淺談電力信息物理系統(tǒng)技術(shù)

引言

信息物理系統(tǒng)是指通過通信、計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)的有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)實(shí)時感知、動態(tài)控制與信息服務(wù)融合的多維異構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)。智能電網(wǎng)是通過應(yīng)用先進(jìn)的控制方法、測量和傳感技術(shù)、決策支持技術(shù)等,實(shí)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(yùn)營。

近年來,隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)的自動化程度也越來越高。當(dāng)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(cè)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(jī)結(jié)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(fù)荷和分布式電源等得到更全面的信息。

1電力CPS體系結(jié)構(gòu)

1.1通信網(wǎng)絡(luò)

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

1.2分布式計(jì)算設(shè)備

電力CPS不但要滿足實(shí)時處理很多電氣測量信息的需求,還要能夠?qū)Υ罅课锢碓O(shè)備進(jìn)行控制,因此具備超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力是基礎(chǔ),但傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無法滿足電力CPS的這些要求?；谠朴?jì)算等分布式計(jì)算技術(shù)以其強(qiáng)大的存儲和計(jì)算能力得到了廣泛應(yīng)用,滿足電力CPS需求,特點(diǎn)是能夠整合系統(tǒng)中各種異構(gòu)計(jì)算設(shè)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(luò)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(jìn)行仿真計(jì)算和分析:控制各類物理設(shè)備等。

1.4電源和負(fù)荷

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

1.5輸配電網(wǎng)絡(luò)

未來輸配電網(wǎng)絡(luò)中將接入大量的傳感器,電力CPS可以與其他行業(yè)的CPS進(jìn)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(dāng)作分布式電源,又是用電設(shè)備。電力CPS為了實(shí)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(jìn)行交互。電動汽車車載傳感設(shè)備提供的一系列信息,

不但能控制電動汽車進(jìn)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(fù)荷預(yù)測。

2實(shí)現(xiàn)電力CPS的關(guān)鍵技術(shù)

2.1通信協(xié)議

學(xué)術(shù)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(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層、信息物理層,此協(xié)議棧繼承了現(xiàn)在的TCP/IP結(jié)構(gòu),新的信息物理層添加于應(yīng)用層之上,用來對物理系統(tǒng)的動態(tài)和特征進(jìn)行描述。

2.2分散控制與集中控制的協(xié)同技術(shù)

電力CPS的最終目的是對整個系統(tǒng)的控制達(dá)到全局最

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

2.3分布式計(jì)算模式

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

2.4虛實(shí)空間的自動映射

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

2.5延遲容忍網(wǎng)絡(luò)

未來的電力CPS中,由于大量無線傳感設(shè)備的接入而構(gòu)成一個典型動態(tài)網(wǎng)絡(luò),比如電動汽車的傳感與控制系統(tǒng),對通信網(wǎng)絡(luò)處理中斷和延遲的能力有較高要求,具備高可靠性和很強(qiáng)的在線計(jì)算分析能力。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),解決了在高誤碼率、長時延、頻繁中斷等特征的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)提供的服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。也就是說,DTN將運(yùn)行在各種網(wǎng)絡(luò)的已有協(xié)議棧上,為兩個或多個異種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理連接時提供存儲轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)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(lǐng)域,在技術(shù)和理論方面都有大量亟待解決的問題。

3.1基礎(chǔ)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(chǔ)不同。電力系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是連續(xù)數(shù)學(xué),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(chǔ)是離散數(shù)學(xué),建模工具一般是離散數(shù)學(xué)工具,如有窮自動機(jī)。二是實(shí)時性方面。電力系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實(shí)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(yīng)信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)并存的特點(diǎn)。

3.2系統(tǒng)仿真算法

實(shí)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(diǎn)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(lǐng)域,要重點(diǎn)關(guān)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(diǎn)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(jìn)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(dǎo)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(luò),因此網(wǎng)絡(luò)安全的重要性也不可忽視。目前電力網(wǎng)絡(luò)是按照業(yè)務(wù)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(shí)時控制大區(qū)、lll區(qū)即管理信息大區(qū)。實(shí)行"安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、縱向認(rèn)證、橫向隔離"的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),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(yīng)融合現(xiàn)有的電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的安全理論,構(gòu)建統(tǒng)一的電力CPS安全性理論。3.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(luò),還要考慮信息系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備的功能和布局等,此外,相應(yīng)的操作系統(tǒng)、編程語言等也是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。如何在物理設(shè)備中更好地將通信、傳感設(shè)備等融合進(jìn)去也是需要關(guān)注的問題。

3.6電力CPS的標(biāo)準(zhǔn)化

目前,全世界對CPS的相關(guān)研究仍處于初級階段,因此在通信協(xié)議、物理設(shè)備、軟硬件接口、編程語言等方面還沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.7調(diào)度運(yùn)行

電力系統(tǒng)的運(yùn)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(zé)是電力CPS調(diào)度必須具備的,除此以外還需考慮各種負(fù)荷和分布式電源的控制問題。

4結(jié)語

電力CPS作為一個新的研究領(lǐng)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(shè)備控制等,由物理設(shè)備、傳感設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算設(shè)備等緊密融合。當(dāng)前仍有大量理論和技術(shù)問題有待解決。