CN106329518A - 一种电网信息物理融合系统交互建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网信息物理融合系统交互建模方法。本方法为：1)根据电力系统中信息系统与物理系统的结构搭建电网CPS信息‑物理耦合架构；该CPS信息‑物理耦合架构描述电力系统信息流与能量流的交互关系，包括信息设备经信息系统向物理系统发送控制信号；物理系统向信息系统发送遥测量与遥信量；2)基于该电网CPS信息‑物理耦合架构建立CPS子模块的基元模型；3)基于该电网CPS信息‑物理耦合架构将CPS子模块的基元模型与电力系统中的电气设备进行电气连接与逻辑连接，形成整体的电网信息物理融合系统。本发明为电力系统优化控制、可靠性分析等提供了新的框架与技术基础。

Description

一种电网信息物理融合系统交互建模方法

技术领域

本发明属于电气信息技术领域，尤其涉及一种电网信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)交互建模方法。

背景技术

智能电网高度集成先进量测体系、智能电子设备以及柔性控制技术等，通过一次系统与二次系统的相互耦合构成了典型的信息物理系统。信息与物理空间的深度融合与实时交互虽然为电网安全运行提供了新的解决方案，但二者日益增强的依赖性增加了信息环节失效对物理系统的影响。美加814大停电、美国El Paso电力公司停电事故等充分说明了信息系统故障将导致电力系统的级联故障，尤其是2015年末乌克兰配电网遭受黑客网络攻击造成的大面积停电，成为历史上信息安全影响电力系统运行的里程碑事件。在电力系统日益依赖信息反馈与信息决策的形势下，任何信息流异常都有可能引起物理世界的连锁反应。剖析信息流与物理流之间的深度耦合与交互关系、研究信息系统与物理系统的融合模型，已成为电力领域乃至整个工业控制领域的重中之重，对确保电力信息网和智能电网的安全稳定运行具有重要的理论价值和现实意义。

自2006年信息物理融合系统的概念提出以来，迅速成为信息技术与工业控制领域的研究热点，但当前的研究成果主要集中于计算机领域，电力系统领域的研究人员从电网CPS系统分析、架构与建模仿真等角度做了有益的尝试，将图论、混合系统、自动机、Petri网等理论应用于CPS建模。其中，基于图论的方法用“节点”描述电力系统中的相关设备，用“边”表示不同元件之间的关系，将信息网与物理网通过有向图的方式融合起来。这种方法为电力系统信息物理系统中各元件的关系和相互关联性提供了一种方便的表达方式，但单纯的依赖图表并不能充分反映物理系统的状态变化。混合系统通过联立连续动态与离散状态，为电网物理系统与信息控制系统的融合提供了一种形式上的兼容建模方法。由于混合系统模型检验问题不可判定，该方法存在着状态空间爆炸问题或只能用于解决一些简单的问题，无法满足工业应用的要求。CPS的另一显著特征是具有时空一致特性，对于各个任务的时间和位置都有明确的规定，时空自动机方法为CPS的建模和验证提供了一种新的思路，通过连接实时系统规范语言与微分动态逻辑建立CPS架构与模型。此外，Petri网以其集成图形化与数学化的优势引起了部分研究人员的注意，这种方法为研究电网信息物理系统的融合提供了新的手段。

总体而言，国内对工业系统、尤其是电力领域CPS的研究尚未形成规模，虽然公开了一些方法与技术，但当前的研究成果偏重于从宏观角度阐述CPS的性质与特点，并不能清晰地描述信息流与能量流之间的逻辑关系与交互机制，无法满足电力系统分析与控制的实际需求。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于基元模型与金字塔原理的电网信息物理融合系统交互建模方法，用以刻画电力系统信息流与能量流之间的耦合关系，为分析信息网络失效对电网物理系统的影响、更好的控制电网运行提供理论支持。

为了实现上述目的，本发明提出的一种电网信息物理融合系统交互建模方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：建立电网CPS信息-物理耦合架构；

步骤2：建立CPS子模块基元模型；

步骤3：制定CPS子模块组网原则；

步骤4：电网CPS模块组网。

所述的电网CPS信息-物理耦合架构，其特征在于，根据实际电力系统中物理系统与信息系统的结构搭建该架构，实现从宏观角度描述电力系统信息流与能量流的相互作用关系；同时，步骤2所述的CPS子模块模型和步骤3所述的CPS子模块组网原则，都遵从该架构所刻画的信息流、能量流之间的交互方式。其中，信息系统到物理系统的交互为：信息设备经电网二次系统(即信息系统)向物理系统发送控制信号；物理系统(即电网一次系统)到信息系统的交互为：物理系统向信息系统发送遥测量与遥信量。

所述的CPS子模块基元模型包括：发电机CPS子模块基元模型与负荷CPS子模块基元模型，具体步骤包括：

(1)根据步骤1所述的电网CPS信息-物理耦合架构，分别构建发电机子模块与负荷子模块，其中，发电机子模块包含发电机G、控制器c与传感器s，负荷子模块包含负荷L、控制器c与传感器s。

(2)建立发电机与负荷CPS子模块的有向图，具体步骤为：将发电机(负荷)、控制器、传感器抽象为节点，其中，发电机、负荷在电力系统中参与电能产生、分配与使用，定义为物理节点，传感器、控制器分别负责采集物理设备信息与下达控制命令，定义为信息节点；根据步骤1所述的电网CPS信息-物理耦合方式，分别以实线有向箭头描述节点之间的能量流动关系，以虚线有向箭头描述节点之间的信息流动关系。信息与能量流动关系反映在三个方面：子模块内部的信息-物理连接关系、子模块与CPS控制中心间的交互及子模块间的相互作用。

所述的发电机CPS子模块有向图，模块内部的信息-物理连接关系为：传感器s采集发电机状态数据，控制器c控制发电机运行情况，传感器s传输发电机数据至控制器c。模块与控制中心间的交互为：传感器s向控制中心输出设备物理信息；控制器接收控制中心发出的调控命令。模块与其它子模块间的相互作用为：发电机子模块向系统其他部分输出电能；控制器c与本地其他控制器之间互相协调实现对电网的控制。

所述的负荷CPS子模块有向图，模块内部的信息-物理连接关系为：传感器s采集负荷数据，控制器c控制负荷投切，传感器s传输复合数据至控制器c。模块与控制中心间的交互为：传感器s向控制中心输出用电量信息；控制器接受控制中心发出的调度命令。模块与其它子模块间的相互作用为：负荷模块接受系统电能；控制器c与本地其他控制器之间互相协调实现对电网的控制。

(3)建立发电机与负荷节点的状态方程，其中，发电机基本状态由转子电压方程和定子电压方程描述，负荷节点状态由能够捕捉负荷时间变化特性的动态负荷模型描述。发电机和负荷处配备的传感器将反映二者当前状态的测量值发送给控制中心，控制中心根据发电机与负荷的状态，制定发电计划、调度计划等，并将具体控制信号发送给发电机/负荷。

所述的CPS子模块组网原则采用“纵向金字塔汇集、横向逻辑互连”的方式，具体步骤包括：

(1)横向角度：按照电力系统物理节点之间的电气连接要求和信息节点之间的逻辑连接要求，对同一个子模块内的信息节点与物理节点进行连接，实现数据采集与监测控制；对不同子模块之间的信息节点根据需要完成的特定功能进行关联组合，物理节点之间进行电气连接。

(2)纵向角度：按照不同CPS子模块在整个电力系统中的作用，实现CPS子模块的区域性互连。在区域性CPS互连结构中融入其他设备，构建完整的电网CPS。

所述的电网CPS模块组网包括：

(1)建立电力系统中发电机与负荷模块的CPS基元模型，包括其有向图模型与状态方程；

(2)在当前电气接线图基础上，将CPS子模块的基元模型，与其他电气设备按照“纵向金字塔汇集、横向逻辑互连”组网原则进行电气连接与逻辑连接，形成整体的电网信息物理融合系统。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

采用有向图与状态方程相结合的模型构建方法，不仅清晰的刻画了电力系统中信息流与能量流的相互作用机理，为分析电网CPS系统内部的信息-物理分解结构提供了新的思路；同时，有助于分析电网信息系统中特定节点的网络问题对物理系统产生的影响，为电力系统优化控制、可靠性分析等提供了新的框架与技术基础。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为电网CPS的信息-物理耦合架构；

图3为电网CPS子模块逻辑结构；

图4为子模块CPS基元模型；

(a)为发电机子模块CPS基元模型；(b)为负荷子模块CPS基元模型；

图5为电网CPS模块组网示意图；

图6为一个5-节点电力系统示例；

图7为图6对应的CPS模型。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的方法流程如图1所示，其步骤为：

步骤1：建立电网CPS信息-物理耦合架构

图2为电网CPS的信息-物理耦合架构，电网信息系统通过传感器获取一次系统的各类数值信息、拓扑结构数据等遥测量与遥信量，并经Internet、无线通信网络传输至CPS控制中心。控制中心结合特定的应用需求，根据多级处理后的状态数据生成控制命令，控制器根据各自的命令改变物理系统的设备运行状态或运行参数，从而调整物理世界的能量分布。按照图2所示，信息流与能量流的耦合关系在于：网络到物理的连接由驱动电力系统变化的控制信号表示，物理到网络的连接通常是为了获得电力状态传感器的数据。

根据图2所示的整个电网的CPS信息-物理耦合架构，构建电网CPS子模块的逻辑结构如图3所示。基本CPS模块包含对应的物理对象、传感器、控制器，通过与决策控制单元间的协同工作，完成数据上传、命令下达及与其他子模块的交互任务。

步骤2：建立CPS子模块基元模型

根据图2与图3所示的电网信息物理耦合结构与CPS子模块逻辑结构，采用有向图与状态方程结合的方式分别建立发电机与负荷子模块的CPS基元模型，如图4a和图4b所示，作为电网信息物理融合系统的基本单元。其中，实线表示元件间的物理连接、虚线代表信息流的依赖关系。每个模型包含内部物理状态、子模块与控制中心间的交互及子模块间的相互作用三部分。

发电机CPS子模块内部的信息-物理连接关系为：传感器s采集发电机状态数据，控制器c控制发电机运行情况，传感器s传输发电机数据至控制器c。模块与控制中心间的交互为：传感器s向控制中心输出设备物理信息；控制器接收控制中心发出的调控命令。模块与其它子模块间的相互作用为：发电机模块向系统其他部分输出电能；控制器c与本地其他控制器互相协调实现对电网的控制。

负荷CPS子模块内部的信息-物理连接关系为：传感器s采集负荷数据，控制器c控制负荷投切，传感器s传输复合数据至控制器c。模块与控制中心间的交互为：传感器s向控制中心输出用电量信息；控制器接收控制中心发出的调度命令。模块与其它子模块间的相互作用为：负荷模块接受系统电能；控制器c与本地其他控制器互相协调实现对电网的控制。

对于电力系统中参与电能产生、分配与使用的物理节点，其状态信息由反映物理系统交互的动力系统模型或者网络元素的功能共同决定。在连续时间内，节点状态x按照确定性的规则不断演化，如式(1)所示。

$\stackrel{\·}{x}=f(x,p)---\left(1\right)$

其中，是x的时间导数，描述系统状态随时间的变化情况；p＝(d,r,b,...)为影响状态变化的输入向量，其元素随物理节点的变化而不同。一般情况下，包括：d—控制信号、r—与其他物理设备间的能量交互，b—开关状态函数。此外，气象因素、电价等也常作为影响物理节点状态的辅助输入因素。

对包含同步发电机的CPS基元模型而言，物理状态x由转子电压方程和定子电压方程决定，对应的模型转子电压方程和定子电压方程可描述为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{d0}^{\′\′}\frac{{\mathrm{de}}_q^{\′\′}}{dt}=e_q^{\′}-e_q^{\′\′}-(x_d^{\′}-x_d^{\′\′})i_d\\ T_{d0}^{\′}\frac{{\mathrm{de}}_q^{\′}}{dt}=E_f-e_q^{\′}-\frac{x_d-x_d^{\′}}{x_d^{\′}-x_d^{\′\′}}(e_q^{\′}-e_q^{\′\′})\\ T_{q0}^{\′\′}\frac{{\mathrm{de}}_d^{\′\′}}{dt}=e_d^{\′}-e_d^{\′\′}-(x_q^{\′}-x_q^{\′\′})i_q\\ T_{q0}^{\′}\frac{{\mathrm{de}}_d^{\′}}{dt}=-e_d^{\′}-\frac{x_q-x_q^{\′}}{x_q^{\′}-x_q^{\′\′}}(e_d^{\′}-e_d^{\′\′})\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=e_d^{\′\′}+x_q^{\′\′}{i}_q-r_a{i}_d\\ u_q=e_q^{\′\′}-x_d^{\′\′}{i}_d-r_a{i}_q\\ u_0=r_a{i}_0\end{array}\right.---\left(3\right)$

本发明采用能够捕捉负荷时间变化特性的动态负荷模型描述负荷的物理状态变化。根据负荷历史数据采用自回归(Auto Regressive,AR)模型预测描述电力负荷变化过程的统计规律，对未来的负荷进行预测。设负荷序列的当前值L(t)由其本身过去值的有限项加权和一个干扰a(t)(假定为白噪声)表示，即：

$\begin{array}{c}L\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_{1}L(t-1)+{\mathrm{\φ}}_{2}L(t-2)+\mathrm{...}+{\mathrm{\φ}}_{p}L(t-n)+a\left(t\right)\\ =\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{i}L(t-i)+a\left(t\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中，模型的阶数n和系数φ_i(i＝1,2,…,n)由过去值通过模型辨识和参数估计来决定。

步骤3：制定CPS子模块组网原则

根据发电机与负荷CPS基元模块的信息-能量流交互方式，提出“纵向金字塔汇集、横向逻辑互连”的组网原则，实现CPS模块的功能与逻辑逐级耦合，如图5所示。“纵向金字塔汇集、横向逻辑互连”原则具体描述为：

(1)横向角度：按照电力系统物理节点之间的电气连接要求和信息节点之间的逻辑连接要求，对同一个CPS子模块内的信息节点与物理节点进行连接，实现数据采集与监测控制；对不同CPS子模块之间的信息节点根据需要完成的特定功能进行关联组合，物理节点之间实现进行电气连接。

(2)纵向角度：按照不同CPS子模块在整个电力系统中的作用，进一步实现CPS子模块的区域性的互连；在区域性CPS互连结构中融入其他设备，构建完整的电网信息物理融合系统。

步骤4：电网CPS模块组网

电力系统采用电气接线图、地理接线图反映发电厂、变电站、线路等物理设备的电气连接关系与相对拓扑关系，本发明在保留现有电力系统拓扑结构的基础上，将物理系统与信息系统以多重图的方式融合到一起，根据“纵向金字塔汇集、横向逻辑互连”原则构建电力系统CPS图。

(1)建立电力系统中发电机与负荷模块的CPS基元模型，包括其有向图模型与状态方程；

(2)在当前电气接线图基础上，将CPS子模块的基元模型，与其他电气设备按照“纵向金字塔汇集、横向逻辑互连”组网原则进行电气连接与逻辑连接，形成整体的电网信息物理融合系统。

以图6所示的简单5节点系统为例，采用所提出的建模方法构建其CPS模型。该系统包含2个发电机节点和3个负荷节点，二者经母线连接。分别建立发电机节点与负荷节点的CPS子模型，融合电气接线图与信息传输网络，得到其CPS模型如图7所示。

图7可知，有向图为电网信息物理系统中元件的紧密耦合提供了一个简洁的描述方式，信息与物理之间的连接能够在图中明确的表达出来；此外，发电机与负荷的状态方程方便的表达了电力网中复杂的物理交互，为识别网络与物理区域内或它们之间的级联故障提供了灵活的框架。

通过给每个发电机和负荷模块定义适当的参数值，当传输网络的结构不改变，可以分析对电网中特定节点的网络攻击将如何导致控制中心做出错误判断。假设发电机G_i(i＝1,2)的可用发电裕度为A_i MW，负荷L_j(j＝1,2,3)的功率需求为B_j MW，攻击者通过直接破坏仪表或攻击通信链路改变节点L_i，导致其负荷量测值偏移e MW。此时，能够根据图7分析在控制中心做出错误决定情况下，系统的稳定性与物理状态变化过程。电网CPS模型不仅反映了信息流-能量流之间的关联关系，同时为分析信息-物理级联故障提供了技术框架。

综上所述，本发明电网信息物理融合系统交互建模框架，为电力系统中的信息-能量交互提供了清晰简洁的描述方式；同时，有助于更好的分析和控制日益复杂的电力系统，为分析信息网络问题对智能电网产生的影响提供了有力支持。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电网信息物理融合系统交互建模方法，其步骤为：

1)根据电力系统中信息系统与物理系统的结构搭建电网CPS信息-物理耦合架构；该CPS信息-物理耦合架构描述电力系统信息流与能量流的交互关系，包括信息设备经信息系统向物理系统发送控制信号；物理系统向信息系统发送遥测量与遥信量；

2)基于该电网CPS信息-物理耦合架构建立CPS子模块的基元模型；

3)基于该电网CPS信息-物理耦合架构将CPS子模块的基元模型与电力系统中的电气设备进行电气连接与逻辑连接，形成整体的电网信息物理融合系统。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CPS子模块的基元模型包括：发电机CPS子模块的基元模型与负荷CPS子模块的基元模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发电机CPS子模块的基元模型包括发电机子模块及其有向图、发电机状态方程。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发电机CPS子模块包含发电机G、控制器c与传感器s；建立所述发电机CPS子模块的有向图的方法为：首先将发电机CPS子模块中的发电机、控制器、传感器抽象为不同节点；然后根据所述电网CPS信息-物理耦合架构，分别以不同有向箭头描述节点之间的信息与能量流动关系。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，采用转子电压方程和定子电压方程描述所述发电机状态方程。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述负荷CPS子模块的基元模型包括负荷子模块及其有向图、负荷节点状态方程。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述负荷CPS子模块包含负荷L、控制器c与传感器s；建立所述负荷CPS子模块的有向图的方法为：首先将负荷CPS子模块中的负荷、控制器、传感器抽象为不同节点；然后根据所述电网CPS信息-物理耦合架构，分别以不同有向箭头描述节点之间的信息与能量流动关系。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，采用动态负荷模型作为所述负荷节点状态方程。

9.如权利要求4或7所述的方法，其特征在于，将CPS子模块的基元模型与电力系统中的电气设备进行电气连接与逻辑连接的方法为：

1)按照电力系统物理节点之间的电气连接要求和信息节点之间的逻辑连接要求，对同一个CPS子模块内的信息节点与物理节点进行连接，实现数据采集与监测控制；对不同CPS子模块之间的信息节点根据需要完成的功能进行关联组合，物理节点之间实现进行电气连接；其中，物理节点为电力系统中参与电能产生、分配与使用的节点，信息节点为采集物理设备信息与下达控制命令的节点。

2)按照不同CPS子模块在整个电力系统中的作用，实现CPS子模块的区域性互连，构建完整的电网信息物理融合系统。