基于信息物理社會系統(tǒng)的數字電網技術架構

張 斌，馮廣宇，郭志誠，朱璧君，沈錢鋒

(1.南方電網數字電網研究院有限公司，廣東 廣州 510700；2.電力規(guī)劃設計總院，北京 100120；3.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

2007年，美國學者提出信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems，CPS)，其研究重點是以信息技術在物理系統(tǒng)中的廣泛應用促成物理系統(tǒng)的高度信息化。然而，CPS的相關研究主要關注其工程復雜性要素，在復雜系統(tǒng)中，人常作為其設計者、建造者、最終使用者和運營管理者，以人因為代表的社會復雜性要素在系統(tǒng)各個部分都不容忽視。為了實現復雜系統(tǒng)安全、可靠和高效等目標，工程復雜性要素和社會復雜性要素需要綜合研究，并向全要素綜合集成和深度智慧方向不斷進化，逐步形成多維度融合的信息物理社會系統(tǒng)(cyber-physical-socialsystem，CPSS)。CPSS通過傳感器網絡完成信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的連接，并通過社會傳感器網絡連接信息系統(tǒng)和社會系統(tǒng)。

社會物理信息系統(tǒng)[1]，是通過傳感器網絡完成信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的連接，并且通過社會傳感器網絡連接了社會系統(tǒng)和信息系統(tǒng)[2]。2017年，薛禹勝院士將該理論引入能源系統(tǒng)[3]。電力系統(tǒng)從產生之初便是信息物理社會系統(tǒng)，本質上是以物理電力系統(tǒng)為基礎，以社會公共服務為導向，以信息技術為主要手段構建高度融合的信息物理社會電力系統(tǒng)CPSS的過程。CPSS包含了社會系統(tǒng)(social system)、信息系統(tǒng)(cyber system)、物理系統(tǒng)(physical system)三個子系統(tǒng)，以信息系統(tǒng)促進電網與社會系統(tǒng)之間建立更深入、廣泛的聯系，電力數據與社會數據高度融合互動，構成具備特大規(guī)模數字化服務能力的融合型社會公共基礎設施，服務新型電力系統(tǒng)構建戰(zhàn)略和雙碳目標[4]。

本文基于信息物理社會系統(tǒng)理論從物理、社會、信息三個維度構建了數字電網技術體系，展開研究了各個維度的系統(tǒng)技術體系，并基于研究成果展望了數字電網未來的研究方向。

1 數字電網的技術框架

本文對數字電網標準體系按照系統(tǒng)性、繼承性、協同性、開放性的原則進行構建。依據電力信息物理社會系統(tǒng)架構所包含的基本面，將數字電網現有技術體系按照CPSS架構分別從分為物理層、信息層、社會層3個層面展開。圖1中的三維立體結構表現了數字電網的信息物理社會系統(tǒng)技術架構，三個子系統(tǒng)在數字電網各領域各環(huán)節(jié)相互融合相互促進。物理系統(tǒng)即為物理電網的現實世界，以發(fā)、輸、變、配、用、全生命周期為主線，實現能量的傳輸與配送，物理系統(tǒng)數字化是通過物理系統(tǒng)的傳感器實現全域設備數字信息的全覆蓋，實現數字電網實時可觀可測可控；社會系統(tǒng)分為規(guī)劃設計、工程建設、調度運行、運行檢修、市場營銷、人財物管理等方面，并向社會層面延伸至電網企業(yè)、政府、能源價值鏈上下游等相關方的跨界協作，社會系統(tǒng)數字化是通過電網內外業(yè)務活動的數字信息全面采集，實現信息流價值流的雙向流通。數字電網架構下，物理系統(tǒng)和社會系統(tǒng)之間將建立更緊密、更廣泛的聯系，支撐物理系統(tǒng)、業(yè)務系統(tǒng)數字化信息的交叉融合。數字電網一方面以電網設備重資產作為生產要素，通過傳輸能量流實現對經濟社會高質量發(fā)展的支撐；另一方面將電力數據輕資產作為生產要素，通過數據分析挖掘實現用戶個性化服務、支撐政府決策，繁榮電力數字經濟與生態(tài)。信息系統(tǒng)貫穿感知層、網絡層、數據層、平臺層、應用層5個方面，是連接物理系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的重要網絡媒介，以先進數字技術提升信息分析處理效率與質量，賦能物理系統(tǒng)智能化重構，促進電網安全、可靠、綠色、高效運行；賦能業(yè)務系統(tǒng)創(chuàng)新重塑，提升電網企業(yè)生產、經營、管理效率與質量。同時，能量流、價值流的發(fā)展也會帶動信息流的快速流動，支撐信息技術進一步發(fā)展。

圖1 數字電網總體技術架構

2 物理系統(tǒng)

物理系統(tǒng)主要由電力設備構成，設備分為一次設備和二次設備，一次設備是直接用于生產、輸送和分配電能的電氣設備，二次設備是對電網一次設備進行監(jiān)察、測量、控制、保護、調節(jié)以及為運維人員提供運行工況或生產指揮信息所需的低壓輔助性電氣設備。

2.1 一次設備

一次設備涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各個環(huán)節(jié)，覆蓋全部電壓等級。一次設備的具體設備細分見表1所列。

表1 一次設備包含內容

2.2 二次設備

二次設備從功能角度分為繼電保護設備、調節(jié)控制設備、通信設備、監(jiān)測設備。繼電保護設備負責檢測、報警、隔離電網中的故障異常情況。調節(jié)控制設備通過對電氣一次設備狀態(tài)和電氣量的控制和調節(jié)，使一次設備能夠按照需要運行并保持安全穩(wěn)定。通信設備用于滿足電網運行、維修和管理的信息傳輸需求。監(jiān)測設備用于測量各種電、磁、光參量或產生測試信號。細分情況見表2所列。

表2 二次設備包含內容

3 信息系統(tǒng)

電力信息物理社會系統(tǒng)中，信息系統(tǒng)是連接社會空間與物理空間之間的關鍵紐帶。面向物理電網數字化和電網數字孿生構建兩方面目標，數字電網信息系統(tǒng)主要包括技術架構、數據架構、安全架構三個維度。

3.1 技術架構

信息系統(tǒng)技術架構分為感知層、網絡層、數據層、平臺層、應用層，如圖2所示。

圖2 信息系統(tǒng)技術架構

1)感知層

感知層是針對不同的應用場景和感知需求，數字電網統(tǒng)籌感知體系的建設。通過各類智能終端感知設備，實現對環(huán)境參數與關鍵設備數據的實時采集，建立電力生產消費全鏈條的全息感知體系。感知層承擔數據采集、設備識別以及信息傳輸等任務，具有就地分析、就地處理能力，對于淺顯的運行表象實現自我管理，將實施優(yōu)化結果、自我組織形式進行上傳交互，是實現電網全面感知的核心能力，架構圖如圖3所示。

圖3 感知層架構

2)網絡層

網絡層是感知層的上一級，是電網數據安全、可靠、雙向傳輸的通道，包括有線網絡、無線公網、無線專網、衛(wèi)星網等，作為數字電網的關鍵基礎設施。網絡層通過構建泛在高速、天地一體的電力泛在通信網，實現多維信息的有效獲取、協同、傳輸和匯聚，拓寬了現有電力通信網絡帶寬，提升網絡覆蓋深度，打造融合物聯網的一體化信息網絡。網路層架構如圖4所示。

圖4 網絡層架構

3)數據層

數據層數據層位于網絡層的上一級，包含內部和外部數據，內部系統(tǒng)又分為管理信息系統(tǒng)數據和自動化數據系統(tǒng)。數據層通過數據中臺構建物理電網全要素、全流程、全業(yè)務數字化的載體，并可對集成數據和融合數據進行進一步的提煉和挖掘，挖掘出電力系統(tǒng)的特征，逐步構建出數字電網的知識圖譜。數據層架構如圖5所示。

圖5 數據層架構

4)平臺層

平臺層是向前端應用提供公共基礎資源、通用技術能力和業(yè)務共享能力的部分，分為IaaS子層、DaaS子層、PaaS子層。平臺層包含信息空間內與電力裝備物理實體相互映射的數字孿生體的集合，具有具有學習、推理、歸納、挖掘和記憶等類腦功能的電力中樞，形成具有概念識別、知識計算、屬性預測和運動執(zhí)行的智能支撐能力，最終實現對電力裝備進行全數字化管理的終極目標。平臺層架構如圖6所示。

圖6 平臺層架構

5)應用層

應用層是在完成現實世界電力物理系統(tǒng)的映射后，通過將平臺層的服務進行組裝，可向終端用戶提供應用功能。根據業(yè)務領域類型，將應用層分為數字電網、數字企業(yè)、數字服務、產業(yè)數字化四部分。

數字電網應用先進技術打通源網荷儲各環(huán)節(jié)，全面提升物理電網的智能化水平，提升發(fā)輸變配用各環(huán)節(jié)專業(yè)運行、生產運行、現場作業(yè)的數字化、智能化水平。數字運營以企業(yè)資源集約化管理為核心，推進投資計劃、財務管理、人力資源等數字化，數財、物等企業(yè)資源優(yōu)化配置。數字服務與產業(yè)數字化基于業(yè)務中臺整合相關資源，強化營銷管理，創(chuàng)新業(yè)務和商業(yè)模式。

3.2 數據架構

在社會物理信息系統(tǒng)中數據占據主體地位。在數據架構中，數據中心通過全域數據統(tǒng)一匯聚、模型統(tǒng)一設計、海量數據統(tǒng)一存儲、大數據分析計算組件統(tǒng)一支撐，促進數據無縫融合和業(yè)務共享共用。數據系統(tǒng)架構如圖7所示。

圖7 數據系統(tǒng)架構

根據信息系統(tǒng)的邏輯順序，從數據的角度出發(fā)，具體可將數據架構分為：數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、數據計算層、數據分析層、數據服務層等。

采集層對數據進行同步復制并進行數據傳輸服務。傳輸層通過有線或無線的方式，實現各類數據的匯集與傳送。存儲層包含HTAP存儲引擎、湖倉一體異構數據融合存儲、圖數據庫等類別，滿足異構、海量、多類型數據存儲要求。計算層包括圖計算、數據可信計算、混合事務分析處理、流批數據融合計算和HTAP融合計算等內容，支持實時計算、批量計算等不同的業(yè)務場景算力要求。數據分析層通過合理的分析算法進行大數據關聯分析和數據挖掘進而得到結果的過程。數據服務層通過服務編排支撐業(yè)務側業(yè)務數據存取、詳單查詢、實時數據分析計算、批量數據分析計算、全文檢索和數據挖掘等典型應用場景。

3.3 安全架構

數字電網下的電力系統(tǒng)在技術升級的同時也面臨安全風險的增加。新型電力系統(tǒng)不僅有內部數據的互動，還有與外部數據的交流，因此數字電網的開放性、互動性大幅提升，信息安全與物理安全深度關聯并相互依存。

首先，信息安全是數字電網中的基礎性安全問題，為保證數字電網信息通信網絡不受外部干擾與攻擊、保密性強。通過增強電網業(yè)務通道安全加密、業(yè)務流量安全監(jiān)控和控制，實現與接入認證、通道加密、分流管控等環(huán)節(jié)的有效協同，最終可實現信息通信網絡對電網業(yè)務的可信服務與可靠保障。

其次是物理安全方面，一旦信息通信環(huán)節(jié)出現問題，更要確保物理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，避免由于信息通信環(huán)節(jié)遭受攻擊而帶來的全系統(tǒng)運行風險。這需要加強對全域縱深的網絡安全防御體系構建，有效抵御由數字空間中發(fā)起的各類針對電網安全的攻擊行為。數字電網的安全架構如圖8所示。

4 社會系統(tǒng)

數字電網廣泛鏈接人-機-系統(tǒng)，社會層主要涵蓋電力企業(yè)的生產經營活動全過程，包括電網規(guī)劃、工程建設、調度運行、設備檢修、市場營銷、人財物管理等。通過物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的深度融合，在以下六個方面持續(xù)產生外溢性正向外部性效果。數字電網社會系統(tǒng)架構圖如圖9所示。

圖9 數字電網業(yè)務系統(tǒng)架構

數字電網可有效提升電網規(guī)劃的智能化水平，促進電網投資效益提升。電網規(guī)劃包含電源規(guī)劃、負荷預測、電力電量平衡、選址選線、電氣計算、規(guī)劃評估等過程。可通過將電網、氣象、經濟、能源、城市規(guī)劃等數據接入數據中心，運用大數據分析、人工智能算法進行全網負荷分析與預測，進而對供電區(qū)域優(yōu)化；使用以具備邊緣計算能力的無人機可實現選址選線優(yōu)化；實現電氣計算自動化、電網可靠性、經濟型、適應性自動評估以及電網風險分析等。新一代數字技術應用于電網基建綜合實用場景，將大大有效提升電網基建的效率和質量。

5 結語

數字電網以數據流帶動技術流、能源流、資金流、人才流、物資流，實現技術和產品、生產體系、業(yè)務模式、發(fā)展理念等全方位融合，表征為實體經濟與數字經濟的深度融合。數字電網將促進電網的物理系統(tǒng)深化發(fā)展、信息系統(tǒng)強化發(fā)展、業(yè)務系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展、與社會融合發(fā)展。

物理系統(tǒng)深化發(fā)展一方面表現在數字技術覆蓋全網全環(huán)節(jié)，實現發(fā)輸變配用各環(huán)節(jié)應用場景的信息化、智能化和交互性；另一方面以新一代數字技術構建的新型信息系統(tǒng)將于物理電網深度融合，形成以電力系統(tǒng)為基礎的新型數字基礎設施，具備全域物聯感知能力、高速穩(wěn)定的網絡通信能力、安全可靠的大數據存儲能力、智能高效的計算分析能力和實時準確的調控能力。

信息系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展一方面表現在硬件算力的發(fā)展提速，云計算技術推動了算力向服務化發(fā)展，促進算力成為信息時代新的生產力，是支撐數字經濟發(fā)展的堅實基礎；異構算力迎來繁榮期，推動算力向普惠化發(fā)展；物聯網繁榮催生邊緣應用場景激增，推動算力向泛在化發(fā)展；云原生解決了異構計算資源的兼容性問題，推動算力向標準化發(fā)展。另一方面軟件架構的技術亟須創(chuàng)新，算力節(jié)點、存儲和網絡共同構成了經典馮諾依曼式的計算架構，網絡傳輸速率和存儲墻成為了影響算力的最終性能的瓶頸，催生取代經典馮氏架構的技術創(chuàng)新。

社會系統(tǒng)融合發(fā)展體現數字電網作為新型電力系統(tǒng)的最佳載體，將集中釋放數字經濟新動能，深度融合智慧城市、智慧鄉(xiāng)村發(fā)展，促進能源互聯網深度互聯，支撐現代能源生態(tài)系統(tǒng)構建。