CN107423493B - 一种基于关联矩阵的电力信息物理耦合建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于关联矩阵的电力信息物理耦合建模方法，属于电力信息物理系统分析技术领域。本发明首先把电力信息物理系统抽象形成三层框架，包括物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，然后针对各层中的物理实体、二次设备、通信网络进行建模，并在此基础上，通过关联矩阵将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，形成完整的电力信息物理系统单元模型。本发明可以准确描述通信性能，对电力系统安全稳定分析有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于电力信息物理系统分析技术领域，具体地说本发明涉及一种基于关联矩阵的电力信息物理耦合建模方法。
背景技术
信息物理系统(CPS，Cyber-Physical Systems)，又称信息物理融合系统、信息物理耦合系统，是指通过3C技术将计算系统、通信网络和物理环境融为一体，形成实时感知、动态控制与信息服务融合的多维异构复杂系统。近年来，随着智能电网建设的不断发展，电网传感器数量、信息网络规模和决策单元数量都迅速增加，电力系统的自动化程度大大提高。此外，能源互联网的推广使得越来越多的外部信息通过各种业务途径直接或间接影响着电力系统控制决策，电力网络与信息网络的交互机理日益复杂。现代电力系统已不再是传统意义上的电力设备网络，而是发展成为具备各种CPS典型特征的电力CPS。
如何面向电力系统控制应用进行信息物理耦合建模与评估，成为电力系统新形势下亟需研究的课题。电力流交互是对物理网络连续过程的描述，信息流交互则是以离散化数据结构为基础的计算机科学，这种异构性给电力CPS系统的分析和运用带来了巨大的挑战。传统电力系统分析与控制方法基本是将两者割裂开的，迫切需要一种精确的模型来描述信息系统与物理世界的交互行为，准确反映通信性能对电力CPS中安全稳定的影响。
目前，绝大多数关于电力信息物理耦合系统(电力CPS)建模方面的研究都侧重于对信息的映射关系的反映，而事实上对通信性能的准确描述才是研究通信网络对电力信息物理融合系统影响所真正关心的，但却缺少相关研究和成熟的技术方案。
发明内容
本发明目的是：针对现有技术的不足，提出一种基于关联矩阵的电力信息物理耦合建模方法，以求准确反映通信性能对电力CPS中安全稳定的影响。
具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的：把电力信息物理系统抽象成物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，针对各层中的物理实体、二次设备、通信网络进行建模，并在此基础上，通过关联矩阵将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，形成完整的电力信息物理系统单元模型。
上述技术方案的进一步特征在于，对二次设备采用以下方法建模：
基于二次设备功能对其进行建模，对包含n个二次设备节点且任意两个二次设备功能之间没有相关性的二次设备网络，构造功能矩阵W进行表示，其结构定义如下：
其中，Wii表示第i个二次设备节点的功能特性，其取值范围采用多元组(F(input),t(F))表征，其中F(input)对应相应二次设备的信息处理算法，input表示相应二次设备的输入数据，t(F)表示信息处理算法本身的处理延时。
上述技术方案的进一步特征在于，对通信网络采用以下方法建模：
将通信网络中的通信设备抽象为通信节点，将通信线路抽象为通信支路，采用矩阵来描述通信网络的拓扑连接关系，对包含k个通信节点的通信网络，采用邻接矩阵C来描述通信网络，邻接矩阵C的结构定义如下：
其中，邻接矩阵C中的各元素表示相应两个通信节点间通信性能的评估指标，如果两个通信节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0。
上述技术方案的进一步特征在于，所述通过关联矩阵将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来是指，通过建立关联矩阵实现二次设备-物理节点关联模型、二次设备-通信节点关联模型以及二次设备-信息节点关联模型，将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，包括建立二次设备-物理关联矩阵SP、物理-二次设备关联矩阵PS、二次设备节点-通信节点关联矩阵ST以及通信节点-二次设备节点关联矩阵TS：
对包含m个物理节点和n个二次设备节点的电力网络，采用物理-二次设备关联矩阵PS来描述信号采集过程，用二次设备-物理关联矩阵SP来描述控制命令执行过程；
SP结构定义如下：
其中，S表示二次设备节点，P表示物理节点，SP中的各元素表示相应二次设备节点和物理节点之间信息交互的性能，其取值范围由二次设备节点和物理节点之间的交互延时、二次设备节点和物理节点之间的交互可靠程度和其他用于描述二次设备层与物理层节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应二次设备节点与物理节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
PS结构定义如下：
其中，P表示物理节点，S表示二次设备节点，PS中的各元素表示相应物理节点和二次设备节点之间信息交互的性能，其取值范围由物理节点和二次设备节点之间的交互延时、物理节点和二次设备节点间的交互可靠程度和其他用于描述物理层节点与二次设备层节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应物理节点和二次设备节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
对包含n个二次设备节点和k个通信节点的电力网络，采用二次设备节点-通信节点关联矩阵ST或通信节点-二次设备节点关联矩阵TS来描述信息上传或命令下发过程；
ST矩阵的结构定义如下：
其中，S表示二次设备节点，T表示通信节点，ST中的各元素表示相应二次设备节点和通信节点之间的关联性能，其取值范围由二次设备节点和通信节点之间的通信延时、二次设备节点和通信节点之间的误码概率和其他用于描述二次设备节点与通信节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应二次设备节点和通信节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
TS矩阵的结构定义如下：
其中，T表示通信节点，S表示二次设备节点，TS中的各元素表示相应通信节点和二次设备节点之间的关联性能，其取值范围由通信节点和二次设备节点之间的通信延时、通信节点和二次设备节点之间的误码概率和其他用于描述通信节点和二次设备节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应通信节点和二次设备节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0。
本发明的有益效果如下：本发明提出的基于关联矩阵的电力信息物理耦合建模方法，把电力信息物理系统抽象形成物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，通过关联矩阵实现信息物理耦合，可以对实际电力信息物理耦合系统中的包括通信延时在内的通信性能进行准确描述并进行分析，从而能够准确反映通信性能对电力CPS中安全稳定的影响。
附图说明
图1为本发明的整体建模框架图；
图2为本发明的实际系统CPS拓扑图；
图3为本发明的信息传输路径图；
图4为本发明的通信延时模型框架图。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明的一个实施例，描述了一种基于关联矩阵的电力信息物理耦合建模方法，具体而言，该建模方法的主要过程是，把电力信息物理系统抽象成物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，针对各层中的物理实体、二次设备、通信网络进行建模，并在此基础上，通过关联矩阵将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，形成完整的电力信息物理系统单元模型，其整体建模框架如图1所示。
其中，基于二次设备功能对其进行建模。二次设备主要指电力系统智能化控制设备(如安全稳定控制装置)。以功率调度业务的实现为例，电气量测信息上传过程中，二次设备需要实现信息的采集、处理和上传；控制指令下达过程中，二次设备需要实现指令的下发、处理和执行。因此，可以基于二次设备功能对其进行建模。
对包含n个二次设备节点且任意两个二次设备功能之间没有相关性的二次设备网络，构造功能矩阵W进行表示，其结构定义如下：
其中，Wii表示第i个二次设备节点的功能特性，其取值范围采用多元组(F(input),t(F))表征，其中F(input)对应相应二次设备的信息处理算法，input表示相应二次设备的输入数据，t(F)表示信息处理算法本身的处理延时。不同二次设备根据不同输入数据input(如电压、电流、相角等节点信息)选择不同的信息处理算法F(如功率计算等)，不同信息处理算法本身的处理延时t(F)性能亦取决于二次设备内置的算法F。在具体的计算过程中，会根据具体研究目标，选择多元组中相应的某一元素的值代入矩阵计算。
通信网络性能主要是由通信元件和拓扑结构决定，其对电力信息物理融合系统的直接影响主要体现在信号传递的延时(误码情况等效为传输延时)、信号丢失和信号传输错误等。因此，建立的通信网络模型要能够描述通信网络的拓扑结构、通信设备和网络的通信性能。
因此，对通信网络采用以下方法建模：将通信网络中的通信设备抽象为通信节点，将通信线路抽象为通信支路，采用矩阵来描述通信网络的拓扑连接关系，对包含k个通信节点的通信网络，采用邻接矩阵C来描述通信网络，邻接矩阵C的结构定义如下：
其中，邻接矩阵C中的各元素表示相应两个通信节点间通信性能的评估指标，如果两个通信节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0。
通过关联矩阵将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来是指，通过建立关联矩阵实现二次设备-物理节点关联模型、二次设备-通信节点关联模型以及二次设备-信息节点关联模型，将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，包括建立二次设备-物理关联矩阵SP、物理-二次设备关联矩阵PS、二次设备节点-通信节点关联矩阵ST以及通信节点-二次设备节点关联矩阵TS。
对包含m个物理节点和n个二次设备节点的电力网络，采用物理-二次设备关联矩阵PS来描述信号采集过程，用二次设备-物理关联矩阵SP来描述控制命令执行过程；
SP结构定义如下：
其中，S表示二次设备节点，P表示物理节点，SP中的各元素表示相应二次设备节点和物理节点之间信息交互的性能，其取值范围由二次设备节点和物理节点之间的交互延时、二次设备节点和物理节点之间的交互可靠程度和其他用于描述二次设备层与物理层节点之间信息交互的性能指标组成，即对于SP中的SPij而言，其取值范围可采用多元组(SPTij,SPPMij,......)来表示，其中SPTij表示二次设备节点i和物理节点j之间的交互延时，如控制命令执行的延时，SPPMij表示二次设备节点i和物理节点j之间的交互可靠程度，如控制命令执行错误的概率，省略的元素表示其他用于描述二次设备层与物理层节点之间信息交互的性能指标，可根据具体需求可以自行进行补充。在具体计算过程中，可根据具体研究目标，选择多元组中相应的某一元素的值代入矩阵计算，如研究信息交互延时这一指标，则SP矩阵由SPTij的值构成。
如果相应二次设备节点与物理节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
PS结构定义如下：
其中，P表示物理节点，S表示二次设备节点，PS中的各元素表示相应物理节点和二次设备节点之间信息交互的性能，其取值范围由物理节点和二次设备节点之间的交互延时、物理节点和二次设备节点间的交互可靠程度和其他用于描述物理层节点与二次设备层节点之间信息交互的性能指标组成，即对于PS中的PSij而言，其取值范围可采用多元组(PSTij,PSPMij,......)来表示，其中PSTij表示物理节点i和二次设备节点j之间的交互延时，如控制命令执行的延时，PSPMij表示物理节点i和二次设备节点j之间的交互可靠程度，如控制命令执行错误的概率，省略的元素表示其他用于描述物理层节点与二次设备层节点之间信息交互的性能指标，可根据具体需求可以自行进行补充。在具体计算过程中，根据具体研究目标，选择多元组中相应的某一元素的值代入矩阵计算，如研究信息交互延时这一指标，则PS矩阵由PSTij的值构成。
如果相应物理节点和二次设备节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
对包含n个二次设备节点和k个通信节点的电力网络，采用二次设备节点-通信节点关联矩阵ST或通信节点-二次设备节点关联矩阵TS来描述信息上传或命令下发过程；
ST矩阵的结构定义如下：
其中，S表示二次设备节点，T表示通信节点，ST中的各元素表示相应二次设备节点和通信节点之间的关联性能，其取值范围由二次设备节点和通信节点之间的通信延时、二次设备节点和通信节点之间的误码概率和其他用于描述二次设备节点与通信节点之间信息交互的性能指标组成，即对于ST中的STij而言，其取值范围可以采用多元组(STTij,STPMij,......)来表示，其中STTij表示二次设备节点i和通信节点j之间的通信延时，STPMij表示二次设备节点i和通信节点j之间的误码概率，省略的元素表示其他用于描述二次设备节点与通信节点之间信息交互的性能指标，可根据具体需求可以自行进行补充。在具体计算过程中，可根据具体研究目标，选择多元组中相应的某一元素的值代入矩阵计算，如研究通信延时这一指标，则ST矩阵由STTij的值构成。
如果相应二次设备节点和通信节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
TS矩阵的结构定义如下：
其中，T表示通信节点，S表示二次设备节点，TS中的各元素表示相应通信节点和二次设备节点之间的关联性能，其取值范围由通信节点和二次设备节点之间的通信延时、通信节点和二次设备节点之间的误码概率和其他用于描述通信节点和二次设备节点之间信息交互的性能指标组成，即对于TS中的TSij而言，其取值范围可采用多元组(TSTij,TSPMij,......)来表示，其中TSTij表示通信节点i和二次设备节点j之间的通信延时，TSPMij表示通信节点i和二次设备节点j之间的误码概率，省略的元素表示其他用于描述通信节点和二次设备节点之间信息交互的性能指标，可根据具体需求可以自行进行补充。在具体计算过程中，可根据具体研究目标，选择多元组中相应的某一元素的值代入矩阵计算，如研究通信延时这一指标，则TS矩阵由TSTij的值构成。
如果相应通信节点和二次设备节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0。
以下给出上述方案的实际运用。选取一个特高压交直流混联系统实际拓扑为研究对象，基于关联矩阵建模方法研究不同通信延时对N-2故障情况下暂态功角稳定裕度的影响。该系统包含28条1000kV母线、856条500kV母线、6952条220kV母线以及52个直流换流站(拓扑结构见附图2)；其中，物理系统简化为A～H区域，通信系统包含1个主站(MS)、5个子站(SS)以及11个执行站(ES)，信息传输路径如附图3所示。
在电网正常运行情况下，如果SS4区域发生单回特高压线路断开或者ES9区域单个特高压交直流落点闭锁，系统仍可以保证稳定运行。但当上述两种情况同时发生时，系统将暂态失稳。当电网出现故障时，信息传输过程通常为二次设备采集并处理物理节点信息，再通过通信节点向信息节点上传，信息节点根据故障情况进行决策，并向相关执行单元(二次设备)下达指令。在该场景下，安全稳定防御系统(SSDS)的动作顺序是：1)SS4给MS发送故障信息；2)ES9将故障信息发给SS5，由SS5发送给MS；3)MS识别N-2故障，进行控制决策，向相关单元下发控制指令。
假设物理节点与通信节点一一对应，线路传输的通信延时为5μs·km-1。由于稳控业务中主站集通信、二次设备计算以及信息节点处理功能为一体，故本算例中MS同时具备通信节点、二次设备节点以及信息节点的特性。对信息上传以及下发过程建立基于关联矩阵的通信延时模型，其框架如附图4所示。
PE-ES矩阵为11阶对角矩阵，其对角元素为各二次设备对物理信息的采集延时(由于采集时间属于微秒甚至纳秒级，可忽略)；ES-PE矩阵为PE-ES矩阵的转置。
二次设备ES矩阵元素在该算例中为各二次设备自身信息处理延时，如下：
通信拓扑矩阵在信息上传过程中为ES-SS矩阵和SS-MS矩阵(如下式所示)，在信息下发过程为MS-SS矩阵和SS-ES矩阵，可由ES-SS矩阵和SS-MS矩阵转置得到。
信息功能矩阵在本算例中用MS-MS矩阵表征：MS-MS＝[5.1732]。
针对本场景故障，候选执行站为ES2-ES7，信息上传的传输路径分别为ES9-SS5-MS，SS4-MS，指令下发的传输路径为MS-SS2-ES2，MS-SS2-ES3，MS-SS2-ES4，MS-SS3-ES5，MS-SS3-ES6，MS-SS3-ES7。假设每个单元固有动作时间为160ms，则ES2-ES7总的跳开时间见表1。
表1 ES2-ES7总动作时间(单位：ms)
| ES2 | ES3 | ES4 | ES5 | ES6 | ES7 |
| 191.2712 | 191.4812 | 192.3262 | 188.9812 | 188.7712 | 189.4112 |
将上述执行站延时连同故障信息一起作为Fastest的输入信息，计算得到动作序列：跳开ES3，ES5以及ES6的一台机，跳开ES2的两台机。在这种控制策略下，暂态稳定裕度为51.09。表2给出了暂态功角稳定边界影响对ES2-ES7跳闸延时的灵敏度值。由该表亦可看出，暂态功角稳定边界对ES2、ES3、ES5和ES6的灵敏度较高。
表2暂态功角稳定边界对ES2-ES7的灵敏度
| ES2 | ES3 | ES4 | ES5 | ES6 | ES7 |
| 0.0176 | 0.0144 | 0.0134 | 0.0139 | 0.0136 | 0.0123 |
如果考虑通信故障情况，假设数据从SS4上传至MS过程中误码增加导致动作时间增加3ms延时，则暂态稳定裕度由51.09降低至28.72，低于设定阈值30。由此可见，通信延时的增加将明显降低电力系统稳定性。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (1)
1.一种基于关联矩阵的电力信息物理耦合建模方法，其特征在于，把电力信息物理系统抽象成物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，针对各层中的物理实体、二次设备、通信网络进行建模，并在此基础上，通过关联矩阵将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，形成完整的电力信息物理系统单元模型；
其中，对二次设备采用以下方法建模：基于二次设备功能对其进行建模，对包含n个二次设备节点且任意两个二次设备功能之间没有相关性的二次设备网络，构造功能矩阵W进行表示，其结构定义如下：
其中，Wii表示第i个二次设备节点的功能特性，其取值范围采用多元组(F(input),t(F))表征，其中F(input)对应相应二次设备的信息处理算法，input表示相应二次设备的输入数据，t(F)表示信息处理算法本身的处理延时；
对通信网络采用以下方法建模：将通信网络中的通信设备抽象为通信节点，将通信线路抽象为通信支路，采用矩阵来描述通信网络的拓扑连接关系，对包含k个通信节点的通信网络，采用邻接矩阵C来描述通信网络，邻接矩阵C的结构定义如下：
其中，邻接矩阵C中的各元素表示相应两个通信节点间通信性能的评估指标，如果两个通信节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
所述通过关联矩阵将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来是指，通过建立关联矩阵实现二次设备-物理节点关联模型、二次设备-通信节点关联模型以及二次设备-信息节点关联模型，将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，包括建立二次设备-物理关联矩阵SP、物理-二次设备关联矩阵PS、二次设备节点-通信节点关联矩阵ST以及通信节点-二次设备节点关联矩阵TS；
对包含m个物理节点和n个二次设备节点的电力网络，采用物理-二次设备关联矩阵PS来描述信号采集过程，用二次设备-物理关联矩阵SP来描述控制命令执行过程；
SP结构定义如下：
其中，S表示二次设备节点，P表示物理节点，SP中的各元素表示相应二次设备节点和物理节点之间信息交互的性能，其取值范围由二次设备节点和物理节点之间的交互延时、二次设备节点和物理节点之间的交互可靠程度和其他用于描述二次设备层与物理层节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应二次设备节点与物理节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
PS结构定义如下：
其中，P表示物理节点，S表示二次设备节点，PS中的各元素表示相应物理节点和二次设备节点之间信息交互的性能，其取值范围由物理节点和二次设备节点之间的交互延时、物理节点和二次设备节点间的交互可靠程度和其他用于描述物理层节点与二次设备层节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应物理节点和二次设备节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
对包含n个二次设备节点和k个通信节点的电力网络，采用二次设备节点-通信节点关联矩阵ST或通信节点-二次设备节点关联矩阵TS来描述信息上传或命令下发过程；
ST矩阵的结构定义如下：
其中，S表示二次设备节点，T表示通信节点，ST中的各元素表示相应二次设备节点和通信节点之间的关联性能，其取值范围由二次设备节点和通信节点之间的通信延时、二次设备节点和通信节点之间的误码概率和其他用于描述二次设备节点与通信节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应二次设备节点和通信节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0；
TS矩阵的结构定义如下：
其中，T表示通信节点，S表示二次设备节点，TS中的各元素表示相应通信节点和二次设备节点之间的关联性能，其取值范围由通信节点和二次设备节点之间的通信延时、通信节点和二次设备节点之间的误码概率和其他用于描述通信节点和二次设备节点之间信息交互的性能指标组成，如果相应通信节点和二次设备节点之间没有交互关系，则相应位置的元素为0。
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