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摘要：电力系统应用通信、计算和控制技术提高稳定性，降低用电成本，为用户提供各种实时服务，使其与信息系统的交互日益深入，正逐渐发展成为与计算、通信和控制融合的信息物理融合电力系统。应用同步相量测量技术和广域测量系统，能够实现全网信息动态同步采集，这为信息物理融合电力系统实施网络化控制奠定了基础，同时也带来一些挑战。本文分析了电力信息物理融合系统的建模与控制研究框架。
关键词：电力信息；物理融合系统；建模；控制；
信息物理耦合系统实现了网络化计算资源与物理世界间精密深层的结合。在电力系统中，嵌入式设备的应用、信息-物理系统间的模式选择与时序配置，以及面向海量信息的通信架构与信息集成都是实现全系统信息-物理耦合的关键技术，基于此我们可实现电力系统的信息-物理系统耦合与离散-连续过程的有机配合。
一、电力信息物理融合系统的建模分析
1.信息物理系统的建模需求。电网一次系统能量流分析方法构成了电力系统分析的基本框架：1） 潮流计算。潮流计算不仅可以检验电力系统规划方案对各种运行方式的适应性，还可以分析负荷和网络结构的变化对系统的影响，判断母线过电压、线路等元件过负荷，以及制定相关的预防控制策略等。2） 稳定计算。通过对功角稳定性、频率稳定性、电压稳定性进行分析，解决功角抖动造成的大面积停电、频率下降造成的系统崩溃、电压下降造成的地区停电等问题，为电力系统安全和稳定运行提供保障。3） 短路计算。短路计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，准确地制定供配电系统的保护装置，避免在短路电流作用下损坏电气设备，保证供配电系统中出现短路时，保护装置能可靠动作。与能量流对于一次系统的作用相似，由于能量流分析不具备信息流模型，信息流分析方法也不具备能量流模型，联合仿真不能反映能量流与信息流的耦合机理和作用，只将两者仿真的结果半实时交互，与实际出入较大。
2.信息物理系统的建模内容。在信息系统仿真平台上，建立反映能量流与信息流耦合机理与作用的信息流模型，主要建模内容包括三部分。1） 反映物理系统动态特性的设备建模。在信息物理系统中， IED是电力系统业务实现的载体，比如承担电力系统保护功能的继电保护IED、负责开关跳合的智能操作单元IED、执行远动指令的测控IED等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一方面，IED模型遵循IEC 61850、IEC 60870等标准完成电力系统业务对应的信息生成、封装、传输、解析、提取的全生命过程，执行指令，形成闭环；另一方面，IED体现设备数据处理机制与能力，比如IED的光口或者电口的数据收发能力、缓存数据的内存大小、数据处理的先后次序等，完整体现电力系统业务信息流在IED中的处理过程和性能。2） 基于电力系统的通信协议建模。由于电力系统业务对于实时性、可靠性、安全性的独特要求，电力系统建立了调度数据专网，制定了一系列通信协议和标准，比如用于能量管理系统应用业务的能量管理系统应用程序接口、用于远动业务的远动设备与系统、用于变电站业务的变电站通信网络和系统等。这些通信协议从设备模型、抽象通信服务接口、数据结构与属性、特定通信服务映射等方面制定了电力系统业务通信规则和流程，而信息系统仿真平台并不具备相应的协议模型，要准确完整描述信息物理系统的动态过程则建立基于电力系统的通信协议模型。3） 反映能量流耦合作用的信息流建模。在电力系统业务信息化网络化环境下，电力系统各项业务功能的体现以信息流为载体，电压电流采样值体现为采样值SV信息流，开关位置信息、跳闸信号、闭锁信号等体现信息流，继电保护定值召唤、修改等体现为MMS 信息流等。一方面，电力系统正常、故障等不同运行状态下，对应的信息流展现出不同的发送规律等动态特性，可能引发网络故障或者网络阻塞等，传输时延、负载率、丢包率等性能指标也相应变化；另一方面对信息流进行故障分析和动态分析，求解随机网络故障和网络阻塞时的关键性能指标，研究信息流与能量流的交互作用机理，采用交替或联立的求解方法，分析保护控制决策引起的系统潮流分布变化和暂态稳定性问题。
二、控制框架
1.支路故障。与拓扑故障不同，支路故障并不改变系统节点与支路的拓扑连接关系，而只改变故障支路内部的数据映射。换言之，在数据传输之路中，支路故障将改变原有的一一映射关系，使之出现偏差。电力系统中最常出现的支路故障有以下四种：传输错误、传输延时、传输中断与传输错位。以下将分别对其数学模型进行论述：1）传输错误。该故障发生时，故障支路的部分输出数据与输入数据可能存在偏差。引起这类故障的原因可能有多种，可能是固有的系统量测误差、转换精度差异，也可能是人为的恶意更改。该故障将在原有支路映射函数上叠加误差量。2）传输延迟。传输延迟是实际现场最常出现的故障之一。顾名思义，该故障将导致某些数据的传输出现延时。因此，传输延迟故障将原有的非事件相关模型修正为时间相关模型。对信息传输支路k，若数据传输发生延时，则支路映射模型需叠加。
2.利用的系统信息越多，越有可能得到更好的控制策略。然而，通信网络的性能决定了能够从传感装置流动到调度中心或变电站的信息量的上限。由于智能电网不可能从头建立，其必然是从现有电力系统逐步演变而来，这样从降低成本的角度出发，智能电网的通信，尤其是从地调到分布式电源和终端用户的通信，将很可能利用现有的通用通信网络来实现。这样，在实际系统运行中，电力信息系统的性能未必能够满足控制系统的要求。这就对控制方法和控制系统的灵活性提出了很高的要求。从这个角度考虑，电力ＣＰＳ的控制应该可以在多种控制方法之间灵活切换。在信息系统性能允许的情况下，应该选择从整体上最优的控制方法，例如由调度中心进行全局最优控制。一旦信息系统的性能因故障或外部攻击有所降低，系统将基于前面提出的稳态和动态分析方法，来自动选择次优控制方法（如分层分区控制）；信息系统当前所具备的性能应该能够保证该方法的稳定运行。在严重情况下，如通信网络大部分失灵或失去调度中心主服务器的情况下，各种设备将依据本地信息实施本地控制。利用上述多种控制方法相结合的混合控制策略，可以提高电力系统运行的安全与可靠性水平以及运营效率，并减弱信息系统失灵对电力系统的负面影响。
电网规模越来越大，信息物理融合系统越来越复杂，能量流与信息流的耦合越加紧密，交互影响越来越大。如何描述电力系统连续动态特性与信息网络离散动态特性的交互方式与关联模式，如何体现信息传输的随机动态特性、通信调度策略、互感器和保护控制设备的数据处理过程，如何在在电力系统分析计算中，通过信息流与能量流的耦合分析，实现保护控制决策的全过程动态研究等对智能电网的安全稳定运行至关重要。
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论文作者:王建伟
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/29
标签：电力系统论文; 系统论文; 信息论文; 支路论文; 信息流论文; 物理论文; 建模论文; 《防护工程》2018年第17期论文;