大学物理论文3000范文

这是我在网上看到的一篇物理论文范文，希望对你有帮助。摘要：可靠性问题一直以来是各个行业关注的重点，伴随着电子工业的迅猛发展，可靠性分析将会越来越多的应用到该领域。在过电压防护领域中，SPD(Surge Protection Device)及浪涌保护系统的可靠性在电源、信号及射频显得尤为重要。本文使用系统性分析的方法对SPD的可靠性进行了分析，提出了提高SPD可靠性的途径，为今后的SPD技术发展提供了参考。关键词：可靠性；SPD；过电压；浪涌保护0 引言近代科技中，对元器件、零部件、整机、系统的可靠性提出了越来越高的要求。随着人们越来越多的使用电子元器件，电子元器件不能承受过电压和过电流的缺陷导致过电压保护器件在越来越多的行业中使用。于是各个行业针对SPD的可靠性提出了更高的要求。因此，为了适应现代科技的发展及基于设备、系统安全的考虑，对SPD的可靠性问题进行系统的分析并提出提高其可靠性的途径是很有必要的。1 串联系统与并联系统的可靠性评价方法由于包括SPD在内的各种产品都是通过若干个单元为了完成规定的功能而组合在一起的。因此除了针对单个部件和真个产品性能的评估外，还需要对系统结构进行可靠性评价。针对系统最基本的评价方法有串联系统和并联系统两种，因为任意的系统均可由这两种关系组成。 串联系统的可靠度串联系统指的是对于一个系统来说，如果只要有一个单元失效就导致整个系统的失效，或者只有当所有单元都正常工作时，系统才正常工作。串联系统的模型如图一所示：设在时间t内，SPD的压敏单元Ai正常工作的事件为Xi，则串联系统的可靠度R（t）就是所有这n个单元同时正常工作的概率。即：R（t）=P（x1•x2•……•xn ）若各单元可靠度相互独立，则串联系统的可靠度为：P（x1）= R1（t）P（x2︳x1）= P（x2）=R1（t）……P（xn︳x1•x2•……•xn ）= P（xn）=Rn（t）于是串联系统的可靠度为：R（t）= ∏ni-1 Ri（t）由此式可见，单元数目越多，串联系统的可靠度越低。 并联系统的可靠度并联系统指的是只要有一个单元还未失效，则整个系统就不发生故障，或者说只有当所有单元都失效时，整个系统才失效。并联系统模型如图二所示：设在时间t内，压敏单元Bi，发生故障的事件分别为Yi，则系统不可靠度为：F(t)= P（y1•y2•……•yn ）同理得到：F（t）= ∏ni-1 Fi（t）则可得出，并联系统的可靠度为：R（t）=1- ∏ni-1 Fi（t）=1- ∏ni-1 [1-Ri（t）]由此式可见，单元数目越多，并联系统的可靠度越高。 并串联系统的可靠度对于SPD和其他的产品来说，很少有单一串联的系统或单一并联的系统，往往都是综合两者的系统。串并联系统指的是各单元的关系先串联，然后并联组合。并串联系统指的是各单元的关系为先并联，然后串联组合。SPD的应用中多采取并串组合的方式，如图三所示：其中并串联系统的可靠度为：Rsp =1-（1-Rn）k由此可以看出，SPD最终采取的还是MOV与GDT的串联组合且系统已经简化到极致。因此要保证SPD的可靠性，均需要保证MOV和GDT单元的可靠性，即我们通常所讲的可靠度、瞬时故障率及平均故障间隔时间。2 保证和提高SPD可靠性途径基于上述的分析可以看出保证SPD可靠性的问题集中在保证MOV和GDT的可靠性上了，因此两个器件的参数正态分布将直接影响到SPD的可靠性。除此之外，选取器件的过程中，减额使用的原则也是非常重要的，即设计时让元器件、零部件和组件在低于负荷的情况下使用。 静态参数一致性控制对于SPD中的静态参数来讲，在设计阶段均做过SPD的极限测试，即MOV和GDT电压分别在最高和最低情况下的不同组合，这样制定出的上限下限将作为器件参数正态分布时参考的关键指标。根据R（t）= ∏ni-1 Ri（t）可以看出，要保证R（t）越低，前提是保证RMOV（t）和RGDT（t）的可靠度。通过静态参数的正态分布图可以看出，只要保证参数的一致性即可在很大程度上保证系统的可靠度。如图四所示： 器件的标准化选取标准化的器件和参数是经过权威部门鉴定或者长期的实验验证的结果，比起新设计的或者定制的器件更可靠。若保存或建立一个具有基本失效率值的标准元器件手册以备设计者选用，则产品的可靠性设计将大大减少系统可靠性设计的工作量。3 结论本文使用质量管理中的可靠性分析方法针对SPD进行了研究，根据SPD具体的系统设计及结构方式进行评估后，可以得出以下结论：1. 由于SPD系统通常均采用MOV与GDT串联的方式组合，因此SPD的可靠性主要由MOV和GDT的可靠性决定。2. 为了保证器件的可靠性，需要重点注意的是MOV与GDT的静态参数一致性，器件选型的标准化和减额使用的设计方法。3. 后续需要进一步就元器件的可靠性进行研究，以保证从工艺层面上寻找出更加有效的控制手段。[参考文献][1] 郎志正 质量管理及其技术方法 2003，345～361.[2] 马逢时 刘传冰 等 六西格玛管理统计指南--MINTAB使用指导 2007，第四章

大学物理实验是一门着重培养大学生综合能力和素质的课程。做好大学物理实验课程的考试工作对于大学物理实验课程教学质量的提高和人才的培养都具有重要的意义。本文是我为大家整理的大学物理实验 报告 范文 3篇_大学物理实验报告怎么写，仅供参考。

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大学物理实验报告范文篇一：

一、实验综述

1、实验目的及要求

1.了解游标卡尺、螺旋测微器的构造，掌握它们的原理，正确读数和使用 方法 。 2.学会直接测量、间接测量的不确定度的计算与数据处理。 3.学会物理天平的使用。 4.掌握测定固体密度的方法。

2 、实验仪器、设备或软件

1 50分度游标卡尺 准确度= 最大误差限 △仪=± 2 螺旋测微器 准确度= 最大误差△仪=± 修正值=

3 物理天平 t天平感度 最大称量 500g △仪=± 估读到

二、实验过程(实验步骤、记录、数据、分析)

1、实验内容与步骤

1、用游标卡尺测量圆环体的内外径直径和高各6次; 2、用螺旋测微器测钢线的直径7次; 3、用液体静力称衡法测石蜡的密度;

2、实验数据记录表

(1)测圆环体体积

(2)测钢丝直径

仪器名称：螺旋测微器(千分尺) 准确度= 估读到

测石蜡的密度

仪器名称：物理天平TW— 天平感量： g 最大称量500 g

3、数据处理、分析

(1)、计算圆环体的体积

1直接量外径D的A类不确定度SD ,SD=○

SD=

2直接量外径D的B类不确定度u○

d.

ud,=

Ud=

3直接量外径D的合成不确定度σσ○

σD=

4直接量外径D科学测量结果 ○

D=(±)mm

D=

5直接量内径d的A类不确定度S○

Sd=

d。d

S=

6直接量内径d的B类不确定度u○

d

ud=

ud=

7直接量内径d的合成不确定度σi σ○

σd=

8直接量内径d的科学测量结果 ○

d=(±)mm

9直接量高h的A类不确定度S○

Sh=

d

=

h h

S=

10直接量高h的B类不确定度u○

h d

uh=

11直接量高h的合成不确定度σ○

σh= 12直接量高h的科学测量结果 ○

h=(±)mm

h

σh=

13间接量体积V的平均值：V=πh(D-d)/4 ○

2

2

V =

14 间接量体积V的全微分：dV=○

3

? (D2-d2)

4

dh+

Dh?dh?

dD- dd 22

再用“方和根”的形式推导间接量V的不确定度传递公式(参考公式1-2-16)

222

?v((D2?d2)?h)?()?()

计算间接量体积V的不确定度σ

3

σV=

V

15写出圆环体体积V的科学测量结果 ○

V=(±) mm

2、计算钢丝直径

(1)7次测量钢丝直径d的A类不确定度Sd ，Sd=SdSd =

3

(2)钢丝直径d的B类不确定度ud ，ud=ud

ud=

(3)钢丝直径d的合成不确定度σ。σd=dσd=

(4)写出钢丝直径d的科学测量结果 d=(±)mm

3、计算石蜡的密度

(1)以天平的感量为Δ仪，计算直接测量M1、M2、M3的B类不确定度uM uM=

(2)写出直接测量M1、M2、M3的科学测量结果

M1=(±)g M2=(±)g M3=(±)g

(3)ρt以为标准查表取值，计算石蜡密度平均值：?

M1

?t

M2?M3

ρ=(kg/m3)=(kg/m3) (4)间接量石蜡密度ρ的全微分：

?tm1?tm1?t

dρ=dm1-dm2+dm3

m2-m3(m2-m3)2(m2-m3)2

再用“方和根”的形式推导密度的不确定度传递公式 (参考公式1-2-16)

2

??(?t?m1/(m2?m3))?(m1?t?m2/(m2?m3)2)?(m1?t?m3/(m2?m3)2)

2

2

计算间接量密度ρ的不确定度σ

3 3

dρ= kg/m= kg/m

(5)写出石蜡密度ρ的科学测量结果 ρ=(±) kg/m3

ρ

三、结论

1、实验结果

实验结果即上面给出的数据。

2、分析讨论

(1) 心得体会 ：

1、天平的正确使用：测量前应先将天平调水平，再调平衡，放取被称量物和加减砝码时○

一定要先将天平降下后再操作，天平的游码作最小刻度的1/2估读。

2、螺旋测微器正确使用：记下初始读数，旋动时只旋棘轮旋柄，当听到两声“咯咯”响○

时便停止旋动，千分尺作最小刻度的1/10估读。

(2)思考：

1、试述螺旋测微器的零点修正值如何确定?测定值如何表示? ○

答：把螺旋测微器调到0点位置，读出此时的数值，测定值是读数+零点修正值 2、游标卡尺读数需要估读吗? ○

答：不需要。

3、实验中所用的水是事先放置在容器里，还是从水龙头里当时放出来的好，为什么? ○

答：事先放在容器里面的，这样温度比较接近设定温度。

(3)建议

学校的仪器存放时间过长，精确度方面有损，建议购买一些新的。

四、指导教师评语及成绩：

评语：

成绩： 指导教师签名：

批阅日期：

大学物理实验报告范文篇二：

一、实验目的

。。。。

。。。。。

二、实验原理

。。。。

。。。。。。

三、实验内容与步骤

。。。。

。。。。。

四、数据处理与结果

。。。。

。。。。。

五、附件：原始数据

____说明：

第五部分请另起一页，将实验时的原始记录装订上，原始记录上须有教师的签名。

大学物理实验报告范文篇三：

【实验题目】长度和质量的测量

【实验目的】

1. 掌握米尺、游标卡尺、螺旋测微计等几种常用测长仪器的读数原理和使用方法。 2. 学会物理天平的调节使用方法，掌握测质量的方法。

3. 学会直接测量和间接测量数据的处理，会对实验结果的不确定度进行估算和分析，能正确地表示测量结果。

【实验仪器】(应记录具体型号规格等，进实验室后按实填写)

直尺(50cm)、游标卡尺()、螺旋测微计(0～25mm,),物理天平(TW-1 B型 ，分度值，灵敏度1div/100mg),被测物体

【实验原理】(在理解基础上，简明扼要表述原理，主要公式、重要原理图等)

一、游标卡尺

主尺分度值：_=1mm,游标卡尺分度数：n(游标的n个小格宽度与主尺的n-1小格长度相等),游标尺分度值：

n?1n

_(50分度卡尺为分度的为：),主尺分度值与游标尺

n?1n

_

_n

分度值的差值为：_?

,即为游标卡尺的分度值。如50分度卡尺的分度值为：

1/50=分度的为：1/20=。

读数原理：如图，整毫米数L0由主尺读取，不足1格的小数部分?l需根据游标尺与主尺对齐的刻线数

?lk_?kk和卡尺的分度值_/n读取：

n?1n

_k

_n

读数方法(分两步)：

(1)从游标零线位置读出主尺的读数.(2)根据游标尺上与主尺对齐的刻线k读出不足一分格的小数,二者相加即为测量值.即: ll0??ll0?k

_n

,对于50分度卡尺：ll0?k?;

对20分度：ll0?k?。实际读数时采取直读法读数。

二、螺旋测微器

原理：测微螺杆的螺距为，微分筒上的刻度通常为50分度。当微分筒转一周时，测微螺杆前进或后退，而微分筒每转一格时，测微螺杆前进或后退。可见该螺旋测微器的分度值为，即千分之一厘米，故亦称千分尺。

读数方法：先读主尺的毫米数(注意刻度是否露出)，再看微分筒上与主尺读数准线对齐的刻线(估读一位),乖以, 最后二者相加。 三：物理天平

天平测质量依据的是杠杆平衡原理

分度值:指针产生1格偏转所需加的砝码质量，灵敏度是分度值的倒数，即S

n?m

，它表示

天平两盘中负载相差一个单位质量时，指针偏转的分格数。如果天平不等臂，会产生系统误差，消除方法：复称法，先正常称1次，再将物放在右盘、左盘放砝码称1次(此时被测质量应为砝码质量减游码读数)，则被测物体质量的修正值为：m

【实验内容与步骤】(实验内容及主要操作步骤)

m1?m2。

1. 米尺测__面积：分别测量长和宽各一次。

2. 游标卡尺测圆环体积：(1)记下游标卡尺的分度值和零点误差。(2)用游标卡尺测量圆环的外径D、内径d及圆环高度h各6次(在垂直交叉方向进行)。

3.千分尺测小钢球直径：(1)记下螺旋测微器的分度值，(2)测量其零点读数3次，求出平均值.(3)用千分尺测量小钢球不同部位的直径d，测量6次(要在垂直交叉方向进行)。

4.物理天平使用(1)调底座水平;(2)调平衡;(3)称量;(4)天平复原。

【数据处理】 (实验数据见数据记录纸,不必在报告里再抄写一遍，要有主要的处理过程，要求用作图法处理的应附坐标纸作图或计算机打印的作图，处理的中间结果应多保留1-2位，以免产生截断误差，最终结果表示应符合有效数字规则和不确定度位数要求,计算中要特别注意单位的换算和书写)

【实验结果与分析】

1、米尺测得__的面积为：，相对不确定度：

2、游标卡尺测得圆环体积为：)(10)(34mmV??，相对不确定度： 3、千分尺测得圆球直径为：)(，相对不确定度： 4、复称法测得圆柱体质量为：。

测量结果是可信的。面积的相对不确定度非常小，并不能说明误差非常小，因只对长、宽的一个位置进行了一次测量。

游标卡尺测量误差主要来自对与主尺对齐的游标格线判断不准;螺旋测微器的测量误差主要来自对格线是否露出的判断和零点读数及估读数;

从天平测量结果可以看出，复称法测出的两次质量很接近，说明天平的不等臂误差是很小的。

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物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，是当今最精密的一门自然科学学科。下文是我为大家整理的关于物理学方面的论文的 范文 ，欢迎大家阅读参考!

试谈物理学专业电动力学课程教学

动力学电磁现象的经典的动力学理论。通常也称为经典电动力学，电动力学是它的简称。它研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。

一、课程教学根本理念

第一，在教学中要尊重先生学习的主体性、教员教学的主导性，片面发扬先生的盲目性、自动性、发明性。第二，“电动力学”课程属于专业根底课程，教学内容布置上除了让先生学习本门课程的根本知识、根本实际、根本思绪，与其他物理学分支也具有个性和特性的关系。针对这一特点，教师在教学中要留意引导先生类似性抽象思想。第三，教学应突出探求式教学办法，改动传统的教学形式，把信息技术与电动力学课程最大限制地整合，运用多种古代 教育 手腕优化教学进程，推行启示式、探求式、讨论式、小制造等授课方式，培育先生的创新思想和创新理念。

二、在本课程教学中该当做到以下几点

1.讲授内容应实际联络实践

“电动力学”作为一门专业学科课程，是师范院校物理专业的根底实际课。教学中要求先生掌握课程的根本知识、根本实际和根本原理，使先生加深对所授知识的了解，更可深入看法电动力学的实践使用价值，到达学致使用的目的，同时提升先生剖析成绩、处理成绩的才能。

2.注重先生学习的主体性和集体性培育

从课程的设计到评价各个环节，在留意发扬教员在教学中主导作用的同134教改课改2016年3月时，应特别留意表现先生的学习主体位置，以充沛发扬先生的积极性和发掘学习潜能。要求先生能初步剖析消费、生活中的电动力学成绩，以提升先生的剖析成绩和处理成绩的才能。在电动力学实际的学习中运用数学工具处置成绩，使先生看法数学和物理的亲密关系，培育先生运用数学工具处理物理成绩的才能。培育先生自学才能，重要的不是教内容，而是教给先生学习办法。要充沛留意先生的兴味、专长和根底等方面的集体差别，因材施教，依据这种差别性来确定学习目的和评价办法，并提出相应的教学建议。课程规范在课程设计、教学方案、方案制定、内容选取和教学评价等环节上，为教学、学习提供了选择余地和开展的空间。

3.运用多种古代教育手腕优化教学环节

充沛应用古代化教学手腕，发扬信息化教学的劣势，加强先生的学习兴味，进一步强化需求掌握的知识点，拓宽知识面，加强先生的理论操作技艺，培育迷信的思想方式，这样先生能更好地掌握“电动力学”课程知识所触及的相关迷信办法，无效提升其发现成绩、剖析成绩、处理成绩的才能。

4.具有良好的实验条件，充沛保证明验和理论训练质量

鼓舞先生展开科研理论训练，参与各类科技竞赛。实验课及理论训练要留意培育先生的逻辑思想、发明性思想，充沛应用好物理、电子竞赛等创新平台，促进电动力学课程的教学。

三、课程学习战略探求

第一，针对“电动力学”是实际根底课的特点，先生必需坚持 课前预习 ，预习进程中无意识地提出成绩。课堂教学次要采用探求式课堂教学法，即每节课突出一个主题，讲清论透相关原理知识，每个主题经过师生多种方式的互动，教员及时理解、处理先生的疑问成绩，以加强先生的学习兴味。第二，将传统板书、电子课件、网络和视频多种教学手腕相结合。如课内讲授与课外讨论和制造相结合、根底实际教学与学科前沿讲座结合、根本实际与科研理论训练相结合。第三，鼓舞先生参与科研理论训练和各类科技竞赛。培育多样化使用型人才，以培育使用型、复合型、技艺型人才，加强 毕业 生失业才能，完本钱课的预期目的。第四，电动力学也是一门理论性很强的课程，其研讨对象是区别于实物的物质形状，具有笼统的特征。为防止课程教学的数学化，我们将充沛使用当代信息技术的劣势，比方说以视频教学材料加强先生的理性看法和入手才能。再次，实验课及理论训练要留意培育先生的逻辑思想、发明性思想才能和素质，充沛发扬先生的物理思想和物理探求才能。

四、课程教学办法探求

本课程教学中应留意电动力学实际与理论的结合，尊重先生学习的主体性，适当布置指点性自习，培育先生的自学才能。增强对先生课前、课后的答疑辅导，注重先生才能的培育，使先生经过对电动力学中根本实际的了解，看法和掌握电动力学原理的研讨规律，开辟思绪，初步培育先生的科研思想。

1.“双边反应式”教学法

这种教学法由“自学”和“反应”两局部构成，其着眼点是先生在教员指点下的自学和教员由反应来的信息而停止的有重点的解说，使先生的才能在重复训练中失掉锤炼。“自学”和“反应”表现了先生和教员的互相联络、互相配合、互相作用的训练进程。

2.以成绩为中心，展开课堂讨论

式教学法建议课堂教学中遵照迷信性、主体性、开展性准绳，采用以先生为主体的小组讨论式的办法，从提出成绩动手，激起先生学习的兴味，让先生有针对性地去探究并运用实际知识处理实践成绩;也可以针对教研室科研任务中遇到的成绩设计讨论或考虑题，以启示先生剖析、讨论有关电动力学成绩，学习并稳固电动力学知识，开辟思绪，培育科研思想。

3.倡导学导式的教学方式

在教员指点下，先生停止自学、自练，教员把先生在教学进程中的认知活动视为教学活动的主体，让先生自动地去获取知识，开展各自才能，从而到达在充沛发扬先生自动性的根底上，渗入教员的正确引导，使教学单方各尽其能，各得其所。

4.多展开课外理论活动

课外理论训练中，要留意培育先生的逻辑思想、发明性思想才能和素质。鼓舞和指点有才能的先生进入科研理论训练，参与各类科技竞赛。将先生撰写的课程小论文融入教学全进程,从中选出有质量的项目进入科研理论训练。充沛应用好物理、电子竞赛等创新平台，促进电动力学课程的教学，培育使用型、复合型、技艺型人才，加强毕业生失业才能。“电动力学”作为一门探求性课程，在课堂教学中，要突出先生的参与性，使他们自动获取而不是主动承受迷信结论，互动思想使先生觉得电动力学发人沉思，不难入门。“电动力学”与其他物理学分支具有“个性”和“特性”的关系。为了激起先生学习兴味，可以常常采用课堂讨论方式，由先生发问，在教员引导下大家讨论， 总结 得出正确结论。由于剖析“电动力学”需求运用笼统思想，所以课堂教学应充沛运用多媒体，尽量运用图像和颜色搭配，使先生树立正确的物理图像。留意“信息技术”与“电动力学”课程的无效整合，这关于全体优化教学进程，进步先生的专业知识学习效果、进步先生的信息技术才能、培育先生的协作认识和创新肉体均具有严重的理想意义。同时，可将教学实际使用到创新理论才能训练中，使用到物理、电子等各类竞赛中。

参考文献：

[1]冯云光.物理专业电动力学教学变革的探究[J].才智，2014，(19).

[2]郑伟，吕嫣.电动力学网络教学平台建立的研讨[J].沈阳师范大学学报(自然迷信版)，2013，31(4)：531-534.

[3]刘佳.《电磁学》与《电动力学》课程体系创新研讨[J].科技信息，2013，(11)：44.

[4]熊万杰，陆建隆.对“电动力学”课程变革的探究[J].初等文科教育，2003，(6)：72-75.

[5]付长宝，徐国慧，王希英.基于电动力学教学变革的学习办法讨论[J].通化师范学院学报，2009，30

试谈电力信息物理融合系统

【摘 要】嵌入式系统、计算机技术、网络通信技术的快速发展使构建未来智能电网成为了可能，基于信息物理系统(CPS)技术构建电力信息物理融合系统(CPPS)为实现未来智能电网提供了新的思路。本文对CPPS平台进行了初步研究分析，介绍了应用于CPPS中的同步PMU技术、开放式通信网络、分布式控制。

【关键词】CPPS;同步PMU;开放式通信;分布式控制

引言

受能源危机、环保压力的推动，以及用户对电能质量(QoS)要求的不断提高，当代电力系统不再符合社会的发展需求，智能电网(Smart Grid)成为未来电力系统的发展方向。智能电网的发展原因主要有以下几个方面：

1)分布式电源(Distributed Generation，DG)大量接入电网导致的系统稳定性问题。由于DG的大量接入使电网变成一个故障电流和运行功率双向流动的有源网络，增加了系统的复杂度和脆弱度，因此亟需发展智能电网以解决DG大量接入电网导致的系统稳定性问题。

2)电力用户对电能质量(QoS)要求的不断提高。现代社会短时间的停电也会给高科技产业带来巨额的经济损失，近年来发生的大停电事故更是给社会带来了难以估量的经济损失。因此，亟需建立坚强自愈的智能电网以提供优质的电力服务。

论文主体结构如下：第1部分介绍了近年来信息物理系统(Cyber Physical System ，CPS)技术的发展以及CPS与智能电网的相互关系;第2部分介绍了电力信息物理融合系统(Cyber-Physical Power System，CPPS)的硬件平台模型;第3部分介绍了同步相量测量装置(Phasor Measurement Units，PMU)技术;第4部分对CPPS中的开放式通信网络进行了初步分析;第5部分对CPPS的分布式控制技术进行了简单介绍;最后第6部分做出全文总结。

1 CPS与智能电网的相互关系

CPS技术的发展得益于近年来嵌入式系统技术、计算机技术以及网络通信技术等的高速发展，其最终目标是实现对物理世界随时随地的控制。CPS通过嵌入数量巨大、种类繁多的无线传感器而实现对物理世界的环境感知，通过高性能、开放式的通信网络实现系统内部安全、及时、可靠地通信，通过高精度、可靠的数据处理系统实现自主协调、远程精确控制的目标[1]。

CPS技术已经在仓储物流、自主导航汽车、无人飞机、智能交通管理、智能楼宇以及智能电网等领域得以初步研究应用[2]。

将CPS技术引入到智能电网中，可以得到电力信息物理融合系统(Cyber-Physical Power System，CPPS)的概念。为了分析CPPS与智能电网的相互关系，首先简单回顾一下智能电网的概念。目前关于智能电网的概念较多，并且未达成一致结论。IBM中国公司高级电力专家Martin Hauske认为智能电网有3个层面的含义：首先利用传感器对发电、输电、配电、供电等环节的关键设备的运行状况进行实时监控;然后把获得的数据通过网络系统进行传输、收集、整合;最后通过对实时数据的分析、挖掘，达到对整个电力系统运行进行优化管理的目的[3-4]。

从上文关于CPS和智能电网的介绍中可以看出，CPS与智能电网在概念上有相通之处，它们均强调利用前沿通信技术和高端控制技术增强对系统的环境感知和控制能力。因此，在CPS基础上建立的CPPS为促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合，最终实现构建完整的智能电网提供了新的思路和实现途径。

2 CPPS的硬件平台架构

基于分布式能源广泛接入电网所引起的系统稳定性问题以及建立坚强自愈智能电网的总体目标，建立安全、稳定、可靠的智能电网成为未来电力系统研究的重要方向，同时也是CPPS研究的主要内容。

传统的电力系统监测手段主要有基于电力系统稳态监测的SCADA/EMS系统和侧重于电磁暂态过程监测的各种故障录波仪，保护控制方式主要有基于SCADA主站的集中控制方式和基于保护控制装置安装处的就地控制方式[5]。就地控制方式易于实现，并且响应速度快，但是由于利用的信息有限，控制性能不够完善，不能预测和解决系统未知故障，对于电力系统多重反应故障更不能准确动作。集中控制方式利用系统全局信息，能够优化系统控制性能，但是计算数据庞大、通信环节多，系统响应速度慢，并且现有SCADA系统主要对电力系统进行稳态分析，不能对电力系统的动态运行进行有效地控制。

针对目前电力系统监测、控制手段的不足，要建立坚强自愈的未来智能电网，必须建立相应的广域保护的实时动态监控系统，CPPS的硬件平台就是在此基础上建立起来的。

CPPS的硬件平台6层体系架构如图1所示，主要包括：物理层(电力一次设备)、传感驱动层(同步PMU)、分布式控制层(智能终端单元STU、智能电子装置IED等)、过程控制层(控制子站PLC)、高级优化控制层(SCADA主站控制中心)和信息层(开放式通信网络)。

其中，底层的物理层是指电力系统的一次设备，如发电厂、输配电网等。传感驱动层主要用于对电力系统的动态运行参数进行实时监控，测量参数包括电流、电压、相角等，在CPPS中广泛使用的测量装置是同步PMU。分布式控制层主要包括各STU/IED，为广域保护的分布式就地控制提供反馈控制回路。过程控制层主要指枢纽发电厂和变电站的控制子站，是CPPS的重要组成部分，通过收集多个测量节点的数据信息，建立系统层面的控制回路，并做出相应的控制决策。高级优化控制层是指调度中心控制主站，主要为电力系统的动态运行提供人工辅助优化控制。顶层的信息层即智能电网的开放式通信网络，注意信息层并不是单独的一层，而是重叠搭接CPPS的各个分层，为CPPS内部各组件提供安全、及时、可靠的通信。

上文给出了CPPS的硬件平台模型，但要在电力系统中具体实现CPPS，涉及诸多方面的技术难题，下面对CPPS中的同步PMU、开放式通信网络以及分布式控制等分别加以简单介绍。

3 同步PMU测量技术

同步PMU是构建CPPS的基础，它为CPPS中广域保护的动态监测提供了丰富的测量数据。同步PMU装置主要对电力系统内部的同步相量进行测量和输出，装设点包括大型发电厂、联络线落点、重要负荷连接点以及HVDC、SVC等控制系统，测量数据包括线路的三相电压、三相电流、开关量以及发电机端的三相电压、三相电流、开关量、励磁电流、励磁电压、励磁信号、气门开度信号、AGC、AVC、PSS等控制信号[6]。利用测得的数据可以进行系统的稳定裕度分析，为电力系统的动态控制提供依据。

同步PMU的硬件结构框图如图2所示。

其中，GPS接收模块将精度在±1微秒之内的秒脉冲对时脉冲与标准时间信号送入A/D转换器和CPU单元，作为数据采集和向量计算的标准时间源。由电压、电流互感器测得的三相电流、电压经过滤波整形和A/D转换后，送到CPU单元进行离散傅里叶计算，求出同步相量后再进行输出。注意，发电机PMU除了测量机端电压、电流和励磁电压、电流以外，还需接入键相脉冲信号用以测量发电机功角[7]。

4 CPPS的开放式通信网络

建立CPPS的开放式通信网络，应该在保证安全、及时、可靠的通信的基础上，使系统具有高度的开放性，支持自动化设备与应用软件的即插即用，支持分布式控制与集中控制的结合。对于建立的开放式通信网络，需要进行通信实时性分析、网络安全性和可靠性分析。

IEC 61850标准的应用

IEC 61850标准作为新一代的网络通信标准而运用于智能变电站中，支持设备的即插即用和互操作，使智能变电站具有高度的开放性。IEC 61850标准是智能变电站的网络通信标准，同时正在进一步发展成为智能电网的通信标准[8]，因此，使用IEC 61850作为CPPS通信网路的通信标准是最佳选择。

IEC 61850的核心技术[9]包括面向对象建模技术、XML(可扩展标记语言)技术、软件复用技术、嵌入式 操作系统 技术以及高速以太网技术等。

通信网络配置与分析

对于CPPS开放式通信网络的网络配置，可参考智能变电站的三层二网式网络结构配置，构建CPPS的3层式通信网络，如图3所示。

其中，底层为位于发电厂、变电站和重要负荷处的大量PMU、STU/IED，分别负责采集实时信息和执行保护控制功能。中间层为控制子站(过程控制单元PLC)，每个控制子站与多个PMU、STU/IED相连，以完成该分区系统层面的保护控制，并根据需要将数据上传到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上传数据，处理以后将控制信息下发到各控制子站，以实现CPPS的广域保护控制功能。注意，各层设备均嵌入GPS实现精确对时，保证全系统的同步数据采样。

5 CPPS的分布式控制机理

要建立坚强自愈的智能电网，必须利用新型控制机理建立可靠的电力控制系统。根据电力故障扩大的路径和范围以及故障的时间演变过程，文献[10-11]中提出建立时空协调的大停电防御框架，建立了电力系统的3道防线，为实现智能电网的广域动态保护控制奠定了良好的基础。

电力系统的分布式控制(Distributed Control，DC)是相对于传统的SCADA主站集中控制方式而言的，指的是多机系统，即用多台计算机(指嵌入式系统，包括PLC控制子站和STU/IED等)分别控制不同的设备和对象(如发电机、负荷、保护装置等)，各自构成独立的子系统，各子系统之间通过通信网络互联，通过对任务的相互协调和分配而完成系统的整体控制目标[12]。分布式控制的核心特征就是“分散控制，集中管理”。在电力系统的3道防线的基础上，结合分布式控制技术，建立CPPS的3层控制架构，如图4所示。

其中，分布式控制层主要是在故障发生的起始阶段(缓慢开断阶段)采取的控制 措施 ，其控制目标应该是保证系统在不严重故障下的稳定性，防止故障的蔓延。过程控制层是在系统已经发生严重故障时(级联崩溃开始阶段)所采取的广域紧急控制措施，需要付出较大的代价。通常针对可能会使系统失稳的特定故障，往往需要投切非故障设备以保证系统的稳定性。广域的紧急控制措施应该在故障被识别出的第一时间立即实施，控制措施实施越晚，控制效果越差。优化控制层是在前两层控制均拒动或欠控制而没有取得控制效果，同时在检测到各种不稳定现象后所采取的控制措施，通常需要进行多轮次的切负荷和振荡解列。在电力恢复阶段，要有自适应的黑启动和自痊愈的控制方案。

6 结语

将CPS 方法 引入到电力系统中，建立CPPS的模型平台，为建立坚强自愈的智能电网提供新的思路。文中对CPPS中的同步PMU测量技术、开放式通信 网络技术 、分布式控制技术分别进行了简单介绍。