浅谈电力信息物理系统技术

引言

信息物理系统是指通过通信、计算机、控制技术的有机融合,实现实时感知、动态控制与信息服务融合的多维异构复杂系统。智能电网是通过应用先进的控制方法、测量和传感技术、决策支持技术等,实现电网的高可靠性、可持续性、高安全性,使电力市场能够有效、公平运营。

近年来,随着智能电网技术的不断发展,电力系统的自动化程度也越来越高。当今电网覆盖了所有电压等级,包含发一输-变-配一用电等各个环节,具有较高的安全性和可靠性,能够兼容分布式电源和可再生能源,支持用户侧参与电网调节等,即电力CPS是智能电网和信息物理系统的有机结合。未来的电力CPS除了继承数据采集与监视控制系统,还可以借助各类负荷和分布式电源等得到更全面的信息。

1电力CPS体系结构

1.1通信网络

专用网络、有线网络和无线网络三大类组成了电力CPS的通信网络。普通有线网络用于连接非关键设备:专用有线网络可提高信号传输可靠性,降低通信延迟,满足实时性需求:无线网络用于连接部分活动的设备或无线传感设备。

1.2分布式计算设备

电力CPS不但要满足实时处理很多电气测量信息的需求,还要能够对大量物理设备进行控制,因此具备超强的数据处理和计算能力是基础,但传统的电力系统无法满足电力CPS的这些要求。基于云计算等分布式计算技术以其强大的存储和计算能力得到了广泛应用,满足电力CPS需求,特点是能够整合系统中各种异构计算设备。

1.3控制中心

控制中心是整个电力CPS的核心,通过通信网络与其他系统互联。主要功能包括:采集信息:修正系统模型并进行仿真计算和分析:控制各类物理设备等。

1.4电源和负荷

未来电力CPS的控制中心将连接各种分布式电源、负荷设备等,并且可以直接控制它们。在必要时,能够自动按照负荷的重要程度将次要负荷设备断开,提高供电可靠性。

1.5输配电网络

未来输配电网络中将接入大量的传感器,电力CPS可以与其他行业的CPS进行数据交互。例如,电动汽车作为未来电力CPS的重要组成部分,既能当作分布式电源,又是用电设备。电力CPS为了实现对电动汽车的协同控制可以与交通CPS的数据进行交互。电动汽车车载传感设备提供的一系列信息,

不但能控制电动汽车进行车流量调度等,还可以被电力系统用于发电调度和负荷预测。

2实现电力CPS的关键技术

2.1通信协议

学术界已经提出了一种新的六层通信协议栈CPI,即物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、信息物理层,此协议栈继承了现在的TCP/IP结构,新的信息物理层添加于应用层之上,用来对物理系统的动态和特征进行描述。

2.2分散控制与集中控制的协同技术

电力CPS的最终目的是对整个系统的控制达到全局最

优。随着电力CPS中设备数量的大大增加,必须把分散控制与集中控制结合起来才可以,而如何实现分散控制与集中控制协同且灵活高效的技术是关键。

2.3分布式计算模式

与传统的集中式计算模式相比,基于云计算的分布式计算模式可以有效整合系统中的各种异构计算资源,具备强大的存储与计算能力,其优点是扩展性强,易于运维等。电力CPS分散与集中控制的协同模式与分布式计算模式相符合。

2.4虚实空间的自动映射

虚实空间的自动映射是实现系统最优控制的基础,包括两个方面内容:一是系统模型与仿真结果的准确性:二是所采集的系统信息与实际情况的一致性。

2.5延迟容忍网络

未来的电力CPS中,由于大量无线传感设备的接入而构成一个典型动态网络,比如电动汽车的传感与控制系统,对通信网络处理中断和延迟的能力有较高要求,具备高可靠性和很强的在线计算分析能力。延迟容忍网络（DTN）是一种新型的网络体系结构,解决了在高误码率、长时延、频繁中断等特征的异构网络中的通信问题,可以满足电力CPS需求。DTN在多种不同类型的应用层之下、传输层之上添加了一个DTN层,能够利用下层网络提供的服务进行数据传输。也就是说,DTN将运行在各种网络的已有协议栈上,为两个或多个异种网络节点物理连接时提供存储转发的网关功能。

3电力CPS需要研究的问题

电力CPS作为一个全新的研究领域,在技术和理论方面都有大量亟待解决的问题。

3.1基础理论和系统模型

现有的电力系统和信息系统的差异主要存在两个方面:一是理论基础不同。电力系统的理论基础是连续数学,建模工具是代数方程组和微分方程组:信息系统的理论基础是离散数学,建模工具一般是离散数学工具,如有穷自动机。二是实时性方面。电力系统对数据的实时性要求较高,信息系统则正好相反。新的系统理论和模型要能够适应信息系统和电力系统并存的特点。

3.2系统仿真算法

实现电力CPS的最优控制、分析其行为特征,仿真算法作为重要工具,也是研究的重点之一。

3.3可靠性

信息系统和物理系统同时影响着电力CPS,有待研究的问题是信息系统可靠性和电力系统可靠性的融合,二者作为相对成熟的研究领域,要重点关注它们之间的相互影响。

3.4安全性

电力CPS的安全性是重点研究的问题,需要同时对物理系统的安全性和信息系统的安全性进行研究。既要考虑人为攻击和破坏,又要考虑系统自身故障。信息系统的安全性和物理系统的安全性是相辅相成的,比如对信息系统的攻击也可能导致物理系统的大规模故障。未来的电力CPS一定会越来越依赖信息网络,因此网络安全的重要性也不可忽视。目前电力网络是按照业务的重要程度划分安全区,一般分为3～4个大区,l区即生产控制大区、ll区即非实时控制大区、lll区即管理信息大区。实行"安全分区、网络专用、纵向认证、横向隔离"的网络架构,虽然安全性较高,但在电力CPS环境下,依然存在攻击电网的可能性。未来的电力CPS应融合现有的电力系统和信息系统的安全理论,构建统一的电力CPS安全性理论。3.5系统设计规划

未来的电力系统在规划时不但要考虑输配电网络,还要考虑信息系统的通信网络、设备的功能和布局等,此外,相应的操作系统、编程语言等也是研究的重点内容。如何在物理设备中更好地将通信、传感设备等融合进去也是需要关注的问题。

3.6电力CPS的标准化

目前,全世界对CPS的相关研究仍处于初级阶段,因此在通信协议、物理设备、软硬件接口、编程语言等方面还没有相应的行业标准。

3.7调度运行

电力系统的运行将会随着大量电动汽车、分布式电源、智能家电等的接入存在不稳定因素,传统电力调度的职责是电力CPS调度必须具备的,除此以外还需考虑各种负荷和分布式电源的控制问题。

4结语

电力CPS作为一个新的研究领域,主要功能综合了物理系统和信息系统的数据协同与共享、数据分析、系统仿真、全局优化、设备控制等,由物理设备、传感设备、通信网络、计算设备等紧密融合。当前仍有大量理论和技术问题有待解决。