深度｜能源互联网目标下电力信息物理系统深度融合发展研究

（2）技术引入阶段。20 世纪 50~80 年代，通信、半导体、计算机等技术加速升级，如光纤、大规模集成电路、高速计算机等陆续出现。此时电力系统规模迅速扩大，区域联网快速推进，远动通信技术被广泛采用，出现以计算机为主体的电网实时监控系统（SCADA）。

（3）融合发展阶段。20 世纪 80 年代到 21 世纪初期，以互联网、大数据等信息技术发展为契机，电力信息融合步入高速发展时期，实现了厂站自动控制和广域系统的自动化调度。部分厂站自动控制系统的投入比例已接近 100%，远动装置开始从单 CPU 向多 CPU 方向转变，交流采样的远程终端也得到了普遍的推广和应用。

（4）融合提升阶段。自2010年起，以人工智能、区块链、虚拟化为代表的新一代信息技术，大大提升了电力信息融合的广度与深度。以信息化、自动化、互动化为特征的智能电网开始建设，并逐步向能源互联网演进，电力CPS将迎来崭新的发展阶段。

3 电力 CPS 发展程度量化评估方法

对电力 CPS 开展量化评估是深入掌握融合发展规律，明确其未来发展趋势的重要手段。本文依据 CPS 的本质特征，从信息感知、分析处理、设备控制 3 个维度，以保证电力系统安全稳定为前提，充分考虑电力 CPS 的固有特性以及重点应用场景，建立量化评估体系，总体思路如下。

（1）以连续时间段内的融合发展程度为评估对象，综合考虑 CPS 融合发展时间跨度、技术创新颠覆频率以及重点技术的生命周期，本评估体系的评估时间段以 10 年为间隔。（2）每个维度均从“外部”和“内部”两个角度刻画融合程度，充分考虑电力系统内部需求对 CPS 发展的驱动作用，以及外部技术进步对内部需求的支撑作用。（3）“外部”以创新颠覆、成熟度、普及程度 3 个层面评估技术发展情况，重点突出技术的“首创”意义和“颠覆”作用，充分考虑技术在整个生命周期内的成熟度变化及在各行业中的实际应用情况和普及程度。（4）“内部”以需求紧迫性、功能完善度、覆盖率等层面评估电力系统内部需求及整体发展情况，着重体现电力对新技术需求的紧迫程度，设备功能在技术参数方面的完善程度以及在电力系统中的应用水平等，特别是在电力系统安全方面，考虑了安全仿真计算和智能安全控制等维度。详细评价指标体系如表 1 所示。

4 中国电力 CPS 发展评估及趋势测算

4.1 发展情况评估结果分析

以 1900 年为起点，对中国电力 CPS 一百多年的发展历史，以 10 年为时间间隔，对每个时间段内发展程度进行评估。在每个时间段内，以重大技术和工程应用事件为依据，分析重点事件对信息感知、分析处理和设备控制带来的影响，通过专家咨询和资料分析获得相应分值，基于层次分析法得到指标权重，以累加的方式获得所评估时间节点的结果。具体评估结果如图 2 所示。

总体来看，电力 CPS 发展逐步加快、融合程度日益加深。20 世纪 60 年代前，电力系统自动化初期对信息控制技术的需求不大，且相关技术也处于探索阶段，对电力系统需求的支撑有限，因此评估值增加相对缓慢；从 20 世纪 80 年代起，随着中国改革开放步伐加快，电力系统作为国民经济发展的重要支柱，对信息控制技术的需求愈发紧迫，同时相关技术快速发展，有效支撑了电力发展需求，评估值快速跃升。

分维度来看，信息感知技术突飞猛进、自动控制技术稳步提升、分析处理技术快速崛起，共同支撑电力 CPS 快速发展。信息感知领域，传感器和通信技术率先起步，后期互联网技术强势加入，奠定了其引领地位，2000 年评估值达到 320，较其他维度超出 170；设备控制领域，其核心是以控制理论为基础，以传感器、通信、计算机等技术为载体，发展过程较为平稳，2000 年评估值达到 150；分析处理领域，起步较晚，但得益于 60 年代中后期，计算技术、人工智能、大数据处理等技术的快速崛起，正逐步成为电力 CPS 发展的核心支撑力，2000 年后其评估值超越了设备控制领域。

4.2 发展趋势测算结果分析

根据建立的量化评估体系，分析当前至 2040年电力 CPS 的发展趋势，主要考虑 4 方面影响因素。

（1）全球技术争端因素。由于目前新技术开发主要在发达国家完成，对远离技术前沿的发展中国家而言，经济快速增长的关键是借助于来自发达国家的技术转让以及关键元器件出口。鉴于目前中美贸易摩擦以及逆全球化的潮流，在最新信息技术的及时获取方面还存在不确定性。

（2）政策机制支持因素。能源互联网发展下电力信息深度融合的大力推广和普及，需要大量的资金以及配套支持。政策机制可以在技术应用的起步期、推广期发挥巨大的推动作用，缩短技术融合的导入时间，引导技术路线的方向。

（3）社会融合参与因素。能源互联网的建设，不仅仅是电源和电网的协调发展，更离不开社会多方参与，各方的融合参与可以有效促进信息系统和电力系统的融合广度和深度，否则在大数据、人工智能、源网荷互动等方面就是无源之水。

（4）多能融合程度因素。多能互补、多能转换是能源互联网发展的重要特征，多能融合的程度可以促进各类能源信息的集成、共享和挖掘，将电力与信息的融合延展到更大的时间和空间范围。但实际中，多能融合程度受到产业、技术、成本等多方面制约。

为了对比研究各类不确定因素对电力 CPS 发展的影响程度，便于制定针对性发展策略，本文测算了传统电网发展和能源互联网大发展两种情景，并在能源互联网大发展情景的基础上，考虑每类因素带来的负面影响，分别进行趋势测算（见图3）。

（1）从各因素对趋势影响的测算曲线与能源互联网大发展情景对比来看，全球技术争端是首要影响因素，依次是政策机制支持、多能融合程度、社会融合参与。先进技术更新与迭代、发展与应用是电力 CPS 发展的核心基础。良好的国际技术交流共享环境，将直接影响电力 CPS 发展进程；政策机制支持是中国电力 CPS 能否与时俱进、及早布局的关键。多能融合和社会融合程度决定了电力CPS 发展的广度和深度，是高质量发展的保证。

（2）从能源互联网大发展情景与传统电网发展情景对比来看，能源互联网建设和 CPS 发展呈现强相关性，相辅相成。从测算结果可以看出，能源互联网大发展情形下电力 CPS 的发展程度要远大于传统电网发展情景。一方面，CPS 可以推动能源互联网广泛互联、智能互动目标的实现；

另一方面，能源互联网的建设可以促进 CPS 功能架构的完善升级。

（3）从各维度趋势测算结果曲线对比来看，设备控制领域的电力 CPS 融合亟待突破加强。信息空间与物理世界的无缝闭合，需要形成双向闭环。信息感知和分析处理依托快速发展的计算机、通信、大数据、人工智能等技术，使得物理世界到信息空间的映射相对超前，未来将持续主导和引领电力 CPS 的发展。当前设备控制领域存在一定瓶颈，导致信息空间到物理世界反馈发展进程滞后，是未来电力 CPS 攻关的重点（见图 4）。