张冬冬
国网岚县供电公司 山西省吕梁市岚县 033500
摘要：随着先进信息通信技术在配电网中的广泛应用，配电网信息侧和物理侧融合程度愈发增强，已具备信息物理系统的典型特征。基于此，本文对配电信息物理系统分析与控制进行深入研究，以供参考。
关键词：配电信息物理系统;控制研究
引言
信息物理系统（cyber physical distribution system, CPDS）是一个实时感知、信息处理与动态控制相互融合的多维异构复杂系统，其通过3C技术将通信网络、物理系统与分析计算系统融为一体。随着风电、光伏等分布式电源的大量接入以及先进的数据采集、通信和控制技术的广泛应用，现代配电网已逐渐向主动配电系统过渡，以实现对电网运行状态的实时感知与对线路开关、分布式电源、储能及需求侧响应资源等电网可调度资源的灵活可控。
1 CPDS结构与功能
CPDS是先进信息通信技术与主动配电系统的深度融合，在物理层可实现分布式可再生能源的大量接入、电动汽车与储能等可控资源的协同调度以及灵活负荷在电力市场中的广泛参与；在信息层可实现信息的广泛感知、分析、共享和协作。对CPDS架构与功能的设计是实现CPDS建模、分析、控制的基础。CPDS结构包含物理侧和信息侧两部分，物理侧包括变压器、配电线路、隔离开关、断路器等传统一次设备和风机、光伏等新能源设备以及储能装置、电动汽车等设备等；而信息侧包括信息通信设备以及通信网采用的通信协议、软件、拓扑等，主流的CPDS结构可分为应用层、通信层、终端层。应用层位于配电主站或子站中，实现配电EMS、配电自动化、人机交互等高级应用功能。通信层包括骨干网和接入网两部分，骨干网连接配电主站与配电子站，多采用光纤同步数字体系（SDH）光通信技术或多业务传输平台（MSTP）环网结构，可靠性高；而接入网连接配电子站与各个配电终端，多采用以太网无源光网络（EPON）、工业以太网、电力载波、无线公网/专网通信等混合通信方式，可靠性与骨干网相比较差。终端层包含馈线、断路器、分段开关等电力一次设备元件，以及馈线智能远动终端（FRTU）、馈线保护装置等智能配电终端。
2 CPDS自愈控制方法
自愈控制是保障配电系统运行可靠性的核心技术，其包含事故发生前的预防控制以及事故发生后的故障定位、故障隔离与供电恢复等紧急控制过程。通过配电系统的自愈控制可以实现以下功能：在故障未发生时，通过对配电系统进行脆弱性分析和静态安全分析，对系统运行中存在的不安全因素和薄弱环节进行优化、改善，来减小安全事故的发生风险或避免其发生；在故障发生后，对故障进行定位和隔离，通过负荷转供或计划孤岛运行等方式，实现对非故障停电区域的供电恢复，缩小停电范围。目前，配电系统自愈控制技术研究主要分为2个阶段。第一阶段仅单独针对配电物理系统或信息通信系统，从物理侧角度关注故障诊断与定位、考虑分布式电源的故障恢复、主动孤岛等技术；从信息侧角度分析通信网关键节点辨识、通信网故障后的诊断定位与通信恢复[等。上述研究仅从物理侧或信息侧展开，未考虑CPDS信息系统与物理系统的关联耦合与相互影响，在当前配电系统信息物理深度融合的背景下具有一定的局限性，无法反映配电通信信息系统对自愈恢复控制的影响。为此，有学者陆续关注信息系统故障或遭受网络攻击后对馈线自动化自愈控制产生的影响。CPDS自愈控制研究正向考虑信息物理协同配合的第二阶段发展。
3 CPDS关键技术展望
3.1两网融合背景下的CPDS架构
CPDS是智能电网与泛在电力物联网两网融合的重要应用场景。
现有研究在CPDS架构设计上取得了一定的成果，但在泛在物联的环境下，CPDS架构需要在现有基础上做出一定的调整，以应对大量信息、物理终端设备接入下对系统数据传输与分析计算能力的巨大考验，以及外部可靠性较低的互联网信息接入后对电网信息安全的威胁。为此，两网融合背景下CPDS架构设计应充分考虑多类型终端设备与系统内、外部信息的广泛接入以及多种信息通信方式的采用，结合泛在电力物联网“云-管-边-端”的设计结构，考虑云平台、边缘计算、信息安全防护等技术给CPDS架构及功能带来的影响。
3.2考虑分布式电源的CPDS安全分析
随着风电、光伏等分布式电源（distributedgenerator,DG）在配电网中渗透率的不断提升，其对配电系统安全可靠运行带来的影响也愈加增大。大量DG接入给CPDS运行安全性造成的影响总体可分为3个方面：一是从电力物理侧的角度，光伏、风电等可再生能源出力具有较强的波动性和不确定性，大量并网会增加系统运行风险；二是从信息侧角度，大量的分布式电源与信息元件等智能终端设备的接入会增大CPDS信息系统遭受攻击的概率，带来更多的安全隐患；三是从考虑CPDS自愈控制过程的角度，可控分布式电源可作为配电系统的灵活调控资源，在预防控制和供电恢复中可以发挥关键的作用。现有研究针对风、光不确定性给配电物理系统带来的安全风险已开展了一些工作，对DG在配电系统自愈控制中所发挥的作用研究也取得一定的进展，但鲜有文献从信息物理融合的角度定量分析DG等终端设备的接入给CPDS安全带来的风险，DG在考虑故障自愈过程的CPDS安全分析中所发挥的作用挖掘不够深入。同时，如何在考虑DG影响的基础上，结合电动汽车、需求侧响应负荷等用户侧可控资源进行CPDS安全分析，在后续研究中应予以关注。
3.3 CPDS混合通信网自愈机制
配电通信骨干网通常采用SDH光通信网络和基于SDH的MSTP等技术组网，并配备通道层与复用层等多种保护方式，技术成熟度和可靠度较高。而接入网多采用以太网无源光网络（EPON）、工业以太网、电力载波、无线公网/专网通信等混合通信方式，将多类型的设备终端进行连接。目前，针对电力通信网脆弱性分析、故障诊断、恢复等已取得了一定的研究成果，但上述研究多是针对输电网通信系统，对于混合通信方式下的CPDS接入网自愈机制尚未有文献报道。特别地，在泛在电力物联的背景下，CPDS将接入大量的智能设备终端和处理巨量的内外部信息，接入网结构和通信机制将更加复杂，对CPDS接入网开展安全分析与自愈机制研究显得尤为关键。
3.4 CPDS信息物理协同自愈控制体系
CPDS自愈控制现有研究主要侧重于从安全分析角度出发，分析信息故障对CPDS自愈过程带来的影响，但未对信息物理系统具体的协同控制方法做出分析，CPDS自愈控制体系并不明确。未来研究工作中，应针对CPDS自愈控制体系进行系统性研究，包括信息侧与物理侧协同配合的预防控制和故障定位、故障隔离以及供电恢复等紧急控制措施。
结束语
总而言之，传统配电网分析与控制方法忽略信息系统的影响，难以应对内部信息系统的自然故障或外部网络攻击给CPDS带来的安全威胁。随着先进信息通信技术在配电网中的广泛应用，配电网正逐步向信息物理深度融合的配电信息物理系统发展。
参考文献
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