面向全球能源互聯網的平行電網體系框架研究

楊德勝，孫飛，吳紅俠

面向全球能源互聯網的平行電網體系框架研究

楊德勝，孫飛，吳紅俠

分析推動現代電網發展的因素和趨勢，結合全球能源互聯網發展要求，提出了建立平行電網的迫切性和必要性。基于社會物理信息系統及平行系統理論，首次提出了“平行電網”的概念，闡述了平行電網的理論、框架和技術。指出平行電網核心是構建與現實電網空間同構的虛擬電網空間，通過虛擬空間電網的計算實驗，確定優化控制策略，引導現實空間電網系統運行，并使虛擬空間電網和現實電網空間平行執行、共同演化，實現對現實電網空間的控制、管理及時空推演。

社會物理信息系統；平行系統；平行電網；虛擬空間電網；平行執行；時空推演

0 引言

隨著傳統的化石能源日漸枯竭，一場以新能源技術和互聯網技術融合的新能源革命悄然興起。美國學者杰里米里夫金在其著作《第三次工業革命》中首次提出了以互聯網技術和可再生能源技術融合的能源互聯網，引發了國內外經濟界和學術界的廣泛關注[1]。為適應清潔替代與電能替代的新要求，堅強智能電網將向全球廣泛互聯方向加快發展，構建全球能源互聯網，為世界經濟社會發展提供更安全、更經濟、更清潔、可持續的能源[2]。全球能源互聯網是以堅強智能電網為核心的復雜多能源系統[3-4]，為支持全球能源互聯，越來越多的電網設備采用嵌入式系統結構。海量的電氣設備、數據采集設備和計算設備通過電網、通信網兩個實體網絡連接，廣泛使用廣域傳感和測量、高速信息通信網絡、先進計算和柔性控制等技術，在一定程度上已經做到了計算、通信和物理世界的融合，具備了社會物理信息系統（Cyber-phy sical-social system，CPSS）的基本特征[5]。

隨著堅強智能電網的推進，電網系統信息化水平不斷提高、網絡化應用的加深，特別是“互聯網+”背景下，信息流和能量流將深度融合并相互影響，共同決定電網系統的功能和行為特征。而且，隨著間歇式電源（如風電、太陽能）、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，電網系統動態過程被大幅度加快，極度依賴于信息反饋和信息決策。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。在此情境下，多種能源耦合的堅強智能電網系統愈加復雜，同時涉及工程復雜性和社會復雜性，并呈現出高度開放化、高度動態演化和高度交互化等特征；基于電網安全及電力價格、環保排放等社會信息，人類消費能源的心理模式和行為模式將更為復雜；能源轉換和使用設備的智能化、能源耦合系統互動化、人類社會信息對能源生產消費的影響等，使信息控制技術對能源系統的影響更為深刻。此種境況下，融合人-系統-網絡-社會于一體的社會物理信息系統（CPSS ）將成為實現未來堅強智能電網中智能企業和智慧管理的基礎，成為互聯互通的復雜電網系統中整合各種資源和價值的有效手段，成為邁向平行化、透明化、扁平化的未來堅強智能電網的切實途徑。

隨著云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、智能技術等新技術的發展，網絡化的虛擬電網空間已成為與現實化的物理電網空間平行的另一空間，堅強智能電網邁入虛實互動的平行時代。如果說，以小型電網為代表的電網1.0時代[6-8]的特征是人工半自動化，以超高壓互聯大型電網為代表的電網2.0時代[6-8]的特征是自動化，以智能電網為代表的電網3.0時代[6-8]的特征是信息化、智能化、網絡化，以新一代能源系統為代表的電網4.0將邁入平行電網時代，那么動態演化、虛實互動、時空一致的平行化，將是平行電網的最顯著特征。

綜上所述分析，本文將現實電網空間與虛擬電網空間相結合，提出在現有的堅強智能電網基礎上，以社會物理信息系統（CPSS）及平行系統理論（ACP）[9]為基礎的平行電網體系框架，構建與現實電網空間同構的虛擬電網空間，通過虛擬電網空間的計算實驗，確定優化控制策略，引導現實空間電網系統運行，并使虛擬空間電網和現實電網空間平行執行、共同演化，實現對現實電網空間的管理、控制及時空推演。

1 平行電網的理論基礎

1.1 社會物理信息系統（CPSS）

自2006美國科學國家基金委員會（NSF）提出信息物理系統（cyber physical system，CPS）概念以來，引起了在國內外學術界和工業界廣泛而深入的討論。歐美國家開展了大量相關技術的研究[10]；日本、韓國、新加坡等也在相關方面進行了大量投入，以增強其競爭能力。CPS作為計算進程和物理進程的統一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統[11]。在國內，中國科學院王飛躍教授在CPS的基礎上，引入了社會信息、人類行為學，從而提出了社會物理信息系統（CPSS）。信息物理系統（CPS）及社會物理信息系統（CPSS）的提出發展為促進電網系統與電網信息系統的深度融合，并最終實現電網智能化的目標提供了新的思路和實現路徑。電網系統是CPS及CPSS特征集中體現的研究領域，圍繞2012年國家863計劃課題“電網海量信息處理、存儲與應用技術研究”，上海交通大學展開電網信息物理模型建模及仿真平臺的深入研究，已取得一定成果。文獻[12-13]提出了電網信息物理融合建模技術、基于融合模型的電網控制技術等關鍵技術；文獻[14-15]提出了構建電力CPS的思路、框架及實現路徑；文獻[16-17]從建模仿真角度，闡述了電力CPS融合仿真建模技術與控制研究框架；文獻[18-19]圍繞微電網的安全運行控制，提出了微電網CPS的物理端融合模型設計、協同管理機制、控制體系框架及云端計算環境等，均具有較強的參考價值。

1.2 平行系統理論（ACP）

科學院王飛躍教授針對復雜系統控制與管理問題提出了平行系統理論[20]，并基于該理論提出了軌道交通平行控制和管理體系框架[21,22]、軍事平行體系及智能指揮與控制體系[23,24]、工業化5.0框架[25]。平行系統由人工系統（Artificial Societies）、計算實驗（Computational Experiments）、平行執行（Parallel Execution）組成，該理論以復雜巨系統的管理和控制為研究目標，利用自然語言處理、機器學習、計算智能、社會計算等先進計算手段，將現實系統（物理世界）與人工系統（虛擬世界）相結合，通過現實系統信息感知輸入優化人工系統，并借助人工系統對復雜現實系統的行為進行“實驗”，進而對其行為進行全面、準確、及時分析、評估及修正，實現針對現實系統管理和控制的滾動式優化執行方案[26,27]。目前該方法已成功應用于電子商務、智能交通、高速鐵路控制、乙烯生產和電力調度等領域[28-31]。

1.3 平行電網認知

基于ACP理論的平行電網核心含義就是把復雜巨系統平行電網中的虛擬的部分，分解成可定量、可計算、可執行的過程。

人工系統（A），即虛擬電網空間：數據來源于現實電網空間，采用語義建模和數據驅動,構建信息與行為之間的反饋；數據來源于虛擬電網空間，通過大數據技術，挖掘出海量信息的電網價值，讓數據說話。

計算實驗（C）：對于電力電價和人類社會負荷，少量可用統計定量分析，多數難以抽象為數值模型，必須用“社會計算”方法。通過集成深度計算、群體廣度計算、歷史經驗計算等社會計算，可以獲得虛擬電網空間系統的各種模態的結果。社會計算必須基于人工社會，采用人工智能建模，而不是傳統的利用計算機對社會建模。

平行電網中，人、社會、輸配電系統、設備運行、電力負荷、信息系統、經濟、環境、安全等系統復雜程度巨增。由于能量流與信息流的深度融合、工作狀態多變、存在嚴重非線性，且需要建立經濟學、管理學、人類行為學對電網系統影響的模型，因此傳統的建模計算方式已經不適應，必須借助于社會計算實現從定性到定量的分析，評估人、社會、信息及電網系統的之間相互深度融合的模型。

平行執行：虛擬電網系統和現實電網空間系統組成一對平行電網系統，虛實平行互動構成新型反饋控制機制，改變了傳統單一解釋模式到雙向解釋模式。通過對虛擬電網空間系統進行各種各樣的計算實驗來相應調整現實電網空間系統的管理與控制策略，反過來，通過現實電網空間系統反饋結果來修正虛擬電網空間系統的模型,使其可能成為現實電網空間系統的備用系統。在虛擬電網空間系統中進行大量可重復、可設計的計算實驗，輸出的結果輸入到現實電網空間系統中進行平行執行。平行執行最顯著的特點是：使常規的被動計算機仿真（或模擬）轉化為平行的主動虛擬電網空間系統，并使其角色從被動模式到主動模式、靜態演化到動態演化、離線狀態到在線狀態，以至最后由附屬的地位提升到平等的地位，充分發揮虛擬電網空間系統在現實電網空間系統管理與控制中的作用。

ACP流程：針對現實電網空間的實際系統流程，構造虛擬電網空間流程，使來自堅強智能電網的物理、社會及信息的知識經驗固定化、計算化、可視化，以嵌入式在線和實時同步反饋的方式實現描述性解析、預測性解析和誘導性解析的功能。目標就是促使現實電網空間實際流程趨向虛擬電網空間流程，從而借助虛擬電網空間流程使得電網系統相關目標的“不確定性、多樣性、復雜性”（UDC）轉化為“靈捷、聚焦、收斂”（AFC），以此實現電網系統的智慧管理。

ACP 步驟：利用人工系統（A，即虛擬電網空間系統）對復雜問題（物理、社會、信息）進行建模；利用計算實驗（C）對復雜現象進行觀察、分析和評估；將虛擬電網空間系統和現實電網空間系統并舉，通過虛實互動，以平行執行（P），引導和管控物理過程。

2 平行電網體系

2.1 概念

平行電網是以堅強智能電網為依托，以“云大物移”為技術支撐，以空間信息平臺為基礎框架，通過3C（Computing、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，利用復雜系統、智能科學、建模仿真等理論，構建與現實電網空間同構的虛擬電網空間，通過虛擬空間電網的計算實驗，確定優化控制策略，引導現實空間電網系統運行，并使虛擬空間電網和現實電網空間平行執行、共同演化，實現對現實電網空間的管理與控制及時空推演。即平行電網由現實電網空間和虛擬電網空間共同構成的系統如圖1所示：

圖1 平行電網概念示意圖

現實電網空間和虛擬電網空間組合之后，將整合虛實系統的資源和能力，形成一個新的、整體功能和性能更加優越的虛實互動系統，進而對現實電網空間進行有效的管理與控制及時空推演，使其具有“靈捷、聚焦、收斂”（AFC）的特性，并可以在各種復雜環境下完成既定的目標。

平行電網體系核心思想是針對復雜的堅強智能電網的管理與控制，運用ACP建模理論，構造現實電網組織及系統與虛擬電網組織及系統能夠并行互動的平行電網體系；目標是使現實電網組織及系統趨向虛擬電網組織及系統，而非虛擬電網組織及系統逼近現實電網組織及系統，進而借助于虛擬電網組織及系統使復雜問題簡單化，使虛擬電網空間和現實電網空間平行執行、共同演化，以此實現復雜堅強智能電網組織及系統的管理與控制及時空推演。

2.2 特征

平行電網利用ACP建模理論，構建與現實電網空間平行執行的同構虛擬電網空間，采用計算實驗方法，通過現實電網空間與同構虛擬電網空間的平行執行、共同演化、反饋控制和時空推演，為堅強智能電網提供智能決策支持。平行電網具有如下特點：

1）時空一致：平行電網將現實電網空間映射到虛擬電網空間，其運行過程中將會持續接收現實電網空間傳送的海量實時數據，需要具備高性能社會計算能力支持虛擬電網空間模型的查詢匹配、修正以及虛實互動，并為了保證智能決策支持的實時性，故平行電網具有時空一致性；

2）雙向交互（虛實互動）：通過學習與培訓、實驗與評估和管理與控制及時空推演結果反饋，虛擬電網空間可以直接影響或改變現實電網空的管理、操作控制行為，這不再是傳統的單向解釋模式，而是一種雙向交互模式，故平行電網具有雙向交互特征；

3）動態演化：平行電網運行過程中可根據現實電網空間源源不斷的新問題新發現，采用計算實驗方法，對虛擬電網空間模型進行不斷修正，使其通過平行執行和動態演化使現實電網空間不斷逼近虛擬電網空間，故平行電網具有動態演化特征。

2.3 平行管理

為實現虛實結合的平行控制，平行電網平行管理如圖2所示：

圖2 平行電網的平行管理與控制

圖2左半部分是目前堅強智能電網現實電網空間，主要包括電網一次設備、電網二次設備和人與社會。右半部分為本文提出的虛擬電網空間，采用構建人工系統、計算實驗和平行執行（ACP），實現對現實電網空間的建模、計算和控制；基于ACP的虛擬電網空間和現實電網信息化、自動化空間系統形成社會物理信息系統（CPSS），是構建平行電網的基礎設施；采用ACP反復觀察評估后，通過虛實平行互動，形成“靈捷、聚焦、收斂”AFC的分析、決策和執行過程，最終利用虛擬電網空間系統對現實電網空間系統實施閉環有效的管控與控制及時空推演。

虛擬電網空間系統從現實電網空間通過大反饋獲得堅強智能電網系統的電網一次設備、電網二次設備、現場運行及社會信息等大數據，通過數據驅動和語義建模，進入虛擬電網空間。虛擬電網空間基于CPSS、ACP及AFC等建模、計算和控制過程，形成優化的控制決策策略、通過大閉環引導現實電網空間系統優化運行。

虛擬電網空間完全在虛擬的計算機及網絡化空間，可以根據現實電網空間的大數據，充分分析數據、進行各種計算實驗、從而獲得優化的決策。如在接受各種物理電網信息、排放節能信息、社會信息后，虛擬電網空間系統可充分進行各種實驗進行對比和比對，在對比過程中不會干擾物理電網系統的安全、可靠運行，通過對比和比對可以獲得優化物理電網生產管理的優化控制及時空推演策略，從而指導現實電網空間的運行。

2.4 體系架構

對象層：對應物理世界的電網系統，包括從電力生產到消費的各個環節，主要有電網一次設備、電網二次設備、事件以及人與社會對電網系統的影響如圖3所示：

圖3 虛實互動的閉環組態式平行電網的體系架構

感知層：包括兩部分，一部分是目前現有的電網自動化系統及信息系統，主要包括能量管理系統、配電網管理系統DMS和廣域監控系統。另一部分是在物聯網和多種電力通信模式下，人與社會對電力負荷的互動，將更加快速方便和密切。會從互聯網、移動互聯網及物聯網等收集大量信息，并作用于電網系統，稱為感知與執行；感知和執行產生的信息包含大量的經濟指數、天氣、環保排放等人與社會因素，需通過云計算、大數據分析、計算智能及社會計算，形成有效的價值信息。

存儲層：通過云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、GIS等數據采集分析技術，將感知層形成的數據分類存入生產數據、設備運行管理、調度功率和社會信息等數據庫中。

特征提取及知識合成層：采用自然語言處理、人工智能技術、深度機器學習等技術，實現對存儲層的信息數據特征提取和知識合成。

解析層：基于特征提取及知識合成獲得的知識、信息及特征，建立虛擬電網空間系統各環節模型和系統模型，實現現實電網空間系統同構的虛擬電網空間系統的構建，完成對現實電網空間系統的解析。

平行控制層：基于虛擬電網空間系統模型，采用計算實驗，獲得優化控制及時空推演策略，采用平行執行模式，實現對虛擬電網空間系統和現實電網空間系統的同步反饋。平行執行對現實電網空間系統，可以通過能量管理系統EMS、配電網管理系統DMS、廣域監控系統WAMS和感知及執行環節，修改電網系統運行優化策略設定值，引導人與社會的活動；平行執行可以調整虛擬電網空間系統的模型、參數、運行方式，使虛擬電網空間和現實電網空間平行執行、共同演化，以此實現復雜堅強智能電網組織及系統的管理與控制及時空推演。

3 總結

本文結合全球能源互聯網進程，基于社會物理信息系統及平行系統理論，提出了“平行電網”的概念，闡述了平行電網的理論、框架和技術。

當前我國正處在能源變革的關鍵時期，全球能源互聯網是以堅強智能電網為核心和紐帶，具有“橫向多能互補, 縱向源網荷儲協調”以及能源流和信息流雙向流動強耦合的復雜互聯巨系統，從而可以實現整個能源網絡的“清潔替代、電力替代”。需要將管理學、社會學、心理學融入用戶行為模型，將人類社會泛在的節能、安全、排放、經濟等信息，以及人類的思維、習慣、行為等因素納入堅強智能電網系統中。因此進入互聯網+時代的智能電網就形成典型的社會物理信息系統，即邁入平行電網時代。

通過平行電網建設，可以實現對現實電網空間、虛擬電網空間以及兩者平行執行過程，進行動態監控，從而掌握能源流、信息流與虛擬電網空間系統過程；“以網絡化為中心”代替“以設備化為中心”的管理和控制模式及時空推演策略；能量流的物理守恒規律、信息流的社會規律信息、虛擬電網空間系統的知識自動化規律相互深度融合，從而引導堅強智能電網符合社會發展需求、環保排放要求、具有個性化的控制與優化運行。

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圖9 三種插值濾波器的脈沖響應

三中濾波器都滿足基點能被精確內插，立方濾波器最接近理想特性，但線性濾波器已經能得到很好的結果。定時誤差有正有負，只有在定時準確的情況下才會是零，如圖10所示：

圖10 定時誤差波形圖

5 總結

在全數字接收機中,傳統的符號同步方法已經不再實用,可以采用基于Gardner環的同步方法，利用插值濾波器近似算出最佳抽樣值，進而實現同步。仿真表明線性插值濾波器就已經能得到很好的效果，通過定時誤差的輸出來調整控制器，調整重采樣時間獲得最佳采樣值。

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（收稿日期：2016.01.22）

Research on Global Energy Internet Oriented Parallel Grid System Framework

Yang Dengsheng, Sun Fei, Wu Hongxia
(State Grid Communication Industry Group CO.,LTD, Anhui Jiyuan Software CO.,LTD, Hefei 230088, China)

The paper analyzed the factors and trends which promoted the development of modern power grid, and combined with the development of the Global Energy Internet, it put forward the necessity and urgency of setting up a parallel grid. This paper put forward the concept of —parallel grid” for the first time, which is based on CPSS and ACP. It described the ory, framework, technology for parallel grid, and then discussed content and technique of parallel grid. It was pointed out that the core of parallel grid is to build a virtual grid space which is structured with reality grid space. Through computational experiments on the virtual space grid, it determined the optimal control strategy, and guided the operation of the realistic space grid system. After that, virtual space and realistic space grid will parallel execution. The methods will achieve the control, management and spatial reasoning for the realistic space grid.

CPSS; ACP; Parallel grid; Virtual grid Space; Parallel execution; Spatial reasoning

G642.0

A

1007-757X(2016)10-0054-05

2016.04.21）

楊德勝（1982-），男，郎溪，國網信通產業集團有限公司，安徽繼遠軟件有限公司，工程師，研究方向：電力行業數據挖掘和人工智能，合肥 230088

孫 飛（1986-），男，安慶，國網信通產業集團有限公司，安徽繼遠軟件有限公司，助理工程師，研究方向：電力行業信息化項目建設管理和數據挖掘，合肥 230088

吳紅俠（1986-），女，六安，國網信通產業集團有限公司，安徽繼遠軟件有限公司，工程師，研究方向：數據分析和管理咨詢，合肥 230088