基于電力信息通信發展現狀，探討信息物理系統等未來智能配用電的關鍵新技術。首先介紹了當前配用電環節中“云大物移”等技術的發展趨勢，接著介紹了在未來智能配用電中可能起到重要作用的信息物理系統，總結了當前研究熱點問題和發展動態，并闡述了潛在的前沿問題。基于此，對未來智能配用電中的一些新型信息物理系統應用進行了展望，并對其在實際實施中的挑戰進行了討論，期望能夠為相關研究提供參考。
0引言
隨著新能源革命的興起，全世界能源和電力的發展都面臨空前的應對和轉型挑戰，新一代電力系統具有廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控等特征，將成為未來電網發展的趨勢和方向。與傳統電網相比，新一代電力系統將成為大規模新能源的輸送和分配網絡；智能配用電與分布式能源（distributedenergyresource，DER）、儲能裝置、柔性負荷等有機融合，促進多能互補優化利用；以集成芯片、信息網絡、人工智能等為代表的信息通信技術快速演進，與電網深度融合形成能源、電力、信息綜合服務體系。
配電網作為經濟和社會發展的重要基礎設施，對實現智能電網和能源互聯網戰略目標起著關鍵作用。隨著配電自動化、用電信息采集等應用系統的推廣應用，對于有千條饋線的大規模配電網，會產生指數級增長的異構多態的數據，未來配電網的管控將依托于大量信息的高效采集和綜合利用，統一模型云與應用服務系統大幅提高信息交互共享的效率。快速發展的智能傳感器網絡不僅能安全高效協調分布式能源（distributedenergyresource，DER）和柔性負荷，而且是物理電網與信息網絡高度融合的現代配電系統的基礎，隨著數據獲取和利用方式的日益成熟，加上IPv6、大數據、云計算等先進技術的逐步廣泛利用，有效提升配電系統的智能化水平。
目前，正在開展“營配貫通”工作，以全面實現配電和用電智能化管理，對配用電系統產生的大數據進行分析，有著巨大的應用價值。基于“云大物移”等先進信息技術，通過智能營業廳、智能小區、智能樓宇、電動汽車充電運營、大數據綜合能源服務云平臺等建設，以“互聯網+智慧能源”模式促使城市管理與公共服務更加高效友好。同時，隨著分布式可再生能源的興起、源用混合的能源基礎設施逐漸形成，信息通信網絡虛擬化與軟件定義方法可以更好地滿足能源互聯網需求。
近年來，隨著信息通信的快速發展，涌現出一批“云大物移”新技術、新應用，并與智能配用電深度融合。在實現機理上，通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制區域能源網，安全、高效、協調DER和柔性負荷，逐步形成電網信息物理系統（cyberphysicssystem，CPS），具有重要的研究和應用前景。本文旨在對未來智能配用電中的CPS應用做一個前瞻性的探討，以期對未來智能配用電的優化運行提供建設性的參考。需要指出的是，未來智能配用電中可能實現的CPS新應用，不僅僅局限于本文中所列出的案例。
1電網信息物理系統研究進展
1.1電網CPS主要特征
電網是規模最大也是最復雜的互聯系統之一，是典型的信息物理融合系統研究對象。其中物理電網主要包括發電機、變壓器、輸電線路、斷路器等設備，信息網包括了多個虛擬網絡，用于實現電網設備的實時感知、傳輸、控制等功能，電網CPS的耦合關系見圖1。
圖1電網CPS的信息物理耦合關系
雖然世界各國電網的實際情況不同，智能配用電的研發方向也不完全一樣，但總的發展趨勢是一致的，都是實現配用電系統的集成，提高配電網的運行管理水平，推動用戶參與電網運行管理。因此，電網CPS旨在充分反映電網運行的信息過程與物理過程，體現信息物理耦合機理和風險傳播機制，以期通過更精準的控制方式支持系統全局優化，提高能源、設備利用率，保障電網的可靠、安全、穩定運行。
文獻［15］將電網CPS主要特征歸納為：①物理電網與信息網絡融合，功能方面高度協調，在機理方面降低兩系統的異構特征，具有統一的形式化描述方法；②電網作為連續過程與離散狀態并存、時間與事件共同作用的物理系統，從建模、分析、控制等方面都要體現連續與離散的內在聯系；③全景信息采集與靈活應用。文獻［16］闡述了配電網信息物理系統的典型特征，為完整保留能量流和信息流交互過程，從數字與動模測試驗證互補的角度提出配電網CPS數模混合測試驗證平臺。
1.2電網CPS參考模型
當前，國內外在CPS技術領域的建模、控制、工程應用等方面已開展研究。但是，在技術層面，由于電網與信息網絡基于不同的物理實體，電力能量在存儲、傳輸過程中都存在消耗，而信息則具有可復制分享、可存儲的特點，在融合過程中必定存在機制上的不兼容。例如，配電網必須時刻保證能量供需平衡，而信息網則無此約束。因此，發展電力信息物理系統的統一模型是CPS要解決的最關鍵也是最急迫的任務之一。
文獻［17］參照計算機互聯網中開放系統互聯參考模型（opensysteminterconnect/referencemodel，OSI/RM）的成功經驗，提出采用層次化結構的CPS參考模型，分為5層，每層按功能分別實現，同層實體間受該層規約的約束并利用下一層提供的服務交換數據并控制電流的傳輸和電能參數調節。文獻［15］給出了基于CPS的電力系統技術體系，涵蓋建模、分析、控制、驗證等多個方面。文獻［18］提出一種基于信息物理融合的能源互聯網模型，考慮能源互聯網中CPS的時空異構性以及量測數據同步問題，并結合多智能體優化方法對模型進行驗證。
2智能配用電的信息物理系統關鍵技術
結合當前研究現狀和配用電實際情況，作者認為，CPS在理念上不應僅僅視為一種理論模型或技術體系，而應理解為支撐智能配用電的基礎網絡，而“云大物移”等現代通信技術是CPS和主動配電網、能源互聯網等新理念的基礎與關鍵技術（見圖2），應予以高度重視。以下將選取對應的支撐技術進行概述。
圖2電力CPS的支撐技術
2.1融合建模與綜合安全評估
電網運行已經發展出完善的安全分析體系，基本思路是首先對物理電力系統進行建模，在此基礎上研究在預想故障集下評估電力系統的各項安全指標。類似地，為量化分析電力系統信息故障的影響，就必須先對進行統一的電網信息/物理耦合建模，進而在模型基礎上對信息故障進行量化的分析和評估。
文獻［19］提出一種CPS融合建模構想，該方法將CPS抽象為有向拓撲圖模型，將物理電網和信息網絡中的狀態量統一抽象為“數據節點”，將信息處理、信息傳輸等環節抽象為“信息支路”。在此基礎上，通過矩陣運算方式實現信息—能量流的快速量化計算，并給出了靈敏度分析與信息物理耦合安全評估的方法。文獻［20］提出了基于混合系統的電網CPS建模方法及其控制方案，并針對配用電環節建立柔性負荷和源儲協調控制的混合系統模型，通過控制柔性負荷緩解由于DER接入等因素造成的影響，使負荷側在保障用戶需求的前提下，獲得經濟優化。同時，信息空間中的風險有可能傳遞到物理空間中并導致電力設備故障，信息安全風險在電力CPS中的傳播機制非常重要。
2.2基于物聯網的高效感知
全景信息采集與靈活應用是電網CPS的特征之一。基于物聯網技術，建立與信息流特點相匹配的數據采集和控制網絡，適配多種通信協議，滿足測控裝置“即插即用”需求，能準確傳遞、識別信息流，并能基于協調控制、優化分析等需求和資源占用情況，優化信息路由。
配用電中的CPS往往采用無線傳感網，具備低功耗、低成本、低通信速率等特征，且資源與功能高度受限。為基于信息物理模型優化感知效率，目前開展了大量研究。文獻［23］在智能用電網絡的數據采集和通信的需求分析基礎上，結合信息物理系統理論，提出了基于時間驅動和事件驅動的多智能體數據采集和通信機制，驗證其適合低功耗、低成本、低速率、資源受限的嵌入式物聯網通信環境，該機制可對用電設備進行毫秒級（100ms）追蹤。壓縮感知理論是信號采樣與處理領域的熱點和前沿，利用物理信號的稀疏性減少對傳感器硬件要求，而且大大減輕數據存儲、傳輸和分析處理的壓力。文獻［24］綜述了稀疏表示、非相關觀測和非線性優化重構等方法在電能質量領域的應用。
2.3利用移動互聯網的實時互動通信
信息通信技術增強了配電網的全局狀態感知能力，DER的出力情況、柔性負荷的特征、電動汽車的空間分布等狀態數據均需要信息通信網絡支撐。隨著配電網對運行控制快速性、實時性的要求越來越高，信息的時效性特征愈發明顯。對此，一方面要借助經濟簡單可靠的終端滿足廣域量測需求，另一方面要依靠大容量光纖通信、寬帶無線接入、M2M（machinetomachine）通信等移動互聯網技術，為深入到用戶側的數據采集終端提供泛在靈活接入。
移動互聯網具有易部署、低成本等優點，國內已經開展電力無線專網建設。中國電力工業通信規范將配電自動化的通信數據分為遙信、遙控、遙測3類，并對遙信、遙控數據提出明確的實時性和可靠性指標，對遙測數據提出可靠性指標。在實際應用過程中，配用電環境復雜多樣致使無線信道易中斷，重傳率高。針對該問題，目前開展了傳輸層協議及通道保障機制，網絡鏈路質量評估預測方法等研究，保障配用電業務的實時性。
2.4基于云計算/大數據的新型應用
就我國目前的發展狀況，配用電系統的數據主要來自AMI、PMS、OMS、電能質量監測、GIS、95598客服系統等。在大數據的理論和方法指導下，不僅上述電力系統數據的價值會被大力挖掘，也會提高對外部數據的利用。在智能配用電中，運行狀態評估與預警、用戶用電行為分析、能量優化調度等眾多應用場景都需要大數據的支持。
文獻［28］介紹了未來主動配電網（activedistributionnetwork，ADN）中的新型數據驅動應用，包括云計算與智能電網的雙向滲透應用、基于終端負荷辨識技術的數據驅動需求側管理、基于區塊鏈的配網分布式能源交易系統、基于同態加密的主動配電網安全協作應用、基于眾包/眾籌的主動配電網運營模式等。文獻［29］分析了用戶側大數據的特點，提出了一種大數據分析平臺，并在此平臺上開發了基于Hadoop的電力用戶側大數據并行負荷預測原型系統。
2.5基于信息物理融合模型的優化控制
以物理電網及信息網絡、能量管理系統作為物質基礎，融合模型與分析控制理論作為方法支撐，充分利用大數據分析、分布式智能、全局優化等技術，可以實施配用電優化控制。文獻［30］基于信息物理融合思維，提出了一種孤島微電網有功控制模型，含有以頻率為觸發信號的需求側單元、可再生能源發電、電池儲能單元等。文獻［31］基于能量信息化與互聯網化技術，借鑒信息網絡中計算、帶寬、存儲等資源的靈活管理調控方法，提出分布式電池儲能系統架構與互聯網化管控關鍵技術，在數據中心、通信機房、電動汽車、建筑節能等多個領域中推廣與試點應用。文獻［32］研究信息物理融合的智能空調響應不確定性尖峰折扣電價的動態優化模型，采用動態優化區間的模型預測控制，達到保證在用戶定義的舒適性范圍內，使用戶電費支出最小，也即在電網尖峰期用電量最小的目標。
2.6仿真與驗證技術
根據電力CPS原型特征構造其模型并進行數字仿真，可為當前相關理論和應用問題的深入研究提供仿真、測試和驗證支撐。形式化驗證主要是為了實時系統的安全性及穩定性，通過形式化驗證，可以從邏輯分析的角度驗證系統的合理性及可行性。仿真驗證過程見圖3。
圖3電力CPS的仿真驗證過程
文獻［33］指出由于電力流和信息流在數學模型上的本質區別，需要建立實時聯合仿真平臺；基于電力仿真工具OPAL-RT和和通信仿真工具OPNET，研制開發了數據交互接口及數據轉換模塊，建立了電力CPS實時仿真平臺。為了解決不同模型間的時間同步問題，文獻［34］設計了主從式CPS協同仿真平臺，重點分析了所設計的融合式時間同步策略，通過微電網仿真算例，驗證了所建立的協同仿真平臺及其時間同步策略的準確性和有效性。基于相關技術，從數字與動模測試驗證互補的角度，提出配電網CPS數模聯合測試驗證平臺，可以復現電力系統和信息系統耦合的動態過程。另一方面，電網CPS作為安全攸關的系統，需要引入形式化驗證方法來校驗融合模型的正確性，支撐基于融合模型的CPS分析與控制方法研究。文獻［35］面向CPS的控制應用程序，基于自動機理論建立統一的系統驗證模型，并提出了對該模型進行形式化驗證的算法。
下文將選取主動配電網柔性負荷控制、用電側電能質量監測、CPS安全保障等研究熱點，對面向未來智能配用電的CPS應用前景進行展望。
3面向未來智能配用電的信息物理系統應用展望與挑戰
3.1ADN中的柔性負荷控制
在配電網領域，DER接入量不斷增大，以及可控負荷的增多，使得傳統配電網將面臨諸多的挑戰；尤其當前高滲透分布式光伏電源接入配電網等趨勢，將改變傳統配電網潮流單向輻射狀供電模式。為了應對上述問題，主動配電網（ADN）強調對現代配電網中的各種可控資源，特別是分布式可再生能源從被動消納到主動引導與主動利用。
云計算除了為智能電網提供高性能計算服務外，云中心有望作為一種高能耗的可控負荷與配電網進行雙向互動。文獻［38］基于分類與定價策略，提出主動配電網中云計算資源的優化配置模型，展示了云計算的商業模式在降低主動配電網ICT投資成本，實現計算資源互補方面的潛在應用效果。由于計算負荷可在云端進行調度與遷移，這一特性使得云中心可作為可控負荷參與到ADN的需求側響應中，但“數據中心并網”涉及業務連續性、能耗綜合代價等問題，在技術上存在挑戰。
除了云數據中心，ADN中還存在多種可控負荷。文獻［39］認為ADN具備信息物理系統的基本形態，為了更有效地實現源網荷協調控制，考慮了饋線控制和電力客戶兩方面的效益，基于混合系統模型提出柔性負荷信息物理融合的控制模型與方法。但是，如何得到柔性負荷的特征仍是一個挑戰，需擴展現有信息模型，使配電終端可感知負荷特性，實現信息物理融合的“即插即用”，支撐用戶主動進行雙向互動。
3.2用戶側電能質量監測
智能電網的一個主要特征是監測裝置的廣泛應用以及由此獲得的大量現場數據。隨著分布式能源及分布式電源的增加，用戶側對電能質量的影響越來越大，電能質量監測受到高度關注。
為了高效獲得電能質量數據，綜合考慮用電環境的物理特性和電能質量數據的關系具有重要意義。事實上，同類型用戶的電器特性和用電行為具有一定的相似性，對電能質量造成的影響也具有相關性。文獻［40］提出了一種自檢測電能質量數據時空壓縮感知方法，充分考慮多個同類型測量對象的數據相關性，將不同小區的用電數據投射為二維矩陣，減少電能質量傳輸數據量；并針對沖激脈沖信號，在用戶端加入自檢測機制，保證測量數據的準確性和穩定性。文獻［41］采用類似的壓縮感知方法，將電能質量由一維信號變換為二維信號，并根據圖像可稀疏表示的原理，實現對暫態和短時電能質量測量數據的壓縮采樣和信號重構。
傳統的電能質量研究關注電能質量危害的抑制和消除。隨著監測能力的增強，電能質量擾動數據中蘊含著大量涉及系統和設備運行狀態的暫態信息，可以用于解決故障診斷、系統設備運行狀態監視、負荷監測等問題。但是，如何將相關理論與現有的物聯網、大數據結合起來，通過信息物理融合模型，提高智能用電環境下的監測精度和效率，有效管理電能質量監測數據，依然是一個挑戰。
3.3智能配用電中的CPS安全性分析
智能配用電的一個重要基礎，是通過新的計算、通信和傳感技術，實現信息系統和電網中一二次設備之間緊密的融合協作。物理配電網與信息系統高度融合，不僅僅是在物理系統的基礎上提升信息化程度，而應當在改進電網物理結構和提升信息化程度之間取得平衡。計及信息與物理交互影響的系統安全性分析方法具有重要的價值和意義。
在信息安全對物理系統安全的影響，以及如何提高CPS對風險威脅和惡意攻擊的防御水平方面，當前已有較多研究。文獻［43］針對電網CPS中信息系統主要的監視與控制兩類功能，建立功能失效模型，提出考慮信息—電力作用的電網信息物理系統可靠性評估方法。文獻［44］針對配電網，提出一種考慮多代理供電恢復系統通信失效的配電網CPS風險評估方法。文獻［45］提出了一種旨在量化信息系統元件故障和信道質量對微電網運行可靠性影響的分析方法。但是，目前的研究基于多種建模理論，多數是在成熟的電力系統分析方法考慮信息通信因素，針對配用電實際應用的分析還比較缺乏，最主要的挑戰來自于CPS模型本身的成熟性；同時，隨著分布式電源和儲能技術的不斷發展，越來越多的具有感知、通信、處理能力的智能設備部署在配用電環節，智能設備和開放式通信協議的應用帶來了更多的潛在安全威脅，如何提出一套成熟的規范，適應配用電大規模應用還需進一步研究。
4結語
智能配用電中存在眾多因素的不確定性、不同裝置動態響應的多時間尺度性、“源網荷儲”互動特性等，都對配用電的分析、運行、管理水平提出了更高的要求。信息通信技術的不斷創新將對智能配用電的發展形成有力推動，也為智能配用電的推廣提供巨大機遇。尤其是隨著信息化水平的提高以及與用戶側交互程度的加深，“云大物移”新技術的深化應用是優化運行、優質服務的重要技術基礎，通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互，逐步形成信息物理系統。
本文概括介紹了智能配用電中信息物理系統的研究進展，分析了相關的關鍵技術，對未來可能構建在“云大物移”新技術之上的CPS應用作了前瞻性的討論，并分析其中存在的挑戰。當前，CPS已經成為多學科交叉研究熱點，本文所提出的應用場景可作為工程和研究人員的技術參考。電網CPS理論與實踐的突破將促進智能配用電以及能源互聯網的應用與發展。（梁云，黃莉，胡紫巍，李沛）