電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)耦合建模研究

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摘要：隨著電網(wǎng)智能化程度不斷加深，電網(wǎng)信息物理耦合建模技術(shù)扮演著越來越重要的角色，使得電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制更易實現(xiàn)。闡述電網(wǎng)信息物理耦合建模技術(shù)，并對電網(wǎng)信息物理耦合建模技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)；耦合建模；智能電網(wǎng)

引言

為研究電網(wǎng)運行狀態(tài)，將實際運行中的電網(wǎng)看成由信息系統(tǒng)、跨空間聯(lián)動接口和電網(wǎng)物理系統(tǒng)組成的多維異構(gòu)復(fù)雜耦合系統(tǒng)，跨空間聯(lián)動接口將電網(wǎng)物理系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息傳遞給信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)在對當(dāng)前采集到的電網(wǎng)物理系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，觸發(fā)控制命令，用來改變電網(wǎng)物理系統(tǒng)的運行狀態(tài)，這便是完整的電網(wǎng)信息物理耦合（電網(wǎng)CPS）過程。電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystem，CPS）建模關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示，本文按照順序，分別闡述現(xiàn)有研究人員所使用的方法及優(yōu)缺點。

1電網(wǎng)CPS建模

目前電網(wǎng)CPS建模方法主要分為基于信息作為輸入變量考慮到電網(wǎng)物理過程中建模的方法和基于信息物理交互進(jìn)行建模的方法?；谛畔⒆鳛檩斎胱兞靠紤]到電網(wǎng)物理過程中建模的方法，側(cè)重于將離散信息考慮到傳統(tǒng)的連續(xù)電網(wǎng)物理模型中。該方法用若干參數(shù)表示與電網(wǎng)CPS狀態(tài)有密切關(guān)聯(lián)的離散信息，并將參數(shù)或參數(shù)的組合作為輸入變量考慮到連續(xù)電力過程中進(jìn)行建模的一類方法。該類方法的優(yōu)點是重要離散信息被表示成低維量，缺點是獨特的建模方法可能沒能包含所有相關(guān)的電網(wǎng)CPS信息?；谛畔⑽锢斫换ミM(jìn)行建模的方法，是直接從信息物理耦合路徑、性能方面進(jìn)行建模并定量分析的方法。這類方法的優(yōu)點在于揭示了電網(wǎng)CPS運行方式及運行狀態(tài)的演化過程，在某種程度上揭示了信息系統(tǒng)與電網(wǎng)物理系統(tǒng)間動態(tài)交互的數(shù)學(xué)本質(zhì)。

1.1基于信息作為輸入變量加入電網(wǎng)物理過程中建模方法

美國德州A&M大學(xué)的ILICMD等人提出一種將離散信息作為輸入變量加入電網(wǎng)信息物理耦合系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)特性、傳感器和執(zhí)行器中表征電網(wǎng)信息物理交互動態(tài)框架的建模方法[1]。而文獻(xiàn)[2]在基于集群理論劃分電網(wǎng)CPS集群的基礎(chǔ)上，提出一種雙層多電網(wǎng)CPS框架建模方法，實現(xiàn)較少離散信息對電網(wǎng)連續(xù)物理系統(tǒng)的分布式控制功能。這些方法是將離散信息加入電網(wǎng)連續(xù)物理系統(tǒng)模型中實現(xiàn)對電網(wǎng)CPS運行性能的控制，減少了離散信息數(shù)據(jù)，提高了計算精度和速度，改善了電網(wǎng)CPS的運行性能。清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室的郭慶來等人提出了電網(wǎng)信息-能量流混成計算模型[3]，在引入節(jié)-支關(guān)聯(lián)矩陣的基礎(chǔ)上，反映N-1信息故障類型，通過對比分析信息故障對電網(wǎng)CPS運行性能的影響來評估電網(wǎng)CPS脆弱性，針對性提高信息系統(tǒng)的冗余度和可靠性來增強電網(wǎng)CPS的韌性。

1.2基于信息物理耦合特性建模方法

上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室完整的描述了現(xiàn)實場景下信息系統(tǒng)與電網(wǎng)物理系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，通過深入分析電網(wǎng)CPS模型的構(gòu)成和形式的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了柔性負(fù)荷和電源、電網(wǎng)及負(fù)荷協(xié)調(diào)控制混合模型的優(yōu)化控制[4]。國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院的薛禹勝院士等人深入分析實際電網(wǎng)CPS架構(gòu)和特征，將其劃分為信息處理層、二次設(shè)備層、通信層和電網(wǎng)物理層，采用關(guān)聯(lián)特性矩陣定量描述各層之間耦合關(guān)系建立電網(wǎng)CPS模型[5]。而同濟大學(xué)的劉漢宇等人將先進(jìn)的電網(wǎng)CPS技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)建設(shè)方面，將微電網(wǎng)CPS分成六層控制體系框架模型，并對各層的功能及作用進(jìn)行了詳細(xì)闡述[6]?；谛畔⑾到y(tǒng)與電網(wǎng)物理系統(tǒng)間連接方式、連接狀態(tài)復(fù)雜且多變，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司的高昆侖等人在深入分析電網(wǎng)CPS的信息系統(tǒng)與電網(wǎng)物理系統(tǒng)間的交互特性的基礎(chǔ)上，提出電網(wǎng)CPS運行模型，如圖2所示，直觀地揭示了信息系統(tǒng)與電網(wǎng)物理系統(tǒng)間動態(tài)交互的本質(zhì)特征[7]。

2電網(wǎng)信息物理耦合建模應(yīng)用

2.1構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)

電網(wǎng)CPS技術(shù)可以應(yīng)用于構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)方面，通過電網(wǎng)CPS技術(shù)把分散的能源設(shè)備連接起來，形成互聯(lián)互通的能源互聯(lián)網(wǎng)[8]。電網(wǎng)CPS關(guān)鍵技術(shù)能實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部電網(wǎng)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間深度耦合，提高能源互聯(lián)網(wǎng)的運行效率，降低電能損耗[9-11]。

2.2保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行

隨著信息系統(tǒng)和電網(wǎng)物理系統(tǒng)間的耦合程度不斷加深，自然而然帶來網(wǎng)絡(luò)安全問題。電網(wǎng)CPS技術(shù)可以應(yīng)用于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行方面，2015年烏克蘭網(wǎng)絡(luò)攻擊事件，造成大面積停電后果[12,13]。信息系統(tǒng)的安全檢測和防護(hù)可以有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊對電網(wǎng)CPS的影響[14-16]，檢測目的在于發(fā)現(xiàn)攻擊行為，防護(hù)目的在于降低危害后果，兩者協(xié)同配合增強電網(wǎng)CPS韌性。通過對電網(wǎng)CPS進(jìn)行研究，深度了解實際電網(wǎng)架構(gòu)，有針對性的增強電網(wǎng)CPS網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)水平，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2.3主動配電網(wǎng)應(yīng)用

新能源發(fā)電不斷增多，使得配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，無源配電網(wǎng)正逐步向具有自主管理和閉環(huán)決策控制功能的主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級，配電網(wǎng)將由單一電能分配的角色轉(zhuǎn)型升級為集電能輸送、電能匯聚、電能分配及電能儲存為一體的綜合復(fù)雜配電系統(tǒng)，這使得配電網(wǎng)運行方式更加復(fù)雜多變，而電網(wǎng)CPS技術(shù)可以很好地改善主動配電網(wǎng)的運行與閉環(huán)決策控制效果[17]。

2.4電網(wǎng)CPS態(tài)勢感知

電網(wǎng)CPS態(tài)勢感知是保障電網(wǎng)能量系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)主動安全防護(hù)的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的單一方面電網(wǎng)物理系統(tǒng)態(tài)勢感知因未考慮與信息系統(tǒng)間交互影響，故而不能對電網(wǎng)CPS的整體態(tài)勢進(jìn)行感知。電網(wǎng)CPS被視為下一代智能電網(wǎng)的發(fā)展方向，電網(wǎng)CPS態(tài)勢感知能綜合分析信息系統(tǒng)和電網(wǎng)物理系統(tǒng)的風(fēng)險因數(shù)及兩系統(tǒng)間的交互影響，為電網(wǎng)CPS安全穩(wěn)定運行提供有效決策支撐[18-27]。

3結(jié)語

研究電網(wǎng)CPS建模技術(shù)的困難在于信息系統(tǒng)和電網(wǎng)物理系統(tǒng)間復(fù)雜耦合關(guān)系，單純利用信息系統(tǒng)來改善電網(wǎng)物理系統(tǒng)性能很難。如果沒有其他相關(guān)技術(shù)作為支撐，要研究清楚其中蘊含的機理是難以實現(xiàn)的。這些相關(guān)技術(shù)，需要很多，例如：感控、計算機、通信、邏輯學(xué)等多個領(lǐng)域，信息系統(tǒng)與電網(wǎng)物理系統(tǒng)的相互作用隨時間和具體情況的變化而變化，利用多領(lǐng)域模型捕捉這種變化對電網(wǎng)信息物理耦合建模研究至關(guān)重要。隨著感控技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信：電網(wǎng)CPS建模技術(shù)一定能被人類完全掌握，并用以協(xié)助電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

作者：何忠文 單位：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局