【能源互联网洞悉】电力信息物理系统融合发展规律探析
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：电力信息物理系统融合是建设能源互联网的关键环节，融合水平是决定能源互联网发展阶段的重要因素。本文充分考虑电力系统覆盖范围广、瞬时平衡、安全可靠性要求高等特性的前提下，揭示电力与信息技术融合发展历史规律，分析其在能源互联网发展目标下的发展趋势，提出电力CPS发展方向、重点领域，为我国能源互联网的发展提供参考。
电力信息物理系统融合发展规律探析
执笔人：刘林、王雪
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
电力信息物理系统融合是建设能源互联网的关键环节。一方面，能源互联网的主要目标即是实现跨环节的源-网-荷-储协调互动、实现跨系统的多能协调互补、实现跨区域的资源优化配置，要实现跨环节、跨系统、跨区域的协调优化，亟需信息的大范围即时性传输、处理和反馈，就要求能源互联网的建设要以信息物理一体化融合为基础，实现能源互联网在环节、系统、空间三个不同维度上的融通融合，促进能源系统实现更加经济、清洁、安全运行。另一方面，能源互联网将推动互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征，这些特征也要求大力推进能源系统与信息系统的深度融合。基于未来的能源互联网将以电为核心构建和运行，信息和能源系统融合的核心是加快发展电力领域信息物理系统，即实现电力系统和信息系统深度融合。本文充分考虑电力系统覆盖范围广、瞬时平衡、安全可靠性要求高等特性的前提下，尝试揭示电力与信息技术融合发展历史规律，分析其在能源互联网发展目标下的发展趋势，继而提出电力CPS发展方向、重点领域，为我国能源互联网的发展提供支撑与参考。
一、电力CPS的特点分析
与其他行业的物理信息融合相比，电力CPS具有其特有的四方面典型特征：一是实时性要求高。电力系统具有实时功率平衡的特征，要求信息系统数据传输、处理的效率与系统暂态稳态运行相匹配，满足电力系统调度需求，电力CPS才能真正发挥对系统运行的支撑作用。二是系统安全可靠性要求高。与其他行业相比，电力系统的可靠性要求更高，其安全运行是保障人民生产和生活正常运行的重要基础，电力供应中断将严重威胁生产及人身安全，导致重大经济损失，因此信息技术与电力系统融合要以提升电力系统运行可靠性为根本前提；三是覆盖范围广。电力系统包含的设备众多、网络覆盖范围广，电力与信息系统融合过程中，电力系统的发电、输变电、配电、用电及调度等各环节的运行都需要信息技术的深度融合；四是多场景叠加系统复杂度高。电力系统是一个极为复杂的网络系统，需要各类信息技术手段来支撑各种生产场景正常运行，如骨干网的光线通信、用户端的载波通信和4G无线通信等，而各类信息通信设备在与电力系统融合过程中形成更为复杂的系统。
从应用场景和安全要求等级来分，电力CPS大致可分为三个层级：一级是调度运行，这是保证电力系统安全稳定运行的关键，是电力CPS中可靠性要求最高的层级，从数据的采集、传输、处理及设备控制全环节都要求信息系统能满足高可靠性、高瞬时性、高准确性要求；二级是生产管理，以PMS系统为主，主要是针对电力系统生产运行管理数据的传输与处理，是保障电力系统长期稳定运行，提升运行效率的重要基础，该层级对信息系统数据传输与处理的可靠性和及时性有很高的要求；三级是企业管理，主要满足企业日常工作信息化需要，以传输视频和语音数据为主，数据处理相对简单，如电视电话会议等，该层级对信息系统的安全可靠性等有较高的要求。
二、电力CPS的价值
作为一种新的技术理念，电力CPS为实现新一代电力系统的目标提供了基础思路和实现途径，大大提升电力系统的高效、协同、实时、安全等能力，主要包括：
一是电力CPS将显著提升电网的信息感知、集成、共享和协同能力。我国电网现正处于一个高速发展时期，电网结构和运行方式日趋复杂，系统安全稳定运行面临诸多风险因素。电力CPS除了现有的调度、生产、营销等信息采集传输系统外，还可以通过智能化电力设备、工业级传感网、智能家居等，实现多物理量或数据的广泛采集和共享；突破传统专业之间的数据壁垒，使跨越时间、空间、物理环境的协同成为可能，实现对电网状态的深度认知，对数据资源的高效利用。在电力CPS系统支持下，可合理、充分地综合各类信息进行快速、准确的故障诊断，从而减少电能中断时间和增强供电可靠性。此外，电力CPS还将与其它社会网络，如交通网络，实现多种跨行业的协同控制。
二是电力CPS将显著提升电网的自组织、自适应力。电网是一个复杂的信息物理基础设施，在智能电网环境下信息通信网承载的业务日益复杂繁重，已成为电网生产运行与监测控制不可分割的一部分。电力CPS将通过信息与网络的融合，支持全局优化与局部控制的协同。此外，电力CPS具有自适应功能，对负荷控制、设备特性和用户偏好等信息有比较准确的把握，可实现对物理设备的局部控制和控制中心对参数的在线调整，具有自动排除各种系统故障、保证系统正常运行的能力。
三是电力CPS将使电网具备大规模分布式实时计算的能力。电网的特征是能量产生及消耗瞬间保持平衡，电网的任何关键的动态变化都对电网的可靠性和控制的实时性提出相当高的要求。电力CPS将综合物理电网的连续模型与计算机的离散模型，突破传统集中式计算平台的约束，通过物理设备中嵌入的计算部件与中央监控系统的信息融合以及计算进程与物理进程的交互，使电网具备大规模分布式实时计算的能力，为解决大规模分布式设备的实时协调优化问题提供了新途径。
四是电力CPS将增强电网抵御安全威胁和风险的能力。CPS将兼顾信息空间安全和物理实体安全，创新分析信息物理交互影响的耦合性风险，极大提高电网的安全性。电网和信息通信网构成了双层复杂网络，电力CPS将通过对网络理论、故障传播模型、分析方法以及可信计算、安全芯片技术的研究，建立不同防护手段的相互协调机制，发展与物理网络相适应的信息通信网络规划与运行方法，实现信息空间和物理空间的协同安全保障。
三、CPS发展历程分析
一是CPS在国外率先起步，已经成为发达国家抢占产业竞争制高点的重要举措。CPS最早于1992年由美国国家航空航天局（NASA）提出，经历了十几年的发展，美国、德国、日本等发达国家自2006年起将CPS作为其实施“再工业化”战略、抢占全球新一轮产业竞争制高点的重要举措，高度重视CPS的研究及其在能源电力领域的推广应用。
图1 CPS发展历程示意图
二是我国政府高度重视CPS发展，但“硬技术”远落后于“软环境”。我国早在2007年就提出了“信息化与工业化”融合的概念，其实质就是CPS。自2015年起，国家进一步推动CPS发展，先后出台了《中国制造2025》和《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》，将CPS作为两化融合发展基础支撑的重要组成部分。但我国通信、传感、计算机、控制等领域核心技术还依赖进口，自主化水平相对较低，导致CPS发展相对滞后。
四、电力CPS发展方向与重点领域
一是应以智能感知为重点，以能源互联网全链条、全环节为感知对象，形成能源互联网物理实体到数据空间的全盘映射。对物理实体的智能感知是电力CPS建设的前提。目前，智能电网建设已为能源互联网下的智能感知奠定了坚实基础，信息通信领域高新技术的快速发展为实现智能感知提供了契机。应重点围绕智能传感器、多参量传感器、5G通信、确定性网络等先进技术，以现有的智能电网信息感知网络为基础，重点推进先进技术与能源互联网的深度、广度融合，建立数据空间对物理实体的全面准确映射，为决策虚拟空间的形成奠定基础。
二是以多手段数据分析处理为关键，以数据映射空间为分析对象，形成包含能源互联网规划、建设、运行及商业模式运营的辅助决策虚拟空间。数据分析处理是电力CPS建设的基础与关键。当前大数据、人工智能、量子计算等先进技术蓬勃发展，在电力领域的应用也在逐步开展，但应用的深度与广度亟待提升。应以全面实现能源互联网的决策虚拟空间为目标，重点推进大数据、人工智能等相对成熟技术的普及应用，超前部署量子计算、数字双生等前沿技术的研究，建立最广泛的能源互联网决策虚拟空间，为实现从数据空间到物理实体的精准控制和无缝衔接奠定基础。
三是以精准无缝控制为方向，以能源互联网实体网络为控制对象，形成从虚拟空间到物理实体的全面闭环和无缝连接。实现对物理实体的无缝衔接和精准控制是电力CPS发展的根本。纵观百年信息控制技术的发展历史，控制领域的技术突破与颠覆落后于其他领域，也是当前电力CPS快速发展的主要瓶颈。控制技术是以传感器、通信、计算机等技术为基础的控制理念实现技术。应重点围绕各类技术的发展情况，创新控制理念，推动智能化、网络化、微型化自动控制技术的发展，形成从数据空间到物理实体的精准无缝控制，实现电力CPS发展的闭环螺旋跃升。
作者介绍
刘林，国网能源研究院能源互联网研究所主任工程师。电力系统自动化专业博士，高级工程师、管理咨询师、注册咨询师，国家电网公司优秀专家人才。主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究。曾参与编写起草国家促进智能电网发展指导意见、国家电网公司智能电网十二五及十三五规划、配电网发展十三五规划等；主笔编写出版《世界能源清洁发展与互联互通评估蓝皮书》等著作；多次获得国家能源局软科学成果奖、国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
王雪，国网能源研究院能源互联网研究所高级研究员，电力系统自动化专业硕士，主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究，先后承担国务院发展研究中心、国家能源局、国家电网公司委托的重大课题30余项，主笔编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，多次获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
往期回顾
◀【新业态新模式创新】赋能视角下的平台型业务发展理论及成熟度分析体系
◀【新业态新模式创新】基于流量思维的智慧能源综合服务平台商业模式设计与思考
◀【能源互联网洞悉】日本东京电力公司非入户式负荷分离技术发展及应用情况分析
编辑：杨彪
审核：许晓艳
根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。