基于关联特性矩阵的电网信息物理系统耦合建模方法

薛禹胜，李满礼，罗剑波，倪明，陈倩，汤奕

1、引言

现代电力系统已发展成为信息-物理紧密耦合的电网信息物理系统(电网CPS)，因此有必要研究电网CPS建模与分析的理论和方法。

与传统电力系统相比，电网CPS 最大特点是信息和物理过程的紧密耦合，所以系统故障方式、影响传播方式和演化机理与传统电力系统不同。因此，对信息物理耦合关系的建模是电网CPS建模的关键。信息-物理过程耦合关系主要体现在通过物理连接上的耦合关系(物理耦合)和通过电力业务上的耦合关系(业务耦合)。本文从信息物理整体的视角出发，对复杂通信信息网络和信息物理交互过程进行抽象，建立通用化的信息物理耦合模型，并基于具体电力业务实现模型的简化和计算分析。

2、电网CPS层次划分

《信息物理系统白皮书(2017)》指出：“CPS的本质就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系”。电网CPS是一个典型多层级的CPS，如单个光伏发电、本地保护系统、区域安控系统、自动发电控制(AGC)系统、智能电网调度系统等都是不同层级的CPS。不同层级的CPS都包括状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环过程。

以安全稳定控制应用为例，实际运行时安控子站(二次设备)对物理电网的状态进行实时感知(如电压、电流、开关状态等)，并对实时感知状态进行实时分析(计算功率、频率、故障判断等)。然后，安控子站将实时分析结果通过2M光缆和同步数字体系(SDH)设备(通信网络)传输至安控主站(二次设备、决策单元)。安控主站根据当前电网信息进行决策并下发控制指令，控制指令通过通信网络传输到安控执行站。安控执行站控制执行器动作，完成稳控CPS完整的闭环控制过程。该电力业务的实现过程就属于一个独立的电网CPS单元。在此过程中，信息物理耦合过程为：二次设备中的传感器通过信息采集将能量流转化为信息流，信息流经过通信网传输和二次设备层的信息预处理转化为决策单元的输入信息，决策单元根据输入信息产生控制指令并以类似的过程将其下发至物理实体。

如图1所示，电网CPS单元可以抽象为物理实体层、信息物理耦合层和信息系统层，分别对应物理网络、通信网络/二次设备网络、控制决策单元。物理实体层主要是指电力一次设备，主要包括发电机、变压器、线路、开关、负荷等。信息物理耦合层包括通信网络和二次设备层网络。其中，电网CPS通信网络主要由通信设备(如SDH设备、交换机、路由器等)和通信规约(通信规约的功能包括统一数据的格式、顺序和速率、链路管理、流量调节和差错控制等)构成，其主要功能是实现信息在信息系统中的传输。二次设备层网络是基于通信网的一个电力业务网络，主要指电力系统智能控制网络(如安全稳定控制网络)，其性能除了与二次设备层网络本身性能有关外还受通信网络性能影响。信息系统层是将不同电力控制应用的功能抽象出来组成的虚拟网络，虚拟网络中的节点可以包括状态估计、电压控制、安全稳定控制等信息功能。

3、电网CPS建模

本文提出的电网CPS建模的框架如图2所示。首先，采用多元组对通信节点及支路和二次设备节点及支路建模，侧重于对电力系统分析所关注的通信信息系统外特性进行建模，如延时、中断概率和数据处理函数等。然后，采用邻接矩阵对通信网络和二次设备网络的拓扑和特性进行建模。在此基础上，通过不同的关联特性矩阵描述物理实体层、通信网络、二次设备网络和信息系统层的关联关系和相关特性，最终形成电网CPS中信息和物理耦合关系的完整模型。

图2 电网CPS整体建模框架与计算分析过程

4、利用模型的计算分析过程

电网CPS建模主要描述各层及各层间的拓扑关联关系(结构)、逻辑关联关系(控制逻辑)和特性关联关系(特性)。基于该模型，计算分析过程如图2所示。通过采用电网CPS混成计算方法对模型进行层层简化与等值，从而将通信网络、电网二次设备网络等的作用效果反映至电网CPS模型(P-I矩阵)中。电网CPS混成计算方法与关注的耦合性能参数(如延时、可靠性等)有关，支撑信息物理节点间逻辑关系搜索(如通信路径搜索、信号传输路径搜索等)。

因此，通过电网CPS模型和电网CPS混成计算方法可以反映出信息节点和物理节点之间的关联关系及特性。

5、结语及展望

本文在对电网信息物理系统的结构和特点进行深入分析的基础上，提出基于关联特性矩阵的电网信息物理耦合系统建模方法，对电网CPS复杂交互机理进行了全面的描述。该方法基于实际电网CPS抽象出来的三层结构，物理实体层、信息物理耦合层(二次设备层和通信层)和信息系统层，采用关联特性矩阵的方法描述了各层内部及各层之间的关联关系及特性，建立了电网CPS模型。

进行电网信息物理耦合系统分析另一个关键点是混成计算方法(即图2中的)，这将在后续文章中加以介绍。另外，本文的矩阵用多元组的形式描述通信网和二次设备网、以及层间/网间交互的特性，如延时、中断概率、处理错误概率等。这些值的准确性，决定了我们提出的模型的最终结果的准确性。这些值的准确取得，需要通过实时测量、历史统计、经验判断、理论计算等方式，这将在后续的工作中进行深入的研究。