关键词：电力信息物理系统；问题；技术
引言
CPS随着电力基础网络和电力信息通信网络联系的日益紧密，传统的仅基于电力系统物理联系的分析和控制领域研究的局限性凸显。随着大量的数据采集设备、计算设备和电气设备通过电网、通信网两个实体网络互连，电力系统已具备CPS的基本特征，成为电力信息物理融合系统。作为世界上规模最大、最复杂的互连系统，电力系统己具备CPS的各种典型特征，促进了能源互联网、主动配电网以及传统电网的深度整合与发展。CPS是电力物理空间和信息空间深度融合和实时交互的发展，在工业4.0和互联网+的总体发展基础上，CPS将形成以电网为核心的能源、工业互联互通体系的技术基础。
1、电力CPS体系结构
（1）物理层由柔性控制的固态电气模块构成，比如：基于复合型电力电子器件集成的固态模块等电气物理设备的电能交换器，实现对电气的控制。（2）感知层由传感器、控制器和嵌入式操作系统等感知、控制设备组成，通过传感和量测设备实现对电网信息的感知、局部处理和泛在接入，并将处理结果上送。（3）网络层为设备提供通信路径，连接信息世界与物理世界的各种对象，实现数据交换，支持协同感知和协同控制的CPPS实时网络，为系统提供实时网络服务。（4）计算处理层包括认知逻辑层、管理逻辑层和认知适配层，通过对感知数据的认知计算、分析和推理，将获得的知识提供给策略控制层，同时提供信息共享和协同机制。（5）策略控制层根据系统信息及计算处理层挖掘的知识，对系统模型进行修正，并结合系统仿真制订策略对物理设备进行控制；同时通过互联实现CPPS的协作。（6）应用层面向发电侧、电网侧、用电侧的各类应用。
2、目前存在的问题分析
由国内外研究现状分析可知，为尽可能降低电力CPS系统的风险，国内外学者已经在电力CPS风险建模、定性分析、定量分析等方面开展相关方法与模型的研究，并已取得一定的研究成果。但是，目前该类风险分析仍然属于初始阶段，仍然存在很多的问题。（1）集成防危性与安全性的风险分析方法对电力CPS的特点考虑不足。电力CPS中电力系统和ICT基础设施通过SCADA和控制系统紧密耦合，系统中同时包括遗留系统和新ICT组件。而传统的信息系统安全性提供的方法在物理系统防护方面的考虑较少，特别是在电力CPS中新组件对遗留系统的影响方面的考虑非常少；（2）在集成防危性与安全性的电力CPS风险建模方法中，现有工作主要关注静态模型的建立，对软件系统中特有的时序、状态依赖等新特性对风险分析的影响方面的考虑尚不足。部分研究工作涉及到了系统中的时序特征以及动态特征，但未采用工业界常用的方法工具，直接采用形式化模型导致工程人员使用困难；（3）在电力CPS风险定性分析方面，对于集成防危性和安全性的风险分析，需要开发适合电力CPS特性的定性分析方法。另外，由于同时涉及到防危性和安全性，需要对定性分析的目标进行重新定义，分类别进行定性分析；（4）在电力CPS风险定量分析方面，由于防危性和安全性有着不同的评估标准，已有的研究工作分别根据已有的防危性评估标准或者根据安全性的评估标准对电力CPS风险进行评估。针对集成模型，需要充分考虑两个领域定量指标体系的融合。
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3、电力信息物理系统技术
3.1通信协议
学术界已经提出了一种新的六层通信协议栈CPI，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、信息物理层，此协议栈继承了现在的TCP/IP结构，新的信息物理层添加于应用层之上，用来对物理系统的动态和特征进行描述。
3.2分布式计算模式
与传统的集中式计算模式相比，基于云计算的分布式计算模式可以有效整合系统中的各种异构计算资源，具备强大的存储与计算能力，其优点是扩展性强，易于运维等。电力CPS分散与集中控制的协同模式与分布式计算模式相符合。
3.3延迟容忍网络
未来的电力CPS中，由于大量无线传感设备的接入而构成一个典型动态网络，比如电动汽车的传感与控制系统，对通信网络处理中断和延迟的能力有较高要求，具备高可靠性和很强的在线计算分析能力。延迟容忍网络（DTN）是一种新型的网络体系结构，解决了在高误码率、长时延、频繁中断等特征的异构网络中的通信问题，可以满足电力CPS需求。DTN在多种不同类型的应用层之下、传输层之上添加了一个DTN层，能够利用下层网络提供的服务进行数据传输。也就是说，DTN将运行在各种网络的已有协议栈上，为两个或多个异种网络节点物理连接时提供存储转发的网关功能。
3.4分散控制与集中控制的协同技术
电力CPS的最终目的是对整个系统的控制达到全局最优。随着电力CPS中设备数量的大大增加，必须把分散控制与集中控制结合起来才可以，而如何实现分散控制与集中控制协同且灵活高效的技术是关键。
3.5重视物理层防护工作
在电力信息通信网络运转过程中，相关管理人员很有可能出现忽视物理层防护工作的现象，而对于这一点来说，网络设备及通信线路所处环境的整洁程度、通风性以及防雷措施等都将对系统整体的安全性产生影响。为了针对这样的状况进行改善，相关管理人员应能结合以下2点内容做好物理层防护工作。（1）避免雷电灾害造成的破坏。若物理层防雷措施的设置达不到相关标准，那么系统内的各个设备及线路的安全性必然会因此而受到影响。为了避免这样的状况出现，相关工作人员应能定期对各个通信设备及机房配线柜等的接地处置进行检查，发现问题时要及时进行处理，以此来避免雷电灾害对电力信息通信网络运转所产生的影响。（2）保证机房环境满足要求。机房环境应保持整洁，通风性良好，防止电磁干扰、辐射等导致的安全问题，提前设置防护措施，通过滤波器等的安装将电磁干扰对电力系统信息通信网络安全的负面影响降到最低。除此之外，对于相关设备的使用来说，电力企业应设置详细的操作权限，对操作人员及用户身份进行验证，避免人为失误所导致的安全问题。
结束语
综上所述，在对现阶段电力信息物理系统技术中存在的安全问题进行简单分析的基础之上，主要通过通信协议、分布式计算模式、延迟容忍网络、分散控制与集中控制的协同技术、重视物理层防护工作等5点内容对改善这些问题的方法做了深入探讨。在后续发展过程中，为了更好地应对信息化发展趋势，电力企业必须能将电力信息物理系统安全及防护工作重视起来，以此来保证电力信息物理系统能在发挥自身作用的同时避免其他等问题。
参考文献
[1]张帆,胡怡霜,范明霞,徐晨博,丁一,袁翔.电力信息物理系统的发展驱动力评估[J].供用电,2018,35(11):9-13.
[2]郑佩祥,陈柯任,文福拴,陈彬,张功林.电力信息物理系统中信息系统发生预想事故的影响[J].电力建设,2018,39(06):89-95.
[3]黄新.基于信息物理融合的电力系统脆弱性分析与保护[D].哈尔滨理工大学,2018.
[4]陈倩.面向电力系统负荷控制的信息物理耦合建模与应用[D].东南大学,2018.
[5]梁云,黄莉,胡紫巍,李沛.面向未来智能配用电的信息物理系统:技术、展望与挑战[J].供用电,2018,35(03):2-9.
论文作者:张启成
论文发表刊物:《科学与技术》2019年17期
论文发表时间:2020/1/15
标签：电力论文; 物理论文; 系统论文; 信息论文; 网络论文; 电网论文; 安全性论文; 《科学与技术》2019年17期论文;