陳彬，黃建業(yè)，張功林，范元亮，王琦，湯奕

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州市 350007；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京市 210096)

配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的典型特征與聯(lián)合測試驗(yàn)證

陳彬1，黃建業(yè)1，張功林1，范元亮1，王琦2，湯奕2

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州市 350007；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京市 210096)

隨著多通信方式網(wǎng)絡(luò)、分布式電源等信息物理資源的加入，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的信息流和能量流特性發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變，因此迫切需要從信息物理融合的視角去研究相關(guān)運(yùn)行及控制問題。首先闡述了配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)(cyber physical system, CPS)的5種典型特征；其次，為完整保留能量流和信息流交互過程，從數(shù)字與動模測試驗(yàn)證互補(bǔ)的角度，提出配電網(wǎng)CPS數(shù)模混合測試驗(yàn)證平臺，以支撐該領(lǐng)域理論分析和控制方法研究；最后，基于分布式光伏無功優(yōu)化控制算例驗(yàn)證了平臺的有效性。

信息物理系統(tǒng)(CPS)；測試驗(yàn)證平臺；數(shù)?；旌戏抡?/p>

0 引 言

現(xiàn)代配電網(wǎng)是由物理網(wǎng)絡(luò)、信息設(shè)備和計(jì)算單元耦合而成的大規(guī)模信息物理系統(tǒng)(cyber physical system, CPS)，呈現(xiàn)出時(shí)間驅(qū)動與事件驅(qū)動并存、運(yùn)行方式多樣化、網(wǎng)絡(luò)安全問題突出等特點(diǎn)。為解決這些問題，需要增加大量通信設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)分布式電源的優(yōu)化控制及其與大電網(wǎng)間的協(xié)同控制，達(dá)到一次設(shè)備、控制終端和多級控制器互通，滿足裝置“即插即用”需求，準(zhǔn)確傳遞和識別信息流[1-4]。上述因素會導(dǎo)致配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，給配電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行帶來較大不確定性。因此迫切需要發(fā)展配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)相關(guān)理論和方法，將配電網(wǎng)從原有的“主從式”或“各自為政”的形態(tài)提升為“全景式”和“精細(xì)式”的智能控制形態(tài)，通過數(shù)據(jù)信息自動閉環(huán)流動實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行，以滿足未來發(fā)展需要[5]。

在信息物理系統(tǒng)理論分析領(lǐng)域，國內(nèi)外已經(jīng)取得一些初步的研究成果。文獻(xiàn)[6]深入探討了聯(lián)網(wǎng)物理系統(tǒng)對計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求，認(rèn)為現(xiàn)有計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)理論不足以支持CPS的實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[7]提出了一種能夠支持實(shí)時(shí)、可靠、容錯(cuò)、安全、自治、可擴(kuò)展等特征的CPS的原型架構(gòu)；文獻(xiàn)[8]初步研究了電力CPS的安全性與可靠性問題?？傮w而言，目前尚不具備能夠全面準(zhǔn)確地計(jì)及信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)交互過程的CPS相關(guān)理論與方法?，F(xiàn)有針對配電網(wǎng)CPS的融合模型及運(yùn)行控制方法等方面的研究尚處于起步狀態(tài)。在理論研究尚不完備的情況下，構(gòu)造配電網(wǎng)CPS鏡像模擬平臺可為系統(tǒng)特性挖掘、相關(guān)理論測試和所提方法驗(yàn)證提供支撐[9]。

本文對配電網(wǎng)CPS的核心內(nèi)涵和測試驗(yàn)證方法展開研究。首先從多源異構(gòu)配電網(wǎng)物理資源的優(yōu)化配置和安全防護(hù)、信息資源的實(shí)時(shí)交換和集成共享等方面總結(jié)闡述配電網(wǎng)CPS的典型特征；其次提出基于信息物理數(shù)?；旌象w系架構(gòu)和交互方式的配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺，支持開展配電網(wǎng)CPS互操作、互連通與互兼容等方面的測試驗(yàn)證；最后通過光伏無功優(yōu)化控制算例驗(yàn)證配電網(wǎng)CPS的典型特性與測試驗(yàn)證平臺的有效性。

1 配電網(wǎng)CPS典型特征

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，配電網(wǎng)在很大程度上將發(fā)展為信息空間與物理空間虛實(shí)映射、數(shù)據(jù)閉環(huán)流動、資源得到優(yōu)化配置的信息物理系統(tǒng)。配電網(wǎng)CPS在實(shí)現(xiàn)設(shè)備“即插即用”與“互通互信”的基礎(chǔ)上，融合海量系統(tǒng)運(yùn)行信息、裝置信息以及外部環(huán)境信息[10]，提升系統(tǒng)運(yùn)行的整體性能，表現(xiàn)出可觀、開放、融合、安全、自治等五大典型特征。

可觀性的范圍分為物理層和系統(tǒng)層。物理層可觀是指系統(tǒng)嵌入多種在線監(jiān)測單元，以使運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)更加齊全，與測控裝置、繼電保護(hù)裝置、開關(guān)設(shè)備本體等有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備多視角觀測[11]；系統(tǒng)層可觀是指系統(tǒng)融合多源信息，開展?fàn)顟B(tài)估計(jì)，清洗不良數(shù)據(jù)，消除監(jiān)測盲點(diǎn)，感知電網(wǎng)全局運(yùn)行態(tài)勢，支撐配電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，協(xié)同電網(wǎng)故障快速搶修。兩者的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)局部與全局運(yùn)行的態(tài)勢可觀與分析判斷。

開放性指通過信息對象建模技術(shù)，將不同類型終端統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)化的對象模型，主要包括應(yīng)用功能的標(biāo)準(zhǔn)化、信息對象模型和服務(wù)模型的標(biāo)準(zhǔn)化、映射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)化以及具體通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)各類不同終端的開放互聯(lián)。

融合性分為物理層融合與模型層融合，物理層融合是指隨著量測、感知、計(jì)算、通信等功能的深度嵌入，一二次設(shè)備高度融合；模型層融合是指電力系統(tǒng)連續(xù)過程與信息通信系統(tǒng)離散過程的融合。兩者的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更全面、更準(zhǔn)確的自我狀態(tài)與全局態(tài)勢的感知[12]。

安全性主要包括語義安全、安全監(jiān)測和漏洞管理等部分。在現(xiàn)有的安全防護(hù)基礎(chǔ)上，分析信息和物理系統(tǒng)間上下行數(shù)據(jù)的語義關(guān)系，對信息流進(jìn)行相關(guān)性與一致性檢驗(yàn)，以識別異常信息，并阻斷其傳遞，降低故障傳播幾率[13]。

自治性包括自適應(yīng)、自配置與自組織等能力。其中自適應(yīng)能力指系統(tǒng)在應(yīng)對外部環(huán)境和內(nèi)部設(shè)備的狀態(tài)變化時(shí)，能夠及時(shí)自動調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，以取得最佳的響應(yīng)效果；自配置能力指系統(tǒng)能夠高度靈活地自動配置并切換相應(yīng)功能，減少人工運(yùn)維成本；自組織能力指多個(gè)CPS實(shí)體間通過網(wǎng)絡(luò)平臺互聯(lián)，統(tǒng)一調(diào)度、實(shí)時(shí)協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)從無序向有序的自我演進(jìn)過程。自治電力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)分布式電源與用戶之間的信息交互、非正常運(yùn)行方式下故障就地快速自愈、正常運(yùn)行方式的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等應(yīng)用功能，從而達(dá)到源網(wǎng)荷自平衡與自恢復(fù)的優(yōu)化目標(biāo)。

2 配電網(wǎng)CPS聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺

2.1 平臺模擬方法與技術(shù)需求

對復(fù)雜異構(gòu)的大規(guī)模配電網(wǎng)CPS，其測試驗(yàn)證要體現(xiàn)其可觀、開放、融合、安全、自治的特征，這就要求測試驗(yàn)證平臺組成靈活、控制多樣、信息多源、建模協(xié)調(diào)。在組成框架上，采用模塊化設(shè)計(jì)，體現(xiàn)系統(tǒng)的整體性與層次性；在控制方式上，以功能為出發(fā)點(diǎn)，因地制宜地采用集中式、分布式和混合式控制手段；在信息采集上，需兼容各設(shè)備元件通訊方式的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)對多源信息的融合應(yīng)用；從建模角度來看，既要對物理實(shí)體進(jìn)行精細(xì)化建模，體現(xiàn)設(shè)備自身特性，又要能反映不同時(shí)空尺度的實(shí)體之間的交互影響，從而真實(shí)地反映系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律[14]。

電力系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)方法分為數(shù)字模擬與物理模擬2種。數(shù)字模擬是通過數(shù)學(xué)方程式對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行理論分析研究，優(yōu)點(diǎn)是建模速度快，經(jīng)濟(jì)性好，參數(shù)調(diào)整方便，研究的系統(tǒng)規(guī)模不受限制；缺點(diǎn)是物理概念不夠直觀，在一些新領(lǐng)域和新現(xiàn)象的研究上，若無法建立數(shù)學(xué)模型，研究將產(chǎn)生困難。由于配電網(wǎng)是一個(gè)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、許多因素交互影響的系統(tǒng)，單純通過數(shù)學(xué)建模無法準(zhǔn)確模擬配電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律和物理現(xiàn)象。而物理模擬使用與實(shí)際系統(tǒng)具有相同物理性質(zhì)且參數(shù)標(biāo)幺值一致的模擬元件，將真實(shí)的配電網(wǎng)復(fù)制到實(shí)驗(yàn)室中，保證在模型上反映的過程和實(shí)際系統(tǒng)相似，具有直觀性、廣泛性、靈活性和整體性等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是調(diào)整不便、模型搭建難度大以及成本較高。考慮將2種方法聯(lián)合起來，進(jìn)行數(shù)模聯(lián)合測試驗(yàn)證研究，可以兼取兩者的優(yōu)勢，對于精度要求不高、參數(shù)需要靈活調(diào)整的設(shè)備，采取數(shù)字軟件模擬；對于建模困難、外在特性顯著的設(shè)備，采取動態(tài)物理模擬。基于此，建設(shè)數(shù)模聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺，可以真實(shí)反映配電網(wǎng)CPS系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)及非線性特性，為驗(yàn)證相關(guān)CPS理論提供實(shí)驗(yàn)支撐。

2.2 平臺體系架構(gòu)與交互方式

2.2.1 數(shù)字測試驗(yàn)證部分

對于配電網(wǎng)CPS中研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及服務(wù)管理等工業(yè)環(huán)節(jié)的測試驗(yàn)證過程，其核心是將其轉(zhuǎn)換成抽象模型，以數(shù)字仿真的思想歸納驗(yàn)證實(shí)際系統(tǒng)的規(guī)律性?，F(xiàn)在國內(nèi)外已有很多成熟的電力系統(tǒng)仿真軟件和通信系統(tǒng)仿真軟件，可以分別對各自專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行精確的解析建模[15]。但是電力信息物理系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)和離散事件耦合而成的復(fù)雜系統(tǒng)，由于其組成方式的多樣性以及建模方式的異構(gòu)性，不能用單一的軟件詳細(xì)刻畫，因此多軟件聯(lián)合是研究配電網(wǎng)CPS中交互影響、場景監(jiān)測、安全控制策略的有效手段[16]。

對于電力系統(tǒng)模擬，由于動模部分是實(shí)時(shí)的，因此必然要求與其相連的數(shù)字部分也能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行分布式處理，從而達(dá)到實(shí)時(shí)運(yùn)行，符合要求的有加拿大研發(fā)的RTDS和RT-LAB這2款軟件。兩者的暫態(tài)仿真能力相近，由于RT-LAB在目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用更為廣泛，積累了豐富的項(xiàng)目設(shè)計(jì)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，因此選用RT-LAB作為電力系統(tǒng)模擬工具。

對于通信系統(tǒng)模擬，在保證實(shí)時(shí)性之外，還須對電力通信要求的協(xié)議規(guī)約擁有完整的支持[17-18]。目前行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的軟件主要可以分為2類：一類是商業(yè)軟件，如OPNET、COMNET和BONes等；另一類是開源軟件，如NS2、SSFNET和GloMoSim等。商業(yè)軟件價(jià)格昂貴，但是計(jì)算速度和協(xié)議支持都能夠有較好的保障；開源軟件通常免費(fèi)并且具有開放性，但是軟件結(jié)構(gòu)松散，模型精確度不高，不能滿足聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺的要求[19]。OPNET提供了3層建模機(jī)制，靈活性好，可以實(shí)現(xiàn)對電力通信業(yè)務(wù)的全過程模擬和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模擬，擁有友好的圖形界面和可視化的建模環(huán)境，能夠完成過程的動態(tài)監(jiān)視和結(jié)果的動態(tài)展現(xiàn)。此外，其提供與外部環(huán)境交互的接口，擴(kuò)展性好。因此選取OPNET作為通信系統(tǒng)模擬工具。

2.2.2 動模測試驗(yàn)證部分

動模測試驗(yàn)證部分可以精確模擬系統(tǒng)動態(tài)過程，發(fā)掘動態(tài)物理元件的適用性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，加速CPS關(guān)鍵硬件技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。配電網(wǎng)典型動模系統(tǒng)接線圖如圖1所示，系統(tǒng)所模擬的線路和設(shè)備參數(shù)以及負(fù)荷數(shù)據(jù)與實(shí)際配電網(wǎng)基本一致，且能代表配電網(wǎng)的基本特征，具有代表性。

圖1 配電網(wǎng)動態(tài)模擬系統(tǒng)主接線Fig.1 Main wiring of distribution network dynamic simulation

配電網(wǎng)CPS動模部分由主站物理設(shè)備、通信系統(tǒng)模擬部分和配電網(wǎng)動模部分組成，包括3座110 kV變電站、8條饋線、3類CPS終端、光伏模擬裝置、風(fēng)機(jī)模擬裝置、實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)、CPS主站和故障模擬模塊，可彌補(bǔ)數(shù)字模擬偏理論化和理想化的缺點(diǎn)。

動模測試驗(yàn)證部分采用模塊化設(shè)計(jì)，將種類繁多的器件按照功能分為不同模塊：電源模塊、饋線單元模塊、纜線投切模塊、環(huán)網(wǎng)柜模塊。將模塊所包含的器件組裝成屏柜，方便設(shè)計(jì)與安裝，有利于后期更改線路拓?fù)浜拖到y(tǒng)拓展。在原有動模實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上增加CPS終端，通過物理通信設(shè)備與路由器、交換機(jī)組網(wǎng)，模擬實(shí)際通信場景，可對復(fù)雜、有源配電網(wǎng)進(jìn)行測試驗(yàn)證。此外可根據(jù)需求靈活調(diào)整接線方式、線路類型、線路長度、接地方式，可設(shè)置30個(gè)故障點(diǎn)，18種故障類型，模擬540種故障情況。在該系統(tǒng)上可方便地測試配電網(wǎng)在正常及故障運(yùn)行工況下的物理現(xiàn)象，同時(shí)可以為其他設(shè)備如饋線終端設(shè)備(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)、繼電保護(hù)裝置等提供與實(shí)際模型等值的電氣信號，完成設(shè)備檢查或聯(lián)調(diào)，從而驗(yàn)證控制保護(hù)理論的有效性，促進(jìn)配電網(wǎng)及其自動化設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)進(jìn)程。

2.2.3 數(shù)模聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺

將數(shù)字與動模部分聯(lián)合統(tǒng)一，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，整合系統(tǒng)資源，開展配電網(wǎng)CPS應(yīng)用技術(shù)的可靠性、開放性與互通性測試驗(yàn)證，促進(jìn)相關(guān)通用性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化與理論研究的成果化，得到理論與實(shí)際相互結(jié)合驗(yàn)證的系統(tǒng)高效解決方案。配電網(wǎng)CPS數(shù)模聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺框架如圖2所示。系統(tǒng)采用分層分塊配置，每層均配有物理模塊、數(shù)字模塊和數(shù)模接口，層級間互聯(lián)狀態(tài)可根據(jù)當(dāng)前配置情況靈活切換。電力層由動模平臺、四象限功率放大器和RT-LAB組成，可以模擬有源異構(gòu)復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)，測試多種運(yùn)行方式和各類故障場景，驗(yàn)證各種分布式電源和可控負(fù)荷接入效果。通信層由通信實(shí)體網(wǎng)絡(luò)和OPNET組成，可以測試驗(yàn)證各種通信網(wǎng)絡(luò)和信息傳輸過程，以及通信延時(shí)、誤碼、中斷在內(nèi)的各類事件[20]。主站層由主站物理設(shè)備和主站數(shù)字平臺組成，實(shí)現(xiàn)對通信層和電力層的控制，可以復(fù)現(xiàn)電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)耦合的動態(tài)過程，從而對CPS的交互影響機(jī)理、協(xié)同控制、安全防護(hù)策略、研發(fā)樣機(jī)等提供驗(yàn)證和測試。

圖2 配電網(wǎng)CPS數(shù)模聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺架構(gòu)Fig.2 Framework of CPS digital-analog co-simulation platform in distribution network

CPS數(shù)字層包括主站數(shù)字平臺、OPNET通信數(shù)字平臺和RT-LAB配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)字平臺，數(shù)字部分可彌補(bǔ)物理部分在模擬通信過程和事件方面的不足，可建立大量分布式電源接入多源復(fù)雜配電網(wǎng)的測試驗(yàn)證環(huán)境。

通信層采用OPNET對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，模擬信息在電力通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程，并對信息通信系統(tǒng)的各類故障和防護(hù)策略進(jìn)行測試驗(yàn)證。OPNET通過系統(tǒng)在環(huán)(system in the loop，SITL)模塊連接RT-LAB和主站系統(tǒng)，RT-LAB和主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均通過OPNET模擬的通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給對方。

在電力層實(shí)時(shí)數(shù)字平臺RT-LAB中，由MATLAB/Simulink建立的動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型被劃分為多個(gè)可并行處理的分布式子系統(tǒng)，利用eMEGAsim平臺，實(shí)現(xiàn)快速建模。RT-LAB通過TCP/IP方式與OPNET進(jìn)行連接，由OpIPSocketCtrl模塊控制輸入輸出數(shù)據(jù)流，由OpAsyncRecv模塊接收OPNET發(fā)來的數(shù)據(jù)，由OpAsyncSend模塊向OPNET發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)RT-LAB通過四象限功率放大器與動模裝置進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)實(shí)時(shí)測試驗(yàn)證。

CPS數(shù)字部分已搭建完成并實(shí)現(xiàn)調(diào)試驗(yàn)證。通過電腦進(jìn)行主站功能模擬，包括數(shù)據(jù)包解析和控制算法應(yīng)用，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸交互高級應(yīng)用建模。在OPNET主機(jī)中建立通信網(wǎng)絡(luò)模型，模擬通信特性。在RT-LAB中搭建配電網(wǎng)模型，模擬有源異構(gòu)復(fù)雜配電網(wǎng)，支持10條饋線、5個(gè)分布式電源同步實(shí)時(shí)運(yùn)行。利用SITL模塊作為電力系統(tǒng)與通信系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。

將CPS數(shù)字部分和CPS動模部分通過四象限功率放大器和交換機(jī)進(jìn)行連接，同時(shí)需要在動模部分加入分布式發(fā)電動模設(shè)備。按照以上架構(gòu)建設(shè)的聯(lián)合測試驗(yàn)證平臺，具備模塊化架構(gòu)特征，通過分塊配置，實(shí)現(xiàn)層級之間互聯(lián)靈活切換，從而對配電網(wǎng)CPS的功能提供分層分區(qū)測試與驗(yàn)證支撐。

3 算例分析

為了驗(yàn)證配電網(wǎng)CPS自治可觀的特征，基于測試驗(yàn)證平臺，搭建了分布式光伏電站的無功優(yōu)化控制場景。在該多分布式電源區(qū)域中，關(guān)鍵線路發(fā)生故障，從而導(dǎo)致電壓跌落?；诠夥孀兤髯陨淼臒o功調(diào)壓能力，在故障時(shí)增發(fā)逆變器的無功輸出，為電網(wǎng)提供電壓支撐。

分布式光伏無功優(yōu)化場景結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過CPS終端采集分布式發(fā)電信息以及系統(tǒng)電壓信息，將多源信息采集上傳至控制主站，制定無功控制策略，并由主站下發(fā)光伏無功出力調(diào)整指令，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過鄰域交互就地協(xié)商分布式電源出力分配，從而提升系統(tǒng)的故障自治能力。

圖3 分布式光伏無功優(yōu)化場景Fig.3 Scenario of reactive power optimization in distributed PV stations

為了驗(yàn)證通信對電力系統(tǒng)的影響，在OPNET中設(shè)置了2種通信環(huán)境：(1)理想狀態(tài)，即忽略光伏與控制中心之間的通信延時(shí)；(2)實(shí)際狀態(tài)，按實(shí)際的通信特征，仿真通信鏈路的固有延時(shí)與傳播延時(shí)。此外，設(shè)置0.3 s時(shí)在變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路故障，0.4 s時(shí)故障清除，仿真結(jié)果如圖4與表1所示。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Results of simulation

由圖4可以看出，在故障階段，由于通信環(huán)境2與通信環(huán)境1相比有30 ms的延時(shí)，因此主站不能及時(shí)獲得電網(wǎng)故障狀態(tài)信息，從而對光伏無功控制效果遲滯，整體故障電壓比通信環(huán)境1下降了0.003 pu。在恢復(fù)階段，同樣由于通信的滯后性，控制中心誤判，此時(shí)仍處于故障狀態(tài)，未能及時(shí)削減無功，因此整體恢復(fù)電壓比通信環(huán)境1高0.002 pu。該場景研究含有分布式電源的配電網(wǎng)CPS控制策略，基于CPS主站與監(jiān)測終端之間的信息互動與協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了故障快速自愈，同時(shí)也驗(yàn)證了信息流對電網(wǎng)運(yùn)行的影響，體現(xiàn)了本文所提測試驗(yàn)證平臺的有效性。

4 結(jié) 論

配電網(wǎng)CPS是在工業(yè)化與信息化高度融合下，對物理實(shí)體、信息資源、外在環(huán)境等要素進(jìn)行綜合優(yōu)化控制、互動自治的多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。本文主要結(jié)論如下詳述。

(1)在理論研究層面，闡述了配電網(wǎng)CPS“可觀、開放、融合、安全、自治”五大典型特征。

(2)在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證層面，提出了配電網(wǎng)CPS聯(lián)合測試驗(yàn)證技術(shù)，從獨(dú)立的軟硬件仿真，逐步集成互聯(lián)，發(fā)展到數(shù)?；旌系南到y(tǒng)化測試驗(yàn)證平臺。

(3)以光伏無功優(yōu)化控制場景為例驗(yàn)證了所提平臺實(shí)時(shí)模擬配電網(wǎng)CPS交互特性的能力。該平臺能夠?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行與控制提供驗(yàn)證測試功能。

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(編輯 景賀峰)

Typical Characteristics and Joint Test Verification of Cyber Physical System in Distribution Network

CHEN Bin1，HUANG Jianye1，ZHANG Gonglin1，F(xiàn)AN Yuanliang1，WANG Qi2，TANG Yi2

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350007, China;2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

With the access of cyber physical resources such as multi-mode communication network and distributed generations, the characteristics of information flow and power flow in the distribution network have gone through an important shift. Therefore, there’s an urgent requirement to research on the system operation and control issues from the perspective of cyber physical integration. Firstly, this paper specifically analyzes five typical characteristics of cyber physical system(CPS) in the distribution network. Furthermore, from the perspective of complementation between digital and analog verification, this paper proposes a CPS digital-analog test verification platform of distribution network to support the theory analysis and method research of CPS field, which can hold the complete interaction process between power flow and information flow. Finally, this paper presents a case of reactive power optimization strategy in the photovoltaic (PV) station to verify the effectiveness of the proposed platform.

cyber physical system (CPS); test verification platform; digital-analog simulation

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050202)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577030)

TM 727

A

1000-7229(2017)05-0046-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.006

2017-02-20

陳彬(1982)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)信息物理系統(tǒng)、配電自動化；

黃建業(yè)(1986)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娮詣踊?/p>

張功林(1984)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娮詣踊?/p>

范元亮(1979)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娂夹g(shù)；

王琦(1989)，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)信息物理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制；

湯奕(1977)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050202)；National Natural Science Foundation of China(51577030)