CN106527394B - 一种考虑多重信息因素的ecps连锁故障风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法，主要包括：步骤一、求解考虑多重信息因素的信息系统控制功能可靠性，包括对信息系统硬件装置因素可靠性进行建模、对信息系统软件因素可靠性进行建模、对信息系统人员因素可靠性进行建模和基于状态空间法求解控制功能可靠性；步骤二、分析电力信息物理系统连锁故障的发生机理；步骤三、建立电力信息物理系统连锁故障搜索方法并计算系统风险。现有技术中针对电力信息物理系统连锁故障风险评估的难点在于建立信息系统可靠性模型和研究电力信息物理系统连锁故障的发生机理。本发明风险评估能够应用于优选最佳电力通信网络拓扑方案、辅助制定降低系统风险措施等方面。

Description

一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法

技术领域

本发明属于电网规划运行领域，尤其涉及一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法。

背景技术

随着信息通信技术(Information Communication Technology,ICT)的应用，智能电网将发展成为电力系统和信息系统高度融合的电力信息物理系统(Electric Cyber-PhysicalSystem，ECPS)。电力通讯网的开放、兼容和互联，使得更多的风险因素被引入，由于通信网和电网故障在极端条件下存在相互促进作用，信息系统故障将使得控制中心失去对相关电力设备的控制能力，并导致事故的产生。2010年“震网”病毒对伊朗核电站的攻击与2015年的乌克兰停电事故证实了跨信息空间和电力空间的故障会造成严重后果。

近年来连锁故障引起的大停电事故时有发生，连锁故障风险评估对防止电网出现大停电事故具有重要意义，有研究表明信息系统故障对连锁故障的发生有推波助澜的作用，但现有研究在连锁故障风险评估时鲜有考虑信息系统的影响。电力信息物理系统连锁故障可分为两种：一是电力系统原发故障引起的连锁故障；二是信息系统故障通过信息-电力作用传递到电力系统，引起电力系统发生故障，进而形成跨空间的电力信息物理系统连锁故障。实际上，绝大多数的停电事故都是因为电力系统某个元件退出运行后导致潮流发生大规模转移，进一步使更多元件退出运行从而引发连锁故障。因此，电力信息物理系统连锁故障风险评估的难点在于建立信息系统可靠性模型和研究电力信息物理系统连锁故障的发生机理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法，能够应用于优选最佳电力通信网络拓扑方案、辅助制定降低系统风险措施等方面。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法，包括以下步骤：

步骤一、求解考虑多重信息因素的信息系统控制功能可靠性，包括：

1-1)对信息系统硬件装置因素可靠性进行建模：首先，将工作站、交换机、智能电子设备与相应的设备应用软件融合等效为串联的等效失效模型，然后，结合信息系统拓扑结构得到控制功能可靠性框图，信息系统硬件等效失效率λ_h通过串并联网络分析计算得到；

1-2)对信息系统软件因素可靠性进行建模：信息系统软件包括操作系统、电网控制系统软件和设备应用软件，其中，设备应用软件融入到通信设备中，并采用Logarithmicexponential模型模拟信息系统软件可靠性，Logarithmic exponential模型软件失效率λ_s0为：

λ_s0(u)＝λ₀exp(-kε) (1)

式(1)中：λ₀为初始故障概率；k为故障减少率系数；ε为系统运行中累计发现的错误；

将电网控制系统软件和操作系统等效为串联系统失效模型，并采用串并联网络分析计算计算所述串联系统失效模型的软件等效失效率λ_s；

1-3)对信息系统人员因素可靠性进行建模：采用两参数威布尔分布拟合人员失效率λ_p：

式(2)和式(3)中：t为响应时间；T_0.5为人员完成某项任务所用中值时间；α、β分别为认知行为模型尺度、形状因素；

1-4)基于状态空间法求解控制功能可靠性：

设：①信息系统硬件、软件及人员失效相互独立；

②信息系统硬件、软件、人员处于运行稳定期，而且相应的失效率视为常数；

③对于工作站、交换机、智能电子设备及其通讯线路的失效包括可自检硬件失效和不可自检硬件失效，整个信息系统硬件的自检概率为C，可自检硬件失效的硬件失效修复率为μ₁；不可自检硬件失效的硬件失效修复率为μ₂；软件等效失效模型的修复率为μ₃；人员操作失误的修复率为μ₄；

设：控制功能在控制功能可用、可自检硬件失效、不可自检硬件失效、软件等效失效、人员失效状态的平稳状态概率为

P(n)＝[P₀,P₁,P₂,P₃,P₄] (4)

式(4)中，P₀,P₁,P₂,P₃,P₄分别表示控制功能可用、可自检硬件失效、不可自检硬件失效、软件等效失效、人员失效状态的平稳状态概率；

平稳状态转移矩阵P为：

联立式(6)和式(7)：

P(n)P＝0 (6)

得控制功能的可用率P₀：

步骤二、确定电力信息物理系统连锁故障的发生机理，包括：

2-1)分析电力信息物理系统连锁故障模式：电力信息物理系统连锁故障包括两种：一是电力系统原发故障引起的连锁故障；二是信息系统故障通过信息-电力作用传递到电力系统，引起电力系统发生故障，进而形成跨空间的电力信息物理系统连锁故障；

2-2)以断路器为作用接口，信息-电力作用关系：控制功能失效包括拒动和误动，断路器控制功能失效导致的拒动发生在运行方式调整时，断路器控制功能失效导致误动中的误合情况发生时，断路器控制功能失效导致所属线路断开；

2-3)建立考虑控制功能失效的线路可靠性模型：

U'＝U(U_c,fP_0,f)(U_c,tP_0,t) (9)

式(9)中：U'为考虑控制功能作用后的线路可用率；U为不考虑控制功能作用时线路的可用率；U_c,f、U_c,t分别为线路首末两端断路器的可用率；P_0,f、P_0,t分别为线路末端断路器控制功能的可用率；

2-4)最终得到电力信息物理系统连锁故障的发生机理；

步骤三、建立电力信息物理系统连锁故障搜索方法并计算系统风险，包括：

3-1)选择初始故障线路；

3-2)断开故障线路，计算系统潮流；

3-3)判断是否有线路潮流过载，若有，断开过载线路，进入步骤3-4)；若无，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标；

3-4)判断是否出现潮流不收敛或系统解列，若否，返回步骤3-3)；若是，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标；

上述步骤3-3)和步骤3-4)所使用的风险指标相同，包括连锁故障概率P_cf和期望负荷损失量EENS，其中：

连锁故障概率P_cf

式(10)中：S为单元件故障集，p_i为故障i发生的概率，F_i为表征故障i发生是否会导致连锁故障的标志，如果搜索过程中故障支路总数超过3条，则认为系统发生了连锁故障，令F_i＝1，否则F_i＝0；

期望负荷损失量EENS，单位为MWh/y，

式(11)中：C_i为故障i发生所导致的切负荷量；T为评估时间，单位为小时，T取值为1年。

本发明的有益效果是：

现有技术中针对电力信息物理系统连锁故障风险评估的难点在于建立信息系统可靠性模型和研究电力信息物理系统连锁故障的发生机理。本发明风险评估能够应用于优选最佳电力通信网络拓扑方案、辅助制定降低系统风险措施等方面。

附图说明

图1为变电站内部通信网络拓扑；

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为常用的电力通信网络拓扑，其中，图2(a)为星型结构，图2(b)为环型结构，图2(c)为总线型结构；

图3为控制功能的可靠性框图；

图4为控制功能的状态空间图；

图5为本发明故障风险评估方法流程图；

图6为RTS-79测试系统；

图7(a)和图7(b)分别为硬件自检概率对系统风险的影响，其中，图7(a)是硬件自检概率对连锁故障概率的影响，图7(b)是硬件自检概率对期望负荷损失量的影响；

图8为线路潮流限值对系统风险的影响。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图5所示，本发明提出的一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法，包括以下步骤：

步骤一、求解考虑多重信息因素的信息系统控制功能可靠性，包括：

1-1)对信息系统硬件装置因素可靠性进行建模；

图1给出一种基于IEC 61850标准的变电站内部通信拓扑，包括交换机、智能电子设备(Intelligent electronic device,IED)、通信线路、交换机和服务器等组件，该变电站内部通信网络采用星型拓扑，数字化变电站内部通信网络也常采用环型拓扑。调度中心至变电站常用的电力通信网络拓扑有星型结构、环形结构和总线型结构，如图2所示。信息系统应包括调度中心至变电站的电力通信网络、变电站内部通信网络等。本发明采用图1所示的站内星型通信网络拓扑和图2所示的三种电力通信网络拓扑进行分析。

信息系统硬件中的工作站、交换机、IED等通信设备的正常工作还需依赖于相应的设备应用软件的正常运行，故可将设备应用软件与设备融合等效为串联的等效失效模型，之后结合信息系统拓扑结构得到控制功能可靠性框图，如图3所示，其中工作站、交换机、IED应使用考虑了设备应用软件的等效失效模型，相应的硬件等效失效率λ_h可通过串并联网络分析计算得到。

1-2)对信息系统软件因素可靠性进行建模；

信息系统软件主要考虑操作系统、电网控制系统软件和设备应用软件，其中设备应用软件融入到通信设备中考虑，并采用Logarithmic exponential模型模拟信息系统软件可靠性，该模型软件失效率λ_s0为：

λ_s0(u)＝λ₀exp(-kε) (12)

式中：λ₀为初始故障概率；k为故障减少率系数；ε为系统运行中累计发现的错误；

电网控制系统软件和操作系统两者共同正常运行是实现控制功能的前提，因此可将电网控制系统软件和操作系统等效为串联系统失效模型，并计算相应的软件等效失效率λ_s。

1-3)对信息系统人员因素可靠性进行建模；

人员可靠性分析因数据缺乏具有不确定性，本文采用两参数威布尔分布拟合人员失效率λ_p：

式中：t为响应时间；T_0.5为操作员完成某项任务所用中值时间；α、β分别为认知行为模型尺度、形状因素。

1-4)基于状态空间法求解控制功能可靠性；

求解过程基于如下假设：①信息系统硬件、软件及人员失误相互独立；②信息系统硬件、软件、人员处于运行稳定期，其失效率可视为常数；③部分信息系统硬件失效能够被自检，自检概率为C。

控制功能的状态空间图如图4所示，其中，可自检的硬件失效修复率为μ₁；不可自检的硬件失效修复率为μ₂；软件失效的修复率为μ₃；人员失误的修复率为μ₄。

设控制功能在各状态的平稳状态概率为

P(n)＝[P₀,P₁,P₂,P₃,P₄] (15)

可得平稳状态转移矩阵P为：

联立下式：

P(n)P＝0 (17)

可解得控制功能的可用率P₀：

步骤二、分析电力信息物理系统连锁故障的发生机理，包括：

2-1)分析电力信息物理系统连锁故障模式；

电力信息物理系统连锁故障可分为两种：一是电力系统原发故障引起的连锁故障；二是信息系统故障通过信息-电力作用传递到电力系统，引起电力系统发生故障，进而形成跨空间的电力信息物理系统连锁故障。

2-2)以断路器为作用接口剖析信息-电力作用关系：控制功能失效可分为拒动和误动，断路器控制功能失效导致的拒动只发生在运行方式调整时，可有足够时间进行故障处理，此外断路器控制功能失效导致误动中的误合情况发生时，因隔离开关在断路器开断后随之断开，因而亦不会对系统造成大的影响，故本文将断路器控制功能故障特指误分故障，对断路器控制功能而言，其失效将导致所属线路断开。

2-3)建立考虑控制功能失效的线路可靠性模型：

U'＝U(U_c,fP_0,f)(U_c,tP_0,t) (20)

式中：U'为考虑控制功能作用后的线路可用率；U为不考虑控制功能作用时线路的可用率；U_c,f、U_c,t分别为线路首末两端断路器的可用率；P_0,f、P_0,t分别为线路末端断路器控制功能的可用率。

2-4)得到电力信息物理系统连锁故障的发生机理：信息系统控制功能失效引起断路器误分故障或线路发生原发故障，导致线路跳闸并退出运行，电力系统潮流发生大规模转移，系统中出现过载的线路并跳闸，系统运行状况逐步恶化导致发生连锁故障，引发大停电事故。

步骤三、建立电力信息物理系统连锁故障搜索方法并计算系统风险，包括：

3-1)选择初始故障线路；

3-2)断开故障线路，计算系统潮流；

3-3)判断是否有线路潮流过载，若有，断开过载线路，进入步骤3-4)；若无，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标；

3-4)判断是否出现潮流不收敛或系统解列，若否，返回步骤3-3)；若是，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标。

其中，步骤三中的风险指标包括：

1)连锁故障概率P_cf

式中：S为单元件故障集，p_i为故障i发生的概率，F_i为表征故障i发生是否会导致连锁故障的标志，如果搜索过程中故障支路总数超过3条，则认为系统发生了连锁故障，令F_i＝1，否则F_i＝0；

2)期望负荷损失量EENS(MWh/y)

式中：C_i为故障i发生所导致的切负荷量，T为评估时间(单位为小时)，一般为1年。

以基于RTS-79测试系统改进得到的电力信息物理系统为例，说明上述本发明提供的一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法在优选最佳电力通信网络拓扑方案、辅助制定降低系统风险措施等方面的应用，该系统包括24个节点，33条线路，本发明设该电力系统由4个调度中心调管，每个调度中心调管6个变电站，并按照实际地理区域进行划分，如图6及表1所示，表1中A、B、C、D、E、F所在列的变电站的站级交换机分别对应图2所示电力通信网络拓扑的站级交换机A、B、C、D、E、F所在位置，下同。

表1

具体说明如下，如图5所示。

步骤一、求解考虑多重信息因素的信息系统控制功能可靠性，包括：

1-1)对信息系统硬件装置因素可靠性进行建模；

图1给出一种基于IEC 61850标准的变电站内部通信拓扑，包括交换机、智能电子设备(Intelligent electronic device,IED)、通信线路、交换机和服务器等组件，该变电站内部通信网络采用星型拓扑，数字化变电站内部通信网络也常采用环型拓扑。调度中心至变电站常用的电力通信网络拓扑有星型结构、环形结构和总线型结构，如图2所示。信息系统应包括调度中心至变电站的电力通信网络、变电站内部通信网络等。本发明采用图1所示的站内星型通信网络拓扑和图2所示的三种电力通信网络拓扑进行分析。

信息系统硬件中的工作站、交换机、IED等通信设备的正常工作还需依赖于相应的设备应用软件的正常运行，故可将设备应用软件与设备融合等效为串联的等效失效模型，之后结合信息系统拓扑结构得到控制功能可靠性框图，如图3所示，其中工作站、交换机、IED应使用考虑了设备应用软件的等效失效模型，相应的硬件等效失效率λ_h可通过串并联网络分析计算得到。

信息系统硬件可靠性参数如表2所示，计算得到控制功能硬件失效率如表3所示。

表2

表3

1-2)对信息系统软件因素可靠性进行建模；

信息系统软件主要考虑操作系统、电网控制系统软件和设备应用软件，其中设备应用软件融入到通信设备中考虑，并采用Logarithmic exponential模型模拟信息系统软件可靠性，该模型软件失效率λ_s0为：

λ_s0(u)＝λ₀exp(-kε) (23)

式中：λ₀为初始故障概率；k为故障减少率系数；ε为系统运行中累计发现的错误；

电网控制系统软件和操作系统两者共同正常运行是实现控制功能的前提，因此可将电网控制系统软件和操作系统等效为串联系统失效模型，并计算相应的软件等效失效率λ_s。

电网控制系统软件的可靠性分析参数：取λ₀＝120.0×10^-6h^-1，k＝0.126，ε＝22，计算得到电网控制软件失效率λ_sc＝7.504×10^-6h^-1；操作系统软件失效率取为λ_so＝1/5×λ_sc＝1.501×10^-6h^-1，那么控制功能等效软件失效率为λ_s＝9.005×10^-6h^-1。

1-3)对信息系统人员因素可靠性进行建模；

人员可靠性分析因数据缺乏具有不确定性，本文采用两参数威布尔分布拟合人员失效率λ_p：

式中：t为响应时间；T_0.5为操作员完成某项任务所用中值时间；α、β分别为认知行为模型尺度、形状因素。

人员可靠性分析参数为：α＝1.2041、β＝1.973，t/T_0.5＝4.32，可计算得到λ_p＝3.978×10^-6h^-1。

1-4)基于状态空间法求解控制功能可靠性；

求解过程基于如下假设：①信息系统硬件、软件及人员失误相互独立；②信息系统硬件、软件、人员处于运行稳定期，其失效率可视为常数；③部分信息系统硬件失效能够被自检，自检概率为C。

控制功能的状态空间图如图4所示，其中，可自检的硬件失效修复率为μ₁；不可自检的硬件失效修复率为μ₂；软件失效的修复率为μ₃；人员失误的修复率为μ₄。

设控制功能在各状态的平稳状态概率为

P(n)＝[P₀,P₁,P₂,P₃,P₄] (26)

可得平稳状态转移矩阵P为：

联立下式：

P(n)P＝0 (28)

可解得控制功能的可用率P₀：

硬件自检概率C＝0.9，μ₁＝0.25h^-1，μ₂＝0.0208h^-1，μ₃＝0.25h^-1，μ₄＝0.0208h^-1。

至此，可据式(8)计算各电力通信网络拓扑下站内断路器控制功能的可用率，如表4所示。

表4

步骤二、分析电力信息物理系统连锁故障的发生机理，包括：

2-1)分析电力信息物理系统连锁故障模式；

电力信息物理系统连锁故障可分为两种：一是电力系统原发故障引起的连锁故障；二是信息系统故障通过信息-电力作用传递到电力系统，引起电力系统发生故障，进而形成跨空间的电力信息物理系统连锁故障。

2-2)以断路器为作用接口剖析信息-电力作用关系：控制功能失效可分为拒动和误动，断路器控制功能失效导致的拒动只发生在运行方式调整时，可有足够时间进行故障处理，此外断路器控制功能失效导致误动中的误合情况发生时，因隔离开关在断路器开断后随之断开，因而亦不会对系统造成大的影响，故本文将断路器控制功能故障特指误分故障，对断路器控制功能而言，其失效将导致所属线路断开。

2-3)建立考虑控制功能失效的线路可靠性模型：

U'＝U(U_c,fP_0,f)(U_c,tP_0,t) (31)

式中：U'为考虑控制功能作用后的线路可用率；U为不考虑控制功能作用时线路的可用率；U_c,f、U_c,t分别为线路首末两端断路器的可用率；P_0,f、P_0,t分别为线路末端断路器控制功能的可用率。

2-4)得到电力信息物理系统连锁故障的发生机理：信息系统控制功能失效引起断路器误分故障或线路发生原发故障，导致线路跳闸并退出运行，电力系统潮流发生大规模转移，系统中出现过载的线路并跳闸，系统运行状况逐步恶化导致发生连锁故障，引发大停电事故。

步骤三、建立电力信息物理系统连锁故障搜索方法并计算系统风险，包括：

3-1)选择初始故障线路；

3-2)断开故障线路，计算系统潮流；

3-3)判断是否有线路潮流过载，若有，断开过载线路，进入步骤3-4)；若无，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标；

3-4)判断是否出现潮流不收敛或系统解列，若否，返回步骤3-3)；若是，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标。

其中，步骤三中的风险指标包括：

1)连锁故障概率P_cf

式中：S为单元件故障集，p_i为故障i发生的概率，F_i为表征故障i发生是否会导致连锁故障的标志，如果搜索过程中故障支路总数超过3条，则认为系统发生了连锁故障，令F_i＝1，否则F_i＝0；

2)期望负荷损失量EENS(MWh/y)

式中：C_i为故障i发生所导致的切负荷量，T为评估时间(单位为小时)，一般为1年。

首先验证本文方法的正确性、必要性及在优选最佳电力通信网络拓扑方案中的应用。

为了更好地评估连锁故障，降低系统各线路潮流限值至原来的80％，信息系统电力通信网络拓扑采用图2所示的三种拓扑时，电力信息物理系统的风险如表5所示，其中，CASE0表示信息系统控制功能完全可靠时的情况，CASE1表示采用星型电力通信网络拓扑且只考虑信息系统硬件因素时的情况，CASE2、CASE3和CASE4分别表示采用星型、环型和总线型电力通信网络拓扑且同时考虑信息系统硬件、软件和人员因素时的情况。

表5

从表5可知，对比CASE0，CASE2、CASE3和CASE4的系统风险指标P_cf分别提高了238.1％、235.2％和245.1％，EENS分别提高了208.8％、206.7％和220.6％；对比CASE1和CASE2，P_cf和EENS分别提高了22.48％和21.39％。故有以下结论：

1)考虑信息系统控制功能后，系统风险指标大幅上升，可见对电力信息物理系统进行连锁故障风险评估时考虑信息系统的影响是有必要的；

2)相比于只考虑信息系统硬件因素的情况，考虑信息系统软件、人员因素后的系统风险上升幅度较大，因此信息系统软件、人员因素对系统风险的影响是不可忽视的；

3)相比较而言，采用总线形结构电力网络通信拓扑的系统风险最大，星型结构的次之，环形结构的最小，因而应该优先考虑采用环型结构，这是因为环型结构通信通道互为备用，可靠性相对较高，总线型结构整体可靠性则随着连接变电站数量的增加逐渐降低，这可从表4得到印证：各拓扑结构下的控制功能平均可用率为：环型(99.9319％)>星型(99.9326％)>总线型(99.9260％)。

接下来使用星型电力通信网络拓扑分析在信息系统层面降低系统风险的方法。

为了分析信息系统各硬件对系统风险的影响，对信息系统各硬件进行冗余配置，系统风险如表6所示。可见对通信线路进行冗余配置系统风险变化不明显，P_cf和EENS分别降低了0.34％和0.33％，而对IED进行冗余配置，系统风险降低最多，P_cf和EENS分别降低了16.11％和15.47％。因此，为了降低系统风险，应该选择对IED进行冗余配置。

表6

图7(a)和图7(b)分析了硬件自检概率对系统风险的影响，图7(a)是硬件自检概率对连锁故障概率的影响，图7(b)是硬件自检概率对期望负荷损失量的影响；由图可知，系统风险随硬件自检概率的提高大致呈线性降低趋势。对比C＝0.9和0.8时的系统风险，C＝0.9时的P_cf和EENS分别比C＝0.8时的降低了15.64％和15.10％，同对硬件进行冗余配置的方案相比，提高硬件自检概率对降低系统风险亦有良好效果，但是提高自检概率相比于对硬件进行冗余配置较为困难且成本更高，因此在努力提高信息系统硬件自检概率时仍应考虑选择对硬件进行冗余配置。

鉴于对同一软件进行冗余配置并不能提高其可靠性，其可靠性的提高应通过优化软件设计和规范软件测试来提高；而因其人员可靠性易受外界因素干扰，故对人员进行冗余配置也不一定能提高其可靠性，其可靠性则应通过培训提高其业务素质来提高。

表7给出了信息系统软件和人员失效率降低时的系统风险，其中，CASE5表示将电网控制系统软件失效率降低至原来的0.5时的情况，CASE6表示将人员失效率降低至原来的0.5时的情况。

表7

对比CASE2，CASE5的P_cf和EENS分别降低了1.43％和1.37％，和CASE6的P_cf和EENS分别降低了7.64％和7.33％。可见提高人员可靠性相比于提高软件可靠性对降低系统风险更为有效，因此应努力对人员加强业务培训以提高人员业务素质。

最后使用星型电力通信网络拓扑分析在电力系统层面降低系统风险的方法。

为了分析电力系统线路潮流限值对系统风险的影响，计算不同潮流限值下系统风险，如图8所示。

从图中可以看出，线路潮流限值在100％-60％时，风险指标P_cf呈指数上升趋势，当线路潮流限值在60％以下时，P_cf＝0.081218等于所有线路故障概率之和，也即任何一条线路发生故障断开均会导致连锁故障；线路潮流限值在100％-50％时，风险指标EENS基本恒定，而当线路潮流限值在50％以下时，EENS呈指数上升趋势。可见，适当提升线路潮流限值以降低线路负载率能够有效降低系统风险，调度规划人员在实际运行中应注意。

可见，本发明方法能够应用于优选最佳电力通信网络拓扑方案、辅助制定降低系统风险措施等方面。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种考虑多重信息因素的ECPS连锁故障风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、求解考虑多重信息因素的信息系统控制功能可靠性，包括：

1-1)对信息系统硬件装置因素可靠性进行建模：首先，将工作站、交换机、智能电子设备与相应的设备应用软件融合等效为串联的等效失效模型，然后，结合信息系统拓扑结构得到控制功能可靠性框图，信息系统硬件等效失效率λ_h通过串并联网络分析计算得到；

1-2)对信息系统软件因素可靠性进行建模：信息系统软件包括操作系统、电网控制系统软件和设备应用软件，其中，设备应用软件融入到通信设备中，并采用Logarithmicexponential模型模拟信息系统软件可靠性，Logarithmic exponential模型软件失效率λ_s0为：

λ_s0＝λ₀exp(-kε) (1)

式(1)中：λ₀为初始故障概率；k为故障减少率系数；ε为系统运行中累计发现的错误；

将电网控制系统软件和操作系统等效为串联系统失效模型，并采用串并联网络分析计算计算所述串联系统失效模型的软件等效失效率λ_s；

1-3)对信息系统人员因素可靠性进行建模：采用两参数威布尔分布拟合人员失效率λ_p：

式(2)和式(3)中：t为响应时间；T_0.5为人员完成某项任务所用中值时间；α、β分别为认知行为模型尺度、形状因素；

1-4)基于状态空间法求解控制功能可靠性：

设：①信息系统硬件、软件及人员失效相互独立；

②信息系统硬件、软件、人员处于运行稳定期，而且相应的失效率视为常数；

③对于工作站、交换机、智能电子设备及其通讯线路的失效包括可自检硬件失效和不可自检硬件失效，整个信息系统硬件的自检概率为C，可自检硬件失效的硬件失效修复率为μ₁；不可自检硬件失效的硬件失效修复率为μ₂；软件等效失效模型的修复率为μ₃；人员操作失误的修复率为μ₄；

设：控制功能在控制功能可用、可自检硬件失效、不可自检硬件失效、软件等效失效、人员失效状态的平稳状态概率为

P(n)＝[P₀,P₁,P₂,P₃,P₄] (4)

式(4)中，P₀,P₁,P₂,P₃,P₄分别表示控制功能可用、可自检硬件失效、不可自检硬件失效、软件等效失效、人员失效状态的平稳状态概率；

平稳状态转移矩阵P为：

联立式(6)和式(7)：

P(n)P＝0 (6)

得控制功能的可用率P₀：

步骤二、确定电力信息物理系统连锁故障的发生机理，包括：

2-1)分析电力信息物理系统连锁故障模式：电力信息物理系统连锁故障包括两种：一是电力系统原发故障引起的连锁故障；二是信息系统故障通过信息-电力作用传递到电力系统，引起电力系统发生故障，进而形成跨空间的电力信息物理系统连锁故障；

2-2)以断路器为作用接口，信息-电力作用关系：控制功能失效包括拒动和误动，断路器控制功能失效导致的拒动发生在运行方式调整时，断路器控制功能失效导致误动中的误合情况发生时，断路器控制功能失效导致所属线路断开；

2-3)建立考虑控制功能失效的线路可靠性模型：

U'＝U(U_c,fP_0,f)(U_c,tP_0,t) (9)

式(9)中：U'为考虑控制功能作用后的线路可用率；U为不考虑控制功能作用时线路的可用率；U_c,f、U_c,t分别为线路首末两端断路器的可用率；P_0,f、P_0,t分别为线路首末两端断路器控制功能的可用率；

2-4)最终得到电力信息物理系统连锁故障的发生机理；

步骤三、建立电力信息物理系统连锁故障搜索方法并计算系统风险，包括：

3-1)选择初始故障线路；

3-2)断开故障线路，计算系统潮流；

3-3)判断是否有线路潮流过载，若有，断开过载线路，进入步骤3-4)；若无，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标；

3-4)判断是否出现潮流不收敛或系统解列，若否，返回步骤3-3)；若是，则搜索结束，调用最优潮流程序计算系统风险指标；

上述步骤3-3)和步骤3-4)所使用的风险指标相同，包括连锁故障概率P_cf和期望负荷损失量EENS，其中：

连锁故障概率P_cf

式(10)中：S为单元件故障集，p_i为故障i发生的概率，F_i为表征故障i发生是否会导致连锁故障的标志，如果搜索过程中故障支路总数超过3条，则认为系统发生了连锁故障，令F_i＝1，否则F_i＝0；

期望负荷损失量EENS，单位为MWh/y，

式(11)中：C_i为故障i发生所导致的切负荷量；评估时间的单位为小时，评估时间为1年。