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摘要：信息物理系統（CPS）為實現企業電力管理新要求提供了理念、方法論與工程技術實現路徑。分析企業電力管理與信息物理系統融合的原則、架構以及應注意的問題。

關鍵詞：企業電力管理；信息物理系統（CPS）；融合發展

1引言

電力改革的指導思想是建立“管住中間、放開兩頭”的體制架構，重點是“四放開、一獨立、一加強”（輸配以外的經營性電價放開、售電業務放開、增量配電業務放開，公益性和調節性以外的發供電計劃放開，交易平臺獨立，加強規劃）。電力改革對用電企業提出的挑戰是企業參與電力直接交易的能力和電力管理精益程度等方面的要求大幅度提高[1,2]。企業現有信息系統，如企業資源計劃系統ERP、管理信息系統MIS、計算機集成制造系統CIMS、計算機集成過程系統CIPS、數據采集與監視控制系統SCADA等。信息物理系統（Cyber-PhysicalSystems，CPS）包括無處不在的狀態與環境感知、嵌入式計算、通信、網絡與物理實體控制，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能，強調計算資源與物理資源的緊密融合，CPS的這些理念、方法論與工程技術特征呼應了企業電力管理新要求，研究企業電力管理與CPS融合有重要的技術意義和應用價值。

2電改、電網演進與企業電力管理的新需求

電改政策導向將推動形成以電力直接交易為主要交易形態的現代電力市場。電力市場可預見的發展方向是強化電力現貨市場、擴大電力中長期交易、探索電力期貨市場。電網是為人類提供規模利用作為二次能源一種的電力的網絡化基礎設施，大幅度提升了人類生產與經營活動的規模、速度和效率。電網演進從社會與科技的底層邏輯推動了產業與社會形態的變革以及企業生產經營管理形態的變革。電網作為電力系統的核心不斷在發展，科技和產業不同的力量在推動電網同時或分別向著高穩定性、高可靠、高參數、遠距離、分布式、多源接入、廣義兼容性、自愈和自適應、高效率、智能化、用戶友好互動等方向演進[3]。電網的參數主要包括高電壓化發展，電壓等級分類并沒有統一的標準，中國一般分為安全電壓（通常36V以下）；低壓（220～380V）；高壓（10～220kV）；超高壓330～750kV；特高壓交流1000kV，直流±800kV以上等。電網的未來，有兩種完全對立的觀點：一種認為電網會朝著“同步電網數量越來越少、電網規模越來越大”的方向發展，最終形成以特高壓（主要是交流特高壓）為骨干網架、全球互聯并統一調度的超級大電網；另一種則認為可再生能源分散化的生產和消費模式，再加上儲能技術的突破和廣泛應用，將導致電網的消亡。兩種觀點盡管南轅北轍，但卻都認為是建設能源互聯網的結果。可再生能源替代化石能源的革命，必將引起傳統電網的深刻變革。可信的預期是未來電網兩種較極端的情況都不會發生，電網不可能全球聯網，也不會在變革中消亡。國家發展改革委等三部委文件認為能源互聯網是“互聯網+智慧能源”的簡稱，是互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新業態，具有設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放等主要特征，是推動能源革命的重要戰略支撐。能源互聯網以智能電網（SmartGrid）為基礎，是智能電網的拓展和延伸形式。能源互聯網中不可能沒有智能電網，而智能電網卻可以不依賴于能源互聯網而獨立存在。智能電網是指通過數字化信息網絡系統將能源資源開發、輸送、存儲、轉換(發電)、輸電、配電、供電、售電、服務以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設備和其他用能設施連接在一起，通過智能化控制實現精確供能、對應供能、互助供能和互補供能，將電網的效率、安全、成本和效益提到高水平。

3CPS的理念、方法和要素

2006年，美國國家科學基金會NSF首次提出CPS概念。CPS是技術，更是理念和方法論，以CPS為核心思維將改變人與物、物與物，乃至物理世界與數字世界的互動方式。CPS概念的內涵和外延一直都在持續變化，至今尚未形成統一的定義。雖然全球主要經濟體均以工業領域作為CPS研發和應用的首選領域，但CPS應用范圍絕不僅僅局限于工業領域。CPS的總體定位是支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系。CPS分為四代，第1代能夠自調節與自校正，第2代能夠自感知與自適應，第3代能夠自認知與自進化，第4代能夠自我意識和自我復制；目前我們正在從第1代向第2、3代的演進過程中，工業4.0的核心是第2代CPS。CPS形成了兩個交織的計算周期：基本周期（傳感-監控-決策-推理-計劃-執行-效用的閉環）、增強周期（推理-學習-適應-進化的閉環）。2013年，德國《工業4.0實施建議》將CPS作為工業4.0的核心技術，在隨后則重點推進以制造為導向的CPS，即CPPS（CyberPhysicalProductionSystem）。CPS四大要素是包括狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，即“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（軟件）、“一網”（網絡）、“一平臺”（云和智能服務平臺）。CPS包括單元級、系統級、系統之系統級等三個層次體系。

4與CPS融合的原則、架構和問題

企業電力管理與CPS融合的原則是圍繞建設數據驅動決策的智慧企業目標，聚焦企業戰略，提升企業管控能力和核心競爭力，降低企業用電成本，提高電力與能源利用效率，建設可持續的綠色節能型企業；電力管理體系應至少包括電力管理的組織設置，電力管理范圍、目標與責任制，能源平衡、計量與統計報告，能源利用效率提高方法路徑，節能績效評價與激勵制度等；明確電力管理的范圍和邊界，包括確定的物理界限、場所界限或次級組織界限，邊界可以是一個或一組過程，一個場所、一個完整的組織或一個組織所控制的多個場所；劃分并設立電力管理網格單元，明確用電單位、次級用電單位和用電設備；編制各層級用電單位能量平衡方程和框圖、能源計量器具量值傳遞或溯源圖、各層級用電單位的能源計量網絡圖；計算綜合能耗、單位產值綜合能耗、產品單位產量綜合能耗、產品單位產量可比綜合能耗等能耗指標；積極應用總能系統概念，實現能源梯級利用，當電力需求側管理、合同能源管理等模式與企業實際權衡能夠產生比較優勢時，適時選擇低成本高增值管理模式。企業電力管理與CPS融合的架構是基于建設數據驅動決策的智慧企業的定位，滿足電改、電網演進、電力市場的新形態對企業電力管理提出的新需求，在以CPS理念構筑的企業智慧決策的融合企業人與物的網絡系統與基礎設施框架下，建成的全面升級迭代的企業電力CPS架構，包括狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行等四大要素。企業電力CPS架構建立在如下重要的技術基礎之上，包括穩健靈活的電力網絡拓撲設計、實時開放集成的通信系統、高級計量體系和需求側管理、泛在感知技術、企業數據架構、知識管理系統、智能分析與決策系統、智能調度與廣域防護技術、先進電力電子與執行控制技術等。企業電力CPS架構的實現應注意的問題主要有要做好頂層設計，遵循智慧企業系統目標按照逆工程思想推導設計出電力CPS的具體拓撲、系統形態和功能需求。應建立統一的技術體系、標準架構，形成不同模塊之間的共享、通信和協同，提高企業數據互聯互通共享共用程度。高度重視電力CPS與企業生產經營計劃與調度系統、數據分析與決策系統的算法、模型與戰略協同。要把貫徹企業戰略邏輯的技術與物理系統的執行邏輯推導清楚，不能將戰略和決策信息在信息系統層面空轉，未傳導到技術與物理系統，從而導致電力CPS系統設計目標難以實現。

5結語

本文分析了電改背景下企業電力管理與CPS融合的原則、架構和應注意的問題。但電力CPS架構所依賴的各類技術、標注和各類應用場景的共性或專用系統等方面分析得還不深入，還需要進一步研究分析。

參考文獻

[1]關于印發電力體制改革配套文件的通知[M].國家發展改革委,國家能源局，2015.

[2]陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,沈杰.智能電網技術綜述[J].電網技術,2009,33(08):1-7.

[3]杰里米•里夫金，張體偉.第三次工業革命[M].北京:中信出版社,2012.

作者：張孝生 單位：青島華通國有資本運營集團有限責任公司