电网信息物理融合系统：面向未来的能源互联网

2006年，美国国家基金委员会首先提出信息物理融合系统(CPS)的概念，在随后几年内CPS成为美国政府在信息技术领域的重点研究方向和国际学术研究热点。CPS是在物理世界感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力，通过信息空间虚拟网络和物理空间实体网络的相互协调，使物理系统具有更高的灵活性、自治性、可靠性、经济性和安全性。CPS的愿景是成为一切大规模工业系统的基础，例如在德国提出的“工业4.0”战略中，将CPS作为关键基础技术，旨在实现工业生产系统及过程的智能化。未来的电力、能源、交通、制造、物流等大型基础设施和重要行业均将成为CPS。

当今的电网已经进入智能化时代。智能电网广泛使用广域传感和测量、高速信息通信网络、先进计算和柔性控制等技术，实现发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节的信息化、自动化、互动化。在智能电网中，越来越多的电力设备采用嵌入式系统结构，大量的电气设备、数据采集设备和计算设备通过电网、通信网两个实体网络互连，在一定程度上已经具备CPS的基本特征。随着电网自动化系统、大容量传输网、泛在传感网的建设，与互联网、能源网等深度融合，智能电网将持续演进形成广域协同、具有自主行为的复杂网络，从而构成电网信息物理融合系统(GCPS)。GCPS通过电网信息空间与物理空间的深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或控制电网物理设备或系统。

作为一种新的技术理念，GCPS为实现电网智能化的目标提供了新的思路和实现途径，电网信息空间与物理空间的虚实融合将成为常规的系统形态，可从以下几方面进一步提高电网运行效率与服务价值。

GCPS将显著提升电网的信息感知、集成、共享和协同能力。我国电网现正处于一个高速发展时期，电网结构和运行方式日趋复杂，系统安全稳定运行面临诸多风险因素。GCPS除了现有的调度、生产、营销等信息采集传输系统外，还可以通过智能化电力设备、工业级传感网、智能家居等，实现多物理量或数据的广泛采集和共享;突破传统专业之间的数据壁垒，使跨越时间、空间、物理环境的协同成为可能，实现对电网状态的深度认知，对数据资源的高效利用。GCPS的系统构架下，可合理、充分地综合各类信息进行快速、准确的故障诊断，从而减少电能中断时间和增强供电可靠性。此外，GCPS还将可能与其它社会网络，如交通网络，实现多种跨行业的协同控制。

GCPS将显著提升电网的自组织、自适应的能力。电网是一个复杂的信息物理基础设施，在智能电网环境下信息通信网承载的业务日益复杂繁重，已成为电网生产运行与监测控制不可分割的一部分。GCPS将通过信息与网络的融合，可支持全局优化与局部控制的协同。此外，GCPS具有自适应功能，对负荷控制、设备特性和用户偏好等信息有比较准确的把握，可实现对物理设备的局部控制和控制中心对参数的在线调整，具有自动排除各种系统故障(包括物理系统故障和信息通信系统故障)、保证系统正常运行的能力。

GCPS将使电网具备大规模分布式实时计算的能力。电网的特征是能量产生及消耗瞬间保持平衡，电网的任何关键的动态变化都对电网的可靠性和控制的实时性提出相当高的要求。GCPS将综合物理电网的连续模型与计算机的离散模型，突破传统集中式计算平台的约束，通过物理设备中嵌入的计算部件与中央监控系统的信息融合以及计算进程与物理进程的交互，使电网具备大规模分布式实时计算的能力，为解决大规模分布式设备的实时协调优化问题提供了新途径。

GCPS将增强电网抵御安全威胁和风险的能力。GCPS将兼顾信息空间安全和物理实体安全，创新分析信息物理交互影响的耦合性风险，极大提高电网的安全性。电网和信息通信网构成了双层复杂网络，GCPS将通过对网络理论、故障传播模型、分析方法以及可信计算、安全芯片技术的研究，建立不同防护手段的相互协调机制，发展与物理网络相适应的信息通信网络规划与运行方法，实现信息空间和物理空间的协同安全保障。

未来电网是广域范围内的能量传输平台和市场互动平台，是一次能源及终端用户之间的枢纽和桥梁。未来的能源互联网，将是以电网信息物理融合系统为基础，以可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络、储能装置等其它系统紧密耦合形成的复杂多网流系统，统筹协调各种能源的互补关系，形成能源、电力、信息综合服务体系。

北极星智能电网在线官方微信