基于信息物理社會系統的數字電網技術架構

張 斌，馮廣宇，郭志誠，朱璧君，沈錢鋒

(1.南方電網數字電網研究院有限公司，廣東 廣州 510700；2.電力規劃設計總院，北京 100120；3.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

2007年，美國學者提出信息物理系統(cyber-physical systems，CPS)，其研究重點是以信息技術在物理系統中的廣泛應用促成物理系統的高度信息化。然而，CPS的相關研究主要關注其工程復雜性要素，在復雜系統中，人常作為其設計者、建造者、最終使用者和運營管理者，以人因為代表的社會復雜性要素在系統各個部分都不容忽視。為了實現復雜系統安全、可靠和高效等目標，工程復雜性要素和社會復雜性要素需要綜合研究，并向全要素綜合集成和深度智慧方向不斷進化，逐步形成多維度融合的信息物理社會系統(cyber-physical-socialsystem，CPSS)。CPSS通過傳感器網絡完成信息系統和物理系統的連接，并通過社會傳感器網絡連接信息系統和社會系統。

社會物理信息系統[1]，是通過傳感器網絡完成信息系統和物理系統的連接，并且通過社會傳感器網絡連接了社會系統和信息系統[2]。2017年，薛禹勝院士將該理論引入能源系統[3]。電力系統從產生之初便是信息物理社會系統，本質上是以物理電力系統為基礎，以社會公共服務為導向，以信息技術為主要手段構建高度融合的信息物理社會電力系統CPSS的過程。CPSS包含了社會系統(social system)、信息系統(cyber system)、物理系統(physical system)三個子系統，以信息系統促進電網與社會系統之間建立更深入、廣泛的聯系，電力數據與社會數據高度融合互動，構成具備特大規模數字化服務能力的融合型社會公共基礎設施，服務新型電力系統構建戰略和雙碳目標[4]。

本文基于信息物理社會系統理論從物理、社會、信息三個維度構建了數字電網技術體系，展開研究了各個維度的系統技術體系，并基于研究成果展望了數字電網未來的研究方向。

1 數字電網的技術框架

本文對數字電網標準體系按照系統性、繼承性、協同性、開放性的原則進行構建。依據電力信息物理社會系統架構所包含的基本面，將數字電網現有技術體系按照CPSS架構分別從分為物理層、信息層、社會層3個層面展開。圖1中的三維立體結構表現了數字電網的信息物理社會系統技術架構，三個子系統在數字電網各領域各環節相互融合相互促進。物理系統即為物理電網的現實世界，以發、輸、變、配、用、全生命周期為主線，實現能量的傳輸與配送，物理系統數字化是通過物理系統的傳感器實現全域設備數字信息的全覆蓋，實現數字電網實時可觀可測可控；社會系統分為規劃設計、工程建設、調度運行、運行檢修、市場營銷、人財物管理等方面，并向社會層面延伸至電網企業、政府、能源價值鏈上下游等相關方的跨界協作，社會系統數字化是通過電網內外業務活動的數字信息全面采集，實現信息流價值流的雙向流通。數字電網架構下，物理系統和社會系統之間將建立更緊密、更廣泛的聯系，支撐物理系統、業務系統數字化信息的交叉融合。數字電網一方面以電網設備重資產作為生產要素，通過傳輸能量流實現對經濟社會高質量發展的支撐；另一方面將電力數據輕資產作為生產要素，通過數據分析挖掘實現用戶個性化服務、支撐政府決策，繁榮電力數字經濟與生態。信息系統貫穿感知層、網絡層、數據層、平臺層、應用層5個方面，是連接物理系統和社會系統的重要網絡媒介，以先進數字技術提升信息分析處理效率與質量，賦能物理系統智能化重構，促進電網安全、可靠、綠色、高效運行；賦能業務系統創新重塑，提升電網企業生產、經營、管理效率與質量。同時，能量流、價值流的發展也會帶動信息流的快速流動，支撐信息技術進一步發展。

圖1 數字電網總體技術架構

2 物理系統

物理系統主要由電力設備構成，設備分為一次設備和二次設備，一次設備是直接用于生產、輸送和分配電能的電氣設備，二次設備是對電網一次設備進行監察、測量、控制、保護、調節以及為運維人員提供運行工況或生產指揮信息所需的低壓輔助性電氣設備。

2.1 一次設備

一次設備涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電各個環節，覆蓋全部電壓等級。一次設備的具體設備細分見表1所列。

表1 一次設備包含內容

2.2 二次設備

二次設備從功能角度分為繼電保護設備、調節控制設備、通信設備、監測設備。繼電保護設備負責檢測、報警、隔離電網中的故障異常情況。調節控制設備通過對電氣一次設備狀態和電氣量的控制和調節，使一次設備能夠按照需要運行并保持安全穩定。通信設備用于滿足電網運行、維修和管理的信息傳輸需求。監測設備用于測量各種電、磁、光參量或產生測試信號。細分情況見表2所列。

表2 二次設備包含內容

3 信息系統

電力信息物理社會系統中，信息系統是連接社會空間與物理空間之間的關鍵紐帶。面向物理電網數字化和電網數字孿生構建兩方面目標，數字電網信息系統主要包括技術架構、數據架構、安全架構三個維度。

3.1 技術架構

信息系統技術架構分為感知層、網絡層、數據層、平臺層、應用層，如圖2所示。

圖2 信息系統技術架構

1)感知層

感知層是針對不同的應用場景和感知需求，數字電網統籌感知體系的建設。通過各類智能終端感知設備，實現對環境參數與關鍵設備數據的實時采集，建立電力生產消費全鏈條的全息感知體系。感知層承擔數據采集、設備識別以及信息傳輸等任務，具有就地分析、就地處理能力，對于淺顯的運行表象實現自我管理，將實施優化結果、自我組織形式進行上傳交互，是實現電網全面感知的核心能力，架構圖如圖3所示。

圖3 感知層架構

2)網絡層

網絡層是感知層的上一級，是電網數據安全、可靠、雙向傳輸的通道，包括有線網絡、無線公網、無線專網、衛星網等，作為數字電網的關鍵基礎設施。網絡層通過構建泛在高速、天地一體的電力泛在通信網，實現多維信息的有效獲取、協同、傳輸和匯聚，拓寬了現有電力通信網絡帶寬，提升網絡覆蓋深度，打造融合物聯網的一體化信息網絡。網路層架構如圖4所示。

圖4 網絡層架構

3)數據層

數據層數據層位于網絡層的上一級，包含內部和外部數據，內部系統又分為管理信息系統數據和自動化數據系統。數據層通過數據中臺構建物理電網全要素、全流程、全業務數字化的載體，并可對集成數據和融合數據進行進一步的提煉和挖掘，挖掘出電力系統的特征，逐步構建出數字電網的知識圖譜。數據層架構如圖5所示。

圖5 數據層架構

4)平臺層

平臺層是向前端應用提供公共基礎資源、通用技術能力和業務共享能力的部分，分為IaaS子層、DaaS子層、PaaS子層。平臺層包含信息空間內與電力裝備物理實體相互映射的數字孿生體的集合，具有具有學習、推理、歸納、挖掘和記憶等類腦功能的電力中樞，形成具有概念識別、知識計算、屬性預測和運動執行的智能支撐能力，最終實現對電力裝備進行全數字化管理的終極目標。平臺層架構如圖6所示。

圖6 平臺層架構

5)應用層

應用層是在完成現實世界電力物理系統的映射后，通過將平臺層的服務進行組裝，可向終端用戶提供應用功能。根據業務領域類型，將應用層分為數字電網、數字企業、數字服務、產業數字化四部分。

數字電網應用先進技術打通源網荷儲各環節，全面提升物理電網的智能化水平，提升發輸變配用各環節專業運行、生產運行、現場作業的數字化、智能化水平。數字運營以企業資源集約化管理為核心，推進投資計劃、財務管理、人力資源等數字化，數財、物等企業資源優化配置。數字服務與產業數字化基于業務中臺整合相關資源，強化營銷管理，創新業務和商業模式。

3.2 數據架構

在社會物理信息系統中數據占據主體地位。在數據架構中，數據中心通過全域數據統一匯聚、模型統一設計、海量數據統一存儲、大數據分析計算組件統一支撐，促進數據無縫融合和業務共享共用。數據系統架構如圖7所示。

圖7 數據系統架構

根據信息系統的邏輯順序，從數據的角度出發，具體可將數據架構分為：數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、數據計算層、數據分析層、數據服務層等。

采集層對數據進行同步復制并進行數據傳輸服務。傳輸層通過有線或無線的方式，實現各類數據的匯集與傳送。存儲層包含HTAP存儲引擎、湖倉一體異構數據融合存儲、圖數據庫等類別，滿足異構、海量、多類型數據存儲要求。計算層包括圖計算、數據可信計算、混合事務分析處理、流批數據融合計算和HTAP融合計算等內容，支持實時計算、批量計算等不同的業務場景算力要求。數據分析層通過合理的分析算法進行大數據關聯分析和數據挖掘進而得到結果的過程。數據服務層通過服務編排支撐業務側業務數據存取、詳單查詢、實時數據分析計算、批量數據分析計算、全文檢索和數據挖掘等典型應用場景。

3.3 安全架構

數字電網下的電力系統在技術升級的同時也面臨安全風險的增加。新型電力系統不僅有內部數據的互動，還有與外部數據的交流，因此數字電網的開放性、互動性大幅提升，信息安全與物理安全深度關聯并相互依存。

首先，信息安全是數字電網中的基礎性安全問題，為保證數字電網信息通信網絡不受外部干擾與攻擊、保密性強。通過增強電網業務通道安全加密、業務流量安全監控和控制，實現與接入認證、通道加密、分流管控等環節的有效協同，最終可實現信息通信網絡對電網業務的可信服務與可靠保障。

其次是物理安全方面，一旦信息通信環節出現問題，更要確保物理系統的安全穩定運行，避免由于信息通信環節遭受攻擊而帶來的全系統運行風險。這需要加強對全域縱深的網絡安全防御體系構建，有效抵御由數字空間中發起的各類針對電網安全的攻擊行為。數字電網的安全架構如圖8所示。

4 社會系統

數字電網廣泛鏈接人-機-系統，社會層主要涵蓋電力企業的生產經營活動全過程，包括電網規劃、工程建設、調度運行、設備檢修、市場營銷、人財物管理等。通過物理系統、信息系統與社會系統的深度融合，在以下六個方面持續產生外溢性正向外部性效果。數字電網社會系統架構圖如圖9所示。

圖9 數字電網業務系統架構

數字電網可有效提升電網規劃的智能化水平，促進電網投資效益提升。電網規劃包含電源規劃、負荷預測、電力電量平衡、選址選線、電氣計算、規劃評估等過程。可通過將電網、氣象、經濟、能源、城市規劃等數據接入數據中心，運用大數據分析、人工智能算法進行全網負荷分析與預測，進而對供電區域優化；使用以具備邊緣計算能力的無人機可實現選址選線優化；實現電氣計算自動化、電網可靠性、經濟型、適應性自動評估以及電網風險分析等。新一代數字技術應用于電網基建綜合實用場景，將大大有效提升電網基建的效率和質量。

5 結語

數字電網以數據流帶動技術流、能源流、資金流、人才流、物資流，實現技術和產品、生產體系、業務模式、發展理念等全方位融合，表征為實體經濟與數字經濟的深度融合。數字電網將促進電網的物理系統深化發展、信息系統強化發展、業務系統優化發展、與社會融合發展。

物理系統深化發展一方面表現在數字技術覆蓋全網全環節，實現發輸變配用各環節應用場景的信息化、智能化和交互性；另一方面以新一代數字技術構建的新型信息系統將于物理電網深度融合，形成以電力系統為基礎的新型數字基礎設施，具備全域物聯感知能力、高速穩定的網絡通信能力、安全可靠的大數據存儲能力、智能高效的計算分析能力和實時準確的調控能力。

信息系統優化發展一方面表現在硬件算力的發展提速，云計算技術推動了算力向服務化發展，促進算力成為信息時代新的生產力，是支撐數字經濟發展的堅實基礎；異構算力迎來繁榮期，推動算力向普惠化發展；物聯網繁榮催生邊緣應用場景激增，推動算力向泛在化發展；云原生解決了異構計算資源的兼容性問題，推動算力向標準化發展。另一方面軟件架構的技術亟須創新，算力節點、存儲和網絡共同構成了經典馮諾依曼式的計算架構，網絡傳輸速率和存儲墻成為了影響算力的最終性能的瓶頸，催生取代經典馮氏架構的技術創新。

社會系統融合發展體現數字電網作為新型電力系統的最佳載體，將集中釋放數字經濟新動能，深度融合智慧城市、智慧鄉村發展，促進能源互聯網深度互聯，支撐現代能源生態系統構建。