CN108509751A - 一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，该方法首先把电力信息物理系统（CPS）抽象形成CPS单元三层框架，包括物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，然后给出电力CPS单元耦合建模整体框架，针对实际电网的网络拓扑结构进行建模，计算出各节点之间的距离矩阵及延时矩阵，在不同时间断面发生故障的情形下制定不同安稳控制策略，最后验证运用上述动态建模方法能使CPS中的三层框架协调运作，灵活应对电力信息物理耦合系统中物理层和信息层的故障，对电力系统安全稳定分析有意义。

Description

一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法

技术领域

本发明属于电力信息物理耦合系统领域，具体来说，涉及一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法。

背景技术

信息物理融合系统(CPS)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，电力CPS中的故障不仅仅是物理层面上的故障，通信的故障也会对电网的安全稳定运行造成影响。

近年来，全球范围内的极端气象灾害有增多增强的趋势，对电网的安全稳定运行造成了极大的威胁。我国东南沿海经济发达，电力负荷集中，却也是台风这类极端天气的多发之地。每年台风袭击造成电网输电线路风偏跳闸，杆塔损坏，以及在台风气象灾害发生期间常发生的大量输电设备停运，都有可能造成电力和通信的双重故障，甚至可能引发连锁故障造成大面积停电事故。如何面向电力CPS进行综合考虑物理层与信息层双重故障的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。

目前，绝大多数关于电力信息物理耦合系统(CPS)建模方面的研究都只建立起静态的模型，而事实上对连续时间断面上的系统各参数动态变化的准确描述才是研究物理、通信网络双重故障对电力CPS影响所真正关心的。所以，本专利提出一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，准确反映连续时间断面内电力层、通信层双重故障对电力CPS安全稳定性的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，根据实际电网拓扑计算电力业务延时矩阵，考虑多种故障情形下电力系统参数在连续时间断面内的动态变化情况，制定相应安稳控制策略，保障电力信息物理耦合系统的安全稳定性。

1.电力CPS动态建模的基础是电力CPS静态建模。电力CPS静态建模方法如下：

1)把电力信息物理系统(CPS)抽象形成物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层；

2)物理实体层主要是指电力一次设备，主要包括发电机、变压器、线路、开关、负荷等。物理实体层内部元件通过电网侧电气连接紧密耦合，物理实体层和信息物理耦合层通过信息采集和指令执行过程而紧密耦合；

3)信息物理耦合层功能一方面是实现信息的采集/指令下发以及传输，另一方面还包括相应数据的实时分析与处理。

4)信息系统层是将不同电力控制应用的功能抽象出来组成的虚拟网络，虚拟网络中的节点表示状态估计、电压控制、安全稳定控制等信息功能。信息系统将耦合层的信息处理结果作为信息输入，并根据信息输入产生相关指令。通过此过程，信息层和信息物理耦合层紧密耦合。

2.在电力CPS静态建模基础上进行电力信息物理耦合动态建模，思路为：根据实际电网拓扑计算各节点之间的距离及电力业务延时矩阵，在某个时间断面电力物理层和信息系统层发生双重故障的情况下，计算故障后新的电力业务延时矩阵并设置安稳控制策略；事先考虑多种不同时间断面下发生不同种类故障的情况，并制定相应安稳控制策略，使得电网恢复效果尽可能接近正常情况下的恢复效果。通过电力CPS动态建模使电网运行过程中物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层协调运作，电网能够依据实际情况动态选择电力业务动作策略，保障电网的安全稳定性。具体建模过程如下：

1)形成电力CPS拓扑

根据实际电网拓扑，将节点设定为主站(MS)节点、子站(SS)节点、执行站(ES)节点、继电保护安装节点以及通信节点。其中主站为信息系统层，用于信息处理及策略制定；子站及通信节点属于信息物理耦合层，用于数据采集处理、信息传递及指令下发；执行站属于物理实体层，执行所收到的策略；继电保护安装节点与信息物理耦合层和物理实体层均有重合。拓扑形成后能够确定各节点所应执行的功能，明确电网中节点间连通情况及相互之间的距离。对包含n个节点的电力网络，构造距离矩阵D进行表示，其结构定义如下：

D是一个对角元素均为0的对称矩阵。其中，D_ij＝D_ji表示节点i与节点j之间的距离；当元素为Inf时表征两节点之间不直接相连。由于对角元素表示该节点本身，因此矩阵中对角元素均为0。

2)构造继电保护切除故障延时矩阵

对于包含n个节点的电力网络，构造继电保护切除故障延时矩阵R，其结构定义如下：

R是一个对称矩阵,R_ij表示节点i与节点j之间发生电力故障后的继电保护切故障延时。由于继电保护装置安装在一条线路的两端，只有互相直接相连的两节点之间才可能存在继电保护动作延时，因此距离矩阵D中为0或Inf的元素在继电保护延时矩阵R中，数值仍旧保持0和Inf。

R_ij＝R_id+D_ij·v+R_p+R_ex

其中，R_id是故障识别时间，v为信号在光纤中的传播速度，R_p是装置判别时间，R_ex是继电保护装置执行动作固有时间。

当信息物理耦合层在进行数据传输时发生故障(如传输误码、通信通道阻断等)时，继电保护延时矩阵R可以按照一定的规则重新计算。以通信误码为例，若信息传输过程中发生一位误码，有误的信号从起始节点传输到目标节点后，目标节点判断此信号错误，需把错误指令传回起始节点，起始节点再发一条正确的信号，相当于沿同一条路径传输了3遍。此时继电保护装置判别时间与传输时间需变为3倍，而故障识别和动作执行时间并不改变。即

R_ij＝R_id+3D_ij·v+3R_p+R_ex

继电保护切故障延时矩阵有以下规律：

其中，t₀为通信发生故障的时刻，R₁为通信无故障或继电保护动作完毕后通信发生故障情况下的继电保护切故障延时，R₂为继电保护正常动作之前通信发生故障情况下的继电保护切故障延时。

3)构造安稳控制切负荷延时矩阵

当电网中任意一处发生电力故障后，故障信息经过处理传递给主站，主站执行决策形成安稳控制切负荷指令，再传递给故障处相应的执行站，由执行站执行切负荷操作。此过程能够将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，三个层次各司其职，形成完整的电力CPS耦合系统。

对包含n个节点的电力网络，构造安稳控制切负荷延时矩阵如下：

其中，S_ij表示节点i与节点j之间发生电力故障后的安稳控制切负荷延时。对电网中任意两节点(可以不直接相连)，可通过路径搜索方法找到它们之间的可行路径，并选择距离最短者作为最优路径，进而计算通信延时，因此，在安稳控制切负荷矩阵S中，不存在数值为Inf的元素。

S_ij＝D_ij·v+S_p+S_ex

其中，v为信号在光纤中的传播速度，D_p是信息处理时间，R_ex是安稳控制装置执行动作固有时间。

当信息物理耦合层在进行数据传输时发生故障(如传输误码、通信通道阻断等)时，安稳控制切负荷矩阵S也可以按照一定的规则重新计算。以通信误码为例，发生误码后传输与信息处理延时变为3倍，执行动作固有时间不变，即

S_ij＝3D_ij·v+3S_p+S_ex

安稳控制切负荷延时矩阵有以下规律：

其中，t₀为通信发生故障的时刻，S₁为通信无故障或安稳控制动作完毕后通信发生故障情况下的安稳控制切负荷延时，S₂为安稳控制正常动作之前通信发生故障情况下的安稳控制切负荷延时。

4)制定动态策略

已知电力系统发生电力故障，通信在不同时间断面发生故障会导致不同的电力业务(继电保护与安稳控制)延时矩阵，电力业务总延时矩阵可表示如下：

三种情况下对应的不同切负荷策略为：

其中T为所有电力业务(继电保护和安稳控制)完成动作的总延时，Pshed为安稳控制切除当前负荷容量的百分比。Pshed1，Pshed2和Pshed3分别为对应3种故障情况下的不同切除百分比。

在本文所提出的电力信息物理耦合系统动态建模方法中，电力系统发生电力故障之后的连续时间断面内，CPS耦合系统中各项参数随时间动态变化。同时，通信层发生不同故障情境下，主站也能够根据电力业务总延时矩阵T动态制定不同的安稳控制策略，从而灵活应对不同的通信故障状况，有效保证电力系统的安全稳定性。

有益效果：

1.考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，把电力信息物理系统(CPS)抽象形成物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，并明确了各层次的作用和功能。

2.考虑多种电网物理层及信息层双重故障情形并制定相应的电力业务动作策略，可以灵活应对实际电力信息物理耦合系统中的各种故障情况，按照电力CPS的需求动态选择最佳电力业务策略，保证电力CPS的安全稳定性。

3.反应连续时间断面下电力系统内物理量的变化情况，实现电力信息物理耦合建模的动态性。

附图说明

图1为某实际电力信息物理耦合系统简化拓扑图；

图2为电力业务延时矩阵在继电保护动作前某个时间断面发生通信故障的动态变化示意图；

图3为电力业务延时矩阵在继电保护动作后，安稳控制动作前某个时间断面发生通信故障的动态变化示意图；

图4为三种故障情形下系统动态曲线图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。应当说明的是，所给实施例中借助频率偏移来分析电网恢复效果，通信系统故障设定为通信误码，但是本发明不限于所给出的实施例，设定不同的通信系统故障类型只对延时矩阵值有影响，其原理都是相同的。只要是依照本文所提电力CPS动态建模思路所做的工作均在保护范围内。

本实施例选取某实际电网拓扑为研究对象，基于延时矩阵动态建模方法研究不同通信系统故障情况对电网频率偏移的影响。该电网按照静态建模方法简化为25节点系统(简化拓扑图见附图1)，包含1个主站(MS)、4个子站(SS)，7个执行站(ES)，12个继电保护装置安装节点以及13个通信节点。选择15-16节点为例，假设15-16这条线路上在第五周波发生了三相短路故障。两节点相距631km，且两节点上均安装继电保护装置，虚线表示继电保护通信传播路径。安稳控制动作由主站15号节点进行数据处理和指令下达，安稳控制切负荷的执行节点在19号节点，点画线表示安稳控制通信传播路径。

在通信系统正常运行情况下，计算系统的距离矩阵D，继电保护切故障延时矩阵R和安稳控制切负荷矩阵S得：

D(15，16)＝631(千米)

R₁(15，16)＝83.155(毫秒)

S₁(15，16)＝186(毫秒)

继电保护切故障时间83.155ms，其中继电保护装置故障识别时间20ms，传输时间3.155ms，继电保护装置继电器判别时间5ms,断路器动作时间55ms。换算成周波数为4.16个周波。安稳控制切负荷总时间186.43ms，其中装置判断时间20ms，传输距离1286km，传输时间6.43ms，动作时间160ms。换算成周波数为1.32+8.00个周波，保留到整数位即1+8个周波。

如果通信系统在继电保护正常动作之前发生一位误码，则新的延时矩阵为：

R₂(15，16)＝99.465(毫秒)

S₂(15，16)＝255(毫秒)

延时矩阵的动态变化如图2所示，第5周波发生电力故障，继电保护正常动作(9.16个周波)前通信层发生故障，导致继电保护在第9.97个周波才切除故障；同时，安稳控制再经过13个周波才切除负荷。

如果继电保护在9.16周波时正常动作后，安稳控制动作前通信层发生故障，则有：

R₁(15，16)＝83.155(毫秒)

S₂(15，16)＝255(毫秒)

延时矩阵的动态变化如图3所示。

因此可以得到：

其中t₀为通信层发生故障的时刻。

电力业务总的通信延时矩阵：

设定三种情况所对应的安稳控制切负荷策略为：

最终得到BPA仿真波形如图4所示。图4中实线为通信正常情况，虚线表示继电保护动作前通信故障，导致继电保护切故障通信延时增加，动作变慢，频率恢复效果不如通信无故障的情况，但之后安稳控制切除30％负荷，频率恢复变快，所以最终系统频率与通信无故障情况的系统频率很接近。而对继电保护正常动作后通信故障的情况(点画线)来说，安稳控制切除25％故障后，最终3种情况下的系统频率恢复程度非常接近，即采用动态建模的方法能够使通信故障情况下的频率恢复态势趋近于通信未发生故障的情况，有效保障电力系统的安全稳定性。

Claims (5)

1.一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将实际电网表示为电力CPS拓扑，并计算节点距离矩阵D；

(2)、计算继电保护切故障延时矩阵R和安稳控制切负荷延时矩阵S；

(3)、考虑多种通信故障，形成电力业务延时矩阵，分别制定相应的安稳控制策略，电力CPS实际运行中将根据不同的故障情况动态选择安稳控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，其特征在于：电力CPS拓扑形成及计算节点距离矩阵方法为，将电力CPS划分为物理层、信息物理耦合层和信息系统层，然后根据实际电网拓扑，将节点设定为主站节点、子站节点、执行站节点、继电保护安装节点以及通信节点；其中主站为信息系统层，用于信息处理及策略制定；子站及通信节点属于信息物理耦合层，用于数据采集处理、信息传递及指令下发；执行站属于物理实体层，执行所收到的策略；继电保护安装节点与信息物理耦合层和物理实体层均有重合；拓扑形成后能够确定各节点所应执行的功能，明确电网中节点间连通情况及相互之间的距离；对包含n个节点的电力网络，构造距离矩阵D进行表示，其结构定义如下：

D是一个对角元素均为0的对称矩阵，其中，D_ij＝D_ji表示节点i与节点j之间的距离；当元素为Inf时表征两节点之间不直接相连。

3.根据权利要求1所述的一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，其特征在于：计算继电保护切故障延时矩阵方法为：对于包含n个节点的电力网络，构造继电保护切除故障延时矩阵R，其结构定义如下：

R是一个对称矩阵,R_ij表示节点i与节点j之间发生电力故障后的继电保护切故障延时，距离矩阵D中为0或Inf的元素在继电保护延时矩阵R中，数值仍旧保持0和Inf；

当信息物理耦合层在进行数据传输时发生故障时，继电保护延时矩阵R重新计算，得到以下规律：

其中，t₀为通信发生故障的时刻，R₁为通信无故障或继电保护动作完毕后通信发生故障情况下的继电保护切故障延时，R₂为继电保护正常动作之前通信发生故障情况下的继电保护切故障延时。

4.根据权利要求1所述的一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，其特征在于：构造安稳控制切负荷延时矩阵方法是，当电网中任意一处发生电力故障后，故障信息经过处理传递给主站，主站执行决策形成安稳控制切负荷指令，再传递给故障处相应的执行站，由执行站执行切负荷操作,此过程能够将物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层联通起来，三个层次各司其职，形成完整的电力CPS耦合系统；对包含n个节点的电力网络，构造安稳控制切负荷延时矩阵如下：

其中，S_ij表示节点i与节点j之间发生电力故障后的安稳控制切负荷延时，

当信息物理耦合层在进行数据传输时发生故障时，安稳控制切负荷矩阵S重新计算，有以下规律：

其中，t₀为通信发生故障的时刻，S₁为通信无故障或安稳控制动作完毕后通信发生故障情况下的安稳控制切负荷延时，S₂为安稳控制正常动作之前通信发生故障情况下的安稳控制切负荷延时。

5.根据权利要求1所述的一种考虑延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，其特征在于：制定动态策略方法为，已知电力系统发生电力故障，通信在不同时间断面发生故障会导致不同的电力业务延时矩阵，电力业务总延时矩阵可表示如下：

三种情况下对应的不同切负荷策略为：

其中T为所有电力业务完成动作的总延时，Pshed为安稳控制切除当前负荷容量的百分比，Pshed1，Pshed2和Pshed3分别为对应3种故障情况下的不同切除百分比。