面向未来智能配用电的信息物理系统：技术、展望与挑战
摘要基于电力信息通信发展现状，探讨信息物理系统等未来智能配用电的关键新技术。首先介绍了当前配用电环节中“云大物移”等技术的发展趋势，接着介绍了在未来智能配用电中可能起到重要作用的信息物理系统，总结了当前研究热点问题和发展动态，并阐述了潜在的前沿问题。基于此，对未来智能配用电中的一些新型信息物理系统应用进行了展望，并对其在实际实施中的挑战进行了讨论，期望能够为相关研究提供参考。
0引言
随着新能源革命的兴起，全世界能源和电力的发展都面临空前的应对和转型挑战，新一代电力系统具有广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控等特征，将成为未来电网发展的趋势和方向。与传统电网相比，新一代电力系统将成为大规模新能源的输送和分配网络；智能配用电与分布式能源（distributedenergyresource，DER）、储能装置、柔性负荷等有机融合，促进多能互补优化利用；以集成芯片、信息网络、人工智能等为代表的信息通信技术快速演进，与电网深度融合形成能源、电力、信息综合服务体系。
配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，对实现智能电网和能源互联网战略目标起着关键作用。随着配电自动化、用电信息采集等应用系统的推广应用，对于有千条馈线的大规模配电网，会产生指数级增长的异构多态的数据，未来配电网的管控将依托于大量信息的高效采集和综合利用，统一模型云与应用服务系统大幅提高信息交互共享的效率。快速发展的智能传感器网络不仅能安全高效协调分布式能源（distributedenergyresource，DER）和柔性负荷，而且是物理电网与信息网络高度融合的现代配电系统的基础，随着数据获取和利用方式的日益成熟，加上IPv6、大数据、云计算等先进技术的逐步广泛利用，有效提升配电系统的智能化水平。
目前，正在开展“营配贯通”工作，以全面实现配电和用电智能化管理，对配用电系统产生的大数据进行分析，有着巨大的应用价值。基于“云大物移”等先进信息技术，通过智能营业厅、智能小区、智能楼宇、电动汽车充电运营、大数据综合能源服务云平台等建设，以“互联网+智慧能源”模式促使城市管理与公共服务更加高效友好。同时，随着分布式可再生能源的兴起、源用混合的能源基础设施逐渐形成，信息通信网络虚拟化与软件定义方法可以更好地满足能源互联网需求。
近年来，随着信息通信的快速发展，涌现出一批“云大物移”新技术、新应用，并与智能配用电深度融合。在实现机理上，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互，以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制区域能源网，安全、高效、协调DER和柔性负荷，逐步形成电网信息物理系统（cyberphysicssystem，CPS），具有重要的研究和应用前景。本文旨在对未来智能配用电中的CPS应用做一个前瞻性的探讨，以期对未来智能配用电的优化运行提供建设性的参考。需要指出的是，未来智能配用电中可能实现的CPS新应用，不仅仅局限于本文中所列出的案例。
1电网信息物理系统研究进展
1.1电网CPS主要特征
电网是规模最大也是最复杂的互联系统之一，是典型的信息物理融合系统研究对象。其中物理电网主要包括发电机、变压器、输电线路、断路器等设备，信息网包括了多个虚拟网络，用于实现电网设备的实时感知、传输、控制等功能，电网CPS的耦合关系见图1。
图1电网CPS的信息物理耦合关系
虽然世界各国电网的实际情况不同，智能配用电的研发方向也不完全一样，但总的发展趋势是一致的，都是实现配用电系统的集成，提高配电网的运行管理水平，推动用户参与电网运行管理。因此，电网CPS旨在充分反映电网运行的信息过程与物理过程，体现信息物理耦合机理和风险传播机制，以期通过更精准的控制方式支持系统全局优化，提高能源、设备利用率，保障电网的可靠、安全、稳定运行。
文献［15］将电网CPS主要特征归纳为：①物理电网与信息网络融合，功能方面高度协调，在机理方面降低两系统的异构特征，具有统一的形式化描述方法；②电网作为连续过程与离散状态并存、时间与事件共同作用的物理系统，从建模、分析、控制等方面都要体现连续与离散的内在联系；③全景信息采集与灵活应用。文献［16］阐述了配电网信息物理系统的典型特征，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。
1.2电网CPS参考模型
当前，国内外在CPS技术领域的建模、控制、工程应用等方面已开展研究。但是，在技术层面，由于电网与信息网络基于不同的物理实体，电力能量在存储、传输过程中都存在消耗，而信息则具有可复制分享、可存储的特点，在融合过程中必定存在机制上的不兼容。例如，配电网必须时刻保证能量供需平衡，而信息网则无此约束。因此，发展电力信息物理系统的统一模型是CPS要解决的最关键也是最急迫的任务之一。
文献［17］参照计算机互联网中开放系统互联参考模型（opensysteminterconnect/referencemodel，OSI/RM）的成功经验，提出采用层次化结构的CPS参考模型，分为5层，每层按功能分别实现，同层实体间受该层规约的约束并利用下一层提供的服务交换数据并控制电流的传输和电能参数调节。文献［15］给出了基于CPS的电力系统技术体系，涵盖建模、分析、控制、验证等多个方面。文献［18］提出一种基于信息物理融合的能源互联网模型，考虑能源互联网中CPS的时空异构性以及量测数据同步问题，并结合多智能体优化方法对模型进行验证。
2智能配用电的信息物理系统关键技术
结合当前研究现状和配用电实际情况，作者认为，CPS在理念上不应仅仅视为一种理论模型或技术体系，而应理解为支撑智能配用电的基础网络，而“云大物移”等现代通信技术是CPS和主动配电网、能源互联网等新理念的基础与关键技术（见图2），应予以高度重视。以下将选取对应的支撑技术进行概述。
图2电力CPS的支撑技术
2.1融合建模与综合安全评估
电网运行已经发展出完善的安全分析体系，基本思路是首先对物理电力系统进行建模，在此基础上研究在预想故障集下评估电力系统的各项安全指标。类似地，为量化分析电力系统信息故障的影响，就必须先对进行统一的电网信息/物理耦合建模，进而在模型基础上对信息故障进行量化的分析和评估。
文献［19］提出一种CPS融合建模构想，该方法将CPS抽象为有向拓扑图模型，将物理电网和信息网络中的状态量统一抽象为“数据节点”，将信息处理、信息传输等环节抽象为“信息支路”。在此基础上，通过矩阵运算方式实现信息—能量流的快速量化计算，并给出了灵敏度分析与信息物理耦合安全评估的方法。文献［20］提出了基于混合系统的电网CPS建模方法及其控制方案，并针对配用电环节建立柔性负荷和源储协调控制的混合系统模型，通过控制柔性负荷缓解由于DER接入等因素造成的影响，使负荷侧在保障用户需求的前提下，获得经济优化。同时，信息空间中的风险有可能传递到物理空间中并导致电力设备故障，信息安全风险在电力CPS中的传播机制非常重要。
2.2基于物联网的高效感知
全景信息采集与灵活应用是电网CPS的特征之一。基于物联网技术，建立与信息流特点相匹配的数据采集和控制网络，适配多种通信协议，满足测控装置“即插即用”需求，能准确传递、识别信息流，并能基于协调控制、优化分析等需求和资源占用情况，优化信息路由。
配用电中的CPS往往采用无线传感网，具备低功耗、低成本、低通信速率等特征，且资源与功能高度受限。为基于信息物理模型优化感知效率，目前开展了大量研究。文献［23］在智能用电网络的数据采集和通信的需求分析基础上，结合信息物理系统理论，提出了基于时间驱动和事件驱动的多智能体数据采集和通信机制，验证其适合低功耗、低成本、低速率、资源受限的嵌入式物联网通信环境，该机制可对用电设备进行毫秒级（100ms）追踪。压缩感知理论是信号采样与处理领域的热点和前沿，利用物理信号的稀疏性减少对传感器硬件要求，而且大大减轻数据存储、传输和分析处理的压力。文献［24］综述了稀疏表示、非相关观测和非线性优化重构等方法在电能质量领域的应用。
2.3利用移动互联网的实时互动通信
信息通信技术增强了配电网的全局状态感知能力，DER的出力情况、柔性负荷的特征、电动汽车的空间分布等状态数据均需要信息通信网络支撑。随着配电网对运行控制快速性、实时性的要求越来越高，信息的时效性特征愈发明显。对此，一方面要借助经济简单可靠的终端满足广域量测需求，另一方面要依靠大容量光纤通信、宽带无线接入、M2M（machinetomachine）通信等移动互联网技术，为深入到用户侧的数据采集终端提供泛在灵活接入。
移动互联网具有易部署、低成本等优点，国内已经开展电力无线专网建设。中国电力工业通信规范将配电自动化的通信数据分为遥信、遥控、遥测3类，并对遥信、遥控数据提出明确的实时性和可靠性指标，对遥测数据提出可靠性指标。在实际应用过程中，配用电环境复杂多样致使无线信道易中断，重传率高。针对该问题，目前开展了传输层协议及通道保障机制，网络链路质量评估预测方法等研究，保障配用电业务的实时性。
2.4基于云计算/大数据的新型应用
就我国目前的发展状况，配用电系统的数据主要来自AMI、PMS、OMS、电能质量监测、GIS、95598客服系统等。在大数据的理论和方法指导下，不仅上述电力系统数据的价值会被大力挖掘，也会提高对外部数据的利用。在智能配用电中，运行状态评估与预警、用户用电行为分析、能量优化调度等众多应用场景都需要大数据的支持。
文献［28］介绍了未来主动配电网（activedistributionnetwork，ADN）中的新型数据驱动应用，包括云计算与智能电网的双向渗透应用、基于终端负荷辨识技术的数据驱动需求侧管理、基于区块链的配网分布式能源交易系统、基于同态加密的主动配电网安全协作应用、基于众包/众筹的主动配电网运营模式等。文献［29］分析了用户侧大数据的特点，提出了一种大数据分析平台，并在此平台上开发了基于Hadoop的电力用户侧大数据并行负荷预测原型系统。
2.5基于信息物理融合模型的优化控制
以物理电网及信息网络、能量管理系统作为物质基础，融合模型与分析控制理论作为方法支撑，充分利用大数据分析、分布式智能、全局优化等技术，可以实施配用电优化控制。文献［30］基于信息物理融合思维，提出了一种孤岛微电网有功控制模型，含有以频率为触发信号的需求侧单元、可再生能源发电、电池储能单元等。文献［31］基于能量信息化与互联网化技术，借鉴信息网络中计算、带宽、存储等资源的灵活管理调控方法，提出分布式电池储能系统架构与互联网化管控关键技术，在数据中心、通信机房、电动汽车、建筑节能等多个领域中推广与试点应用。文献［32］研究信息物理融合的智能空调响应不确定性尖峰折扣电价的动态优化模型，采用动态优化区间的模型预测控制，达到保证在用户定义的舒适性范围内，使用户电费支出最小，也即在电网尖峰期用电量最小的目标。
2.6仿真与验证技术
根据电力CPS原型特征构造其模型并进行数字仿真，可为当前相关理论和应用问题的深入研究提供仿真、测试和验证支撑。形式化验证主要是为了实时系统的安全性及稳定性，通过形式化验证，可以从逻辑分析的角度验证系统的合理性及可行性。仿真验证过程见图3。
图3电力CPS的仿真验证过程
文献［33］指出由于电力流和信息流在数学模型上的本质区别，需要建立实时联合仿真平台；基于电力仿真工具OPAL-RT和和通信仿真工具OPNET，研制开发了数据交互接口及数据转换模块，建立了电力CPS实时仿真平台。为了解决不同模型间的时间同步问题，文献［34］设计了主从式CPS协同仿真平台，重点分析了所设计的融合式时间同步策略，通过微电网仿真算例，验证了所建立的协同仿真平台及其时间同步策略的准确性和有效性。基于相关技术，从数字与动模测试验证互补的角度，提出配电网CPS数模联合测试验证平台，可以复现电力系统和信息系统耦合的动态过程。另一方面，电网CPS作为安全攸关的系统，需要引入形式化验证方法来校验融合模型的正确性，支撑基于融合模型的CPS分析与控制方法研究。文献［35］面向CPS的控制应用程序，基于自动机理论建立统一的系统验证模型，并提出了对该模型进行形式化验证的算法。
下文将选取主动配电网柔性负荷控制、用电侧电能质量监测、CPS安全保障等研究热点，对面向未来智能配用电的CPS应用前景进行展望。
3面向未来智能配用电的信息物理系统应用展望与挑战
3.1ADN中的柔性负荷控制
在配电网领域，DER接入量不断增大，以及可控负荷的增多，使得传统配电网将面临诸多的挑战；尤其当前高渗透分布式光伏电源接入配电网等趋势，将改变传统配电网潮流单向辐射状供电模式。为了应对上述问题，主动配电网（ADN）强调对现代配电网中的各种可控资源，特别是分布式可再生能源从被动消纳到主动引导与主动利用。
云计算除了为智能电网提供高性能计算服务外，云中心有望作为一种高能耗的可控负荷与配电网进行双向互动。文献［38］基于分类与定价策略，提出主动配电网中云计算资源的优化配置模型，展示了云计算的商业模式在降低主动配电网ICT投资成本，实现计算资源互补方面的潜在应用效果。由于计算负荷可在云端进行调度与迁移，这一特性使得云中心可作为可控负荷参与到ADN的需求侧响应中，但“数据中心并网”涉及业务连续性、能耗综合代价等问题，在技术上存在挑战。
除了云数据中心，ADN中还存在多种可控负荷。文献［39］认为ADN具备信息物理系统的基本形态，为了更有效地实现源网荷协调控制，考虑了馈线控制和电力客户两方面的效益，基于混合系统模型提出柔性负荷信息物理融合的控制模型与方法。但是，如何得到柔性负荷的特征仍是一个挑战，需扩展现有信息模型，使配电终端可感知负荷特性，实现信息物理融合的“即插即用”，支撑用户主动进行双向互动。
3.2用户侧电能质量监测
智能电网的一个主要特征是监测装置的广泛应用以及由此获得的大量现场数据。随着分布式能源及分布式电源的增加，用户侧对电能质量的影响越来越大，电能质量监测受到高度关注。
为了高效获得电能质量数据，综合考虑用电环境的物理特性和电能质量数据的关系具有重要意义。事实上，同类型用户的电器特性和用电行为具有一定的相似性，对电能质量造成的影响也具有相关性。文献［40］提出了一种自检测电能质量数据时空压缩感知方法，充分考虑多个同类型测量对象的数据相关性，将不同小区的用电数据投射为二维矩阵，减少电能质量传输数据量；并针对冲激脉冲信号，在用户端加入自检测机制，保证测量数据的准确性和稳定性。文献［41］采用类似的压缩感知方法，将电能质量由一维信号变换为二维信号，并根据图像可稀疏表示的原理，实现对暂态和短时电能质量测量数据的压缩采样和信号重构。
传统的电能质量研究关注电能质量危害的抑制和消除。随着监测能力的增强，电能质量扰动数据中蕴含着大量涉及系统和设备运行状态的暂态信息，可以用于解决故障诊断、系统设备运行状态监视、负荷监测等问题。但是，如何将相关理论与现有的物联网、大数据结合起来，通过信息物理融合模型，提高智能用电环境下的监测精度和效率，有效管理电能质量监测数据，依然是一个挑战。
3.3智能配用电中的CPS安全性分析
智能配用电的一个重要基础，是通过新的计算、通信和传感技术，实现信息系统和电网中一二次设备之间紧密的融合协作。物理配电网与信息系统高度融合，不仅仅是在物理系统的基础上提升信息化程度，而应当在改进电网物理结构和提升信息化程度之间取得平衡。计及信息与物理交互影响的系统安全性分析方法具有重要的价值和意义。
在信息安全对物理系统安全的影响，以及如何提高CPS对风险威胁和恶意攻击的防御水平方面，当前已有较多研究。文献［43］针对电网CPS中信息系统主要的监视与控制两类功能，建立功能失效模型，提出考虑信息—电力作用的电网信息物理系统可靠性评估方法。文献［44］针对配电网，提出一种考虑多代理供电恢复系统通信失效的配电网CPS风险评估方法。文献［45］提出了一种旨在量化信息系统元件故障和信道质量对微电网运行可靠性影响的分析方法。但是，目前的研究基于多种建模理论，多数是在成熟的电力系统分析方法考虑信息通信因素，针对配用电实际应用的分析还比较缺乏，最主要的挑战来自于CPS模型本身的成熟性；同时，随着分布式电源和储能技术的不断发展，越来越多的具有感知、通信、处理能力的智能设备部署在配用电环节，智能设备和开放式通信协议的应用带来了更多的潜在安全威胁，如何提出一套成熟的规范，适应配用电大规模应用还需进一步研究。
4结语
智能配用电中存在众多因素的不确定性、不同装置动态响应的多时间尺度性、“源网荷储”互动特性等，都对配用电的分析、运行、管理水平提出了更高的要求。信息通信技术的不断创新将对智能配用电的发展形成有力推动，也为智能配用电的推广提供巨大机遇。尤其是随着信息化水平的提高以及与用户侧交互程度的加深，“云大物移”新技术的深化应用是优化运行、优质服务的重要技术基础，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互，逐步形成信息物理系统。
本文概括介绍了智能配用电中信息物理系统的研究进展，分析了相关的关键技术，对未来可能构建在“云大物移”新技术之上的CPS应用作了前瞻性的讨论，并分析其中存在的挑战。当前，CPS已经成为多学科交叉研究热点，本文所提出的应用场景可作为工程和研究人员的技术参考。电网CPS理论与实践的突破将促进智能配用电以及能源互联网的应用与发展。（梁云，黄莉，胡紫巍，李沛）
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