

在智能配電網建設方面，配電自動化及信息化在我國部分地區(qū)得到初步應用。一些重點城市已在不同程度發(fā)展配電網的實時監(jiān)控，饋線故障的定位與隔離和自動恢復供電以及配電網綜合管理系統(tǒng)的應用[4]。同時，為了解決分布式電源的接入和電動汽車的普及率增大對配電網電能供應的結構、質量、保護措施等各方面帶來的影響，我國已提出了許多解決方案，例如將配電網從傳統(tǒng)的被動模式轉換為主動模式的主動配電網技術[5]，使配電網具有主動控制和管理能力；提高用戶側智能化水平，加強與用戶互動，鼓勵用戶參與電能管理的需求側智能化技術；利用電力電子裝置對電能進行靈活傳輸與控制的柔性交流配電技術以及為解決分布式電源并網出現的可控小規(guī)模發(fā)電網絡-微網技術[6]。這些技術在一定程度上都提高了配電網的智能化程度，成為構建智能配電網的好方法。在本文中，我們介紹一種新興的先進技術信息物理融合技術(CPS技術)來提高配電網的智能化程度，構建智能配電網。

2 配電網CPS概述

信息物理融合系統(tǒng)是一個融合了計算系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、通信網絡的多維復合系統(tǒng)，通過在物理設備中嵌入具有傳感、通信、控制功能的設備，實現對物理設備的控制和監(jiān)測，并通過反饋循環(huán)，對計算進程進行影響[7]。CPS技術最終能夠實現信息世界和物理世界的交互相融，通過構建安全高效，可靠性高，可控可擴展的CPS網絡，從根本上改變人類構建工程物理系統(tǒng)的方式[8]。CPS技術首先由美國科學基金會NSF在2006年提出，并迅速成為人們的關注熱點，2007年美國總統(tǒng)技術委員會發(fā)表《挑戰(zhàn)下的領先-競爭世界中的信息技術研發(fā)》將CPS列為八大關鍵信息技術的首位[9]。在我國，CPS技術也是國家863計劃以及973計劃的重點支持方向，CPS技術已經被運用在交通，醫(yī)療等多個方面，是未來實現工業(yè)4.0最重要的技術之一。

智能配電網能夠兼容分布式電源的大量接入，提高系統(tǒng)供電質量和運行效率，并能夠與用戶互動，擁有高度信息化自動化水平，具備自愈能力[10]。通過將CPS技術引入配電網，利用CPS具有通信、計算、精確控制、遠程協調和自治五大功能[9]，在電力設備采用嵌入式系統(tǒng)結構，將傳統(tǒng)配電網與通信網絡交互融合，配電網將形成由物理網絡、信息網絡耦合而成的超大規(guī)模復雜網絡，實現信息在復雜網絡中的雙向流動和有效利用，從而構成配電網信息物理融合系統(tǒng)(簡稱配電網CPS)，也就是智能配電網系統(tǒng)。

配電網CPS是一個具有智能化、有自主行為的系統(tǒng)，配電網CPS就是智能配電網，根據文獻[11]和[12]提出的電力CPS的體系架構以及傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)架構，配電網CPS系統(tǒng)由物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)組成，信息系統(tǒng)又具體分為計算系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。物理系統(tǒng)是各種功能的實現載體，包括供配電網絡、分布式電源、負荷等。傳感系統(tǒng)主要是數據采集設備，包括了傳感器，嵌入式數據采集設備[12]，計算系統(tǒng)和控制系統(tǒng)由服務器、計算機和嵌入式計算設備組成；通信系統(tǒng)則由電力系統(tǒng)專用有線網絡、一般有線網絡和無線網絡三個部分組成[12]。

3 配電網CPS系統(tǒng)的特征

(1)配電網CPS系統(tǒng)是一個多元異構的系統(tǒng)，不僅各個子系統(tǒng)都具有包括開放性，動態(tài)性和多維度在內的眾多異構性的特點。并且系統(tǒng)中包含了大量異構數據。

圖1 配電網CPS系統(tǒng)基本組成

(2)配電網CPS系統(tǒng)的行為應具備可預測性，可靠性，可驗證性和自適應性[13]，可以自動識別出接入系統(tǒng)的各類終端和設備，并且可以自動排除各種系統(tǒng)故障，以適應不確定，動態(tài)變化的環(huán)境。

(3)配電網CPS系統(tǒng)作為CPS系統(tǒng)的一種，在時間上和空間上有嚴格的約束。由于CPS強調對物理設備的實時動態(tài)控制，來自物理設備的實時信息不斷修正系統(tǒng)的參數，提高系統(tǒng)精度，系統(tǒng)通過控制物理設備的行為來影響物理進程[12]，所以對實時性有很高的要求，進程要求在特定的時間點完成。在時空層次上，系統(tǒng)具有高度的復雜性，不同的構件可能具有不同的時間和空間粒度[13]。

(4)配電網CPS系統(tǒng)具有事件驅動性，信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)存在反饋閉環(huán)控制，通過事件發(fā)生驅動，信息系統(tǒng)感知，CPS控制系統(tǒng)做出控制措施，來繼續(xù)驅動事件的發(fā)展。

(5)深度嵌入性。傳感器，控制設備和大規(guī)模的分布式計算技術被嵌入物理組件，使得計算，信息傳遞功能被深深嵌入物理組件中[14]，實現了對大型系統(tǒng)的實時數據采集和行為感知，使系統(tǒng)具備了計算，通信，精確控制，遠程協調，自治等5大功能[15]。

4 配電網CPS系統(tǒng)的功能

配電網CPS通過3C技術(計算、控制、通信)能夠為配電網提供以下功能。

4.1 提供強大的數據采集和處理功能

智能配電網的一大特征就是具有廣域的測量系統(tǒng)和對電網設備能夠實時在線監(jiān)測。我們通過CPS技術來構建配電網的測量和監(jiān)測系統(tǒng),借助傳感器和通信網絡獲得系統(tǒng)全面而詳細的信息[15]。除了現有的數據采集與監(jiān)測系統(tǒng)(SCADA)外，配電網CPS系統(tǒng)可以借助相量量測單元(PMU)、嵌入智能家電以及電動汽車的傳感器等獲得物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的全面系統(tǒng)信息，包括傳統(tǒng)的電氣量信息、大量周圍環(huán)境的信息、通信網絡，傳感器網絡，計算機系統(tǒng)的狀態(tài)信息[12]。數據采集范圍的擴大帶來了海量的數據，為了處理和利用這些數據，配電網CPS系統(tǒng)利用云計算或者網格計算這些大規(guī)模分布式計算技術構建計算平臺以獲得強大的數據處理功能，通過將分布在不同地域的計算設備通過通信系統(tǒng)聯系起來，利用不同的計算設備共同協調完成數據處理任務，能夠使數據處理的時間大大縮短，并且避免系統(tǒng)阻塞。

4.2 高效可靠開放的通信系統(tǒng)

配電網CPS系統(tǒng)的通信系統(tǒng)是高效可靠的，它不僅連接物理系統(tǒng)、計算系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這些子系統(tǒng)，還聯接所有的物理設備和分布式計算資源，每個物理設備都擁有獨一無二的網絡地址能夠被自動識別和搜索，通過多種網絡構建出多通道的冗余通信網絡實現數據在系統(tǒng)內能夠快速流動和共享。下一代互聯網(NGI)和下一代網絡(NGN)將為CPS的傳輸系統(tǒng)發(fā)揮支撐作用，通過NGI核心的(IPV6)技術，提供豐富的地址資源，使得系統(tǒng)中的物理設備網絡化互連成為可能[16]，基于軟交換的NGN是能夠提供數據、語音和視頻等多媒體技術的通信網絡[17,18]。配電網CPS的通信系統(tǒng)將是開放的，通過信息對象建模技術，建立不同應用統(tǒng)一的標準化對象模型，采用抽象通信服務結構模型將終端應用功能數據與具體信息傳輸協議相分離，使得配電網CPS系統(tǒng)能夠兼容接入不同種類的終端，實現智能配電網要求的即插即用功能。配電網CPS的通信系統(tǒng)的信息共享功能和即插即用功能能夠為系統(tǒng)的全局觀測和精確控制打下基礎。

4.3 分布協同控制技術

在配電網CPS系統(tǒng)中，為了能夠協調控制整個系統(tǒng)，數據采集的范圍將大大提高，各種含有嵌入式系統(tǒng)的量測設備都會采集大量的實時系統(tǒng)信息，產生驚人的數據量，大量分布式電源和用戶負荷終端的接入，系統(tǒng)控制對象也急劇增加?，F有電力系統(tǒng)控制方法分為集中控制和就地控制，集中控制信息量過于龐大[19-20]，就地控制利用消息有限，無法進行完善控制，為了滿足海量數據流的存儲和分析，防止由于數據量過大造成系統(tǒng)阻塞，影響系統(tǒng)的實時性和靈活性，保證信息的優(yōu)化管理，數據能夠交互共享，所以配電網CPS系統(tǒng)應當采用分布式協同控制的方法來對系統(tǒng)進行控制。它結合了集中式和分布式控制的優(yōu)點，還融合了分布式控制的分層控制機制。配電網CPS中分布在不同地點的物理部件中都嵌入式控制設備并通過通信網絡與控制中心互聯，使得系統(tǒng)中每個設備都不同程度的與其他設備進行交互。設備既可以分散控制，通過互相之間交換測量和控制的信息以協作完成控制任務，以避免與控制中心的通信故障、延時、中斷帶來的系統(tǒng)性能影響，在必要時也可以由控制中心集中控制。分布協同控制既利用了系統(tǒng)內的測量信息，又避免了集中式通信帶來的通信和數據處理時間過長的問題，還能夠確保設備能夠按權限及時獲得所需信息，優(yōu)化系統(tǒng)配置，從而提高系統(tǒng)運行的有效性。

總之，配電網CPS系統(tǒng)具備智能配電網高度發(fā)展所呈現的眾多功能特征，是支撐實現主動配電網的關鍵技術。配電網CPS系統(tǒng)將現有的各種獨立設備進行智能化連接，能夠實現組網和交互[7]，建立實時雙向的需求響應[21]。通過與用電用戶的互動建立了信息和能源的雙向傳輸通道，打破了原來電網供電的被動調節(jié)模式，讓用戶主動參與電力平衡調節(jié)中來，更好地實現電能供需平衡關系[22]。

5 配電網CPS系統(tǒng)需要深入研究的問題

5.1 配電網CPS綜合建模問題

在CPS領域，建模已經取得了一些初步的成果，例如tan Y 等人提出的一種能夠支持CPS的實時性，安全性，可靠性，可擴展性的CPS原型架構[23]，kang w等人提出的面向CPS的數據服務架構。但是現有的研究主要針對CPS的某些具體應用，尚且不存在能夠全面準確計及信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)交互過程的CPS建模理論和方法[14]。所以通過具體分析研究信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的交互過程，得到能夠表征配電網物理系統(tǒng)動態(tài)特征及信息系統(tǒng)執(zhí)行次序的統(tǒng)一化模型是將來配電網CPS的一個重要研究方向。

建立統(tǒng)一的配電網CPS系統(tǒng)模型的難點在于：

(1)配電網CPS系統(tǒng)是一個分布式異構的大型系統(tǒng)，由于CPS系統(tǒng)的規(guī)模較大，組成復雜，所以應當采用分塊建模的方法。通常將信息系統(tǒng)分別為計算、通信、傳感三個部分分別建立適當的模型后，再將它們與電力系統(tǒng)模型聯立起來構成完整的配電網CPS模型。

(2)配電網CPS中有著連續(xù)性和離散性并存的特點。完整的CPS的信息系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)和計算系統(tǒng)的組合網絡[13]。物理系統(tǒng)和計算系統(tǒng)的時間粒度不一樣，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運行控制呈現出連續(xù)性特點，是一個連續(xù)的時間系統(tǒng)，理論基礎是連續(xù)數學，建模工具一般為代數方程組和微分方程組[12]。而計算系統(tǒng)采用離散的二進制對計算對象進行抽象描述，可以通過自動機來描述離散事件。由于自動機只能描述時間發(fā)生的順序無法描述事件發(fā)生時間之間的關系，所以不適合用于實時性系統(tǒng)。如何在統(tǒng)一的配電網CPS模型中全面準確展現信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)交互過程是其研究難點。

5.2 開放式通信

為了實現配電網CPS的用戶互動功能，對分布式電源的實時監(jiān)控、管理控制以及海量信息的穩(wěn)定傳輸，就必須要改變配電網信息模型不統(tǒng)一，架構不統(tǒng)一，配電網各系統(tǒng)無法實現互操作的問題，需要開放式的通信體系以支撐配電網CPS的功能實現。

IEC61850是一種應用于變電站自動化控制的通信標準，特點是能夠利用現有的標準和通信原理，建立統(tǒng)一、完善的模型體系和服務接口。由于配電自動化的饋線自動化系統(tǒng)和變電站自動化系統(tǒng)結構類似，且IEC61850具有優(yōu)秀的可擴展功能[24]，所以可以將IEC61850引入配電自動化領域，實現配電網CPS系統(tǒng)開放式通信。IEC61850標準能夠確保異構的電力設備之間的信息交換和互操作，能夠支持原有的標準7層通信協議模型且能夠進行擴展以統(tǒng)一整個配電網系統(tǒng)的通信規(guī)約，它統(tǒng)一的模型和服務接口還能夠確保較快的通信速度以及信息能夠在網絡上得到共享，縮短了故障處理的時間，提高系統(tǒng)可靠性[21,24-25]。

針對IEC61850通信協議，現在還未建立完整的面向配電網監(jiān)控和控制的信息模型，但在部分方面已有一些研究。信息模型方面，文獻[26-29]的研究對IEC61850中未定義的配電自動化功能邏輯節(jié)點進行了補充和完善。通信服務映射方面，文獻[30]提出將可以映射到Web Services + IEC 60870-5-104，將FTU中的信息數據模型保存在控制中心本地，每次建立通信連接后，通過查看信息模型的版本號，若改變就通過Web Services獲得信息模型，未改變就通過IEC 60870-5-104獲得實時數據。文獻[31-32]研究了如何解決IEC61850應用于配電自動化時的實時數據快速傳輸問題，提出將GOOSE報文映射到UDP協議，利用IP網絡進行傳輸，通過采用Goose快速重發(fā)機制來確保報文的可靠性[33]。

5.3 安全防護

由于配電網CPS系統(tǒng)是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，面臨著比傳統(tǒng)系統(tǒng)更嚴重的安全問題。配電網CPS系統(tǒng)中配電網正常運行對信息系統(tǒng)的依賴性較高，針對信息系統(tǒng)的攻擊會因為網絡交互導致配電網絡出現問題，物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的交互融合，將導致出現的問題迅速擴大，造成網絡大規(guī)模故障。配電網CPS系統(tǒng)的信息網絡范圍較大，接入終端眾多，容易攻擊，將成為重要的攻擊目標。關于配電網CPS網絡安全技術的研究如今尚處于起步階段?，F在的電力系統(tǒng)二次側通信系統(tǒng)的安全防護主要有安全分區(qū)、調度數據網絡專用、縱向加密認證、橫向單向安全隔離等，在一定程度上能夠保證了電力系統(tǒng)信息系統(tǒng)的安全，但未考慮到電力系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的交互影響[34-35]。國內現已有對智能電網背景下的電力信息系統(tǒng)安全問題的分類研究和分析，并提出了一系列措施，制訂了安全協定和安全目標，但尚未有完整考慮各種威脅影響的綜合研究出現。此外，在數據傳輸和交換方面也需要研究確保多種通信協議安全采集傳輸的安全措施以防止信息被篡改和泄露。應研究確保數據能夠被安全完整的輸送到控制中心的網絡安全措施，也需要研究控制指令能夠順利傳輸到控制器的網絡完全措施。

5.4 分布式協同控制

實現分布式協同控制的前提是強大的計算能力，通過計算能力的大幅提升可以將更多的控制對象納入整體分析范疇?；谠朴嬎愕募夹g可以實現計算量的大幅提升[12]。云計算具有動態(tài)可擴展性和資源按需分配的特點，能夠滿足配電網CPS中呈幾何增長的數據量問題[36]，通過整合大量分布廣闊的計算設備獲得強大的計算和存儲能力，可以支持各種異構性的資源數據[15]，便于信息的集成分析，并且它具有很強的擴展性，解決海量數據處理存儲問題的有效途徑。文獻[19]提出了利用云計算構建計算平臺的模式，通過無線網整合廣域異構的計算資源，構建一個虛擬抽象可動態(tài)擴展的計算資源池，用戶通過無線網得到用戶通過無線網得到提供的計算能力，存儲能力和軟件平臺和應用軟件服務。文獻[36]將數據處理技術分為尋址技術、中間件技術、云計算、超級計算機和系統(tǒng)架構五大類技術。通過尋址技術能夠解決CPS中物理設備大量增加的問題，云計算能夠滿足呈幾何數量增加的數據量問題[16]。文獻[37]在中間件的基礎上提出的數據分級處理和降維處理的方案能夠完成海量數據的處理[37]。但是電網中有些應用需要通過跨區(qū)域的數據分析得到結果[38],這是要求數據子集之間互不相關，能夠獨立運算處理的簡單云計算模型無法做到的，所以改進算法，創(chuàng)新分布式并行算法，實現云計算與計算功能強大的集中式超級計算機融合，完成對配電網CPS系統(tǒng)數據的分析和處理是未來的研究方向[15]。由于云計算對網絡的依賴性較高，數據的安全傳輸和存儲也是未來研究云計算的重點，可利用對稱和非對稱兩種加密算法提高了用戶數據的安全性[39]同控制結安全采集傳輸的安全措施，保多種通信協議安全創(chuàng)術的。為實現分布式協同控制，還應該討論分布式協同控制的體系架構和控制策略。配電網CPS系統(tǒng)是一個多源異構的系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)、各種設備之間都具有耦合性，為了實現對系統(tǒng)每一部分的精確控制需要考慮通信、計算、物理等多個系統(tǒng)以及多種設備的異構性和關聯耦合性，所以配電網分布式協同控制的體系架構應該是多層面，多時間尺度的。通過研究協同控制的策略能夠實現被控對象信息的實時交互，避免了信息長距離傳輸的問題，也避免了海量數據同步測量的問題。針對配電網應用分布式控制的研究還處于初級階段，只有針對某些特定功能的研究，并未出現完整的分布式協同控制體系架構，需要繼續(xù)研究[40]。

6 結語

配電網CPS是一個融合了計算系統(tǒng)，物理系統(tǒng)，通信網絡的多維復合系統(tǒng)，具有通信、計算、精確控制、遠程協調和自治五大功能，是未來發(fā)展的重要技術之一，利用CPS技術的主要功能我們可以構建智能配電網。但配電網CPS系統(tǒng)是一個新的研究領域，各方面理論和技術問題還未完善的研究方法，需要各位研究人員進行的進一步研究。

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