智能电网信息物理融合系统建模与仿真研究*

王海柱，蔡泽祥，何瑞文

（1.广东电网电力调度控制中心，广东广州 510600；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510640；3.广东工业大学自动化学院，广东广州 510006）

智能电网信息物理融合系统建模与仿真研究*

王海柱1，蔡泽祥2，何瑞文3

（1.广东电网电力调度控制中心，广东广州 510600；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510640；3.广东工业大学自动化学院，广东广州 510006）

随着间歇性电源、柔性负荷大幅接入电网，电力系统动态过程被大大加快，能量流与信息流的相互耦合成为智能电网的的重要特征，信息网络故障可能引发相继或连锁故障在信息网和物理网之间交替传播，导致信息物理耦合系统的崩溃，严重威胁电力系统安全运行。从能量流与信息流的关联度增加、电力系统动态过程加快、信息流全局性对能量流的影响三方面分析了智能电网能量流与信息流的耦合特征，对智能电网信息物理融合系统的建模需求、现状和内容进行了分析，以220 kV典型变电站为实例研究了能量流和信息流的耦合机理和作用。

智能电网；信息物理融合系统；智能变电站；IEC 61850

0 引言

智能电网是一个典型的信息物理融合系统（Cyber Physical System，CPS），其一大特征是电力能量流与信息流的相互耦合作用[1-3]。能量流与信息流的耦合越紧密、电网规模越大，电力系统面临的运行和控制的风险越大，简单割裂其相互影响的后果必然会降低电力系统的运行效率和可靠性。因此建立信息流的数学描述方程，与能量流数学描述方程“联立求解”，进而形成定量分析方法体系即是智能电网的“数学形态”[4-6]。

CPS架构下，信息流成为电力系统能量流闭环链中必不可少的链接，能量流与信息流将深度融合并相互影响，共同决定电力系统的功能和行为特征。而且，随着间歇式电源、柔性交流输电技术和与实时电价相关的柔性负荷（如电动汽车、储能装置等）大规模接入电网，电力系统动态过程被大大加快，极度依赖于信息反馈和信息决策[7-8]。再者，随着一二次设备的网络化智能化，物理能量系统与信息系统的耦合程度越加紧密，信息网络故障可能引发相继或连锁故障在信息网和物理网之间交替传播，导致整个耦合系统的崩溃，严重威胁电力系统安全运行。

能量流的分析已形成了一套完整的建模与定量分析方法（潮流、短路、稳定、无功优化等），其一大特征是可以不依赖于“实测”而能够有效指导实际电网运行，具有良好的精度，成为电网规划、运行、设计、设备制造的依据。显然，信息流具有与能量流相似的分析评价需求，例如：信息网络的“运行方式”分析[9-10]；设备选型、新技术/管理模式评价等；目前分析手段局限于实际系统的运行“实测”，难以用数学的手段定量分析、比较、重现，难以找到关键影响因素、边界约束条件等。因此，建立智能电网的信息物理融合系统模型、定量分析能量流和信息流的耦合机理、相互作用十分重要。

1 智能电网能量流和信息流的耦合

随着智能电网的推进，可利用的信息资源和通信条件发生了根本性的变化，系统结构的复杂性和信息的网络化传输也给电网故障辨识、配置的合理性和完备性、对故障类型和运行方式的适应性和实时性带来挑战。在智能电网的背景下，能量流和信息流的耦合呈现出以下特点。

（1）能量流与信息流耦合更加紧密，关联度加大。智能电网的一次设备智能化、信息化，使得电压、电流等电气量和开关状态等非电气量的获取更为便利，电力系统逐步从实体化向虚拟化发展，实体装置与逻辑功能的划分边界变得模糊，逻辑功能的实现不再局限于某个特定的装置，而是分布在不同的实体装置内实现。智能电网在规划、设计、运行等不同阶段中更多以虚拟化、逻辑化的姿态出现，能量流的交换和传递表征为行为形态各异的信息流，信息流的交换和传递通过反馈作用于能量流。另外，信息网络的引入使得专业壁垒、地域壁垒模糊化，全网信息共享、能量互通，智能电网成为真正意义上的一张网，点点相关，环环相扣，能流量和信息流紧密耦合，成为不可分割的整体。

（2）电力系统动态过程加快，动态特性更加复杂，实时控制要求大幅提升。间歇性电源如风电、太阳能等具有显著的随机性和间歇性特点，一方面作为绿色清洁能源，其接入电网的比例大幅上升将是大势所趋，另一方面间歇性电源大规模接入电网，对电网的安全稳定运行造成极大的冲击，对电网的控制调节能力提出更高的要求。电动汽车、储能装置、光伏电站等柔性负荷不仅作为电网的被服务者，同时主动参与电网运行控制，实现与电网的双向互动，这就要求电网具备与之相适应的控制方法和手段。非常规互感器等先进传感设备能够通过较好的频率响应特性，真实反映高频信号，为暂态量保护提供可靠依据，与此同时，通信技术的高速发展，为电气量采样值的可靠传输创造有利的条件。

（3）信息流的快速性、全局性为能量流控制提供新思路。远端线路发生短路故障，从检测到故障电流到继电保护动作、断路器跳开等一系列过程需要一定的时间消耗，而信息流的传播速度远快于机电暂态动作过程，电网内其他区域比能量流传播更早获知此信息，这就为广域保护等新型控制方法提供了可能。电网规模越来越大，结构越来越复杂，运行方式灵活多变，常规继电保护依靠整定值大小和时间长短配合的方式不能有效跟踪系统运行方式的变化，可能出现保护失配或者灵敏度不足的情况。智能电网信息互联、互通，全网信息共享，如何有效利用区域乃至全局信息设计智能电网的保护控制系统将是一个全新的课题。

传统的只是在电力系统分析模型中简单考虑保护控制的时序动作逻辑或通信传输的时滞特性，已经不能够解决智能电网电力系统能量流和信息流的交互机理。而且，随着智能电网建设的不断推进，以信息流为载体的电力系统信息物理融合系统的有效性和布局形态问题也不能再回避，有必要重新思考和解决信息物理融合系统的实时性、可靠性和安全性问题。

2 智能电网信息物理融合系统的建模分析

（1）信息物理系统的建模需求及现状

电网一次系统能量流分析方法构成了电力系统分析的基本框架：1）潮流计算。潮流计算不仅可以检验电力系统规划方案对各种运行方式的适应性，还可以分析负荷和网络结构的变化对系统的影响，判断母线过电压、线路等元件过负荷，以及制定相关的预防控制策略等。2）稳定计算。通过对功角稳定性、频率稳定性、电压稳定性进行分析，解决功角抖动造成的大面积停电、频率下降造成的系统崩溃、电压下降造成的地区停电等问题，为电力系统安全和稳定运行提供保障。3）短路计算。短路计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，准确地制定供配电系统的保护装置，避免在短路电流作用下损坏电气设备，保证供配电系统中出现短路时，保护装置能可靠动作。

与能量流对于一次系统的作用相似，信息流对于二次系统同样重要：1）稳态分析，通过信息流的稳态分析，研究信息流的流量分布，让网络方案设计、设备选型、薄弱环节提升等有据可依，摆脱依赖设计、工程人员凭经验判断的困境；2）动态分析，通过对信息流的延时、丢包、误码率、路径等动态性能的分析，为故障分析与重演、调度策略设计、网络性能分析等提供定量依据，改变二次系统依赖第三方的网络测试仪实测的尴尬现状；3）优化控制，以信息流分析方法为载体，分析电力系统信息流特点，提出与电力系统业务应用需求匹配的交换技术，彻底扭转电力系统运维依靠通信网络自身性能“尽力而为”、交换过程无法监控的局面。

能量系统是一个连续系统，通过微积分等构建了一套成熟完整的能量流建模仿真定量分析方法，如BPA（Bonneville Power Administration）具备电力系统稳态、电磁暂态、机电暂态以及中长期动态、短路电流计算、电压稳定计算和频域计算等交直流电力系统全过程仿真能力。信息系统是一个离散系统，通过有限状态机的事件驱动机制构建了一套完整的信息流建模仿真定量分析方法，如 OPNET（Optimized Network Engineering Tools）模型库包括路由器、交换机、服务器、客户 机 、 ATM(Asynchronous TransferMode)、DSL(Digital Subscriber Line)等通信网络重要设备和TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Pro⁃tocol）等重要协议，能完整描述信息在通信网络的交换全过程。然而，由于能量流与信息流的耦合模型缺失，目前，一般将成熟的电力系统和通信网络动态仿真程序结合，在同步机制下实现混合仿真，如PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)/EMTDC(Electric Magnetic Transient of Di⁃rect Current)与NS2，BPA与NS2，PSCAD/EMTDC与OPNET等。精细化混合仿真有助于研究通信网络与电力系统的相互作用，设计控制保护方案，优化整体系统设计。但是由于能量流分析方法不具备信息流模型，信息流分析方法也不具备能量流模型，联合仿真不能反映能量流与信息流的耦合机理和作用，只将两者仿真的结果半实时交互，与实际出入较大。因此，本文提出通过建立信息物理融合系统模型，在信息流仿真软件中建立两者耦合模型，解决信息物理融合系统的定量分析问题的方法。

（2）信息物理系统的建模内容

本文讨论在信息系统仿真平台上，建立反映能量流与信息流耦合机理与作用的信息流模型，主要建模内容包括三部分。

1）反映物理系统动态特性的设备建模。在信息物理系统中，IED（Intelligent Electronic De⁃vice）是电力系统业务实现的载体，比如承担电力系统保护功能的继电保护IED、负责开关跳合的智能操作单元IED、执行远动指令的测控IED等。一方面，IED模型遵循IEC 61850、IEC 60870等标准完成电力系统业务对应的信息生成、封装、传输、解析、提取的全生命过程，执行指令，形成闭环；另一方面，IED体现设备数据处理机制与能力，比如IED的光口或者电口的数据收发能力、缓存数据的内存大小、数据处理的先后次序等，完整体现电力系统业务信息流在IED中的处理过程和性能。

2）基于电力系统的通信协议建模。由于电力系统业务对于实时性、可靠性、安全性的独特要求，电力系统建立了调度数据专网，制定了一系列通信协议和标准，比如用于能量管理系统应用业务的能量管理系统应用程序接口IEC 61970、用于远动业务的远动设备与系统IEC 60870、用于变电站业务的变电站通信网络和系统IEC 61850等。这些通信协议从设备模型、抽象通信服务接口、数据结构与属性、特定通信服务映射等方面制定了电力系统业务通信规则和流程，而信息系统仿真平台并不具备相应的协议模型，要准确完整描述信息物理系统的动态过程则建立基于电力系统的通信协议模型。

3）反映能量流耦合作用的信息流建模。在电力系统业务信息化网络化环境下，电力系统各项业务功能的体现以信息流为载体，电压电流采样值体现为采样值SV（Sample Value）信息流，开关位置信息、跳闸信号、闭锁信号等体现为GOOSE （Generic Object Oriented Substation Event）信息流，继电保护定值召唤、修改等体现为MMS（Manufacture Message Specification）信息流等。一方面，电力系统正常、故障等不同运行状态下，对应的信息流展现出不同的发送规律等动态特性，可能引发网络故障或者网络阻塞等，传输时延、负载率、丢包率等性能指标也相应变化；另一方面对信息流进行故障分析和动态分析，求解随机网络故障和网络阻塞时的关键性能指标，研究信息流与能量流的交互作用机理，采用交替或联立的求解方法，分析保护控制决策引起的系统潮流分布变化和暂态稳定性问题。

3 智能电网信息物理融合系统建模实例

本文基于OPNET Modeler仿真平台，以220 kV典型变电站为对象实例，构建了反映电力系统运行动态特性、通信协议以及能量流耦合作用的设备模型和信息流模型，分析了线路故障场景下继电保护IED和交换机的信息流行为特征，研究能量流与信息流的耦合作用。

（1）智能变电站关键对象建模

1）基于IEC 61850的合并单元建模

基于IEC 61850标准的合并单元模型，以面向对象的方法，将功能抽象成若干逻辑节点：数据源节点生成采样值报文SV，输出队列节点按照优先级高低先后处理SV，接口节点完成SV从应用层到数据链路层的映射，数据链路节点派送SV至发送端口。合并单元模型如图1所示。

数据源节点将SV采样值封装成IEC 61850-9-1/2格式，按照采样周期发送至间隔层IED。若保护按4 000点/s采样，则数据源节点SV生成速率为4 000点/s。

SV采样值数据有2种获取途径：1）对确定结构的电力系统求出采集电气量的解析表达式（如一恒电势源电路采样点电流为i（t）），用OPNET函数发生器生成其采样值；2）通过OPNET外部模块接口（EMA，External Model Access），从ex⁃cel、txt、xml等外部文件获取。基于实际故障录波或电力系统仿真软件（如PSCAD/EMTDC）导入相关采样值数据，可支持复杂电网和实际故障回放的仿真需求。

图1 基于IEC 61850标准的合并单元模型

2）反映数据处理和动态性能的继电保护IED建模

以继电保护IED为例，IED模型应既能完整描述智能变电站继电保护的数据传输与处理过程和动作逻辑，又能定量反映保护的响应时间等动态性能。保护IED主要功能是根据保护算法分析SV采样值数据，判定保护动作策略，产生GOOSE数据帧，控制智能操作箱动作。

保护IED模型在报文拆封、协议解析和数据传输等方面与合并单元模型相似，但应用层模块有所区别，应用层的状态转移如图2所示。

保护IED设备应用层经初始化后，跳转到空闲状态。采样值报文SV通过物理层和数据链路层的协议解析上传到应用层，产生对应的流中断，状态转移到SV解析处理阶段，从数据包中取出本保护算法所需要的相关字段，并结合从智能操作箱上传的最新GOOSE状态量，进行保护动作的逻辑判定。

图2 保护IED状态转移

以过流保护为例，电流幅值计算模块根据SV报文解析结果获取i（t），求取电流幅值I与保护整定值Iset比较，若I大于Iset，则置跳闸指令变量Atiao为0（开关跳闸）；否则为1（开关合闸）。比较最新上传的开关状态，决定是否触发事件，控制心跳重传周期。

（2）典型智能变电站仿真算例

本文算例以某实际220 kV智能变电站220 kV侧通信网络为背景。为突出SV/GOOSE/MMS信息流竞争资源最严重的场景，同时又体现智能变电站通信网络发展的趋势，本文算例采用共网传输方式。基于在OPNET平台上构建了共网传输场景下的交换模型，通过分析继电保护在线路故障下的动作响应情况，网络拓扑如图3所示。

图3 220 kV侧拓扑结构

仿真主要以对典型对象的传输延时等进行统计分析，结果如表1。

表1 220 kV典型智能变电站线路故障仿真结果

线路故障时，SV传输时延较稳态时有不同幅度的增加，最高增幅达到75μs，但仍在报文标准传输延时3 ms内。这是因为2 ms跳变的GOOSE优先级高于SV，在共网的情况下，占用传输带宽，造成SV在交换机内的排队延时增加。

4 结语

电网规模越来越大，信息物理融合系统越来越复杂，能量流与信息流的耦合越加紧密，交互影响越来越大。如何描述电力系统连续动态特性与信息网络离散动态特性的交互方式与关联模式，如何体现信息传输的随机动态特性、通信调度策略、互感器和保护控制设备的数据处理过程，如何在在电力系统分析计算中，通过信息流与能量流的耦合分析，实现保护控制决策的全过程动态研究等对智能电网的安全稳定运行至关重要。

［1］张之哲，李兴源，程时杰.智能电网统一信息系统的框架、功能和实现［J］.中国电机工程学报，2010，30（34）：1-7.

［2］Sergey V Buldyrev，Roni Parshani，Gerald Paul，et al. Catastrophic cascade of failures in interdependent net⁃works［J］.Nature，2010，464（7291）：1025-1028.

［3］赵俊华，文福拴，薛禹胜，等.电力CPS的架构及其实现技术与挑战［J］.电力系统自动化，2010，34（16）：1-7.

［4］王海柱，蔡泽祥，张延旭，等.提升智能变电站信息流实时性可靠性的定质交换技术［J］.电力自动化设备，2014，34（5）：156-162.

［5］赵俊华，文福拴，薛禹胜，等.电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架［J］.电力系统自动化，2011，35（16）：1-8.

［6］毕艳冰，蒋林，张大海，等.基于实时数据分发服务的智能变电站IEC 61850的实现方法［J］.中国电机工程学报，2013（07）：149-155.

［7］ Upeka Premaratne，Jagath Samarabandu，Tarlochan Sidhu， etal.Security analysis and auditing of IEC61850-based automated substations［J］.IEEE transactions on Power Delivery， 2010， 4（25）：2346-2355.

［8］赵曼勇，周红阳，陈朝晖，等.基于IEC 61850标准的广域一体化保护方案［J］.电力系统自动化，2010，34（6）：58-60.

［9］张伯明，孙宏斌，吴文传，等.智能电网控制中心技术的未来发展［J］.电力系统自动化，2009（17）：21-28.

［10］王海柱，蔡泽祥，邵向潮，等.基于OPNET的变电站过程层网络定量分析建模与仿真［J］.中国电力，2013，46（6）：80-84.

［11］吉晏平，王大治.智能调度综合预警系统在电网调度中的应用［J］.机电工程，2013（03）：368-372.

Research on Modeling and Simulation of Cyber-Physical Systems in Smart Grid

WANG Hai-zhu1，CAI Ze-xiang2，HE Rui-wen
（1.Guangdong power grid dispatch control center，Guangzhou510600，China；2.South China University of Technology，Guangzhou510640，China；3.School of automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

With intermittent generation， flexible load has accessed to power grid greatly， the power system dynamic process is accelerated greatly， and mutual coupling between energy flow and information flow becomes an important feature of smart grid. Information network fault may cause sequential or interlock fault and alternate transmission between information network and physical network，which results in cyber-physical systems collapse and threatens to the safe operation of power system seriously.Firstly，based on the increasing of correlation degree between energy flow and information flow，the speed up of power system dynamic process and the influence of global information flow on energy flow，this paper analyzes coupling feature of the smart grid energy flow and information flow.Secondly，this paper analyzes modeling needs，actuality and content of smart grid cyber-physical systems.Lastly，this paper studies the mechanism and effect of the mutual coupling between energy flow and information flow based on a 220kV typical smart substation.

smart grid；CPS；smart substation；IEC 61850

TM71

：A

：1009－9492(2014)12－0074－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.019

王海柱，男，1985年生，广东茂名人，博士。研究领域：电力系统自动化。

(编辑：向 飞)

*国家自然科学基金项目（编号：51377026）

2014－08－25