王維 趙明穎

（國網(wǎng)七臺(tái)河供電公司 黑龍江省七臺(tái)河市 154600）

電力CPS的架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)與挑戰(zhàn)

王維 趙明穎

（國網(wǎng)七臺(tái)河供電公司 黑龍江省七臺(tái)河市 154600）

電力CPS結(jié)合了多種電力手段，進(jìn)而通過整體有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的高效運(yùn)作，同時(shí)對(duì)于各種大型電力工程來說也是有所助力的，結(jié)合計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)，物理環(huán)境等綜合方面的技術(shù)為工程提供了信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，在應(yīng)用過程上看似非常有效的措施，本文首先對(duì)其定義進(jìn)行簡明了解，進(jìn)而又結(jié)合電力CPS技術(shù)等方面的特征進(jìn)行了探討，旨在提高人們對(duì)于CPS的認(rèn)識(shí)，提高我國電力智能化進(jìn)程。

電力CPS；架構(gòu)；電力系統(tǒng)；智能電網(wǎng)

引言

近年來，在電力行業(yè)，智能電網(wǎng)的構(gòu)建與組成并不陌生，其靈活與高效性能一直備受關(guān)注，同時(shí)在安全方面，智能電網(wǎng)也是非常不錯(cuò)的選擇，本文主要研究一種智能電網(wǎng)中的新技術(shù)，信息物理融合系統(tǒng)。通過對(duì)其了解，進(jìn)一步提高智能電網(wǎng)有效運(yùn)行，提高可持續(xù)發(fā)展。下面具體分析這種新途徑。

1 CPS的定義和功能

CPS是通過計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)，傳感加上物理設(shè)備組成，這些設(shè)備之間是互聯(lián)的，并且在電力工作過程是有效的整體，通過這些方式的結(jié)合形成了電力系統(tǒng)的綜合效率。其次是系統(tǒng)的計(jì)算與處理是結(jié)合的，這種相互影響是存在于計(jì)算機(jī)與物理設(shè)備之間的，對(duì)于具體的體現(xiàn)尚未明確，從目前來看計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與物理系統(tǒng)仍然是獨(dú)立存在的，CPS是為了更好的融合兩者關(guān)系，進(jìn)而通過具體措施實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的結(jié)合，這也是CPS研究的目標(biāo)，屬于新的研究方式，所以應(yīng)該被重視起來。

2 電力CPS的構(gòu)成

2.1 控制中心

電力CPS的控制中心十分重要，作為電力系統(tǒng)的綜合調(diào)度中心，也是CPS的核心所在?？刂浦行陌烁鞣N電力CPS涉及到的設(shè)備，其功能主要是采集整理數(shù)據(jù)，并修正系統(tǒng)運(yùn)行，通過建立模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于各種物理設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控過程進(jìn)行相關(guān)的物理設(shè)備調(diào)試與完善，在通過信息的轉(zhuǎn)換與互聯(lián)實(shí)現(xiàn)與CPS的其他系統(tǒng)的互通，最后達(dá)到與外部CPS實(shí)現(xiàn)協(xié)作，也會(huì)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)時(shí)進(jìn)行區(qū)域性電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，也會(huì)獲取相關(guān)的自然環(huán)境與天氣情況時(shí)時(shí)互聯(lián)。

2.2 分布式計(jì)算設(shè)備

電力CPS是要結(jié)合計(jì)算機(jī)處理器進(jìn)行分析的，所以對(duì)于海量的信息，必須有強(qiáng)大的系統(tǒng)信息處理設(shè)備作為有效支持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于物理設(shè)備的最大化監(jiān)控，在討論過程我們也發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的信息處理能力無法與電力CPS對(duì)比，電力CPS對(duì)于信息處理能力要求更高些。基于這種基礎(chǔ)，通過大數(shù)據(jù)的云計(jì)算，網(wǎng)格計(jì)算平臺(tái)等，可以實(shí)現(xiàn)并獲得有效的幫助，是電力CPS發(fā)展過程重要組成。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

電力CPS的通信網(wǎng)絡(luò)是專用的，也是開發(fā)過程必須重視的，對(duì)于電力系統(tǒng)來說，有效的通信網(wǎng)絡(luò)支持是必要的，專用的網(wǎng)絡(luò)、有線或無線網(wǎng)絡(luò)都是必要組成，這三個(gè)部分必須進(jìn)行合理組成。電力系統(tǒng)工程在工作運(yùn)行過程，對(duì)于控制數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)的要求高，所以一般的通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足電力CPS通信，這點(diǎn)必須給予重視，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效CPS通信。

2.4 輸電、配電網(wǎng)絡(luò)

在電力發(fā)展過程我們看到未來輸電、配電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程需要有個(gè)強(qiáng)大的傳感器作為基礎(chǔ)，并且傳感器的數(shù)量也必須增加，對(duì)于電力CPS來說，配電網(wǎng)中的各個(gè)物理設(shè)備之間是靈活采用的，是可以通過控制中心進(jìn)行管理的，這種大規(guī)模的電力系統(tǒng)實(shí)施，也可以運(yùn)用變電站的協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而提高控制各種輸電的有效進(jìn)行。

2.5 電源和負(fù)荷

電力CPS中的分布式電源和各種負(fù)荷設(shè)備未來都可以給每個(gè)接入CPS的物理設(shè)備分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別和搜索?？刂浦行目梢栽诒匾獣r(shí)直接控制分布式電源和各種負(fù)荷設(shè)備。在被迫切負(fù)荷時(shí)，控制中心可以選擇斷開部分次要負(fù)荷設(shè)備（如部分智能家電），而不是中斷對(duì)一個(gè)區(qū)域的供電，以減少停電波及范圍、提高供電可靠性和用戶的滿意程度。

3 實(shí)現(xiàn)電力CPS的關(guān)鍵技術(shù)

可以用于實(shí)現(xiàn)電力CPS的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.1 全局優(yōu)化與局部控制的協(xié)同技術(shù)。

電力CPS的最終目的是能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全局最優(yōu)控制?？刂颇繕?biāo)可以為系統(tǒng)總發(fā)電成本最小、社會(huì)總用電效益最大、網(wǎng)損最小、總碳排放量最小等。由于未來電力CPS中需要控制的設(shè)備數(shù)量會(huì)明顯超過目前的電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中最優(yōu)控制所需的計(jì)算量就會(huì)非常驚人，因此不能完全依靠集中控制方式，而必須把集中控制與分散控制結(jié)合起來解決問題。電力CPS可通過各種嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行局部控制?？刂浦行目梢酝ㄟ^在線調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)和在必要時(shí)直接控制物理設(shè)備來協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。

3.2 大規(guī)模分布式計(jì)算

大規(guī)模分布式計(jì)算技術(shù)如云計(jì)算是解決電力CPS計(jì)算問題的有效途徑。利用云計(jì)算技術(shù)可以有效整合系統(tǒng)中現(xiàn)有的計(jì)算資源，為各種分析計(jì)算任務(wù)提供強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力支持。云計(jì)算能支持各種異構(gòu)計(jì)算資源，與集中式的超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，其可擴(kuò)展性很強(qiáng)，且可以在現(xiàn)有計(jì)算能力不足時(shí)方便地升級(jí)。與傳統(tǒng)的計(jì)算模式相比，云計(jì)算還具有便于信息集成和分析，便于軟件系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用等優(yōu)點(diǎn)。此外，基于云計(jì)算的分布式計(jì)算模式也與電力CPS集中控制與分散控制相結(jié)合的模式比較吻合。

3.3 CPS通信協(xié)議

CPS是一種新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此就需要為其構(gòu)造專門的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了針對(duì)CPS的通信協(xié)議棧，以CPI協(xié)議棧為例，其繼承了傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧的5層結(jié)構(gòu)（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層），并針對(duì)CPS的特點(diǎn)（如實(shí)時(shí)性要求高、結(jié)構(gòu)靈活等）進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整；此外，在應(yīng)用層之上增添了專門針對(duì)CPS的信息物理層以描述物理系統(tǒng)的特征與動(dòng)態(tài)。

4 結(jié)束語

CPS是在電力系統(tǒng)中屬于一種的新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。包含了計(jì)算設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也必須要有傳感設(shè)備和物理設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，CPS實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的聯(lián)通，同時(shí)也可以通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)構(gòu)建模式運(yùn)行環(huán)境，對(duì)于有效的電力系統(tǒng)運(yùn)行分析有著很大促進(jìn)作用。同時(shí)我們?cè)诎l(fā)展電力CPS的時(shí)候更要結(jié)合實(shí)際因素，從基礎(chǔ)理論出發(fā)，進(jìn)行模擬實(shí)踐，從而找到更加適合的結(jié)合措施，不斷提高CPS技術(shù)發(fā)展。

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2016-3-26