交通信息物理系统及其关键技术研究综述

交通信息物理系统及其关键技术研究综述

王立平

肇东市公路管理处黑龙江省绥化市152000

摘要：信息物理系统为实现全球能源互联提供了新的思路和实现途径。本文探讨了信息物理系统的概述及其关键技术。

关键词：电网；信息物理系统；关键技术

全球能源互联网是以电力系统为核心的复杂多网流系统，目的是发挥能源综合应用和负荷侧互动技术优势，从而整体优化能源供给与消费。

一、信息物理系统概述

信息物理系统其定义与概念尚未统一，一种广为接受的看法是：CPS是在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力，由可控、可信、可扩展的网络化物理硬件所构成的智能系统，是一个信息过程和物理过程互为反馈，且实现深度融合和实时交互的闭环系统，并能以安全、可靠、高效和实时的方式对物理实体进行监测或控制。研究CPS的目的是将虚拟信息和实际物理完全结合起来，从而改变现有工程系统的构建方式和方法。

二、电网CPS关键技术

1、电网信息物理融合建模。电网CPS关键技术涵盖建模、分析、控制、验证等多个方面，形成从机理分析到应用方法研究的一个完整的技术体系。

融合建模一直是CPS研究的热点，同时CPS建模应具备模块化系统建模、信息系统与物理系统接口、离散与连续混合系统等特点。另外，运用电网运行信息，结合系统模型，在电力系统、计算系统、通讯网络系统三者间建立联系，研究扰动造成的越限及系统失稳问题。同时，运用建立模型论证了分层分区控制及统一控制的可行性及系统稳定性。建立了光伏储能发电系统的物理信息模型，验证了发电系统充分应用信息预测功能的输出效果。

CPS模型和建模方法在很大程度上是以解决实际功能需求为目标，尚不能完全反映信息和物理系统实质上的融合。首先，传统电网模型着重反映时序动态变化，缺乏系统事件和状态表达。其次，没有在物理模型建模同时考虑与信息系统模型的融合建模。未来需要针对上述不足，研究信息物理融合的电网模型及建模方法。此外，采用混合系统建模，一方面使物理系统体现对事件状态，又因连续、离散并存，与信息系统的数字工作模式有了结合点。混合系统建模大多是为了解决嵌入式软件开发中出现的同步与并发问题，没有发挥这一方法对物理系统分析、控制等延伸工作的优势，其在电力系统的CPS建模中的应用值得期待。

2、电网信息物理系统分析。电网信息物理系统的分析方法依赖于电网CPS融合模型，实现基于自主感知、采集传输、计算处理、协同交互等功能，并对电网运行状态信息进行深入分析和评估。

传统的电网分析方法侧重于计算评估某一孤立时间断面上的电网运行状态，而电网信息物理系统的分析方法则能给出连续时间过程内系统动态变化的状态研判和趋势分析，并考虑信息系统与物理系统间的交互作用影响，能为多变量、强不确定性等条件下电网分析问题提供有效的求解方法。

潮流分析方面，主要有不确定性与确定性两类计算方法。不确定性方法的CPS潮流研究基于随机分析理论对分布式电源的输出功率不确定性进行数学建模，以优化的解析法求解随机状态变量，从而得出电网潮流的概率分布情况。面向随机分析的大数据理论可通过相关数据处理算法从大量混杂无序的信息中得到内在规律，大数据分析方法提供了不确定性潮流分析的另外一种可行的方法。确定性方法的CPS潮流主要研究包括合理优化分配不平衡功率使系统达到新的平衡点，以及在连续时间过程内满足电网各种动态变化场景要求的运行情况，综合最优的潮流等两类问题，此外还有关于动态潮流分布式计算的实现机制方面的研究。上述方法尚未能建立CPS动态潮流计算框架，分析电网运行状态变迁的关联性并实现推理揭示趋势。

电网态势感知方面，主要研究相角测量单元的最优配置方法以加强电网的感知能力。同时提出一种基于态势感知技术的电网自动智能调度架构，而更多的成果则侧重于研究与开发态势感知的可视化技术。在高度信息化的运行环境中，态势感知应完成对电网各种变量的检测识别、理解和感知，以及电网运行状态的分析及预测，当前这一方面的研究仍需加大研究力度。

场景演变分析主要用于判断和评价电网的运行状态变化的趋势和概率，是基于潮流计算和态势感知的综合性分析方法，为电网制定调度和控制策略提供依据。而当前场景分析较多的研究主要是用于解决随机问题，即将不确定性因素转变成多个确定性场景加以建模和求解，如基于场景树的可中断负荷优化调度及风电接入的配电网可靠性分析等。

计及信息与物理交互影响的系统安全性分析方法具有重要的价值和意义，当前已有较多成果研究电网信息系统安全对物理系统安全影响，以及如何加强电网信息安全、提高其对风险威胁和恶意攻击的防御水平。电网信息物理系统的安全性分析理论与方法研究仍需加强，需要考虑信息与物理系统交互影响的系统可靠性指标和安全裕度的数学模型、计算及模拟仿真等方面，为实时掌握和评估电网信息物理系统在多因素交织的复杂运行环境下的安全性提供行之有效的方法。

3、基于信息物理融合模型的电网控制。CPS电网控制具有以下特点：1）控制方法考虑控制对象模型，能感知模型及环境变化；2）控制模型采用融合模型，可通过物理系统和信息系统的协调控制，更好地控制电力系统；3）分层分区控制结构，下层设备之间、设备与上层系统之间的统一协调控制。

混合系统模型能较好体现CPS特征，可分为两类：1）将物理系统抽象为混合系统模型，在控制环中，以事件或状态决定物理系统演变规律，由演变规律得到控制量作用于物理系统；2）将物理系统连续动态与离散状态混合建模，在优化控制中既考虑连续变量，同时也考虑离散变量的切换。两类控制均将混合系统模型置于控制环中，在需要增加协调控制或系统层面控制时，能感知较大的外界变化。

电网CPS具有典型的混合特征，融合了海量运行信息、装置信息及外界信息，依托信息网络和控制终端，采用基于融合模型的控制方法能应对更为复杂、智能的运行工况。

4、基于融合模型的形式化验证。形式化验证主要是为了实时系统的安全性及稳定性，通过形式化验证，可从逻辑分析的角度验证系统的合理性及可行性。同时，利用微分逻辑分析方法对信息物理融合系统进行研究，并验证该实时系统的安全性及稳定性，形式化验证过程可采用微分动态逻辑的方法，基于语义一致性的原则定义转换规则进行转换。形式化验证的方法主要是基于区间连续微积分和时序逻辑的验证方法，可验证动力系统中对离散状态的时间逻辑约束。时间区间时序逻辑能描述实时和混合系统，通过转换为有界整数域上一阶投影时序逻辑的可满足性问题，验证稠密的时间区间时序逻辑的可满足性问题是否可判定。

混合系统体现了物理系统连续与离散状态并存的特点，使实时物理系统与数字信息系统相结合。对混合系统的形式化验证一直是学者关注的重点，从系统的连续属性和离散属性出发，对定时系统、基于混合自动机的形式化系统，对系统进行形式化描述，以及用混合区域形式化系统状态集证明混合区域对矩形混合系统可达性操作的封闭性，甚至混合矩形自动机建模证明迁移的可达性等，都是行之有效的、混合系统验证形式化方法。此外，将混合系统形式化描述为七元组：时间基，输入集，输入段集，内部状态集，输出集，状态转移函数，输出函数，从而建立了混和系统模型的形式化表达。

结束语

能源互联网是借助信息互联网技术，充分广泛且有效地利用分布式能源、满足能源消费者多样化需求，其核心技术是信息系统与物理系统的紧密融合，它是电力系统的未来发展方向。

参考文献

[1]陆一鸣.电网信息模型的形式建模与验证[D].交通大学，2014．

[2]雷瑶.信息物理融合系统的形式化建模与分析[D].工业大学，2015．

[3]薛禹胜.电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架[J].电力系统自动化，2015．