CN108322334B - 一种电力通讯系统可靠性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力通讯系统可靠性评估方法。该方法首先将电力信息系统抽象为复杂网络；在此基础上，考虑电力信息系统在实际物理世界的分布，改进了经典的负载‑容量模型使其满足电力信息系统实际运行特性；提出了两种电力通讯系统可靠性评估指标；在此基础上使用蒙特卡洛模拟法建立了完整的电力通讯系统可靠性评估方法。本发明可评估电力通讯系统的可靠性，并可对电力通讯系统存在的薄弱环节进行识别并预警，帮助调度和规划人员感知并消除电力通讯系统的潜在隐患，保障电网安全稳定运行。

Description

一种电力通讯系统可靠性评估方法
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种电力通讯系统可靠性评估方法。
背景技术
随着电力系统整体智能化水平的提高，电力业务种类与数量不断增多，电力通讯系统与原有的一次系统之间联系愈加密切，电力生产和管理越发的依赖电力通讯系统的正常工作。因此，通过对电力通讯系统进行可靠性评估，可以以最小代价提升电网的整体安全性和稳定性。
在传统的网络分析技术中，主要有基于规则的扫描分析方法和基于模型的形式化建模分析方法。这些方法通过引入模型对级联故障过程进行整体分析，但是不能直接量化网络中的弱点，更不能分析网络效能在攻击后的变化情况，难以考察网络在级联故障结束后对业务运行的影响程度。而传统的复杂网络领域的级联失效负载-容量模型，是基于以下三个假设的：
(1)每个节点或者链路的最大负载正比于其初始负载；
(2)每个时间单位内，网络中任意两个节点间都交换一个单位的信息、能量或者数据包，而且交换的路径是依据最短路径进行选择的；
(3)正常情况下，网络处于一种自由流的状态，此时节点的负荷即为节点的介数大小。
这些假设在诸多通讯网络中都是广泛适用的，然而，由于分层的网络结构和特殊的通讯形式，这些假设并不适用于电力通讯系统。例如，在调度中心和厂站自动化系统之间会存在上行数据和下行命令，但是厂站自动化系统之间并不会直接互相传输数据，该假设的第二条无法适用于电力信息系统。
本方法将电力通讯系统抽象为复杂网络，根据电力通讯系统实际运行特点且考虑电力通讯系统节点在实际物理系统中的分布，改进了经典的负载-容量模型。在此基础上，提出了两种系统损失指标和可靠性评估指标，从而从多角度进行电力通讯系统可靠性评估，有利于控制电网的安全水平，确保电网安全运行。
因此，设计良好有效的电力通讯系统可靠性评估方法是本申请人致力于解决的问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种电力通讯系统可靠性评估方法，通过该方法能够从网络拓扑和网络性能角度评估电力通讯系统的可靠性，帮助运行人员全面感知电力通讯系统的整体运行状况，进而分析高风险的关键节点，以便及时采集控制措施消除风险，保障电网安全稳定运行。
实现上述目的的技术方案是：
一种电力通讯系统可靠性评估方法，包括下列步骤：
步骤S1：输入电力一次系统模型数据、通讯站点可靠性数据和电力通讯系统模型数据，根据电力通讯系统模型数据建立网络拓扑模型；
步骤S2：根据步骤S1中输入的电力一次系统模型数据和建立的电力通讯系统网络拓扑模型，计算初始状态下电力通讯系统各节点的负载，进而求取各个节点的负载限值；
步骤S3：对通讯设备进行非序贯蒙特卡洛抽样，得到系统状态j；
步骤S4：分析此时的通讯节点失效状况，更新电力通讯系统网络拓扑模型，计算此时各个节点的负载情况；
步骤S5：根据步骤S4中计算得到的节点负载状况和步骤S2中计算得到的节点负载限值，判断是否有新的节点出现负载越限状况，若否，则进行步骤S7；若是，则执行步骤S6；
步骤S6：将步骤S5中得到的负载越限节点状态设为失效，返回步骤S4；
步骤S7：计算此时的系统损失指标RNLj和RDLj；
步骤S8：判断RDLj的方差系数是否满足计算终止条件，若否，则返回步骤S3；若是，则执行步骤S9。
步骤S9：计算电力通讯系统可靠性指标ERNL和ERDL。
所述的步骤S1中，电力通讯系统网络拓扑模型的建立方法如下：
本方法所述的电力通讯系统拓扑结构模型中，节点是由调度中心和变电站/发电厂自动化系统(即通讯站点)抽象而成，链路是由站间通讯线路抽象而成。
所述的步骤S2和步骤S4中，节点负载的计算方法如下：
节点负载的计算方法基于以下几点假设：
(1)厂站自动化系统抽象节点与该场站所交换的数据正比于该厂站的进线/出线数量，即该厂站的节点度；
(2)网络中的数据并非出于自由流动的状态，而是只能由厂站自动化系统抽象节点流向调度中心抽象节点，或者由调度中心抽象节点流向厂站自动化系统抽象节点；
(3)调度中心抽象节点与厂站自动化系统抽象节点之间，信息交换的路径是依据最短路径进行选择的。
基于假设(1)(2)(3)，电力通讯系统节点负载用如下公式表述：
Figure GDA0002487335580000031
Figure GDA0002487335580000032
其中，L(i)表示当前网络状况下节点i的负载；c表示调度中心节点；V表示当前网络中的节点集合；kt表示节点t对应厂站的进线/出线数量。σct表示从节点c到节点t的最短路径。
所述的步骤S2中，节点负载限值的计算方法如下：
节点负载限值的计算方法基于以下假设：每个节点或者链路的最大负载正比于其初始负载；
基于上述假设，可得节点的负载限值为：
Lmax(i)＝αL0(i)
其中，Lmax(i)表示节点i的负载限值；L0(i)表示节点i的初始负载；α表示节点负载的冗余系数。
所述的步骤S7中，系统损失指标RNLj和RDLj的计算方法如下：
本方法采用节点缺失率(RNLj)和数据缺失率(RDLj)两个指标来综合度量状态j下电力通讯系统的系统损失：
Figure GDA0002487335580000041
Figure GDA0002487335580000042
其中，RNLj和RDLj分别表示状态j下电力通讯系统的节点缺失率和数据缺失率；N表示电力信息系统的节点数；N'表示级联失效终止时电力通讯系统的节点数；kt表示节点t对应厂站的进线/出线数量； V表示电力通讯系统的节点集合；V'表示级联失效终止时电力通讯系统的节点集合。
所述的步骤S9中，电力通讯系统可靠性指标ERNL和ERDL的计算方法如下：
本方法以期望节点缺失率(ERNL)和期望数据缺失率(ERDL)作为电力通讯系统可靠性指标：
Figure GDA0002487335580000043
Figure GDA0002487335580000044
式中：S为系统所有状态的集合；pj为系统在状态j的概率；RNLj为系统在状态j的节点缺失率；RDLj为系统在状态j的数据缺失率。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种电力通讯系统可靠性评估方法。基于电力通讯系统具体特点，改进了传统的负载-容量模型，利用改进模型进行脆弱性评估，解决了传统负载-容量模型无法满足电力通讯系统特点的问题；同时，本发明所述方法能够反映电力通讯系统节点在物理世界中的分布，实现了从多角度的可靠性评估；给出了计及级联失效的电力通讯系统可靠性方法，从拓扑结构和网络性能两方面建立了可靠性评估指标，从而使得任意电网通过本发明的可靠性评估方法能全景感知系统可靠性水平，帮助调度运行人员把握当前的系统运行状况，以便及时采集控制措施消除安全隐患。
附图说明
图1是本发明的电力通讯系统可靠性评估方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的电力通讯系统可靠性评估方法，包括下列步骤：
步骤S1，输入电力一次系统模型数据、通讯站点可靠性数据和电力通讯系统模型数据，根据电力通讯系统模型数据建立网络拓扑模型；
步骤S2，根据步骤S1中输入的电力一次系统模型数据和建立的电力通讯系统网络拓扑模型，计算初始状态下电力通讯系统各节点的负载，进而求取各个节点的负载限值；
步骤S3，对通讯设备进行非序贯蒙特卡洛抽样，得到系统状态j；
步骤S4，分析此时的通讯节点失效状况，更新电力通讯系统网络拓扑模型，计算此时各个节点的负载情况；
步骤S5，根据步骤S4中计算得到的节点负载状况和步骤S2中计算得到的节点负载限值，判断是否有新的节点出现负载越限状况，若否，则进行步骤S7；若是，则执行步骤S6；
步骤S6，将步骤S5中得到的负载越限节点状态设为失效，返回步骤S4；
步骤S7，计算此时的系统损失指标RNLj和RDLj；
步骤S8，判断RDLj的方差系数是否满足计算终止条件，若否，则返回步骤S3；若是，则执行步骤S9。
步骤S9，计算电力通讯系统可靠性指标ERNL和ERDL。
所述的步骤S1中，电力通讯系统网络拓扑模型的建立方法如下：
电力通讯系统是基于以太网的通讯网络，可以被抽象为一个复杂网络。在物理结构层面上，电力通讯系统普遍采用三层网络结构进行组网，分为核心层、骨干层和接入层；整个网络尽量保证高冗余、高可靠的设计，以实现业务高速、可靠的传输；在数据业务层面上，电力通讯系统数据业务，或者通过接入层节点上行经过骨干层传输到核心层节点，或者通过核心层节点下行经过汇聚层传输到达接入层终端节点，整个信息网络的业务呈现出强烈的星形结构。
网络拓扑模型指忽略系统的实际结构将其抽象为由节点和链路组成的网络的拓扑结构模型。本方法所述的电力通讯系统拓扑结构模型中，节点是由调度中心和变电站/发电厂自动化系统(即通讯站点) 抽象而成，链路是由站间通讯线路抽象而成。
所述的步骤S2和步骤S4中，节点负载的计算方法如下：
节点负载的计算方法基于以下几点假设：
(1)厂站自动化系统抽象节点与该场站所交换的数据正比于该厂站的进线/出线数量，即该厂站的节点度；
(2)网络中的数据并非出于自由流动的状态，而是只能由厂站自动化系统抽象节点流向调度中心抽象节点，或者由调度中心抽象节点流向厂站自动化系统抽象节点；
(3)调度中心抽象节点与厂站自动化系统抽象节点之间，信息交换的路径是依据最短路径进行选择的。
假设(2)(3)的提出是因为，电力通讯系统中的数据交换仍然是基于最短路径进行选择的，只是由于最短路径的首节点是调度中心节点，末节点是厂站自动化系统节点，最短路径并不是在全网所有节点对中间任意选择的，不能直接使用传统负载-容量模型中的节点介数来表示节点负载。
假设(1)的提出是为了考虑到通讯节点的差异性，诸多厂站自动化系统节点除了在电力通讯系统中的网络特征存在差异外，其本身由于所对应的厂站不同也应具有差异性。由于变电站采集的数据(或下发的命令)与变电站内的间隔数量存在正相关性，因此本方法采用变电站的进线/出线数量对其进行近似模拟。
基于假设(1)(2)(3)，电力通讯系统节点的负荷可以近似用如下公式表述：
Figure GDA0002487335580000071
Figure GDA0002487335580000072
其中，L(i)表示当前网络状况下节点i的负载；c表示调度中心节点；V表示当前网络中的节点集合；kt表示节点t对应厂站的进线/出线数量。σct表示从节点c到节点t的最短路径。
上述的电力通讯系统可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤 S2中，节点负载限值的计算方法如下：
节点负载限值的计算方法基于以下假设：每个节点或者链路的最大负载正比于其初始负载。
基于上述假设，可得节点的负载限值为：
Lmax(i)＝αL0(i)
其中，Lmax(i)表示节点i的负载限值；L0(i)表示节点i的初始负载；α表示节点负载的冗余系数。
上述的电力通讯系统可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤 S7中，系统损失指标RNLj和RDLj的计算方法如下：
对于电力通讯系统，系统无法可靠工作的后果，除了对网络拓扑结构的破坏，还包括对一次系统数据采集与控制的缺失。因此，本方法采用节点缺失率(RNLj)和数据缺失率(RDLj)两个指标来综合度量状态j下电力通讯系统的系统损失：
Figure GDA0002487335580000073
Figure GDA0002487335580000081
其中，RNLj和RDLj分别表示状态j下电力通讯系统的节点缺失率和数据缺失率；N表示电力信息系统的节点数；N'表示级联失效终止时电力通讯系统的节点数；kt表示节点t对应厂站的进线/出线数量； V表示电力通讯系统的节点集合；V'表示级联失效终止时电力通讯系统的节点集合。
上述的电力通讯系统可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤 S9中，电力通讯系统可靠性指标ERNL和ERDL的计算方法如下：
本方法以期望节点缺失率(ERNL)和期望数据缺失率(ERDL)作为电力通讯系统可靠性指标：
Figure GDA0002487335580000082
Figure GDA0002487335580000083
式中：S为系统所有状态的集合；pj为系统在状态j的概率；RNLj为系统在状态j的节点缺失率；RDLj为系统在状态j的数据缺失率。
综上所述，本发明提出了一种电力通讯系统可靠性评估方法。首先将电力通讯系统抽象为复杂网络；基于电力通讯系统具体特点，改进了传统的负载-容量模型，利用改进模型进行脆弱性评估，解决了传统负载-容量模型无法满足电力通讯系统特点的问题；同时，本发明所述方法能够反映电力通讯系统节点在物理世界中的分布，实现了从多角度的可靠性评估；给出了计及级联失效的电力通讯系统可靠性方法，从拓扑结构和网络性能两方面建立了可靠性评估指标，从而使得任意电网通过本发明的可靠性评估方法能全景感知系统可靠性水平，帮助调度运行人员把握当前的系统运行状况，以便及时采集控制措施消除安全隐患。
以上具体实施方式仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (1)

1.一种电力通讯系统可靠性评估方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：输入电力一次系统模型数据、通讯站点可靠性数据和电力通讯系统模型数据，根据电力通讯系统模型数据建立电力通讯系统网络拓扑模型；
步骤S2：根据步骤S1中输入的电力一次系统模型数据和建立的电力通讯系统网络拓扑模型，计算初始状态下电力通讯系统各节点的负载，进而求取各个节点的负载限值；
步骤S3：对节点进行非序贯蒙特卡洛抽样，得到系统状态j；
步骤S4：分析此时的节点失效状况，更新电力通讯系统网络拓扑模型，计算此时各个节点的负载；
步骤S5：根据步骤S4中计算得到的节点负载和步骤S2中计算得到的节点负载限值，判断是否有新的节点出现负载越限状况，若否，则进行步骤S7；若是，则执行步骤S6；
步骤S6：将步骤S5中得到的负载越限节点状态设为失效，返回步骤S4；
步骤S7：计算此时的系统损失指标RNLj和RDLj；
步骤S8：判断RDLj的方差系数是否满足计算终止条件，若否，则返回步骤S3；若是，则执行步骤S9；
步骤S9：计算电力通讯系统可靠性指标期望节点缺失率ERNL和期望数据缺失率ERDL；
在所述的步骤S1中，所述的电力通讯系统网络拓扑模型中，节点是由通讯站点抽象而成，链路是由站间通讯线路抽象而成；所述的通讯站点是指调度中心和变电站/发电厂自动化系统即厂站自动化系统；
在所述的步骤S2和步骤S4中，节点负载的计算方法如下：
节点负载的计算方法基于以下几点假设：
(1)厂站自动化系统抽象节点与该厂站所交换的数据，正比于该厂站的进线/出线数量，即该厂站的节点度；
(2)网络中的数据并非出于自由流动的状态，而是只能由厂站自动化系统抽象节点流向调度中心抽象节点，或者由调度中心抽象节点流向厂站自动化系统抽象节点；
(3)调度中心抽象节点与厂站自动化系统抽象节点之间，信息交换的路径是依据最短路径进行选择的；
基于假设(1)(2)(3)，电力通讯系统节点负载用如下公式表述：
Figure FDA0002646980760000021
Figure FDA0002646980760000022
其中，L(i)表示当前网络状况下节点i的负载；c表示调度中心节点；V表示当前网络中的节点集合；kt表示节点t对应厂站的进线/出线数量；σct表示从节点c到节点t的最短路径；
在所述的步骤S2中，节点负载限值的计算方法如下：
节点负载限值的计算方法基于以下假设：每个节点或者链路的最大负载正比于其初始负载；
基于上述假设，可得节点的负载限值为：
Lmax(i)＝αL0(i)
其中，Lmax(i)表示节点i的负载限值；L0(i)表示节点i的初始负载；α表示节点负载的冗余系数；
在所述的步骤S7中，系统损失指标RNLj和RDLj的计算方法如下：
采用节点缺失率RNLj和数据缺失率RDLj两个指标来综合度量状态j下电力通讯系统的系统损失：
Figure FDA0002646980760000023
Figure FDA0002646980760000031
其中，RNLj和RDLj分别表示状态j下电力通讯系统的节点缺失率和数据缺失率；N表示电力通讯系统的节点数；N'表示级联失效终止时电力通讯系统的节点数；kt表示节点t对应厂站的进线/出线数量；V表示电力通讯系统的节点集合；V'表示级联失效终止时电力通讯系统的节点集合；
在所述的步骤S9中，电力通讯系统可靠性指标期望节点缺失率ERNL和期望数据缺失率ERDL的计算方法如下：
所述的期望节点缺失率ERNL和期望数据缺失率ERDL作为电力通讯系统可靠性指标：
Figure FDA0002646980760000032
Figure FDA0002646980760000033
式中：S为系统所有状态的集合；pj为系统在状态j的概率；RNLj为系统在状态j的节点缺失率；RDLj为系统在状态j的数据缺失率。
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