选型问答

为应对能源数字化转型背景下传统配电系统的局限，深入剖析了配电信息物理系统（cyber-physical distribution system，CPDS）的技术内涵。一方面，对作为实体的CPDS从感知、传输、决策、控制、应用五层架构的技术实现上进行了详细分析，并与传统配电系统以及数字配电系统进行了对比研究；另一方面，CPDS作为方法论，深度融合物理电网与信息空间，推动信息流、物理流、价值流的三流融合。CPDS能够为提升配电网的运行效率、可靠性和灵活性提供关键的技术支持。未来的发展需要进一步深化数字孪生与边缘计算的作用机制，完善标准体系以推动行业发展。

PART 0 引言

能源数字化转型推动电力系统向“源-网-荷-储”协同模式演进，新能源大规模接入及“云大物移智”技术的融合对传统配电网构成了挑战。传统配电网采用单向供电模式，自动化程度低，难以整合分布式能源与用户侧资源，存在灵活性不足、响应滞后等问题。多数研究聚焦在智能电网自动化控制或能源互联网跨域协同，而对物理系统与信息空间深度耦合的系统性解决方案的研究相对缺乏，特别是在多源异构数据治理和跨域协同优化等方面存在技术瓶颈。

新型电力系统的建设亟须信息与物理深度融合的技术支撑。2022年国家电网有限公司发布《新型电力系统数字技术支撑体系白皮书》，提出了“云-边-端”的三层架构，强调了数字孪生技术与边缘计算在电网实时决策中的核心作用^［1］；中国南方电网有限责任公司通过数字电网实践，构建了一个覆盖规划、运行、维护全流程的数字化体系^［2］。

技术架构方面，文献［3］提出了电网信息物理系统应用的交互机制与建模方法。文献［4］指出新型配电系统呈现“物理层柔性化、信息层扁平化、应用层敏捷化”特征，需突破多源异构数据融合瓶颈；文献［5］进一步将软件定义技术引入配电网，实现了控制逻辑与物理设备的解耦，从而提高了建模的效率。文献［6-7］从信息物理系统（cyber-physical system，CPS）的视角定义了智能电网，强调“感知-决策-执行”闭环对系统韧性的提升作用。

数字孪生技术已经成为学术界的研究热点。文献［8］对数字孪生与信息物理系统在智能配用电的应用进行了辨析；文献［9］通过配电物联网仿真平台验证了数字孪生在故障推演中的有效性；文献［10］将数字孪生应用于智慧城市综合能源系统，实现了多能流协同优化，运行成本降低。在信息物理融合领域，文献［11］对CPS技术现状进行了全面综述，指出时间敏感网络（time sensitive network，TSN）与5G通信在保障实时性方面的重要性；文献［12］则聚焦态势感知，提出基于知识图谱的故障预警模型，显著提升了潜在风险识别的准确率。

实践层面，国内已形成“标准引领-平台支撑-终端落地”的发展路径：国网数字孪生平台通过虚拟仿真技术优化电网改造方案；南方电网通过分布式终端的部署，显著缩短了需求响应的时延。文献［13］构建的配电CPS测试案例库为跨实验室验证提供支持，推动控制算法的标准化进程。

当前研究领域所面临的挑战主要体现在多源数据治理方面。文献［14］提出了灾后协同恢复方法。在跨域协同领域，文献［15］指出现有的模型大多集中于单一目标，需进一步优化多目标决策机制。

本文通过剖析配电信息物理系统（cyber-physical distribution system，CPDS）五层技术架构的技术内涵，解析其“信息-物理-价值三流融合”机理，结合国内外技术进程与创新实践案例，为配电网智能化转型提供理论与实践参考。

 PART 1信息物理系统的基本概念

1.1 技术演进脉络

工业革命推动电力系统从机械化向智能化跨越：工业1.0时代（18世纪60年代至19世纪中期）：以蒸汽动力为标志的电力系统仅局限于局部直流供电；工业2.0时代（19世纪70年代至20世纪初）：交流输电技术的突破性进展奠定了电网基础；工业3.0时代（20世纪50年代至21世纪初）：计算机技术的引入实现了电力系统的“监测-控制”分离架构；工业4.0时代（21世纪初至今）：信息物理系统的构建实现了“感知-决策-执行”的闭环控制，支撑了“源-网-荷-储”系统的协同互动。

• 工业1.0时代（机械化）：机械装置开始大规模取代人力劳动，在电力系统方面，尚未形成规模，电力的应用范围有限，仅用于一些简单的照明和小型工业设备。

• 工业2.0时代（电气化）：电力的广泛应用促进了工业生产与居民生活效率的显著提升。电力系统经历了从局部直流供电向大规模交流供电的转变，实现了电力的远距离传输和分配。

• 工业3.0时代（自动化）：在电力系统中，自动化技术得到广泛应用，实现了对电网运行状态的实时监测和远程控制，提高了电网的运行效率和可靠性。

• 工业4.0时代（智能化）：在电力系统中，CPS技术的应用使得电网具备了实时感知电力供需变化的能力，并能够进行智能决策和精准控制，实现了“源-网-荷-储”的协同互动，适应了新能源大规模接入和用户多样化需求的发展趋势。

1.2 信息物理系统的技术特征

相比于传统自动化系统，信息物理系统具有以下技术特征：

• 信息物理融合性（cyber-physical integration）：CPS实现了物理世界与信息空间的双向闭环交互，通过数字孪生建模技术，将物理系统的状态和行为精确映射到信息空间中，从而实现了对物理系统的实时监测、分析和优化。传统自动化系统主要侧重于对物理系统的控制，而CPS更注重物理系统与信息系统的深度融合，实现了信息的实时共享和协同优化。

• 实时性与确定性（real-time & determinism）：CPS具有硬实时约束，能够在规定的时间内完成任务，确保系统的实时响应能力。同时，采用TSN技术保证了数据传输的确定性和可靠性。传统自动化系统在实时性和确定性方面相对较弱，难以满足一些对时间要求较高的应用场景。

• 智能化与自适应性（intelligence & adaptability）：基于数据驱动的CPS能够通过分析实时数据和历史数据进行精准预测，从而实现系统的智能化决策与自适应性调整。CPS具有自愈能力，能够在系统出现故障时自动进行修复和恢复。传统自动化系统的决策主要基于预设的规则和算法，缺乏智能化和自适应能力。

• 异构资源协同（heterogeneous coordination）：在跨平台兼容性方面，CPS具备整合不同类型的资源和设备的能力，从而实现边缘计算与云计算之间的协同效应。通过标准化的接口和协议，CPS实现了不同系统之间的互联互通和协同工作。相较于传统自动化系统，CPS在异构资源协同方面存在较大困难，不同系统之间的兼容性和互操作性较差。

• 安全性与韧性（security & resilience）：在CPS中，采用多层级防护机制，实现了对系统的全面安全保护，确保了系统的安全性和可靠性。传统自动化系统在安全性和韧性方面相对薄弱，容易受到网络攻击和故障的影响。而CPS具有抗攻击韧性，能够在遭受攻击时保持系统的正常运行。

• 开放性与可扩展性（openness & scalability）：CPS采用模块化设计，具有良好的开放性和可扩展性，能够根据不同的应用需求进行灵活配置和扩展。传统自动化系统的开放性和可扩展性较差，难以满足系统不断发展和变化的需求。而CPS能够适应动态拓扑变化，保证系统的稳定性和可靠性。

PART 2 配电信息物理系统的技术内涵

2.1 CPDS五层架构技术解析

CPS的核心目标是将计算、通信与控制技术深度融合到物理世界中，形成一个能够实时感知、动态决策和精准执行的闭环系统。因此，CPS首先是一个实际应用的系统，例如，智能工厂中的机器人（物理实体）通过传感器采集数据，经网络传输到云端分析（信息处理），再反馈控制机械臂动作（物理执行），或者如自动驾驶汽车、医疗手术机器人等，均是基于CPS构建的实际工程系统。从技术内涵看，CPS包括传感器、执行器、通信网络、计算平台等物理组件，以及软件算法和控制逻辑，共同构成一个完整的运行实体。

CPDS在物理层的实体得到增强：基于传统配电设备，嵌入传感器（如电压/电流、温度等高精度传感器），并配置软件定义的智能配电终端，以实现对设备状态的实时感知和多模态信息获取。信息层新增：低时延、TSN通信网络（5G、光纤等）、边缘计算节点（实现数据的就地处理）、云平台（集中式数据分析）以及数据分析中心。控制层面的升级涉及：引入数字孪生推演、市场交易决策支持、动态重构、源网荷储协同优化，支持分布式自治控制。

CPDS并非独立于传统配电系统的“新实体”，而是通过信息技术赋能，实现了从传统配电系统向信息流与能量流双向耦合的升级。该系统将物理设备与数字模型紧密结合，形成了一个“感知-分析-决策-执行”的闭环运行机制。与传统配电系统依赖预设规则不同，CPDS能实时感知环境变化（如负荷波动、分布式电源接入等），并利用算法动态调整其运行策略。CPDS的技术水平体现在信息与物理深度融合的程度，以及由此衍生的实时性、自适应性和协同性能力。

随着能源领域数字化转型的深入实施，配电系统正经历从传统架构向智能化范式的根本性转变。这一演进路径可划分为三个阶段：传统配电系统作为基础形态，数字配电系统代表中间过渡阶段，而CPDS则构成当前技术发展的前沿方向。三者在技术上的差异主要体现在感知、传输、计算、控制及应用五个核心层面。

传统配电系统、数字配电系统与配电信息物理系统的技术对比如表1所示。

表1 传统配电系统、数字配电系统与配电信息物理系统的技术对比

在感知识别层，传统配电系统主要依赖于基础物理设备（例如互感器、断路器）并辅以局部数字化改造，其数据采集存在粒度粗糙、覆盖范围有限的问题。数字配电系统通过“一二次融合设备”和全域数字化改造实现了配用电数据的结构化采集，但终端智能化程度仍受到限制。相比之下，CPDS采用软件定义智能配电终端、高精度传感器（支持微秒级同步）及多模态信息获取技术，构建了动态可扩展的感知神经末梢，显著提升了环境适应性与数据维度。

网络传输层的代际差异尤为显著。传统配电系统依赖4G公共网络、光纤通信或电力线载波技术，其通信时延通常超过100 ms，难以支撑实时控制的需求。随着数字配电系统的升级，采用5G公共网络和全光纤网络，将时延压缩至10~50 ms，初步满足数据汇集的要求，但该系统缺乏业务分级保障能力。相比之下，通过部署TSN并融合5G/6G的公网切片技术，CPDS实现了微秒级的确定性时延，并为保护控制类关键业务提供硬隔离通道。

计算分析层的架构演进反映了智能化水平的跃升。在传统配电系统中，数据孤岛现象普遍存在，导致营配调系统（如GIS、SCADA、营销系统）独立运行，决策依赖人工经验。尽管数字配电系统通过建立集中式云平台并进行大数据分析，但其响应速度受限于云端处理延迟。针对这一问题，CPDS创新性地构建了“云-边-端”协同架构：边缘计算节点能够实现毫秒级的就地决策（如故障定位），而云端则承担跨域优化任务，从而实现了算力的动态弹性调度。

控制执行模式的演变标志着自治能力的突破。传统配电系统以集中式SCADA监控为主，异常工况需人工现场干预，故障恢复耗时数小时。数字配电系统实现了远程自动控制，支持故障区段隔离，但控制策略仍由主站集中生成。CPDS则采用分布式自治控制机制，通过多智能体协商技术，支持无主站模式下的微电网孤岛运行和负荷群组协同响应，将控制周期压缩至秒级。

在决策应用层，传统配电系统仅具备基础状态监测与故障诊断能力。数字配电系统已经发展出能效管理与故障自愈功能，但其优化维度仍集中于电网侧。CPDS则通过数字孪生技术实现了物理系统的实时动态映射，从而支撑了三项革命性的应用：一是基于动态推演的极端场景电网重构预演；二是支持源网荷储多方交易的市场协同决策；三是实现分布式资源参与系统调频调压的跨域优化。

技术代际的本质差异体现为：传统配电系统以被动监控为核心，响应速度为分钟至小时级；数字配电系统则通过数据驱动的运维模式，将响应速度提升至秒至分钟级；而CPDS通过信息-物理-价值三个维度深度融合，实现了技术范式的根本性突破。CPDS的核心突破体现在三个方面：首先，通过数字孪生技术实现了感知、决策和控制的实时闭环；其次，利用边缘计算技术将智能功能下沉至设备层面；第三，构建了信息流、物理流与价值流之间的动态耦合机制。这种技术范式从“设备互联”向“智能体共生”的转变，使CPDS成为新型电力系统中支撑高比例新能源接入的核心技术载体，为柔性资源的AI应用提供了基础架构。

2.2 信息-物理-价值跨域融合机理

CPS技术也是一种方法论，即信息与物理过程的耦合分析方法。CPS的设计、建模和优化过程要求进行跨学科的综合分析。在系统建模与仿真领域，通过结合微分方程（用于描述物理过程）与离散事件模型（用于描述计算逻辑）的混合建模技术，可以对CPS的动态行为进行深入分析；在实时性分析与验证方面，采用形式化方法（如时间自动机）对系统进行验证，以确保其满足实时性约束条件，从而避免因计算延迟导致物理失效；在安全性与可靠性分析方面，通过威胁建模和故障树分析，识别CPS的潜在风险并设计防御机制。

针对配电系统数字化升级，以数据为纽带、算法为驱动、价值为导向，目标是实现配电系统的状态感知升级，具体措施包括：①融合电气量、环境参数、用户行为等多模态数据，构建设备级-系统级全息画像；②控制逻辑重构：突破“固定阈值触发”模式，建立事件驱动型动态控制策略库；③风险防御前移：通过数字孪生推演预判跨空间连锁故障路径，实现“预防-抵御-恢复”全过程主动防御。

CPDS的技术内涵在方法论层面体现为构建“信息-物理-价值三流融合”的核心架构，实现能量流、信息流、价值流的深度耦合，能量流通过电力网络传输，信息流依托“云-边-端”架构交互，价值流通过跨域协同实现经济与低碳目标。

物理至信息的动态映射涉及将物理世界的传感数据反馈至信息空间，从而实现设备级别的全息感知；而信息至物理的动态映射则指信息空间中决策的执行对物理世界产生作用，以实现精确的控制策略。

信息到能量基于价值的交互影响：信息-能量耦合体现在电力网络与交通、算力、碳市场及多能源系统的跨域协同中。通过跨域信息共享，形成价值函数的多维约束（如经济、低碳、可靠性等），最终实现社会总体价值的最优。

• 在电力-交通网耦合中，信息层通过实时采集电动汽车充放电行为与交通流量数据，动态优化充电桩调度和配电网负荷分配。这种优化的价值体现在两个方面：一是电网经济性（如削峰填谷收益），二是交通效率（如减少充电等待时间成本）。二者实现了良好的平衡；

• 电-算协同依托能源互联网与算力资源（如边缘计算节点、数据中心）的交互。通过弹性调节算力需求（如任务迁移、延迟计算），匹配可再生能源出力的变化，这一过程不仅提升了算力能效，还为电网调频提供了辅助服务，实现了双向价值增益；

• 电-碳耦合利用碳计量终端与区块链技术，将碳流（如发电碳排放强度）与能流（如节点用电需求）实时映射。在此基础上，促进电价与碳价的联动机制，推动碳成本内部化，从而形成源荷互动的价值闭环。该闭环能够有效协调电源与负荷之间的关系；

• 多能互补以综合能效最大化为目标，基于能量枢纽（如电-热-气转换设备）的物联感知与多时间尺度预测，通过信息流协调不同能源的时间与空间特性，实现多能流的协同优化。

PART 3 配电信息物理系统的技术进展

3.1 国际技术发展

美国：架构驱动型发展。美国在推动CPDS架构标准化方面，主要通过能源部“Grid Modernization Initiative”（始于2015年）来实现。其核心突破包括以下三个方面：

• 分层协同架构。借鉴美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NITS）制定的《智能电网互操作性框架》，提出了“物理层-通信层-应用层”的三级模型。例如：GridWise架构委员会（GWAC）开发了CPS参考模型，为配电网的分层协同提供了理论基础和支持。

• 边缘智能突破。2020年，美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）开发了分布式能源资源管理系统（distributed energy resource management system，DERMS），实现了光伏/储能集群毫秒级协同控制。这一技术突破显著提升了分布式能源的管理和控制效率。

• 数字孪生应用。太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）搭建了GridAPPS-D平台，支持配电网动态重构推演，并基于IEEE P2030.11标准进行开发。该平台为配电网的动态重构和优化提供了强大的技术支持。

欧洲：市场机制融合。欧盟研究与创新框架计划（2014－2020），简称“Horizon 2020”计划。该计划重点突破CPDS价值实现机制，特别是在信息物理融合标准、交易驱动控制和弹性提升技术等方面取得了显著进展。

• 信息物理融合标准。德国电子信息能源系统（E-Energy项目）通过制定CIM/IEC 61850混合建模规范，解决设备语义互操作问题，推动信息物理融合标准的发展。

• 交易驱动控制。英国“Active Network Management”项目实现了分布式资源参与平衡市场，通过区块链记录实时交易（伦敦金丝雀码头示范区）。

• 弹性提升技术。意大利国家电力公司（National Electricity Company of Italy，ENEL）研发出自愈型CPDS架构，将故障恢复时间缩短至45 s（基于TSN通信+多代理系统）。

日本：设备智能化引领。日本经济产业省“数字电网计划”（2014－）聚焦设备层革新，具体内容包括以下几个方面：

• 同步测量技术。东京电力部署μPMU广域监测网，其相位同步精度达0.1 μs，并覆盖了23 kV配电网。

• 灾害应对系统。九州大学开发了CPDS韧性控制算法，在2023年熊本地震期间成功保障了微电网孤岛模式下连续运行72 h。

国内创新实践我国电力CPS技术以服务“双碳”目标为核心，在社会维度拓展、国家项目攻关、数字电网实践中取得了显著突破。

社会维度延伸——能源信息物理社会系统（cyber-physical-social system in energy，CPSSE）框架［6-7］。2016年，薛禹胜院士提出了CPSSE框架，首次将社会因素纳入电力系统分析，包括分析用户用电习惯（如夜间充电的电动汽车）、政策法规（如碳交易价格）等对电网负荷特性的影响。CPSSE框架通过“社会行为建模”（如基于大数据分析用户用电偏好）与“能源-社会耦合仿真”（如模拟碳价上涨对高耗能企业用电需求的影响），为电网规划提供了更全面的决策依据。

国家重点研发项目突破。2017－2022年，工业和信息化部“电网信息物理系统分析与控制的基础理论与方法”项目聚焦于“电力信息物理融合流模型”的研究。传统电力系统模型仅考虑能量流（如电流、电压），而该项目提出了“能量流-信息流”耦合模型，将通信延迟、数据丢包等信息系统特性纳入计算。例如，当电网发生故障时，传统模型假设控制指令可瞬时到达，而新模型考虑了指令传输时延，优化了故障隔离策略，从而缩短了电网恢复时间。

数字电网实践：南方电网π模型。2020年，南方电网提出“数字电网π模型”，通过“物理电网-信息系统”双向映射实现分布式能源高渗透接入电网［16］。该模型中，物理电网的每个设备（如变压器、光伏逆变器）均对应一个数字孪生体，实时同步运行数据（如温度、功率）；信息系统则通过AI算法分析孪生体数据，预测设备故障并优化调度策略。

PART 4  结语

CPDS通过五层架构（感知、传输、决策、控制、应用）与“信息-物理-价值三流融合”推动配电网从物理系统向信息物理融合系统转型。边缘计算与数字孪生技术在提升实时性与决策精准性方面发挥了重要作用。当前研究存在的不足主要体现在混合系统建模效率较低以及分布式控制鲁棒性不足等问题上。

未来研究将进一步优化混合系统建模方法，提高随机过程建模的准确性与效率，同时增强分布式协同控制的性能，进一步提升系统的自适应能力和自愈能力。在标准体系建设方面，未来需建立健全CPDS相关标准，促进不同厂商设备与系统的互联互通，从而推动行业的规范化发展。在应用场景拓展方面，未来将进一步探索CPDS在智能家居、智能交通等领域的深度融合，实现更大范围的能源协同与资源优化配置。本文观点主要源自笔者即将出版的《现代配电系统技术丛书 现代配电信息物理系统》中的相关研究成果^［17］。

作者简介：

刘东（1968—），男，博士，二级教授、长聘教授，研究方向为智能电网、数字孪生电网、主动配电网及信息物理系统。

翁嘉明（1986—），男，博士，讲师，研究方向为智能电网、能源互联网、主动配电网及信息物理系统。

郭翔（1978—），男，学士，教授级高级工程师，研究方向为自动化及网络安全。

陈飞（1987—），男，博士，助理研究员，研究方向为主动配电网、信息物理系统、数字孪生。

班秋成（1992—），男，硕士，工程师，研究方向为信息安全。

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