间歇式可再生能源、电动汽车等新型负荷和各种储能设备的并网, 以及用户更广泛和深入的参与促进了智能电网的发展。
能源互联网则结合互联网技术, 推动分布式可再生能源的大规模利用, 促进电力、交通、天然气等多能网络的广泛和深度融合。
在智能电网和能源互联网中，都需要引入新的计算、通信和传感技术, 促进信息系统和电力系统/多能网络系统深度融合与协作，即实现信息物理融合系统。
针对信息物理融合系统这一热点领域，《电力自动化设备》编辑部特邀浙江大学文福拴教授和香港中文大学（深圳）赵俊华副教授担任专题特约主编，在2017年第12期推出“智能电网与能源互联网环境下的信息物理融合系统”专题，集中展现智能电网与能源互联网环境下的信息物理融合系统各个方面的最新研究成果与进展。
今天小编将为您介绍“智能电网与能源互联网环境下的信息物理融合系统”专题中的第1部分——电力CPS 的设计与优化。
01
电力CPS 的设计与优化
配电网信息物理系统协同控制架构探讨
Discussion on cooperative control architecture of cyber-physical distribution network system
李培恺，曹 勇，辛焕海，戴 攀
如今，分布式新能源机组正逐渐大规模地接入配电网侧，其地理分布的分散性以及发电的间歇性特性改变了传统配电网中功率单向流动的特点；加之新能源种类多、性能不一致，使得整个配电网的拓扑结构和动态特性变得十分复杂。网络动态新特性的不断出现，给配电网信息物理系统(CPS)的实时控制和优化调度带来了新的挑战。为了妥善解决这一问题，须对配电网 CPS 的控制架构进行研究，建立电力信息层和物理层的耦合联系，从而为配电网侧电能的统筹管理提供条件。
本文受国家高技术研究发展计划（863 计划）项目（2015AA050202）和国家电网公司科技项目（52110417000B）资助。
（以下为本文主干内容，原文详见《电力自动化设备》2017年第37卷第12期）
1
配电网 CPS 及新能源协同控制方式概述
1.1
配电网 CPS
配电网 CPS 是 CPS 技术与智能配电网的有机结合体，因此除了具有支持分布式电源接入以及促进用户侧参与等运行特征之外，配电网 CPS 还拥有了信息的共享和协作能力。配电网 CPS 借助于信息系统对于分布式终端信息的及时获取、传输和处理，实现配电系统对于多源异构分布式电源的高效利用。
1.2
新能源的协同控制方式
在分布式新能源机组的协同控制方式中，上级控制中心只需与一小部分电源终端之间建立通信联系，下层各电源终端依靠局部通信网络完成信息的传递，实现控制策略，其控制结构如下图所示。
协同控制方式控制结构
协同控制的目标是在满足上级控制中心下发的功率调度指令的前提下，分布式地实现新能源机组之间出力的最优分配。
2
配电网 CPS 框架结构
配电网 CPS 框架结构如下图所示。
配电网 CPS 结构
该框架结构主要由以下 5 个部分组成：信息中心；分布式计算平台；通信网络 ，包括 CPS 通信 络（CPSnet）和 CPS 局域网（CPS-LAN）；控制中心，包括全局控制中心和配电网 CPS 控制中心；电力实体。
3
配电网 CPS 协同控制架构
本文基于配电网 CPS 的协同控制策略及其多层面、分布式耦合特征，提出包含感知通信、计算以及物理对象的分布式实体架构并融入 CPS 内部统一特性与外部互联特性的层次化抽象架构，从而构成完整的配电网 CPS 协同控制架构。
3.1
配电网 CPS 协同控制策略
配电网 CPS 协同控制策略可用以下两层数学模型表示：
该策略的核心是利用全局优化与区域协同自治的配合完成分布式新能源机组的协调调度，从而实现配电网 CPS 运行合理性及经济性最优。
3.2
配电网 CPS 实体分布式控制架构
配电网 CPS 分布式控制架构如下图所示。该架构建立在虚拟分区划分的基础上，可实现各控制管理层之间多时间尺度的配合。
配电网 CPS 分布式控制架构
（1）虚拟分区。
在本文所采取的新能源协同控制方式下，首先需要将与配电网连接的所有可控新能源机组按一定的原则进行分组，形成虚拟分区，并由各专门的区域控制器进行控制管理。虚拟分区的划分可以按照如下原则进行：
a. 馈线上 2 个分段开关间隔内如果包含可控分布式新能源，则其成为一个独立的虚拟分区；
b. 馈线上从分支界定开关到线路末端如果包含可控分布式新能源，则其成为一个独立的虚拟分区；
c. 若馈线上某一区域包含较多的可控分布式新能源，该区域可成为一个单独的虚拟分区。
（2）多时间尺度分布式协同控制。
本文新能源协同控制架构的控制管理按照多时间尺度的思想进行，其执行机制如下。
a. 上层的配电网 CPS 控制中心根据配电网实时数据和预测数据信息以及配电网侧全局优化算法的计算结果，制定新能源优化调度控制策略，并将调度计划下发给各区域控制器。该控制是在长时间尺度下完成的。
b. 下层的分布式新能源机组按照所划分的虚拟分区协同出力。同一虚拟分区内的新能源机组的电源 CPS 终端能够实现相互通信，并且有一个或多个终端用以接收所在区域的区域控制器下发的调度指令。在各区域内部，新能源机组群通过相互协调出力来满足该调度指令，同时通过分布式算法实现区域内部电能分配的优化。该下层控制属于短时间尺度。
3.3
配电网 CPS 抽象分层控制架构
本文结合配电网 CPS 的运行特征，提出与上述配电网 CPS 分布式实体架构相对应的六层抽象架构，如下图所示。
配电网 CPS 分层架构
a. 物理层。抽象架构的最底层，主要包含配电系统中的储能设备、继电保护装置和分布式电源等设施以及负荷单元。
b. 数据连接层。该层包含传感器／执行器、汇集／控制节点以及通信线路等实体以及路由技术、传感器技术和嵌入式技术等诸多技术，其功能的实现需遵循数据协调的相关协议。
c. 网络层。该层包含网络连接、路由、数据传输、异构数据描述和语义解析等新技术，是 CPS 实现资源共享的基础。
d. 资源服务层。在大数据环境下将配电网 CPS 中的物理实体、信息流以及计算数据等统一描述为资源，并以资源查询、组织和维护的方式对其进行有效管理。进一步地，将 CPS 中资源能力进行抽象，并以服务为核心、通过事件／信息触发模式与相邻层次进行交流。
e. 应用层。该层根据下层传输的电网即时信息，可实现对配电网运行态势的监控和预测以及优化调度等功能。
f. 配电网 CPS 层。抽象架构的最顶层，在定义好相应通信协议以及资源描述方式的前提下，该层可与其余各层进行跨层互联以提供特定的服务支持。
4
结论
本文在配电网 CPS 框架结构的基础上，结合电力系统的控制方式，提出一种配电网 CPS 协同控制的架构。该控制架构中融入了协同控制方法，能够对配电网侧接入的分布式电源、储能设备以及柔性负荷等进行能量协调管理；并增设了配电网 CPS 层，以促进 CPS 内部管理统一以及系统间的开放互联，为未来 CPS 的规模化及协同化建设准备了条件。
作为一项新兴的跨领域结合技术，配电网 CPS 及其控制架构的建设与应用必将面临诸多挑战。相信随着研究的不断深入，CPS 技术必将在电力系统领域取得更大的突破。
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