DQZHAN技術(shù)訊：電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)：面向未來的能源互聯(lián)網(wǎng)
2006年，美國國家基金委員會首先提出信息物理融合系統(tǒng)(CPS)的概念，在隨后幾年內(nèi)CPS成為美國政府在信息技術(shù)領(lǐng)域的重點研究方向和國際學術(shù)研究熱點。CPS是在物理世界感知的基礎(chǔ)上，深度融合計算、通信和控制能力，通過信息空間虛擬網(wǎng)絡(luò)和物理空間實體網(wǎng)絡(luò)的相互協(xié)調(diào)，使物理系統(tǒng)具有更高的靈活性、自治性、可靠性、經(jīng)濟性和**性。CPS的愿景是成為一切大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，例如在德國提出的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略中，將CPS作為關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，旨在實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)及過程的智能化。未來的電力、能源、交通、制造、物流等大型基礎(chǔ)設(shè)施和重要行業(yè)均將成為CPS。
當今的電網(wǎng)已經(jīng)進入智能化時代。智能電網(wǎng)廣泛使用廣域傳感和測量、高速信息通信網(wǎng)絡(luò)、先進計算和柔性控制等技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的信息化、自動化、互動化。在智能電網(wǎng)中，越來越多的電力設(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大量的電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算設(shè)備通過電網(wǎng)、通信網(wǎng)兩個實體網(wǎng)絡(luò)互連，在一定程度上已經(jīng)具備CPS的基本特征。隨著電網(wǎng)自動化系統(tǒng)、大容量傳輸網(wǎng)、泛在傳感網(wǎng)的建設(shè)，與互聯(lián)網(wǎng)、能源網(wǎng)等深度融合，智能電網(wǎng)將持續(xù)演進形成廣域協(xié)同、具有自主行為的復雜網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)(GCPS)。GCPS通過電網(wǎng)信息空間與物理空間的深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以**、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或控制電網(wǎng)物理設(shè)備或系統(tǒng)。
作為一種新的技術(shù)理念，GCPS為實現(xiàn)電網(wǎng)智能化的目標提供了新的思路和實現(xiàn)途徑，電網(wǎng)信息空間與物理空間的虛實融合將成為常規(guī)的系統(tǒng)形態(tài)，可從以下幾方面進一步提高電網(wǎng)運行效率與服務價值。
GCPS將顯著提升電網(wǎng)的信息感知、集成、共享和協(xié)同能力。我國電網(wǎng)現(xiàn)正處于一個高速發(fā)展時期，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式日趨復雜，系統(tǒng)**穩(wěn)定運行面臨諸多風險因素。GCPS除了現(xiàn)有的調(diào)度、生產(chǎn)、營銷等信息采集傳輸系統(tǒng)外，還可以通過智能化電力設(shè)備、工業(yè)級傳感網(wǎng)、智能家居等，實現(xiàn)多物理量或數(shù)據(jù)的廣泛采集和共享;突破傳統(tǒng)專業(yè)之間的數(shù)據(jù)壁壘，使跨越時間、空間、物理環(huán)境的協(xié)同成為可能，實現(xiàn)對電網(wǎng)狀態(tài)的深度認知，對數(shù)據(jù)資源的高效利用。GCPS的系統(tǒng)構(gòu)架下，可合理、充分地綜合各類信息進行快速、準確的故障診斷，從而減少電能中斷時間和增強供電可靠性。此外，GCPS還將可能與其它社會網(wǎng)絡(luò)，如交通網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多種跨行業(yè)的協(xié)同控制。
GCPS將顯著提升電網(wǎng)的自組織、自適應的能力。電網(wǎng)是一個復雜的信息物理基礎(chǔ)設(shè)施，在智能電網(wǎng)環(huán)境下信息通信網(wǎng)承載的業(yè)務日益復雜繁重，已成為電網(wǎng)生產(chǎn)運行與監(jiān)測控制不可分割的一部分。GCPS將通過信息與網(wǎng)絡(luò)的融合，可支持全局優(yōu)化與局部控制的協(xié)同。此外，GCPS具有自適應功能，對負荷控制、設(shè)備特性和用戶偏好等信息有比較準確的把握，可實現(xiàn)對物理設(shè)備的局部控制和控制中心對參數(shù)的在線調(diào)整，具有自動排除各種系統(tǒng)故障(包括物理系統(tǒng)故障和信息通信系統(tǒng)故障)、保證系統(tǒng)正常運行的能力。
GCPS將使電網(wǎng)具備大規(guī)模分布式實時計算的能力。電網(wǎng)的特征是能量產(chǎn)生及消耗瞬間保持平衡，電網(wǎng)的任何關(guān)鍵的動態(tài)變化都對電網(wǎng)的可靠性和控制的實時性提出相當高的要求。GCPS將綜合物理電網(wǎng)的連續(xù)模型與計算機的離散模型，突破傳統(tǒng)集中式計算平臺的約束，通過物理設(shè)備中嵌入的計算部件與中央監(jiān)控系統(tǒng)的信息融合以及計算進程與物理進程的交互，使電網(wǎng)具備大規(guī)模分布式實時計算的能力，為解決大規(guī)模分布式設(shè)備的實時協(xié)調(diào)優(yōu)化問題提供了新途徑。
GCPS將增強電網(wǎng)抵御**威脅和風險的能力。GCPS將兼顧信息空間**和物理實體**，**分析信息物理交互影響的耦合性風險，極大提高電網(wǎng)的**性。電網(wǎng)和信息通信網(wǎng)構(gòu)成了雙層復雜網(wǎng)絡(luò)，GCPS將通過對網(wǎng)絡(luò)理論、故障傳播模型、分析方法以及可信計算、**芯片技術(shù)的研究，建立不同防護手段的相互協(xié)調(diào)機制，發(fā)展與物理網(wǎng)絡(luò)相適應的信息通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運行方法，實現(xiàn)信息空間和物理空間的協(xié)同**保障。
未來電網(wǎng)是廣域范圍內(nèi)的能量傳輸平臺和市場互動平臺，是一次能源及終端用戶之間的樞紐和橋梁。未來的能源互聯(lián)網(wǎng)，將是以電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以可再生能源為主要一次能源，與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、儲能裝置等其它系統(tǒng)緊密耦合形成的復雜多網(wǎng)流系統(tǒng)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各種能源的互補關(guān)系，形成能源、電力、信息綜合服務體系。
