有关物理研究方面的论文

物理学家，是指探索、研究世界的组成与运行规律的科学家。这是我为大家整理的关于物理学家学术论文，仅供参考!

对物理学家失误的解读

摘 要：通过在物理教学中客观介绍物理学家的失误，从而正确认识科学发展的曲折和科学家付出劳动的艰辛，并在实际探究的过程中体验物理学家研究问题的方法，发展科学探究所必需的创新思维，从而提高学生科学探究的能力。

关键词：失误;科学探究;创新思维

中图分类号：G420 文献标识码：A

文章编号：1992-7711(2012)10-081-1

在物理教学中，我们更多地介绍了物理学家成功的、正确的一面，而往往忽略了他们的失误。在物理教学中客观介绍物理学家的失误，通过对他们在特定历史条件下酿成失误原因的剖析，对中学物理教学具有积极的意义。

一、在物理教学中客观介绍物理学家的失误

事实上，物理大师也会走弯路，有失误。在物理学发展的过程中，这样的事例可以说是屡见不鲜的。发现放射性元素的贝克勒尔认为要找到比铀的放射性还要大得多的元素是不大可能的;牛顿推算光在介质中的速度比真空中大;电磁波的发现者赫兹由于实验的局限而错误地认为阴极射线不带电。

中子发现的历史更值得回顾。在查德威克发现中子前，在实验中已有迹象表明在核中可能存在一种中性子。例如，1930年德国物理学家玻特和他的学生利用α粒子轰击铍元素时，发现产生了一种穿透力极强的射线。后来居里夫人的女儿I?居里和她的丈夫约里奥对这种射线进行了研究。他们将这种射线射到石蜡上，测到了有反冲质子从石蜡放出，他们认为这反冲质子是由这种不带电的的射线所轰击出来的。但遗憾的是约里奥-居里夫妇和玻特等人都没能抛弃传统的旧观念，而断言为这种射线正是大家所知的Υ射线。太可惜了!尤其对约里奥-居里夫妇而言，只要根据打出质子的动能，仔细地推算一下，假如入射粒子是Υ光子的话，那么它的能量将达几十兆电子伏，要比实验测得的这种未知中性粒子的能量大得多，于是就会发现，这种未知中性粒子不可能是Υ射线。可惜旧的传统观念太深了，以致快到手的成果丢掉了。在正电子的发现过程中，同样的失误又一次发生在约里奥-居里夫妇身上，使他们成了正如恩格斯所描述的“当真理碰到鼻子尖上的时候，还是没有得到真理”的人。

纵观物理学家们的失误，造成他们作出错误分析或错失了重大科学发现的主要原因有两个：一是科学发现和创造是人类向未知领域不断探索的一个过程，而这个过程必然是复杂的、艰难曲折的，在这样的过程中出现一些失误是难免的;二是传统思想的束缚，科学发现和创造需要丰富的想象力，需要新思想、新观念，因循守旧、墨守成规就不可能作出科学发现，但突破传统观念总是非常不容易。

二、在物理教学中介绍物理学家失误的积极意义

在物理教学中，教师引导学生认识物理学家的失误，分析失误的原因，似乎会使学生产生对科学的怀疑，对科学家的不敬，在时代呼唤更多创新人才的今天，这并非不是一件好事，将有利于学生体会到人类认识自然，改造自然是个曲折艰苦的过程，是个反复修正、反复深化的过程;有利于确立不怕挫折的信念，增强学习中的毅力;有利于学生打破思维定势，活跃课堂气氛，培养创新思维能力;有利于树立学生挑战权威，服从真理的求知精神。

当然，仅仅介绍物理学家的失误，并不能达到上述目的，更要注意向学生讲述物理学家对待失误和挫折的科学态度和不屈的探索真理的精神。约里奥-居里夫妇不仅错失了发现中子的良机，后来又错失了发现正电子的机会。但他们从失败中吸取教训，始终以饱满的工作热情、坚忍不拔的意志投入研究工作，功夫不负有心人，他们终于在1934年获得了20世纪中最重要的发现之一——人工放射性，并荣获了诺贝尔物理学奖。中国科学家王淦昌教授因为自身或客观条件的限制在发现中子、验证中微子存在等物理研究方面几次和诺贝尔奖擦肩而过，但他并没有放弃对科学热诚的追求，而是进一步拓展研究领域，在众多领域里提出了自己独到的见解，直到年逾90，仍不时到研究室去，他提出的激光引发氘核出中子的想法，成为惯性约束核聚变的重要科研项目，一旦实现，这将使人类彻底解决能源问题。

在物理教学中引导学生辨别物理学家的失误和科学上的也是值得重视的一个方面，法国物理学的权威布朗洛发现N射线就是一场巨大的。对科学史上的揭示显然可以使学生正确理解物理学家的失误，而激发学生对科学家们由衷的敬佩。在实际的教学中我们似乎更应该让学生在进行相关科学探究的实践中重复物理学家的失误，比如在讲电磁感应相关内容时，笔者有意安排了这样的实验，将电流表的表面背对学生，在插入磁铁后，让学生跑到讲台后看指针的读数，学生看过常常露出不解的神情，“指针没动啊!”可磁铁确实在线圈中啊!如此，模仿了当年科拉顿所做实验的情景，并设置了相关的问题使学生明白科拉顿的失误和法拉第的成功在创新思想上的不同之处。

三、在物理教学中介绍物理学家失误的几点反思

1.介绍物理学家的失误，促进新的课程资源不断生成。

正视并合理开发日常教学中的错误资源可以丰富课程内容，激发学生的参与热情，促进新的课程资源不断生成，对师生创造性智慧的激发会起到十分重要的作用。为此，我们可以利用学生的错误激发认知冲突，促进学生思维碰撞;抓住学生因知识经验和思维方式不同而出现的错误的观点和想法，引导学生合作交流，促进生成;不轻易剥夺学生自主发现错误的机会，为教学的有效介入创造最佳时机。

2.介绍物理学家的失误，促进教师更好地锤炼教学艺术。

既然物理学家都可以有失误，对我们教师来说在教学中的失误也就没必要去遮遮掩掩。在教学中，教学双方也会因为各种情况而发生错误，错误可能来自学生，也可能来自教师。对于学生的错误，我们常常能从容应对，对于自己的失误，我们也不能回避，而是要认真反思，究其原因，寻其策略，从而提高教学设计能力和课堂教学水平。错误的价值有时并不在于错误本身，课堂教学中的错误，对学生来说是一次很好的锻炼机会，对老师来说也可以是一次机遇，在生成性的教学中教师正确处理失误是可以锤炼教学艺术，提高自身的专业水平的。

物理学家阿伯拉罕・派斯和他的物理学史著作解读与述评

摘 要：本文主要是对阿伯拉罕・派斯进行评述，探究其对于整个物理学做出的巨大贡献。与此同时，从其著作方面入手，加强关于著作方面的科学解读，希望能够充分继承这位伟大物理学家的精神，对其贡献进一步探究，从而推动整个物理学的不断发展。

关键词：阿拉伯罕・派斯 物理学史 著作 解读 评述

2000年，作为做出杰出贡献的一位伟大物理学家，同时又是一位科学史作家，阿伯拉罕・派斯不幸去世。派斯去世的原因，主要是心脏病发作，他最后的时光在哥本哈根度过，终年82岁。

派斯，1918年出生于荷兰，属于传统犹太人。派斯的中小学教育始于阿姆斯特丹。随后，凭借着自身优异的学习成绩，他非常顺利地进入大学继续学习和深造。1938年派斯顺利毕业，并获取了两个学位，一是物理学，二是数学。但派斯并没有满足于此，而是来到乌得勒支大学，进行个人学术的进一步深造，追随导师乌伦贝克。后来乌伦贝克定居美国，因此派斯的硕士毕业论文，由罗森菲尔德进行有效指导并完成。最终派斯在1940年硕士顺利毕业，取得了相应的硕士学位。然而在当时，德国已经发动世界大战，并逐渐占领荷兰。第二年，德国宣布，7月14日之后，整个荷兰的任何一所大学，严格禁止犹太人考取博士。这件事无疑影响了派斯，他努力赶写博士论文，限期真正到来之前，他最终顺利完成论文答辩。

纵观派斯的整个求学生涯，真是十分不易。然而，派斯随后将要面对的处境更加危险和艰难。当时，纳粹分子对犹太人进行压迫，这也使当地诸多物理学家，为免于遭受迫害而选择逃避，离开了培养自己的大陆。但是派斯不同，他没有离开故土荷兰。也正因为如此，战争爆发后，派斯提心吊胆，整天需要东躲西藏。访问他的当地物理学家也越来越少，除了克拉默斯，派斯较为重要的朋友。克拉默斯访问时，一般都带科学文献，两个人进行物理学知识的相关探讨。克拉默斯本来在莱顿大学承担教授职务，但后来，犹太人解雇现象较为严重，教授对德国人的残暴行为进行了抗议，德国占领大学之后，勒令当局关闭了学校。这对派斯的日常研究，即量子电动力学，造成了极大的不便。每当回首往事，派斯都感到非常不堪。荷兰当地犹太人，包括派斯的妹妹，普遍开始被抓，然后进入死亡集中营，遭到德国人残酷的杀害。而派斯自己，幸运的是能够免于这场灾难。灾难具体情况，详见其自传体著作《欧美记事》。

第二次世界大战结束之后，1946年，派斯到达哥本哈根。在那里，派斯会见了波尔，与其一家人相处融洽。与此同时，他与波尔展开了知识方面的沟通，彼此交流十分惬意。在波尔的大力推荐下，1946年秋，派斯前往美国进行访问和调查，访问的具体地点为普林斯顿，当地的一家高等研究所，但是在当时，这个研究所成立时间不长，物理学的相关研究并没有取得杰出成果。不过研究所的物理学家鉴于自身多年的经验，告诫派斯，研究过程中，如果一味闭门造车，是绝对行不通的，需要广泛涉猎。派斯听取了同行的建议，决定不再回欧洲，留下来潜心研究物理学。

派斯刚刚来到美国的时候，量子电动力学的研究取得了革命性的进展，理论物理学也得到了极大的发展。1947年，设尔特岛会议顺利召开，派斯有幸受邀参加。在这次会议上，施温格做出了科学量子力界的报告，报告非常详细。与此同时，“费曼图”这一理念得以提出。

派斯深深明白，量子电动力学领域，今后势必具有广阔的发展前景，但是这似乎已经和自己的关系不是那么密切了。尽管这方面的雄心有一定的挫败，但是派斯并没有被真正击败，而是转向宇宙线的相关领域。派斯变得更加努力，在加强探索的同时秉承更加积极的态度，针对现象进行科学合理的解释。基于此，派斯得以明确自身的方向，并着眼于基本粒子，研究工作也得到了充分的贯彻落实。

派斯经过大量研究，逐渐提出了协同产生规律等方面的内容，这在日后得到了有效证明和确立。后来，新量子数即奇异数，诞生并发展，关于这方面，派斯曾经与盖尔曼展开过合作，但是实验研究最终失败。

派斯仍然不放弃进行研究，最终提出了K介子混合理念。基于物理学本质来说，量子力学得到了充分诠释，态叠加原理也得到了完善。但是很多物理学家不禁产生了疑问，粒子混合究竟能否符合实际?然而，我们如果站在量子力学角度进行分析，透过基本粒子的本质，会发现观察量具有自带属性的特点，本身存在相应特征和形态。在态叠加原理的应用过程中，守恒电子数一旦满足这一相同条件，粒子混合就能实现。经过派斯等人的共同努力，K介子系统问题得到了充分解决。在这之后，粒子混合不断涌现。不久，科学界又提出了量子排这一概念。通过量子排方面的科学研究，粒子物理学得到了更快的发展，最终在一定程度上推动了原子物理学的发展，并对其形成一定反哺。基于此，量子力学概念得到普及和推广。量子排现象之所以提出较晚，很大一部分原因是人们不敢对其进行大胆想象。

派斯在其他领域同样做出过一定贡献，比如G宇宙领域。然而，在70年代末，派斯逐渐转向物理学史，注重加强这方面的探索和研究，朝着作家的方向发展，并在这方面进展顺利，例如爱因斯坦传记得到了广泛好评，波尔传记也同样大获成功，中文出版量相当可观。还有关于基本粒子方面的科学史巨著《基本粒子的物理学史》的中译本也问世。派斯造诣十分高深，熟知理论物理，对物理学史的叙述表现出一种深刻的洞察。除此之外，派斯语言能力超强，除了母语荷兰语外，他还熟悉地掌握了英语、法语、德语、丹麦语，这为他的科学史研究提供了极大的便利。

派斯的物理学著作，内容更加凸显真实性，如对科学界出现的错误等都进行了如实体现。特别是曾经承受的挫折、物理学走过的弯路，以及物理学家在长期探索过程中经历的迷惘、物理学家个人存在哪些不足等，他都较为直率地指出。

比方说，在爱因斯坦传中，派斯对爱因斯坦的不成熟之处以及其研究中走过的弯路、犯过的错误都进行了毫不客气的说明。再比如，书中指出，马赫原理虽然没有对物理学理论起过推动作用，但它仍然可能是未来的研究课题。

虽然派斯对波尔十分尊重和爱戴，但在波尔传记中对其并未有讳言。比方说，在量子力学领域波尔失误不少，尤其是波尔还曾否定已经被广泛认可的能量守恒定律，对此派斯在书中也如实进行了记录。除此之外，他还指出了哥本哈根阵营中泡利、狄克拉等人对波尔的不满之词。

由此可见，派斯在潜心著作的过程中，始终秉承公允的态度，并且敢于分析伟大物理学家的不足，敢于说出真话，态度十分端正，因而学术界对其十分认可和重视。派斯尤其重视书名，绞尽脑汁之后，才能拟定完成，而且一定要别出心裁。

1963年，派斯最终选择离开普林斯顿大学，来到了纽约，进入洛克菲勒大学工作，直到退休。1990年，派斯同他的第三任妻子――丹麦人类学家尼可莱森结婚，结婚之后，派斯每年往来穿梭于纽约和哥本哈根之间。2000年，派斯的《科学英才：20世纪物理学家群像》问世，这部著作是派斯从个人视角对自己所认识的物理学家进行的速写，是他的最后一部著作。

参考文献：

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[3] 胡化凯.20世纪50―70年代中国对哥本哈根学派量子力学诠释的批判[J].科学文化评论，2013，10(1).

[4] 张占新，莫文玲，王凤鸣等.通过计算氢原子的玻尔半径，加深对量子力学的理解[J].大学物理，2011(30).

[5] 朱安远，朱婧姝，郭华珍等.20世纪最伟大的科学巨匠――阿尔伯特・爱因斯坦(下)[J].中国市场，2013(46).

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。