今天帶給大家澳大利亞皇家墨爾本理工大學副校長，杰出教授余星火博士和國網電力科學研究院名譽院長薛禹勝院士最近在ProceedingsoftheIEEE發(fā)表的關于智能電網的特約文章。該文對目前國際上智能電網的發(fā)展趨勢做了全面總結，提出了智能電網對信息物理系統(tǒng)的未來發(fā)展的新挑戰(zhàn)，及信息物理系統(tǒng)對推動智能電網發(fā)展的新思路。特別對目前國際上前沿領域，比如大數據、物聯網、復雜網絡及工程、云計算等，以及對未來智能電網的發(fā)展提出了一些建議。其中一些觀點得到了國際媒體的關注，在CiOL.com上有專門采訪。
1、研究背景
智能電網是支撐未來經濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎設施。鑒于能源資源及環(huán)境資源的苛刻約束，更高效地使用現有能源，節(jié)能減排，保護環(huán)境，成為人類面臨的重要挑戰(zhàn)。對此，各國都在努力尋求大規(guī)模利用可再生能源，減少依賴化石類能源的有效策略。例如，中國的目標是在2050年前使可再生能源的比例達到86%。智能電網是以電力系統(tǒng)為對象的信息物理系統(tǒng)，有效支撐能源供應鏈的上下游環(huán)節(jié)，并與之協調，使能源的生產、傳輸、使用更經濟、安全、可靠、環(huán)保。
本文總結了目前國際上智能電網的現狀與發(fā)展趨勢，智能電網對信息物理系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)，以及信息物理系統(tǒng)對智能電網研究提供的新思路；對諸如復雜網絡及工程、物聯網、云計算等當前的前沿領域，以及未來智能電網的發(fā)展提出了一些建議。
2、信息物理系統(tǒng)
信息物理系統(tǒng)是集成計算、通信與控制于一體的新一代智能系統(tǒng)，能夠使信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)通過網絡化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協作的方式有效互動，達到預計效果。其核心理論及技術基礎為系統(tǒng)科學與工程和計算機系統(tǒng)與工程。其核心技術包括環(huán)境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統(tǒng)工程技術，注重計算資源與物理資源的緊密結合與協調。
圖1從信息物理系統(tǒng)的視角看智能電網
3、智能電網
智能電網的定義來自于將通信、計算、控制、建模及優(yōu)化技術和大規(guī)模電力網絡系統(tǒng)深度融合，使電能的生產、傳輸、配電、使用的整體過程更加經濟、安全、可靠、環(huán)保。其發(fā)展有賴于以下多方面的進展：局部自主控制機制、能源需求的精確預測、可再生能源生產的精確預測、節(jié)能減排、能源供需平衡、電能存儲技術。
圖2智能電網的基本應用
4、智能電網的信息物理系統(tǒng)特征
智能電網具有一系列典型的信息物理系統(tǒng)特征，比如實際（電網）及虛擬（信息）系統(tǒng)緊密結合，他們之間動態(tài)互動，具有自適應、自組織、自學習等功能。應用信息物理系統(tǒng)技術能夠加強設備高效率高可靠性使用，減少為加強可靠性而用的冗余設備，減少運行成本。但是，智能電網也有其特殊性，需要在運行過程中隨時保持動態(tài)平衡，從而對可靠的實時信息傳遞及分布協調控制提出極高的要求。目前信息物理系統(tǒng)的一些關鍵技術還不完全滿足智能電網的要求。智能電網和信息物理系統(tǒng)需要在以下幾個方面緊密結合，包括系統(tǒng)結構設計、通信技術、建模及模擬、信息安全、分布計算、分布控制、分布優(yōu)化及分布智能化。
圖3智能電網的信息物理系統(tǒng)特征及關鍵問題
5、未來挑戰(zhàn)及機遇
智能電網未來發(fā)展必須和環(huán)境、社會、經濟等系統(tǒng)有機結合。這就需要從更宏觀的角度來看智能電網，包括從整個生態(tài)系統(tǒng)角度來看待一次能源的采集，能量的轉換、傳輸，到用戶用能方式，分析成本及短中長期經濟、社會、環(huán)境效益。
圖4智能電網未來面臨的挑戰(zhàn)
大數據對未來智能電網的發(fā)展有重要的推動作用，具有大量性、多樣性、高速性、高價值等特點。智能電網大數據來自電網中許多源點，比如運行數據及智能電表。這些數據，如果能夠快速處理，得到準確信息，將使得電力的生產、傳輸及應用更加經濟可靠。
云計算是另一個未來發(fā)展趨勢。云計算將計算、存儲和通信網絡作為一個整體性共享資源提供高效率服務。物聯網從另一角度提供了動態(tài)全局性網絡平臺，使智能電網的不同參與者能有效合作運行。他們共同面臨的挑戰(zhàn)包括保密安全及保護用戶隱私。
網絡科學為智能電網的高速高效經濟運行，特別是在大數據、云計算及物聯網環(huán)境下，提供了新的思路。它跳過了傳統(tǒng)的狀態(tài)空間思維，通過研究網絡拓撲結構及物理結構的特性，使高效計算為智能電網實時控制提供了理論基礎。
