特别策划 | 面向未来智能配用电的信息物理系统：技术、展望与挑战-第2页-北极星输配电网

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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(machine to machine)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(active distribution network，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。

原标题：特别策划 | 面向未来智能配用电的信息物理系统：技术、展望与挑战

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