第1章概述
1.1技术背景
1.1.1信息物理系统概念
近年来，信息技术的广泛应用极大地拓展了智能电网中信息流和能量流之间的协同，借助信息技术实现电力与能源设备的分布式互联，是构建以新能源为主体的新型电力系统的一个重要发展方向，其关键是信息系统与物理系统的深度融合分析，信息物理系统正是研究信息物理融合的基础理论。
随着信息技术在电网的深度应用，电网已成为典型的信息物理系统之一[13]，现有分析控制方法主要关注信息空间或物理系统的本身，难以揭示其交互影响诱发的叠加风险，未能挖掘融合作用带来的能力提升。因此，需要从信息物理融合的整体视角实现计算过程、网络通信和电力物理特性的有机协同。国家重点研究发展计划项目“电网信息物理系统分析与控制的基础理论与方法”在传统电力系统理论基础上，充分利用信息技术的发展与进步，形成电网信息物理系统分析与控制理论，主要包括两方面：
1） 电网物理系统与信息空间的交互作用机理、融合建模和混成计算理论与方法；
2） 电网跨信息物理空间风险演化机理与协同优化控制理论与方法。
电网信息物理系统分析与控制理论体系的提出与发展，为新一代能源系统的运行控制提供了理论基础，有助于促进电力一次与二次系统深度融合，为构建高可靠运行智能电网提供理论技术支持[2]。电网信息物理系统分析与控制研究以其信息物理融合为基础，考虑到电网信息物理系统信息物理空间高度耦合的特征，研究跨信息物理空间交互机制与基于融合模型的控制策略，成为电网信息物理系统领域的核心技术。电网信息物理系统将信息计算与物理资源紧密融合，其建模、验证、分析与控制方法可作为理论基础为能源互联网、电力物联网的相关研究与应用提供理论支撑，为发展新形态电网奠定技术基础。
1.1.2国内外技术发展动态
信息物理交互融合是电网信息物理系统的关键特征，对其进行融合建模是电网信息物理系统研究的基础问题。
1.1.2.1信息物理交互融合建模
聚焦于电网信息物理系统（GCPS）信息物理高度耦合频繁交互的特征，融合建模多采用混合系统对信息层与物理层进行描述，采用矩阵运算等方式处理系统状态，并重点关注离散状态与连续状态的衔接。
混合系统和线性矩阵不等式理论可成为建立网络物理系统中通信子系统的新框架。针对CPS在实时性、灵活性等方面的问题，引入6层通信协议栈的概念，将信息物理层构建于应用层之上[4]。通过将物理系统和信息系统的状态量抽象成数据节点，引入信息接地、信息支路等概念，有研究采用矩阵运算的方式对信息物理系统的状态进行流计算[5]。该CPS融合建模构想将CPS系统抽象为有向拓扑图，较为全面地描述了信息流能量流的耦合，但难以对信息系统中随机性事件及复杂的响应过程进行定量描述和分析。考虑到信息处理等环节映射函数多样的特性，运算复杂度对计算效率的影响不可忽视。混合系统是GCPS建模及控制依赖的基础理论之一，柔性负荷和源网荷协调控制的混合系统模型是构建融合连续物理变化与离散状态转换的统一框架的初步尝试[6]。针对信息物理的复杂耦合关系与交互机理，多元组形成的矩阵可用于定量描述信息处理层、通信层、二次设备层、物理空间的关联关系与交互逻辑[7]，较为明晰地表达各层模型内部与层次之间的关联特性，但静态的关联矩阵只对静态的控制关系适用，难以表征实际系统中各元件模块在不同场景下动态的控制关系。
对信息物理融合建模的研究目前主要关注信息空间与物理空间的交互作用及由此引发的对计算过程的影响，建模所基于的理论框架侧重关联矩阵与拓扑，建模重点为离散与连续过程融合。总体来看，现阶段信息物理系统融合建模的研究内容较为丰富，但对信息系统中的随机性和复杂响应的定量描述与分析不足，同时研究多集中于系统中静态关系，缺乏对动态过程与演化的建模，以及对动静态融合的描述，难以形成信息物理系统融合、离散连续过程交互、动静态关系并存的统一模型框架。
1. 系统跨空间风险评估建模
基于信息物理交互融合模型，GCPS跨空间风险与可靠性评估建模重点关注跨空间风险传导过程与连锁故障演化的描述。在此基础上，综合考虑信息系统与物理系统的特征，构建跨空间可靠性评估体系。
GCPS中信息安全风险跨空间传播的基本形式在文献[8]中得到阐述，并结合细胞自动机理论建立了GCPS信息物理安全风险传播模型。从信息系统和物理系统两个角度出发是建立配电网CPS可靠性评估指标与评估方法的可行方案[9]。基于马尔科夫过程理论可建立断路器元件三状态可靠性模型和考虑连通性评价的信息系统可靠性模型[10]，结合蒙特卡洛模拟提出孤岛微网信息物理融合可靠性评估算法。但该模型较为侧重信息层可靠性的概率性分析，未涉及系统融合动态，对信息物理交互及跨空间可靠性综合评估关注度不足，故可靠性评估结果较为乐观。通过分别考虑电网信息物理系统中信息系统监视控制功能故障与应用层软件失效对系统的影响，可建立可靠性评估模型[11，12]。在部分研究中，多阶段分析的改进渗流理论被用于建立结合物理层电网潮流分析与信息层延时的电网信息物理系统连锁故障模型[13]。
在风险传播评估建模方面，现有的研究多集中于对组件、功能或部分应用层等子系统的分析，缺乏对全局系统风险描述评估的统一框架。而系统层面的风险与可靠性研究，或将信息风险引入至物理系统，或考虑物理故障对信息空间的影响，但是，对跨空间风险传播与交替演变、连锁故障生成演化的模型描述尚未能实现技术突破。
2. 信息物理融合分析与仿真建模
将光伏、风电、电池储能元件的动态模型与基于公共信息模型（common information model， CIM）的扩展信息模型进行有机融合，并以混杂自动机模型为基础，构建了光伏、风电的信息物理（CP）模型，初步实现接入配电网，并以*大功率点跟踪模式控制。但此动态仅涉及物理空间动态，对于信息空间的动态描述程度不足。文献[14]基于复杂网络理论分析了多层通信网络中信息流的传输模式，并提出一种多层图演化框架来评估通信架构的鲁棒性；文献[7]提出基于关联特性矩阵的CPS耦合建模方法，对通信节点、通信支路、二次设备分别建立多元组模型描述概率故障特性和输入输出特性，分析通信因素对GCPS暂态稳定裕度的影响；文献[15]提出从通信网络静态拓扑和运行过程两方面对分布式微电网CPS的信息建模方法，并结合熵理论提出了可靠性评估指标；文献[16]与文献[5]针对分层控制系统提出一种信息物理混成计算的耦合建模方法，将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象成“数据节点”，将信息处理和信息传输环节抽象为“信息支路”，利用节支关联矩阵描述静态通信拓扑，并定义各支路的计算模型；文献[17]针对完全分布式能量优化场景，提出了具有分散式决策能力的信息物理模块（cyber physical module， CPM）概念，通过各CPM间的迭代交互实现分布式能量优化管理。每个CPM仅与邻居进行交互，无需全局信息，使得能量、信息、价值流在迭代过程中自动趋于*优，这与文献[18]中介绍的具有分布式和并行特性的图计算方法相契合。
文献[19]在标准Petri网的基础上提出了混合Petri网的概念，并设计了混合Petri网仿真算法，*后结合MATLAB GUI设计了混合Petri网仿真工具用于CPS仿真；开源嵌入式系统研究与开发平台Ptolemy Ⅱ因支持多类异构模型的集成化建模而被许多学者广泛采用，其开发者在文献[20]中给出了一个飞行器管理系统的实际建模示例，展现了连续时间模型、离散事件模型、模态模型的集成化建模；文献[21]采用RTDS、同步相量量测单元、DeterLab、NS3搭建了实时的端对端硬件在环测试平台，同时部署了广域控制算法和闭环控制，*后通过上述联合仿真平台定量分析多类信息攻击、通信故障对GCPS的影响；文献[22]基于OPALRT和OPNET建立了电力信息物理系统仿真平台。针对电力系统实时控制的需求，建立了节点映射模型以匹配和平衡两个系统间数据共享和信息交互，避免交互链路拥塞，确保实时性。但目前应用场景较为单一，扩展性较弱。
1.1.2.2电网信息物理系统的分析与控制
1. 电网信息物理系统交互分析
电网信息物理系统分析集中于信息空间与物理系统的交互拓扑、离散信息状态（信息流）与连续物理过程（能量流）的相互作用以及动态分析等领域。通过揭示GCPS的内在运行机制，提升GCPS的量测感知和分析预测能力。电网信息物理系统的分析方法可以识别连续过程中系统的动态变化并预测其发展趋势。结合信息物理系统间的交互影响，可为多变量、强不确定性的电网运行状态提供有效的评估预测结果，实现电网自主感知、协同交互等功能。
对于电网信息物理交互机制的分析，多集中于交互拓扑及空间联动对电力系统脆弱性造成的影响。有文献关注GCPS信息系统与物理系统交互拓扑的框架构建[23]，如典型业务场景中交互拓扑的动态变化及其对CPS脆弱性的影响。以图论和复杂网络为理论基础，信息空间与物理系统的拓扑关联可被完整描述[24，25]。GCPS的脆弱性可从相互依存网络视角进行评估[26]。考虑信息物理网络拓扑相似的特征，提出基于网络物理敏感性的评估方法，以提高智能电网在网络物理耦合故障下的鲁棒性[27]。
结合跨空间风险与可靠性评估模型，对信息物理空间的风险传播相关研究主要关注物理系统与信息系统间关联的方向性与依赖关系。应用渗流理论，一种非均匀电力CPS网络表征模型被用于对GCPS跨空间风险传播阈值进行分析[28]。
此外，对信息物理系统运行状态评估与故障演化规律也已有相关研究。考虑信息物理系统多源数据耦合的特征，大数据分析方法可用于进行配电变压器的运行状态评估[29]。通过将智能变电站抽象成信息物理交互的典型场景，建立多变电站联动的CPS模型，并研究级联故障在该模型内的演化规律[30]。引入空间联动接口的概念被广泛认为是进一步建立CPS的异构复杂网络模型的重要尝试[3133]。基于补偿的网络意外事件提出的评估方法，可提高实际运行中的网络物理影响的评估效率[34]。
关于信息流与能量流的协同机制研究，主要从GCPS系统运行层面进行考虑： 提出信息流与能量流的混成计算技术是CPS安全评估领域应用的重要尝试[5]。统一的能源管理框架的提出与应用，是实现具有分布式可再生能源CPS可持续边缘计算的有效方案[35]。信息流的潮流模型及计算方法、考虑信息物理融合的主动配电网潮流计算方法等多种计算方法的提出，为信息流能量流混成计算提供了部分理论基础[3638]。通过构建CPS中各类事件之间驱动关系，信息流与能量流的交互作用得以明确阐述[31，39，40]。信息空间与电网物理系统的复杂耦合关系对能源互联条件下GCPS与其他能源系统的交互亦有重要影响[41]。
在CPS系统运行的实际业务场景中，重点关注的研究方向为电网信息物理系统交互过程。有研究讨论由信息攻击或故障引发电力系统级联故障的可能性，评估其危害并进行仿真验证[31，4247]。基于多变量高斯的异常检测方法可用于分析CPS中部分典型类型的网络攻击原理和攻击模式[48，49]。也有研究对信息空间与物理系统耦合后CPS动态同步控制过程进行了讨论[50]。通过对系统构建动态模型，部分研究尝试对信息模型进行动态扩展[51]，但仅涉及物理空间动态，对于信息空间的动态描述程度不足。文献[52]介绍了主动配电网信息物理系统混合仿真平台运行原理与构建方式。
关于电网信息物理系统交互分析的研究集中于信息物理交互拓扑、离散连续相互作用和系统动态分析三个方向。研究内容较为丰富，但仍存在一定的局限性： 一方面，没有深入剖析GCPS运行的信息物理交互特性，仅从其他工业领域CPS的交互分析手段出发，难以准确刻画信息离散状态与电力连续过程的动态交互过程；另一方面，将信息物理交互过程的
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