面向全球能源互联网的平行电网体系框架研究

杨德胜，孙飞，吴红侠

面向全球能源互联网的平行电网体系框架研究

杨德胜，孙飞，吴红侠

分析推动现代电网发展的因素和趋势，结合全球能源互联网发展要求，提出了建立平行电网的迫切性和必要性。基于社会物理信息系统及平行系统理论，首次提出了“平行电网”的概念，阐述了平行电网的理论、框架和技术。指出平行电网核心是构建与现实电网空间同构的虚拟电网空间，通过虚拟空间电网的计算实验，确定优化控制策略，引导现实空间电网系统运行，并使虚拟空间电网和现实电网空间平行执行、共同演化，实现对现实电网空间的控制、管理及时空推演。

社会物理信息系统；平行系统；平行电网；虚拟空间电网；平行执行；时空推演

0 引言

随着传统的化石能源日渐枯竭，一场以新能源技术和互联网技术融合的新能源革命悄然兴起。美国学者杰里米里夫金在其著作《第三次工业革命》中首次提出了以互联网技术和可再生能源技术融合的能源互联网，引发了国内外经济界和学术界的广泛关注[1]。为适应清洁替代与电能替代的新要求，坚强智能电网将向全球广泛互联方向加快发展，构建全球能源互联网，为世界经济社会发展提供更安全、更经济、更清洁、可持续的能源[2]。全球能源互联网是以坚强智能电网为核心的复杂多能源系统[3-4]，为支持全球能源互联，越来越多的电网设备采用嵌入式系统结构。海量的电气设备、数据采集设备和计算设备通过电网、通信网两个实体网络连接，广泛使用广域传感和测量、高速信息通信网络、先进计算和柔性控制等技术，在一定程度上已经做到了计算、通信和物理世界的融合，具备了社会物理信息系统（Cyber-phy sical-social system，CPSS）的基本特征[5]。

随着坚强智能电网的推进，电网系统信息化水平不断提高、网络化应用的加深，特别是“互联网+”背景下，信息流和能量流将深度融合并相互影响，共同决定电网系统的功能和行为特征。而且，随着间歇式电源（如风电、太阳能）、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，电网系统动态过程被大幅度加快，极度依赖于信息反馈和信息决策。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。在此情境下，多种能源耦合的坚强智能电网系统愈加复杂，同时涉及工程复杂性和社会复杂性，并呈现出高度开放化、高度动态演化和高度交互化等特征；基于电网安全及电力价格、环保排放等社会信息，人类消费能源的心理模式和行为模式将更为复杂；能源转换和使用设备的智能化、能源耦合系统互动化、人类社会信息对能源生产消费的影响等，使信息控制技术对能源系统的影响更为深刻。此种境况下，融合人-系统-网络-社会于一体的社会物理信息系统（CPSS ）将成为实现未来坚强智能电网中智能企业和智慧管理的基础，成为互联互通的复杂电网系统中整合各种资源和价值的有效手段，成为迈向平行化、透明化、扁平化的未来坚强智能电网的切实途径。

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能技术等新技术的发展，网络化的虚拟电网空间已成为与现实化的物理电网空间平行的另一空间，坚强智能电网迈入虚实互动的平行时代。如果说，以小型电网为代表的电网1.0时代[6-8]的特征是人工半自动化，以超高压互联大型电网为代表的电网2.0时代[6-8]的特征是自动化，以智能电网为代表的电网3.0时代[6-8]的特征是信息化、智能化、网络化，以新一代能源系统为代表的电网4.0将迈入平行电网时代，那么动态演化、虚实互动、时空一致的平行化，将是平行电网的最显著特征。

综上所述分析，本文将现实电网空间与虚拟电网空间相结合，提出在现有的坚强智能电网基础上，以社会物理信息系统（CPSS）及平行系统理论（ACP）[9]为基础的平行电网体系框架，构建与现实电网空间同构的虚拟电网空间，通过虚拟电网空间的计算实验，确定优化控制策略，引导现实空间电网系统运行，并使虚拟空间电网和现实电网空间平行执行、共同演化，实现对现实电网空间的管理、控制及时空推演。

1 平行电网的理论基础

1.1 社会物理信息系统（CPSS）

自2006美国科学国家基金委员会（NSF）提出信息物理系统（cyber physical system，CPS）概念以来，引起了在国内外学术界和工业界广泛而深入的讨论。欧美国家开展了大量相关技术的研究[10]；日本、韩国、新加坡等也在相关方面进行了大量投入，以增强其竞争能力。CPS作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统[11]。在国内，中国科学院王飞跃教授在CPS的基础上，引入了社会信息、人类行为学，从而提出了社会物理信息系统（CPSS）。信息物理系统（CPS）及社会物理信息系统（CPSS）的提出发展为促进电网系统与电网信息系统的深度融合，并最终实现电网智能化的目标提供了新的思路和实现路径。电网系统是CPS及CPSS特征集中体现的研究领域，围绕2012年国家863计划课题“电网海量信息处理、存储与应用技术研究”，上海交通大学展开电网信息物理模型建模及仿真平台的深入研究，已取得一定成果。文献[12-13]提出了电网信息物理融合建模技术、基于融合模型的电网控制技术等关键技术；文献[14-15]提出了构建电力CPS的思路、框架及实现路径；文献[16-17]从建模仿真角度，阐述了电力CPS融合仿真建模技术与控制研究框架；文献[18-19]围绕微电网的安全运行控制，提出了微电网CPS的物理端融合模型设计、协同管理机制、控制体系框架及云端计算环境等，均具有较强的参考价值。

1.2 平行系统理论（ACP）

科学院王飞跃教授针对复杂系统控制与管理问题提出了平行系统理论[20]，并基于该理论提出了轨道交通平行控制和管理体系框架[21,22]、军事平行体系及智能指挥与控制体系[23,24]、工业化5.0框架[25]。平行系统由人工系统（Artificial Societies）、计算实验（Computational Experiments）、平行执行（Parallel Execution）组成，该理论以复杂巨系统的管理和控制为研究目标，利用自然语言处理、机器学习、计算智能、社会计算等先进计算手段，将现实系统（物理世界）与人工系统（虚拟世界）相结合，通过现实系统信息感知输入优化人工系统，并借助人工系统对复杂现实系统的行为进行“实验”，进而对其行为进行全面、准确、及时分析、评估及修正，实现针对现实系统管理和控制的滚动式优化执行方案[26,27]。目前该方法已成功应用于电子商务、智能交通、高速铁路控制、乙烯生产和电力调度等领域[28-31]。

1.3 平行电网认知

基于ACP理论的平行电网核心含义就是把复杂巨系统平行电网中的虚拟的部分，分解成可定量、可计算、可执行的过程。

人工系统（A），即虚拟电网空间：数据来源于现实电网空间，采用语义建模和数据驱动,构建信息与行为之间的反馈；数据来源于虚拟电网空间，通过大数据技术，挖掘出海量信息的电网价值，让数据说话。

计算实验（C）：对于电力电价和人类社会负荷，少量可用统计定量分析，多数难以抽象为数值模型，必须用“社会计算”方法。通过集成深度计算、群体广度计算、历史经验计算等社会计算，可以获得虚拟电网空间系统的各种模态的结果。社会计算必须基于人工社会，采用人工智能建模，而不是传统的利用计算机对社会建模。

平行电网中，人、社会、输配电系统、设备运行、电力负荷、信息系统、经济、环境、安全等系统复杂程度巨增。由于能量流与信息流的深度融合、工作状态多变、存在严重非线性，且需要建立经济学、管理学、人类行为学对电网系统影响的模型，因此传统的建模计算方式已经不适应，必须借助于社会计算实现从定性到定量的分析，评估人、社会、信息及电网系统的之间相互深度融合的模型。

平行执行：虚拟电网系统和现实电网空间系统组成一对平行电网系统，虚实平行互动构成新型反馈控制机制，改变了传统单一解释模式到双向解释模式。通过对虚拟电网空间系统进行各种各样的计算实验来相应调整现实电网空间系统的管理与控制策略，反过来，通过现实电网空间系统反馈结果来修正虚拟电网空间系统的模型,使其可能成为现实电网空间系统的备用系统。在虚拟电网空间系统中进行大量可重复、可设计的计算实验，输出的结果输入到现实电网空间系统中进行平行执行。平行执行最显著的特点是：使常规的被动计算机仿真（或模拟）转化为平行的主动虚拟电网空间系统，并使其角色从被动模式到主动模式、静态演化到动态演化、离线状态到在线状态，以至最后由附属的地位提升到平等的地位，充分发挥虚拟电网空间系统在现实电网空间系统管理与控制中的作用。

ACP流程：针对现实电网空间的实际系统流程，构造虚拟电网空间流程，使来自坚强智能电网的物理、社会及信息的知识经验固定化、计算化、可视化，以嵌入式在线和实时同步反馈的方式实现描述性解析、预测性解析和诱导性解析的功能。目标就是促使现实电网空间实际流程趋向虚拟电网空间流程，从而借助虚拟电网空间流程使得电网系统相关目标的“不确定性、多样性、复杂性”（UDC）转化为“灵捷、聚焦、收敛”（AFC），以此实现电网系统的智慧管理。

ACP 步骤：利用人工系统（A，即虚拟电网空间系统）对复杂问题（物理、社会、信息）进行建模；利用计算实验（C）对复杂现象进行观察、分析和评估；将虚拟电网空间系统和现实电网空间系统并举，通过虚实互动，以平行执行（P），引导和管控物理过程。

2 平行电网体系

2.1 概念

平行电网是以坚强智能电网为依托，以“云大物移”为技术支撑，以空间信息平台为基础框架，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，利用复杂系统、智能科学、建模仿真等理论，构建与现实电网空间同构的虚拟电网空间，通过虚拟空间电网的计算实验，确定优化控制策略，引导现实空间电网系统运行，并使虚拟空间电网和现实电网空间平行执行、共同演化，实现对现实电网空间的管理与控制及时空推演。即平行电网由现实电网空间和虚拟电网空间共同构成的系统如图1所示：

图1 平行电网概念示意图

现实电网空间和虚拟电网空间组合之后，将整合虚实系统的资源和能力，形成一个新的、整体功能和性能更加优越的虚实互动系统，进而对现实电网空间进行有效的管理与控制及时空推演，使其具有“灵捷、聚焦、收敛”（AFC）的特性，并可以在各种复杂环境下完成既定的目标。

平行电网体系核心思想是针对复杂的坚强智能电网的管理与控制，运用ACP建模理论，构造现实电网组织及系统与虚拟电网组织及系统能够并行互动的平行电网体系；目标是使现实电网组织及系统趋向虚拟电网组织及系统，而非虚拟电网组织及系统逼近现实电网组织及系统，进而借助于虚拟电网组织及系统使复杂问题简单化，使虚拟电网空间和现实电网空间平行执行、共同演化，以此实现复杂坚强智能电网组织及系统的管理与控制及时空推演。

2.2 特征

平行电网利用ACP建模理论，构建与现实电网空间平行执行的同构虚拟电网空间，采用计算实验方法，通过现实电网空间与同构虚拟电网空间的平行执行、共同演化、反馈控制和时空推演，为坚强智能电网提供智能决策支持。平行电网具有如下特点：

1）时空一致：平行电网将现实电网空间映射到虚拟电网空间，其运行过程中将会持续接收现实电网空间传送的海量实时数据，需要具备高性能社会计算能力支持虚拟电网空间模型的查询匹配、修正以及虚实互动，并为了保证智能决策支持的实时性，故平行电网具有时空一致性；

2）双向交互（虚实互动）：通过学习与培训、实验与评估和管理与控制及时空推演结果反馈，虚拟电网空间可以直接影响或改变现实电网空的管理、操作控制行为，这不再是传统的单向解释模式，而是一种双向交互模式，故平行电网具有双向交互特征；

3）动态演化：平行电网运行过程中可根据现实电网空间源源不断的新问题新发现，采用计算实验方法，对虚拟电网空间模型进行不断修正，使其通过平行执行和动态演化使现实电网空间不断逼近虚拟电网空间，故平行电网具有动态演化特征。

2.3 平行管理

为实现虚实结合的平行控制，平行电网平行管理如图2所示：

图2 平行电网的平行管理与控制

图2左半部分是目前坚强智能电网现实电网空间，主要包括电网一次设备、电网二次设备和人与社会。右半部分为本文提出的虚拟电网空间，采用构建人工系统、计算实验和平行执行（ACP），实现对现实电网空间的建模、计算和控制；基于ACP的虚拟电网空间和现实电网信息化、自动化空间系统形成社会物理信息系统（CPSS），是构建平行电网的基础设施；采用ACP反复观察评估后，通过虚实平行互动，形成“灵捷、聚焦、收敛”AFC的分析、决策和执行过程，最终利用虚拟电网空间系统对现实电网空间系统实施闭环有效的管控与控制及时空推演。

虚拟电网空间系统从现实电网空间通过大反馈获得坚强智能电网系统的电网一次设备、电网二次设备、现场运行及社会信息等大数据，通过数据驱动和语义建模，进入虚拟电网空间。虚拟电网空间基于CPSS、ACP及AFC等建模、计算和控制过程，形成优化的控制决策策略、通过大闭环引导现实电网空间系统优化运行。

虚拟电网空间完全在虚拟的计算机及网络化空间，可以根据现实电网空间的大数据，充分分析数据、进行各种计算实验、从而获得优化的决策。如在接受各种物理电网信息、排放节能信息、社会信息后，虚拟电网空间系统可充分进行各种实验进行对比和比对，在对比过程中不会干扰物理电网系统的安全、可靠运行，通过对比和比对可以获得优化物理电网生产管理的优化控制及时空推演策略，从而指导现实电网空间的运行。

2.4 体系架构

对象层：对应物理世界的电网系统，包括从电力生产到消费的各个环节，主要有电网一次设备、电网二次设备、事件以及人与社会对电网系统的影响如图3所示：

图3 虚实互动的闭环组态式平行电网的体系架构

感知层：包括两部分，一部分是目前现有的电网自动化系统及信息系统，主要包括能量管理系统、配电网管理系统DMS和广域监控系统。另一部分是在物联网和多种电力通信模式下，人与社会对电力负荷的互动，将更加快速方便和密切。会从互联网、移动互联网及物联网等收集大量信息，并作用于电网系统，称为感知与执行；感知和执行产生的信息包含大量的经济指数、天气、环保排放等人与社会因素，需通过云计算、大数据分析、计算智能及社会计算，形成有效的价值信息。

存储层：通过云计算、大数据、物联网、移动互联网、GIS等数据采集分析技术，将感知层形成的数据分类存入生产数据、设备运行管理、调度功率和社会信息等数据库中。

特征提取及知识合成层：采用自然语言处理、人工智能技术、深度机器学习等技术，实现对存储层的信息数据特征提取和知识合成。

解析层：基于特征提取及知识合成获得的知识、信息及特征，建立虚拟电网空间系统各环节模型和系统模型，实现现实电网空间系统同构的虚拟电网空间系统的构建，完成对现实电网空间系统的解析。

平行控制层：基于虚拟电网空间系统模型，采用计算实验，获得优化控制及时空推演策略，采用平行执行模式，实现对虚拟电网空间系统和现实电网空间系统的同步反馈。平行执行对现实电网空间系统，可以通过能量管理系统EMS、配电网管理系统DMS、广域监控系统WAMS和感知及执行环节，修改电网系统运行优化策略设定值，引导人与社会的活动；平行执行可以调整虚拟电网空间系统的模型、参数、运行方式，使虚拟电网空间和现实电网空间平行执行、共同演化，以此实现复杂坚强智能电网组织及系统的管理与控制及时空推演。

3 总结

本文结合全球能源互联网进程，基于社会物理信息系统及平行系统理论，提出了“平行电网”的概念，阐述了平行电网的理论、框架和技术。

当前我国正处在能源变革的关键时期，全球能源互联网是以坚强智能电网为核心和纽带，具有“横向多能互补, 纵向源网荷储协调”以及能源流和信息流双向流动强耦合的复杂互联巨系统，从而可以实现整个能源网络的“清洁替代、电力替代”。需要将管理学、社会学、心理学融入用户行为模型，将人类社会泛在的节能、安全、排放、经济等信息，以及人类的思维、习惯、行为等因素纳入坚强智能电网系统中。因此进入互联网+时代的智能电网就形成典型的社会物理信息系统，即迈入平行电网时代。

通过平行电网建设，可以实现对现实电网空间、虚拟电网空间以及两者平行执行过程，进行动态监控，从而掌握能源流、信息流与虚拟电网空间系统过程；“以网络化为中心”代替“以设备化为中心”的管理和控制模式及时空推演策略；能量流的物理守恒规律、信息流的社会规律信息、虚拟电网空间系统的知识自动化规律相互深度融合，从而引导坚强智能电网符合社会发展需求、环保排放要求、具有个性化的控制与优化运行。

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图9 三种插值滤波器的脉冲响应

三中滤波器都满足基点能被精确内插，立方滤波器最接近理想特性，但线性滤波器已经能得到很好的结果。定时误差有正有负，只有在定时准确的情况下才会是零，如图10所示：

图10 定时误差波形图

5 总结

在全数字接收机中,传统的符号同步方法已经不再实用,可以采用基于Gardner环的同步方法，利用插值滤波器近似算出最佳抽样值，进而实现同步。仿真表明线性插值滤波器就已经能得到很好的效果，通过定时误差的输出来调整控制器，调整重采样时间获得最佳采样值。

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（收稿日期：2016.01.22）

Research on Global Energy Internet Oriented Parallel Grid System Framework

Yang Dengsheng, Sun Fei, Wu Hongxia
(State Grid Communication Industry Group CO.,LTD, Anhui Jiyuan Software CO.,LTD, Hefei 230088, China)

The paper analyzed the factors and trends which promoted the development of modern power grid, and combined with the development of the Global Energy Internet, it put forward the necessity and urgency of setting up a parallel grid. This paper put forward the concept of —parallel grid” for the first time, which is based on CPSS and ACP. It described the ory, framework, technology for parallel grid, and then discussed content and technique of parallel grid. It was pointed out that the core of parallel grid is to build a virtual grid space which is structured with reality grid space. Through computational experiments on the virtual space grid, it determined the optimal control strategy, and guided the operation of the realistic space grid system. After that, virtual space and realistic space grid will parallel execution. The methods will achieve the control, management and spatial reasoning for the realistic space grid.

CPSS; ACP; Parallel grid; Virtual grid Space; Parallel execution; Spatial reasoning

G642.0

A

1007-757X(2016)10-0054-05

2016.04.21）

杨德胜（1982-），男，郎溪，国网信通产业集团有限公司，安徽继远软件有限公司，工程师，研究方向：电力行业数据挖掘和人工智能，合肥 230088

孙 飞（1986-），男，安庆，国网信通产业集团有限公司，安徽继远软件有限公司，助理工程师，研究方向：电力行业信息化项目建设管理和数据挖掘，合肥 230088

吴红侠（1986-），女，六安，国网信通产业集团有限公司，安徽继远软件有限公司，工程师，研究方向：数据分析和管理咨询，合肥 230088