国网福州供电公司 郑佩祥：配电网CPS理论架构和典型场景应用
郑佩祥.配电网CPS 理论架构和典型场景应用[J].中国电力，2019，52（1）：10-16,31.
ZHENG Peixiang. Theoretical architecture and typical scenario applications of cyber physical systems in the distribution network[J]. Electric Power, 2019，52（1）：10-16,31.
1研究背景
现代配电网络是由物理的电力系统网络、信息通信网络和计算单元耦合构成的复杂网络。负荷的互动和分布式电源的接入改变了传统配电网功率单向流动的特点，使得整个配电网的动态特性复杂化。网络动态新特性的不断出现给配电网的安全运行带来新的挑战。此外，配电网信息化程度的提高在给配电网的信息采集、传输、优化控制以及用户互动等环节带来便利的同时，也引入了不同程度的安全风险，增大了信息物理网络遭受攻击的可能性，严重时甚至会通过信息物理交互影响造成连锁故障，威胁配电网乃至大电网的安全运行。在配电网的工程实践中，信息网、计算网和物理网的相互依存关系日渐增加，需要辨识和评估信息的安全性和可靠性对整体工程实施和运行的风险，从而针对安全水平和可能的危险行为制定配电网相应的安全标准和规程，保障系统的安全运行。
从定义来讲，配电网信息物理系统(cyber physical system, CPS)并不是物理形式上的“新型系统”，而是在配电网状态量测采集的基础上，通过感知、计算、通信、控制等技术的有机融合与深度协作，实现信息空间与物理空间的深度融合和实时交互来增强或扩展新的功能，提升配电网的感知、集成、共享、协同、自治等能力，构建物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化，为实现配电网智能化目标提供技术途径，为实现能源互联网+奠定基础。
2论文所解决的问题及意义
传统配电网专注于配电网一次电气系统，用一组微分代数方程描述电气系统电压、电流、功率等参数的连续时间响应模型。信息通信系统属于离散系统，采用离散状态模型对网络离散参数，如数据队列长度、数据包和离散事件进行描述，将复杂的通信过程转化为具体的事件队列。可见，传统配电网与信息通信系统在理论和方法上基本是割裂的，现有建模仿真模型、理论方法与计算框架下难以深入分析配电网CPS中信息通信系统与电气物理系统深度融合过程。因此，本文着力分析配电网CPS的多方位动态特性与发展态势，从而为配电网CPS运行分析、装备研发、调度控制等奠定基础，从而满足当前及未来配电网CPS的规划与应用。
3论文重点内容
配电网CPS的本质可从组成结构、控制方式以及信息处理三个方面进行阐述。在组成结构上，配电网CPS强调通信网络和多源信息对电力系统控制的提升和影响，兼容现有配电网及微网或主动配电网组成方式；在控制方式上，配电网CPS不拘泥于单一的集中式或分布式，而是以功能为出发点，采用灵活多变的控制方式；在信息处理上，配电网CPS可兼容各设备元件通讯方式的复杂性，实现融合系统信息的高度一致性以及一、二次系统在功能上的高度协调性。
在配电网CPS建设进程中，不仅要求实现所有信息状态的采集和分析，而且能够融合各种通信协议，形成具有一致性信息特质的交互机制，使配电网从原有的“主从式”或“各自为政”的控制形式向“全景式”和“精细式”的智能控制形式发展。故配电网CPS具有可观、开放、融合、安全和自治五大特征。
图1 配电网CPS的特征
配电网CPS系统是一个融合了多要素、多流程、多生态的信息物理系统，既包括狭义上传统电力领域的电力物理单元及其信息通信设备，也包括广义上与电力非直接相关、但通过种种泛在连接手段对电力应用产生影响的物理设备与信息设备。从架构的角度，配电网CPS可以分为单元级CPS，系统级CPS和体系级CPS。从发展的角度，配电网CPS从无到有，从简单到复杂，从单一到集成可以分为探索、确立、完善和成熟四个阶段，最终目标是使得物理资源能够得到最充分的利用、信息价值能够得到最深入的挖掘，开放、协同、共赢的产业生态是配电网CPS发展的最终方向。
图2 配电网CPS发展的阶段
4研究结论
在配电网CPS的发展过程中，物理设备的灵活性、信息的一致性与通讯的复杂性相结合，以功能为出发点，多种控制方式互补。海量多源异构数据在自动流动的过程中逐步由隐性数据转化为显性数据，显性数据分析处理成为信息，信息最终通过综合决策判断转化为有效的知识并固化在配电网CPS中，同时产生的决策通过控制系统转化为优化的数据作用到物理空间，使得配电网CPS物理空间的物理实体朝向资源配置更为优化的方向发展，因此未来数据处理与自适应优化决策技术是配电网CPS中的研究重点。
郑佩祥(1970—)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力生产精益化管理与智能配电网新技术方面的研究工作。
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