5、电力CPS的研究重点分析
电力CPS是一个崭新的研究领域,在理论和技术方面都有大量问题有待解决。电力CPS研究中存在的挑战包括以下几个方面。
5.1电力CPS的建模理论
1)电力系统与电力信息系统的统一建模方法
与电力系统类似,从整体上讲电力信息系统模型也可以分为稳态模型和动态模型2类,并分别用代数方程组和微分方程组描述。信息系统建模与电力系统建模的不同之处在于信息系统通常存在若干种离散工作状态,因此需要引入有穷自动机等数学工具处理离散工作状态之间的相互转换。联合采用微分代数方程组、有穷自动机和随机过程理论,就可以构成电力信息系统模型。由于信息系统模型和电力系统模型均以微分代数方程组为基础,因此可以方便地将两者联立,形成电力CPS的统一模型。
2)电力信息系统的稳态模型
与电力一次系统类似,电力信息系统也是一个网络化系统,因此其稳态模型可表示为网络流量模型。在电力信息系统中,传感设备和部分计算设备是信息流的起点,其作用是产生信息流并将其注入通信网络中。而另一部分计算设备的作用则是接收信息流并进行相应的分析处理,因而是信息流的终点。通信网络是传输信息的媒介,其中路由器等信息交换设备的主要作用是决定每一个到达交换设备的数据包(packet)下一步应该被交换到哪一个节点。换句话说,路由器的作用就是决定信息在网络中的流向。基于上述考虑,即可构建电力信息系统的稳态模型。
3)电力信息系统的动态模型
上面介绍的稳态模型主要用于解决信息流在通信网络中的路径分配问题。当通信网络中发生阻塞(congestion)时,信息系统会从稳态进入到一个动态过程,并在通信网络控制系统的作用下,过渡到新的稳态。然而,不当的控制措施可能导致通信网络的阻塞崩溃(congestivecollapse)。因此为信息系统建立准确的动态模型对于评估其性能是非常必要的。
一般而言,可以将电力信息系统分为计算、通信、传感3个部分,分别用于完成信息的处理、传输与采集等功能。这3个部分共同决定电力信息系统的整体性能。
对于计算单元,可以基于排队论和随机过程进行建模。对于传感单元的建模,需要考虑的重点问题在于传感单元数据产生速率所服从的随机过程。对于通信网络的动态建模,则是信息系统动态模型的核心。根据国际标准组织(ISO)所制定的通信网络的开放系统互联(opensysteminterconnection,OSI)模型,通信网络按照功能可以划分为7层。由于在电力系统分析和控制中所感兴趣的问题是通信网络造成的数据延迟和丢失现象,因此主要针对OSI模型中的网络层(networklayer)和传输层(transportlayer)建立其动态模型。
此外,由于信息系统通常是处在若干种离散工作状态下,为了处理信息系统在各种离散工作状态间的转换,可以引入有穷自动机作为数学工具,与微分方程组共同构成通信网络的数学模型。如图2所示,利用有穷自动机可以模拟系统的离散状态转换,而对应有穷自动机的每一个离散状态,系统的动态行为由相应的微分方程组进行模拟。这样的建模方法被称为通信网络的混合系统建模(hybridsystemmodelling)。
