電力信息物理融合系統模型與關鍵技術

李川 ，楊莉，周年榮，唐標，李英娜2，張大騁2

（1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明 650500；2.昆明理工大學云南省計算機技術應用重點實驗室，昆明650500；3.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；4.昆明理工光智檢測科技有限公司，昆明 650093）

0 前言

隨著電力系統信息化的快速發展，已建成的主要信息系統包括：電網調度自動化系統（SCADA）、能量管理系統（EMS）、配電自動化系統（DAS）、配電管理系統（DMS）、地理信息系統（GIS）、企業綜合管理信息系統（MIS）、辦公自動化系統（OAS）、輔助決策支持系統（DSS）、電力營銷管理信息系統（PSMIS）等[1-3]。但這些信息系統沒有充分共用，信息不能合理共享以及部分網絡和應用系統自成體系，形成大量分散異構的信息孤島，使得電力系統信息化的應用受到極大的限制[4]。一個完整的智能電網作為電能輸送和消耗的核心載體，包括發電、輸電、變電、配電、用電以及電網調度六大環節。

針對我國智能電網發展提出了由綜合與規劃、智能發電、智能輸電、智能變電、智能配電、智能用電、智能調度、通信信息8 個專業分支、26 個技術領域、92 個標準系列的智能電網技術標準體系[5]。國際電工委員會（IEC）提出的核心標準包括開放性架構、互操作、網絡安全性等方面，作為對電網信息模型的描述對智能電網應用和解決方案具有重大的影響。作為針對發展智能電網所提出的核心標準，結合IEC 61970-301 和IEC 61968-11 的公共信息模型CIM 采用面向對象的信息建模方式、以UML（UnifiedModel Language）語言為基礎為電網系統提供公共的信息模型，參見圖1，包括：應用公用模型、拓撲關系模型、網絡分析應用需要的模型、網絡結構的信息模型、培訓仿真的保護設備模型、量測模型、負荷模型和發電機模型、原動機鍋爐等模型以及定義數據類型的模型[6-7]。

圖1 互操作分類層級以及CIM標準的結構

物聯網技術可廣泛應用于智能電網從發電、輸電、變電、配電到用電的各個環節，全方位提高智能電網各個環節的信息感知深度與廣度，支持電網的信息流、業務流與電力流的可靠傳輸，以實現電力系統的智能化管理[8-11]。

CPS 為智能電網的發展提供了模型建立、分析和控制的工具。將CPS 引入電力系統，進行電力物理信息融合系統的研究已成為《中國制造2025》的重要組成部分[12-13]，主要關鍵技術包括：信息物理融合建模、電網CPS 分析與控制的理論方法及安全防御技術等將能夠為能源互聯網提供技術支撐和基礎平臺等。

1 電力信息物理融合系統模型與架構

CPS 是一種實現計算、通信以及控制技術深度融合的系統[12-16]，是數據結構為基礎的計算機科學與描述物理系統過程的系統理論在工業系統中的共同應用[17-19]，在感知的基礎上，深度融合計算、通信和控制[20-21]。CPS 促進了電力系統與信息系統的深度融合，構成了電力信息物理融合系統（cyber-physical power systems，CPPS），是一個多維、異構、深度融合的開放式系統[22-24]，參見圖2，并為實現電網智能化提供了思路和實現途徑。

1.1 CPPS分層

CPPS 可分為物理層、感知層、網絡層、計算處理層、策略控制層和應用層。

1）物理層由柔性控制的固態電氣模塊構成，比如：基于復合型電力電子器件集成的固態模塊等電氣物理設備的電能交換器，實現對電氣的控制。

2）感知層由傳感器、控制器和嵌入式操作系統等感知、控制設備組成，通過傳感和量測設備實現對電網信息的感知、局部處理和泛在接入，并將處理結果上送。

3）網絡層為設備提供通信路徑，連接信息世界與物理世界的各種對象，實現數據交換，支持協同感知和協同控制的CPPS 實時網絡，為系統提供實時網絡服務。

4）計算處理層包括認知邏輯層、管理邏輯層和認知適配層，通過對感知數據的認知計算、分析和推理，將獲得的知識提供給策略控制層，同時提供信息共享和協同機制。

5）策略控制層根據系統信息及計算處理層挖掘的知識，對系統模型進行修正，并結合系統仿真制訂策略對物理設備進行控制；同時通過互聯實現CPPS 的協作。

6）應用層面向發電側、電網側、用電側的各類應用。

圖2 CPPS的體系架構

1.2 CPPS功能延伸

1）實現全系統狀態感知：電力CPS 融合海量系統運行信息、裝置信息以及外部信息，依托通信網絡和控制終端，實現量測、感知、計算、通信等模塊的深度嵌入，一、二次設備高度融合，使參量的自我狀態感知更加全面。

2）滿足裝置即插即用：電力CPS 兼容多種通信協議、信息模型，滿足裝置即插即用需求，準確傳遞、識別信息流，以更高級的控制方式提升系統整體性能，使電網運行更靈活、更協調、更智能、更高效。

3）實現集中控制與局部自治：應用分布式協同控制技術，實現系統集中控制與局部自治的有機結合，就地協調分布式電源出力，用戶智能需求響應，故障就地快速自愈等應用功能，形成源-網-荷互動的集中式-分布式協同。

2 電力互聯網與電能路由器

CPS 在傳統物理系統的基礎上嵌入信息采集、互聯、量測、網絡通信以及控制等技術，通過信息網絡與物理系統的交互與協同，使系統具有更高的可靠性、經濟性、安全性和靈活性[25]，參見如圖3（b）所示的能源互聯網架構。與圖3（a）所示的計算機互聯網架構類比，電力互聯網是一種以電能路由器為樞紐，配合信息系統，完成多種能源的精準分配與消費，建設信息物理一體化的能源生產-配送-消費網絡[26-30]。

圖3 能源互聯網與信息互聯網

2008 年德國的E-DeMa 項目強調用戶和電力系統互動的分布式智能能源社區[26]。2009 年美國提出能源路由器[27]，將電力電子技術和信息技術引入電力系統，實現能源路由器之間信息的對等交互。2011-2013 年，日本研制帶蓄電池的數字電網路由器將大電網與能源局域網相連，控制協調局域網內部以及不同局域網之間的電力傳輸，統籌管理一定范圍區域內的電力[28]。圖4 給出了聯系信息網與電網的電能路由器的框架結構[20]，電能路由器承擔供應側各種能源流的融合、存儲、消納以及相互協調，并實現能源的質量監管。網間互聯的輸電網關鍵裝備由電能路由器負責輸電網的互聯，組成能源互聯網的主干電網[31-32]。配電網的關鍵聯網設備由電能交換器組成能源互聯網中的能源局域網[33-35]。電能路由器對電網中的能量流進行數據采集與實時監控，并通過通信模塊將能量流的狀態信息及時反饋給智能決策與控制模塊，智能決策與控制模塊根據反饋信息，控制電力電子設備和儲能裝置進行相應的能量轉換與能量存儲，控制線路功率流動，保證電力系統的供需平衡[35-36]。

圖4 電能路由器的原理圖

3 電力信息物理融合系統的網絡安全

CPPS 基于傳感設備、計算系統和通信網絡使電力系統形成了一個融實時感知、動態控制與信息服務于一體的多維異構復雜系統[37-39]，參見圖5，外部信息通過業務途徑直接或間接影響電力系統的控制決策[40]。CPPS 應用傳感量測系統和信息通信網絡實時獲取電網信息，信息攻擊者可通過攻擊傳感裝置，并注入虛假信息[41-42]（例如新能源預測信息、電力市場信息等外部信息）等方式，達到攻擊電網的目的。中央網絡安全和信息化領導小組指出，沒有網絡安全就沒有國家安全，沒有信息化就沒有現代化。隨著中國對CPS 的大力推進，電力信息化進程逐步提速。

圖5 CPPS的頂層數據流圖

3.1 CPPS主要結構

1）多源電力網絡是基于電力設備（如分布式電源、電力電子裝置、儲能裝置、負荷、智能電器等）的電力系統物理網絡[43]，直接影響電網調度控制和安全穩定運行。

2）多元信息網絡利用信息設備獲取系統信息[44-46]，包括：電力網絡的量測信息，如節點電壓、電流等；狀態信息，如開關閉合狀態、變壓器分接頭位置等；外部信息，如電價、天氣情況等；主觀信息，如用戶需求、攻擊行為等。

3）CPPS 網絡整合了多源電力網絡與多元信息網絡，每個節點由信息網絡和電力網絡中的對應節點映射得到，可同時與多源電力網絡、多元信息網絡進行實時交互，通過信息設備實時感知并處理能量流/信息流數據。

3.2 網絡安全三要素

1）保密性（confidentiality），信息獲取僅限有權限的用戶或組織，任何通過非法渠道進行的訪問都應被檢測并阻止[47]。保密性的破壞，將造成電網信息泄露問題，存在重要信息（如用戶隱私、產權信息等）被非法分子利用的威脅[48]。

2）完整性（integrity），保持并保證數據或信息的精確性和一致性，任何未經授權的組織或數據修改方式都不得對傳輸數據進行修改[47,49]，完整性的喪失意味著網絡中數據被修改或破壞，進而導致錯誤的電力管理決策。

3）可用性（availability），電網信息能被授權方通過合理方式訪問[47]。即使電網存在突發事件，如電力事故、攻擊行為等，用戶、電力裝置、控制中心等依然可以獲取信息[49]。一旦可用性被破壞，將導致數據傳輸中斷等問題，嚴重情況下將對電力傳輸造成影響[47]。

在CPPS 中，網絡攻擊特指以破壞或降低電力CPS 功能為目的，在未經許可情況下對通信系統和控制系統行為（比如：電力自動化控制組件以及對實時數據進行采集、監測、傳輸的過程控制組件的工作狀態[50]）進行追蹤，利用電力信息通信網絡存在的漏洞和安全缺陷對系統本身或資源進行攻擊。近年來，通過網絡攻擊手段侵入電網并最終實現對電力系統進行破壞的事件頻發[49,51]。這類攻擊一般不直接破壞電力一次設備，但可通過削弱甚至破壞二次系統的正常功能，達到類似物理攻擊的效果。當電網正常運行時，二次設備故障會造成量測丟失或錯誤，影響調度人員對電網一次系統的感知；當一次系統發生故障時，若繼電保護裝置、SCADA/EMS/WAMS 等二次系統的通信網絡發生故障或受到惡意攻擊，產生信息中斷、延遲、篡改等情況時，可能導致控制中心下達錯誤指令、決策單元誤動作或退出運行等電力一次系統的故障，從而引發一次系統的振蕩和大范圍停電事故。

當物理設備受人為破壞、攻擊和干擾時，其可靠性降低可影響電力信息系統的安全。電力系統涉及網絡安全的場景包括發電控制、輸電操作、配電自動化、高級量測體系（advanced metering infrastructure，AMI）、需求響應、用戶交互等[41,52-56]，參見圖6。

圖6 CCPS的網絡攻擊模式

a. 發電側攻擊：本地控制數據采集源于本地，可攻擊范圍較小，需主要防御侵入變電站LAN 的惡意軟件以及侵入本地通信網并篡改數字控制邏輯或設置的攻擊者；廣域控制依賴于SCADA 采集的聯絡線潮流和系統頻率測量值。

b. 輸電側攻擊：基于SCADA/EMS 的輸電網監視/分析/控制，比如，對SCADA 系統中的網絡交換數據進行非法操作；攻擊EMS 的操作，包括非法修改狀態評估數據、負荷預測值、操作員指令、控制動作等。廣域測量系統（wide-area measurement system，WAMS）為電力系統保護、控制或監視提供同步采集和帶有時間戳的電壓、電流全系統參考值，比如DoS 攻擊、失去同步攻擊（基于時間的攻擊）、錯誤數據注入攻擊等。

c. 配電側攻擊：AMI 系統涉及終端用戶、控制系統以及第三方機構間的通信，需確保點對點的信息安全。惡意網絡攻擊可破壞智能表計數據保密性以及遠程開關控制命令的整體性與可用性；配電自動化控制對于配電網安全穩定運行、用戶可靠經濟供電十分重要。惡意攻擊監控饋線上的設備，可能導致遠程開關開合、電容器接入、緊急狀況響應等自動化操作的失誤；惡意攻擊負荷管理中的控制邏輯或繼保通信設施可能造成計劃外的配電網饋線跳閘，導致供電中斷；分布式電源包括發電裝置和儲能裝置，可作為電網中主要或緊急備用電源，提高電能質量和系統運行穩定性。惡意網絡攻擊會破壞分布式電源的用戶信息保密性、電網測量數據的準確性和及時性。

d. 用戶側攻擊：實時電價信號通過AMI 系統、Internet 或其他數據通道傳送，增加了定價信息整體性、可用性和可信度被惡意攻擊破壞的可能性；用戶訪問能源相關信息，配有能量管理系統的用戶可與電力公共設施或第三方電能供應商進行能源信息交互。因此，定價信息的整體性以及用戶隱私保密性十分重要；接入混合動力電動車，電動汽車作為可轉移負荷和移動儲能電池，可利用電價信息確定何時充電，以及分布式能源管理程序，允許電動汽車根據系統狀態向電網饋電。此過程涉及的用戶信息私密性和電價信息準確性可能會成為網絡攻擊者的破壞目標。

4 結束語

CPPS 隨著電力基礎網絡和電力信息通信網絡聯系的日益緊密，傳統的僅基于電力系統物理聯系的分析和控制領域研究的局限性凸顯。隨著大量的數據采集設備、計算設備和電氣設備通過電網、通信網兩個實體網絡互連，電力系統已具備CPS 的基本特征，成為電力信息物理融合系統。作為世界上規模最大、最復雜的互連系統，電力系統己具備CPS 的各種典型特征，促進了能源互聯網、主動配電網以及傳統電網的深度整合與發展。CPPS 是電力物理空間和信息空間深度融合和實時交互的發展，在工業4.0 和互聯網+的總體發展基礎上，CPPS 將形成以電網為核心的能源、工業互聯互通體系的技術基礎。