電網信息物理系統耦合建模研究

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摘要：隨著電網智能化程度不斷加深，電網信息物理耦合建模技術扮演著越來越重要的角色，使得電力系統遠程監測和控制更易實現。闡述電網信息物理耦合建模技術，并對電網信息物理耦合建模技術的應用領域進行了總結。

關鍵詞：電網信息物理系統；耦合建模；智能電網

引言

為研究電網運行狀態，將實際運行中的電網看成由信息系統、跨空間聯動接口和電網物理系統組成的多維異構復雜耦合系統，跨空間聯動接口將電網物理系統的運行狀態信息傳遞給信息系統，信息系統在對當前采集到的電網物理系統的狀態進行綜合分析的基礎上，觸發控制命令，用來改變電網物理系統的運行狀態，這便是完整的電網信息物理耦合（電網CPS）過程。電網信息物理系統（CyberPhysicalSystem，CPS）建模關鍵技術如圖1所示，本文按照順序，分別闡述現有研究人員所使用的方法及優缺點。

1電網CPS建模

目前電網CPS建模方法主要分為基于信息作為輸入變量考慮到電網物理過程中建模的方法和基于信息物理交互進行建模的方法。基于信息作為輸入變量考慮到電網物理過程中建模的方法，側重于將離散信息考慮到傳統的連續電網物理模型中。該方法用若干參數表示與電網CPS狀態有密切關聯的離散信息，并將參數或參數的組合作為輸入變量考慮到連續電力過程中進行建模的一類方法。該類方法的優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的電網CPS信息。基于信息物理交互進行建模的方法，是直接從信息物理耦合路徑、性能方面進行建模并定量分析的方法。這類方法的優點在于揭示了電網CPS運行方式及運行狀態的演化過程，在某種程度上揭示了信息系統與電網物理系統間動態交互的數學本質。

1.1基于信息作為輸入變量加入電網物理過程中建模方法

美國德州A&M大學的ILICMD等人提出一種將離散信息作為輸入變量加入電網信息物理耦合系統內部動態特性、傳感器和執行器中表征電網信息物理交互動態框架的建模方法[1]。而文獻[2]在基于集群理論劃分電網CPS集群的基礎上，提出一種雙層多電網CPS框架建模方法，實現較少離散信息對電網連續物理系統的分布式控制功能。這些方法是將離散信息加入電網連續物理系統模型中實現對電網CPS運行性能的控制，減少了離散信息數據，提高了計算精度和速度，改善了電網CPS的運行性能。清華大學電機系電力系統國家重點實驗室的郭慶來等人提出了電網信息-能量流混成計算模型[3]，在引入節-支關聯矩陣的基礎上，反映N-1信息故障類型，通過對比分析信息故障對電網CPS運行性能的影響來評估電網CPS脆弱性，針對性提高信息系統的冗余度和可靠性來增強電網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實場景下信息系統與電網物理系統間的耦合關系，通過深入分析電網CPS模型的構成和形式的基礎上，實現了柔性負荷和電源、電網及負荷協調控制混合模型的優化控制[4]。國家電網電力科學研究院的薛禹勝院士等人深入分析實際電網CPS架構和特征，將其劃分為信息處理層、二次設備層、通信層和電網物理層，采用關聯特性矩陣定量描述各層之間耦合關系建立電網CPS模型[5]。而同濟大學的劉漢宇等人將先進的電網CPS技術應用于微電網建設方面，將微電網CPS分成六層控制體系框架模型，并對各層的功能及作用進行了詳細闡述[6]。基于信息系統與電網物理系統間連接方式、連接狀態復雜且多變，全球能源互聯網研究院有限公司的高昆侖等人在深入分析電網CPS的信息系統與電網物理系統間的交互特性的基礎上，提出電網CPS運行模型，如圖2所示，直觀地揭示了信息系統與電網物理系統間動態交互的本質特征[7]。

2電網信息物理耦合建模應用

2.1構建能源互聯網

電網CPS技術可以應用于構建能源互聯網方面，通過電網CPS技術把分散的能源設備連接起來，形成互聯互通的能源互聯網[8]。電網CPS關鍵技術能實現能源互聯網內部電網物理系統和信息系統之間深度耦合，提高能源互聯網的運行效率，降低電能損耗[9-11]。

2.2保障電網安全穩定運行

隨著信息系統和電網物理系統間的耦合程度不斷加深，自然而然帶來網絡安全問題。電網CPS技術可以應用于保障電網安全穩定運行方面，2015年烏克蘭網絡攻擊事件，造成大面積停電后果[12,13]。信息系統的安全檢測和防護可以有效應對網絡攻擊對電網CPS的影響[14-16]，檢測目的在于發現攻擊行為，防護目的在于降低危害后果，兩者協同配合增強電網CPS韌性。通過對電網CPS進行研究，深度了解實際電網架構，有針對性的增強電網CPS網絡安全防護水平，確保電網安全穩定運行。

2.3主動配電網應用

新能源發電不斷增多，使得配電網結構日益復雜，無源配電網正逐步向具有自主管理和閉環決策控制功能的主動配電網轉型升級，配電網將由單一電能分配的角色轉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雜配電系統，這使得配電網運行方式更加復雜多變，而電網CPS技術可以很好地改善主動配電網的運行與閉環決策控制效果[17]。

2.4電網CPS態勢感知

電網CPS態勢感知是保障電網能量系統安全穩定運行和網絡信息系統主動安全防護的重要基礎。傳統的單一方面電網物理系統態勢感知因未考慮與信息系統間交互影響，故而不能對電網CPS的整體態勢進行感知。電網CPS被視為下一代智能電網的發展方向，電網CPS態勢感知能綜合分析信息系統和電網物理系統的風險因數及兩系統間的交互影響，為電網CPS安全穩定運行提供有效決策支撐[18-27]。

3結語

研究電網CPS建模技術的困難在于信息系統和電網物理系統間復雜耦合關系，單純利用信息系統來改善電網物理系統性能很難。如果沒有其他相關技術作為支撐，要研究清楚其中蘊含的機理是難以實現的。這些相關技術，需要很多，例如：感控、計算機、通信、邏輯學等多個領域，信息系統與電網物理系統的相互作用隨時間和具體情況的變化而變化，利用多領域模型捕捉這種變化對電網信息物理耦合建模研究至關重要。隨著感控技術、計算機技術和通信技術的不斷發展，我們有理由相信：電網CPS建模技術一定能被人類完全掌握，并用以協助電網安全穩定運行。

作者：何忠文 單位：廣西電網有限責任公司桂林供電局