CN107947169B - 一种面向电网能量管理系统的信息流建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向电网能量管理系统的信息流建模方法，属于电力系统分析和评估技术领域。该方法包括：提取电力信息‑物理耦合的关键因素——信息流作为分析目标，将实际系统中各模块的输入输出信息分别抽象为信息节点，将各模块的功能建模为信息支路，基于图论的信息流映射设计了能量管理系统的信息流模型。本发明方法提取了电力系统与能量管理系统间的信息‑物理耦合作用的核心特征，实现了电网能量管理系统的理论化建模，基于该模型可以分析信息扰动对控制变量的影响，为未来能量管理系统的评估与优化提供了理论支撑。

Description

一种面向电网能量管理系统的信息流建模方法

技术领域

本发明涉及一种电网能量管理系统的信息流建模方法，属于电力系统分析和评估技术领域。

背景技术

随着智能电网与能源互联网的发展，电力系统及其控制系统共同构成了典型的信息物理系统，其中能量管理系统(EMS,Energy Management System)就是其中一个典型的例子该系统涵盖广域信息实时感知(RTU/PMU)、信息传输(电力载波/光纤网、各种规约形式)、信息处理(坏数据辨识/状态估计)、信息决策(潮流分析/安全分析/优化计算)、闭环控制(AGC/AVC)等，从空间上覆盖上千公里，从时间上涵盖毫秒到小时级，从目标上兼顾安全、优质和经济等多种要求。能量管理系统通过对物理电网的深入感知与控制，保证了电力系统安全、可靠、经济地运行。然而，随着电网对能量管理系统的依赖度越来越大，有必要定量分析能量管理系统与物理电网间的交互影响机制。

当前一些研究已经对这一问题进行了探讨，相关研究包括对电力系统的信息-物理耦合建模(如智能发电机建模、事件驱动模型、基于通信规约的建模等)、信息-物理耦合评估(基于相依网络或状态转移图)、信息-物理混合仿真等。然而，这些研究均存在着一些不足，首先，当前的信息-物理耦合建模方法缺乏通用性，无法对信息故障进行统一建模；耦合评估侧重拓扑可达性上的研究，缺乏定量分析；仿真方法虽然能给出精确结果，但模型复杂，计算量大，无法用于理论分析。然而，从网络分析的角度对这一问题仔细研究，不难发现，EMS对电网运行的影响，从本质上说是信息流影响能量流的过程。因此，基于电力系统能量管理系统的功能和特性提出一种信息流的建模和计算方法，可以在保证分析精确度的基础上大幅度降低建模与计算难度，是当前电力系统分析中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种电网能量管理系统的信息流建模方法，提取电力系统与能量管理系统相互作用的关键特性——信息-能量流进行分析，以实现电网能量管理系统的理论化建模，基于该模型以用于分析信息扰动对控制变量的影响。

本发明提出的电网能量管理系统的信息流建模方法，包括以下步骤：

(1)将电网能量管理系统的信息网络中所有信息元件视为信息节点，其中信息节点包括量测终端节点、子站量测数据汇集节点、子站数据上传节点、主站数据接收节点、主站控制指令下发节点、子站控制指令接收节点、子站控制执行节点和控制终端节点，在对所有信息节点编号的过程中使量测终端节点的编号为最小，控制终端的编号为最大，编号顺序如下：

量测终端节点编号<子站量测数据汇集节点编号<子站数据上传节点编号<主站数据接收节点编号<主站控制指令下发节点编号<子站控制指令接收节点编号<子站控制执行节点编号<控制终端节点编号；

(2)建立一个表征电网能量管理系统的信息网络中信息节点之间函数映射关系的信息支路模型，信息支路模型包括以下三类：

(2-1)信息传输支路模型：

其中，

为第k条信息传输支路的信息输入，

为第k条信息传输支路的信息输出，和的维数相同，F_k为第k条信息传输支路的映射列向量，当传输支路不发生故障时全为1，发生故障时为0；

信息传输支路模型适用于：子站数据上传节点与主站数据接收节点间、主站控制指令下发节点与子站控制指令接收节点间、子站控制执行节点与控制终端节点间的信号传输过程，信息传输支路的首端分别为子站数据上传节点、主站控制指令下发节点、子站控制执行节点，末端分别为主站数据接收节点、子站控制指令接收节点、控制终端节点；

(2-2)信息处理支路模型：

其中，

为第l条信息处理支路的信息输入，

为第l条信息处理支路的信息输出；F_l为第l条信息处理支路的映射列向量，*为广义乘法运算符，定义为：

第l条信息处理支路的映射函数由调度操作人员根据所需实现的功能自定义

信息处理支路适用于：子站数据上传节点与子站量测数据汇集节点之间的数据预处理过程、主站控制指令下发节点与主站数据接收节点之间的计算过程以及子站控制执行节点与子站控制指令接收节点之间的本地决策过程；

(2-3)信息母线支路模型：

其中，

表示与第m条信息母线支路相关联的信息输入的数量，表示第m条信息母线支路中第j个信息输入，

表示第m条信息母线支路对第j个信息输入的映射列向量，若第j个信息输入被选中，则映射列向量

的第j行的值为1，该行其余元素为0；若第j个信息输入不被选中，则映射列向量

的第j行的值为0；

信息母线支路模型适用于：包括子站量测数据汇集节点与量测终端节点之间的信息选择过程，汇集所有信息输入后筛选需要的信息，得到信息输出，信息母线支路的首端为量测终端节点，信息母线支路的末端为子站量测数据汇集节点；

(3)建立一个网络拓扑模型，即一个用基于节点-支路关联矩阵A描述电网能量管理系统的信息网络的网络拓扑，节点-支路关联矩阵A的维度为n₀×(K+L+M)：

n₀为信息网络中的信息节点数量，K为信息传输支路数量，L为信息处理支路数量，M为信息母线支路数量，其列向量按照信息传输支路、信息处理支路、信息母线依次排序，定义A中元素为：

a_m,n为节点-支路关联矩阵A的第m行第n列元素；

(4)根据基于上述节点-支路关联矩阵，建立道路-支路关联矩阵T_v：

T_v中各元素的定义为：

其中道路q指电网能量管理系统的信息网络中编号为q的节点一直到其信息流的终点所经过的路径，T_v(p,q)表示矩阵T_v中第p行第q列的元素，由道路的定义可知，矩阵中每个列向量表示一条道路与信息支路间的关联关系；

(5)建立道路-起点关联矩阵S_v：

其中S_v(e,f)表示矩阵S_v中第e行第f列的元素。由定义可知，元素S_v(e,f)＝1的条件是以v为终点的第e条道路的起点为节点f。

(6)建立电网能量管理系统的信息流模型如下：

v^out＝diag(F⊙T_v)*S_v*vⁱⁿ

其中，v^out为信息输出向量，vⁱⁿ代表各节点的外部信息注入，广义向量F＝[F₁,…,F_N]依次由信息传输支路、信息处理支路和信息母线的映射列向量构成，*为广义乘法运算符，diag表示生成对角矩阵，⊙为有序乘法运算符，定义如下：

其中，矩阵α所有元素均为0或1，对F_s(1≤s≤Λ)，均定义：

F_s^0＝1,F_s^1＝F_s

为有序加法运算符，定义如下：

本发明提出的电网能量管理系统的信息流建模方法，其特点和优点是：

本发明方法研究了信息-物理耦合电力系统的建模机制，着重探究了对其信息侧能量管理系统的建模和计算方法。从工程实践中不难发现，能量管理系统是通过信息流影响电力系统运行状态的。结合运行人员和工程师更关注物理电网运行的需求，通过提取信息-物理相耦合的关键因素——信息流作为分析目标，对复杂的能量管理系统进行了简化，提出了信息流网络元件及拓扑建模方法，从而可在不影响物理电网分析的基础上，避免对含大量通信单元的信息系统进行直接建模，降低模型复杂度。此外，这一信息流网络模型还可用于对当前电力系统扩展潮流计算理论进行拓展，形成全系统的信息-能量流模型，对物理电网及能量管理系统在各时刻的运行状态进行定量描述。本发明方法基于信息流的关键特征，参考电力系统建模方法，针对电网能量管理系统建立了一个信息支路模型。本发明方法中的信息流网络模型，利用函数映射表征各信息模块的功能，从而构建了信息-物理融合网络中的支路特性方程；利用道路-支路关联矩阵和道路-起点关联矩阵描述信息流网络的拓扑。本发明方法实现了基于矩阵映射的电网能量管理系统的信息流建模。本发明方法提取了电力系统与能量管理系统间的信息-物理耦合作用的核心特征，实现了电网能量管理系统的理论化建模，基于该模型可以分析信息扰动对控制变量的影响，为未来能量管理系统的评估与优化提供了理论支撑。

附图说明

图1是本发明方法中涉及的电网能量管理系统的信息网络示意图，其中图1(a)为电网能量管理系统的信息网络示意图，图1(b)为电网能量管理系统的道路1的信息网络示意图、(c)电网能量管理系统的道路2的信息网络示意图，图1(d)为电网能量管理系统的道路3的信息网络示意图，分别表示不同的信息流经不同道路从起点到终点的示意图。

具体实施方式

本发明提出的电网能量管理系统的信息流建模方法，包括以下步骤：

(1)将电网能量管理系统的信息网络中所有信息元件视为信息节点，其中信息节点包括量测终端节点、子站量测数据汇集节点、子站数据上传节点、主站数据接收节点、主站控制指令下发节点、子站控制指令接收节点、子站控制执行节点和控制终端节点，在对所有信息节点编号的过程中使量测终端节点的编号为最小，控制终端的编号为最大，编号顺序如下：

量测终端节点编号<子站量测数据汇集节点编号<子站数据上传节点编号<主站数据接收节点编号<主站控制指令下发节点编号<子站控制指令接收节点编号<子站控制执行节点编号<控制终端节点编号；

(2)建立一个表征电网能量管理系统的信息网络中信息节点之间函数映射关系的信息支路模型，信息支路模型包括以下三类：

(2-1)信息传输支路模型：

其中，

为第k条信息传输支路的信息输入，

为第k条信息传输支路的信息输出，

和

的维数相同，F_k为第k条信息传输支路的映射列向量，当传输支路不发生故障时全为1，发生故障时为0；

信息传输支路模型适用于：子站数据上传节点与主站数据接收节点间、主站控制指令下发节点与子站控制指令接收节点间、子站控制执行节点与控制终端节点间的信号传输过程，信息传输支路的首端分别为子站数据上传节点、主站控制指令下发节点、子站控制执行节点，末端分别为主站数据接收节点、子站控制指令接收节点、控制终端节点；

(2-2)信息处理支路模型：

其中，

为第l条信息处理支路的信息输入，

为第l条信息处理支路的信息输出；F_l为第l条信息处理支路的映射列向量，*为广义乘法运算符，定义为：第l条信息处理支路的映射函数由调度操作人员根据所需实现的功能自定义；例如在电压控制中可以为二级电压控制的优化函数。

信息处理支路适用于：子站数据上传节点与子站量测数据汇集节点之间的数据预处理过程、主站控制指令下发节点与主站数据接收节点之间的计算过程以及子站控制执行节点与子站控制指令接收节点之间的本地决策过程；

(2-3)信息母线支路模型：

其中，表示与第m条信息母线支路相关联的信息输入的数量，

表示第m条信息母线支路中第j个信息输入，

表示第m条信息母线支路对第j个信息输入的映射列向量，映射列向量的数值与信息输出是否需要该信息输入，根据实际情况确定：若第j个信息输入被选中，则映射列向量

的第j行的值为1，该行其余元素为0；若第j个信息输入不被选中，则映射列向量

的第j行的值为0；

信息母线支路模型适用于：包括子站量测数据汇集节点与量测终端节点之间的信息选择过程，汇集所有信息输入后筛选需要的信息，得到信息输出，信息母线支路的首端为量测终端节点，信息母线支路的末端为子站量测数据汇集节点；

(3)建立一个网络拓扑模型，即一个用基于节点-支路关联矩阵A描述电网能量管理系统的信息网络的网络拓扑，节点-支路关联矩阵A的维度为n₀×(K+L+M)：

n₀为信息网络中的信息节点数量，K为信息传输支路数量，L为信息处理支路数量，M为信息母线支路数量，其列向量按照信息传输支路、信息处理支路、信息母线依次排序，定义A中元素为：

a_m,n为节点-支路关联矩阵A的第m行第n列元素；

(4)根据基于上述节点-支路关联矩阵，建立道路-支路关联矩阵T_v：

T_v中各元素的定义为：

其中道路q指电网能量管理系统的信息网络中编号为q的节点一直到其信息流的终点所经过的路径，T_v(p,q)表示矩阵T_v中第p行第q列的元素，由道路的定义可知，矩阵中每个列向量表示一条道路与信息支路间的关联关系。道路与信息支路间的关联如图1所示，其中图1(a)为电网能量管理系统的信息网络示意图，图1(b)为电网能量管理系统的道路1的信息网络示意图、(c)电网能量管理系统的道路2的信息网络示意图，图1(d)为电网能量管理系统的道路3的信息网络示意图，分别表示不同的信息流经不同道路从起点到终点的示意图。

(5)建立道路-起点关联矩阵S_v：

其中S_v(e,f)表示矩阵S_v中第e行第f列的元素。由定义可知，元素S_v(e,f)＝1的条件是以v为终点的第e条道路的起点为节点f。

(6)建立电网能量管理系统的信息流模型如下：

v^out＝diag(F⊙T_v)*S_v*vⁱⁿ

其中，v^out为信息输出向量，vⁱⁿ代表各节点的外部信息注入，例如电力网络分析中的功率注入和电流注入等等，广义向量F＝[F₁,…,F_N]依次由上述信息传输支路、信息处理支路和信息母线的映射列向量构成，*为广义乘法运算符，diag表示生成对角矩阵，⊙为有序乘法运算符，定义如下：

其中，矩阵α所有元素均为0或1，对F_s(1≤s≤Λ)，均定义：

F_s^0＝1,F_s^1＝F_s

为有序加法运算符，定义如下：

Claims (1)

1.一种电网能量管理系统的信息流建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将电网能量管理系统的信息网络中所有信息元件视为信息节点，其中信息节点包括量测终端节点、子站量测数据汇集节点、子站数据上传节点、主站数据接收节点、主站控制指令下发节点、子站控制指令接收节点、子站控制执行节点和控制终端节点，在对所有信息节点编号的过程中使量测终端节点的编号为最小，控制终端的编号为最大，编号顺序如下：

量测终端节点编号<子站量测数据汇集节点编号<子站数据上传节点编号<主站数据接收节点编号<主站控制指令下发节点编号<子站控制指令接收节点编号<子站控制执行节点编号<控制终端节点编号；

(2)建立一个表征电网能量管理系统的信息网络中信息节点之间函数映射关系的信息支路模型，信息支路模型包括以下三类：

(2-1)信息传输支路模型：

其中，

为第k条信息传输支路的信息输入，

为第k条信息传输支路的信息输出，

和

的维数相同，F_k为第k条信息传输支路的映射列向量，当传输支路不发生故障时全为1，发生故障时为0；

信息传输支路模型适用于：子站数据上传节点与主站数据接收节点间、主站控制指令下发节点与子站控制指令接收节点间、子站控制执行节点与控制终端节点间的信号传输过程，信息传输支路的首端分别为子站数据上传节点、主站控制指令下发节点、子站控制执行节点，末端分别为主站数据接收节点、子站控制指令接收节点、控制终端节点；

(2-2)信息处理支路模型：

其中，为第l条信息处理支路的信息输入，

为第l条信息处理支路的信息输出；F_l为第l条信息处理支路的映射列向量，*为广义乘法运算符，定义为：

第l条信息处理支路的映射函数由调度操作人员根据所需实现的功能自定义

信息处理支路适用于：子站数据上传节点与子站量测数据汇集节点之间的数据预处理过程、主站控制指令下发节点与主站数据接收节点之间的计算过程以及子站控制执行节点与子站控制指令接收节点之间的本地决策过程；

(2-3)信息母线支路模型：

其中，表示与第m条信息母线支路相关联的信息输入的数量，表示第m条信息母线支路中第j个信息输入，

表示第m条信息母线支路对第j个信息输入的映射列向量，若第j个信息输入被选中，则映射列向量

的第j行的值为1，该行其余元素为0；若第j个信息输入不被选中，则映射列向量的第j行的值为0；

信息母线支路模型适用于：包括子站量测数据汇集节点与量测终端节点之间的信息选择过程，汇集所有信息输入后筛选需要的信息，得到信息输出，信息母线支路的首端为量测终端节点，信息母线支路的末端为子站量测数据汇集节点；

(3)建立一个网络拓扑模型，即一个用基于节点-支路关联矩阵A描述电网能量管理系统的信息网络的网络拓扑，节点-支路关联矩阵A的维度为n₀×(K+L+M)：

n₀为信息网络中的信息节点数量，K为信息传输支路数量，L为信息处理支路数量，M为信息母线支路数量，其列向量按照信息传输支路、信息处理支路、信息母线依次排序，定义A中元素为：

a_m,n为节点-支路关联矩阵A的第m行第n列元素；

(4)根据基于上述节点-支路关联矩阵，建立道路-支路关联矩阵T_v：

T_v中各元素的定义为：

其中道路q指电网能量管理系统的信息网络中编号为q的节点一直到其信息流的终点所经过的路径，T_v(p,q)表示矩阵T_v中第p行第q列的元素，由道路的定义可知，矩阵中每个列向量表示一条道路与信息支路间的关联关系；

(5)建立道路-起点关联矩阵S_v：

其中S_v(e,f)表示矩阵S_v中第e行第f列的元素； 由定义可知，元素S_v(e,f)＝1的条件是以v为终点的第e条道路的起点为节点f；

(6)建立电网能量管理系统的信息流模型如下：

v^out＝diag(F⊙T_v)*S_v*vⁱⁿ

其中，v^out为信息输出向量，vⁱⁿ代表各节点的外部信息注入，广义向量F＝[F₁,…,F_N]依次由信息传输支路、信息处理支路和信息母线的映射列向量构成，*为广义乘法运算符，diag表示生成对角矩阵，⊙为有序乘法运算符，定义如下：

其中，矩阵α所有元素均为0或1，对F_s(1≤s≤Λ)，均定义：

F_s^0＝1,F_s^1＝F_s

为有序加法运算符，定义如下：

Images