智能电网CPS关键技术综述

单 泽,范 菁，曲金帅，朱泽贤，王渤茹

(云南民族大学 电气信息工程学院，云南 昆明 650500)

随着智能电网的快速建设与发展，信息化在电力系统中的发展与应用显的尤其重要，很显然没有充分融合信息系统的传统电网的物理架构中，已经不能满足智能电网建设的发展需求，但是单纯的在传统物理电网中加入信息系统，容易造成电网的运行、控制、分析的相互割裂，也不能使智能电网的达到理想的效果.将信息物理系统(cyber-physical systems，缩写为CPS)[5]的概念与应用的发展，与智能电网的理念相结合，能够使电网的建设得到实质性的飞跃.

首先阐述了CPS的概念，并结合CPS的概念对智能电网CPS做出了基本的概述，重点研究与讨论了智能电网CPS架构和相关技术的发展，以及目前智能电网CPS所存在的问题与挑战，最后阐述对智能电网CPS的技术展望.

1 智能电网CPS的内涵

1.1 信息物理系统的基本定义(CPS)

最早提出CPS概念的是美国自然基金委，CPS是多学科交叉的产物.它涉及到的技术问题种类繁多，各国学者对CPS的理解不同，因此将CPS融入到各应用领域的范围也有所不同，从而没有提出相应具体概念.

从计算能力与物理实现的角度来看，嵌入式系统或计算机系统通过自身快速的运算能力将数据通过网络传输给物理组件，使其系统在实时运行状态中，保持高效的感知与控制[1].

从计算单元与物理单元的角度来看，信息物理系统是将计算单元嵌入到物理单元中，从而形成了可以对数据自身分析与运算，并且实时决策的可靠系统[2-4].

Cyber-Physical Systems[5](缩写为CPS)通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动化控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化[5]，是支撑信息化和工业化深度融合的一套综合技术体系.

因此，信息物理系统(CPS)是将通信能力、计算能力和物理组件自身的控制能力相互融合在一起，形成一套像人体细胞一样的智能单元，并且智能单元与智能单元之间在实际的运行中具有互相沟通、协调、决策、控制、感知等能力，从而实现不同维度的重复性工作.通过这种方式，信息物理系统(CPS)可以高效整合自身资源并进行分配与被分配，可以相互组建成规模庞大的智能单元系统，安全、可靠的工作.

1.2 智能电网的基本概述

智能电网建立在集成、高速双向通信网络的基础上，通过对先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，可以满足电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好等一系列基本要求[5].

CPS的介入使智能电网能够更好的适应具有大规模清洁能源和可再生能源接入的电网系统，能够实时检测、实时诊断将要发生的故障，能够在故障发生时快速隔离，完成自我治愈，及时避免大规模的损失，合理对资源进行配置与优化.

智能电网与传统电网的区别如表 1所示.

表1 智能电网与传统电网区别

1.3 智能电网CPS的基本概述

结合上述CPS的基本定义与智能电网的基本概述，再根据物理信息系统白皮书，将工业化与信息化相融合是当今社会两项发展进程的重要交汇.结合三者的特点形成了智能电网CPS的本质就是构建一套在信息空间与物理空间之间是基于自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，用于解决电能生产制造、电力服务过程中的复杂的和不确定的问题，提高资源配置效率，实现资源优化.综上所述智能电网CPS的发展势在必行，并且信息物理系统的提出，为我国建立坚强智能电网提供了新的思路.

2 智能电网CPS的体系架构

体系架构是实现智能电网CPS的首要问题，有文献指出CPS的抽象结构是将物理系统和信息系统视为2个具有大量节点的深度交互网络[6].本文从层级切入，将CPS智能电网基本架构的研究进展归纳为3个层级：智能电网单元级CPS层、智能电网系统级CPS层和智能电网Systems of Systems级(缩写为SoS)CPS层.

2.1 智能电网单元级CPS

智能电网单元级CPS是最小单元(结构图如图1)，由信息壳与物理装置两部分构成.通过物理硬件、嵌入式软件系统和集成的通信模块，组成基于“感知-分析-决策-执行”的数据自动流动闭环CPS最小单元系统[5-6].主要功能是通过通信接口来获取数据源，并对数据进行分析从而产生可靠的控制信号.

根据用电、输/配电、发电以及分布式发电所构成的微电网，可以将最小单元级分成用户CPS、配电网CPS、发电CPS、微电网CPS等基础单元：①用户级CPS在智能电网中，用户通过智能电表可以构成一个单元级CPS.它承担着初始电能数据的采集、计量以及数据传输的任务，是实现信息集成、信息展现以及分析优化功能，是重要的基础单元[7].②配电网CPS，由物理系统和信息系统组成.物理系统是各种功能的实现载体, 包括供配电网络、分布式电源、负荷等；信息系统具体又分为计算系统、传感系统、通信系统、控制系统.传感系统主要是数据采集设备，包括了传感器，嵌入式数据采集设备[8-9].③发电级CPS，是以发电生产为核心，通过测量传感设备对锅炉进行参数分析、故障分析，然后用计算单元整合数据并分析出最优控制策略，然后通过执行单元调整负荷的平衡需求[10].④微电网单元级CPS，是分布式发电的入口和用户用电的出口.微电网是以后智能电网CPS新能源发展中不可或缺的一部分.从发电规模上来说，微电网CPS的发电容量大体上不会超过10MW，主要应用小规模用电群体[11].微电网CPS满足分布式发电的控制需求保证供电质量，减少电网系统风险[12].微电网单元级CPS要即插即用，配合主电网运行.

2.2 智能电网系统级CPS

在智能电网的实际运行中，仅仅只依靠各个单元级CPS还是不够的，还需要将用户级CPS、配电网级CPS、发电级CPS、微电网级CPS等基础单元，通过CPS总线连接，使它们相互配合协同工作，从而形成智能电网系统级CPS(结构图如图2).智能电网系统级CPS的主要特征是要体现出良好的通信能力与计算能力，使各个底层的单元级CPS将自身的数据上传到系统级CPS的数据总线，并通过系统级CPS通信总线传递需求信息，供有需求的单元级CPS调用与处理.

在智能电网系统级CPS中，用户级CPS可以通过采集数据，准确的获取负载的状态以及电力线的网损信息，避免因负载超负荷工作导致电能质量下降；通过整合用户级CPS的数据，从而评估配电侧的状态，将信息通过CPS总线传递到配电级CPS协同工作.各个单元级CPS可以通过CPS总线将各自的数据上传，从而分析可以控制整个或局部电网的预测、监控、安全运行.

2.3 智能电网Systems of Systems(SoS)级CPS

智能电网SoS级CPS是由多个智能电网系统级CPS组合构成了智能电网SoS级CPS.智能电网SoS级CPS的主要特征是具有良好的计算能力，其为电网资产性能管理与电网优化运行服务提供保障和便利.

单元级CPS和系统级CPS混合形成了智能电网SoS级CPS(结构图如图3).智能电网SoS级CPS主要实现汇集数据的功能，将数据存储到大数据云端以便随时调取、比对、检查运行参数.各基础单元级的数据通过底层单元级CPS采集得到后，经过计算、博弈处理由系统级CPS向上传递到SoS级CPS，实现对电价的实时调整以及电力的优化调度.随着大量新能源(如风能、太阳能)发电的应用，定制用户发电用电的个性化信息需求日渐显现出来，电网的监管也需要了解用户发电的信息，从而给用户定制出个性化的服务.电网资产的管理主要通过采集到的信息对电网进行建模分析，通过远程监控来诊断电网的运行状态，以便及时切断故障电路来预防风险，从而节约成本保护环境.

3 智能电网CPS的研究现状与关键技术

3.1 智能电网CPS研究现状

自提出发展坚强电网以来，信息物理融合系统(CPS)与传统的电网相结合将成为未来的发展趋势，为相应的技术提供了良好的发展平台.

文献[13-14]根据电力CPS架构，建设增强物理控制的问题，提出了将CPS的概念引入到电力系统中，并分析信息物理系统与智能电网在概念上的异同，实现了电力 CPS架构帮助完成智能电网建设的构想与增强控制的方法.但研究对象为整个电力系统，其结构庞大，在技术上和深入的程度上进行细致化很困难.文献[15]针对智能电网的CPS控制方法进行了研究，提出了将CPS控制分为应用层、网络层、连接层、协调层、调节层和物理层，从而实现了CPS的混合控制方法.但这种智能电网CPS混合控制的分层方式是将信息物理互联网(cyber physical internet,CPI)的6层协议栈作为参考模型[16]，自身的运算能力不强、通信协作之后的决策控制能力较弱.文献[17]针对CPS在智能电网中应用的问题进行了归纳与总结，并且说明了CPS在智能电网中的一些优势.但是应用还处在基本阶段，存在的问题也不仅仅在配电网网络的兼容性和通信网络的兼容性等方面.文献[18]针对CPS在智能电网系统中的应用现状和问题进行了探讨，提出了一种基于智能代理的CPS数据计算控制模型，但对于CPS及其实际应用等更全面性研究仍在进一步探索中.

综上所述，当前的研究成果只能在智能电网CPS的部分功能上有所突破，而在实现信息系统与物理系统相融合的方面还有所欠缺，因此对以下关键技术进行补充说明.

3.2 智能电网单元级CPS关键技术

智能电网CPS是电力与信息科学的交叉而形成的新领域[19].首先，智能电网CPS的关键技术可以对其体系架构进行层级划分，其次所划分的每个层级都有着其对应的关键技术.

就目前的发展来说，所面临技术问题如下：

单元级CPS的感知系统由大量传感器节点以内嵌于物理设备的方式组成.计算设备则内嵌于各个物理设备中.感知、计算设备的内嵌方式有效提升了信息系统和物理系统的深度融合，但小型内嵌式计算设备远不能满足智能电网CPS所要求的计算能力[20].

目前国内对CPS标准的研究还处于起步阶段，这些情况给智能电网带来了诸多的挑战.在智能电网CPS通信网络中物理通信接口协议的标准化，学术界已经提出了针对CPS 的通信协议栈, 例如:CPS-IP 和CPI (cyber physical Internet)6 层通信协议栈[21].当单元级CPS通过标准的通信协议与上层进行或其他单元级CPS通信进行数据交换时，这种通信协议尚有技术问题还需进一步研究与认证.并且通信网络结构也影响着单元级CPS的信息交换，如数据延时和信号丢失等.在保持通信稳定的前提下，单元级CPS中的控制执行器件通常都是基于嵌入式系统来完成，在电力系统中，因为要考虑执行器件动作的执行时间，所以要求嵌入式系统有较高的计算精度，从而来更好的执行操作.系统的控制过程可以清晰的体现在人机界面中，增加了管理人员或用户与智能电网CPS的互动，而且人机界面的视图呈现方式要更直观丰富，但要注意视图界面与视图界面之间要进行的协调转换.在典型的多通道用户界面及所包含的输入技术范例中采用直接操作模式作用到控制器中，人机界面在各个方面均拥有非常好的应用前景[22].

3.3 智能电网系统级CPS关键技术

智能电网系统级CPS是在异构环境下的集成有很多难点.传统的物理系统是通过微分方程和连续的边界条件来控制和处理问题, 关注影响系统实现的细节因子；传统的信息系统则是建立在认知和离散数学等非结构化知识的基础上的, 对时间和空间的连续性不敏感, 通常只关心系统功能的实现，而信息物理融合系统同时涉及物理组件和信息组件, 因此克服这种差异, 是实现信息层和物理层的深度耦合, 是智能电网系统级CPS 研究中的首要问题[4].其次在深度融合的情况下，系统通过使用协同控制策略使各个单元级CPS的数据互相传递与调用，以完成系统对数据的最优化管理.然后在系统级CPS中加入检测与诊断系统，用于实时调取各个单元级CPS的数据进行整合，建立系统模型评估电网的运行状态，预测并诊断电网的问题排除故障.

3.4 智能电网SoS级CPS关键技术

随着电网信息化的发展，数据融合技术在智能电网CPS中起到了关键的粘合剂作用.智能电网CPS要保证高效可靠安全运行，其中会用到大量的电力共享数据并进行电力数据交换.智能电网CPS中的数据会来自不同位置、不同设备、不同格式、不同时间的数据结构化或数据半结构化.如何实现大量复杂数据的融合统一，完成智能电网CPS中数据的共享，是当前电力企业发展亟需解决的问题[23-26].融合处理完成的数据上传到数据云端，首先通过分布式计算对其进行处理.分布式计算是将大量计算机用网络连接在一起共同运算操作，使其成为一台虚拟的超级计算机，目的是完成单台计算机在超大规模运算的问题中完成无法完成的任务[24-27].在智能电网CPS中分布式计算对电网中潮流计算分析、建模，都有重要的作用.所以分布式计算的发展对智能电网CPS的发展有着重要的意义.其次在数据云端中应用大数据技术加以分析与挖掘.随着智能电网的发展研究与建设，物理电网中产生了大量的测量数据、监测数据，智能电网SoS级CPS在云端中处理数据，挖掘其价值，提升效率是关键技术之一.结合大数据技术进行分析，可以将电网自身数据与外部数据相结合，反馈有效信息信息，用于提升智能电网的资产性能发展和服务运营水平，提高电网公司服务社会、服务用户的水平，扩展增值业务[25]，在智能电网SoS级中大数据技术有着极其重要的作用.

综上所述智能电网CPS为通信技术、嵌入式控制、嵌入式硬件计算系统、人机交互、大数据、分布式计算、数据融合等相关应用技术都带来了重大的挑战，为解决这些问题相关领域还需深入的探讨与研究.

4 智能电网CPS研究探索展望

对未来智能电网CPS发展方向的展望如下：

1) 从基础物理电网的角度出发，需要开发快速稳定的物理通信网络，以实现实时数据的获取，以及系统实时状态的检测与更新.

2) 为了实现传感器之间的数据融合，将单一传感器中不同类行的单一数据信息加以综合，消除多个传感器数据之间可能存在的冗余和矛盾，改善传感数据提取时的及时性和可靠性，提高数据的使用效率.

3) 使异构数据库在智能电网CPS中的应用实现数据的共享和透明访问，从而大大提高电网的安全性与可靠性.

4) 为在电网故障时能够快速便捷的消除故障，应高度集成硬件设备并将其模块化.

5 结语

智能电网CPS 是当前电力系统研究的热门领域.信息物理系统与智能电网相结合是提高电力生产效率，改善电能的服务质量，优化电力资源，形成完整可靠的新型智能电网的重要技术.在当前的技术基础上，结合通信、嵌入式、大数据、异构数据、分布式计算等相关技术来完善智能电网CPS的理论，进一步实现智能电网CPS的应用，仍是科研工作的难题和机遇.本文对智能电网CPS架构及其相关的技术进行了概述，并展望了可能发展的研究方向.