CN109038573A - 一种电力系统保护方法、装置、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电力系统保护方法，包括：当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取目标电力系统的状态变量；利用量测冗余度评估状态变量的冗余程度，并确定出冗余程度最高的目标配置方案；利用N‑1原则对目标配置方案进行分析，得到目标电力系统的目标量测量；利用双人零和博弈模型对目标量测量的攻防过程进行分析，确定出目标电力系统中需要保护的量测设备，以对目标电力系统进行保护。显然，利用本申请中的方法，可以保证目标电力系统在遭受攻击时的稳定运行。相应的，本发明提供的一种电力系统保护装置、介质及设备，同样具有上述有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统网络攻击领域，特别涉及一种电力系统保护方法、装置、介质及设备。
背景技术
随着电力系统的发展，电力系统中的信息流和电力流相互交叉融合，电力系统的结构日益复杂，智能程度越来越高，从而造成了电力系统的复杂性。在电力系统当中，由于自然原因、人为误操作或者是攻击者对电力系统的恶意攻击，从而影响了电力系统的可观性与可控性，进而影响了电力系统的稳定运行。在现有技术当中，还没有一种较为有效的方法来对电力系统进行保护，进而影响了电力系统的稳定运行。由此可见，如何提供一种有效的方法来对电力系统进行保护，以保证电力系统的稳定运行，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电力系统保护方法、装置、介质及设备，以保证电力系统的稳定运行。其具体方案如下：
一种电力系统保护方法，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量；
利用量测冗余度评估所述状态变量的冗余程度，并确定出冗余程度最高的目标配置方案；
利用N-1原则对所述目标配置方案进行分析，得到所述目标电力系统的目标量测量；
利用双人零和博弈模型对所述目标量测量的攻防过程进行分析，确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护。
优选的，所述当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量的过程之前，还包括：
利用PMU对所述目标电力系统的可观测性进行检测，以确保所述目标电力系统的所有区域处于可观测状态。
优选的，所述利用PMU对所述目标电力系统的可观测性进行检测，以确保所述目标电力系统的所有区域处于可观测状态的过程，包括：
将所述PMU部署至所述目标电力系统中，并将所述目标电力系统中与所述PMU相连接的节点和线路判定为可观测区域；
利用潮流计算原理计算所述目标电力系统中处于可观测状态的目标节点；
利用所述潮流计算原理计算所述目标电力系统中处于可观测状态的目标线路；
将所述目标节点和所述目标线路增添至所述可观测区域，得到目标可观测区域；
若所述目标可观测区域可观测到所述目标电力系统中的所有节点和所有线路，则判定所述目标电力系统的所有区域处于可观测状态。
优选的，所述当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量的过程，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用状态估计算法获取所述目标电力系统的所述状态变量。
优选的，所述当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用状态估计算法获取所述目标电力系统的所述状态变量的过程，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用加权最小二乘法获取所述目标电力系统的所述状态变量；
其中，所述状态变量的表达式为：
z＝h(x)+e；
式中，z为利用所述PMU测量所述目标电力系统所得的测量数据，x为所述目标电力系统的状态变量，h(x)为所述目标电力系统的量测量与状态变量之间的映射矩阵，e为误差值。
优选的，所述量测冗余度的表达式为：
RDc＝RDv,c×RDi,c；
式中，RDc为所述量测冗余度，RDv,c为所述目标电力系统的电压量测量的冗余度，RDi,c为所述目标电力系统的电流量测量的冗余度；
其中，所述电压量测量的冗余度的表达式为：
式中，RDv,c为所述目标电力系统的电压量测量的冗余度，n为所述目标电力系统中所有量测设备的数目，Dv,c为所述目标电力系统在任一状态c下的直接电压量测结果，Pv,c为所述目标电力系统在任一状态c下的间接电压量测结果，Dv,all为所述目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的电压量测量，Pv,all为所述目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的间接电压量测结果；
所述电流量测量的冗余度的表达式为：
式中，RDi,c为所述目标电力系统的电流量测量的冗余度，n为所述目标电力系统中所有量测设备的数目，Di,c为所述目标电力系统在任一状态c下的电流量测量，Di,all为所述目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的电流量测量。
优选的，所述利用双人零和博弈模型对所述目标量测量的攻防过程进行分析，确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护的过程，包括：
在所述双人零和博弈模型中，若所述目标电力系统的攻击者对所述目标量测量进行篡改，则所述目标电力系统的防御者基于加密算法和/或冗余保护对所述目标量测量进行保护；
基于资源优化配置原则确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护。
相应的，本发明还公开了一种电力系统保护装置，包括：
变量获取模块，用于当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量；
方案配置模块，用于利用量测冗余度评估所述状态变量的冗余程度，并确定出冗余程度最高的目标配置方案；
方案分析模块，用于利用N-1原则对所述目标配置方案进行分析，得到所述目标电力系统的目标量测量；
方案确定模块，用于利用双人零和博弈模型对所述目标量测量的攻防过程进行分析，确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护。
相应的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述公开的电力系统保护方法的步骤。
相应的，本发明还公开了一种电力系统保护设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如前述公开的电力系统保护方法的步骤。
可见，在本发明中，首先，是当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取目标电力系统的状态变量，然后，利用量测冗余度评估状态变量的冗余程度，确定出冗余程度最高的目标配置方案，并利用N-1原则对目标配置方案进行分析，得到目标电力系统中的目标量测量，这样一来，就可以去除掉目标电力系统当中的冗余量测量，最后，利用双人零和博弈模型对目标量测量的攻防过程进行分析，确定出目标电力系统中需要保护的量测设备，以此来对目标电力系统进行保护。显然，通过双人零和博弈模型可以确定出目标电力系统中可能遭受攻击，而使得目标电力系统处于瘫痪状态的量测设备，那么，目标电力系统的防御者就可以对这些量测设备进行重点保护，以此来保证目标电力系统在遭受攻击时的稳定运行。相应的，本发明提供的一种电力系统保护装置、介质及设备，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电力系统保护方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种电力系统保护方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的又一种电力系统保护方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种电力系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种在恶意攻击场景下，基于双人零和博弈模型得出的最优防御策略的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电力系统保护装置的结构图；
图7为本发明实施例提供的一种电力系统保护设备的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种电力系统保护方法，如图1所示，该方法包括：
步骤S11：当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取目标电力系统的状态变量；
可以理解的是，为了得到目标电力系统的保护方案，工作人员需要实时掌握目标电力系统整体的运行情况。而目标电力系统整体的运行情况可以用目标电力系统中各个节点的电压、模值、电压相角、线路有功与无功潮流、节点有功与无功注入量等物理量来表示。所以，在本实施例中，首先是当目标电力系统处于可观测状态时，获取目标电力系统在所有可观测区域的量测量。
此外，工作人员在设计目标电力系统的保护方案时，希望获取到足够多的量测量来对目标电力系统进行保护，但是，从经济性和可行性来看，此种方法并不可行。所以，在本实施例中，是在目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取能够表征目标电力系统所需的最少的量测量来对目标电力系统的运行情况进行评估，也即，获取目标电力系统的状态变量，然后，利用目标电力系统的状态变量来设计目标电力系统的保护方案。在实际应用当中，可以通过状态估计算法来对目标电力系统的状态信息进行估计，得到目标电力系统的状态变量。
步骤S12：利用量测冗余度评估状态变量的冗余程度，并确定出冗余程度最高的目标配置方案；
可以理解的是，量测冗余度是用来表征目标电力系统中量测富余程度的一个数值，量测冗余度的高低是决定目标电力系统状态估计结果好坏的重要条件。而目标电力系统的冗余度越高，代表状态变量排除不良数据和消除误差影响的效果就越好，所以，在本实施例中，是利用量测冗余度来评估目标电力系统的状态变量的冗余程度，并基于目标电力系统的冗余程度最高的原则，得到将量测设备部署到目标电力系统中的目标配置方案。
需要说明的是，目标配置方案是指量测设备部署到目标电力系统的部署方案，可以想到的是，此处的量测设备可以是PMU(Phasor Measurement Unit，电力系统相量测量单元)，也可以是RTU(Remote Terminal Unit，远程终端单元)，此处不作具体的限定。
步骤S13：利用N-1原则对目标配置方案进行分析，得到目标电力系统的目标量测量；
能够想到的是，利用上述方法得到了目标电力系统的目标配置方案，但是，在目标配置方案当中，并不是所有的量测量都是使得目标电力系统处于可观测状态所必须的量测量，而N-1原则是判定目标电力系统是否处于可观测状态的一个判断准则，所以，在本实施例中，一方面为了保证目标电力系统的可观测状态，另一方面为了减少目标电力系统计算的复杂度，是按照N-1原则来确定出目标电力系统中的关键量测量，也即，若去除目标配置方案中的一个量测量，目标电力系统变为不可观测状态，则将该量测量认定为是目标电力系统的关键量测量，也即，目标量测量，以此来进一步提高目标电力系统的计算效率。
步骤S14：利用双人零和博弈模型对目标量测量的攻防过程进行分析，确定出目标电力系统中需要保护的量测设备，以对目标电力系统进行保护。
可以理解的是，在双人零和博弈模型当中，是假定目标电力系统的攻击者和防御者都拥有有限的资源，如果目标电力系统的攻击者对目标电力系统中的量测量进行篡改，那么，目标电力系统的防御者就对目标电力系统的量测量进行保护，在此过程中，利用双人零和博弈模型来描述目标电力系统的攻击者和防御者之间的相互作用，从而确定出目标电力系统中需要保护的量测量，并根据该量测量确定出目标电力系统中需要保护的量测设备。
能够想到的是，当利用双人零和博弈模型确定出目标电力系统中需要保护的量测设备以后，就相当于得到了对目标电力系统的保护方案。由此一来，目标电力系统的防御者就可以根据保护方案对目标电力系统中的量测设备进行重点保护，以此来抵御自然灾害或者是攻击者的恶意攻击，从而使得目标电力系统在遭受到自然灾害或攻击时，还可以处于一个稳定运行的状态。
可见，在本实施例中，首先，是当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取目标电力系统的状态变量，然后，利用量测冗余度评估状态变量的冗余程度，确定出冗余程度最高的目标配置方案，并利用N-1原则对目标配置方案进行分析，得到目标电力系统中的目标量测量，这样一来，就可以去除掉目标电力系统当中的冗余量测量，最后，利用双人零和博弈模型对目标量测量的攻防过程进行分析，确定出目标电力系统中需要保护的量测设备，以此来对目标电力系统进行保护。显然，通过双人零和博弈模型可以确定出目标电力系统中可能遭受攻击，而使得目标电力系统处于瘫痪状态的量测设备，那么，目标电力系统的防御者就可以对这些量测设备进行重点保护，以此来保证目标电力系统在遭受攻击时的稳定运行。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例作进一步的说明与优化，具体的，上述步骤S11：当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量的过程之前，还包括：
利用PMU对目标电力系统的可观测性进行检测，以确保目标电力系统处于可观测状态。
可以理解的是，为了使得目标电力系统处于可观测状态，在本实施例中，是利用PMU来对目标电力系统的可观测性进行检测，因为PMU的测量频率很高，能够以数百赫兹的频率采集目标电力系统中各个节点的电压、电流、功率、功角、相位等信息，并且，能够将采集到的数据信息进行运算和存储，此外，PMU的电源转换效率高、功耗低、体积小巧，能够减少测量目标电力系统时的空间占用率，所以，在本实施例中，是利用PMU来对目标电力系统的可观测性进行检测。当然，在实际应用当中，还可以利用RPU来对目标电力系统的可观测性进行分析，此处不作具体的限定。
具体的，如图2所示，上述步骤：利用PMU对目标电力系统的可观测性进行检测，以确保目标电力系统处于可观测状态的过程，包括：
步骤S01：将PMU部署至目标电力系统中，并将目标电力系统中与PMU相连接的节点和线路判定为可观测区域；
可以理解的是，在目标电力系统中某一区域的可观测性由该区域的PMU决定，此外，目标电力系统中某一区域的可观测性还和该区域到区域信息中心间的通信路径的状态有关。所以，在本实施例中，将PMU部署至目标电力系统当中时，与PMU相连接的节点和线路都具有可观测性，此时，将与PMU相连接的节点和线路判定为可观测区域。
步骤S02：利用潮流计算原理计算目标电力系统中处于可观测状态的目标节点；
步骤S03：利用潮流计算原理计算目标电力系统中处于可观测状态的目标线路；
步骤S04：将目标节点和目标线路增添至可观测区域，得到目标可观测区域；
通过上述方法，是将目标电力系统中，与PMU直接相连的节点和线路判定为可观测区域，除此之外，还可以基于潮流计算原理，间接计算出目标电力系统中处于可观测状态的目标节点和处于可观测状态的目标线路。并且，将计算得到目标电力系统中处于可观测状态的目标节点和处于可观测状态的目标线路增添至可观测区域当中，就可以得到目标电力系统全部的可观测区域，也即，目标可观测区域。
步骤S05：若目标可观测区域可观测到目标电力系统中的所有节点和所有线路，则判定目标电力系统的所有区域处于可观测状态。
可以理解的是，如果在目标可观测区域当中，能够观测到目标电力系统中所有节点和所有线路，则判定目标电力系统的所有区域处于可观测状态，否则，需要重新对目标电力系统中的PMU进行部署，再次执行上述步骤S01至步骤S04，直至目标电力系统中的所有区域都处于可观测状态，以此来保证目标电力系统的所有区域都处于可观测状态。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例作进一步的说明与优化，具体的，上述步骤S11：当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取目标电力系统的状态变量的过程，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用状态估计算法获取目标电力系统的状态变量。
需要说明的是，状态估计算法是指根据目标电力系统的量测值求取目标电力系统的最优状态估计值，利用状态估计算法能够从目标电力系统的远程装置中接收低精度、不完整和少量的不良数据，而由状态估计算法输出完整、可靠的数据，以使得工作人员能够对目标电力系统的运行状态进行更好的掌控。
具体的，上述步骤：当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用状态估计算法获取目标电力系统的状态变量的过程，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用加权最小二乘法获取目标电力系统的状态变量；
其中，状态变量的表达式为：
z＝h(x)+e；
式中，z为利用PMU测量目标电力系统所得的测量数据，x为目标电力系统的状态变量，h(x)为目标电力系统的量测量与状态变量之间的映射矩阵，e为误差值。
可以理解的是，加权最小二乘法是对原模型进行加权，使之成为一个新的不存在异方差性的模型，然后使用最小二乘法估计新模型中相关参数的一种方法，加权最小二乘法的估计精度高、误差较小，所以，在本实施例中，是利用加权最小二乘法来对获取目标电力系统的状态变量，以提高获取到的状态变量的精度。
具体的，在实际应用中，是将目标电力系统的量测量通过传感器传输至目标电力系统的能量管理系统中的状态估计器，然后，利用状态估计器中的量测量，基于加权最小二乘法来估计得出目标电力系统的状态变量。
需要说明的是，h(x)为目标电力系统的量测量与状态变量之间的映射矩阵，该映射矩阵涵盖了目标电力系统的拓扑结构，并且，在通常情况下，目标电力系统中传感器量测值的数量要大于状态变量的数量，冗余的量测量用来提高状态估计的精度。
对应的，量测冗余度的表达式为：
RDc＝RDv,c×RDi,c；
式中，RDc为量测冗余度，RDv,c为目标电力系统的电压量测量的冗余度，RDi,c为目标电力系统的电流量测量的冗余度；
其中，电压量测量的冗余度的表达式为：
式中，RDv,c为目标电力系统的电压量测量的冗余度，n为目标电力系统中所有量测设备的数目，Dv,c为目标电力系统在任一状态c下的直接电压量测结果，Pv,c为目标电力系统在任一状态c下的间接电压量测结果，Dv,all为目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的电压量测量，Pv,all为目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的间接电压量测结果；
电流量测量的冗余度的表达式为：
式中，RDi,c为目标电力系统的电流量测量的冗余度，n为目标电力系统中所有量测设备的数目，Di,c为目标电力系统在任一状态c下的电流量测量，Di,all为目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的电流量测量。
在本实施例中，是提供了量测冗余度的具体表达式，其推导过程是本领域技术人员所熟知的内容，此处不作具体的赘述。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例作进一步的说明与优化，如图3所示，具体的，上述步骤S14：利用双人零和博弈模型对目标量测量的攻防过程进行分析，确定出目标电力系统中需要保护的量测设备，以对目标电力系统进行保护的过程，包括：
步骤S141：在双人零和博弈模型中，若目标电力系统的攻击者对目标量测量进行篡改，则目标电力系统的防御者基于加密算法和/或冗余保护对目标量测量进行保护；
步骤S142：基于资源优化配置原则确定出目标电力系统中需要保护的量测设备，以对目标电力系统进行保护。
可以理解的是，双人零和博弈模型是博弈论中的一个概念，属于非合作博弈，指参与博弈的双方，在严格竞争当中，一方的收益必然意味着另一方的损失，一方收益多少，另一方就损失多少，所以，博弈各方的收益和损失相加之和永远为零。
需要说明的是，在本实施例中，双人零和博弈模型中博弈的双方是指目标电力系统的攻击者和防御者，目标电力系统的攻击者和防御者在对目标电力系统进行攻击和防御的过程中，如果目标电力系统的攻击者对目标电力系统中的目标量测量进行篡改，目标电力系统的防御者就基于加密算法和/或冗余保护对目标量测量进行保护，以加强或者是减弱目标电力系统中的量测冗余度为目标，目标电力系统的攻击者和防御者针对目标量测量的选择情形进行博弈，最终得出目标电力系统中需要保护的目标量测量。
当确定出目标电力系统中需要保护的目标量测量以后，就能够根据这些目标量测量所属的量测设备推测出目标电力系统中需要保护的量测设备，进而得到目标电力系统的保护方案。
此外，在本实施例中，防御者可以通过加密算法来对量测量进行加密保护，由此，攻击者就很难对量测量进行篡改，从而实现了对目标电力系统的保护。或者防御者还可以通过冗余保护的方法来对需要保护的量测量进行保护，也即，当攻击者攻击了量测设备后，还可以有其他冗余的量测设备可以作为备份，从而保证目标电力系统的稳定运行。
此处，通过一个例子进行具体的说明，如图4所示，是利用上述提出的方法对采用IEEE14节点系统进行实施例研究。首先，需要在电力系统中部署PMU，并尽可能采用最少的PMU为配置原则，为了使得电力系统处于完全可观测状态，在本实施例中，是采用启发式拓扑搜索方法来确定在该电力系统中如何安装PMU，根据启发式拓扑搜索方法最终得出的结果是：在节点2、节点6和节点9处分别安装PMU。
但是，在该配置方案中没有冗余的量测量，只能用于计算该电力系统中的潮流分布，并不能够对该电力系统进行状态估计，所以，根据电力系统冗余量测量最多的原则，在节点4处在增添一个PMU，以此来形成电力系统的配置方案。然后，对该电力系统中的量测量进行辨识，以确定出该电力系统中不可缺少的量测量。
如表1所示，对14个节点中的量测量进行辨识，利用N-1原则分别去掉该电力系统中单个的量测量，然后，计算出除去单个的量测量时，该电力系统整体量测冗余度，通过计算最后得出，电压量测量v2、v6、v9，电流量测量i1、i11、i12、i13、i16、i17以及PMU2、PMU6和PMU9是该电力系统中不可缺少的量测量，去除这些量测量之后，该电力系统就处于不可观测状态。之后，利用双人零和博弈模型对这些量测量的攻防过程进行分析，以确定出该电力系统中需要保护的量测设备。
如表2所示，对该电力系统中采取的攻击手段为入侵单个的PMU，并破坏PMU中的量测数据，采取的防御手段为在该电力系统中单个的节点上部署冗余的PMU，列举所有可能的攻防方式组合，分别计算去除掉单个的PMU时，该电力系统的冗余程度，以此来量化该电力系统遭受攻击者的攻击结果。
在表2当中，值为1表示防御者能够完全抵御攻击者的攻击行为；值为0～1表示攻击者的攻击对电力系统的量测冗余度造成一定影响，但该电力系统仍然处于可观测状态，值为0表示攻击者破坏了该电力系统的可观性，防御者的防御未能成功。
如图5所示，表示在恶意攻击场景下，基于双人零和博弈模型得出的电力系统最优的防御策略，在图5当中，横坐标为电力系统的防御节点，纵坐标为防御者的防御概率，从图5当中，可以看出PMU2、PMU6和PMU9是该电力系统中最为关键的量测设备，并且，它们的重要度相同，是电力系统应对攻击者恶意攻击的重点保护对象。并且，根据实验证明，本实施例中提出的电力系统的保护方案能够起到保护电力系统的作用，并且也能够保证电力系统的稳定运行。
表1
| 场景编号 | 失去量测量 | 冗余度 |
| 1 | v2 | 0 |
| 2 | v4 | 0.714286 |
| 3 | v6 | 0 |
| 4 | v9 | 0 |
| 5 | i1 | 0 |
| 6 | i3 | 0.896359 |
| 7 | i4 | 0.941176 |
| 8 | i5 | 0.896359 |
| 9 | i6 | 0.896359 |
| 10 | i7 | 0.896359 |
| 11 | i8 | 0.896359 |
| 12 | i9 | 0.941176 |
| 13 | i10 | 0.896359 |
| 14 | i11 | 0 |
| 15 | i12 | 0 |
| 16 | i13 | 0 |
| 17 | i15 | 0.896359 |
| 18 | i16 | 0 |
| 19 | i17 | 0 |
| 20 | PMU2 | 0 |
| 21 | PMU4 | 0.504202 |
| 22 | PMU9 | 0 |
| 23 | PMU6 | 0 |
表2
相应的，本发明还公开了一种电力系统保护装置，如图6所示，包括：
变量获取模块21，用于当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取目标电力系统的状态变量；
方案配置模块22，用于利用量测冗余度评估状态变量的冗余程度，并基于冗余程度最高的原则，得到目标电力系统的目标配置方案；
方案分析模块23，用于利用N-1原则对目标配置方案进行分析，得到目标电力系统的目标量测量；
方案确定模块24，用于利用双人零和博弈模型对目标量测量的攻防过程进行分析，确定出目标电力系统中需要保护的量测设备，以对目标电力系统进行保护。
相应的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述公开的电力系统保护方法的步骤。
相应的，本发明还公开了一种电力系统保护设备，如图7所示，包括：
存储器31，用于存储计算机程序；
处理器32，用于执行计算机程序时实现如前述公开的电力系统保护方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种电力系统的保护方法、装置、介质及设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种电力系统保护方法，其特征在于，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量；
利用量测冗余度评估所述状态变量的冗余程度，并确定出冗余程度最高的目标配置方案；
利用N-1原则对所述目标配置方案进行分析，得到所述目标电力系统的目标量测量；
利用双人零和博弈模型对所述目标量测量的攻防过程进行分析，确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量的过程之前，还包括：
利用PMU对所述目标电力系统的可观测性进行检测，以确保所述目标电力系统的所有区域处于可观测状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用PMU对所述目标电力系统的可观测性进行检测，以确保所述目标电力系统的所有区域处于可观测状态的过程，包括：
将所述PMU部署至所述目标电力系统中，并将所述目标电力系统中与所述PMU相连接的节点和线路判定为可观测区域；
利用潮流计算原理计算所述目标电力系统中处于可观测状态的目标节点；
利用所述潮流计算原理计算所述目标电力系统中处于可观测状态的目标线路；
将所述目标节点和所述目标线路增添至所述可观测区域，得到目标可观测区域；
若所述目标可观测区域可观测到所述目标电力系统中的所有节点和所有线路，则判定所述目标电力系统的所有区域处于可观测状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量的过程，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用状态估计算法获取所述目标电力系统的所述状态变量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用状态估计算法获取所述目标电力系统的所述状态变量的过程，包括：
当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，利用加权最小二乘法获取所述目标电力系统的所述状态变量；
其中，所述状态变量的表达式为：
z＝h(x)+e；
式中，z为利用所述PMU测量所述目标电力系统所得的测量数据，x为所述目标电力系统的状态变量，h(x)为所述目标电力系统的量测量与状态变量之间的映射矩阵，e为误差值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述量测冗余度的表达式为：
RDc＝RDv,c×RDi,c；
式中，RDc为所述量测冗余度，RDv,c为所述目标电力系统的电压量测量的冗余度，RDi,c为所述目标电力系统的电流量测量的冗余度；
其中，所述电压量测量的冗余度的表达式为：
式中，RDv,c为所述目标电力系统的电压量测量的冗余度，n为所述目标电力系统中所有量测设备的数目，Dv,c为所述目标电力系统在任一状态c下的直接电压量测结果，Pv,c为所述目标电力系统在任一状态c下的间接电压量测结果，Dv,all为所述目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的电压量测量，Pv,all为所述目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的间接电压量测结果；
所述电流量测量的冗余度的表达式为：
式中，RDi,c为所述目标电力系统的电流量测量的冗余度，n为所述目标电力系统中所有量测设备的数目，Di,c为所述目标电力系统在任一状态c下的电流量测量，Di,all为所述目标电力系统中所有量测设备在完全工作状态下的电流量测量。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述利用双人零和博弈模型对所述目标量测量的攻防过程进行分析，确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护的过程，包括：
在所述双人零和博弈模型中，若所述目标电力系统的攻击者对所述目标量测量进行篡改，则所述目标电力系统的防御者基于加密算法和/或冗余保护对所述目标量测量进行保护；
基于资源优化配置原则确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护。
8.一种电力系统保护装置，其特征在于，包括：
变量获取模块，用于当目标电力系统的所有区域处于可观测状态时，获取所述目标电力系统的状态变量；
方案配置模块，用于利用量测冗余度评估所述状态变量的冗余程度，并确定出冗余程度最高的目标配置方案；
方案分析模块，用于利用N-1原则对所述目标配置方案进行分析，得到所述目标电力系统的目标量测量；
方案确定模块，用于利用双人零和博弈模型对所述目标量测量的攻防过程进行分析，确定出所述目标电力系统中需要保护的量测设备，以对所述目标电力系统进行保护。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的电力系统保护方法的步骤。
10.一种电力系统保护设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的电力系统保护方法的步骤。
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|---|---|---|---|
| CN201811019807.4A CN109038573A (zh) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | 一种电力系统保护方法、装置、介质及设备 |
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| CN109038573A true CN109038573A (zh) | 2018-12-18 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111582595A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-08-25 | 内蒙古工业大学 | 用于自然灾害的应急决策方法、装置及电子设备 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102664402A (zh) * | 2012-04-26 | 2012-09-12 | 中国人民解放军海军工程大学 | 基于潮流直接可解的船舶电力系统pmu优化配置方法 |
| CN103248043A (zh) * | 2013-04-28 | 2013-08-14 | 西南交通大学 | 一种基于同步相角测量装置的电力系统多区域分布式状态估计方法 |
| CN103715772A (zh) * | 2013-12-27 | 2014-04-09 | 北京四方继保自动化股份有限公司 | 一种智能变电站全景数据中心 |
| CN105469158A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-04-06 | 国网天津市电力公司 | 一种改进的pmu最优配置整数线性规划方法 |
| CN107171327A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-09-15 | 国网山东省电力公司青岛供电公司 | 一种电网状态估计方法和装置 |
| CN107819785A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-03-20 | 东南大学 | 一种面向电力系统虚假数据注入攻击的双层防御方法 |
-
2018
- 2018-09-03 CN CN201811019807.4A patent/CN109038573A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102664402A (zh) * | 2012-04-26 | 2012-09-12 | 中国人民解放军海军工程大学 | 基于潮流直接可解的船舶电力系统pmu优化配置方法 |
| CN103248043A (zh) * | 2013-04-28 | 2013-08-14 | 西南交通大学 | 一种基于同步相角测量装置的电力系统多区域分布式状态估计方法 |
| CN103715772A (zh) * | 2013-12-27 | 2014-04-09 | 北京四方继保自动化股份有限公司 | 一种智能变电站全景数据中心 |
| CN105469158A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-04-06 | 国网天津市电力公司 | 一种改进的pmu最优配置整数线性规划方法 |
| CN107171327A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-09-15 | 国网山东省电力公司青岛供电公司 | 一种电网状态估计方法和装置 |
| CN107819785A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-03-20 | 东南大学 | 一种面向电力系统虚假数据注入攻击的双层防御方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| BIN CHEN ET AL: "Defence against data loss in PMU-measured power system", 《2018 13TH IEEE CONFERENCE ON INDUSTRIAL ELECTRONICS AND APPLICATIONS (ICIEA)》 * |
| 刘杰: "基于改进自适应遗传算法的系统可观测PMU最优配置", 《广东电力》 * |
| 吴霜: "考虑量测冗余度的多阶段PMU优化配置", 《河海大学学报（自然科学版）》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111582595A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-08-25 | 内蒙古工业大学 | 用于自然灾害的应急决策方法、装置及电子设备 |
| CN111582595B (zh) * | 2020-05-13 | 2023-09-26 | 内蒙古工业大学 | 用于自然灾害的应急决策方法、装置及电子设备 |
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