智能電網信息物理融合系統建模與仿真研究*

王海柱，蔡澤祥，何瑞文

（1.廣東電網電力調度控制中心，廣東廣州 510600；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640；3.廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510006）

智能電網信息物理融合系統建模與仿真研究*

王海柱1，蔡澤祥2，何瑞文3

（1.廣東電網電力調度控制中心，廣東廣州 510600；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640；3.廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510006）

隨著間歇性電源、柔性負荷大幅接入電網，電力系統動態過程被大大加快，能量流與信息流的相互耦合成為智能電網的的重要特征，信息網絡故障可能引發相繼或連鎖故障在信息網和物理網之間交替傳播，導致信息物理耦合系統的崩潰，嚴重威脅電力系統安全運行。從能量流與信息流的關聯度增加、電力系統動態過程加快、信息流全局性對能量流的影響三方面分析了智能電網能量流與信息流的耦合特征，對智能電網信息物理融合系統的建模需求、現狀和內容進行了分析，以220 kV典型變電站為實例研究了能量流和信息流的耦合機理和作用。

智能電網；信息物理融合系統；智能變電站；IEC 61850

0 引言

智能電網是一個典型的信息物理融合系統（Cyber Physical System，CPS），其一大特征是電力能量流與信息流的相互耦合作用[1-3]。能量流與信息流的耦合越緊密、電網規模越大，電力系統面臨的運行和控制的風險越大，簡單割裂其相互影響的后果必然會降低電力系統的運行效率和可靠性。因此建立信息流的數學描述方程，與能量流數學描述方程“聯立求解”，進而形成定量分析方法體系即是智能電網的“數學形態”[4-6]。

CPS架構下，信息流成為電力系統能量流閉環鏈中必不可少的鏈接，能量流與信息流將深度融合并相互影響，共同決定電力系統的功能和行為特征。而且，隨著間歇式電源、柔性交流輸電技術和與實時電價相關的柔性負荷（如電動汽車、儲能裝置等）大規模接入電網，電力系統動態過程被大大加快，極度依賴于信息反饋和信息決策[7-8]。再者，隨著一二次設備的網絡化智能化，物理能量系統與信息系統的耦合程度越加緊密，信息網絡故障可能引發相繼或連鎖故障在信息網和物理網之間交替傳播，導致整個耦合系統的崩潰，嚴重威脅電力系統安全運行。

能量流的分析已形成了一套完整的建模與定量分析方法（潮流、短路、穩定、無功優化等），其一大特征是可以不依賴于“實測”而能夠有效指導實際電網運行，具有良好的精度，成為電網規劃、運行、設計、設備制造的依據。顯然，信息流具有與能量流相似的分析評價需求，例如：信息網絡的“運行方式”分析[9-10]；設備選型、新技術/管理模式評價等；目前分析手段局限于實際系統的運行“實測”，難以用數學的手段定量分析、比較、重現，難以找到關鍵影響因素、邊界約束條件等。因此，建立智能電網的信息物理融合系統模型、定量分析能量流和信息流的耦合機理、相互作用十分重要。

1 智能電網能量流和信息流的耦合

隨著智能電網的推進，可利用的信息資源和通信條件發生了根本性的變化，系統結構的復雜性和信息的網絡化傳輸也給電網故障辨識、配置的合理性和完備性、對故障類型和運行方式的適應性和實時性帶來挑戰。在智能電網的背景下，能量流和信息流的耦合呈現出以下特點。

（1）能量流與信息流耦合更加緊密，關聯度加大。智能電網的一次設備智能化、信息化，使得電壓、電流等電氣量和開關狀態等非電氣量的獲取更為便利，電力系統逐步從實體化向虛擬化發展，實體裝置與邏輯功能的劃分邊界變得模糊，邏輯功能的實現不再局限于某個特定的裝置，而是分布在不同的實體裝置內實現。智能電網在規劃、設計、運行等不同階段中更多以虛擬化、邏輯化的姿態出現，能量流的交換和傳遞表征為行為形態各異的信息流，信息流的交換和傳遞通過反饋作用于能量流。另外，信息網絡的引入使得專業壁壘、地域壁壘模糊化，全網信息共享、能量互通，智能電網成為真正意義上的一張網，點點相關，環環相扣，能流量和信息流緊密耦合，成為不可分割的整體。

（2）電力系統動態過程加快，動態特性更加復雜，實時控制要求大幅提升。間歇性電源如風電、太陽能等具有顯著的隨機性和間歇性特點，一方面作為綠色清潔能源，其接入電網的比例大幅上升將是大勢所趨，另一方面間歇性電源大規模接入電網，對電網的安全穩定運行造成極大的沖擊，對電網的控制調節能力提出更高的要求。電動汽車、儲能裝置、光伏電站等柔性負荷不僅作為電網的被服務者，同時主動參與電網運行控制，實現與電網的雙向互動，這就要求電網具備與之相適應的控制方法和手段。非常規互感器等先進傳感設備能夠通過較好的頻率響應特性，真實反映高頻信號，為暫態量保護提供可靠依據，與此同時，通信技術的高速發展，為電氣量采樣值的可靠傳輸創造有利的條件。

（3）信息流的快速性、全局性為能量流控制提供新思路。遠端線路發生短路故障，從檢測到故障電流到繼電保護動作、斷路器跳開等一系列過程需要一定的時間消耗，而信息流的傳播速度遠快于機電暫態動作過程，電網內其他區域比能量流傳播更早獲知此信息，這就為廣域保護等新型控制方法提供了可能。電網規模越來越大，結構越來越復雜，運行方式靈活多變，常規繼電保護依靠整定值大小和時間長短配合的方式不能有效跟蹤系統運行方式的變化，可能出現保護失配或者靈敏度不足的情況。智能電網信息互聯、互通，全網信息共享，如何有效利用區域乃至全局信息設計智能電網的保護控制系統將是一個全新的課題。

傳統的只是在電力系統分析模型中簡單考慮保護控制的時序動作邏輯或通信傳輸的時滯特性，已經不能夠解決智能電網電力系統能量流和信息流的交互機理。而且，隨著智能電網建設的不斷推進，以信息流為載體的電力系統信息物理融合系統的有效性和布局形態問題也不能再回避，有必要重新思考和解決信息物理融合系統的實時性、可靠性和安全性問題。

2 智能電網信息物理融合系統的建模分析

（1）信息物理系統的建模需求及現狀

電網一次系統能量流分析方法構成了電力系統分析的基本框架：1）潮流計算。潮流計算不僅可以檢驗電力系統規劃方案對各種運行方式的適應性，還可以分析負荷和網絡結構的變化對系統的影響，判斷母線過電壓、線路等元件過負荷，以及制定相關的預防控制策略等。2）穩定計算。通過對功角穩定性、頻率穩定性、電壓穩定性進行分析，解決功角抖動造成的大面積停電、頻率下降造成的系統崩潰、電壓下降造成的地區停電等問題，為電力系統安全和穩定運行提供保障。3）短路計算。短路計算的目的是為了正確選擇和校驗電氣設備，準確地制定供配電系統的保護裝置，避免在短路電流作用下損壞電氣設備，保證供配電系統中出現短路時，保護裝置能可靠動作。

與能量流對于一次系統的作用相似，信息流對于二次系統同樣重要：1）穩態分析，通過信息流的穩態分析，研究信息流的流量分布，讓網絡方案設計、設備選型、薄弱環節提升等有據可依，擺脫依賴設計、工程人員憑經驗判斷的困境；2）動態分析，通過對信息流的延時、丟包、誤碼率、路徑等動態性能的分析，為故障分析與重演、調度策略設計、網絡性能分析等提供定量依據，改變二次系統依賴第三方的網絡測試儀實測的尷尬現狀；3）優化控制，以信息流分析方法為載體，分析電力系統信息流特點，提出與電力系統業務應用需求匹配的交換技術，徹底扭轉電力系統運維依靠通信網絡自身性能“盡力而為”、交換過程無法監控的局面。

能量系統是一個連續系統，通過微積分等構建了一套成熟完整的能量流建模仿真定量分析方法，如BPA（Bonneville Power Administration）具備電力系統穩態、電磁暫態、機電暫態以及中長期動態、短路電流計算、電壓穩定計算和頻域計算等交直流電力系統全過程仿真能力。信息系統是一個離散系統，通過有限狀態機的事件驅動機制構建了一套完整的信息流建模仿真定量分析方法，如 OPNET（Optimized Network Engineering Tools）模型庫包括路由器、交換機、服務器、客戶 機 、 ATM(Asynchronous TransferMode)、DSL(Digital Subscriber Line)等通信網絡重要設備和TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Pro?tocol）等重要協議，能完整描述信息在通信網絡的交換全過程。然而，由于能量流與信息流的耦合模型缺失，目前，一般將成熟的電力系統和通信網絡動態仿真程序結合，在同步機制下實現混合仿真，如PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)/EMTDC(Electric Magnetic Transient of Di?rect Current)與NS2，BPA與NS2，PSCAD/EMTDC與OPNET等。精細化混合仿真有助于研究通信網絡與電力系統的相互作用，設計控制保護方案，優化整體系統設計。但是由于能量流分析方法不具備信息流模型，信息流分析方法也不具備能量流模型，聯合仿真不能反映能量流與信息流的耦合機理和作用，只將兩者仿真的結果半實時交互，與實際出入較大。因此，本文提出通過建立信息物理融合系統模型，在信息流仿真軟件中建立兩者耦合模型，解決信息物理融合系統的定量分析問題的方法。

（2）信息物理系統的建模內容

本文討論在信息系統仿真平臺上，建立反映能量流與信息流耦合機理與作用的信息流模型，主要建模內容包括三部分。

1）反映物理系統動態特性的設備建模。在信息物理系統中，IED（Intelligent Electronic De?vice）是電力系統業務實現的載體，比如承擔電力系統保護功能的繼電保護IED、負責開關跳合的智能操作單元IED、執行遠動指令的測控IED等。一方面，IED模型遵循IEC 61850、IEC 60870等標準完成電力系統業務對應的信息生成、封裝、傳輸、解析、提取的全生命過程，執行指令，形成閉環；另一方面，IED體現設備數據處理機制與能力，比如IED的光口或者電口的數據收發能力、緩存數據的內存大小、數據處理的先后次序等，完整體現電力系統業務信息流在IED中的處理過程和性能。

2）基于電力系統的通信協議建模。由于電力系統業務對于實時性、可靠性、安全性的獨特要求，電力系統建立了調度數據專網，制定了一系列通信協議和標準，比如用于能量管理系統應用業務的能量管理系統應用程序接口IEC 61970、用于遠動業務的遠動設備與系統IEC 60870、用于變電站業務的變電站通信網絡和系統IEC 61850等。這些通信協議從設備模型、抽象通信服務接口、數據結構與屬性、特定通信服務映射等方面制定了電力系統業務通信規則和流程，而信息系統仿真平臺并不具備相應的協議模型，要準確完整描述信息物理系統的動態過程則建立基于電力系統的通信協議模型。

3）反映能量流耦合作用的信息流建模。在電力系統業務信息化網絡化環境下，電力系統各項業務功能的體現以信息流為載體，電壓電流采樣值體現為采樣值SV（Sample Value）信息流，開關位置信息、跳閘信號、閉鎖信號等體現為GOOSE （Generic Object Oriented Substation Event）信息流，繼電保護定值召喚、修改等體現為MMS（Manufacture Message Specification）信息流等。一方面，電力系統正常、故障等不同運行狀態下，對應的信息流展現出不同的發送規律等動態特性，可能引發網絡故障或者網絡阻塞等，傳輸時延、負載率、丟包率等性能指標也相應變化；另一方面對信息流進行故障分析和動態分析，求解隨機網絡故障和網絡阻塞時的關鍵性能指標，研究信息流與能量流的交互作用機理，采用交替或聯立的求解方法，分析保護控制決策引起的系統潮流分布變化和暫態穩定性問題。

3 智能電網信息物理融合系統建模實例

本文基于OPNET Modeler仿真平臺，以220 kV典型變電站為對象實例，構建了反映電力系統運行動態特性、通信協議以及能量流耦合作用的設備模型和信息流模型，分析了線路故障場景下繼電保護IED和交換機的信息流行為特征，研究能量流與信息流的耦合作用。

（1）智能變電站關鍵對象建模

1）基于IEC 61850的合并單元建模

基于IEC 61850標準的合并單元模型，以面向對象的方法，將功能抽象成若干邏輯節點：數據源節點生成采樣值報文SV，輸出隊列節點按照優先級高低先后處理SV，接口節點完成SV從應用層到數據鏈路層的映射，數據鏈路節點派送SV至發送端口。合并單元模型如圖1所示。

數據源節點將SV采樣值封裝成IEC 61850-9-1/2格式，按照采樣周期發送至間隔層IED。若保護按4 000點/s采樣，則數據源節點SV生成速率為4 000點/s。

SV采樣值數據有2種獲取途徑：1）對確定結構的電力系統求出采集電氣量的解析表達式（如一恒電勢源電路采樣點電流為i（t）），用OPNET函數發生器生成其采樣值；2）通過OPNET外部模塊接口（EMA，External Model Access），從ex?cel、txt、xml等外部文件獲取。基于實際故障錄波或電力系統仿真軟件（如PSCAD/EMTDC）導入相關采樣值數據，可支持復雜電網和實際故障回放的仿真需求。

圖1 基于IEC 61850標準的合并單元模型

2）反映數據處理和動態性能的繼電保護IED建模

以繼電保護IED為例，IED模型應既能完整描述智能變電站繼電保護的數據傳輸與處理過程和動作邏輯，又能定量反映保護的響應時間等動態性能。保護IED主要功能是根據保護算法分析SV采樣值數據，判定保護動作策略，產生GOOSE數據幀，控制智能操作箱動作。

保護IED模型在報文拆封、協議解析和數據傳輸等方面與合并單元模型相似，但應用層模塊有所區別，應用層的狀態轉移如圖2所示。

保護IED設備應用層經初始化后，跳轉到空閑狀態。采樣值報文SV通過物理層和數據鏈路層的協議解析上傳到應用層，產生對應的流中斷，狀態轉移到SV解析處理階段，從數據包中取出本保護算法所需要的相關字段，并結合從智能操作箱上傳的最新GOOSE狀態量，進行保護動作的邏輯判定。

圖2 保護IED狀態轉移

以過流保護為例，電流幅值計算模塊根據SV報文解析結果獲取i（t），求取電流幅值I與保護整定值Iset比較，若I大于Iset，則置跳閘指令變量Atiao為0（開關跳閘）；否則為1（開關合閘）。比較最新上傳的開關狀態，決定是否觸發事件，控制心跳重傳周期。

（2）典型智能變電站仿真算例

本文算例以某實際220 kV智能變電站220 kV側通信網絡為背景。為突出SV/GOOSE/MMS信息流競爭資源最嚴重的場景，同時又體現智能變電站通信網絡發展的趨勢，本文算例采用共網傳輸方式。基于在OPNET平臺上構建了共網傳輸場景下的交換模型，通過分析繼電保護在線路故障下的動作響應情況，網絡拓撲如圖3所示。

圖3 220 kV側拓撲結構

仿真主要以對典型對象的傳輸延時等進行統計分析，結果如表1。

表1 220 kV典型智能變電站線路故障仿真結果

線路故障時，SV傳輸時延較穩態時有不同幅度的增加，最高增幅達到75μs，但仍在報文標準傳輸延時3 ms內。這是因為2 ms跳變的GOOSE優先級高于SV，在共網的情況下，占用傳輸帶寬，造成SV在交換機內的排隊延時增加。

4 結語

電網規模越來越大，信息物理融合系統越來越復雜，能量流與信息流的耦合越加緊密，交互影響越來越大。如何描述電力系統連續動態特性與信息網絡離散動態特性的交互方式與關聯模式，如何體現信息傳輸的隨機動態特性、通信調度策略、互感器和保護控制設備的數據處理過程，如何在在電力系統分析計算中，通過信息流與能量流的耦合分析，實現保護控制決策的全過程動態研究等對智能電網的安全穩定運行至關重要。

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Research on Modeling and Simulation of Cyber-Physical Systems in Smart Grid

WANG Hai-zhu1，CAI Ze-xiang2，HE Rui-wen
（1.Guangdong power grid dispatch control center，Guangzhou510600，China；2.South China University of Technology，Guangzhou510640，China；3.School of automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

With intermittent generation， flexible load has accessed to power grid greatly， the power system dynamic process is accelerated greatly， and mutual coupling between energy flow and information flow becomes an important feature of smart grid. Information network fault may cause sequential or interlock fault and alternate transmission between information network and physical network，which results in cyber-physical systems collapse and threatens to the safe operation of power system seriously.Firstly，based on the increasing of correlation degree between energy flow and information flow，the speed up of power system dynamic process and the influence of global information flow on energy flow，this paper analyzes coupling feature of the smart grid energy flow and information flow.Secondly，this paper analyzes modeling needs，actuality and content of smart grid cyber-physical systems.Lastly，this paper studies the mechanism and effect of the mutual coupling between energy flow and information flow based on a 220kV typical smart substation.

smart grid；CPS；smart substation；IEC 61850

TM71

：A

：1009－9492(2014)12－0074－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.019

王海柱，男，1985年生，廣東茂名人，博士。研究領域：電力系統自動化。

(編輯：向 飛)

*國家自然科學基金項目（編號：51377026）

2014－08－25