电网信息物理系统耦合建模研究

摘要：随着电网智能化程度不断加深，电网信息物理耦合建模技术扮演着越来越重要的角色，使得电力系统远程监测和控制更易实现。阐述电网信息物理耦合建模技术，并对电网信息物理耦合建模技术的应用领域进行了总结。

关键词：电网信息物理系统；耦合建模；智能电网

引言

为研究电网运行状态，将实际运行中的电网看成由信息系统、跨空间联动接口和电网物理系统组成的多维异构复杂耦合系统，跨空间联动接口将电网物理系统的运行状态信息传递给信息系统，信息系统在对当前采集到的电网物理系统的状态进行综合分析的基础上，触发控制命令，用来改变电网物理系统的运行状态，这便是完整的电网信息物理耦合（电网CPS）过程。电网信息物理系统（CyberPhysicalSystem，CPS）建模关键技术如图1所示，本文按照顺序，分别阐述现有研究人员所使用的方法及优缺点。

1电网CPS建模

目前电网CPS建模方法主要分为基于信息作为输入变量考虑到电网物理过程中建模的方法和基于信息物理交互进行建模的方法。基于信息作为输入变量考虑到电网物理过程中建模的方法，侧重于将离散信息考虑到传统的连续电网物理模型中。该方法用若干参数表示与电网CPS状态有密切关联的离散信息，并将参数或参数的组合作为输入变量考虑到连续电力过程中进行建模的一类方法。该类方法的优点是重要离散信息被表示成低维量，缺点是独特的建模方法可能没能包含所有相关的电网CPS信息。基于信息物理交互进行建模的方法，是直接从信息物理耦合路径、性能方面进行建模并定量分析的方法。这类方法的优点在于揭示了电网CPS运行方式及运行状态的演化过程，在某种程度上揭示了信息系统与电网物理系统间动态交互的数学本质。

1.1基于信息作为输入变量加入电网物理过程中建模方法

美国德州A&M大学的ILICMD等人提出一种将离散信息作为输入变量加入电网信息物理耦合系统内部动态特性、传感器和执行器中表征电网信息物理交互动态框架的建模方法[1]。而文献[2]在基于集群理论划分电网CPS集群的基础上，提出一种双层多电网CPS框架建模方法，实现较少离散信息对电网连续物理系统的分布式控制功能。这些方法是将离散信息加入电网连续物理系统模型中实现对电网CPS运行性能的控制，减少了离散信息数据，提高了计算精度和速度，改善了电网CPS的运行性能。清华大学电机系电力系统国家重点实验室的郭庆来等人提出了电网信息-能量流混成计算模型[3]，在引入节-支关联矩阵的基础上，反映N-1信息故障类型，通过对比分析信息故障对电网CPS运行性能的影响来评估电网CPS脆弱性，针对性提高信息系统的冗余度和可靠性来增强电网CPS的韧性。

1.2基于信息物理耦合特性建模方法

上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室完整的描述了现实场景下信息系统与电网物理系统间的耦合关系，通过深入分析电网CPS模型的构成和形式的基础上，实现了柔性负荷和电源、电网及负荷协调控制混合模型的优化控制[4]。国家电网电力科学研究院的薛禹胜院士等人深入分析实际电网CPS架构和特征，将其划分为信息处理层、二次设备层、通信层和电网物理层，采用关联特性矩阵定量描述各层之间耦合关系建立电网CPS模型[5]。而同济大学的刘汉宇等人将先进的电网CPS技术应用于微电网建设方面，将微电网CPS分成六层控制体系框架模型，并对各层的功能及作用进行了详细阐述[6]。基于信息系统与电网物理系统间连接方式、连接状态复杂且多变，全球能源互联网研究院有限公司的高昆仑等人在深入分析电网CPS的信息系统与电网物理系统间的交互特性的基础上，提出电网CPS运行模型，如图2所示，直观地揭示了信息系统与电网物理系统间动态交互的本质特征[7]。

2电网信息物理耦合建模应用

2.1构建能源互联网

电网CPS技术可以应用于构建能源互联网方面，通过电网CPS技术把分散的能源设备连接起来，形成互联互通的能源互联网[8]。电网CPS关键技术能实现能源互联网内部电网物理系统和信息系统之间深度耦合，提高能源互联网的运行效率，降低电能损耗[9-11]。

2.2保障电网安全稳定运行

随着信息系统和电网物理系统间的耦合程度不断加深，自然而然带来网络安全问题。电网CPS技术可以应用于保障电网安全稳定运行方面，2015年乌克兰网络攻击事件，造成大面积停电后果[12,13]。信息系统的安全检测和防护可以有效应对网络攻击对电网CPS的影响[14-16]，检测目的在于发现攻击行为，防护目的在于降低危害后果，两者协同配合增强电网CPS韧性。通过对电网CPS进行研究，深度了解实际电网架构，有针对性的增强电网CPS网络安全防护水平，确保电网安全稳定运行。

2.3主动配电网应用

新能源发电不断增多，使得配电网结构日益复杂，无源配电网正逐步向具有自主管理和闭环决策控制功能的主动配电网转型升级，配电网将由单一电能分配的角色转型升级为集电能输送、电能汇聚、电能分配及电能储存为一体的综合复杂配电系统，这使得配电网运行方式更加复杂多变，而电网CPS技术可以很好地改善主动配电网的运行与闭环决策控制效果[17]。

2.4电网CPS态势感知

电网CPS态势感知是保障电网能量系统安全稳定运行和网络信息系统主动安全防护的重要基础。传统的单一方面电网物理系统态势感知因未考虑与信息系统间交互影响，故而不能对电网CPS的整体态势进行感知。电网CPS被视为下一代智能电网的发展方向，电网CPS态势感知能综合分析信息系统和电网物理系统的风险因数及两系统间的交互影响，为电网CPS安全稳定运行提供有效决策支撑[18-27]。

3结语

研究电网CPS建模技术的困难在于信息系统和电网物理系统间复杂耦合关系，单纯利用信息系统来改善电网物理系统性能很难。如果没有其他相关技术作为支撑，要研究清楚其中蕴含的机理是难以实现的。这些相关技术，需要很多，例如：感控、计算机、通信、逻辑学等多个领域，信息系统与电网物理系统的相互作用随时间和具体情况的变化而变化，利用多领域模型捕捉这种变化对电网信息物理耦合建模研究至关重要。随着感控技术、计算机技术和通信技术的不断发展，我们有理由相信：电网CPS建模技术一定能被人类完全掌握，并用以协助电网安全稳定运行。

作者：何忠文 单位：广西电网有限责任公司桂林供电局