淺談電力系統(tǒng)信息物理融合系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

劉昱岑

【摘 要】信息物理融合系統(tǒng)（即CPS）在實(shí)際中的應(yīng)用非常廣泛，受到了科學(xué)界的高度重視。信息物理融合系統(tǒng)是多維、異構(gòu)的開放系統(tǒng)，其中涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制等多種先進(jìn)的技術(shù)。文章簡要分析了信息物理融合系統(tǒng)的特征，并結(jié)合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)CPS架構(gòu)作出了設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】信息物理融合系統(tǒng)；電力系統(tǒng)；架構(gòu)設(shè)計(jì)

信息物理融合系統(tǒng)通過許多種技術(shù)的融合能實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的實(shí)時(shí)感知，提供相應(yīng)的信息服務(wù)。實(shí)際應(yīng)用中，人們利用它和其他工程結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的動(dòng)態(tài)控制。本文將信息物理融合系統(tǒng)和電力系統(tǒng)相互結(jié)合，加強(qiáng)兩者之間的融合，打造智能電網(wǎng)，使之能更好的為人們服務(wù)。

一、信息物理融合系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能

（一）信息物理融合系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.信息物理融合系統(tǒng)是由物理設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、傳感設(shè)備等組成的，設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同工作并相互影響[1]。系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)離不開每種設(shè)備的作用，多種設(shè)備的共同影響決定了系統(tǒng)的行為特征。

2.信息物理融合系統(tǒng)的信息處理和物理過程是聯(lián)系在一起的，兩者能夠相互影響。因此，對(duì)系統(tǒng)中的一些行為無法判斷它是物理過程或是信息處理過程的結(jié)果。

（二）信息物理融合系統(tǒng)應(yīng)具備的功能

1.信息、物理系統(tǒng)的監(jiān)控和仿真

信息物理融合系統(tǒng)能使用傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)獲得全面的信息。信息通過多種通信網(wǎng)絡(luò)集成到CPS控制中心。CPS監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)以及信息系統(tǒng)中信息的監(jiān)控。CPS系統(tǒng)將物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)作為整體進(jìn)行分析，顯示出兩者之間產(chǎn)生的相互性的影響。

2.信息集成共享

CPS傳感器能將數(shù)據(jù)收集到控制中心，因此要求CPS具有承受海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。CPS通常情況下覆蓋較廣，其中的信息和物理設(shè)備所有者不同。因此CPS要保障信息的高效流通，同時(shí)也要保障信息安全，對(duì)信息獲取權(quán)限作出嚴(yán)格的規(guī)定。

3.實(shí)體控制和全局優(yōu)化

現(xiàn)階段，一些物理系統(tǒng)的控制模式較為簡單，不具備一定的靈活性，最終的工作效率較低。CPS系統(tǒng)的目的就是實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)控制的靈活度，增強(qiáng)其控制能力。CPS要實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制相結(jié)合，控制中心能進(jìn)行在線修改控制器的參數(shù)，對(duì)控制器軟件升級(jí)等。

二、電力系統(tǒng)CPS架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖（一）所示，圖中實(shí)線表示電能的流動(dòng)，虛線表示信息的流動(dòng)。電力系統(tǒng)CPS由許多計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、傳感器和發(fā)電機(jī)等組成的，通過兩個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。信息設(shè)備是通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的，物理設(shè)備通過輸、配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的。和電網(wǎng)控制系統(tǒng)相比，該電力CPS架構(gòu)設(shè)計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，電力CPS的信息采集范圍大。其次，電力CPS的網(wǎng)絡(luò)是有線網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種結(jié)合而成的。并且，電力CPS中有許多的計(jì)算機(jī)設(shè)備，多種負(fù)荷設(shè)備和分布式電源是由控制中心直接實(shí)行控制的。電力CPS中由以下幾部分組成。

（一）控制中心

控制中心是電力CPS中的核心部分，它的作用是對(duì)采取到的全部信息進(jìn)行綜合，根據(jù)信息對(duì)系統(tǒng)模型修正并進(jìn)行各種各樣的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種設(shè)備的控制，能對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行修改?？刂浦行暮推渌酉到y(tǒng)利用通信網(wǎng)絡(luò)完成協(xié)作。

（二）分布式計(jì)算機(jī)設(shè)備

電力CPS需要處理的信息非常多，還要完成對(duì)許多物理設(shè)備的有效控制。若想更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的處理，就要具備強(qiáng)大的信息處理能力。電力CPS要引入強(qiáng)大的云計(jì)算技術(shù)來搭建平臺(tái)。云計(jì)算能對(duì)系統(tǒng)的異構(gòu)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行整合，能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的計(jì)算能力。

（三）通信網(wǎng)絡(luò)

電力CPS通信網(wǎng)絡(luò)中包括有限網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)中的專用網(wǎng)絡(luò)。電力系統(tǒng)中的專用網(wǎng)絡(luò)用于連接控制中心和系統(tǒng)中多種控制設(shè)備。有線網(wǎng)絡(luò)用作連接一些不太重要的設(shè)備，比如一些計(jì)算設(shè)備等。無線網(wǎng)絡(luò)用來連接一些活動(dòng)的設(shè)備和傳感設(shè)備，如電力企業(yè)中國電動(dòng)汽車等。

（四）輸、配電網(wǎng)絡(luò)

輸、配電網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)量越來越多。其中的一些設(shè)備應(yīng)和控制中心實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)它們的直接性控制。通常情況下，電力系統(tǒng)因?yàn)橛兄^大的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)集中控制的難度較大，可采用控制中心和變電站的相互協(xié)調(diào)控制。

（五）電源、負(fù)荷

電力CPS中的分布式電源和多種負(fù)荷設(shè)備加入信息采集和控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)和控制中心實(shí)現(xiàn)連接，為每個(gè)物理設(shè)備分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的識(shí)別。控制中心能在一些特殊狀況下，對(duì)分布式電源和一些負(fù)荷設(shè)備進(jìn)行控制，可以對(duì)負(fù)荷設(shè)備選擇性斷開。

綜上所述，信息物理融合系統(tǒng)中融入多種先進(jìn)的技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都非常的廣泛。CPS能實(shí)現(xiàn)對(duì)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的綜合分析，完成對(duì)系統(tǒng)中的信息的收集和共享，進(jìn)行大范圍的控制并作出優(yōu)化。本文集中了我自己多年的積累研究成果，并吸收了同學(xué)們的意見，文章設(shè)計(jì)的電力CPS具備許多強(qiáng)大的功能，具備了智能電網(wǎng)和CPS的多種特征，能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的優(yōu)化。當(dāng)然，隨著科技的進(jìn)步，很多技術(shù)需要我們努力改進(jìn)和深入探索，我將繼續(xù)研究我喜歡的電力知識(shí)，刻苦學(xué)習(xí)，掌握更多知識(shí)，以便將來更好地服務(wù)于社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李田，蘇盛，楊洪明，文福拴，王冬青，朱林.電力信息物理系統(tǒng)的攻擊行為與安全防護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2017，41（22）：162-167.