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(xué)電氣工程與自動化學(xué)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(xué)研究院，福州 350007）

電力信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是電力系統(tǒng)的一個全新領(lǐng)域，并對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展影響重大。本文首先介紹了電力CPS的概念、特征和結(jié)構(gòu)模型，接著從基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究兩方面綜述了電力CPS的研究現(xiàn)狀，包括建模理論、系統(tǒng)框架、仿真技術(shù)、安全性與可靠性及能源互聯(lián)網(wǎng)等方面，最后，總結(jié)了電力CPS的幾點發(fā)展趨勢，并提出了發(fā)展建議。

電力CPS；建模仿真；安全性；可靠性；能源互聯(lián)網(wǎng)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展以及全球?qū)?jié)能減排的持續(xù)關(guān)注，電力系統(tǒng)已經(jīng)開始發(fā)生變革。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)具有以下幾個優(yōu)點[1]：高效、可自愈、高可靠性和高安全性。智能電網(wǎng)也越來越受到關(guān)注。智能電網(wǎng)具有大量的傳感設(shè)備并高度依賴通信網(wǎng)絡(luò)，而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)建模、分析、優(yōu)化與控制方法體系將電力一次系統(tǒng)和電力信息系統(tǒng)相互割裂，不能滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展。信息物理融合系統(tǒng)（cyber physical system, CPS）的提出與發(fā)展對促進(jìn)物理系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的深度融合，并為最終實現(xiàn)電網(wǎng)智能化的目標(biāo)提供了新的思路與途徑。CPS是將計算資源與物理系統(tǒng)深度融合所構(gòu)成的新型系統(tǒng)[1-9]。

電力CPS是一個全新的領(lǐng)域，考慮到電力CPS與國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展關(guān)系重大，國內(nèi)外已經(jīng)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(xué)基金、科技部973計劃和863計劃都已將CPS列為重點資助領(lǐng)域。然而，目前業(yè)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(jìn)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(jié)構(gòu)，并查閱現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)，對電力CPS的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，最后總結(jié)了電力CPS的發(fā)展趨勢并提出了相關(guān)建議。

1 電力CPS概述

1.1 CPS的定義

信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是通過計算、通信與控制技術(shù)的有機(jī)與深度融合，實現(xiàn)計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的新一代智能系統(tǒng)[1]。文獻(xiàn)[1]中給出的CPS的諸多特點，將使CPS具有明顯強(qiáng)于現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)的適應(yīng)性、靈活性、安全性和可靠性。從長遠(yuǎn)來看，所有物理系統(tǒng)均可以聯(lián)網(wǎng)成為CPS的一部分。CPS的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CPS的框架結(jié)構(gòu)

1.2 電力CPS介紹

隨著電力系統(tǒng)通信智能與配電自動化等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，未來的電力系統(tǒng)不僅僅局限于物理系統(tǒng)，更需要考慮通信網(wǎng)絡(luò)及其與物理系統(tǒng)的關(guān)系，因此，利用CPS的巨大優(yōu)勢，在CPS的基礎(chǔ)上發(fā)展電力CPS符合未來電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。作為CPS在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，電力CPS繼承了CPS大規(guī)模、分布式、異構(gòu)等特點，可以實現(xiàn)計算、通信、傳感和控制等功能。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)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(cè)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(yè)界尚沒有對電力CPS給出統(tǒng)一的定義。本文將電力CPS定義為：充分融合電力系統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的多維異構(gòu)系統(tǒng)，通過計算設(shè)備、傳感設(shè)備、通信設(shè)備、物理設(shè)備等的相互協(xié)同，實現(xiàn)電力系統(tǒng)運行性能的最優(yōu)化[2]。

作為新一代電力系統(tǒng)的基本架構(gòu)和未來統(tǒng)一CPS的子系統(tǒng)，電力CPS必須能夠?qū)崿F(xiàn)計算、通信、傳感、控制和電力系統(tǒng)的無縫集成，并可在統(tǒng)一的通信和接口標(biāo)準(zhǔn)下與其他CPS子系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享和協(xié)作。由于智能電網(wǎng)的各種“智能化”屬性必須依靠先進(jìn)信息技術(shù)才能實現(xiàn)，電力CPS概念的提出是智能電網(wǎng)概念不斷完善的結(jié)果[3]。在滿足傳統(tǒng)電力系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合CPS和智能電網(wǎng)的特點，電力CPS還應(yīng)具有如下功能：

（1）具有智能電網(wǎng)要求的可靠性、自愈性、互動性以及支持用戶側(cè)參與等功能。

（2）對大電網(wǎng)中所有物理實體和信息系統(tǒng)統(tǒng)一控制和全局優(yōu)化的功能。

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)中的物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的實時監(jiān)控和交互式綜合計算。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)電力物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)間的無縫集成。

（5）在電力CPS融合海量系統(tǒng)運行、裝置和外部信息的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全系統(tǒng)狀態(tài)感知。

（6）滿足裝置“即插即用”，能實現(xiàn)集中控制與分散控制。

（7）能夠方便實現(xiàn)系統(tǒng)拓展以及與其他CPS系統(tǒng)的融合。

2）電力CPS的體系結(jié)構(gòu)

考慮電力系統(tǒng)的特點，現(xiàn)將電力CPS的整體模型結(jié)構(gòu)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(shè)備（服務(wù)器、計算機(jī)、嵌入式計算設(shè)備等）；②數(shù)據(jù)采集設(shè)備（傳感器、PMU、嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備等）；③物理設(shè)備（大型發(fā)電機(jī)組、分布式電源、負(fù)荷等）。其中，各種物理設(shè)備通過輸配電網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)接，而各種信息設(shè)備則通過通信網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)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(shè)備；③通信網(wǎng)絡(luò)；④輸電、配電網(wǎng)絡(luò)；⑤電源和負(fù)荷。

電力CPS的上述幾個部分的功能，可以參考文獻(xiàn)[4]，不再贅述。文獻(xiàn)[4]還給出了電力CPS研究所要面臨的挑戰(zhàn)，也就是未來的發(fā)展方向：①基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)模型；②系統(tǒng)仿真算法；③安全性； ④可靠性；⑤系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃與運行調(diào)度；⑥電力CPS的標(biāo)準(zhǔn)化。

2 電力CPS的研究現(xiàn)狀

近幾年，有一些學(xué)者針對CPS與電力系統(tǒng)的結(jié)合做了些初步的研究工作。本文結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，就電力CPS的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究兩方面展開分析。

2.1 電力CPS建模與仿真

1）建?；A(chǔ)理論

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

文獻(xiàn)[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(zhàn)。首先，文獻(xiàn)[4]概述CPS的概念、主要功能和技術(shù)特征；接著，構(gòu)造了電力CPS的架構(gòu)和主要組成部分，指出了實現(xiàn)電力CPS若干關(guān)鍵技術(shù)；最后，從基礎(chǔ)理論、建模方法、仿真算法、安全性分析可靠性分析系統(tǒng)設(shè)計與規(guī)劃、運行調(diào)度、標(biāo)準(zhǔn)化等方面討論了電力CPS研究中所面對的主要挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)[9]闡述了電力CPS的概念及研究現(xiàn)狀，提出了由4個關(guān)鍵技術(shù)組成的研究體系，包括：電力CPS建模技術(shù)、電力CPS分析方法、基于融合模型的電網(wǎng)控制技術(shù)、基于融合模型的形式化驗證。在此基礎(chǔ)上，展望了電力CPS在能源互聯(lián)網(wǎng)、主動配電網(wǎng)以及傳統(tǒng)電網(wǎng)中的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[11]對物理系統(tǒng)及信息故障進(jìn)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(tǒng)抽象為一個有向拓?fù)鋱D，運用了全系統(tǒng)信息—能量混成計算方法分析系統(tǒng)的信息—物理耦合特性，通過矩陣運算對系統(tǒng)的信息—能量流進(jìn)行量化計算，經(jīng)過計算求解得出該方法可有效提升計算速率。

現(xiàn)有的信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是基于完全不同的理論基礎(chǔ)建立起來的。理論基礎(chǔ)和建模方法上的不同是電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)兩個領(lǐng)域互相割裂的根本原因。因此，發(fā)展信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的統(tǒng)一建模理論是研究電力CPS時要解決的最關(guān)鍵和最急迫的任務(wù)。

2）建模仿真應(yīng)用

文獻(xiàn)[11]通過融合建模方法有效提升了電力系統(tǒng)系統(tǒng)的計算速率。文獻(xiàn)[12]從確保物理、信息模型的一一對應(yīng)出發(fā)，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(tài)物理模型和靜態(tài)信息模型。在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，可以考慮對更大規(guī)模電力系統(tǒng)進(jìn)行CP建模研究，最終解決CPS急需考慮的全局優(yōu)化協(xié)調(diào)控制問題。

文獻(xiàn)[13]以信息流動的視角，結(jié)合圖論、矩陣分析等理論，提出信息流的建模思路和靜態(tài)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(yè)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(tǒng)電力系統(tǒng)能量流的基礎(chǔ)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(xiàn)[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(guān)聯(lián)關(guān)系和面向?qū)嶒灧治鋈蠓矫?。文中也提出了借鑒國外經(jīng)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(jīng)驗的吸收，有助于我國電力CPS研究。

系統(tǒng)仿真是分析系統(tǒng)行為特征、實現(xiàn)系統(tǒng)最有控制的重要工具。針對新的系統(tǒng)模型，必須研究與之相適應(yīng)、有效的仿真算法?？紤]到電力CPS的規(guī)模和仿真計算量，研究重點將是分布式仿真算法。

2.2 系統(tǒng)框架體系

現(xiàn)有文獻(xiàn)對于電力CPS的框架結(jié)構(gòu)研究并不充分，現(xiàn)將已有文獻(xiàn)綜述如下。

文獻(xiàn)[15]首先對電力CPS的體系結(jié)構(gòu)展開研究。文獻(xiàn)[16]討論了包含通信、傳感及物理實體聯(lián)接的CPES體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[17]提出了應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、聯(lián)接層、協(xié)調(diào)層、調(diào)節(jié)層和物理層的微電網(wǎng)CPS的6層控制體系框架，然后采用Agent技術(shù)建立微電網(wǎng)CPS物理端節(jié)點的Agent模型。當(dāng)然，文獻(xiàn)[17]提出的微電網(wǎng)CPS只是一個原型，該模型還需要進(jìn)一步完善與改進(jìn)。

文獻(xiàn)[18]基于文獻(xiàn)[17]所提出的微電網(wǎng)CPS架構(gòu)體系，首先，提出了針對微電網(wǎng)CPS中電氣物理設(shè)備端節(jié)點的融合模型；接著，提出一種新穎的環(huán)形協(xié)同管理機(jī)制，以滿足靈活調(diào)度和管理大量物理設(shè)備端節(jié)點的信息資源；最后，基于此模型設(shè)計了微電網(wǎng)CPS的運行平臺。文獻(xiàn)[19]采用了包括決策層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層的CPS框架。文獻(xiàn)[20]則給出了包含應(yīng)用層、認(rèn)知層、網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)、測量裝置及通信網(wǎng)絡(luò)等不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)逐漸不再適用，因此對電力CPS的架構(gòu)體系研究有其一定的意義，在此基礎(chǔ)上才能更好地實現(xiàn)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(jìn)行分析。

1）基礎(chǔ)理論研究

文獻(xiàn)[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(xiàn)[23]對電力CPS的網(wǎng)絡(luò)攻擊分為無特定目的、以獲取經(jīng)濟(jì)利益為目的、以破壞電網(wǎng)穩(wěn)定為目的3類，分別進(jìn)行討論。分析了無特定目的網(wǎng)絡(luò)攻擊和信息系統(tǒng)自身隨機(jī)失效與異常對電網(wǎng)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(xiàn)[24]先介紹電力信息物理融合系統(tǒng)的背景，再以烏克蘭電網(wǎng)為例給出電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊實例分析。對電力CPS網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行定義和分類，然后指出其應(yīng)用場合，并針對中國的電力CPS網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行研究分析。最后闡述了電力CPS網(wǎng)絡(luò)攻擊未來的幾個重點研究方向：①主動響應(yīng)配電網(wǎng)環(huán)境下的電力CPS網(wǎng)絡(luò)攻擊研究；②考慮網(wǎng)絡(luò)攻擊的電力CPS可靠性評估方法；③網(wǎng)絡(luò)攻擊環(huán)境下的電力CPS混合仿真方法。

文獻(xiàn)[25]提出了基于攻擊圖的CPS安全風(fēng)險評估方法。該方法將信息域與物理域作為一個整體進(jìn)行建模，然后綜合考慮多個跨域攻擊對系統(tǒng)風(fēng)險的影響。文獻(xiàn)[26]則提出了一種基于改進(jìn)攻擊圖的量化評估方法。文獻(xiàn)[27]根據(jù)風(fēng)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(tài)攻防博弈的多層數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，提出了電網(wǎng)攻防動態(tài)博弈3層數(shù)學(xué)模型。

2）應(yīng)用研究

文獻(xiàn)[26]提出了一種基于信息物理融合系統(tǒng)（CPS）思想的多源配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)方案，該方案能克服目前基于單端信息保護(hù)方案的弊端。該方案以CPS保護(hù)終端為界將配電網(wǎng)分區(qū)，與同一區(qū)域關(guān)聯(lián)的CPS終端通過通信網(wǎng)絡(luò)共享信息，使每個終端都能獲得關(guān)聯(lián)區(qū)域邊界處的運行參數(shù)，嵌入在CPS終端中的計算機(jī)程序?qū)崟r處理獲得的信息，判斷故障是否在關(guān)聯(lián)區(qū)域的內(nèi)部發(fā)生，從而實現(xiàn)區(qū)域的保護(hù)。

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

文獻(xiàn)[27]基于博弈論提出了電網(wǎng)攻防動態(tài)博弈3層數(shù)學(xué)模型，并通過算例IEEE的5機(jī)14節(jié)點系統(tǒng)仿真驗證模型的正確性。不過，文中建模只考慮了物理網(wǎng)絡(luò)的研究，筆者認(rèn)為對于電力CPS脆弱性的后續(xù)研究應(yīng)考慮到CPS的信息網(wǎng)絡(luò)，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(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施，如何保障其安全性及可靠性是需要重點研究的課題?？紤]到息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的安全和可靠性理論已經(jīng)相對成熟，今后的研究重點應(yīng)著眼于如何融合現(xiàn)有的信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)理論，構(gòu)建統(tǒng)一的電力CPS安全性和可靠性理論[29-33]。

2.4 能源互聯(lián)網(wǎng)

能源信息物理系統(tǒng)（ECPS）由CPS發(fā)展而來，其子系統(tǒng)包含了靜態(tài)參數(shù)如資產(chǎn)信息、利用效率等和動態(tài)參數(shù)如實施測量、控制、保護(hù)等。

ECPS具有自適應(yīng)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(tǒng)，具有重要的研究和應(yīng)用前景。

1）基礎(chǔ)理論研究

目前，國內(nèi)相關(guān)的研究正處于起步階段。文獻(xiàn)[30]基于能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下提出了6層電力CPS互聯(lián)參考模型：包括應(yīng)用層、認(rèn)知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制感知層及物理層。文獻(xiàn)[31]在能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)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(xiàn)[32]在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，圍繞能源生產(chǎn)、傳輸、存儲和分享深入探討互聯(lián)網(wǎng)與能源系統(tǒng)的融合。文獻(xiàn)[33]提出了分布式新能源接入能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理廣域關(guān)聯(lián)接口的概念，以實現(xiàn)分布式能源相關(guān)信息在能源互聯(lián)網(wǎng)中廣泛流通，終端接口參與更廣范圍的分析調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[34]提出了一種基于信息物理融合的能源互聯(lián)網(wǎng)模型。

2）應(yīng)用研究

文獻(xiàn)[31]在能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，實現(xiàn)了能源的最優(yōu)調(diào)度和利用。文獻(xiàn)[32]在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，對基于CPS的能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前景進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[34]提出了一種基于信息物理融合的能源互聯(lián)網(wǎng)模型，實現(xiàn)了考慮網(wǎng)絡(luò)多時間尺度下的分布式設(shè)備即插即用的功能，分析得模型具有較強(qiáng)適應(yīng)性和可行性。

結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀和電網(wǎng)發(fā)展，本文認(rèn)為，未來電力CPS與能源互聯(lián)網(wǎng)之間的研究，應(yīng)著重于技術(shù)、二者融合算法及具體應(yīng)用等多個層面。

2.5 系統(tǒng)規(guī)劃與運行調(diào)度

考慮分布式電源和智能負(fù)荷的控制問題，是電力CPS的調(diào)度問題區(qū)別于傳統(tǒng)調(diào)度問題的一大特點。電力系統(tǒng)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(yōu)化調(diào)度有其重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)著手研究該問題。文獻(xiàn)[35]基于CPS和最優(yōu)動態(tài)閉環(huán)控制對互聯(lián)電網(wǎng)最優(yōu)自動發(fā)電控制（AGC）策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[36]基于模糊粗糙集（FRS）大數(shù)據(jù)處理方法，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和排放因素，分析了火電機(jī)組節(jié)能環(huán)保負(fù)荷的優(yōu)化分配。文獻(xiàn)[37]基于信息物理系統(tǒng)，對孤島微網(wǎng)實時調(diào)度的一致性協(xié)同算法進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[38]則在互聯(lián)電網(wǎng)CPS標(biāo)準(zhǔn)下，構(gòu)建了計及一次調(diào)頻的最優(yōu)AGC的控制模型。文獻(xiàn)[39]提出了基于多代理系統(tǒng)的一致性控制模型。文獻(xiàn)[40]在成本微增率作為一致性變量的前提下，研究了經(jīng)濟(jì)調(diào)度的安全分布式的計算分析。文獻(xiàn)[41]將文獻(xiàn)[40]的技術(shù)運用于AGC動態(tài)功率分配。文獻(xiàn)[42]采用平均一致性算法，以解決全局量的分布式統(tǒng)計問題。

綜上所述，目前學(xué)術(shù)界對于電力CPS的研究正處于起步階段，通過整理，現(xiàn)有文獻(xiàn)在電力CPS的基本定義、架構(gòu)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(jìn)一步的探究，還有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。

3 電力CPS發(fā)展趨勢及建議

通過對現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)的整理可以發(fā)現(xiàn)：①尚不存在能夠全面而準(zhǔn)確的計及信息系統(tǒng)與電力系統(tǒng)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(xiàn)工具等方面的研究仍處于剛剛起步甚至是空白狀態(tài)。因此，電力CPS的研究有待開拓和深入。結(jié)合現(xiàn)有研究及前文論述，本文提煉出電力CPS的7點發(fā)展趨勢[43]，并進(jìn)一步給出發(fā)展建議。

3.1 發(fā)展趨勢

1）建模理論與方法

現(xiàn)有文獻(xiàn)對于建模理論方法、體系架構(gòu)進(jìn)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(tài)，未能對電力CPS提出統(tǒng)一的建模理論方法和較為合理的架構(gòu)體系。在今后的研究中，應(yīng)對電力CPS統(tǒng)一建模理論、分析方法及架構(gòu)體系等方面進(jìn)行深入探究，并需要考慮電力CPS兩大系統(tǒng)之間的交互影響機(jī)理。

2）電力CPS仿真技術(shù)

就目前的研究而言，優(yōu)化仿真算法研究還處于空白狀態(tài)，電力CPS的仿真技術(shù)還不夠完善。電力CPS仿真技術(shù)是分析環(huán)節(jié)的重要工具，因此，構(gòu)建電力CPS數(shù)模混合仿真平臺能夠有效解決電力CPS仿真問題?？紤]到電力CPS是信息與物理系統(tǒng)的融合，故在電力CPS的仿真中應(yīng)充分計及信息層面與物理層面的綜合仿真。

3）架構(gòu)體系及控制方法

經(jīng)本文討論，電力CPS的架構(gòu)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(tǒng)地發(fā)展，越來越多的通信網(wǎng)絡(luò)、測量單元、分布式計算設(shè)備等接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)架構(gòu)體系已經(jīng)不再適用，提出一種新型的架構(gòu)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(shù)

現(xiàn)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(shù)還是在規(guī)劃層面，都必須考慮到電力CPS的安全可靠性。當(dāng)電力系統(tǒng)不能安全可靠運行時，研究也顯得毫無意義?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出了許多可行性方法，諸如基于攻擊圖及改進(jìn)攻擊圖等。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，電力CPS更需要考慮的是網(wǎng)絡(luò)攻擊及其之后的聯(lián)鎖故障反應(yīng)，即信息系統(tǒng)故障對物理系統(tǒng)安全性和可靠性的影響。

5）電力CPS的設(shè)計與規(guī)劃技術(shù)

文獻(xiàn)[35-38]的AGC策略、文獻(xiàn)[36]的優(yōu)化分配、文獻(xiàn)[37]一致性協(xié)同算法都是電力CPS規(guī)劃需要實現(xiàn)的一部分。而現(xiàn)有資料對于電力CPS的設(shè)計和規(guī)劃內(nèi)容研究還比較少，因此綜合考慮電力CPS的經(jīng)濟(jì)性、準(zhǔn)確性、供電質(zhì)量、通信可靠性等的規(guī)劃問題是以后電力CPS的一大重點內(nèi)容。

6）電力CPS標(biāo)準(zhǔn)化

由于電力CPS的研究仍處于起步階段，目前國際及國內(nèi)尚不存在通用的國際標(biāo)準(zhǔn)，這對于發(fā)展電力CPS是一大阻礙，其標(biāo)準(zhǔn)化問題應(yīng)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(lián)網(wǎng)的關(guān)系

能源互聯(lián)網(wǎng)是新型電力電子技術(shù)、信息技術(shù)、分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電技術(shù)和儲能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能夠有效地應(yīng)對日益加劇的資源和環(huán)境壓力[44]。結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀和電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，電力CPS的發(fā)展不可避免的應(yīng)處于能源互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，以實現(xiàn)其安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等。

3.2 發(fā)展建議

為了實現(xiàn)電力CPS在未來的電力系統(tǒng)中全面鋪開，以實現(xiàn)其智能化、自主化等目標(biāo)，下面立足我國電力系統(tǒng)發(fā)展，并借鑒國外經(jīng)驗，針對電力CPS發(fā)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(tǒng)之間的交互影響機(jī)理。對于電力CPS中的計算單元，可以采用排隊論和隨機(jī)過程進(jìn)行建模。對于龐大復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)，則可以考慮有窮自動機(jī)驅(qū)動下的微分代數(shù)方程組來模擬。也可以Markov鏈、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、攻擊樹等方法或者其中兩者的結(jié)合運用。

2）電力CPS以實現(xiàn)物理系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制為主要目的，在現(xiàn)有的傳統(tǒng)電網(wǎng)控制架構(gòu)和主動配電網(wǎng)控制架構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以考慮包含物理層、應(yīng)用平臺層、網(wǎng)絡(luò)層、決策層、資源管理層及CPS層的六層分層分布式控制架構(gòu)體系，以適應(yīng)當(dāng)前電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上可以考慮長時間尺度下的協(xié)同控制優(yōu)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(wǎng)絡(luò)攻擊和物理攻擊，主要來自網(wǎng)絡(luò)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(lián)鎖故障，研究其產(chǎn)生機(jī)理和傳播機(jī)制，對脆弱性節(jié)點進(jìn)行辨識，然后研究電力CPS的網(wǎng)絡(luò)安全評估方法，最后形成安全防護(hù)措施?？梢詮奈锢砗途W(wǎng)絡(luò)攻擊聯(lián)合、不同種網(wǎng)絡(luò)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(xì)胞自動機(jī)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、攻防博弈論等。

4）規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)化都是一個系統(tǒng)或體系必不可少的一部分，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)龐大的電力CPS而言，規(guī)劃設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)化則顯得尤為重要。標(biāo)準(zhǔn)化是對電力CPS的一種規(guī)范，對通信協(xié)議、綜合建模機(jī)制等的統(tǒng)一，有利于實現(xiàn)設(shè)備即插即用、支持開放式通信等功能的實現(xiàn)。電力CPS的規(guī)劃設(shè)計，則需要考慮配電網(wǎng)架、通信拓?fù)浼靶畔⑾到y(tǒng)之間的相互影響，綜合功能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性、通信網(wǎng)脆弱性及可靠性等方面建立一個多源異構(gòu)的電力CPS規(guī)劃新方法。電力CPS的合理規(guī)劃對電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性運行至關(guān)重要，對國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有重要影響。

4 結(jié)論

電力信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是電力系統(tǒng)的一個全新領(lǐng)域，其對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展意義重大，國內(nèi)外都相當(dāng)重視對電力CPS的研究，然而現(xiàn)有的成果、文獻(xiàn)卻很有限，研究范圍還有一定的局限性，研究內(nèi)容也比較粗淺。國內(nèi)對于電力CPS的研究還處于起步階段，各方面理論技術(shù)都不夠成熟，因此，國家與科研工作者的任務(wù)還非常繁重。而在理論研究之后，如何將現(xiàn)有的和以后的電力CPS研究成果應(yīng)用于我國電網(wǎng)，并進(jìn)一步推廣應(yīng)用，是電力CPS科研工作的一大挑戰(zhàn)，也是一大機(jī)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(shù)研究發(fā)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(guī)劃。