新一代信息能源系統(tǒng)：能源互聯(lián)網(wǎng)

張勇軍，陳澤興，蔡澤祥，李立浧，宋偉偉

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院 廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

0 引言

全球性的能源危機(jī)和能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，使得現(xiàn)有能源生產(chǎn)和消費(fèi)的架構(gòu)局限和矛盾突顯［1-2］。分布式可再生能源的迅猛發(fā)展、國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的出臺(tái)、需求和理念更新等主客觀推動(dòng)因素的涌現(xiàn)，促使了智能電網(wǎng)擴(kuò)大其互聯(lián)范圍，深度融合其他能源網(wǎng)絡(luò)（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(gòu)建新型信息-能源融合的“能源互聯(lián)網(wǎng)”［3-4］。

目前，國(guó)內(nèi)正掀起能源互聯(lián)網(wǎng)研究的浪潮，清華大學(xué)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(chǎn)業(yè)研究院，探索應(yīng)用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合；同時(shí)，不少文獻(xiàn)也紛紛提出了對(duì)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(chǔ)上，借助信息互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)消者之間的按需傳輸及友好互動(dòng)。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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)NSF（National Science Foundation）于2006年提出CPS，定義其為將計(jì)算與物理資源緊密結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)［9］。對(duì)于CPS，目前學(xué)術(shù)界主要認(rèn)為其是通過3C（Computation，Communication，Control）技術(shù)將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境融為一體的多維復(fù)雜系統(tǒng)［10-11］；相比傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備以及由實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展起來的混成系統(tǒng)，CPS則更加強(qiáng)調(diào)計(jì)算設(shè)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(luò)及近年來提出的物聯(lián)網(wǎng)IoT（Internet of Things）均強(qiáng)調(diào)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(luò)以實(shí)現(xiàn)跨界信息融合［10，13］，而 CPS 則更注重對(duì)所獲取信息的響應(yīng)能力，以此對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制。在某種程度上，CPS可視為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，但CPS中節(jié)點(diǎn)信息的智能預(yù)處理、決策反饋功能將更加強(qiáng)大，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知［12-14］。

CPS 具有廣泛的應(yīng)用范圍［10，15］，國(guó)內(nèi)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(lǐng)域的應(yīng)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(duì)CES的研究仍多以“電”為主要能量形式［17-18］，也有文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化為導(dǎo)向，探索CPS在智能電網(wǎng)中的框架設(shè)計(jì)以及功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，包括系統(tǒng)建模、分析方法、運(yùn)行控制、形式化驗(yàn)證等［15］，核心內(nèi)涵是如何有效地實(shí)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(zhì)是形成新一代CES，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)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(gòu)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(chǔ)技術(shù)上，結(jié)合CPPS的研究概況，探討新一代CES相關(guān)技術(shù)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(luò)，融入Internet基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)，以可再生能源為主要一次能源，橫向上實(shí)現(xiàn)多源（天然氣系統(tǒng)、冷熱供應(yīng)系統(tǒng)等）互補(bǔ)，縱向上實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)，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(guān)系如圖1所示。

圖1 CPS相關(guān)概念體系Fig.1 Conceptional system of CPS

結(jié)合CPS的概念，新一代CES亦是信息系統(tǒng)與能源系統(tǒng)2個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)的深度耦合，其將通過先進(jìn)通信、傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，能量-信息流呈現(xiàn)新的特征，如圖2所示。

1.1 具有隨機(jī)動(dòng)態(tài)特性的多耦合能量流

電能的傳輸具有瞬時(shí)性、難儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)平衡的特點(diǎn)；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(luò)中進(jìn)行較大規(guī)模的儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)剛性系統(tǒng)與柔性系統(tǒng)并存。同時(shí)，能源生產(chǎn)端隨著大量分布式可再生能源（風(fēng)、光等）接入，強(qiáng)波動(dòng)性、強(qiáng)隨機(jī)性取代了傳統(tǒng)電網(wǎng)較平穩(wěn)、可控的能源生產(chǎn)；能源消費(fèi)終端則隨著與實(shí)時(shí)電價(jià)相關(guān)的柔性負(fù)荷（如電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等）大規(guī)模接入，能量流的隨機(jī)動(dòng)態(tài)特性將大幅增強(qiáng)，能源系統(tǒng)“源-網(wǎng)-儲(chǔ)-荷”動(dòng)態(tài)行為將變得更為復(fù)雜。而隨機(jī)動(dòng)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(diào)控制帶來更大的挑戰(zhàn)，對(duì)能源系統(tǒng)更短時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)特性研究顯得愈發(fā)重要。

1.2 引入具強(qiáng)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(shù)，其最大的作為在于以信息的“開放對(duì)等”激發(fā)用戶響應(yīng)潛力，重視需求側(cè)響應(yīng)，一同參與能源系統(tǒng)調(diào)控，如調(diào)峰、調(diào)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(diǎn)。能源系統(tǒng)中海量設(shè)備的數(shù)據(jù)、隨機(jī)動(dòng)態(tài)特性的高階數(shù)學(xué)描述將使信息規(guī)模增加若干數(shù)量級(jí)，大量數(shù)據(jù)經(jīng)由Internet進(jìn)行通信，并借助云計(jì)算等分布式計(jì)算系統(tǒng)實(shí)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(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)底層信息的挖掘［19］；加之新型傳感技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，信息資源整合能力將大幅增強(qiáng)，如圖3所描述。但與此同時(shí)，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(diǎn)的優(yōu)化布置、信息傳輸通道的優(yōu)化亦存在技術(shù)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(qiáng)

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(qiáng)互作用特性。能源系統(tǒng)的隨機(jī)動(dòng)態(tài)過程被實(shí)時(shí)追蹤并由傳感器設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)甚至Internet送到計(jì)算系統(tǒng)，借助其強(qiáng)大的計(jì)算能力使得能源系統(tǒng)的運(yùn)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(yīng)從而引起能量流變化；信息系統(tǒng)的故障，則將不能被簡(jiǎn)單割裂，否則可能導(dǎo)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(gè)系統(tǒng)崩潰?？梢?，信息系統(tǒng)的安全性及其對(duì)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(shí)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(xí)慣，并直接主動(dòng)參與能源系統(tǒng)的調(diào)控，為集群智能提供了基礎(chǔ)。

2 新一代CES的建模

2.1 CPPS建模概況

電力系統(tǒng)的時(shí)序特性與信息系統(tǒng)的信息／事件驅(qū)動(dòng)特性之間的差異成為CPPS建模的難點(diǎn)。如何兼顧以微分／代數(shù)方程等連續(xù)數(shù)學(xué)作為時(shí)域信息描述的電力系統(tǒng)與以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的信息系統(tǒng)兩者的結(jié)合，體現(xiàn)連續(xù)性與離散性的異構(gòu)系統(tǒng)融合特征，削弱互斥影響，并在時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)同步與實(shí)時(shí)性，成為CPPS統(tǒng)一建模的特征與關(guān)鍵［10］。

文獻(xiàn)［20］提出了基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(shí)現(xiàn)物理、信息模型的一一對(duì)應(yīng)，并通過建立光伏儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的物理信息模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證；文獻(xiàn)［21］基于數(shù)學(xué)理論和編程方法構(gòu)建了通信、計(jì)算、電力的混合動(dòng)力系統(tǒng)模型，并用以評(píng)估電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)［22］通過符號(hào)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(píng)估的數(shù)學(xué)框架；文獻(xiàn)［23］設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)信息傳遞的過程，在此基礎(chǔ)上研究系統(tǒng)的分層分區(qū)控制及統(tǒng)一控制；文獻(xiàn)［24］則由電力系統(tǒng)負(fù)荷角度著手，將負(fù)荷的周期變化特性與任務(wù)的進(jìn)程做類比，用實(shí)時(shí)任務(wù)模擬電力系統(tǒng)負(fù)荷的行為進(jìn)行建模并實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的有效管理。上述文獻(xiàn)主要以滿足電力系統(tǒng)能量流管理的需求為目的，構(gòu)建了物理-信息實(shí)時(shí)對(duì)接的模型。

而在信息流層面，文獻(xiàn)［25］針對(duì)CPPS通信安全問題，提出了信息脆弱性指標(biāo)，并基于此構(gòu)建實(shí)時(shí)模型研究系統(tǒng)受信息攻擊的影響；文獻(xiàn)［26］和文獻(xiàn)［27］分別以采樣時(shí)間和信息路徑為優(yōu)化對(duì)象，通過對(duì)其控制以期實(shí)現(xiàn)CPPS信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)同步性；文獻(xiàn)［28-29］則從實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)對(duì)物理系統(tǒng)支撐的角度，用數(shù)學(xué)形式描述了發(fā)電、負(fù)荷以及配電網(wǎng)的基于信息結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，并通過相互之間信息的交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局可觀性；文獻(xiàn)［30］基于微分代數(shù)方程組、有窮自動(dòng)機(jī)、隨機(jī)過程、排隊(duì)論等數(shù)學(xué)工具，建立CPPS穩(wěn)態(tài)和動(dòng)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(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)

新一代CES建模在CPPS建模的基礎(chǔ)上需要重點(diǎn)考慮以下2個(gè)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(jī)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述；

b.能源、信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)量的選取以減少系統(tǒng)信息冗余量，以適應(yīng)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(jī)微分方程的動(dòng)態(tài)特性建模思路

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

其中，f（x，t）為系統(tǒng)元件動(dòng)態(tài)特性方程，x 為元件狀態(tài)變量，t為時(shí)間；x0為初態(tài)；y（t）為隨機(jī)激勵(lì)項(xiàng)，結(jié)合元件特性對(duì)此隨機(jī)項(xiàng)的量化描述為分析重點(diǎn)。如文獻(xiàn)［32］基于單機(jī)無窮大系統(tǒng)構(gòu)造了帶有高斯型隨機(jī)激勵(lì)項(xiàng)的非線性隨機(jī)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(luò)在動(dòng)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(jìn)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(shí)常不同于電，因此，在能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)分析中，其滯后特性需以微分方程描述其動(dòng)態(tài)過程。

因此，新一代CES可以深入研究基于隨機(jī)微分方程的建模及其對(duì)應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)軌跡。

2.2.2 基于減少信息冗余的模塊化建模構(gòu)想

模塊化建模構(gòu)想是指將一種設(shè)備（發(fā)電機(jī)、負(fù)荷等）或幾種設(shè)備組成的可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息自治的閉環(huán)系統(tǒng)（如具備孤島運(yùn)行能力的微電網(wǎng)）視為一個(gè)模塊，同時(shí)，找準(zhǔn)模塊內(nèi)部元件的關(guān)鍵狀態(tài)量，并作為信息與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，減少信息冗余，以系統(tǒng)思維構(gòu)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(diǎn)計(jì)入信息系統(tǒng)建模，與能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交替迭代求解。此建模構(gòu)想在某種程度上是對(duì)大量信息節(jié)點(diǎn)做了第一級(jí)優(yōu)化。

圖4是模塊化建模構(gòu)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(shí)現(xiàn)兩者交互的關(guān)鍵設(shè)備——能量樞紐，其信息-物理模型是未來研究的重點(diǎn)。通過耦合矩陣構(gòu)建數(shù)學(xué)模型描述能量樞紐的物理特性并進(jìn)行能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析正成為研究熱點(diǎn)［33］，但能量樞紐的信息-物理模型構(gòu)建還鮮有文獻(xiàn)提及，事實(shí)上，能量樞紐作為多能源系統(tǒng)中的一個(gè)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(guān)乎整個(gè)能源系統(tǒng)，構(gòu)建其信息-物理模型進(jìn)行系統(tǒng)安全評(píng)估尤為重要。另一方面，能量樞紐的建模需進(jìn)一步考慮不同能源之間轉(zhuǎn)換的時(shí)間滯后特性，以及能源轉(zhuǎn)換器所表征的動(dòng)態(tài)行為在信息系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)狀態(tài)量。

圖4 模塊化建模的構(gòu)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(xué)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(dǎo)規(guī)劃；另一方面，充分利用自主感知、采集傳輸、計(jì)算處理等方法對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行感知分析和預(yù)測(cè)，以指導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，現(xiàn)在多稱為“態(tài)勢(shì)感知SA（Situation Awareness）”［34］。

電網(wǎng)潮流、信息流傳播的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)分析是CPPS分析的基礎(chǔ)。電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)確定潮流及基于隨機(jī)理論的不確定潮流計(jì)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(dòng)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(dòng)態(tài)潮流計(jì)算系統(tǒng)處于發(fā)展階段，文獻(xiàn)［36］還提出基于異步迭代和公共對(duì)象請(qǐng)求代理模式下的分布式動(dòng)態(tài)潮流計(jì)算模型，使計(jì)算系統(tǒng)向工程實(shí)用化邁進(jìn)。

CPPS的可靠性和安全性分析主要考慮信息系統(tǒng)故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)阻塞對(duì)物理系統(tǒng)的影響，如部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)延時(shí)等?？煽啃苑治龇矫?，文獻(xiàn)［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(shè)備研究信息物理系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)還提出了以建立不同設(shè)備的概率模型為基礎(chǔ)，借助隨機(jī)過程等數(shù)學(xué)理論進(jìn)行可靠性評(píng)估。而在信息物理安全性研究方面，主要研究?jī)?nèi)容如下。

①常見信息網(wǎng)絡(luò)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(duì)該類攻擊手段的研究受到國(guó)內(nèi)外研究者廣泛關(guān)注［38-39］。

②信息網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)程建模研究，如采用攻擊樹作為攻擊過程的建模工具，進(jìn)行攻擊場(chǎng)景條理化分析［40］，以博弈論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究攻擊者與調(diào)度人員在信息系統(tǒng)受攻擊時(shí)相互之間的博弈行為等［41］。

③信息網(wǎng)絡(luò)如何提高風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)及防御水平對(duì)策研究，主要措施集中在對(duì)信息系統(tǒng)不同層級(jí)（感知層、傳輸層、應(yīng)用控制層等）分別加設(shè)安全措施［42-43］；文獻(xiàn)［44］還借鑒電力系統(tǒng)安全分析理論建立了基于預(yù)想事故分析的信息物理安全分析架構(gòu)。

電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知是指在一定時(shí)空范圍內(nèi)，集電網(wǎng)信息采集、理解和預(yù)測(cè)為一體，以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握電網(wǎng)運(yùn)行軌跡并判斷其運(yùn)行趨勢(shì)為目標(biāo)的一項(xiàng)新興技術(shù)［34，45］，已有文獻(xiàn)提出將該技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度［34］，其在電網(wǎng)CPS的實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)、預(yù)測(cè)將有廣泛的前景，目前國(guó)內(nèi)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(chǔ)：如海量設(shè)備異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)一認(rèn)證與交互、耦合能量流、復(fù)雜信息流的動(dòng)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(yīng)對(duì)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(yīng)大量不同物理設(shè)備的接入，同時(shí)在互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系下，海量的數(shù)據(jù)處理將逐漸依靠于分布式計(jì)算系統(tǒng)。不同設(shè)備、不同計(jì)算系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)與設(shè)備之間的對(duì)話對(duì)統(tǒng)一通信協(xié)議的需求愈發(fā)明顯，作為通信基礎(chǔ)，它將定義語法（數(shù)據(jù)格式、編碼等）、語義（數(shù)據(jù)內(nèi)容、控制信息等）、定時(shí)規(guī)則（通信順序、速率匹配等），以確保信息的完整、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)傳輸。

不少文獻(xiàn)指出，在CPS提出之時(shí)，學(xué)術(shù)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(shí)也將通信協(xié)議列為一項(xiàng)重點(diǎn)，但關(guān)鍵技術(shù)目前仍存在挑戰(zhàn)［10，46］。新一代CES通信協(xié)議相關(guān)技術(shù)如物理設(shè)備數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一定義、網(wǎng)絡(luò)地址分配、計(jì)算系統(tǒng)的同步等仍迫切需要解決，以此來實(shí)現(xiàn)能源-信息異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)間認(rèn)證和數(shù)據(jù)交換，是系統(tǒng)分析的基石。

3.2.2 基于云計(jì)算的能量-信息流動(dòng)態(tài)分析

新一代CES能量-信息流的交互分析應(yīng)涉及穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)2個(gè)層面。未來融合網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性加快，物理系統(tǒng)高度依賴信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化運(yùn)行與控制，進(jìn)行能量-信息流的動(dòng)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(shí)，或物理系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)間交替影響的暫態(tài)時(shí)域軌跡，以評(píng)估整個(gè)能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

云計(jì)算屬于分布式計(jì)算的一種，具有超大規(guī)模計(jì)算能力、高可靠性、通用性和可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)，它可以很好地解決能源網(wǎng)絡(luò)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(dòng)態(tài)分析的有效工具。3.1節(jié)中提及已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)電網(wǎng)分布式動(dòng)態(tài)潮流及其工程實(shí)用化進(jìn)行研究［36］，信息系統(tǒng)中常用數(shù)據(jù)包級(jí)仿真和流仿真［30，47-49］進(jìn)行動(dòng)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(dòng)態(tài)過程響應(yīng)特性，與信息流動(dòng)態(tài)方程聯(lián)立，進(jìn)行分布式能量-信息流的動(dòng)態(tài)分析仍未見有相關(guān)文獻(xiàn)提及；基于云計(jì)算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、分布式計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)能量-信息流交互的動(dòng)態(tài)特性分析仍待研究。

3.2.3 信息物理安全實(shí)時(shí)感知

常見的安全性分析多基于預(yù)想事故集的方法構(gòu)建出一系列規(guī)則策略庫(kù)，其在新一代CES高復(fù)雜程度之下的適應(yīng)性存疑。反之，實(shí)時(shí)追蹤物理系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行信息物理安全性的在線分析、預(yù)測(cè)，進(jìn)而及時(shí)采取防御措施的信息物理安全實(shí)時(shí)感知將成為新一代CES的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。其核心在于態(tài)勢(shì)感知技術(shù)的發(fā)展，以其對(duì)物理系統(tǒng)可見性的提高及預(yù)測(cè)能力，實(shí)時(shí)為新一代CES提供安全保障。

同時(shí)，為了保證信息的及時(shí)、準(zhǔn)確獲取以便系統(tǒng)能夠進(jìn)行感知預(yù)測(cè)，一方面需要深入研究延遲／中斷容忍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［47］，使新一代CES有很強(qiáng)的處理信息延遲和中斷的能力；另一方面則需要加強(qiáng)全球GPS納秒級(jí)同步技術(shù)的研發(fā)，增強(qiáng)信息物理系統(tǒng)的同步性。

4 新一代CES控制技術(shù)

4.1 CPPS控制技術(shù)概況

CPPS控制基于信息-物理融合模型及相應(yīng)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(duì)電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，控制技術(shù)框架如圖6所示。

圖6 CPPS控制分析研究架構(gòu)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(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制，但在CPPS架構(gòu)下，約束中還重點(diǎn)考慮了計(jì)算系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)的性能。它們分別主要指系統(tǒng)控制算法的最高時(shí)間復(fù)雜度、通信網(wǎng)絡(luò)最大信息流通量。這2個(gè)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?duì)象則從傳統(tǒng)關(guān)注電網(wǎng)能量流轉(zhuǎn)移到能量-信息流的協(xié)調(diào)控制，如信息傳輸過程的優(yōu)化，通過減少時(shí)延以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

控制方法上，為解決網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS（Networked Control System）過分依賴通信網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，集就地控制和網(wǎng)絡(luò)化控制于一體的混合控制技術(shù)正成為研究熱點(diǎn)［10，30］。其難點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)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(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化控制的基礎(chǔ)上，研究通信網(wǎng)絡(luò)延遲和信息丟包的解決辦法，如延遲和丟失補(bǔ)償［50］，核心方法在于借助當(dāng)前點(diǎn)信號(hào)的特征對(duì)未來幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行控制信號(hào)的預(yù)測(cè)，以便于在信息丟失時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。

4.2 新一代CES控制技術(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)

4.2.1 能量-信息流的分布式動(dòng)態(tài)優(yōu)化新算法

新一代CES以實(shí)現(xiàn)能源的綜合高效利用為目標(biāo)，借助信息-能源系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜能量-信息流的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度成為必須。而新形勢(shì)下對(duì)新一代CES的能量-信息流的優(yōu)化控制算法的進(jìn)一步需求如下。

①建設(shè)適應(yīng)云計(jì)算等分布式計(jì)算系統(tǒng)：新一代CES中存在大量的物理設(shè)備、傳感設(shè)備，廣域協(xié)調(diào)優(yōu)化控制下需要借助于分布式計(jì)算系統(tǒng)的快速計(jì)算能力，以保證控制的實(shí)時(shí)性。

② 計(jì)及系統(tǒng)調(diào)控資源、計(jì)算系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化約束，對(duì)優(yōu)化控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

③應(yīng)增加當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)下對(duì)后續(xù)若干優(yōu)化點(diǎn)的預(yù)測(cè)，以備信息網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)就地優(yōu)化控制。

4.2.2 機(jī)制引導(dǎo)：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(chǎn)消者追求能源共享和互動(dòng)，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(diào)度支配，它需要相應(yīng)機(jī)制來引導(dǎo)，如政策、市場(chǎng)機(jī)制等。因此，深度研究相應(yīng)的引導(dǎo)機(jī)制，如實(shí)時(shí)能源價(jià)格制定、高峰節(jié)能低谷用能獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制等，使用戶深度參與分散優(yōu)化決策，實(shí)現(xiàn)集群智能，在未來值得高度重視。

5 結(jié)論

在全球能源危機(jī)、環(huán)境污染、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)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(gòu)建新一代CES。多耦合能量流的隨機(jī)動(dòng)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(qiáng)、能量-信息流的互作用特性增強(qiáng)，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(chǔ)，新一代CES建模應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)隨機(jī)動(dòng)態(tài)特性并考慮減小信息冗余，基于隨機(jī)微分方程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模及模塊化建模思想是值得研究的重點(diǎn)方向。

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

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)CPS安全、穩(wěn)定、優(yōu)化控制是建立CPS的最高形態(tài)應(yīng)用。新一代CES控制技術(shù)在建立能源信息流的分布式動(dòng)態(tài)優(yōu)化新算法、建立機(jī)制引導(dǎo)用戶參與分散優(yōu)化決策等方面仍具挑戰(zhàn)。

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