电力信息物理融合系统的负荷预防-紧急控制理论与方法

Electric power cyber-physical system (CPS) is a space-time multidimensional heterogeneous system integrated with cyber system and power system. Construction of smart grid greatly improves the sensing and control capabilities of electric network and equipment in power CPS. It not only provides global information assurance for wide-area control of transmission network, but also affords possibilities for active response control of distribution network. According to the electric power CPS, active load aggregation model considering of customers’ intentions and habits is studied, and based on load’s active response in long and meso-time scale, the theories and methods for preventive control are proposed. The mechanism of how communication system affects wide-area power grid control is studied, and based on wide-area load control in short time scale, the theories and methods for emergency control are presented. Furthermore, considering the characteristics of cyber system and power system, such as temporal synchronization, multi-source heterogeneity, component construction, and physical response, the co-simulation method of preventive and emergency load control for electric power CPS is studied. A co-simulation experiment platform will be established to provide technical support for the proposed theories and methods in this project.

电力信息物理系统(Cyber-physical system, CPS)是信息系统与电力系统深度融合的时空多维异构系统。智能电网建设极大地增强了电力CPS中电网和设备的感知能力和控制能力，不仅为输电网的广域控制提供了全局信息保障，也为配电网的主动响应控制提供了可能。针对电力CPS，研究考虑用户意愿和行为习惯等主观信息的主动负荷聚合模型，提出基于中长时间尺度负荷主动响应的预防控制理论与方法；研究通信系统的延时、误码和中断等因素对广域电网控制的影响机理，提出基于短时间尺度负荷广域控制的紧急控制理论与方法。考虑电力系统和通信系统的时间同步性、多源异构特性、元件组成和自然响应特性等特性，研究基于电力CPS的负荷预防-紧急控制联合仿真方法，建立联合仿真实验平台，为验证本项目所提理论和方法提供技术支撑。

随着智能电网建设的推进，大量传感设备、通信设备、计算设备和电气设备通过通信网和电力网两个实体网络互连，成为一个具备实时感知、动态控制和信息服务融合能力的多维异构复杂系统，即电力信息物理融合系统（Cyber Physical System，CPS）。在电力CPS环境下，多元广域信息的获取和利用为电网分析与控制决策带来了数据支撑，但同时也引入了信息通信网络失效的风险。该基金以负荷控制为切入点，分析电力CPS运行控制中面临的机遇和挑战，具体工作如下：.（1）从在线负荷建模、负荷聚合响应能力评估、负荷预防控制策略以及负荷控制效果分析的角度，对考虑用户主观信息的负荷预防控制进行了整体研究，提出了基于智能量测信息的在线负荷建模方法，基于负荷聚合潜力的信息物理建模方法，考虑动态响应潜力的负荷双层控制策略以及考虑需求侧负荷聚合控制特性的电网暂态频率预测方法。.（2）基于对电力CPS结构和特点的深入分析，提出基于关联特征矩阵的电力信息物理耦合系统建模方法，对电力CPS中能量流与信息流的复杂交互机理进行了全面的描述。进一步地，基于电力物理层和信息通信层通过电力通信业务交互影响的本质，提出了通信故障对电网实时负荷控制影响的量化评估方法，以及评估电力CPS系统脆弱性的研究框架。.（3）在广域紧急负荷控制的研究中，一方面，从利用系统电网全局信息的角度，充分考虑电网的频率电压空间分布特性，提出了新型低频低压减载控制算法，另一方面，从考虑通信系统可靠性的角度出发，在电力系统频率态势预测及紧急负荷控制方案实施中考虑通信系统的脆弱性，从而提高方法的有效性和可靠性。.（4）对通信与电力交互仿真系统进行了研究，提出了基于状态缓存的电力CPS非实时仿真时间同步方法，并针对电力CPS环境下负荷控制业务测试场景，搭建了电力CPS实时仿真平台以及硬件在环仿真平台，成果可以扩展用于各类型智能电网应用的实验验证。