摘 要：能源互联网是解决当前能源系统问题、推动能源系统变革的智慧综合能源系统，对提高可再生能源比重，促进化石能源清洁高效利用，提升能源综合效率具有重要意义。电力信息物理系统融合是建设能源互联网的核心基础和关键所在，融合水平是决定能源互联网发展阶段的重要因素。通过研究电力与信息技术融合的价值、架构以及与能源互联网的关系，以历史长周期（1900—2018 年）为跨度，量化分析揭示电力信息物理融合发展规律，预测未来趋势，提出能源互联网建设重点战略方向，为中国能源互联网的建设与发展提供理论依据和决策参考。
（作者：刘林，张运洲，王雪，姜怡喆，左新强，代红才 国网能源研究院有限公司）
0 引言
中国电力 CPS（cyber physical system）发展始终与信息控制技术的创新同步，逐步从单机、单项目向整体性、综合性发展，从局部应用向全局应用发展，从单机运行向网络化运行发展，由操作层向管理层延伸，可观可测可控的范围越来越广，支撑了电力系统这一世界上最庞大、最复杂人造系统的安全、稳定、高效运行。未来随着大云物移、区块链、虚拟化、数字孪生等信息控制技术的实现和应用，电力 CPS 将不断向着智能化、最优化、协调化和适应化的方向发展。
能源互联网是以电为核心，以电网为基础平台，实现清洁能源大规模开发利用、能源网络坚强广泛互联、主动用户灵活参与、多种能源协同运行的能源巨系统。一方面，能源互联网的主要目标即是实现跨环节的源-网-荷-储协调互动、跨系统的多能协调互补、跨区域的资源优化配置，要实现跨环节、跨系统、跨区域的协调优化，亟须信息的大范围即时性传输、处理和反馈，就要求能源互联网的建设要以信息物理一体化融合为基础，实现能源互联网在环节、系统、空间 3 个不同维度上的融通融合，促进能源系统实现更加经济、清洁、安全运行；另一方面，能源互联网将推动互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征，这些特征也要求大力推进能源系统与信息系统的深度融合。未来的能源互联网将以电为核心构建和运行，信息和能源系统融合的核心是加快发展电力领域信息物理系统，即实现电力系统和信息系统深度融合 [1-4] 。本文在充分考虑电力系统覆盖范围广、瞬时平衡、安全可靠性要求高等特性的前提下，尝试揭示电力与信息技术融合发展历史规律，分析其在能源互联网发展目标下的发展趋势和存在的瓶颈，继而提出电力 CPS 发展方向、重点领域和相关建议，为中国能源互联网的发展提供支撑与参考。
1 电力 CPS 的特点及与能源互联网的关系分析
信息物理系统是一个将感知传输、计算处理、决策控制等信息与控制技术深度融合到物理实体系统中，通过计算过程对物理过程进行感知和控制，实现信息空间与物理世界无缝结合的工程系统 [5-6] 。CPS 因控制技术而起、信息技术而兴，随着制造业与互联网融合而迅速发展，并逐渐应用于能源、电力、交通、物流等重要行业，成为支撑引领能源电力变革的核心技术体系 [7-10] 。
1.1 电力 CPS 的特点分析
与 其 他 行 业 的 物 理 信 息 融 合 相 比 ， 电 力CPS 具有其特有的四方面典型特征：（1）实时性要求高。电力系统具有实时功率平衡的特征，要求信息系统数据传输、处理的效率与系统暂态稳态运行相匹配，满足电力系统调度需求，电力CPS 才能真正发挥对系统运行的支撑作用。（2）
系统安全可靠性要求高。与其他行业相比，电力系统的可靠性要求更高，其安全运行是保障人民生产和生活正常运行的重要基础，电力供应中断将严重威胁生产及人身安全，导致重大经济损失，因此信息技术与电力系统融合要以提升电力系统运行可靠性为根本前提。（3）覆盖范围广。电力系统包含的设备众多、网络覆盖范围广，电力与信息系统融合过程中，电力系统的发电、输变电、配电、用电及调度等各环节的运行都需要与信息技术深度融合。（4）多场景叠加系统复杂度高。电力系统是一个极为复杂的网络系统，需要各类信息技术手段来支撑各种生产场景正常运行，如骨干网的光纤通信、用户端的载波通信和 4G 无线通信等，而各类信息通信设备在与电力系统融合过程中形成更为复杂的系统。
从应用场景和安全要求等级来分，电力 CPS大致可分为 3 个层级：一级是调度运行，这是保证电力系统安全稳定运行的关键，是电力 CPS 中可靠性要求最高的层级，从数据的采集、传输、处理及设备控制全环节都要求信息系统能满足高可靠性、高瞬时性、高准确性要求；二级是生产管理，以MS 系统为主，主要是针对电力系统生产运行管理数据的传输与处理，是保障电力系统长期稳定运行，升运行效率的重要基础，该层级对信息系统数据传输与处理的可靠性和及时性有很高的要求；三级是企业管理，主要满足企业日常工作信息化需要，以传输视频和语音数据为主，数据处理相对简单，如电视电话会议等，该层级对信息系统的安全可靠性等有较高的要求。
1.2 电力 CPS 是能源互联网建设的基础和前提
电力 CPS 发展是电力系统不断升级发展的持续推动力 [11] 。电网连接能源生产和消费，是能源
输送和转换利用的网络枢纽，处于能源革命的中心环节。电力 CPS 从单元级（点）、系统级（线）
到体系级（system of system，SoS）（面）不断深化，推动着电网向以新一代电力系统为核心的能源互联网转型升级 [12-13] 。
（1）电力 CPS 从单元级向系统级的发展，使大量电气设备、数据采集设备和计算设备通过电网、通信网两个实体网络互连，实现设备智能化，推动传统电力系统向智能电网升级。智能电网广泛使用广域传感和测量、高速信息通信网络、先进计算和柔性控制等 CPS 技术，实现了发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节的信息化、自动化、互动化，形成“电力流、信息流、业务流”高度一体融合的现代电网 [14] 。
（2）电力 CPS 从系统级向 SoS 级的发展，促进电网自动化系统、大容量数据采集传输网、泛在传感网等建设，系统智能化与再电气化共同推动智能电网向新一代电力系统升级。新一代电力系统通过智能化电力设备、工业级传感网、智能家居等新一代 CPS 技术和设备，实现对电网状态的深度认知、数据资源的高效利用、用户之间的灵活互动以及电力与其他能源、交通系统的互联互通，并以其基础性、统一性、开放性和综合性，成为能源互联网的核心 [15] 。
（3）SoS 级电力 CPS 的建设，将融合现代信息技术、智能控制技术和多能转换技术，持续推动以新一代电力系统为核心的能源互联网发展。
能源互联网具有物理、能量、信息及社会空间高度耦合的特征，SoS 级电力 CPS 将通过跨时间空间、物理环境、行业领域的信息集成、共享与挖掘，实现多种能源形式的协同互补及高效经济利用，随着高比例可再生能源接入和多种新型用能形态的高度协同运行，未来新一代电力系统将逐步演变成为能源互联网。
1.3 电力 CPS 的价值
作为一种新的技术理念，电力 CPS 为实现新一代电力系统的目标提供了基础思路和实现途径，大大提升电力系统的高效、协同、实时、安全等能力。
（1）电力 CPS 将显著提升电网的信息感知、集成、共享和协同能力。电力 CPS 除了现有的调度、生产、营销等信息采集传输系统外，还可以通过智能化电力设备、工业级传感网、智能家居等，实现多物理量或数据的广泛采集和共享；突破传统专业之间的数据壁垒，使跨越时间、空间、物理环境的协同成为可能，实现对电网状态的深度认知，对数据资源的高效利用 [16-17] 。在电力CPS 支持下，可合理、充分地综合各类信息进行快速、准确的故障诊断，从而减少电能中断时间和增强供电可靠性。此外，电力 CPS 还将与其他社会网络，如交通网络，实现多种跨行业的协同控制。
（2）电力 CPS 将显著提升电网的自组织、自适应力。在智能电网环境下信息通信网承载的业务日益复杂繁重，已成为电网生产运行与监测控制不可分割的一部分。电力 CPS 将通过信息与网络的融合，支持全局优化与局部控制的协同 [18] 。此外，电力 CPS 具有自适应功能，对负荷控制、设备特性和用户偏好等信息有比较准确的把握，可实现对物理设备的局部控制和控制中心对参数的在线调整，具有自动排除各种系统故障、保证系统正常运行的能力。
（3）电力 CPS 将使电网具备大规模分布式实时计算的能力。电网的特征是能量产生及消耗瞬间保持平衡，任何关键的动态变化都对电网的可靠性和控制的实时性提出相当高的要求。电力CPS 将综合物理电网的连续模型与计算机的离散模型 [19] ，突破传统集中式计算平台的约束，通过物理设备中嵌入的计算部件与中央监控系统的信息融合以及计算进程与物理进程的交互，使电网具备大规模分布式实时计算的能力，为解决大规模分布式设备的实时协调优化问题提供新途径。
（4）电力 CPS 将增强电网抵御安全威胁和风险的能力。CPS 将兼顾信息空间安全和物理实体安全，创新分析信息物理交互影响的耦合性风险，极大提高电网的安全性 [20-21] 。电网和信息通信网构成了双层复杂网络，电力 CPS 将通过对网络理论、故障传播模型、分析方法以及可信计算、安全芯片技术的研究，建立不同防护手段的相互协调机制，发展与物理网络相适应的信息通信网络规划与运行方法，实现信息空间和物理空间的协同安全保障。
2 信息物理融合发展历程研究
2.1 国内外 CPS 发展历程分析
（1）CPS 在国外率先起步，已经成为发达国家抢占产业竞争制高点的重要举措。CPS 最早于 1992年由美国国家航空航天局（NASA）提出，经历了十几年的发展，美国、德国、日本等发达国家自2006 年起将 CPS 作为其实施“再工业化”战略、抢占全球新一轮产业竞争制高点的重要举措，高度重视 CPS 的研究及其在能源电力领域的推广应用。
（2）中国政府高度重视 CPS 发展，但“硬技术”远落后于“软环境”。中国在 2007 年提出了“信息化与工业化”融合的概念，其实质就是CPS。自 2015 年起，国家进一步推动 CPS 发展，先后出台《中国制造 2025》和《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》，将 CPS作为两化融合发展基础支撑的重要组成部分 [22-23] 。
但中国通信、传感、计算机、控制等领域核心技术还依赖进口，自主化水平相对较低，导致 CPS发展相对滞后。
2.2 中国电力 CPS 发展历程分析
中国电力 CPS 发展较为迅速，大致经历了4 个发展阶段（见图 1）。
（1）技术积累阶段。20 世纪 50 年代以前，信息控制领域关键技术开始出现，如晶体管、计算机等面世。此时电力系统容量较小，对新技术需求有限，仅有继电器、安全阀、并网同期等单一的自动装置应用。
（2）技术引入阶段。20 世纪 50~80 年代，通信、半导体、计算机等技术加速升级，如光纤、大规模集成电路、高速计算机等陆续出现。此时电力系统规模迅速扩大，区域联网快速推进，远动通信技术被广泛采用，出现以计算机为主体的电网实时监控系统（SCADA）。
（3）融合发展阶段。20 世纪 80 年代到 21 世纪初期，以互联网、大数据等信息技术发展为契机，电力信息融合步入高速发展时期，实现了厂站自动控制和广域系统的自动化调度。部分厂站自动控制系统的投入比例已接近 100%，远动装置开始从单 CPU 向多 CPU 方向转变，交流采样的远程终端也得到了普遍的推广和应用。
（4）融合提升阶段。自2010年起，以人工智能、区块链、虚拟化为代表的新一代信息技术，大大提升了电力信息融合的广度与深度。以信息化、自动化、互动化为特征的智能电网开始建设，并逐步向能源互联网演进，电力CPS将迎来崭新的发展阶段。
3 电力 CPS 发展程度量化评估方法
对电力 CPS 开展量化评估是深入掌握融合发展规律，明确其未来发展趋势的重要手段。本文依据 CPS 的本质特征，从信息感知、分析处理、设备控制 3 个维度，以保证电力系统安全稳定为前提，充分考虑电力 CPS 的固有特性以及重点应用场景，建立量化评估体系，总体思路如下。
（1）以连续时间段内的融合发展程度为评估对象，综合考虑 CPS 融合发展时间跨度、技术创新颠覆频率以及重点技术的生命周期，本评估体系的评估时间段以 10 年为间隔。（2）每个维度均从“外部”和“内部”两个角度刻画融合程度，充分考虑电力系统内部需求对 CPS 发展的驱动作用，以及外部技术进步对内部需求的支撑作用。（3）“外部”以创新颠覆、成熟度、普及程度 3 个层面评估技术发展情况，重点突出技术的“首创”意义和“颠覆”作用，充分考虑技术在整个生命周期内的成熟度变化及在各行业中的实际应用情况和普及程度。（4）“内部”以需求紧迫性、功能完善度、覆盖率等层面评估电力系统内部需求及整体发展情况，着重体现电力对新技术需求的紧迫程度，设备功能在技术参数方面的完善程度以及在电力系统中的应用水平等，特别是在电力系统安全方面，考虑了安全仿真计算和智能安全控制等维度。详细评价指标体系如表 1 所示。
4 中国电力 CPS 发展评估及趋势测算
4.1 发展情况评估结果分析
以 1900 年为起点，对中国电力 CPS 一百多年的发展历史，以 10 年为时间间隔，对每个时间段内发展程度进行评估。在每个时间段内，以重大技术和工程应用事件为依据，分析重点事件对信息感知、分析处理和设备控制带来的影响，通过专家咨询和资料分析获得相应分值，基于层次分析法得到指标权重，以累加的方式获得所评估时间节点的结果。具体评估结果如图 2 所示。
总体来看，电力 CPS 发展逐步加快、融合程度日益加深。20 世纪 60 年代前，电力系统自动化初期对信息控制技术的需求不大，且相关技术也处于探索阶段，对电力系统需求的支撑有限，因此评估值增加相对缓慢；从 20 世纪 80 年代起，随着中国改革开放步伐加快，电力系统作为国民经济发展的重要支柱，对信息控制技术的需求愈发紧迫，同时相关技术快速发展，有效支撑了电力发展需求，评估值快速跃升。
分维度来看，信息感知技术突飞猛进、自动控制技术稳步提升、分析处理技术快速崛起，共同支撑电力 CPS 快速发展。信息感知领域，传感器和通信技术率先起步，后期互联网技术强势加入，奠定了其引领地位，2000 年评估值达到 320，较其他维度超出 170；设备控制领域，其核心是以控制理论为基础，以传感器、通信、计算机等技术为载体，发展过程较为平稳，2000 年评估值达到 150；分析处理领域，起步较晚，但得益于 60 年代中后期，计算技术、人工智能、大数据处理等技术的快速崛起，正逐步成为电力 CPS 发展的核心支撑力，2000 年后其评估值超越了设备控制领域。
4.2 发展趋势测算结果分析
根据建立的量化评估体系，分析当前至 2040年电力 CPS 的发展趋势，主要考虑 4 方面影响因素。
（1）全球技术争端因素。由于目前新技术开发主要在发达国家完成，对远离技术前沿的发展中国家而言，经济快速增长的关键是借助于来自发达国家的技术转让以及关键元器件出口。鉴于目前中美贸易摩擦以及逆全球化的潮流，在最新信息技术的及时获取方面还存在不确定性。
（2）政策机制支持因素。能源互联网发展下电力信息深度融合的大力推广和普及，需要大量的资金以及配套支持。政策机制可以在技术应用的起步期、推广期发挥巨大的推动作用，缩短技术融合的导入时间，引导技术路线的方向。
（3）社会融合参与因素。能源互联网的建设，不仅仅是电源和电网的协调发展，更离不开社会多方参与，各方的融合参与可以有效促进信息系统和电力系统的融合广度和深度，否则在大数据、人工智能、源网荷互动等方面就是无源之水。
（4）多能融合程度因素。多能互补、多能转换是能源互联网发展的重要特征，多能融合的程度可以促进各类能源信息的集成、共享和挖掘，将电力与信息的融合延展到更大的时间和空间范围。但实际中，多能融合程度受到产业、技术、成本等多方面制约。
为了对比研究各类不确定因素对电力 CPS 发展的影响程度，便于制定针对性发展策略，本文测算了传统电网发展和能源互联网大发展两种情景，并在能源互联网大发展情景的基础上，考虑每类因素带来的负面影响，分别进行趋势测算（见图3）。
（1）从各因素对趋势影响的测算曲线与能源互联网大发展情景对比来看，全球技术争端是首要影响因素，依次是政策机制支持、多能融合程度、社会融合参与。先进技术更新与迭代、发展与应用是电力 CPS 发展的核心基础。良好的国际技术交流共享环境，将直接影响电力 CPS 发展进程；政策机制支持是中国电力 CPS 能否与时俱进、及早布局的关键。多能融合和社会融合程度决定了电力CPS 发展的广度和深度，是高质量发展的保证。
（2）从能源互联网大发展情景与传统电网发展情景对比来看，能源互联网建设和 CPS 发展呈现强相关性，相辅相成。从测算结果可以看出，能源互联网大发展情形下电力 CPS 的发展程度要远大于传统电网发展情景。一方面，CPS 可以推动能源互联网广泛互联、智能互动目标的实现；
另一方面，能源互联网的建设可以促进 CPS 功能架构的完善升级。
（3）从各维度趋势测算结果曲线对比来看，设备控制领域的电力 CPS 融合亟待突破加强。信息空间与物理世界的无缝闭合，需要形成双向闭环。信息感知和分析处理依托快速发展的计算机、通信、大数据、人工智能等技术，使得物理世界到信息空间的映射相对超前，未来将持续主导和引领电力 CPS 的发展。当前设备控制领域存在一定瓶颈，导致信息空间到物理世界反馈发展进程滞后，是未来电力 CPS 攻关的重点（见图 4）。
4.3 电力 CPS 发展方向与重点领域
（1）以智能感知为重点，以能源互联网全链条、全环节为感知对象，形成能源互联网物理实体到数据空间的全盘映射。对物理实体的智能感知是电力 CPS 建设的前提。应重点围绕智能传感器、多参量传感器、5G 通信、确定性网络等先进技术，以现有的智能电网信息感知网络为基础，重点推进先进技术与能源互联网的深度、广度融合，建立数据空间对物理实体的全面准确映射，为决策虚拟空间的形成奠定基础。
（2）以多手段数据分析处理为关键，以数据映射空间为分析对象，形成包含能源互联网规划、建设、运行及商业模式运营的辅助决策虚拟空间。数据分析处理是电力 CPS 建设的基础与关键。
当前大数据、人工智能、量子计算等先进技术蓬勃发展，在电力领域的应用也在逐步开展，但应用的深度与广度亟待提升。应以全面实现能源互联网的决策虚拟空间为目标，重点推进大数据、人工智能等相对成熟技术的普及应用，超前部署量子计算、数字双生等前沿技术的研究，建立最广泛的能源互联网决策虚拟空间，为实现从数据空间到物理实体的精准控制和无缝衔接奠定基础。
（3）以精准无缝控制为方向，以能源互联网实体网络为控制对象，形成从虚拟空间到物理实体的全面闭环和无缝连接。实现对物理实体的无缝衔接和精准控制是电力 CPS 发展的根本。控制领域的技术突破与颠覆落后于其他领域，也是当前电力 CPS 快速发展的主要瓶颈。应重点围绕各类技术的发展情况，创新控制理念，推动智能化、网络化、微型化自动控制技术的发展，形成从数据空间到物理实体的精准无缝控制，实现电力 CPS 发展的闭环螺旋跃升。
5 结语
加快推进电力 CPS 发展，向大范围的能源互联网演进，还亟须开展以下工作。
（1）加强电力 CPS 顶层设计。电力 CPS 发展涉及多技术、多标准、多领域，需要加大统筹协调，制定发展路线图，引导技术标准、技术研发、实验验证、应用推广等工作全面展开。
（2）以系统安全为基础，充分认识到电力系统具有的瞬时平衡、复杂场景、安全可靠性要求高等个性化特征，以确保系统安全稳定为底线，以提升系统安全可靠性为目标，推动电力 CPS 发展。
（3）持续跟踪、重点突破。持续跟踪电力CPS 技术发展趋势，对区块链、数字双生、量子计算等先进技术进行前瞻性部署和实践。重点突破设备控制、智能传感、核心芯片等关键技术瓶颈。
（4）通过深度融合实现“精度”与“速度”的统一。充分发挥电力 CPS 的辅助决策支撑能力，借助先进的智能感知-快速处理-无缝控制链条，在电力系统调控及安全仿真计算领域提升计算速度、精度和控制反应速度等。
（5）标准先行、示范引领。建立电力 CPS 标准体系，开展基础共性标准、关键技术标准和行业应用标准的研制。建设电力 CPS 体验中心，开展解决方案、典型实践等示范和推广。
（6）构建良好生态体系。推动政府建立支持电力 CPS 发展的政策支持体系，引导各方积极布局相关技术和工程应用，最终形成协同创新、产用结合、以市场促发展的 CPS 发展新生态。
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