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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(open system interconnect/reference model,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。
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