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)的應用領(lǐng)域進行了總結(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)在對當前采集到的電網(wǎng)物理系統(tǒng)的狀態(tài)進行綜合分析的基礎(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行建模的方法。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，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(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[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)了柔性負荷和電源、電網(wǎng)及負荷協(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]。而同濟大學的劉漢宇等人將先進的電網(wǎng)CPS技術(shù)應用于微電網(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行了詳細闡述[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用

2.1構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)

電網(wǎng)CPS技術(shù)可以應用于構(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)的安全檢測和防護可以有效應對網(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)安全防護水平，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2.3主動配電網(wǎng)應用

新能源發(fā)電不斷增多，使得配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復雜，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雜配電系統(tǒng)，這使得配電網(wǎng)運行方式更加復雜多變，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)有限責任公司桂林供電局