張勇軍，陳澤興，蔡澤祥，李立浧，宋偉偉

（華南理工大學 電力學院 廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東 廣州 510640）

0 引言

全球性的能源危機和能源需求持續(xù)增長，使得現(xiàn)有能源生產和消費的架構局限和矛盾突顯［1-2］。分布式可再生能源的迅猛發(fā)展、國家“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃的出臺、需求和理念更新等主客觀推動因素的涌現(xiàn)，促使了智能電網(wǎng)擴大其互聯(lián)范圍，深度融合其他能源網(wǎng)絡（如天然氣網(wǎng)、冷／熱網(wǎng)、氫能源網(wǎng)等），并以互聯(lián)網(wǎng)理念構建新型信息-能源融合的“能源互聯(lián)網(wǎng)”［3-4］。

目前，國內正掀起能源互聯(lián)網(wǎng)研究的浪潮，清華大學成立能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，并與四川省政府共建能源互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)研究院，探索應用技術與產業(yè)的結合；同時，不少文獻也紛紛提出了對能源互聯(lián)網(wǎng)的見解［3，5-7］，或是綜合能源網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的異同［8］。但總體而言，能源互聯(lián)網(wǎng)將在廣域多能源流系統(tǒng)的基礎上，借助信息互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)能源產消者之間的按需傳輸及友好互動。在此背景下，能量流與信息流將高度耦合，信息物理融合系統(tǒng)CPS（Cyber Physical System）成為核心發(fā)展方向。

美國國家科學基金會NSF（National Science Foundation）于2006年提出CPS，定義其為將計算與物理資源緊密結合所構成的系統(tǒng)［9］。對于CPS，目前學術界主要認為其是通過3C（Computation，Communication，Control）技術將計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境融為一體的多維復雜系統(tǒng)［10-11］；相比傳統(tǒng)的嵌入式設備以及由實時嵌入式系統(tǒng)發(fā)展起來的混成系統(tǒng)，CPS則更加強調計算設備與外界物理環(huán)境的整合，而不僅僅專注于系統(tǒng)邏輯控制本身［12］；現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡及近年來提出的物聯(lián)網(wǎng)IoT（Internet of Things）均強調信息感知、傳遞與共享，后者是前者的發(fā)展，其目的是打造更廣域的傳感網(wǎng)絡以實現(xiàn)跨界信息融合［10，13］，而 CPS 則更注重對所獲取信息的響應能力，以此對物理系統(tǒng)進行實時反饋控制。在某種程度上，CPS可視為網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展，但CPS中節(jié)點信息的智能預處理、決策反饋功能將更加強大，并實現(xiàn)系統(tǒng)態(tài)勢感知［12-14］。

CPS 具有廣泛的應用范圍［10，15］，國內外提出信息物理能源系統(tǒng)CPES（Cyber Physical Energy System）以論述CPS在能源領域的應用［16-17］，更直接地，可稱之為信息能源系統(tǒng)CES（Cyber-Energy System）。廣義上看，智能樓宇、智能電網(wǎng)等能源系統(tǒng)均可視為不同層次的CES。目前對CES的研究仍多以“電”為主要能量形式［17-18］，也有文獻提出電力信息物理融合系統(tǒng)CPPS（Cyber Physical Power System）的概念［10］，其以實現(xiàn)電網(wǎng)智能化為導向，探索CPS在智能電網(wǎng)中的框架設計以及功能實現(xiàn)的關鍵支撐技術，包括系統(tǒng)建模、分析方法、運行控制、形式化驗證等［15］，核心內涵是如何有效地實現(xiàn)信息系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的相互融合與協(xié)作。

能源互聯(lián)網(wǎng)中多耦合能量流與“互聯(lián)網(wǎng)+”的特性將決定其有別于現(xiàn)所述的智能電網(wǎng)，其本質是形成新一代CES，相關關鍵技術將比電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)。

綜上，本文將論述能源互聯(lián)網(wǎng)所構建的新一代CES的形態(tài)特征，并在系統(tǒng)建模、分析、控制三大基礎技術上，結合CPPS的研究概況，探討新一代CES相關技術發(fā)展挑戰(zhàn)。

1 新一代CES的形態(tài)特征

新一代CES是以智能電網(wǎng)為核心網(wǎng)絡，融入Internet基礎設施和技術，以可再生能源為主要一次能源，橫向上實現(xiàn)多源（天然氣系統(tǒng)、冷熱供應系統(tǒng)等）互補，縱向上實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調，是一種面向用戶的高效綜合能源利用系統(tǒng)［3-6］。CES與現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)所提出的CPS及其所衍生的概念CPPS／CPES關系如圖1所示。

圖1 CPS相關概念體系Fig.1 Conceptional system of CPS

結合CPS的概念，新一代CES亦是信息系統(tǒng)與能源系統(tǒng)2個異構系統(tǒng)的深度耦合，其將通過先進通信、傳感技術，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務，能量-信息流呈現(xiàn)新的特征，如圖2所示。

1.1 具有隨機動態(tài)特性的多耦合能量流

電能的傳輸具有瞬時性、難儲、動態(tài)平衡的特點；天然氣網(wǎng)、冷／熱網(wǎng)、氫能源網(wǎng)能量流傳輸?shù)膽T性較電網(wǎng)大，呈現(xiàn)一定的滯后性，且其能量能夠在網(wǎng)絡中進行較大規(guī)模的儲存。新一代CES融合了多種不同形式的能量流，將綜合其互異特性，實現(xiàn)剛性系統(tǒng)與柔性系統(tǒng)并存。同時，能源生產端隨著大量分布式可再生能源（風、光等）接入，強波動性、強隨機性取代了傳統(tǒng)電網(wǎng)較平穩(wěn)、可控的能源生產；能源消費終端則隨著與實時電價相關的柔性負荷（如電動汽車、儲能等）大規(guī)模接入，能量流的隨機動態(tài)特性將大幅增強，能源系統(tǒng)“源-網(wǎng)-儲-荷”動態(tài)行為將變得更為復雜。而隨機動態(tài)特性的沖擊將給能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來威脅，也給能源系統(tǒng)的協(xié)調控制帶來更大的挑戰(zhàn)，對能源系統(tǒng)更短時間尺度的動態(tài)特性研究顯得愈發(fā)重要。

1.2 引入具強信息資源整合能力的互聯(lián)網(wǎng)

圖2 新一代CES的形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of new CES

相比傳統(tǒng)電力專用通信網(wǎng)，新一代CES引入互聯(lián)網(wǎng)技術，其最大的作為在于以信息的“開放對等”激發(fā)用戶響應潛力，重視需求側響應，一同參與能源系統(tǒng)調控，如調峰、調頻等。

廣域互聯(lián)網(wǎng)下信息流具有快速性及全局共享式的特點。能源系統(tǒng)中海量設備的數(shù)據(jù)、隨機動態(tài)特性的高階數(shù)學描述將使信息規(guī)模增加若干數(shù)量級，大量數(shù)據(jù)經由Internet進行通信，并借助云計算等分布式計算系統(tǒng)實現(xiàn)廣域互聯(lián)網(wǎng)中大量數(shù)據(jù)的降維、同步分析，而以大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)底層信息的挖掘［19］；加之新型傳感技術、通信技術的發(fā)展，信息資源整合能力將大幅增強，如圖3所描述。但與此同時，在融合了互聯(lián)網(wǎng)的背景下，信息系統(tǒng)中大量信息節(jié)點的優(yōu)化布置、信息傳輸通道的優(yōu)化亦存在技術挑戰(zhàn)。

圖3 信息系統(tǒng)的演化Fig.3 Evolution of information system

1.3 能量流-信息流互作用特性增強

新一代CES的能量流與信息流深度融合并相互影響，呈現(xiàn)強互作用特性。能源系統(tǒng)的隨機動態(tài)過程被實時追蹤并由傳感器設備、通信網(wǎng)絡甚至Internet送到計算系統(tǒng)，借助其強大的計算能力使得能源系統(tǒng)的運行特性得到優(yōu)化和提升。能源系統(tǒng)的故障，信息系統(tǒng)可迅速做出響應從而引起能量流變化；信息系統(tǒng)的故障，則將不能被簡單割裂，否則可能導致連鎖故障在信息系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間傳播并致使整個系統(tǒng)崩潰?？梢姡畔⑾到y(tǒng)的安全性及其對能源系統(tǒng)安全性的影響將極度凸顯。

此外，互聯(lián)網(wǎng)所帶來的信息公開、透明化將實現(xiàn)人-物-信息三者之間的互聯(lián)。用戶基于所獲得的信息改變了其用能習慣，并直接主動參與能源系統(tǒng)的調控，為集群智能提供了基礎。

2 新一代CES的建模

2.1 CPPS建模概況

電力系統(tǒng)的時序特性與信息系統(tǒng)的信息／事件驅動特性之間的差異成為CPPS建模的難點。如何兼顧以微分／代數(shù)方程等連續(xù)數(shù)學作為時域信息描述的電力系統(tǒng)與以離散數(shù)學為基礎的信息系統(tǒng)兩者的結合，體現(xiàn)連續(xù)性與離散性的異構系統(tǒng)融合特征，削弱互斥影響，并在時間尺度上實現(xiàn)同步與實時性，成為CPPS統(tǒng)一建模的特征與關鍵［10］。

文獻［20］提出了基于動態(tài)鏈接庫橋接物理、信息模型的物理信息融合CP（Cyber-Physical）建模方法，用以實現(xiàn)物理、信息模型的一一對應，并通過建立光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)的物理信息模型進行仿真驗證；文獻［21］基于數(shù)學理論和編程方法構建了通信、計算、電力的混合動力系統(tǒng)模型，并用以評估電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；文獻［22］通過符號串編碼的方式形成了電力信息物理融合系統(tǒng)建模和穩(wěn)定性評估的數(shù)學框架；文獻［23］設計了電力系統(tǒng)信息傳遞的過程，在此基礎上研究系統(tǒng)的分層分區(qū)控制及統(tǒng)一控制；文獻［24］則由電力系統(tǒng)負荷角度著手，將負荷的周期變化特性與任務的進程做類比，用實時任務模擬電力系統(tǒng)負荷的行為進行建模并實現(xiàn)電力負荷的有效管理。上述文獻主要以滿足電力系統(tǒng)能量流管理的需求為目的，構建了物理-信息實時對接的模型。

而在信息流層面，文獻［25］針對CPPS通信安全問題，提出了信息脆弱性指標，并基于此構建實時模型研究系統(tǒng)受信息攻擊的影響；文獻［26］和文獻［27］分別以采樣時間和信息路徑為優(yōu)化對象，通過對其控制以期實現(xiàn)CPPS信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)間的實時同步性；文獻［28-29］則從實現(xiàn)信息系統(tǒng)對物理系統(tǒng)支撐的角度，用數(shù)學形式描述了發(fā)電、負荷以及配電網(wǎng)的基于信息結構的動態(tài)模型，并通過相互之間信息的交互實現(xiàn)系統(tǒng)全局可觀性；文獻［30］基于微分代數(shù)方程組、有窮自動機、隨機過程、排隊論等數(shù)學工具，建立CPPS穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型，較為系統(tǒng)地討論了電力信息與物理融合建模問題。

2.2 新一代CES建模技術發(fā)展挑戰(zhàn)

新一代CES建模在CPPS建模的基礎上需要重點考慮以下2個特征：

a.新一代CES中能量流、信息流以及相互之間作用下的隨機動態(tài)特性的數(shù)學描述；

b.能源、信息系統(tǒng)節(jié)點狀態(tài)量的選取以減少系統(tǒng)信息冗余量，以適應廣域互聯(lián)網(wǎng)下大量數(shù)據(jù)交互的情景。

2.2.1 基于隨機微分方程的動態(tài)特性建模思路

基于代數(shù)方程組可進行能源-信息系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)描述。而在動態(tài)特性方面，隨著新一代CES隨機動態(tài)特性的增強，系統(tǒng)部分元件隨機性對系統(tǒng)的影響需受到重視，如可再生能源發(fā)電、電動汽車負荷、信息系統(tǒng)中的傳感單元等［30-31］，數(shù)學工具可借助隨機微分方程，模型如下：

其中，f（x，t）為系統(tǒng)元件動態(tài)特性方程，x 為元件狀態(tài)變量，t為時間；x0為初態(tài)；y（t）為隨機激勵項，結合元件特性對此隨機項的量化描述為分析重點。如文獻［32］基于單機無窮大系統(tǒng)構造了帶有高斯型隨機激勵項的非線性隨機微分方程，用其分析系統(tǒng)穩(wěn)定性并發(fā)現(xiàn)了新的失穩(wěn)現(xiàn)象。

另一方面，傳統(tǒng)電力傳輸網(wǎng)絡在動態(tài)分析過程中往往忽略其電磁暫態(tài)特性，以代數(shù)方程進行描述。新一代CES耦合了不同的能量流，天然氣、供冷／熱網(wǎng)等流體的狀態(tài)量時常不同于電，因此，在能源網(wǎng)絡動態(tài)分析中，其滯后特性需以微分方程描述其動態(tài)過程。

因此，新一代CES可以深入研究基于隨機微分方程的建模及其對應數(shù)值積分算法，聯(lián)立傳統(tǒng)微分方程及代數(shù)方程，求解能源系統(tǒng)動態(tài)響應軌跡。

2.2.2 基于減少信息冗余的模塊化建模構想

模塊化建模構想是指將一種設備（發(fā)電機、負荷等）或幾種設備組成的可以實現(xiàn)內部信息自治的閉環(huán)系統(tǒng)（如具備孤島運行能力的微電網(wǎng)）視為一個模塊，同時，找準模塊內部元件的關鍵狀態(tài)量，并作為信息與外部網(wǎng)絡進行交互，減少信息冗余，以系統(tǒng)思維構建各模塊的信息-物理模型。所有交互信息量則作為信息節(jié)點計入信息系統(tǒng)建模，與能源系統(tǒng)實現(xiàn)交替迭代求解。此建模構想在某種程度上是對大量信息節(jié)點做了第一級優(yōu)化。

圖4是模塊化建模構想的一種描繪，闡述了2種不同能量流的耦合（如電力流和天然氣），實現(xiàn)兩者交互的關鍵設備——能量樞紐，其信息-物理模型是未來研究的重點。通過耦合矩陣構建數(shù)學模型描述能量樞紐的物理特性并進行能源系統(tǒng)經濟性分析正成為研究熱點［33］，但能量樞紐的信息-物理模型構建還鮮有文獻提及，事實上，能量樞紐作為多能源系統(tǒng)中的一個紐帶，地位可類比電力系統(tǒng)中的“變電站”，其信息-物理安全關乎整個能源系統(tǒng)，構建其信息-物理模型進行系統(tǒng)安全評估尤為重要。另一方面，能量樞紐的建模需進一步考慮不同能源之間轉換的時間滯后特性，以及能源轉換器所表征的動態(tài)行為在信息系統(tǒng)中的對應狀態(tài)量。

圖4 模塊化建模的構想Fig.4 Conception of modular modelling

3 新一代CES的系統(tǒng)分析方法

3.1 CPPS分析方法概況

CPPS分析基于所建立的信息-物理融合模型，一方面通過數(shù)學方法，分析信息-物理協(xié)同下的系統(tǒng)特性，如安全性分析、可靠性分析等，以期指導規(guī)劃；另一方面，充分利用自主感知、采集傳輸、計算處理等方法對電網(wǎng)狀態(tài)進行感知分析和預測，以指導系統(tǒng)實時控制，現(xiàn)在多稱為“態(tài)勢感知SA（Situation Awareness）”［34］。

電網(wǎng)潮流、信息流傳播的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)分析是CPPS分析的基礎。電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)確定潮流及基于隨機理論的不確定潮流計算方法已較為成熟［35］，而電網(wǎng)信息系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)分析方法，以及協(xié)同信息系統(tǒng)通信與信息處理能力的電網(wǎng)動態(tài)潮流計算系統(tǒng)處于發(fā)展階段，文獻［36］還提出基于異步迭代和公共對象請求代理模式下的分布式動態(tài)潮流計算模型，使計算系統(tǒng)向工程實用化邁進。

CPPS的可靠性和安全性分析主要考慮信息系統(tǒng)故障導致的網(wǎng)絡阻塞對物理系統(tǒng)的影響，如部分數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)延時等?？煽啃苑治龇矫?，文獻［30］借鑒電力系統(tǒng)可靠性分析的N-1原則，以移除信息系統(tǒng)不同設備研究信息物理系統(tǒng)的可靠性，同時還提出了以建立不同設備的概率模型為基礎，借助隨機過程等數(shù)學理論進行可靠性評估。而在信息物理安全性研究方面，主要研究內容如下。

①常見信息網(wǎng)絡攻擊類型研究，如病毒、漏洞、竊聽、虛假信息注入等［37］，其中虛假信息注入由于其攻擊信息系統(tǒng)較薄弱的傳感裝置環(huán)節(jié)，對該類攻擊手段的研究受到國內外研究者廣泛關注［38-39］。

②信息網(wǎng)絡攻擊進程建模研究，如采用攻擊樹作為攻擊過程的建模工具，進行攻擊場景條理化分析［40］，以博弈論為數(shù)學基礎研究攻擊者與調度人員在信息系統(tǒng)受攻擊時相互之間的博弈行為等［41］。

③信息網(wǎng)絡如何提高風險意識及防御水平對策研究，主要措施集中在對信息系統(tǒng)不同層級（感知層、傳輸層、應用控制層等）分別加設安全措施［42-43］；文獻［44］還借鑒電力系統(tǒng)安全分析理論建立了基于預想事故分析的信息物理安全分析架構。

電網(wǎng)態(tài)勢感知是指在一定時空范圍內，集電網(wǎng)信息采集、理解和預測為一體，以實時動態(tài)掌握電網(wǎng)運行軌跡并判斷其運行趨勢為目標的一項新興技術［34，45］，已有文獻提出將該技術應用于智能電網(wǎng)自動調度［34］，其在電網(wǎng)CPS的實時狀態(tài)估計、預測將有廣泛的前景，目前國內外仍處于起步階段。

3.2 新一代CES分析方法發(fā)展挑戰(zhàn)

新一代CES信息物理安全性分析的需求凸顯，其分析基礎：如海量設備異構數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)一認證與交互、耦合能量流、復雜信息流的動態(tài)分析也面臨挑戰(zhàn)。如圖5框架所述。

圖5 新一代CES分析方法應對挑戰(zhàn)Fig.5 Analysis method of new CES

3.2.1 廣域互聯(lián)網(wǎng)下CES分析的通信協(xié)議

新一代CES將廣泛適應大量不同物理設備的接入，同時在互聯(lián)網(wǎng)的架構體系下，海量的數(shù)據(jù)處理將逐漸依靠于分布式計算系統(tǒng)。不同設備、不同計算系統(tǒng)、計算系統(tǒng)與設備之間的對話對統(tǒng)一通信協(xié)議的需求愈發(fā)明顯，作為通信基礎，它將定義語法（數(shù)據(jù)格式、編碼等）、語義（數(shù)據(jù)內容、控制信息等）、定時規(guī)則（通信順序、速率匹配等），以確保信息的完整、準確、實時傳輸。

不少文獻指出，在CPS提出之時，學術界提出以信息物理互聯(lián)網(wǎng) CPI（Cyber Physical Internet）的 6層通信協(xié)議棧作為CPS的通信協(xié)議，在探討CPPS時也將通信協(xié)議列為一項重點，但關鍵技術目前仍存在挑戰(zhàn)［10，46］。新一代CES通信協(xié)議相關技術如物理設備數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一定義、網(wǎng)絡地址分配、計算系統(tǒng)的同步等仍迫切需要解決，以此來實現(xiàn)能源-信息異構網(wǎng)絡之間的網(wǎng)間認證和數(shù)據(jù)交換，是系統(tǒng)分析的基石。

3.2.2 基于云計算的能量-信息流動態(tài)分析

新一代CES能量-信息流的交互分析應涉及穩(wěn)態(tài)和動態(tài)2個層面。未來融合網(wǎng)絡的動態(tài)特性加快，物理系統(tǒng)高度依賴信息系統(tǒng)實現(xiàn)整體優(yōu)化運行與控制，進行能量-信息流的動態(tài)分析，目的在于求解信息系統(tǒng)在發(fā)生阻塞、故障而處于暫態(tài)時，或物理系統(tǒng)發(fā)生故障時，物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)間交替影響的暫態(tài)時域軌跡，以評估整個能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

云計算屬于分布式計算的一種，具有超大規(guī)模計算能力、高可靠性、通用性和可擴展性的優(yōu)點，它可以很好地解決能源網(wǎng)絡規(guī)模過大以及數(shù)據(jù)廣域分布的問題，將成為能量-信息流動態(tài)分析的有效工具。3.1節(jié)中提及已有相關文獻對電網(wǎng)分布式動態(tài)潮流及其工程實用化進行研究［36］，信息系統(tǒng)中常用數(shù)據(jù)包級仿真和流仿真［30，47-49］進行動態(tài)過程分析。但在新一代CES中，綜合考慮不同能源網(wǎng)的差異性及動態(tài)過程響應特性，與信息流動態(tài)方程聯(lián)立，進行分布式能量-信息流的動態(tài)分析仍未見有相關文獻提及；基于云計算強大的數(shù)據(jù)處理能力、分布式計算能力，實現(xiàn)能量-信息流交互的動態(tài)特性分析仍待研究。

3.2.3 信息物理安全實時感知

常見的安全性分析多基于預想事故集的方法構建出一系列規(guī)則策略庫，其在新一代CES高復雜程度之下的適應性存疑。反之，實時追蹤物理系統(tǒng)并對其進行信息物理安全性的在線分析、預測，進而及時采取防御措施的信息物理安全實時感知將成為新一代CES的技術挑戰(zhàn)之一。其核心在于態(tài)勢感知技術的發(fā)展，以其對物理系統(tǒng)可見性的提高及預測能力，實時為新一代CES提供安全保障。

同時，為了保證信息的及時、準確獲取以便系統(tǒng)能夠進行感知預測，一方面需要深入研究延遲／中斷容忍網(wǎng)絡技術［47］，使新一代CES有很強的處理信息延遲和中斷的能力；另一方面則需要加強全球GPS納秒級同步技術的研發(fā)，增強信息物理系統(tǒng)的同步性。

4 新一代CES控制技術

4.1 CPPS控制技術概況

CPPS控制基于信息-物理融合模型及相應系統(tǒng)分析方法，能夠更靈敏地感知環(huán)境變化，將更好地對電網(wǎng)進行協(xié)調控制，控制技術框架如圖6所示。

圖6 CPPS控制分析研究架構Fig.6 Frame of CPPS control method

如圖，CPPS控制類似于傳統(tǒng)控制，其解決的亦是在滿足系統(tǒng)約束條件下，以某種控制目的對控制對象實現(xiàn)控制，但在CPPS架構下，約束中還重點考慮了計算系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡的性能。它們分別主要指系統(tǒng)控制算法的最高時間復雜度、通信網(wǎng)絡最大信息流通量。這2個約束體現(xiàn)了CPPS控制中，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的相互影響?？刂茖ο髣t從傳統(tǒng)關注電網(wǎng)能量流轉移到能量-信息流的協(xié)調控制，如信息傳輸過程的優(yōu)化，通過減少時延以保證系統(tǒng)的實時性。

控制方法上，為解決網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)NCS（Networked Control System）過分依賴通信網(wǎng)絡的缺點，集就地控制和網(wǎng)絡化控制于一體的混合控制技術正成為研究熱點［10，30］。其難點在于如何協(xié)調全局控制和本地控制之間的靈活切換并使系統(tǒng)最優(yōu)。此外也有文獻在網(wǎng)絡化控制的基礎上，研究通信網(wǎng)絡延遲和信息丟包的解決辦法，如延遲和丟失補償［50］，核心方法在于借助當前點信號的特征對未來幾個時段進行控制信號的預測，以便于在信息丟失時進行補償。

4.2 新一代CES控制技術發(fā)展挑戰(zhàn)

4.2.1 能量-信息流的分布式動態(tài)優(yōu)化新算法

新一代CES以實現(xiàn)能源的綜合高效利用為目標，借助信息-能源系統(tǒng)對復雜能量-信息流的實時優(yōu)化調度成為必須。而新形勢下對新一代CES的能量-信息流的優(yōu)化控制算法的進一步需求如下。

①建設適應云計算等分布式計算系統(tǒng)：新一代CES中存在大量的物理設備、傳感設備，廣域協(xié)調優(yōu)化控制下需要借助于分布式計算系統(tǒng)的快速計算能力，以保證控制的實時性。

② 計及系統(tǒng)調控資源、計算系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡的動態(tài)變化約束，對優(yōu)化控制點進行實時更新。

③應增加當前運行點下對后續(xù)若干優(yōu)化點的預測，以備信息網(wǎng)絡故障時實現(xiàn)就地優(yōu)化控制。

4.2.2 機制引導：用戶深度參與分散優(yōu)化決策

新一代CES將使傳統(tǒng)能源用戶發(fā)展為產消者追求能源共享和互動，大量用戶將成為參與系統(tǒng)優(yōu)化決策不可或缺的角色。用戶在能源系統(tǒng)中的行為并不受系統(tǒng)調度支配，它需要相應機制來引導，如政策、市場機制等。因此，深度研究相應的引導機制，如實時能源價格制定、高峰節(jié)能低谷用能獎勵機制等，使用戶深度參與分散優(yōu)化決策，實現(xiàn)集群智能，在未來值得高度重視。

5 結論

在全球能源危機、環(huán)境污染、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術蓬勃發(fā)展等背景下，智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)正在深度融合，形成能源互聯(lián)網(wǎng)，其將構建新一代CES。多耦合能量流的隨機動態(tài)特性顯著、廣域互聯(lián)網(wǎng)下的信息資源整合能力增強、能量-信息流的互作用特性增強，成為新一代CES的主要形態(tài)特征。

（1）CPS建模是CPS分析及控制的基礎，新一代CES建模應重點關注系統(tǒng)隨機動態(tài)特性并考慮減小信息冗余，基于隨機微分方程系統(tǒng)動態(tài)特性建模及模塊化建模思想是值得研究的重點方向。

（2）CPS分析基于所建立的模型，同時亦是實現(xiàn)系統(tǒng)控制的前提，是CPS的核心技術。新一代CES的系統(tǒng)分析應在通信協(xié)議需求、云計算下的能量信息流動態(tài)分析、信息物理安全實時感知等方面取得突破。

（3）實現(xiàn)對CPS安全、穩(wěn)定、優(yōu)化控制是建立CPS的最高形態(tài)應用。新一代CES控制技術在建立能源信息流的分布式動態(tài)優(yōu)化新算法、建立機制引導用戶參與分散優(yōu)化決策等方面仍具挑戰(zhàn)。

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