配电网信息物理系统的典型特征与联合测试验证

陈彬，黄建业，张功林，范元亮，王琦，汤奕

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州市 350007；2.东南大学电气工程学院，南京市 210096)

配电网信息物理系统的典型特征与联合测试验证

陈彬1，黄建业1，张功林1，范元亮1，王琦2，汤奕2

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州市 350007；2.东南大学电气工程学院，南京市 210096)

随着多通信方式网络、分布式电源等信息物理资源的加入，传统配电网的信息流和能量流特性发生了重要转变，因此迫切需要从信息物理融合的视角去研究相关运行及控制问题。首先阐述了配电网信息物理系统(cyber physical system, CPS)的5种典型特征；其次，为完整保留能量流和信息流交互过程，从数字与动模测试验证互补的角度，提出配电网CPS数模混合测试验证平台，以支撑该领域理论分析和控制方法研究；最后，基于分布式光伏无功优化控制算例验证了平台的有效性。

信息物理系统(CPS)；测试验证平台；数模混合仿真

0 引 言

现代配电网是由物理网络、信息设备和计算单元耦合而成的大规模信息物理系统(cyber physical system, CPS)，呈现出时间驱动与事件驱动并存、运行方式多样化、网络安全问题突出等特点。为解决这些问题，需要增加大量通信设施，以实现分布式电源的优化控制及其与大电网间的协同控制，达到一次设备、控制终端和多级控制器互通，满足装置“即插即用”需求，准确传递和识别信息流[1-4]。上述因素会导致配电网的网络拓扑结构愈加复杂，给配电网的规划和运行带来较大不确定性。因此迫切需要发展配电网信息物理系统相关理论和方法，将配电网从原有的“主从式”或“各自为政”的形态提升为“全景式”和“精细式”的智能控制形态，通过数据信息自动闭环流动实现配电网的状态感知、实时分析、科学决策和精准执行，以满足未来发展需要[5]。

在信息物理系统理论分析领域，国内外已经取得一些初步的研究成果。文献[6]深入探讨了联网物理系统对计算技术和网络技术的要求，认为现有计算技术的基础理论不足以支持CPS的实现；文献[7]提出了一种能够支持实时、可靠、容错、安全、自治、可扩展等特征的CPS的原型架构；文献[8]初步研究了电力CPS的安全性与可靠性问题。总体而言，目前尚不具备能够全面准确地计及信息系统与物理系统交互过程的CPS相关理论与方法。现有针对配电网CPS的融合模型及运行控制方法等方面的研究尚处于起步状态。在理论研究尚不完备的情况下，构造配电网CPS镜像模拟平台可为系统特性挖掘、相关理论测试和所提方法验证提供支撑[9]。

本文对配电网CPS的核心内涵和测试验证方法展开研究。首先从多源异构配电网物理资源的优化配置和安全防护、信息资源的实时交换和集成共享等方面总结阐述配电网CPS的典型特征；其次提出基于信息物理数模混合体系架构和交互方式的配电网信息物理系统联合测试验证平台，支持开展配电网CPS互操作、互连通与互兼容等方面的测试验证；最后通过光伏无功优化控制算例验证配电网CPS的典型特性与测试验证平台的有效性。

1 配电网CPS典型特征

随着智能电网的发展，配电网在很大程度上将发展为信息空间与物理空间虚实映射、数据闭环流动、资源得到优化配置的信息物理系统。配电网CPS在实现设备“即插即用”与“互通互信”的基础上，融合海量系统运行信息、装置信息以及外部环境信息[10]，提升系统运行的整体性能，表现出可观、开放、融合、安全、自治等五大典型特征。

可观性的范围分为物理层和系统层。物理层可观是指系统嵌入多种在线监测单元，以使运行状态参数更加齐全，与测控装置、继电保护装置、开关设备本体等有机结合，实现设备多视角观测[11]；系统层可观是指系统融合多源信息，开展状态估计，清洗不良数据，消除监测盲点，感知电网全局运行态势，支撑配电网安全经济运行，协同电网故障快速抢修。两者的结合可以实现局部与全局运行的态势可观与分析判断。

开放性指通过信息对象建模技术，将不同类型终端统一为标准化的对象模型，主要包括应用功能的标准化、信息对象模型和服务模型的标准化、映射机制的标准化以及具体通信协议的标准化，从而实现各类不同终端的开放互联。

融合性分为物理层融合与模型层融合，物理层融合是指随着量测、感知、计算、通信等功能的深度嵌入，一二次设备高度融合；模型层融合是指电力系统连续过程与信息通信系统离散过程的融合。两者的结合，能够实现更全面、更准确的自我状态与全局态势的感知[12]。

安全性主要包括语义安全、安全监测和漏洞管理等部分。在现有的安全防护基础上，分析信息和物理系统间上下行数据的语义关系，对信息流进行相关性与一致性检验，以识别异常信息，并阻断其传递，降低故障传播几率[13]。

自治性包括自适应、自配置与自组织等能力。其中自适应能力指系统在应对外部环境和内部设备的状态变化时，能够及时自动调整结构参数，以取得最佳的响应效果；自配置能力指系统能够高度灵活地自动配置并切换相应功能，减少人工运维成本；自组织能力指多个CPS实体间通过网络平台互联，统一调度、实时协同，从而实现从无序向有序的自我演进过程。自治电力系统可以实现分布式电源与用户之间的信息交互、非正常运行方式下故障就地快速自愈、正常运行方式的结构参数优化等应用功能，从而达到源网荷自平衡与自恢复的优化目标。

2 配电网CPS联合测试验证平台

2.1 平台模拟方法与技术需求

对复杂异构的大规模配电网CPS，其测试验证要体现其可观、开放、融合、安全、自治的特征，这就要求测试验证平台组成灵活、控制多样、信息多源、建模协调。在组成框架上，采用模块化设计，体现系统的整体性与层次性；在控制方式上，以功能为出发点，因地制宜地采用集中式、分布式和混合式控制手段；在信息采集上，需兼容各设备元件通讯方式的复杂性，实现对多源信息的融合应用；从建模角度来看，既要对物理实体进行精细化建模，体现设备自身特性，又要能反映不同时空尺度的实体之间的交互影响，从而真实地反映系统的运行规律[14]。

电力系统的模型实验方法分为数字模拟与物理模拟2种。数字模拟是通过数学方程式对实际系统进行理论分析研究，优点是建模速度快，经济性好，参数调整方便，研究的系统规模不受限制；缺点是物理概念不够直观，在一些新领域和新现象的研究上，若无法建立数学模型，研究将产生困难。由于配电网是一个规模庞大、结构复杂、许多因素交互影响的系统，单纯通过数学建模无法准确模拟配电网的运行规律和物理现象。而物理模拟使用与实际系统具有相同物理性质且参数标幺值一致的模拟元件，将真实的配电网复制到实验室中，保证在模型上反映的过程和实际系统相似，具有直观性、广泛性、灵活性和整体性等优点，缺点是调整不便、模型搭建难度大以及成本较高。考虑将2种方法联合起来，进行数模联合测试验证研究，可以兼取两者的优势，对于精度要求不高、参数需要灵活调整的设备，采取数字软件模拟；对于建模困难、外在特性显著的设备，采取动态物理模拟。基于此，建设数模联合测试验证平台，可以真实反映配电网CPS系统的动态、静态及非线性特性，为验证相关CPS理论提供实验支撑。

2.2 平台体系架构与交互方式

2.2.1 数字测试验证部分

对于配电网CPS中研发设计、生产制造及服务管理等工业环节的测试验证过程，其核心是将其转换成抽象模型，以数字仿真的思想归纳验证实际系统的规律性。现在国内外已有很多成熟的电力系统仿真软件和通信系统仿真软件，可以分别对各自专业领域进行精确的解析建模[15]。但是电力信息物理系统是一个连续和离散事件耦合而成的复杂系统，由于其组成方式的多样性以及建模方式的异构性，不能用单一的软件详细刻画，因此多软件联合是研究配电网CPS中交互影响、场景监测、安全控制策略的有效手段[16]。

对于电力系统模拟，由于动模部分是实时的，因此必然要求与其相连的数字部分也能够对模型进行分布式处理，从而达到实时运行，符合要求的有加拿大研发的RTDS和RT-LAB这2款软件。两者的暂态仿真能力相近，由于RT-LAB在目前行业内应用更为广泛，积累了丰富的项目设计调试经验，因此选用RT-LAB作为电力系统模拟工具。

对于通信系统模拟，在保证实时性之外，还须对电力通信要求的协议规约拥有完整的支持[17-18]。目前行业内广泛应用的软件主要可以分为2类：一类是商业软件，如OPNET、COMNET和BONes等；另一类是开源软件，如NS2、SSFNET和GloMoSim等。商业软件价格昂贵，但是计算速度和协议支持都能够有较好的保障；开源软件通常免费并且具有开放性，但是软件结构松散，模型精确度不高，不能满足联合测试验证平台的要求[19]。OPNET提供了3层建模机制，灵活性好，可以实现对电力通信业务的全过程模拟和复杂网络模拟，拥有友好的图形界面和可视化的建模环境，能够完成过程的动态监视和结果的动态展现。此外，其提供与外部环境交互的接口，扩展性好。因此选取OPNET作为通信系统模拟工具。

2.2.2 动模测试验证部分

动模测试验证部分可以精确模拟系统动态过程，发掘动态物理元件的适用性、稳定性和扩展性，加速CPS关键硬件技术的标准化和产业化。配电网典型动模系统接线图如图1所示，系统所模拟的线路和设备参数以及负荷数据与实际配电网基本一致，且能代表配电网的基本特征，具有代表性。

图1 配电网动态模拟系统主接线Fig.1 Main wiring of distribution network dynamic simulation

配电网CPS动模部分由主站物理设备、通信系统模拟部分和配电网动模部分组成，包括3座110 kV变电站、8条馈线、3类CPS终端、光伏模拟装置、风机模拟装置、实际通信网络、CPS主站和故障模拟模块，可弥补数字模拟偏理论化和理想化的缺点。

动模测试验证部分采用模块化设计，将种类繁多的器件按照功能分为不同模块：电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块、环网柜模块。将模块所包含的器件组装成屏柜，方便设计与安装，有利于后期更改线路拓扑和系统拓展。在原有动模实验室的基础上增加CPS终端，通过物理通信设备与路由器、交换机组网，模拟实际通信场景，可对复杂、有源配电网进行测试验证。此外可根据需求灵活调整接线方式、线路类型、线路长度、接地方式，可设置30个故障点，18种故障类型，模拟540种故障情况。在该系统上可方便地测试配电网在正常及故障运行工况下的物理现象，同时可以为其他设备如馈线终端设备(feeder terminal unit，FTU)、继电保护装置等提供与实际模型等值的电气信号，完成设备检查或联调，从而验证控制保护理论的有效性，促进配电网及其自动化设备的研究与设计进程。

2.2.3 数模联合测试验证平台

将数字与动模部分联合统一，可以优势互补，整合系统资源，开展配电网CPS应用技术的可靠性、开放性与互通性测试验证，促进相关通用性标准的规范化与理论研究的成果化，得到理论与实际相互结合验证的系统高效解决方案。配电网CPS数模联合测试验证平台框架如图2所示。系统采用分层分块配置，每层均配有物理模块、数字模块和数模接口，层级间互联状态可根据当前配置情况灵活切换。电力层由动模平台、四象限功率放大器和RT-LAB组成，可以模拟有源异构复杂配电网络，测试多种运行方式和各类故障场景，验证各种分布式电源和可控负荷接入效果。通信层由通信实体网络和OPNET组成，可以测试验证各种通信网络和信息传输过程，以及通信延时、误码、中断在内的各类事件[20]。主站层由主站物理设备和主站数字平台组成，实现对通信层和电力层的控制，可以复现电力系统和信息系统耦合的动态过程，从而对CPS的交互影响机理、协同控制、安全防护策略、研发样机等提供验证和测试。

图2 配电网CPS数模联合测试验证平台架构Fig.2 Framework of CPS digital-analog co-simulation platform in distribution network

CPS数字层包括主站数字平台、OPNET通信数字平台和RT-LAB配电网络数字平台，数字部分可弥补物理部分在模拟通信过程和事件方面的不足，可建立大量分布式电源接入多源复杂配电网的测试验证环境。

通信层采用OPNET对通信网络进行建模，模拟信息在电力通信网络中的传输过程，并对信息通信系统的各类故障和防护策略进行测试验证。OPNET通过系统在环(system in the loop，SITL)模块连接RT-LAB和主站系统，RT-LAB和主站系统的数据均通过OPNET模拟的通信网络传递给对方。

在电力层实时数字平台RT-LAB中，由MATLAB/Simulink建立的动态系统数学模型被划分为多个可并行处理的分布式子系统，利用eMEGAsim平台，实现快速建模。RT-LAB通过TCP/IP方式与OPNET进行连接，由OpIPSocketCtrl模块控制输入输出数据流，由OpAsyncRecv模块接收OPNET发来的数据，由OpAsyncSend模块向OPNET发送数据。同时RT-LAB通过四象限功率放大器与动模装置进行连接，实现闭环实时测试验证。

CPS数字部分已搭建完成并实现调试验证。通过电脑进行主站功能模拟，包括数据包解析和控制算法应用，设计系统控制模块，支持数据传输交互高级应用建模。在OPNET主机中建立通信网络模型，模拟通信特性。在RT-LAB中搭建配电网模型，模拟有源异构复杂配电网，支持10条馈线、5个分布式电源同步实时运行。利用SITL模块作为电力系统与通信系统间的数据传输接口，实现数据互联。

将CPS数字部分和CPS动模部分通过四象限功率放大器和交换机进行连接，同时需要在动模部分加入分布式发电动模设备。按照以上架构建设的联合测试验证平台，具备模块化架构特征，通过分块配置，实现层级之间互联灵活切换，从而对配电网CPS的功能提供分层分区测试与验证支撑。

3 算例分析

为了验证配电网CPS自治可观的特征，基于测试验证平台，搭建了分布式光伏电站的无功优化控制场景。在该多分布式电源区域中，关键线路发生故障，从而导致电压跌落。基于光伏逆变器自身的无功调压能力，在故障时增发逆变器的无功输出，为电网提供电压支撑。

分布式光伏无功优化场景结构如图3所示，通过CPS终端采集分布式发电信息以及系统电压信息，将多源信息采集上传至控制主站，制定无功控制策略，并由主站下发光伏无功出力调整指令，以实现区域内节点通过邻域交互就地协商分布式电源出力分配，从而提升系统的故障自治能力。

图3 分布式光伏无功优化场景Fig.3 Scenario of reactive power optimization in distributed PV stations

为了验证通信对电力系统的影响，在OPNET中设置了2种通信环境：(1)理想状态，即忽略光伏与控制中心之间的通信延时；(2)实际状态，按实际的通信特征，仿真通信链路的固有延时与传播延时。此外，设置0.3 s时在变压器低压侧发生短路故障，0.4 s时故障清除，仿真结果如图4与表1所示。

图4 仿真结果Fig.4 Results of simulation

由图4可以看出，在故障阶段，由于通信环境2与通信环境1相比有30 ms的延时，因此主站不能及时获得电网故障状态信息，从而对光伏无功控制效果迟滞，整体故障电压比通信环境1下降了0.003 pu。在恢复阶段，同样由于通信的滞后性，控制中心误判，此时仍处于故障状态，未能及时削减无功，因此整体恢复电压比通信环境1高0.002 pu。该场景研究含有分布式电源的配电网CPS控制策略，基于CPS主站与监测终端之间的信息互动与协同控制，实现了故障快速自愈，同时也验证了信息流对电网运行的影响，体现了本文所提测试验证平台的有效性。

4 结 论

配电网CPS是在工业化与信息化高度融合下，对物理实体、信息资源、外在环境等要素进行综合优化控制、互动自治的多层复杂网络。本文主要结论如下详述。

(1)在理论研究层面，阐述了配电网CPS“可观、开放、融合、安全、自治”五大典型特征。

(2)在实验验证层面，提出了配电网CPS联合测试验证技术，从独立的软硬件仿真，逐步集成互联，发展到数模混合的系统化测试验证平台。

(3)以光伏无功优化控制场景为例验证了所提平台实时模拟配电网CPS交互特性的能力。该平台能够为配电网规划、运行与控制提供验证测试功能。

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(编辑 景贺峰)

Typical Characteristics and Joint Test Verification of Cyber Physical System in Distribution Network

CHEN Bin1，HUANG Jianye1，ZHANG Gonglin1，FAN Yuanliang1，WANG Qi2，TANG Yi2

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350007, China;2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

With the access of cyber physical resources such as multi-mode communication network and distributed generations, the characteristics of information flow and power flow in the distribution network have gone through an important shift. Therefore, there’s an urgent requirement to research on the system operation and control issues from the perspective of cyber physical integration. Firstly, this paper specifically analyzes five typical characteristics of cyber physical system(CPS) in the distribution network. Furthermore, from the perspective of complementation between digital and analog verification, this paper proposes a CPS digital-analog test verification platform of distribution network to support the theory analysis and method research of CPS field, which can hold the complete interaction process between power flow and information flow. Finally, this paper presents a case of reactive power optimization strategy in the photovoltaic (PV) station to verify the effectiveness of the proposed platform.

cyber physical system (CPS); test verification platform; digital-analog simulation

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050202)；国家自然科学基金项目(51577030)

TM 727

A

1000-7229(2017)05-0046-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.006

2017-02-20

陈彬(1982)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电网信息物理系统、配电自动化；

黄建业(1986)，男，硕士，工程师，主要研究方向为配电自动化；

张功林(1984)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为配电自动化；

范元亮(1979)，男，博士，工程师，主要研究方向为配电技术；

王琦(1989)，男，博士，讲师，主要研究方向为电网信息物理系统、电力系统稳定分析与控制；

汤奕(1977)，男，博士，副教授，主要研究方向为电力系统稳定分析与控制。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050202)；National Natural Science Foundation of China(51577030)