配电网信息物理系统(CPS)的初步探讨

，，

(1. 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116；2.福建省电力有限公司技术中心，福建 福州 350007； 3.福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 350007；4.福建省电力有限公司，福建 福州 350003)

1 引言

长久以来，相对主网的发展，我国配电网的发展明显滞后,低于国际先进水平,部分地区的配电技术发展缓慢，设备陈旧、技术落后、管理不规范，造成供电可靠性差、效率低、安全性低[1-2]。尽管技术的进步已经使得对电力系统的实时监控和优化管理进一步扩展到配电网络日益经济可行，但应用现状相对滞后，有待推动。所以发展智能配电网已经成为配电网发展的必然趋势[3]。

在智能配电网建设方面，配电自动化及信息化在我国部分地区得到初步应用。一些重点城市已在不同程度发展配电网的实时监控，馈线故障的定位与隔离和自动恢复供电以及配电网综合管理系统的应用[4]。同时，为了解决分布式电源的接入和电动汽车的普及率增大对配电网电能供应的结构、质量、保护措施等各方面带来的影响，我国已提出了许多解决方案，例如将配电网从传统的被动模式转换为主动模式的主动配电网技术[5]，使配电网具有主动控制和管理能力；提高用户侧智能化水平，加强与用户互动，鼓励用户参与电能管理的需求侧智能化技术；利用电力电子装置对电能进行灵活传输与控制的柔性交流配电技术以及为解决分布式电源并网出现的可控小规模发电网络-微网技术[6]。这些技术在一定程度上都提高了配电网的智能化程度，成为构建智能配电网的好方法。在本文中，我们介绍一种新兴的先进技术信息物理融合技术(CPS技术)来提高配电网的智能化程度，构建智能配电网。

2 配电网CPS概述

信息物理融合系统是一个融合了计算系统、物理系统、通信网络的多维复合系统，通过在物理设备中嵌入具有传感、通信、控制功能的设备，实现对物理设备的控制和监测，并通过反馈循环，对计算进程进行影响[7]。CPS技术最终能够实现信息世界和物理世界的交互相融，通过构建安全高效，可靠性高，可控可扩展的CPS网络，从根本上改变人类构建工程物理系统的方式[8]。CPS技术首先由美国科学基金会NSF在2006年提出，并迅速成为人们的关注热点，2007年美国总统技术委员会发表《挑战下的领先-竞争世界中的信息技术研发》将CPS列为八大关键信息技术的首位[9]。在我国，CPS技术也是国家863计划以及973计划的重点支持方向，CPS技术已经被运用在交通，医疗等多个方面，是未来实现工业4.0最重要的技术之一。

智能配电网能够兼容分布式电源的大量接入，提高系统供电质量和运行效率，并能够与用户互动，拥有高度信息化自动化水平，具备自愈能力[10]。通过将CPS技术引入配电网，利用CPS具有通信、计算、精确控制、远程协调和自治五大功能[9]，在电力设备采用嵌入式系统结构，将传统配电网与通信网络交互融合，配电网将形成由物理网络、信息网络耦合而成的超大规模复杂网络，实现信息在复杂网络中的双向流动和有效利用，从而构成配电网信息物理融合系统(简称配电网CPS)，也就是智能配电网系统。

配电网CPS是一个具有智能化、有自主行为的系统，配电网CPS就是智能配电网，根据文献[11]和[12]提出的电力CPS的体系架构以及传统的配电系统架构，配电网CPS系统由物理系统和信息系统组成，信息系统又具体分为计算系统、传感系统、通信系统、控制系统。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。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[12]，计算系统和控制系统由服务器、计算机和嵌入式计算设备组成；通信系统则由电力系统专用有线网络、一般有线网络和无线网络三个部分组成[12]。

3 配电网CPS系统的特征

(1)配电网CPS系统是一个多元异构的系统，不仅各个子系统都具有包括开放性，动态性和多维度在内的众多异构性的特点。并且系统中包含了大量异构数据。

图1 配电网CPS系统基本组成

(2)配电网CPS系统的行为应具备可预测性，可靠性，可验证性和自适应性[13]，可以自动识别出接入系统的各类终端和设备，并且可以自动排除各种系统故障，以适应不确定，动态变化的环境。

(3)配电网CPS系统作为CPS系统的一种，在时间上和空间上有严格的约束。由于CPS强调对物理设备的实时动态控制，来自物理设备的实时信息不断修正系统的参数，提高系统精度，系统通过控制物理设备的行为来影响物理进程[12]，所以对实时性有很高的要求，进程要求在特定的时间点完成。在时空层次上，系统具有高度的复杂性，不同的构件可能具有不同的时间和空间粒度[13]。

(4)配电网CPS系统具有事件驱动性，信息系统和物理系统存在反馈闭环控制，通过事件发生驱动，信息系统感知，CPS控制系统做出控制措施，来继续驱动事件的发展。

(5)深度嵌入性。传感器，控制设备和大规模的分布式计算技术被嵌入物理组件，使得计算，信息传递功能被深深嵌入物理组件中[14]，实现了对大型系统的实时数据采集和行为感知，使系统具备了计算，通信，精确控制，远程协调，自治等5大功能[15]。

4 配电网CPS系统的功能

配电网CPS通过3C技术(计算、控制、通信)能够为配电网提供以下功能。

4.1 提供强大的数据采集和处理功能

智能配电网的一大特征就是具有广域的测量系统和对电网设备能够实时在线监测。我们通过CPS技术来构建配电网的测量和监测系统,借助传感器和通信网络获得系统全面而详细的信息[15]。除了现有的数据采集与监测系统(SCADA)外，配电网CPS系统可以借助相量量测单元(PMU)、嵌入智能家电以及电动汽车的传感器等获得物理系统和信息系统的全面系统信息，包括传统的电气量信息、大量周围环境的信息、通信网络，传感器网络，计算机系统的状态信息[12]。数据采集范围的扩大带来了海量的数据，为了处理和利用这些数据，配电网CPS系统利用云计算或者网格计算这些大规模分布式计算技术构建计算平台以获得强大的数据处理功能，通过将分布在不同地域的计算设备通过通信系统联系起来，利用不同的计算设备共同协调完成数据处理任务，能够使数据处理的时间大大缩短，并且避免系统阻塞。

4.2 高效可靠开放的通信系统

配电网CPS系统的通信系统是高效可靠的，它不仅连接物理系统、计算系统、传感系统和控制系统这些子系统，还联接所有的物理设备和分布式计算资源，每个物理设备都拥有独一无二的网络地址能够被自动识别和搜索，通过多种网络构建出多通道的冗余通信网络实现数据在系统内能够快速流动和共享。下一代互联网(NGI)和下一代网络(NGN)将为CPS的传输系统发挥支撑作用，通过NGI核心的(IPV6)技术，提供丰富的地址资源，使得系统中的物理设备网络化互连成为可能[16]，基于软交换的NGN是能够提供数据、语音和视频等多媒体技术的通信网络[17,18]。配电网CPS的通信系统将是开放的，通过信息对象建模技术，建立不同应用统一的标准化对象模型，采用抽象通信服务结构模型将终端应用功能数据与具体信息传输协议相分离，使得配电网CPS系统能够兼容接入不同种类的终端，实现智能配电网要求的即插即用功能。配电网CPS的通信系统的信息共享功能和即插即用功能能够为系统的全局观测和精确控制打下基础。

4.3 分布协同控制技术

在配电网CPS系统中，为了能够协调控制整个系统，数据采集的范围将大大提高，各种含有嵌入式系统的量测设备都会采集大量的实时系统信息，产生惊人的数据量，大量分布式电源和用户负荷终端的接入，系统控制对象也急剧增加。现有电力系统控制方法分为集中控制和就地控制，集中控制信息量过于庞大[19-20]，就地控制利用消息有限，无法进行完善控制，为了满足海量数据流的存储和分析，防止由于数据量过大造成系统阻塞，影响系统的实时性和灵活性，保证信息的优化管理，数据能够交互共享，所以配电网CPS系统应当采用分布式协同控制的方法来对系统进行控制。它结合了集中式和分布式控制的优点，还融合了分布式控制的分层控制机制。配电网CPS中分布在不同地点的物理部件中都嵌入式控制设备并通过通信网络与控制中心互联，使得系统中每个设备都不同程度的与其他设备进行交互。设备既可以分散控制，通过互相之间交换测量和控制的信息以协作完成控制任务，以避免与控制中心的通信故障、延时、中断带来的系统性能影响，在必要时也可以由控制中心集中控制。分布协同控制既利用了系统内的测量信息，又避免了集中式通信带来的通信和数据处理时间过长的问题，还能够确保设备能够按权限及时获得所需信息，优化系统配置，从而提高系统运行的有效性。

总之，配电网CPS系统具备智能配电网高度发展所呈现的众多功能特征，是支撑实现主动配电网的关键技术。配电网CPS系统将现有的各种独立设备进行智能化连接，能够实现组网和交互[7]，建立实时双向的需求响应[21]。通过与用电用户的互动建立了信息和能源的双向传输通道，打破了原来电网供电的被动调节模式，让用户主动参与电力平衡调节中来，更好地实现电能供需平衡关系[22]。

5 配电网CPS系统需要深入研究的问题

5.1 配电网CPS综合建模问题

在CPS领域，建模已经取得了一些初步的成果，例如tan Y 等人提出的一种能够支持CPS的实时性，安全性，可靠性，可扩展性的CPS原型架构[23]，kang w等人提出的面向CPS的数据服务架构。但是现有的研究主要针对CPS的某些具体应用，尚且不存在能够全面准确计及信息系统和物理系统交互过程的CPS建模理论和方法[14]。所以通过具体分析研究信息系统和物理系统的交互过程，得到能够表征配电网物理系统动态特征及信息系统执行次序的统一化模型是将来配电网CPS的一个重要研究方向。

建立统一的配电网CPS系统模型的难点在于：

(1)配电网CPS系统是一个分布式异构的大型系统，由于CPS系统的规模较大，组成复杂，所以应当采用分块建模的方法。通常将信息系统分别为计算、通信、传感三个部分分别建立适当的模型后，再将它们与电力系统模型联立起来构成完整的配电网CPS模型。

(2)配电网CPS中有着连续性和离散性并存的特点。完整的CPS的信息系统包括控制系统，传感系统和计算系统的组合网络[13]。物理系统和计算系统的时间粒度不一样，传统电力系统的运行控制呈现出连续性特点，是一个连续的时间系统，理论基础是连续数学，建模工具一般为代数方程组和微分方程组[12]。而计算系统采用离散的二进制对计算对象进行抽象描述，可以通过自动机来描述离散事件。由于自动机只能描述时间发生的顺序无法描述事件发生时间之间的关系，所以不适合用于实时性系统。如何在统一的配电网CPS模型中全面准确展现信息系统与物理系统交互过程是其研究难点。

5.2 开放式通信

为了实现配电网CPS的用户互动功能，对分布式电源的实时监控、管理控制以及海量信息的稳定传输，就必须要改变配电网信息模型不统一，架构不统一，配电网各系统无法实现互操作的问题，需要开放式的通信体系以支撑配电网CPS的功能实现。

IEC61850是一种应用于变电站自动化控制的通信标准，特点是能够利用现有的标准和通信原理，建立统一、完善的模型体系和服务接口。由于配电自动化的馈线自动化系统和变电站自动化系统结构类似，且IEC61850具有优秀的可扩展功能[24]，所以可以将IEC61850引入配电自动化领域，实现配电网CPS系统开放式通信。IEC61850标准能够确保异构的电力设备之间的信息交换和互操作，能够支持原有的标准7层通信协议模型且能够进行扩展以统一整个配电网系统的通信规约，它统一的模型和服务接口还能够确保较快的通信速度以及信息能够在网络上得到共享，缩短了故障处理的时间，提高系统可靠性[21,24-25]。

针对IEC61850通信协议，现在还未建立完整的面向配电网监控和控制的信息模型，但在部分方面已有一些研究。信息模型方面，文献[26-29]的研究对IEC61850中未定义的配电自动化功能逻辑节点进行了补充和完善。通信服务映射方面，文献[30]提出将可以映射到Web Services + IEC 60870-5-104，将FTU中的信息数据模型保存在控制中心本地，每次建立通信连接后，通过查看信息模型的版本号，若改变就通过Web Services获得信息模型，未改变就通过IEC 60870-5-104获得实时数据。文献[31-32]研究了如何解决IEC61850应用于配电自动化时的实时数据快速传输问题，提出将GOOSE报文映射到UDP协议，利用IP网络进行传输，通过采用Goose快速重发机制来确保报文的可靠性[33]。

5.3 安全防护

由于配电网CPS系统是信息系统和物理系统的深度融合，面临着比传统系统更严重的安全问题。配电网CPS系统中配电网正常运行对信息系统的依赖性较高，针对信息系统的攻击会因为网络交互导致配电网络出现问题，物理系统与信息系统的交互融合，将导致出现的问题迅速扩大，造成网络大规模故障。配电网CPS系统的信息网络范围较大，接入终端众多，容易攻击，将成为重要的攻击目标。关于配电网CPS网络安全技术的研究如今尚处于起步阶段。现在的电力系统二次侧通信系统的安全防护主要有安全分区、调度数据网络专用、纵向加密认证、横向单向安全隔离等，在一定程度上能够保证了电力系统信息系统的安全，但未考虑到电力系统与信息系统的交互影响[34-35]。国内现已有对智能电网背景下的电力信息系统安全问题的分类研究和分析，并提出了一系列措施，制订了安全协定和安全目标，但尚未有完整考虑各种威胁影响的综合研究出现。此外，在数据传输和交换方面也需要研究确保多种通信协议安全采集传输的安全措施以防止信息被篡改和泄露。应研究确保数据能够被安全完整的输送到控制中心的网络安全措施，也需要研究控制指令能够顺利传输到控制器的网络完全措施。

5.4 分布式协同控制

实现分布式协同控制的前提是强大的计算能力，通过计算能力的大幅提升可以将更多的控制对象纳入整体分析范畴。基于云计算的技术可以实现计算量的大幅提升[12]。云计算具有动态可扩展性和资源按需分配的特点，能够满足配电网CPS中呈几何增长的数据量问题[36]，通过整合大量分布广阔的计算设备获得强大的计算和存储能力，可以支持各种异构性的资源数据[15]，便于信息的集成分析，并且它具有很强的扩展性，解决海量数据处理存储问题的有效途径。文献[19]提出了利用云计算构建计算平台的模式，通过无线网整合广域异构的计算资源，构建一个虚拟抽象可动态扩展的计算资源池，用户通过无线网得到用户通过无线网得到提供的计算能力，存储能力和软件平台和应用软件服务。文献[36]将数据处理技术分为寻址技术、中间件技术、云计算、超级计算机和系统架构五大类技术。通过寻址技术能够解决CPS中物理设备大量增加的问题，云计算能够满足呈几何数量增加的数据量问题[16]。文献[37]在中间件的基础上提出的数据分级处理和降维处理的方案能够完成海量数据的处理[37]。但是电网中有些应用需要通过跨区域的数据分析得到结果[38],这是要求数据子集之间互不相关，能够独立运算处理的简单云计算模型无法做到的，所以改进算法，创新分布式并行算法，实现云计算与计算功能强大的集中式超级计算机融合，完成对配电网CPS系统数据的分析和处理是未来的研究方向[15]。由于云计算对网络的依赖性较高，数据的安全传输和存储也是未来研究云计算的重点，可利用对称和非对称两种加密算法提高了用户数据的安全性[39]同控制结安全采集传输的安全措施，保多种通信协议安全创术的。为实现分布式协同控制，还应该讨论分布式协同控制的体系架构和控制策略。配电网CPS系统是一个多源异构的系统，各个子系统、各种设备之间都具有耦合性，为了实现对系统每一部分的精确控制需要考虑通信、计算、物理等多个系统以及多种设备的异构性和关联耦合性，所以配电网分布式协同控制的体系架构应该是多层面，多时间尺度的。通过研究协同控制的策略能够实现被控对象信息的实时交互，避免了信息长距离传输的问题，也避免了海量数据同步测量的问题。针对配电网应用分布式控制的研究还处于初级阶段，只有针对某些特定功能的研究，并未出现完整的分布式协同控制体系架构，需要继续研究[40]。

6 结语

配电网CPS是一个融合了计算系统，物理系统，通信网络的多维复合系统，具有通信、计算、精确控制、远程协调和自治五大功能，是未来发展的重要技术之一，利用CPS技术的主要功能我们可以构建智能配电网。但配电网CPS系统是一个新的研究领域，各方面理论和技术问题还未完善的研究方法，需要各位研究人员进行的进一步研究。

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