从信息物理系统的视角看智能电网

　　今天带给大家澳大利亚皇家墨尔本理工大学副校长，杰出教授余星火博士和国网电力科学研究院名誉院长薛禹胜院士最近在ProceedingsoftheIEEE发表的关于智能电网的特约文章“SmartGrids:ACyber-PhysicalSystemsPerspective”(Volume104,Issue5,PP:1058-1070,May2016).

　　该文对目前国际上智能电网的发展趋势做了全面总结，提出了智能电网对信息物理系统的未来发展的新挑战，及信息物理系统对推动智能电网发展的新思路。特别对目前国际上前沿领域，比如大数据、物联网、复杂网络及工程、云计算等，以及对未来智能电网的发展提出了一些建议。其中一些观点得到了国际媒体的关注，在CiOL.com上有专门采访。

　　1研究背景

　　智能电网是支撑未来经济可持续发展的重要基础设施。鉴于能源资源及环境资源的苛刻约束，更高效地使用现有能源，节能减排，保护环境，成为人类面临的重要挑战。对此，各国都在努力寻求大规模利用可再生能源，减少依赖化石类能源的有效策略。例如，中国的目标是在2050年前使可再生能源的比例达到86%。智能电网是以电力系统为对象的信息物理系统，有效支撑能源供应链的上下游环节，并与之协调，使能源的生产、传输、使用更经济、安全、可靠、环保。

　　本文总结了目前国际上智能电网的现状与发展趋势，智能电网对信息物理系统发展的挑战，以及信息物理系统对智能电网研究提供的新思路;对诸如复杂网络及工程、物联网、云计算等当前的前沿领域，以及未来智能电网的发展提出了一些建议。

　　2信息物理系统

　　信息物理系统是集成计算、通信与控制于一体的新一代智能系统，能够使信息系统和物理系统通过网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式有效互动，达到预计效果。其核心理论及技术基础为系统科学与工程和计算机系统与工程。其核心技术包括环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程技术，注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调。

　　图1从信息物理系统的视角看智能电网

　　3智能电网

　　智能电网的定义来自于将通信、计算、控制、建模及优化技术和大规模电力网络系统深度融合，使电能的生产、传输、配电、使用的整体过程更加经济、安全、可靠、环保。其发展有赖于以下多方面的进展：局部自主控制机制、能源需求的精确预测、可再生能源生产的精确预测、节能减排、能源供需平衡、电能存储技术。

　　图2智能电网的基本应用

　　4智能电网的信息物理系统特征

　　智能电网具有一系列典型的信息物理系统特征，比如实际(电网)及虚拟(信息)系统紧密结合，他们之间动态互动，具有自适应、自组织、自学习等功能。应用信息物理系统技术能够加强设备高效率高可靠性使用，减少为加强可靠性而用的冗余设备，减少运行成本。但是，智能电网也有其特殊性，需要在运行过程中随时保持动态平衡，从而对可靠的实时信息传递及分布协调控制提出极高的要求。目前信息物理系统的一些关键技术还不完全满足智能电网的要求。智能电网和信息物理系统需要在以下几个方面紧密结合，包括系统结构设计、通信技术、建模及模拟、信息安全、分布计算、分布控制、分布优化及分布智能化。

　　图3智能电网的信息物理系统特征及关键问题

　　5未来挑战及机遇

　　智能电网未来发展必须和环境、社会、经济等系统有机结合。这就需要从更宏观的角度来看智能电网，包括从整个生态系统角度来看待一次能源的采集，能量的转换、传输，到用户用能方式，分析成本及短中长期经济、社会、环境效益。

　　图4智能电网未来面临的挑战

　　大数据对未来智能电网的发展有重要的推动作用，具有大量性、多样性、高速性、高价值等特点。智能电网大数据来自电网中许多源点，比如运行数据及智能电表。这些数据，如果能够快速处理，得到准确信息，将使得电力的生产、传输及应用更加经济可靠。

　　云计算是另一个未来发展趋势。云计算将计算、存储和通信网络作为一个整体性共享资源提供高效率服务。物联网从另一角度提供了动态全局性网络平台，使智能电网的不同参与者能有效合作运行。他们共同面临的挑战包括保密安全及保护用户隐私。

　　网络科学为智能电网的高速高效经济运行，特别是在大数据、云计算及物联网环境下，提供了新的思路。它跳过了传统的状态空间思维，通过研究网络拓扑结构及物理结构的特性，使高效计算为智能电网实时控制提供了理论基础。

　　作者介绍

　　余星火，东南大学长江学者讲座教授。现任澳大利亚皇家墨尔本理工大学副校长，杰出教授。任IEEEIndustrialElectronicsSociety主席，IEEE工业电子学会候任主席，IEEEFellow，IETFellow。在变结构非线性控制理论，智能与复杂系统及其应用，及智能决策支持系统与应用等科学和工程应用领域取得卓越成就，在顶级期刊发表论文500余篇，2015年获ThomsonReuters全球工程科学领域的高引学者，获IEEE工业电子学会2013Dr.-Ing.EugeneMittelmann成就奖、2012年IEEE工业电子学杂志最佳论文奖及1995年澳大利亚中昆士兰大学校长卓越研究奖等。

　　薛禹胜，中国工程院院士，稳定性理论及电力系统自动化专家。现任国网电力科学研究院名誉院长，浙江大学、山东大学、东南大学、南京理工大学、哈工大等高校的兼职博导。主要研究方向：非自治非线性动力系统稳定性;电力系统动态分析与控制;实验经济学在电力与能源市场中的应用。学术期刊《电力系统自动化》和《JournalofModernPowerSystemsandCleanEnergy》主编。