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面向未来智能配用电的信息物理系统:技术、展望与挑战

北极星智能电网在线  来源:供用电杂志    2018/4/12 9:28:25  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:摘要基于电力信息通信发展现状,探讨信息物理系统等未来智能配用电的关键新技术。首先介绍了当前配用电环节中“云大物移”等技术的发展趋势,接着介绍了在未来智能配用电中可能起到重要作用的信息物理系统,总结了当前研究热点问题和发展动态,并阐述了潜在的前沿问题。基于此,对未来智能配用电中的一些新型信息物理系统应用进行了展望,并对其在实际实施中的挑战进行了讨论,期望能够为相关研究提供参考。

0引言

随着新能源革命的兴起,全世界能源和电力的发展都面临空前的应对和转型挑战,新一代电力系统具有广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控等特征,将成为未来电网发展的趋势和方向。与传统电网相比,新一代电力系统将成为大规模新能源的输送和分配网络;智能配用电与分布式能源(distributedenergyresource,DER)、储能装置、柔性负荷等有机融合,促进多能互补优化利用;以集成芯片、信息网络、人工智能等为代表的信息通信技术快速演进,与电网深度融合形成能源、电力、信息综合服务体系。

配电网作为经济和社会发展的重要基础设施,对实现智能电网和能源互联网战略目标起着关键作用。随着配电自动化、用电信息采集等应用系统的推广应用,对于有千条馈线的大规模配电网,会产生指数级增长的异构多态的数据,未来配电网的管控将依托于大量信息的高效采集和综合利用,统一模型云与应用服务系统大幅提高信息交互共享的效率。快速发展的智能传感器网络不仅能安全高效协调分布式能源(distributedenergyresource,DER)和柔性负荷,而且是物理电网与信息网络高度融合的现代配电系统的基础,随着数据获取和利用方式的日益成熟,加上IPv6、大数据、云计算等先进技术的逐步广泛利用,有效提升配电系统的智能化水平。

目前,正在开展“营配贯通”工作,以全面实现配电和用电智能化管理,对配用电系统产生的大数据进行分析,有着巨大的应用价值。基于“云大物移”等先进信息技术,通过智能营业厅、智能小区、智能楼宇、电动汽车充电运营、大数据综合能源服务云平台等建设,以“互联网+智慧能源”模式促使城市管理与公共服务更加高效友好。同时,随着分布式可再生能源的兴起、源用混合的能源基础设施逐渐形成,信息通信网络虚拟化与软件定义方法可以更好地满足能源互联网需求。

近年来,随着信息通信的快速发展,涌现出一批“云大物移”新技术、新应用,并与智能配用电深度融合。在实现机理上,通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互,以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制区域能源网,安全、高效、协调DER和柔性负荷,逐步形成电网信息物理系统(cyberphysicssystem,CPS),具有重要的研究和应用前景。本文旨在对未来智能配用电中的CPS应用做一个前瞻性的探讨,以期对未来智能配用电的优化运行提供建设性的参考。需要指出的是,未来智能配用电中可能实现的CPS新应用,不仅仅局限于本文中所列出的案例。

1电网信息物理系统研究进展

1.1电网CPS主要特征

电网是规模最大也是最复杂的互联系统之一,是典型的信息物理融合系统研究对象。其中物理电网主要包括发电机、变压器、输电线路、断路器等设备,信息网包括了多个虚拟网络,用于实现电网设备的实时感知、传输、控制等功能,电网CPS的耦合关系见图1。

图1电网CPS的信息物理耦合关系

虽然世界各国电网的实际情况不同,智能配用电的研发方向也不完全一样,但总的发展趋势是一致的,都是实现配用电系统的集成,提高配电网的运行管理水平,推动用户参与电网运行管理。因此,电网CPS旨在充分反映电网运行的信息过程与物理过程,体现信息物理耦合机理和风险传播机制,以期通过更精准的控制方式支持系统全局优化,提高能源、设备利用率,保障电网的可靠、安全、稳定运行。

文献[15]将电网CPS主要特征归纳为:①物理电网与信息网络融合,功能方面高度协调,在机理方面降低两系统的异构特征,具有统一的形式化描述方法;②电网作为连续过程与离散状态并存、时间与事件共同作用的物理系统,从建模、分析、控制等方面都要体现连续与离散的内在联系;③全景信息采集与灵活应用。文献[16]阐述了配电网信息物理系统的典型特征,为完整保留能量流和信息流交互过程,从数字与动模测试验证互补的角度提出配电网CPS数模混合测试验证平台。

1.2电网CPS参考模型

当前,国内外在CPS技术领域的建模、控制、工程应用等方面已开展研究。但是,在技术层面,由于电网与信息网络基于不同的物理实体,电力能量在存储、传输过程中都存在消耗,而信息则具有可复制分享、可存储的特点,在融合过程中必定存在机制上的不兼容。例如,配电网必须时刻保证能量供需平衡,而信息网则无此约束。因此,发展电力信息物理系统的统一模型是CPS要解决的最关键也是最急迫的任务之一。

文献[17]参照计算机互联网中开放系统互联参考模型(opensysteminterconnect/referencemodel,OSI/RM)的成功经验,提出采用层次化结构的CPS参考模型,分为5层,每层按功能分别实现,同层实体间受该层规约的约束并利用下一层提供的服务交换数据并控制电流的传输和电能参数调节。文献[15]给出了基于CPS的电力系统技术体系,涵盖建模、分析、控制、验证等多个方面。文献[18]提出一种基于信息物理融合的能源互联网模型,考虑能源互联网中CPS的时空异构性以及量测数据同步问题,并结合多智能体优化方法对模型进行验证。

2智能配用电的信息物理系统关键技术

结合当前研究现状和配用电实际情况,作者认为,CPS在理念上不应仅仅视为一种理论模型或技术体系,而应理解为支撑智能配用电的基础网络,而“云大物移”等现代通信技术是CPS和主动配电网、能源互联网等新理念的基础与关键技术(见图2),应予以高度重视。以下将选取对应的支撑技术进行概述。

图2电力CPS的支撑技术

2.1融合建模与综合安全评估

电网运行已经发展出完善的安全分析体系,基本思路是首先对物理电力系统进行建模,在此基础上研究在预想故障集下评估电力系统的各项安全指标。类似地,为量化分析电力系统信息故障的影响,就必须先对进行统一的电网信息/物理耦合建模,进而在模型基础上对信息故障进行量化的分析和评估。

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