信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生電網(wǎng)

信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生電網(wǎng)二、數(shù)字孿生電網(wǎng)的形態(tài)特征一、信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生的概念引入三、電網(wǎng)信息物理融合建模五、小結(jié)四、數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用前景

提

綱

contents1有限智能水平的自動化系統(tǒng)系統(tǒng)性能、先進控制方法、解

決復(fù)雜問題能力的欠缺，信息

利用率與集成化程度不高。信息物理系統(tǒng)(CyberPhysicalSystems,

CPS)計算機信息網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)處理過程與

物理世界進程的深度緊密結(jié)合。其

理論和方法用于解決信息物理交互

的復(fù)雜系統(tǒng)運行中的動態(tài)、時序、并發(fā)性等問題。系統(tǒng)性理論與物理世界模擬量的處理分析過程直接相關(guān)信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化計算資源與物理世界精密深層的結(jié)合概念及其發(fā)展成熟傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)小型計算機/處理器上運行的嵌入式

軟件。有限資源與性能下的優(yōu)化。首次完整概括并提出ProfessorEdward

A.LeeUniversityof

CaliforniaatBerkeley計算機科學(xué)以離散化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成對物理世界的抽象描述CPS概念的引入Cyber-PhysicalSystems(CPS):不同的工業(yè)應(yīng)用物理系統(tǒng)結(jié)合大量的網(wǎng)絡(luò)計算資源CPS概念的引入國家和組織研究方向研究成果理論和標(biāo)準(zhǔn)研究:參考架構(gòu)、

應(yīng)用案例、時間同步、CPS

安全、數(shù)據(jù)交換。。成立CPS公共工作組(CPS

PWG)。

發(fā)布了CPS框架1.0(2016年5月)。CPS測試驗證平臺(Testbed)標(biāo)準(zhǔn)研究:開展CPS相關(guān)標(biāo)

準(zhǔn)研制工作。。成立IEEETC-CPS。定期舉辦學(xué)術(shù)會議CPSWeeks戰(zhàn)略分析和理論研究:智能

設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)、感知控

制、復(fù)雜系統(tǒng)(SoS)。。設(shè)立CPS研究小組。啟動了ARTEMIS項目。

發(fā)布《CyPhERSCPS歐洲路線圖和戰(zhàn)略》國家戰(zhàn)略和理論研究:CPS特征、CPS應(yīng)用、智能設(shè)備、

信息物理制造系統(tǒng)CPPS。。德國工業(yè)4.0確定以CPS為核心。發(fā)布《生活在網(wǎng)絡(luò)世界—CPS集成研究計劃》

。成立了世界第一個已投產(chǎn)CPPS實驗室標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、應(yīng)用研究:焦參考結(jié)構(gòu)、核心技術(shù)、標(biāo)

準(zhǔn)需求以及應(yīng)用案例等的研

究。信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇。

共性關(guān)鍵技術(shù)測試驗證平臺建設(shè)與應(yīng)用國內(nèi)外動態(tài)CPS

白皮書2017工業(yè)和信息化部與

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委

員會聯(lián)合指導(dǎo)發(fā)布2021年5月

,

佳士得拍賣了CryptoPunks的

NFT作品,包含

9個

24x24、

8位元風(fēng)格像素的朋克頭像,該拍品以1696.25萬美元成交。NFT即

Non

Fungible

Token,即非同質(zhì)化代幣,

是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的一種資產(chǎn)類型。由于NFT在技術(shù)上可以為數(shù)字化商品或資產(chǎn)提

供唯一性證明,因此NFT未來可以在版權(quán)保護領(lǐng)

域、金融資產(chǎn)數(shù)字化領(lǐng)域、數(shù)字身份構(gòu)建等領(lǐng)

域得到廣泛的應(yīng)用，“通往元宇宙世界的關(guān)鍵2021-2022江蘇衛(wèi)視跨年晚會周琛

和鄧麗君合唱大魚。虛擬人：三維全息仿真、虛實互動、

智能應(yīng)用。2021元宇宙的2個標(biāo)志性事件密鑰”。制造業(yè)長期以來一直擁有物理設(shè)施“數(shù)字孿生”的概念。

制造是一個極其復(fù)雜的過程，通過虛擬空間來運行工廠生

產(chǎn)過程的模擬，可以識別和分析如何更高效、更安全地完

成工作。元宇宙（Metaverse

）是利用科技手段進行鏈接與創(chuàng)造的，與現(xiàn)實世界映射與交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數(shù)字生活空間。1992年,NealStephenson的科幻小說《SnowCrash》中

提出

了

“metaverse(元宇宙,漢譯本譯為“超元域”)”和

“化身

(Avatar)”這兩個概念。元宇宙概念的提出國際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字孿生定義:具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的

數(shù)字化表達，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理

狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間同速率收斂、并提

供物理實體或流程過程的全生命周期的

集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能。數(shù)字孿生DT和信息物理系統(tǒng)CPS的關(guān)系:數(shù)字孿生系統(tǒng)是CPS技術(shù)的具體物化體現(xiàn)。相同之處:數(shù)字孿生DT和信息物理

系統(tǒng)CPS都是研究數(shù)字空間與物理實體之間的映射關(guān)系，利用數(shù)字化

手段構(gòu)建系統(tǒng)為現(xiàn)實服務(wù)。不同之處在于:數(shù)字孿生是物理和虛擬空間

的一對一的映射，而CPS更為寬泛可以是一對

多或多對一的映射。Professor

Grieves

美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品全生命周期管理課程

PLM

(Product

Lifecycle

Management)2010年美國NASA

“DigitalTwin”集成了多物理量、多尺度、多概率的

系統(tǒng)或飛行器仿真過程。概念及其發(fā)展成熟數(shù)字孿生概念的引入2003年首次提出數(shù)字孿生基本思想數(shù)字孿生概念的引入“元宇宙全息路口”即“數(shù)字孿生路口”在技術(shù)端對實際路口進行數(shù)字化模擬，打造1:1還原的數(shù)字孿生路口場景，通過在虛擬端對不同

路況的回測，實現(xiàn)回歸現(xiàn)實場景的合理預(yù)警分析，

數(shù)字路口孿生模擬能夠極大賦能現(xiàn)實路口“車路

協(xié)同

”。數(shù)字黃河-數(shù)字孿生黃河

利用數(shù)字孿生打造智慧防汛平臺

數(shù)字孿生提升水資源精細(xì)管理水平

數(shù)字孿生推進生態(tài)保護工作開展

數(shù)字孿生模擬水沙關(guān)系與調(diào)控分析

數(shù)字孿生助力文化傳承保護數(shù)字孿生城市主要聚焦在交通、社區(qū)、建筑等行業(yè)場景。從BIM（建筑信息模型）到CIM（城市信息模型）中國信通院日前發(fā)布的《數(shù)字孿生城市白皮書》：目前上海、北京、天津、深圳、海南、廣東、山東、江蘇等地都明確提出數(shù)字孿生城市的建

設(shè)計劃及相關(guān)政策。數(shù)字孿生概念的引入

一二次融合、分布式處理消納大容量分布式電源的電網(wǎng)形態(tài)電網(wǎng)形態(tài)l

含有大量分布式電源l

消納清潔能源,考慮

碳流價值驅(qū)動l

一二次融合與分層分

布控制體系l

信息物理融合系統(tǒng)早期電網(wǎng)電網(wǎng)逐步向大信息流與能量流并行的高級形態(tài)轉(zhuǎn)變電網(wǎng)CPS需求智能化靈活性高效性

可持續(xù)性微網(wǎng)

可靠電網(wǎng)自治電網(wǎng)

高級電網(wǎng)低碳化、智能化強調(diào)能量強調(diào)信息傳統(tǒng)電網(wǎng)價值價值智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能網(wǎng)絡(luò)規(guī)模數(shù)字孿生電網(wǎng)l

系統(tǒng)運行狀態(tài)全景感知l

設(shè)備健康狀態(tài)研判l(wèi)

運行趨勢演化分析l

故障研判分析l

全生命周期電網(wǎng)發(fā)展l

智能化高級應(yīng)用采用虛實結(jié)合實現(xiàn)電網(wǎng)真實空間與虛擬空間的實時動態(tài)映射數(shù)字孿生需求1.受控設(shè)備與控制環(huán)節(jié)緊密融合2.一次、二次融合3.信息虛擬空間與電網(wǎng)實體精準(zhǔn)映射高比例可再生

能源接入電網(wǎng)信息化技術(shù)在

電網(wǎng)廣泛應(yīng)用現(xiàn)有電網(wǎng)分析控制理論更多局限于C或P本身電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)是應(yīng)對電力能源復(fù)雜運行場景的有效手段突破

C

–

P

融合的電網(wǎng)分析與控制理論和方法電力系統(tǒng)形態(tài)變化本項目理論12Paper

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/doi/10.1049/enc2.12046Promotional

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ECE國家重點研發(fā)計劃“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”專項項目（2017YFB0903000）電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)分析與控制的基礎(chǔ)理論與方法項目負(fù)責(zé)人：

劉東項目牽頭單位：全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司項目參與單位：上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院有限公司、天津大學(xué)、國電南瑞科技股份有限公司、東南大學(xué)、武漢大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、國網(wǎng)福建省電力有限公司項目起止年限：

2017年7月至2021年6月安全可靠性風(fēng)險分析支撐課題3提升分析基礎(chǔ)

運行特性分析市場環(huán)境下互動電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)運行特性分析分析與風(fēng)險預(yù)警評估配電網(wǎng)安全可靠性仿真與驗證電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)

的仿真與驗證仿真平臺環(huán)境融合驗證與展示電網(wǎng)物理過程仿真通信仿真（含信息安全）調(diào)控機制設(shè)計科學(xué)問題2:電網(wǎng)跨信息-物理空間的

風(fēng)險演化機理與協(xié)同優(yōu)化控制理論科學(xué)問題1:電網(wǎng)物理系統(tǒng)與信息空間的交互作用機理、融合建模、混合計算理論課題設(shè)置電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的

交互機理與建模理論融合機理

應(yīng)用融合建模有源配電網(wǎng)實時

優(yōu)化控制方法合理性、

正確性驗證模型

基礎(chǔ)

L_場景實例

展示與演示多業(yè)務(wù)綜合仿真與部署分析基礎(chǔ)課題2課題5課題4課題1集成應(yīng)用優(yōu)化控制促進1415二、數(shù)字孿生電網(wǎng)的形態(tài)特征一、信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生的概念引入三、電網(wǎng)信息物理融合建模五、小結(jié)四、數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用前景

提

綱

contents16數(shù)

字孿

生電網(wǎng)實體電網(wǎng)運維需求變化運維成本數(shù)字孿生電網(wǎng)是通過全息信息感知和精準(zhǔn)實時映射，在數(shù)字空間構(gòu)建實體物理電網(wǎng)的數(shù)字鏡像，并可反向作用于實體電

網(wǎng)；數(shù)字孿生體具有特性可描述、數(shù)據(jù)可觀測、狀態(tài)可預(yù)測、場

景可演進、控制可反饋等特征；數(shù)字空間和實體電網(wǎng)具有虛實數(shù)字孿生電網(wǎng)特征同步、狀態(tài)互動。數(shù)字空間實體電網(wǎng)虛擬電網(wǎng)演化安全

風(fēng)險環(huán)境

沖擊電網(wǎng)

發(fā)展建設(shè)

成本供電

收益電網(wǎng)

布局17

物理系統(tǒng)多時間尺度仿真

信息系統(tǒng)仿真

信息物理融合建模

云-邊-端物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)實體

感知與虛實映射

復(fù)雜應(yīng)用場景重現(xiàn)數(shù)

字孿

生電網(wǎng)實體電網(wǎng)運維需求變化運維成本數(shù)字孿生電網(wǎng)基礎(chǔ)全生命周期電網(wǎng)演化與分析電網(wǎng)運行與維護虛擬電網(wǎng)演化安全

風(fēng)險環(huán)境

沖擊電網(wǎng)

發(fā)展建設(shè)

成本供電

收益電網(wǎng)

布局18數(shù)

字孿

生電網(wǎng)實體電網(wǎng)運維需求變化運維成本刻畫電氣網(wǎng)絡(luò)演化拓展、通信網(wǎng)絡(luò)演化升級；電網(wǎng)及設(shè)備的三維全息仿真模

型

；信息空間安全態(tài)勢演變和信息安全防護策略演進等復(fù)雜動態(tài)場景。數(shù)字孿生電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

建立電力信息物理形態(tài)結(jié)構(gòu)多階段演化分析模型；數(shù)字空間

實體電網(wǎng)虛擬電網(wǎng)演化安全

風(fēng)險環(huán)境

沖擊電網(wǎng)

發(fā)展建設(shè)

成本供電

收益電網(wǎng)

布局19

Paper

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/doi/10.1049/enc2.12051Promotional

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ECE二、數(shù)字孿生電網(wǎng)的形態(tài)特征一、CPS與數(shù)字孿生的概念引入五、小結(jié)四、數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用前景三、電網(wǎng)信息物理融合建模

提

綱

contents201.電網(wǎng)的連續(xù)動態(tài)過程和信息網(wǎng)絡(luò)的離散過程如何融合分析

？——機理分析2.如何將異構(gòu)的信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)納入融合的建?？蚣苓M行描述？——融合建模3.在閉環(huán)決策控制場景下，如何定量評估信息流對能量流的影響？——混成計算目標(biāo)：針對電力系統(tǒng)信息物理融合模機理尚不清晰，計算與分析模型未考慮信息因素，如何實現(xiàn)機理刻畫，統(tǒng)一模型描述，解決離散狀態(tài)與連續(xù)過程聯(lián)合計尚無信息空間

與能量空間的跨空間計算方

法儲未能揭示GCPS

中信息-物理融缺少反映GCPS運行特

性的融合模型電網(wǎng)物理系統(tǒng)電網(wǎng)信息空間GCPS源信息-物理

融合需解決的難點問題：算的技術(shù)難題？合的交互機理存

在的

問題國網(wǎng)云荷電力系統(tǒng)信息物理融合端

站

邊能源物聯(lián)網(wǎng)21道網(wǎng)云22

電氣網(wǎng)絡(luò)

事件網(wǎng)絡(luò)

理論基礎(chǔ)研究內(nèi)容CPS關(guān)鍵交互路徑辨識將電氣網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)動態(tài)過程和信息網(wǎng)絡(luò)的離散過程轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的事件網(wǎng)絡(luò)，

以耦合事件序列的形式描述、分析融合系統(tǒng)動態(tài)行為。動態(tài)過程

xt+1

=f(xt,ut)演進機制S

=

argmaxP(S,

E)離散事件與連續(xù)過程耦合的信息物理交互CPS耦合事件動態(tài)分析CPS形態(tài)功能博弈演化拓?fù)湫螒B(tài)G(V,E)離散

事件

動態(tài)

系統(tǒng)連續(xù)

狀態(tài)

動態(tài)

系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換耦合事件1發(fā)生P1

P2P4P3離散事件與連續(xù)過程耦合的信息物理交互正常

狀態(tài)警戒

狀態(tài)緊急

狀態(tài)系統(tǒng)

崩潰t1

t2

t3

t4

t5耦合事

發(fā)生P5耦合事件2

發(fā)生耦合事件組合系統(tǒng)運行狀態(tài)

時間件323圖例信息拓?fù)浼捌涑休d的離散信息狀態(tài)

電力拓?fù)浼捌涑休d的連續(xù)電力過程

信息-物理交互拓?fù)浼捌涑休d的信息-物理耦合事件跨空間聯(lián)動接口P1P3離散事件與連續(xù)過程耦合的信息物理交互電網(wǎng)CPS系統(tǒng)運行穩(wěn)態(tài)P1

電網(wǎng)CPS系統(tǒng)運行穩(wěn)態(tài)P2C3P2C3P2下層網(wǎng)絡(luò)(電網(wǎng)物理系統(tǒng))電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)運行模型上層網(wǎng)絡(luò)

(信息空間)狀態(tài)

演化系統(tǒng)

運行C1C1P3P1P4C224P4C2CPS元件級模型1.

耦合事件驅(qū)動下，元件狀態(tài)遷移、屬性

及運行特征變化。2.刻畫在特定狀態(tài)下的元件連續(xù)動態(tài)特性。3.

刻畫元件內(nèi)在的控制邏輯，以及內(nèi)在控制邏輯作用下的連續(xù)動態(tài)過程的轉(zhuǎn)變。4.

元件之間的交互（信息、電氣）、事件傳導(dǎo)與級聯(lián)效應(yīng)。電網(wǎng)信息物理元件微觀建模25

機理模型：以輸入?yún)?shù)、狀態(tài)參數(shù)、輸出參數(shù)為基本要素構(gòu)建數(shù)理邏輯方程，在新

型特高壓及電力電子元件研究中比較常見，具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法：基于統(tǒng)計學(xué)方法，克服傳統(tǒng)機理模型的局限性，從系統(tǒng)所經(jīng)

歷的真實物理環(huán)境出發(fā)，測試獲得系統(tǒng)屬性的真實數(shù)據(jù)及相關(guān)限制。26不適于信息空間的元件

；未體現(xiàn)CPS融合后，控制邏輯以及離散事件對于元件運行的影響。電網(wǎng)信息物理元件微觀建模分類物理層信息層融合層源風(fēng)力發(fā)電機、光伏逆變器燃汽輪機、水輪機、虛擬同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、交直流變流器調(diào)頻系統(tǒng)、RTU、調(diào)壓系統(tǒng)（AVC）網(wǎng)斷路器、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、分?jǐn)嚅_關(guān)、配電線路設(shè)備、變壓器、無功補償設(shè)備SDH光傳輸設(shè)備、控制終端、交換機、路由器、操作系統(tǒng)、充電監(jiān)控主站服務(wù)、安控主站、需求側(cè)響應(yīng)管理服務(wù)、充電策略控制服務(wù)、SCADA服務(wù)、通信節(jié)點差動保護裝置、過流保護裝置、FTU、DTU、

TTU、電流傳感器荷可控制冷負(fù)載、不可平移負(fù)荷、可平移負(fù)荷、恒功率負(fù)荷、恒阻抗負(fù)荷、恒電流負(fù)荷、動態(tài)負(fù)荷、隨機負(fù)荷、電動汽車、恒溫器充電樁、量測單元儲電池儲能、飛輪儲能、燃

料電池建立基于有限狀態(tài)機的CPS元件

模型48種，并在課題5中應(yīng)用。o物理層元件26種o信息層元件11種o

融合層元件11種元件選取原則：o覆蓋C，P及CP融合三個層面o覆蓋“源-網(wǎng)-荷-儲”電網(wǎng)信息物理元件微觀建模27Paper

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/doi/10.1049/enc2.12038Promotional

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ECE基礎(chǔ)模型：FSM有限狀態(tài)機，刻畫耦合事件驅(qū)動下，元件狀態(tài)遷移定義：有限狀態(tài)機FSM是一個五元組，M

=

(S,Σ,

f,s0,

Z)其中：S是一個有限狀態(tài)集合，它的每一個元素稱為一個狀態(tài)；

∑是一個有窮字母表

，它的每一個元素稱為一個事件符號；

f是轉(zhuǎn)換函數(shù)，定義了從S×Σ

→

S的一個單值映射；

s0

∈

S是一個唯一的初始狀態(tài)；Z

?

S是一個終止?fàn)顟B(tài)集合。S

=

{s0,

s1,

s2

}Σ=

{e1,

e2,

e3,

e4

}

ìs

??e1→

s

Z

í

S電網(wǎng)信息物理元件微觀建模e2e1

·

·s0

s1電網(wǎng)信息物理元件FSM基礎(chǔ)模型s2e3e428Step

1.

FTU元件功能設(shè)定設(shè)定FTU具備2種功能a（控制）與b（量測），兩個

功能相互獨立運行，當(dāng)某個功能失效時由主站/子站

決策是否立即重啟/檢修FTU。Step2.

FTU有限狀態(tài)集合（

1

）Srun

，設(shè)備正常運行

，功能a與b均正常；（

2

）Serr-a

，設(shè)備出現(xiàn)故障，功能a失效，功能b正

常；（

3

）Serr-b

，設(shè)備出現(xiàn)故障，功能a正常，功能b失

效；（4

）Sstp

，設(shè)備出現(xiàn)故障

，功能a與b均失效；（

5

）Srst

，設(shè)備重啟/檢修。（

6

）SFDI

，設(shè)備遭受虛假數(shù)據(jù)注入攻擊，設(shè)備正常

運行

，功能a與b均正常

基于電力CPS設(shè)備的功能分析，提出了元件的有限狀態(tài)集合及各狀態(tài)下的工作特性的抽取方法

基于電力CPS設(shè)備功能分析，設(shè)計電力CPS有限狀態(tài)機元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則FTU元件模型

只功能b正常運行，不檢修功能b失效SFDI只功能a正常運行不檢修設(shè)備不可逆故障數(shù)據(jù)隔離功能a失效b失效功能a與b均失效Srun設(shè)備重啟故障可恢復(fù)Srst主站/子站C

t

,

X

tFTUS

tY

t控制裝置電網(wǎng)信息物理元件微觀建模基于有限狀態(tài)機的電網(wǎng)信息物理元件模型設(shè)備狀態(tài)采集

下，達

設(shè)備狀態(tài)上傳設(shè)備重啟指令控制指令下達主站/子站分段開關(guān)29控制信號下達Y′

t數(shù)據(jù)注入正常運行設(shè)備重啟功能aSerrbSerraSstpFSM擴展模型：1補充運行參數(shù)：溫度上下限值，閉鎖時間Tmax

,

Tmin

,

tlock2

增加模型輸入量輸出量

：

T(k),δ1

(k)3

增加元件動態(tài)特性的描述：狀態(tài)方程。狀態(tài)方程

室溫的等效熱參數(shù)（Equivalent

Thermal

Parameter，ETP）模型電網(wǎng)信息物理元件FSM擴展模型Ta<TminTa>Tmax輸入變量:當(dāng)時刻環(huán)境溫度

T（k）,輸出變量:狀態(tài)置位信號

δ1

(k)電網(wǎng)信息物理元件微觀建?？照{(diào)負(fù)荷

運行狀態(tài)調(diào)節(jié)影響室內(nèi)溫度的動態(tài)演化OFF

LOCKOFFONONLOCK

本地關(guān)閉指令本地開啟指令

t

≥

tlockt

tlock30≥>><<Mixed

Logical

Dynamic（混合邏輯動態(tài)）

：對線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程進行擴展，加入了連續(xù)輔助變量和0-1指示變量用于表達受控對象的多模態(tài)控制邏輯：?實現(xiàn)在一個公式中結(jié)合動態(tài)和邏輯的混合?對復(fù)雜非線性特性作出簡化表達

í?

A

eξ(k

)

+Beu(k

)

+Ceλ(k

)

+Δew(k

)

+Ee

=0!

?lAieξ(k

)

+Bieu(k

)

+Cieλ(k

)

+Δiew(k

)

+Eie

<=0!在物理動態(tài)過程中考慮到操作邏輯變量（通常表達為0-1）變量，實現(xiàn)在一個公式中結(jié)

合動態(tài)和邏輯的混合。通過約束聯(lián)立表達復(fù)雜控制邏輯，即操作邏輯與外界條件與系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。電網(wǎng)信息物理元件MLD模型電網(wǎng)信息物理元件微觀建模31空調(diào)負(fù)荷MLD模型1

在FSM擴展模型中增加對元件的內(nèi)在控制邏輯的描述。2引入輔助變量，將控制邏輯

+狀態(tài)方程過程轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)（線性）方程，以便進一步求解。32混合邏輯動態(tài)模型包含兩部分內(nèi)容：1）考慮邏輯變量的元件動態(tài)方程；2）對于邏輯變量的約束條件，充分考

慮到元件狀態(tài)機的狀態(tài)遷移條件，體現(xiàn)復(fù)雜控制邏輯。電網(wǎng)信息物理元件MLD模型íì?Tmax,i

-Ta,i

(k)

≥ε+(-ΔT

-ε)δ1,i

(k)ìti

(k)≤

tlock

(1

-δ2,i

(k))í?

((

))(k-

1)+1?ti

(k)

≥

ti

(k

-1)

+1-tlockδ2,i

(k)?lti

(k)-tlock

≥

ε

+

(-tlock

-ε)(1-δ2,i

(k+

1))t

i0kkiitt1、室溫高于上限時，空調(diào)需開啟：2、室溫低于下限時，空調(diào)需關(guān)

閉

；3、當(dāng)空調(diào)運行狀態(tài)發(fā)生變化時，

計時器需清零

；4、當(dāng)空調(diào)運行狀態(tài)不變時，計時

器增加?t，；5、當(dāng)計時器時間小于閉鎖時間時，

禁止空調(diào)負(fù)荷的運行狀態(tài)發(fā)生變化。電網(wǎng)信息物理元件微觀建模狀態(tài)方程中引入邏輯變量(

δ1,

(k)

）：環(huán)境溫度與上一時刻溫度和當(dāng)前空調(diào)工作

狀態(tài)相關(guān)引入邏輯變量的約束條件，將其約束線性化

Qac

(k

)

=

δ1

(k

)QN?lTa,i

(k)-Tmin,i

≥ε

+

(-ΔT

-ε)(1-δ1,i

(k))?應(yīng)用場景：

空調(diào)負(fù)荷動態(tài)調(diào)控

設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將負(fù)荷動態(tài)調(diào)控問題構(gòu)造為線性整數(shù)規(guī)劃問題。優(yōu)化控制問題

s.t

=

ton,ij狀態(tài)方程

Qac

(k

)

=

δ1

(k

)QN電網(wǎng)信息物理元件MLD模型第1組第2組第3組0

ts=2

τon,ij+2

τc(min)電網(wǎng)信息物理元件微觀建模目標(biāo)函數(shù)

：在保證總運行時間約束及舒適度的前提下，盡

可能使得實際開關(guān)序列與參考序列之間的偏差盡可能的小。0τon,ij-2

ts=τc-2

τc(min)第τc組

工工口0

ts=

1

τon,ij+1

τc(min)ts=0

τon,ij

τc(min)ts=τc-1τc(min)

OFF狀態(tài)最終控制策略及結(jié)果0

τon,ij-1第τc-1組ON狀態(tài)33...MLD-輔助變量約束

電動車MLD模型：引入邏輯變量

δEV

代表電動車是否充電（充電為0，放電為1），δgEV

代表電動車是否連入充電樁（1代表連接充電樁，0代表未連接充電樁）。.SocEV

=

-σSocEV

+

S.ocEV

=

-σSocEV

+

ηchar

pqmax

eEVMLD-電動車控制邏輯（只有接入充電樁，電動

車才可以充放電）：未接入充電樁，充放電功率

為0；放電狀態(tài)下，功率為負(fù)值。

電網(wǎng)信息物理元件MLD模型頰噸盜鄺際偽珞巢SonpSoffp諱樺丟殲餑善崍碌殲Sv2g錚償碌殲電網(wǎng)信息物理元件微觀建模電動車五種狀態(tài)，道路行駛狀態(tài)，停車狀態(tài)（未

插入充電樁），停車狀態(tài)（插入充電樁未充電），

充電狀態(tài)，放電狀態(tài)。MLD-電動車物理狀態(tài)

方程：與電池充放電，

能量衰減，及道路行駛

有關(guān)，其中考慮充電換

件，與是否充電及充放

電功率相關(guān)34駿萬丟殲餑駛離停車位善崍丟殲錚償丟殲停放汽車Sg2vSoffcPaper

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ECE研究目標(biāo)：建立電網(wǎng)CPS融合模型

，從全局視角刻畫信

息系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的融合動態(tài)與交互關(guān)系問題：1、如何將異構(gòu)的信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)納入

融合的建?？蚣苓M行描述？2、如何增強對復(fù)雜控制邏輯的表達能力?3、如何支持未來強依賴于信息系統(tǒng)的復(fù)雜運行場景（海量分布式可調(diào)資源、多能耦合

系統(tǒng)）的運行分析與優(yōu)化控制？電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)建模35Vl

∈

[1,

A

],ξl

(k+1)=Aξξl

(k

)

+

BξDl

(k

)

+

Xξλl

(k

)

+

Δξwl

(k

)

+

Eξμl

(k

)

=

Aμξl

(k

)

+

BμDl

(k

)

+

Xμλl

(k

)

+

Δμwl

(k

)

+

EμA

eξl

(k

)

+BeDl

(k

)

+Xeλl

(k

)

+

Δewl

(k

)

+Ee

=

Aieξl

(k

)

+BieDl

(k

)

+Xieλl

(k

)

+Δiewl

(k

)

+Eie

"=

元件動態(tài)控制邏輯

Vi∈

[1,

S],

σi

=Ki

xi

+

βi

+εiVj

∈

[1,

D

],

Yj

=

Φ

j

(δj

)通信量測決策

在電力潮流方程基礎(chǔ)之上，融合元件控制邏輯、信息空間的信息交互與處理流程，提出了C-P融合基礎(chǔ)流模型，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)模型到電網(wǎng)CPS模型的跨越。gp

(X,

U

)

=0

潮流信息流方程能量流方程混合邏輯

動態(tài)

方程電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)建模C-P融合基礎(chǔ)流模型C-P融合基礎(chǔ)流模型36正常運行工況局部通訊中斷工況元

件動態(tài)溫控負(fù)荷歸一化狀態(tài)變量演化過程部分溫控負(fù)荷狀態(tài)變量偏離目標(biāo)值信息

支路Ψ(t)=E1×100

,

"tì0,

?(t∈[705s,945s])

Λ

(j=45,57,

66,89

)

(t?[705s,945s])

ú(t∈[705s,945s])

Λ

(j≠45,57,

66,89

)系

統(tǒng)動態(tài)饋線控制誤差信號完全補償37饋線控制誤差信號出現(xiàn)欠補償/過補償

C-P融合基礎(chǔ)流模型中，采用信息節(jié)點-支路模型對信息交互與處理流程建模，

并與元件級MLD模型整合于統(tǒng)一計算框架，支撐信息-能量流的動態(tài)推演計算。C-P融合基礎(chǔ)流模型電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)建模C-P融合基礎(chǔ)流模型動態(tài)計算框架Ψ

j

(t)

=

í?

1,?ll

定時驅(qū)動：時間進行到預(yù)設(shè)時標(biāo)t

-t

f

≤

εl

即時驅(qū)動：滿足預(yù)設(shè)邏輯條件reg

C-P融合事件驅(qū)動模型：從運行模態(tài)的角度分析GCPS在離散狀態(tài)域的遷移。一般化CPS事件驅(qū)動模型<

pr

>!ξCPS

:=Γ

<a

>?<tg

,

og

>?

<

tr

,

or

>驅(qū)動判據(jù)類型值向量源屬性

匯屬性與融合流模型的對比：

融合流模型從

數(shù)值

的角度刻畫

GCPS連續(xù)動態(tài)的演化規(guī)律

事件驅(qū)動模型從模態(tài)的角度刻畫

GCPS離散狀態(tài)的遷移規(guī)律

驅(qū)動判據(jù)：驅(qū)動事件的邏輯命題表達式

源屬性：發(fā)生時標(biāo)，事件源對象

匯屬性：接收時標(biāo)，事件匯對象

值向量：需傳遞的連續(xù)值或離散值(p

<

0)

ù

(δcEh

e

=

1)目標(biāo)功率為負(fù)

且當(dāng)前處于充電狀態(tài)argSStargetESS電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)建模信息物理系統(tǒng)級

狀態(tài)遷移

}

事件驅(qū)動元事件應(yīng)用場景狀態(tài)遷移

（邏輯判據(jù)）運行狀態(tài)

（狀態(tài)方程）狀態(tài)遷移

（邏輯判據(jù)）運行狀態(tài)

（狀態(tài)方程）C-P融合事件驅(qū)動模型CPS對象間交互

當(dāng)前時間與預(yù)設(shè)值足夠接近件級

事件模型38

基于融合流模型，將量測值向量用于驅(qū)動判據(jù)命題邏輯表達式的判別

當(dāng)驅(qū)動判據(jù)邏輯表達式成立，將生成系統(tǒng)級事件。系統(tǒng)級事件的值向量經(jīng)由信

息支路作用于決策節(jié)點，引發(fā)控制邏輯切換C-P融合事件驅(qū)動模型電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)建模狀態(tài)1狀態(tài)4狀態(tài)3狀態(tài)2系統(tǒng)狀態(tài)遷移路徑狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L23狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L12狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L41狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L3439▲融合流模型：GCPS狀態(tài)更新（潮流方程）狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L12狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L34狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L23當(dāng)前運行模態(tài)融合流模型：元件級狀態(tài)更新（MLD）

基于C-P融合事件驅(qū)動模型，推演并分析各類信息物理耦合故障引發(fā)的事件交互及模態(tài)遷移過

程，支撐GCPS運行的動態(tài)安全性評估與預(yù)警。全局風(fēng)險指標(biāo)計算事件驅(qū)動

驅(qū)動判據(jù)成立

運行模態(tài)遷移

驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)移

電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)建模事件驅(qū)動融合模型在風(fēng)險預(yù)警中的應(yīng)用控制策略調(diào)整多場景故障概率評估系統(tǒng)運行狀態(tài)模態(tài)3模態(tài)1模態(tài)420種預(yù)想風(fēng)險

場景集離散狀態(tài)域

控制指令

風(fēng)險評估計算下一刻運行模態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯L41引起模態(tài)24}二、數(shù)字孿生電網(wǎng)的形態(tài)特征一、信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生的概念引入三、電網(wǎng)信息物理融合建模五、小結(jié)四、數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用前景

提

綱

contents41配電物聯(lián)網(wǎng)信息物理交互平臺依據(jù)GCPS項目的理論成果，初步研發(fā)了電力信息物理耦合動態(tài)仿真和安全評測平臺。應(yīng)用融合建模和耦合事件分析理論，對極端災(zāi)害和惡意攻擊下電力信息物理系統(tǒng)安全性和

恢復(fù)水平進行評估、制訂優(yōu)化防御和恢復(fù)策略。數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用展望43?

未來電網(wǎng)形態(tài)

模擬?

全生命周期推

演電網(wǎng)發(fā)展與規(guī)劃?

源網(wǎng)荷儲協(xié)同?

復(fù)雜場景推演?

設(shè)備運行模擬?

設(shè)備故障預(yù)演?

設(shè)備壽命評估設(shè)備狀

態(tài)診斷

與預(yù)測?模擬測試環(huán)境?

系統(tǒng)虛擬調(diào)試?

系統(tǒng)情景培訓(xùn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)調(diào)試數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用展望析與控

運行分制Paper

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ECE二、數(shù)字孿生電網(wǎng)的形態(tài)特征一、信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生的概念引入三、電網(wǎng)信息物理融合建模四、數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用前景五、小結(jié)

提

綱

contents45應(yīng)用前景1.在當(dāng)前碳達峰和碳中和目標(biāo)實現(xiàn)的背景下，建立新能源為

主體的新型電力系統(tǒng)面臨分析理論與方法的新突破，

GCPS項目成果初步建立的信息-物理交互的分析理論大有

作為。2.電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)可以從多維全景感知、信息-物理-價值

多流融合模型構(gòu)建、數(shù)字孿生電網(wǎng)與設(shè)備等方面為新型

電力系統(tǒng)提供理論方法與模型基礎(chǔ)，改進傳統(tǒng)電網(wǎng)的運行

與控制模式。46微信公眾號：CPSforPowerGrid47AbstractAmorereliable,ef?cient,andresilientsmartgriddependsontheapplicationsofadvanced

informationandcommunicationtechnologiestosupportnewfunctionsandcontrols.The

critical

infrastructure

ofa

smart

grid

consists

ofsome

major

components

such

as

moni-

toring,controls,communicationprotocoland

software.The

cyber-physical

system

(CPS),

whichintegratesthesecomponents,isanimportantenabler

forthe

expected

transition

of

theenergysystemdriven

bydecarbonization,digitalizationanddecentralization.

This

paper

providesan

overviewofthepolicydrivers

andbarriers

for

the

implementation

ofCPS

in

power

systems.

With

the

vast

deployment

ofdistributed

energy

resources

(DERs),

there

isincreasing

demand

tomodel

thehardware,

software

and

theirinteractions

in

the

smart

gridenvironment.Thispaperreviewsthemodellingandapplicationsof

intelligentCPSfor

decentralized

energy

systems.Theintegration

ofDERs

andthe

supportiveinfrastructure

makemodernpower

systemsmorevulnerableandless

reliable

to

external

threats

such

as

terroristintrusion.Therearegrowingconcernsovertheriskof

cyber-attacksinmartgrids.

Thispaper

surveys

thelatestprogress

on

criticalinfrastructure

identi?cation

and

protec-

tion,

as

well

as

risk

assessment

and

mitigation

methods

for

cyber-attacks.

Finally,

some

advancedissuesincyber-physicalenergysystemsareaddressed.physical

entities

andintroducesnovel

communication

and

sen-

sortechnologies,isexpectedtoplayakeyrolein

the

realization

of

gridmodernization.The

terminology

CPS

is

originally

from

computer

science.

The

National

Science

Foundation

de?nes

the

CPS

as

the

sys-

tems

to

integrate

sensing,

computation,

control

and

network-

ingintophysicalobjectsandinfrastructure,connectingthemto

the

Internet

and

to

each

other

[2].There

are

three

domainsin

the

CPS:

the

physical

system,

the

cyber

system,

and

the

cyber-

physical

integration.

Compared

with

the

conventional

digitalsystems,

the

CPS

has

two

advancedfunctional

components:

(1)Connectivityof

physicalworldinformationand

cyber

spacefeedback,and(2)capability

of

intelligent

data

management,ana-

lytics

and

computation.As

oftoday,

the

CPS

has

been

applied

in

many

areas

such

as

automotive

systems,

aerospace,

chemi-

cal

processes,

civil

infrastructure,

energy,

healthcare,

manufac-

turing,

and

transportation.

The

application

ofCPS

on

electric

powergridis

an

emergingnewtopic.The

modern

electric

grid1INTRODUCTIONInrecent

years,thesmart

gridhasbecomean

increasinglyattrac-

tivetopicinpowerindustry.Comparedtothetraditionalpower

grid,the

smartgridis

more

?exible,

effective,

sustainable,

reli-

ableandsecure.Inaddition,a

smartgrid

shouldbe

able

to

sus-

taintheintegrationof

large-scaleintermittentrenewableenergy

generation,increasetheparticipationofendusers,

andprompt

ef?cient

operation

ofelectricity

markets.

The

US

Department

of

Energy

(DOE)

recently

launched

the

Grid

Modernization

Initiative

for

the

smart

grid

to

accommodate

the

technolog-

icalchangeshappeninginthegeneration,transmissionand

distribution

of

electric

power[1].

The

future

of

the

grid

will

become

more

intelligent

to

deliver

resilient,

reliable,

?exible,secure,

sustainable,

and

affordable

electricity

to

the

customers.

In

particular,

a

smarter

grid

implies

the

increasing

application

of

sensors,communicationsandcomputers.Thecyber-physical

system

(CPS),

which

collaborates

computational

elements

andAsurveyonpolicies,modellingandsecurityof

cyber-physical

systemsinsmartgridsQin

Wang1

Guangyuan

Zhang2

Fushuan

Wen3,41

GridOperationsandPlanningGroup,Electric

PowerResearchInstitute,PaloAlto,California,

USA2

CommercialAnalysisGroup,RWERenewables

America,Austin,Texas,USA3

Departmentof

ElectricalPowerEngineeringand

Mechatronics,TallinnUniversityof

Technology,Tallinn,Estonia4

Schoolof

ElectricalEngineering,Zhejiang

University,Hangzhou,ChinaCorrespondenceGuangyuan

Zhang,RWE

RenewablesAmerica,

Austin,TX78701,USA.Email:gzhang@FundinginformationNational

Natural

Science

FoundationofChina,

Grant/Award

Number:U1910216Thisisanopenaccessarticleunderthetermsof

theCreativeCommonsAttributionLicense,whichpermitsuse,distribution

andreproductioninanymedium,provided

the

originalworkis

properlycited.?

2021

TheAuthors.Energy

Conversion

and

Economicspublished

byJohnWiley

&

Sons

Ltd

on

behalfofThe

Institution

ofEngineering

and

Technology

and

the

State

Grid

Economic

&

TechnologicalResearchInstituteCo.,Ltd.Energy

Convers.Econ.

2021;2:197–211.

wileyonlinelibrary.com/iet-ece

197Received:

8April2021

Revised:

13

June2021

Accepted:

10October2021

EnergyConversion

andEconomicsDOI:

10.1049/enc2.12051REVIEWthem.

The

monitoring

data

is

transmitted

from

the

physical

system

to

the

cyber

system.

The

control

signals

optimized

in

the

computational

devices

of

the

cyber

layer

are

sent

to

the

physicalobjectsthroughtheinteractionlink.The

clean

energytransitionis

takingplace

atunprecedented

scopeandscalearoundtheglobe.InEuropeanUnion(EU),theenergy

transition

is

largely

driven

by

the2030climate

andenergyframeworkproposedinSeptember2020withthefollowingkey

targets:

(1)At

least40%cuts

in

greenhouse

gas

emissions

from1990

levels;

(2)

at

least

32%

share

for

renewable

energy;

and(3)

at

least

32.5%improvement

in

energy

ef?ciency

[5].

In

theUnited

States,

the

energy

transition

is

driven

by

Renewables

PortfolioStandard(RPS)requirementineachstate.Somestates

such

as

California

and

Hawaii

have

set

the

goal

to

achieve100%clean

electricity

in

the

next

decades[6].China

has

promised

to

become

carbon

neutral

before

2060

and

renewable

electric-

ity

generation

will

play

a

signi?cant

role

in

reaching

this

goal

[7].Thecleanenergytransitionpromptstheaccelerateddeploy-

ment

of

novel

technologies

such

as

energy

storage,

inverters,

advancedmetering,bigdata,machinelearning,andtheInternet

ofThings

(IoT).

The

CPS

is

the

orchestration

of

these

tech-

nologiesbyprovidingsynergeticeffectsto

increase

energy

ef?-

ciency,

accelerate

decarbonization

and

leverage

the

power

of

digitalization.Despitethenumerousadvantages,therearethreemajorchal-

lenges

for

theimplementation

ofCPSin

power

systems.

First,

the

clean

energy

transitionis

policy-driven,

thusitis

crucial

to

understand

the

policies

that

prompt

the

development

ofCPS-

relatedtechnologies.However,theutilities’

lackof

policyknowl-

edgeishamperingthedeploymentof

CPSintheirsystems.Sec-

ond,thepower

systemnowneeds

to

dealwith

millions

ofsen-

sors,

end

devices

and

small-scale

distributed

energy

resources

(DERs)spreadalloverthegrid,insteadof

onlyafewlarge

cen-

tralpowerplants.Hence,newmethodsareneededtomodeldif-

ferent

components

ofthe

system.Third,

the

CPSis

facing

sig-

ni?cant

securityissueswithincreased

connectivityofthe

cyber

and

physical

world.

The

objective

of

this

paper

is

to

demon-

stratethelatestliteratureonthepolicies,modellingandsecurity

of

CPSinsmartgrids.Therestof

thepaperisorganizedasfollows.Section

2

reviewsthemajorstandards,reportsandpoliciesonasmart

grid

CPS.

Section

3

investigates

therole

ofintelligent

CPSin

smart

grids

with

vast

deployment

ofdecentralized

renewable

energy

resources.Section

4

discussesthecriticalinfrastructureidenti?-

cation

and

protection

and

the

methods

ofrisk

assessment

and

mitigation.

Section5

discusses

the

advanced

topics

for

energyCPS.Finally,Section

6

concludes.2POLICYDRIVERSANDBARRIERSFORTHEIMPLEMENTATIONOFCPSIN

POWERSYSTEMS2.1

Policy

driversMorerecently,theclean

energy

transitionin

manynations

has

been

driven

by

the

transformation

ofenergy

sectors

fromFIGURE1

Cyber-physicalinfrastructureof

an

electricpowergridis

a

complex

system

consisting

of

several

subsystems:

genera-

tion,

transmission,

substation,

distribution,

and

consumption.

With

the

fast

development

of

information

and

control

tech-

nologies,

and

with

the

emerging

ofdistributed

generation

and

responsivedemand,thegridisbecoming

‘smarter’inthatitcan

achieve

higher

ef?ciency,

lower

costs,

and

enhanced

reliability

inpowergenerationanddelivery.Differentfromthetraditional

powersystem,thesmartgridhastwo

unique

features:

(1)More

dependent

on

electronicinformation

resources,whichis

orga-

nized

for

the

collection,

processing,

maintenance,

use,

sharing,

anddisseminationof

information;

(2)higherusageof

industrial

controlsystems

(ICS),whichmayencompassdifferenttypes

of

control

systems

such

as

supervisory

control

and

data

acquisi-

tion

(SCADA)systems,distributedcontrolsystems

(DCS),pro-grammable

logic

controllers

(PLC)

[3].Figure

1

showsthecyber-physicalinfrastructure

ofthe

electric

power

grid.

The

physical

objects

include

devices

and

facilitiesinthepowergeneration,transmission,anddistribution

systems.Amongthem,the

sensorsand

advanced

metering

infrastructure

(AMI)suchassmartmeterscanmeasurethecus-

tomer’susage

ofelectricity;processors

are

connectedtopower

electronic

devices

to

collectinformation

and

re