電力CPS研究綜述

顏 誠 吳文宣 范元亮 蔡金錠

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電力CPS研究綜述

顏 誠1,3吳文宣2范元亮3蔡金錠1

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108； 2. 福建省電力有限公司，福州 350001； 3. 福建省電力科學研究院，福州 350007）

電力信息物理融合系統（CPS）是電力系統的一個全新領域，并對國民經濟和社會發展影響重大。本文首先介紹了電力CPS的概念、特征和結構模型，接著從基礎理論和應用研究兩方面綜述了電力CPS的研究現狀，包括建模理論、系統框架、仿真技術、安全性與可靠性及能源互聯網等方面，最后，總結了電力CPS的幾點發展趨勢，并提出了發展建議。

電力CPS；建模仿真；安全性；可靠性；能源互聯網

隨著信息技術的快速發展以及全球對節能減排的持續關注，電力系統已經開始發生變革。相比傳統電網，智能電網具有以下幾個優點[1]：高效、可自愈、高可靠性和高安全性。智能電網也越來越受到關注。智能電網具有大量的傳感設備并高度依賴通信網絡，而傳統的電力系統建模、分析、優化與控制方法體系將電力一次系統和電力信息系統相互割裂，不能滿足智能電網的發展。信息物理融合系統（cyber physical system, CPS）的提出與發展對促進物理系統與電力信息系統的深度融合，并為最終實現電網智能化的目標提供了新的思路與途徑。CPS是將計算資源與物理系統深度融合所構成的新型系統[1-9]。

電力CPS是一個全新的領域，考慮到電力CPS與國民經濟和社會發展關系重大，國內外已經掀起了研究電力CPS的熱潮，我國也開始對電力CPS的研究，國家自然科學基金、科技部973計劃和863計劃都已將CPS列為重點資助領域。然而，目前業界對于電力CPS的研究成果卻依然非常稀少，研究者可以借鑒的資料還非常有限，因此有必要對電力CPS進行深入研究。

基于上述背景，本文闡述了電力CPS的概念、功能及基本結構，并查閱現有國內外文獻，對電力CPS的研究現狀進行了綜述，最后總結了電力CPS的發展趨勢并提出了相關建議。

1 電力CPS概述

1.1 CPS的定義

信息物理融合系統（CPS）是通過計算、通信與控制技術的有機與深度融合，實現計算資源與物理資源的緊密結合與協調的新一代智能系統[1]。文獻[1]中給出的CPS的諸多特點，將使CPS具有明顯強于現有工業系統的適應性、靈活性、安全性和可靠性。從長遠來看，所有物理系統均可以聯網成為CPS的一部分。CPS的框架結構如圖1所示。

圖1 CPS的框架結構

1.2 電力CPS介紹

隨著電力系統通信智能與配電自動化等領域的飛速發展，未來的電力系統不僅僅局限于物理系統，更需要考慮通信網絡及其與物理系統的關系，因此，利用CPS的巨大優勢，在CPS的基礎上發展電力CPS符合未來電力系統的發展需求。作為CPS在電力系統領域中的應用，電力CPS繼承了CPS大規模、分布式、異構等特點，可以實現計算、通信、傳感和控制等功能。在此基礎上實現支持可再生能源和分布式能源、高可靠性和安全性、支持用戶側參與等是電力CPS必須具備的功能。

1）電力CPS定義和功能

目前業界尚沒有對電力CPS給出統一的定義。本文將電力CPS定義為：充分融合電力系統物理網絡與信息網絡的多維異構系統，通過計算設備、傳感設備、通信設備、物理設備等的相互協同，實現電力系統運行性能的最優化[2]。

作為新一代電力系統的基本架構和未來統一CPS的子系統，電力CPS必須能夠實現計算、通信、傳感、控制和電力系統的無縫集成，并可在統一的通信和接口標準下與其他CPS子系統實現信息共享和協作。由于智能電網的各種“智能化”屬性必須依靠先進信息技術才能實現，電力CPS概念的提出是智能電網概念不斷完善的結果[3]。在滿足傳統電力系統功能的基礎上，結合CPS和智能電網的特點，電力CPS還應具有如下功能：

（1）具有智能電網要求的可靠性、自愈性、互動性以及支持用戶側參與等功能。

（2）對大電網中所有物理實體和信息系統統一控制和全局優化的功能。

（3）能夠實現電力系統中的物理系統和信息系統的實時監控和交互式綜合計算。

（4）能夠實現電力物理系統和信息系統間的無縫集成。

（5）在電力CPS融合海量系統運行、裝置和外部信息的基礎上實現全系統狀態感知。

（6）滿足裝置“即插即用”，能實現集中控制與分散控制。

（7）能夠方便實現系統拓展以及與其他CPS系統的融合。

2）電力CPS的體系結構

考慮電力系統的特點，現將電力CPS的整體模型結構描述如圖2所示[4]。

圖2 電力CPS的整體模型

圖2中的虛線表示信息流，實線則表示電能流。從圖2可以得出，電力CPS的組成部分主要有：①大量的計算設備（服務器、計算機、嵌入式計算設備等）；②數據采集設備（傳感器、PMU、嵌入式數據采集設備等）；③物理設備（大型發電機組、分布式電源、負荷等）。其中，各種物理設備通過輸配電網絡相互聯接，而各種信息設備則通過通信網絡相互聯接。

電力CPS可以分為如下幾部分：①控制中心；②分布式計算設備；③通信網絡；④輸電、配電網絡；⑤電源和負荷。

電力CPS的上述幾個部分的功能，可以參考文獻[4]，不再贅述。文獻[4]還給出了電力CPS研究所要面臨的挑戰，也就是未來的發展方向：①基礎理論和系統模型；②系統仿真算法；③安全性； ④可靠性；⑤系統設計、規劃與運行調度；⑥電力CPS的標準化。

2 電力CPS的研究現狀

近幾年，有一些學者針對CPS與電力系統的結合做了些初步的研究工作。本文結合現有文獻，就電力CPS的基礎理論和應用研究兩方面展開分析。

2.1 電力CPS建模與仿真

1）建模基礎理論

文獻[5-13]對電力CPS的建模做了初步嘗試。文獻[10]中首先提出了電力CPS的概念。

文獻[4]提出了建立電力CPS的思路和框架，并討論了電力CPS研究中所面對的主要挑戰。首先，文獻[4]概述CPS的概念、主要功能和技術特征；接著，構造了電力CPS的架構和主要組成部分，指出了實現電力CPS若干關鍵技術；最后，從基礎理論、建模方法、仿真算法、安全性分析可靠性分析系統設計與規劃、運行調度、標準化等方面討論了電力CPS研究中所面對的主要挑戰。

文獻[9]闡述了電力CPS的概念及研究現狀，提出了由4個關鍵技術組成的研究體系，包括：電力CPS建模技術、電力CPS分析方法、基于融合模型的電網控制技術、基于融合模型的形式化驗證。在此基礎上，展望了電力CPS在能源互聯網、主動配電網以及傳統電網中的應用。

文獻[11]對物理系統及信息故障進行分析評估后，提出了一種CPS融合建模方法。該方法將CPS系統抽象為一個有向拓撲圖，運用了全系統信息—能量混成計算方法分析系統的信息—物理耦合特性，通過矩陣運算對系統的信息—能量流進行量化計算，經過計算求解得出該方法可有效提升計算速率。

現有的信息系統和電力系統是基于完全不同的理論基礎建立起來的。理論基礎和建模方法上的不同是電力系統和信息系統兩個領域互相割裂的根本原因。因此，發展信息系統和電力系統的統一建模理論是研究電力CPS時要解決的最關鍵和最急迫的任務。

2）建模仿真應用

文獻[11]通過融合建模方法有效提升了電力系統系統的計算速率。文獻[12]從確保物理、信息模型的一一對應出發，探討了建立單個、集成多個物理信息融合（CP）模型的方法，并將該方法運用在光伏、儲能的場景上，分別建立了各自的動態物理模型和靜態信息模型。在文獻[12]的基礎上，可以考慮對更大規模電力系統進行CP建模研究，最終解決CPS急需考慮的全局優化協調控制問題。

文獻[13]以信息流動的視角，結合圖論、矩陣分析等理論，提出信息流的建模思路和靜態計算方法，并利用算例分析驗證了該方法的可行性。就目前來說，業界對于信息流建模和計算方法的研究還微乎其微，對于電力CPS，在傳統電力系統能量流的基礎上，考慮信息流的建模及其對能量流的影響，是電力CPS必須面對的問題。

文獻[14]綜述了電力CPS建模仿真的研究，包括：面向安全評估、面向關聯關系和面向實驗分析三大方面。文中也提出了借鑒國外經驗的必要性，國外對于CPS的研究比我國開展更早，目前研究成果也略為豐富，對國外經驗的吸收，有助于我國電力CPS研究。

系統仿真是分析系統行為特征、實現系統最有控制的重要工具。針對新的系統模型，必須研究與之相適應、有效的仿真算法。考慮到電力CPS的規模和仿真計算量，研究重點將是分布式仿真算法。

2.2 系統框架體系

現有文獻對于電力CPS的框架結構研究并不充分，現將已有文獻綜述如下。

文獻[15]首先對電力CPS的體系結構展開研究。文獻[16]討論了包含通信、傳感及物理實體聯接的CPES體系結構。文獻[17]提出了應用層、網絡層、聯接層、協調層、調節層和物理層的微電網CPS的6層控制體系框架，然后采用Agent技術建立微電網CPS物理端節點的Agent模型。當然，文獻[17]提出的微電網CPS只是一個原型，該模型還需要進一步完善與改進。

文獻[18]基于文獻[17]所提出的微電網CPS架構體系，首先，提出了針對微電網CPS中電氣物理設備端節點的融合模型；接著，提出一種新穎的環形協同管理機制，以滿足靈活調度和管理大量物理設備端節點的信息資源；最后，基于此模型設計了微電網CPS的運行平臺。文獻[19]采用了包括決策層、網絡層和物理層的CPS框架。文獻[20]則給出了包含應用層、認知層、網絡層、控制感知層和物理層的電力CPS框架。

電力CPS融合了通信系統、測量裝置及通信網絡等不同于傳統電力系統的結構，現有的電力系統架構已經逐漸不再適用，因此對電力CPS的架構體系研究有其一定的意義，在此基礎上才能更好地實現分散控制與集中控制等電力CPS的功能。

2.3 電力CPS的安全性與可靠性

鑒于安全性與可靠性兩者需要兼顧，在研究電力CPS的安全性時，也自然會考慮到可靠性，因此本文將安全性和可靠性歸為一類進行分析。

1）基礎理論研究

文獻[21-22]初步研究了電力CPS的安全性與可靠性問題。鑒于攻擊方選取的攻擊模式和對象因目不同而有明顯差異，文獻[23]對電力CPS的網絡攻擊分為無特定目的、以獲取經濟利益為目的、以破壞電網穩定為目的3類，分別進行討論。分析了無特定目的網絡攻擊和信息系統自身隨機失效與異常對電網的影響，討論了智能電表和SCADA中的針對性入侵檢測方法。

文獻[24]先介紹電力信息物理融合系統的背景，再以烏克蘭電網為例給出電力系統網絡攻擊實例分析。對電力CPS網絡攻擊進行定義和分類，然后指出其應用場合，并針對中國的電力CPS網絡攻擊進行研究分析。最后闡述了電力CPS網絡攻擊未來的幾個重點研究方向：①主動響應配電網環境下的電力CPS網絡攻擊研究；②考慮網絡攻擊的電力CPS可靠性評估方法；③網絡攻擊環境下的電力CPS混合仿真方法。

文獻[25]提出了基于攻擊圖的CPS安全風險評估方法。該方法將信息域與物理域作為一個整體進行建模，然后綜合考慮多個跨域攻擊對系統風險的影響。文獻[26]則提出了一種基于改進攻擊圖的量化評估方法。文獻[27]根據風險評估模型建立了電力CPS基于攻防場景的脆弱性評估框架，基于博弈論中用于描述動態攻防博弈的多層數學規劃模型，提出了電網攻防動態博弈3層數學模型。

2）應用研究

文獻[26]提出了一種基于信息物理融合系統（CPS）思想的多源配電網區域保護方案，該方案能克服目前基于單端信息保護方案的弊端。該方案以CPS保護終端為界將配電網分區，與同一區域關聯的CPS終端通過通信網絡共享信息，使每個終端都能獲得關聯區域邊界處的運行參數，嵌入在CPS終端中的計算機程序實時處理獲得的信息，判斷故障是否在關聯區域的內部發生，從而實現區域的保護。

文獻[28]則提出了一種基于改進攻擊圖的量化評估方法，以準確評估各類跨空間連鎖故障對電力CPS的危害性。文獻[28]首先提出了攻擊圖頂點的脆弱性因子概念并推導其計算公式；接著，將電力CPS涵蓋的網絡攻擊、電力二次設備故障等安全風險抽象成改進攻擊圖的頂點，建立各頂點之間的因果邏輯關系；最后，基于110kV智能變電站仿真環境搭建了局部電力CPS模型，并進行仿真評估其危害，驗證了文獻[28]中方法的有效性。

文獻[27]基于博弈論提出了電網攻防動態博弈3層數學模型，并通過算例IEEE的5機14節點系統仿真驗證模型的正確性。不過，文中建模只考慮了物理網絡的研究，筆者認為對于電力CPS脆弱性的后續研究應考慮到CPS的信息網絡，并且也需要考慮多方面的信息攻擊對電力CPS的影響。

電力CPS是國家的關鍵性基礎設施，如何保障其安全性及可靠性是需要重點研究的課題。考慮到息系統和電力系統的安全和可靠性理論已經相對成熟，今后的研究重點應著眼于如何融合現有的信息系統和電力系統理論，構建統一的電力CPS安全性和可靠性理論[29-33]。

2.4 能源互聯網

能源信息物理系統（ECPS）由CPS發展而來，其子系統包含了靜態參數如資產信息、利用效率等和動態參數如實施測量、控制、保護等。

ECPS具有自適應性、自主性、高效性、功能性、可靠性和安全性等特點，是一個智能的、有自主行為的系統，具有重要的研究和應用前景。

1）基礎理論研究

目前，國內相關的研究正處于起步階段。文獻[30]基于能源互聯網的背景下提出了6層電力CPS互聯參考模型：包括應用層、認知層、網絡層、控制感知層及物理層。文獻[31]在能源互聯網架構下，提出了一種基于信息物理融合的多層次能量信息化管理與分配策略。文獻[32]在能源互聯網的背景下，圍繞能源生產、傳輸、存儲和分享深入探討互聯網與能源系統的融合。文獻[33]提出了分布式新能源接入能源互聯網的信息物理廣域關聯接口的概念，以實現分布式能源相關信息在能源互聯網中廣泛流通，終端接口參與更廣范圍的分析調節。文獻[34]提出了一種基于信息物理融合的能源互聯網模型。

2）應用研究

文獻[31]在能源互聯網架構下，實現了能源的最優調度和利用。文獻[32]在能源互聯網的背景下，對基于CPS的能源互聯網應用前景進行研究。文獻[34]提出了一種基于信息物理融合的能源互聯網模型，實現了考慮網絡多時間尺度下的分布式設備即插即用的功能，分析得模型具有較強適應性和可行性。

結合當前的研究現狀和電網發展，本文認為，未來電力CPS與能源互聯網之間的研究，應著重于技術、二者融合算法及具體應用等多個層面。

2.5 系統規劃與運行調度

考慮分布式電源和智能負荷的控制問題，是電力CPS的調度問題區別于傳統調度問題的一大特點。電力系統會因為各種分布式能源的接入而增加更大的不確定性，研究電力CPS的優化調度有其重要的現實意義。

國內學者已經著手研究該問題。文獻[35]基于CPS和最優動態閉環控制對互聯電網最優自動發電控制（AGC）策略進行了研究。文獻[36]基于模糊粗糙集（FRS）大數據處理方法，綜合考慮經濟和排放因素，分析了火電機組節能環保負荷的優化分配。文獻[37]基于信息物理系統，對孤島微網實時調度的一致性協同算法進行了探討。文獻[38]則在互聯電網CPS標準下，構建了計及一次調頻的最優AGC的控制模型。文獻[39]提出了基于多代理系統的一致性控制模型。文獻[40]在成本微增率作為一致性變量的前提下，研究了經濟調度的安全分布式的計算分析。文獻[41]將文獻[40]的技術運用于AGC動態功率分配。文獻[42]采用平均一致性算法，以解決全局量的分布式統計問題。

綜上所述，目前學術界對于電力CPS的研究正處于起步階段，通過整理，現有文獻在電力CPS的基本定義、架構體系、建模仿真以及安全可靠性方面有了一定的研究，但是還有許多問題需要進一步的探究，還有許多關鍵技術亟待解決。

3 電力CPS發展趨勢及建議

通過對現有相關文獻的整理可以發現：①尚不存在能夠全面而準確的計及信息系統與電力系統交互過程的CPS建模理論與方法；②針對電力CPS的理論、模型、方法、算法和計算與實現工具等方面的研究仍處于剛剛起步甚至是空白狀態。因此，電力CPS的研究有待開拓和深入。結合現有研究及前文論述，本文提煉出電力CPS的7點發展趨勢[43]，并進一步給出發展建議。

3.1 發展趨勢

1）建模理論與方法

現有文獻對于建模理論方法、體系架構進行了比較多的探究，而對電力CPS的研究還處于比較粗淺的狀態，未能對電力CPS提出統一的建模理論方法和較為合理的架構體系。在今后的研究中，應對電力CPS統一建模理論、分析方法及架構體系等方面進行深入探究，并需要考慮電力CPS兩大系統之間的交互影響機理。

2）電力CPS仿真技術

就目前的研究而言，優化仿真算法研究還處于空白狀態，電力CPS的仿真技術還不夠完善。電力CPS仿真技術是分析環節的重要工具，因此，構建電力CPS數模混合仿真平臺能夠有效解決電力CPS仿真問題。考慮到電力CPS是信息與物理系統的融合，故在電力CPS的仿真中應充分計及信息層面與物理層面的綜合仿真。

3）架構體系及控制方法

經本文討論，電力CPS的架構體系研究還很不足，其控制方法也略顯蒼白。不過，隨著電力系統地發展，越來越多的通信網絡、測量單元、分布式計算設備等接入電網，傳統的電力系統架構體系已經不再適用，提出一種新型的架構體系以及控制方法顯得尤為重要。

4）電力CPS安全與可靠性技術

現有研究對于安全性和可靠性研究最多，不管在建模、仿真、控制技術還是在規劃層面，都必須考慮到電力CPS的安全可靠性。當電力系統不能安全可靠運行時，研究也顯得毫無意義。現有文獻提出了許多可行性方法，諸如基于攻擊圖及改進攻擊圖等。與傳統電力系統相比，電力CPS更需要考慮的是網絡攻擊及其之后的聯鎖故障反應，即信息系統故障對物理系統安全性和可靠性的影響。

5）電力CPS的設計與規劃技術

文獻[35-38]的AGC策略、文獻[36]的優化分配、文獻[37]一致性協同算法都是電力CPS規劃需要實現的一部分。而現有資料對于電力CPS的設計和規劃內容研究還比較少，因此綜合考慮電力CPS的經濟性、準確性、供電質量、通信可靠性等的規劃問題是以后電力CPS的一大重點內容。

6）電力CPS標準化

由于電力CPS的研究仍處于起步階段，目前國際及國內尚不存在通用的國際標準，這對于發展電力CPS是一大阻礙，其標準化問題應盡早解決，以期對各國研究電力CPS提供一個參考。

7）與能源互聯網的關系

能源互聯網是新型電力電子技術、信息技術、分布式發電、可再生能源發電技術和儲能技術的有機結合，能夠有效地應對日益加劇的資源和環境壓力[44]。結合當前的研究現狀和電網發展現狀，電力CPS的發展不可避免的應處于能源互聯網的大背景下，以實現其安全性、經濟性、環保性等。

3.2 發展建議

為了實現電力CPS在未來的電力系統中全面鋪開，以實現其智能化、自主化等目標，下面立足我國電力系統發展，并借鑒國外經驗，針對電力CPS發展趨勢提出以下建議：

1）本文列舉的一些典型的建模仿真方法還存在許多不足，在今后的建模仿真研究中，需要考慮電力CPS兩大系統之間的交互影響機理。對于電力CPS中的計算單元，可以采用排隊論和隨機過程進行建模。對于龐大復雜的通信網絡，則可以考慮有窮自動機驅動下的微分代數方程組來模擬。也可以Markov鏈、貝葉斯網絡、攻擊樹等方法或者其中兩者的結合運用。

2）電力CPS以實現物理系統的全局優化控制為主要目的，在現有的傳統電網控制架構和主動配電網控制架構的基礎上，可以考慮包含物理層、應用平臺層、網絡層、決策層、資源管理層及CPS層的六層分層分布式控制架構體系，以適應當前電力系統的結構。在此基礎上可以考慮長時間尺度下的協同控制優化策略等控制方法。

3）對于電力CPS而言，其安全性問題來源于網絡攻擊和物理攻擊，主要來自網絡攻擊，故有必要針對研究其安全防御措施。在此之前，必須考慮電力CPS中的跨空間聯鎖故障，研究其產生機理和傳播機制，對脆弱性節點進行辨識，然后研究電力CPS的網絡安全評估方法，最后形成安全防護措施。可以從物理和網絡攻擊聯合、不同種網絡攻擊注入、攻擊的成功率等方面研究安全措施。針對該問題，可以采用的方法有細胞自動機、貝葉斯網絡、攻防博弈論等。

4）規劃與標準化都是一個系統或體系必不可少的一部分，對于結構復雜、網絡龐大的電力CPS而言，規劃設計與標準化則顯得尤為重要。標準化是對電力CPS的一種規范，對通信協議、綜合建模機制等的統一，有利于實現設備即插即用、支持開放式通信等功能的實現。電力CPS的規劃設計，則需要考慮配電網架、通信拓撲及信息系統之間的相互影響，綜合功能質量、經濟性、通信網脆弱性及可靠性等方面建立一個多源異構的電力CPS規劃新方法。電力CPS的合理規劃對電力系統的經濟性、安全性運行至關重要，對國家經濟和社會發展有重要影響。

4 結論

電力信息物理融合系統（CPS）是電力系統的一個全新領域，其對國民經濟和社會發展意義重大，國內外都相當重視對電力CPS的研究，然而現有的成果、文獻卻很有限，研究范圍還有一定的局限性，研究內容也比較粗淺。國內對于電力CPS的研究還處于起步階段，各方面理論技術都不夠成熟，因此，國家與科研工作者的任務還非常繁重。而在理論研究之后，如何將現有的和以后的電力CPS研究成果應用于我國電網，并進一步推廣應用，是電力CPS科研工作的一大挑戰，也是一大機遇。

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Research Summary of Power CPS

Yan Cheng1,3Wu Wenxuan2Fan Yuanliang3Cai Jinding1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108; 2. Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350001; 3. Electric Power Reserch Institute of Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350007)

Power cyber-physical systems (CPS) are a new field of power system，and has great influence on national economy and social development. The concept, characteristics and structure model of CPS are first presented. Then, the research status of power CPS is summarized from the basic theory and application research, including modeling theory, system framework, simulation technology, security and reliability, and energy Internet. Finally, the development trends of CPS are discussed, and some suggestions are provided.

power CPS; modeling and simulation; security; reliability; energy internet

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2015AA050202）

顏 誠（1993-），男，碩士研究生，浙江金華人，研究方向為電力CPS規劃。