基于信息物理社会系统的数字电网技术架构

张 斌，冯广宇，郭志诚，朱璧君，沈钱锋

(1.南方电网数字电网研究院有限公司，广东 广州 510700；2.电力规划设计总院，北京 100120；3.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

2007年，美国学者提出信息物理系统(cyber-physical systems，CPS)，其研究重点是以信息技术在物理系统中的广泛应用促成物理系统的高度信息化。然而，CPS的相关研究主要关注其工程复杂性要素，在复杂系统中，人常作为其设计者、建造者、最终使用者和运营管理者，以人因为代表的社会复杂性要素在系统各个部分都不容忽视。为了实现复杂系统安全、可靠和高效等目标，工程复杂性要素和社会复杂性要素需要综合研究，并向全要素综合集成和深度智慧方向不断进化，逐步形成多维度融合的信息物理社会系统(cyber-physical-socialsystem，CPSS)。CPSS通过传感器网络完成信息系统和物理系统的连接，并通过社会传感器网络连接信息系统和社会系统。

社会物理信息系统[1]，是通过传感器网络完成信息系统和物理系统的连接，并且通过社会传感器网络连接了社会系统和信息系统[2]。2017年，薛禹胜院士将该理论引入能源系统[3]。电力系统从产生之初便是信息物理社会系统，本质上是以物理电力系统为基础，以社会公共服务为导向，以信息技术为主要手段构建高度融合的信息物理社会电力系统CPSS的过程。CPSS包含了社会系统(social system)、信息系统(cyber system)、物理系统(physical system)三个子系统，以信息系统促进电网与社会系统之间建立更深入、广泛的联系，电力数据与社会数据高度融合互动，构成具备特大规模数字化服务能力的融合型社会公共基础设施，服务新型电力系统构建战略和双碳目标[4]。

本文基于信息物理社会系统理论从物理、社会、信息三个维度构建了数字电网技术体系，展开研究了各个维度的系统技术体系，并基于研究成果展望了数字电网未来的研究方向。

1 数字电网的技术框架

本文对数字电网标准体系按照系统性、继承性、协同性、开放性的原则进行构建。依据电力信息物理社会系统架构所包含的基本面，将数字电网现有技术体系按照CPSS架构分别从分为物理层、信息层、社会层3个层面展开。图1中的三维立体结构表现了数字电网的信息物理社会系统技术架构，三个子系统在数字电网各领域各环节相互融合相互促进。物理系统即为物理电网的现实世界，以发、输、变、配、用、全生命周期为主线，实现能量的传输与配送，物理系统数字化是通过物理系统的传感器实现全域设备数字信息的全覆盖，实现数字电网实时可观可测可控；社会系统分为规划设计、工程建设、调度运行、运行检修、市场营销、人财物管理等方面，并向社会层面延伸至电网企业、政府、能源价值链上下游等相关方的跨界协作，社会系统数字化是通过电网内外业务活动的数字信息全面采集，实现信息流价值流的双向流通。数字电网架构下，物理系统和社会系统之间将建立更紧密、更广泛的联系，支撑物理系统、业务系统数字化信息的交叉融合。数字电网一方面以电网设备重资产作为生产要素，通过传输能量流实现对经济社会高质量发展的支撑；另一方面将电力数据轻资产作为生产要素，通过数据分析挖掘实现用户个性化服务、支撑政府决策，繁荣电力数字经济与生态。信息系统贯穿感知层、网络层、数据层、平台层、应用层5个方面，是连接物理系统和社会系统的重要网络媒介，以先进数字技术提升信息分析处理效率与质量，赋能物理系统智能化重构，促进电网安全、可靠、绿色、高效运行；赋能业务系统创新重塑，提升电网企业生产、经营、管理效率与质量。同时，能量流、价值流的发展也会带动信息流的快速流动，支撑信息技术进一步发展。

图1 数字电网总体技术架构

2 物理系统

物理系统主要由电力设备构成，设备分为一次设备和二次设备，一次设备是直接用于生产、输送和分配电能的电气设备，二次设备是对电网一次设备进行监察、测量、控制、保护、调节以及为运维人员提供运行工况或生产指挥信息所需的低压辅助性电气设备。

2.1 一次设备

一次设备涵盖发电、输电、变电、配电、用电各个环节，覆盖全部电压等级。一次设备的具体设备细分见表1所列。

表1 一次设备包含内容

2.2 二次设备

二次设备从功能角度分为继电保护设备、调节控制设备、通信设备、监测设备。继电保护设备负责检测、报警、隔离电网中的故障异常情况。调节控制设备通过对电气一次设备状态和电气量的控制和调节，使一次设备能够按照需要运行并保持安全稳定。通信设备用于满足电网运行、维修和管理的信息传输需求。监测设备用于测量各种电、磁、光参量或产生测试信号。细分情况见表2所列。

表2 二次设备包含内容

3 信息系统

电力信息物理社会系统中，信息系统是连接社会空间与物理空间之间的关键纽带。面向物理电网数字化和电网数字孪生构建两方面目标，数字电网信息系统主要包括技术架构、数据架构、安全架构三个维度。

3.1 技术架构

信息系统技术架构分为感知层、网络层、数据层、平台层、应用层，如图2所示。

图2 信息系统技术架构

1)感知层

感知层是针对不同的应用场景和感知需求，数字电网统筹感知体系的建设。通过各类智能终端感知设备，实现对环境参数与关键设备数据的实时采集，建立电力生产消费全链条的全息感知体系。感知层承担数据采集、设备识别以及信息传输等任务，具有就地分析、就地处理能力，对于浅显的运行表象实现自我管理，将实施优化结果、自我组织形式进行上传交互，是实现电网全面感知的核心能力，架构图如图3所示。

图3 感知层架构

2)网络层

网络层是感知层的上一级，是电网数据安全、可靠、双向传输的通道，包括有线网络、无线公网、无线专网、卫星网等，作为数字电网的关键基础设施。网络层通过构建泛在高速、天地一体的电力泛在通信网，实现多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚，拓宽了现有电力通信网络带宽，提升网络覆盖深度，打造融合物联网的一体化信息网络。网路层架构如图4所示。

图4 网络层架构

3)数据层

数据层数据层位于网络层的上一级，包含内部和外部数据，内部系统又分为管理信息系统数据和自动化数据系统。数据层通过数据中台构建物理电网全要素、全流程、全业务数字化的载体，并可对集成数据和融合数据进行进一步的提炼和挖掘，挖掘出电力系统的特征，逐步构建出数字电网的知识图谱。数据层架构如图5所示。

图5 数据层架构

4)平台层

平台层是向前端应用提供公共基础资源、通用技术能力和业务共享能力的部分，分为IaaS子层、DaaS子层、PaaS子层。平台层包含信息空间内与电力装备物理实体相互映射的数字孪生体的集合，具有具有学习、推理、归纳、挖掘和记忆等类脑功能的电力中枢，形成具有概念识别、知识计算、属性预测和运动执行的智能支撑能力，最终实现对电力装备进行全数字化管理的终极目标。平台层架构如图6所示。

图6 平台层架构

5)应用层

应用层是在完成现实世界电力物理系统的映射后，通过将平台层的服务进行组装，可向终端用户提供应用功能。根据业务领域类型，将应用层分为数字电网、数字企业、数字服务、产业数字化四部分。

数字电网应用先进技术打通源网荷储各环节，全面提升物理电网的智能化水平，提升发输变配用各环节专业运行、生产运行、现场作业的数字化、智能化水平。数字运营以企业资源集约化管理为核心，推进投资计划、财务管理、人力资源等数字化，数财、物等企业资源优化配置。数字服务与产业数字化基于业务中台整合相关资源，强化营销管理，创新业务和商业模式。

3.2 数据架构

在社会物理信息系统中数据占据主体地位。在数据架构中，数据中心通过全域数据统一汇聚、模型统一设计、海量数据统一存储、大数据分析计算组件统一支撑，促进数据无缝融合和业务共享共用。数据系统架构如图7所示。

图7 数据系统架构

根据信息系统的逻辑顺序，从数据的角度出发，具体可将数据架构分为：数据采集层、数据传输层、数据存储层、数据计算层、数据分析层、数据服务层等。

采集层对数据进行同步复制并进行数据传输服务。传输层通过有线或无线的方式，实现各类数据的汇集与传送。存储层包含HTAP存储引擎、湖仓一体异构数据融合存储、图数据库等类别，满足异构、海量、多类型数据存储要求。计算层包括图计算、数据可信计算、混合事务分析处理、流批数据融合计算和HTAP融合计算等内容，支持实时计算、批量计算等不同的业务场景算力要求。数据分析层通过合理的分析算法进行大数据关联分析和数据挖掘进而得到结果的过程。数据服务层通过服务编排支撑业务侧业务数据存取、详单查询、实时数据分析计算、批量数据分析计算、全文检索和数据挖掘等典型应用场景。

3.3 安全架构

数字电网下的电力系统在技术升级的同时也面临安全风险的增加。新型电力系统不仅有内部数据的互动，还有与外部数据的交流，因此数字电网的开放性、互动性大幅提升，信息安全与物理安全深度关联并相互依存。

首先，信息安全是数字电网中的基础性安全问题，为保证数字电网信息通信网络不受外部干扰与攻击、保密性强。通过增强电网业务通道安全加密、业务流量安全监控和控制，实现与接入认证、通道加密、分流管控等环节的有效协同，最终可实现信息通信网络对电网业务的可信服务与可靠保障。

其次是物理安全方面，一旦信息通信环节出现问题，更要确保物理系统的安全稳定运行，避免由于信息通信环节遭受攻击而带来的全系统运行风险。这需要加强对全域纵深的网络安全防御体系构建，有效抵御由数字空间中发起的各类针对电网安全的攻击行为。数字电网的安全架构如图8所示。

4 社会系统

数字电网广泛链接人-机-系统，社会层主要涵盖电力企业的生产经营活动全过程，包括电网规划、工程建设、调度运行、设备检修、市场营销、人财物管理等。通过物理系统、信息系统与社会系统的深度融合，在以下六个方面持续产生外溢性正向外部性效果。数字电网社会系统架构图如图9所示。

图9 数字电网业务系统架构

数字电网可有效提升电网规划的智能化水平，促进电网投资效益提升。电网规划包含电源规划、负荷预测、电力电量平衡、选址选线、电气计算、规划评估等过程。可通过将电网、气象、经济、能源、城市规划等数据接入数据中心，运用大数据分析、人工智能算法进行全网负荷分析与预测，进而对供电区域优化；使用以具备边缘计算能力的无人机可实现选址选线优化；实现电气计算自动化、电网可靠性、经济型、适应性自动评估以及电网风险分析等。新一代数字技术应用于电网基建综合实用场景，将大大有效提升电网基建的效率和质量。

5 结语

数字电网以数据流带动技术流、能源流、资金流、人才流、物资流，实现技术和产品、生产体系、业务模式、发展理念等全方位融合，表征为实体经济与数字经济的深度融合。数字电网将促进电网的物理系统深化发展、信息系统强化发展、业务系统优化发展、与社会融合发展。

物理系统深化发展一方面表现在数字技术覆盖全网全环节，实现发输变配用各环节应用场景的信息化、智能化和交互性；另一方面以新一代数字技术构建的新型信息系统将于物理电网深度融合，形成以电力系统为基础的新型数字基础设施，具备全域物联感知能力、高速稳定的网络通信能力、安全可靠的大数据存储能力、智能高效的计算分析能力和实时准确的调控能力。

信息系统优化发展一方面表现在硬件算力的发展提速，云计算技术推动了算力向服务化发展，促进算力成为信息时代新的生产力，是支撑数字经济发展的坚实基础；异构算力迎来繁荣期，推动算力向普惠化发展；物联网繁荣催生边缘应用场景激增，推动算力向泛在化发展；云原生解决了异构计算资源的兼容性问题，推动算力向标准化发展。另一方面软件架构的技术亟须创新，算力节点、存储和网络共同构成了经典冯诺依曼式的计算架构，网络传输速率和存储墙成为了影响算力的最终性能的瓶颈，催生取代经典冯氏架构的技术创新。

社会系统融合发展体现数字电网作为新型电力系统的最佳载体，将集中释放数字经济新动能，深度融合智慧城市、智慧乡村发展，促进能源互联网深度互联，支撑现代能源生态系统构建。