配電網信息物理系統(tǒng)的典型特征與聯合測試驗證

陳彬，黃建業(yè)，張功林，范元亮，王琦，湯奕

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

配電網信息物理系統(tǒng)的典型特征與聯合測試驗證

陳彬1，黃建業(yè)1，張功林1，范元亮1，王琦2，湯奕2

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

隨著多通信方式網絡、分布式電源等信息物理資源的加入，傳統(tǒng)配電網的信息流和能量流特性發(fā)生了重要轉變，因此迫切需要從信息物理融合的視角去研究相關運行及控制問題。首先闡述了配電網信息物理系統(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，從數字與動模測試驗證互補的角度，提出配電網CPS數?；旌蠝y試驗證平臺，以支撐該領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)化控制算例驗證了平臺的有效性。

信息物理系統(tǒng)(CPS)；測試驗證平臺；數?；旌戏抡?/p>

0 引 言

現代配電網是由物理網絡、信息設備和計算單元耦合而成的大規(guī)模信息物理系統(tǒng)(cyber physical system, CPS)，呈現出時間驅動與事件驅動并存、運行方式多樣化、網絡安全問題突出等特點。為解決這些問題，需要增加大量通信設施，以實現分布式電源的優(yōu)化控制及其與大電網間的協同控制，達到一次設備、控制終端和多級控制器互通，滿足裝置“即插即用”需求，準確傳遞和識別信息流[1-4]。上述因素會導致配電網的網絡拓撲結構愈加復雜，給配電網的規(guī)劃和運行帶來較大不確定性。因此迫切需要發(fā)展配電網信息物理系統(tǒng)相關理論和方法，將配電網從原有的“主從式”或“各自為政”的形態(tài)提升為“全景式”和“精細式”的智能控制形態(tài)，通過數據信息自動閉環(huán)流動實現配電網的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精準執(zhí)行，以滿足未來發(fā)展需要[5]。

在信息物理系統(tǒng)理論分析領域，國內外已經取得一些初步的研究成果。文獻[6]深入探討了聯網物理系統(tǒng)對計算技術和網絡技術的要求，認為現有計算技術的基礎理論不足以支持CPS的實現；文獻[7]提出了一種能夠支持實時、可靠、容錯、安全、自治、可擴展等特征的CPS的原型架構；文獻[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確地計及信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)交互過程的CPS相關理論與方法?，F有針對配電網CPS的融合模型及運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，構造配電網CPS鏡像模擬平臺可為系統(tǒng)特性挖掘、相關理論測試和所提方法驗證提供支撐[9]。

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

1 配電網CPS典型特征

隨著智能電網的發(fā)展，配電網在很大程度上將發(fā)展為信息空間與物理空間虛實映射、數據閉環(huán)流動、資源得到優(yōu)化配置的信息物理系統(tǒng)。配電網CPS在實現設備“即插即用”與“互通互信”的基礎上，融合海量系統(tǒng)運行信息、裝置信息以及外部環(huán)境信息[10]，提升系統(tǒng)運行的整體性能，表現出可觀、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，以使運行狀態(tài)參數更加齊全，與測控裝置、繼電保護裝置、開關設備本體等有機結合，實現設備多視角觀測[11]；系統(tǒng)層可觀是指系統(tǒng)融合多源信息，開展狀態(tài)估計，清洗不良數據，消除監(jiān)測盲點，感知電網全局運行態(tài)勢，支撐配電網安全經濟運行，協同電網故障快速搶修。兩者的結合可以實現局部與全局運行的態(tài)勢可觀與分析判斷。

開放性指通過信息對象建模技術，將不同類型終端統(tǒng)一為標準化的對象模型，主要包括應用功能的標準化、信息對象模型和服務模型的標準化、映射機制的標準化以及具體通信協議的標準化，從而實現各類不同終端的開放互聯。

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、計算、通信等功能的深度嵌入，一二次設備高度融合；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。兩者的結合，能夠實現更全面、更準確的自我狀態(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。在現有的安全防護基礎上，分析信息和物理系統(tǒng)間上下行數據的語義關系，對信息流進行相關性與一致性檢驗，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、自配置與自組織等能力。其中自適應能力指系統(tǒng)在應對外部環(huán)境和內部設備的狀態(tài)變化時，能夠及時自動調整結構參數，以取得最佳的響應效果；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功能，減少人工運維成本；自組織能力指多個CPS實體間通過網絡平臺互聯，統(tǒng)一調度、實時協同，從而實現從無序向有序的自我演進過程。自治電力系統(tǒng)可以實現分布式電源與用戶之間的信息交互、非正常運行方式下故障就地快速自愈、正常運行方式的結構參數優(yōu)化等應用功能，從而達到源網荷自平衡與自恢復的優(yōu)化目標。

2 配電網CPS聯合測試驗證平臺

2.1 平臺模擬方法與技術需求

對復雜異構的大規(guī)模配電網CPS，其測試驗證要體現其可觀、開放、融合、安全、自治的特征，這就要求測試驗證平臺組成靈活、控制多樣、信息多源、建模協調。在組成框架上，采用模塊化設計，體現系統(tǒng)的整體性與層次性；在控制方式上，以功能為出發(fā)點，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，需兼容各設備元件通訊方式的復雜性，實現對多源信息的融合應用；從建模角度來看，既要對物理實體進行精細化建模，體現設備自身特性，又要能反映不同時空尺度的實體之間的交互影響，從而真實地反映系統(tǒng)的運行規(guī)律[14]。

電力系統(tǒng)的模型實驗方法分為數字模擬與物理模擬2種。數字模擬是通過數學方程式對實際系統(tǒng)進行理論分析研究，優(yōu)點是建模速度快，經濟性好，參數調整方便，研究的系統(tǒng)規(guī)模不受限制；缺點是物理概念不夠直觀，在一些新領域和新現象的研究上，若無法建立數學模型，研究將產生困難。由于配電網是一個規(guī)模龐大、結構復雜、許多因素交互影響的系統(tǒng)，單純通過數學建模無法準確模擬配電網的運行規(guī)律和物理現象。而物理模擬使用與實際系統(tǒng)具有相同物理性質且參數標幺值一致的模擬元件，將真實的配電網復制到實驗室中，保證在模型上反映的過程和實際系統(tǒng)相似，具有直觀性、廣泛性、靈活性和整體性等優(yōu)點，缺點是調整不便、模型搭建難度大以及成本較高?？紤]將2種方法聯合起來，進行數模聯合測試驗證研究，可以兼取兩者的優(yōu)勢，對于精度要求不高、參數需要靈活調整的設備，采取數字軟件模擬；對于建模困難、外在特性顯著的設備，采取動態(tài)物理模擬?；诖?，建設數模聯合測試驗證平臺，可以真實反映配電網CPS系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)及非線性特性，為驗證相關CPS理論提供實驗支撐。

2.2 平臺體系架構與交互方式

2.2.1 數字測試驗證部分

對于配電網CPS中研發(fā)設計、生產制造及服務管理等工業(yè)環(huán)節(jié)的測試驗證過程，其核心是將其轉換成抽象模型，以數字仿真的思想歸納驗證實際系統(tǒng)的規(guī)律性?，F在國內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)領域進行精確的解析建模[15]。但是電力信息物理系統(tǒng)是一個連續(xù)和離散事件耦合而成的復雜系統(tǒng)，由于其組成方式的多樣性以及建模方式的異構性，不能用單一的軟件詳細刻畫，因此多軟件聯合是研究配電網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，由于動模部分是實時的，因此必然要求與其相連的數字部分也能夠對模型進行分布式處理，從而達到實時運行，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)內應用更為廣泛，積累了豐富的項目設計調試經驗，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，在保證實時性之外，還須對電力通信要求的協議規(guī)約擁有完整的支持[17-18]。目前行業(yè)內廣泛應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)軟件價格昂貴，但是計算速度和協議支持都能夠有較好的保障；開源軟件通常免費并且具有開放性，但是軟件結構松散，模型精確度不高，不能滿足聯合測試驗證平臺的要求[19]。OPNET提供了3層建模機制，靈活性好，可以實現對電力通信業(yè)務的全過程模擬和復雜網絡模擬，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)視和結果的動態(tài)展現。此外，其提供與外部環(huán)境交互的接口，擴展性好。因此選取OPNET作為通信系統(tǒng)模擬工具。

2.2.2 動模測試驗證部分

動模測試驗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)定性和擴展性，加速CPS關鍵硬件技術的標準化和產業(yè)化。配電網典型動模系統(tǒng)接線圖如圖1所示，系統(tǒng)所模擬的線路和設備參數以及負荷數據與實際配電網基本一致，且能代表配電網的基本特征，具有代表性。

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

配電網CPS動模部分由主站物理設備、通信系統(tǒng)模擬部分和配電網動模部分組成，包括3座110 kV變電站、8條饋線、3類CPS終端、光伏模擬裝置、風機模擬裝置、實際通信網絡、CPS主站和故障模擬模塊，可彌補數字模擬偏理論化和理想化的缺點。

動模測試驗證部分采用模塊化設計，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)網柜模塊。將模塊所包含的器件組裝成屏柜，方便設計與安裝，有利于后期更改線路拓撲和系統(tǒng)拓展。在原有動模實驗室的基礎上增加CPS終端，通過物理通信設備與路由器、交換機組網，模擬實際通信場景，可對復雜、有源配電網進行測試驗證。此外可根據需求靈活調整接線方式、線路類型、線路長度、接地方式，可設置30個故障點，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在正常及故障運行工況下的物理現象，同時可以為其他設備如饋線終端設備(feeder terminal unit，FTU)、繼電保護裝置等提供與實際模型等值的電氣信號，完成設備檢查或聯調，從而驗證控制保護理論的有效性，促進配電網及其自動化設備的研究與設計進程。

2.2.3 數模聯合測試驗證平臺

將數字與動模部分聯合統(tǒng)一，可以優(yōu)勢互補，整合系統(tǒng)資源，開展配電網CPS應用技術的可靠性、開放性與互通性測試驗證，促進相關通用性標準的規(guī)范化與理論研究的成果化，得到理論與實際相互結合驗證的系統(tǒng)高效解決方案。配電網CPS數模聯合測試驗證平臺框架如圖2所示。系統(tǒng)采用分層分塊配置，每層均配有物理模塊、數字模塊和數模接口，層級間互聯狀態(tài)可根據當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，可以模擬有源異構復雜配電網絡，測試多種運行方式和各類故障場景，驗證各種分布式電源和可控負荷接入效果。通信層由通信實體網絡和OPNET組成，可以測試驗證各種通信網絡和信息傳輸過程，以及通信延時、誤碼、中斷在內的各類事件[20]。主站層由主站物理設備和主站數字平臺組成，實現對通信層和電力層的控制，可以復現電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)耦合的動態(tài)過程，從而對CPS的交互影響機理、協同控制、安全防護策略、研發(fā)樣機等提供驗證和測試。

圖2 配電網CPS數模聯合測試驗證平臺架構Fig.2 Framework of CPS digital-analog co-simulation platform in distribution network

CPS數字層包括主站數字平臺、OPNET通信數字平臺和RT-LAB配電網絡數字平臺，數字部分可彌補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雜配電網的測試驗證環(huán)境。

通信層采用OPNET對通信網絡進行建模，模擬信息在電力通信網絡中的傳輸過程，并對信息通信系統(tǒng)的各類故障和防護策略進行測試驗證。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)的數據均通過OPNET模擬的通信網絡傳遞給對方。

在電力層實時數字平臺RT-LAB中，由MATLAB/Simulink建立的動態(tài)系統(tǒng)數學模型被劃分為多個可并行處理的分布式子系統(tǒng)，利用eMEGAsim平臺，實現快速建模。RT-LAB通過TCP/IP方式與OPNET進行連接，由OpIPSocketCtrl模塊控制輸入輸出數據流，由OpAsyncRecv模塊接收OPNET發(fā)來的數據，由OpAsyncSend模塊向OPNET發(fā)送數據。同時RT-LAB通過四象限功率放大器與動模裝置進行連接，實現閉環(huán)實時測試驗證。

CPS數字部分已搭建完成并實現調試驗證。通過電腦進行主站功能模擬，包括數據包解析和控制算法應用，設計系統(tǒng)控制模塊，支持數據傳輸交互高級應用建模。在OPNET主機中建立通信網絡模型，模擬通信特性。在RT-LAB中搭建配電網模型，模擬有源異構復雜配電網，支持10條饋線、5個分布式電源同步實時運行。利用SITL模塊作為電力系統(tǒng)與通信系統(tǒng)間的數據傳輸接口，實現數據互聯。

將CPS數字部分和CPS動模部分通過四象限功率放大器和交換機進行連接，同時需要在動模部分加入分布式發(fā)電動模設備。按照以上架構建設的聯合測試驗證平臺，具備模塊化架構特征，通過分塊配置，實現層級之間互聯靈活切換，從而對配電網CPS的功能提供分層分區(qū)測試與驗證支撐。

3 算例分析

為了驗證配電網CPS自治可觀的特征，基于測試驗證平臺，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，關鍵線路發(fā)生故障，從而導致電壓跌落?；诠夥孀兤髯陨淼臒o功調壓能力，在故障時增發(fā)逆變器的無功輸出，為電網提供電壓支撐。

分布式光伏無功優(yōu)化場景結構如圖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)光伏無功出力調整指令，以實現區(qū)域內節(jié)點通過鄰域交互就地協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

為了驗證通信對電力系統(tǒng)的影響，在OPNET中設置了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；(2)實際狀態(tài)，按實際的通信特征，仿真通信鏈路的固有延時與傳播延時。此外，設置0.3 s時在變壓器低壓側發(fā)生短路故障，0.4 s時故障清除，仿真結果如圖4與表1所示。

圖4 仿真結果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，因此主站不能及時獲得電網故障狀態(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。在恢復階段，同樣由于通信的滯后性，控制中心誤判，此時仍處于故障狀態(tài)，未能及時削減無功，因此整體恢復電壓比通信環(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同控制，實現了故障快速自愈，同時也驗證了信息流對電網運行的影響，體現了本文所提測試驗證平臺的有效性。

4 結 論

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

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

(2)在實驗驗證層面，提出了配電網CPS聯合測試驗證技術，從獨立的軟硬件仿真，逐步集成互聯，發(fā)展到數?；旌系南到y(tǒng)化測試驗證平臺。

(3)以光伏無功優(yōu)化控制場景為例驗證了所提平臺實時模擬配電網CPS交互特性的能力。該平臺能夠為配電網規(guī)劃、運行與控制提供驗證測試功能。

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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，FAN 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

國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2015AA050202)；國家自然科學基金項目(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，主要研究方向為電網信息物理系統(tǒng)、配電自動化；

黃建業(yè)(1986)，男，碩士，工程師，主要研究方向為配電自動化；

張功林(1984)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為配電自動化；

范元亮(1979)，男，博士，工程師，主要研究方向為配電技術；

王琦(1989)，男，博士，講師，主要研究方向為電網信息物理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制；

湯奕(1977)，男，博士，副教授，主要研究方向為電力系統(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)