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图4 智慧电厂仿生HCPS/CPSS的构成
对CPS纵向分析，智慧电厂是CPS、HCPS、CPSS的并集，三种系统同时存在，相互交融 。通过人-信息子系统（Human-Cyber Sub-System, HCS-S）将发电厂生产和管理人员的感知、机理分析与控制功能向信息系统映射复制迁移，使HCPS系统具有神经系统“认知、学习、分析、决策”能力；物理系统通过增加各种智能传感、检测和网络等物联网设施，形成电厂数字化物联网感知体系 。


同时，信息物理子系统（Cyber-Physical Sub-System, CPS-S）将物理子系统和信息子系统在感知、分析、决策、控制及管理等方面深度融合，代替电厂人员大部分的体力和脑力活动，并且充分考虑社会影响，通过网络和平台将各子系统集成为更大的HPS、CPS以及HCS系统，进而进化至HCPS/CPSS 。


3.3 智慧电厂CPS/HCPS/CPSS物理结构


为了实现智能电厂或智慧电厂CPS/HCPS/CPSS实时监控、混合建模分析、动态仿真和智能控制，构建了智慧电厂的物理结构如图5所示 。将传统生产控制Ⅰ区和生产监控Ⅱ区合并为智能控制安全Ⅰ区 。电厂物理系统的数字信号通过传感器和专用通信网络传输至智能控制Ⅰ区DCS存储服务器 。


根据《电力二次系统安全防护规定》的要求，通过防火墙隔离将DCS存储服务器数据映射传输至智能控制Ⅰ区大数据平台中，通过数据库存储的人类知识及三维机理模型，进行优化、预测、诊断、决策建模和在线仿真，构建CPS/HCPS/CPSS数字孪生体 。根据物理系统的实时信息和人类知识，不断自我学习提高仿真及数学模型精度，当达到预定精度后将仿真和模型计算结果，通过专线和防火墙镜像至DCS控制系统的高级应用控制器中，对物理系统实体进行嵌入式或分布式控制 。


而在智慧管理安全Ⅱ区中构建大数据云平台，实时镜像智能控制Ⅰ区大数据平台数据，开发高级应用服务器功能实现“人机料法环”全身命周期管理 。通过Ⅰ区和Ⅱ区相互映射和融合，在虚拟环境中构建一个物理系统、人/社会、信息系统深度融合的数字孪生发电厂 。



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图5 智慧电厂信息物理系统网络结构
4 基于仿生体系的智慧电厂工业互联网平台火力发电厂是一个涉及多参数、多耦合和多目标的复杂连续工业系统，不能以孤立的离散数据直接控制与管理 。为了实现智慧电厂CPS/HCPS/CPSS的自由组合，需要具有规范、可分解、统一的智慧电厂工业互联网平台 。


通过遵循面向服务的架构（SOA)，基于信息和通信技术（Information and Communication Technology, ICT），在统一的模型及服务接口标准基础上，构建智慧电厂工业互联网平台 。通过横向服务总线实现发电厂内部工业生产或管理全部信息的集成优化 。


通过纵向服务总线实现电厂内部不同部门、不同业务之间的互联互通、协同优化，以及集团内相关业务系统的互联 。通过服务总线实现与其他业务系统（如信息化系统、自动化控制系统、电网调度系统、交易市场系统等）的信息共享、协调优化控制及流程化管控 。


因此，智慧电厂工业互联网平台应可为智能系统和业务功能建设提供安全、可靠、高效和稳定的应用平台和数据平台服务支撑，实现系统和业务的横向集成与纵向贯通，打破数据孤岛 。通过模拟神经系统神经细胞的分层现象，本文基于仿生体系，构建如图6所示的智慧电厂工业互联网平台 。智慧电厂HCPS/CPSS划分为设备层（效应器）、感知层（细胞膜）、基础设施层（细胞器）、平台层（细胞质）和应用层（细胞核）的层级架构 。

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