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(wǎng)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(guān)于智能電網(wǎng)的特約文章。該文對目前國際上智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢做了全面總結(jié)，提出了智能電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)展的新思路。特別對目前國際上前沿領(lǐng)域，比如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、復雜網(wǎng)絡及工程、云計算等，以及對未來智能電網(wǎng)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(guān)注，在CiOL.com上有專門采訪。
1、研究背景
智能電網(wǎng)是支撐未來經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)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(xiàn)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(wǎng)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(xié)調(diào)，使能源的生產(chǎn)、傳輸、使用更經(jīng)濟、安全、可靠、環(huán)保。
本文總結(jié)了目前國際上智能電網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，智能電網(wǎng)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(wǎng)研究提供的新思路；對諸如復雜網(wǎng)絡及工程、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等當前的前沿領(lǐng)域，以及未來智能電網(wǎng)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(wǎng)絡化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式有效互動，達到預計效果。其核心理論及技術(shù)基礎(chǔ)為系統(tǒng)科學與工程和計算機系統(tǒng)與工程。其核心技術(shù)包括環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡控制等系統(tǒng)工程技術(shù)，注重計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)。
圖1從信息物理系統(tǒng)的視角看智能電網(wǎng)
3、智能電網(wǎng)
智能電網(wǎng)的定義來自于將通信、計算、控制、建模及優(yōu)化技術(shù)和大規(guī)模電力網(wǎng)絡系統(tǒng)深度融合，使電能的生產(chǎn)、傳輸、配電、使用的整體過程更加經(jīng)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(chǎn)的精確預測、節(jié)能減排、能源供需平衡、電能存儲技術(shù)。
圖2智能電網(wǎng)的基本應用
4、智能電網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)特征
智能電網(wǎng)具有一系列典型的信息物理系統(tǒng)特征，比如實際（電網(wǎng)）及虛擬（信息）系統(tǒng)緊密結(jié)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(shù)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(wǎng)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(xié)調(diào)控制提出極高的要求。目前信息物理系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)還不完全滿足智能電網(wǎng)的要求。智能電網(wǎng)和信息物理系統(tǒng)需要在以下幾個方面緊密結(jié)合，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、通信技術(shù)、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(wǎng)的信息物理系統(tǒng)特征及關(guān)鍵問題
5、未來挑戰(zhàn)及機遇
智能電網(wǎng)未來發(fā)展必須和環(huán)境、社會、經(jīng)濟等系統(tǒng)有機結(jié)合。這就需要從更宏觀的角度來看智能電網(wǎng)，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(zhuǎn)換、傳輸，到用戶用能方式，分析成本及短中長期經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益。
圖4智能電網(wǎng)未來面臨的挑戰(zhàn)
大數(shù)據(jù)對未來智能電網(wǎng)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(wǎng)大數(shù)據(jù)來自電網(wǎng)中許多源點，比如運行數(shù)據(jù)及智能電表。這些數(shù)據(jù)，如果能夠快速處理，得到準確信息，將使得電力的生產(chǎn)、傳輸及應用更加經(jīng)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(wǎng)絡作為一個整體性共享資源提供高效率服務。物聯(lián)網(wǎng)從另一角度提供了動態(tài)全局性網(wǎng)絡平臺，使智能電網(wǎng)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(wǎng)絡科學為智能電網(wǎng)的高速高效經(jīng)濟運行，特別是在大數(shù)據(jù)、云計算及物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及物理結(jié)構(gòu)的特性，使高效計算為智能電網(wǎng)實時控制提供了理論基礎(chǔ)。
