CN109145428A - 一种连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，包括如下步骤：S1、根据复杂网络理论，建立信息层模型和物理层模型；S2、根据信息层模型和物理层模型，使用依存理论对信息层和物理层的依存关系进行建模，得到耦合模型；S3、根据耦合模型，使用渗流理论对电力CPS连锁故障进行建模，输出耦合模型的全部存活节点；S4、建立脆弱性评估指标，并根据脆弱性评估指标和耦合模型的存活节点，对电力CPS的脆弱性进行评估；本发明解决了现有技术存在的步骤复杂、有效性低、实用性低以及缺乏通用性的问题，避免了失电的严重后果，造成巨大的经济损失和社会影响。

Description

一种连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法
技术领域
本发明具体涉及一种连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法。
背景技术
在科技不断发展的当今世界，现实世界中各种各样的网络之间的关联越来越紧密，在方便了生活的同时也降低了系统的可靠性。同样对于电力网络来说，在智能化进程不断推进的过程中，电网会逐渐趋近社会化、共享化和复杂化。
信息物理系统(cyber physical system,CPS)是一个通过3C(computation，communication，control)技术将计算系统、通信网络和物理环境融为一体的集实时感知、动态控制与信息服务于一体的多维异构复杂系统。CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理系统和信息系统中人、机、物、环境、信息等要素的相互交互和协同的复杂系统，最终要求实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。
近年来，智能电网的飞速发展促进了电力系统自动化水平的提高，现代电力网络已经从传统电力设备网络过渡到了信息系统与电力一次系统高度融合的电力CPS网络。对这种高度耦合的电力CPS网络进行脆弱性评估具有十分重要的意义。
现有技术存在以下问题：
(1)现有技术在进行脆弱性评估时，步骤复杂，并且不适应各种复杂情况；
(2)现有技术缺少本质上的量化指标难以支撑对整个电力CPS脆弱性的评估，有效性低；
(2)现有技术没有考虑网络内部的动态安全、系统脆弱性与网络拓扑结构、攻击成本以及实际场景中网络间存在的网络间失效概率的因素，导致缺少实际意义，实用性低；
(4)现有技术只适用于单一类型的场景，缺乏通用性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种实用性高、步骤简单、有效性高以及通用性好的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，避免了失电的严重后果，造成巨大的经济损失和社会影响，解决了现有技术存在的步骤复杂、有效性低、实用性低以及缺乏通用性的问题，同时解决了电力CPS的脆弱度评估问题，为后续利用脆弱度评估指标对电力CPS的建设和保护进行研究打下基础。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，包括如下步骤：
S1：根据复杂网络理论，建立信息层模型和物理层模型；
S2：根据信息层模型和物理层模型，使用依存理论对信息层和物理层的依存关系进行建模，得到耦合模型；
S3：根据耦合模型，使用渗流理论对电力CPS连锁故障进行建模，输出耦合模型的全部存活节点；
S4：建立脆弱性评估指标，并根据脆弱性评估指标和耦合模型的存活节点，对电力CPS的脆弱性进行评估。
进一步地，步骤S1中，物理层模型为基于复杂网络理论的无权网络拓扑模型，建立的方法包括如下步骤：
A-1：根据复杂网络理论，将高压输电网中发电厂和变电站简化为无差别的点，作为电力一次系统的电力节点；
A-2：将高压输电线路简化为边，并忽略不同输电线路的差异，将所有的边等效为无权边；
A-3：根据电力节点和物理层的边，建立物理层模型。
进一步地，步骤S1中，信息层模型为基于复杂网络理论的无权网络拓扑模型，建立的方法包括如下步骤：
B-1：根据复杂网络理论，将与物理层对应的数据传输和处理的信息系统和调度中心等效为信息节点；
B-2：将各信息节点之间的通信线路等效为信息层的边，并忽略不同通信线路的方向和差异，将所有的边等效为无权边；
B-3：根据信息节点和信息层的边，建立信息层。
进一步地，步骤S2的耦合模型中，信息层的信息节点分为进行物理节点信息采集监控的信息通信节点和可看做与物理层解耦的调度节点，除调度节点之外的其他的信息层的信息节点分别与物理层节点以耦合策略对应相连。
进一步地，步骤S3中，使用渗流理论对电力CPS连锁故障进行建模，包括如下步骤：
S3-1：将初始故障节点输入耦合模型的信息层；
S3-2：根据初始故障节点，更新信息层连通子集，并根据更新后信息层连通子集，更新信息层存活节点；
S3-3：根据信息层和物理层的依存关系，更新物理层连通子集，并根据更新后物理层连通子集，更新物理层存活节点；
S3-4：根据信息层存活节点和物理层存活节点，得到当前拓扑，并进行潮流计算；
S3-5：根据潮流计算结果，进行物理层保护动作，并切除潮流越限线路；
S3-6：根据切除潮流越限线路后的物理层拓扑，更新物理层连通子集，并根据更新后物理层连通子集，更新物理层存活节点；
S3-7：根据信息层和物理层的依存关系和更新后的物理层存活节点，更新信息层连通子集，并根据更新后信息层连通子集，更新信息层存活节点；
S3-8：判断耦合模型的节点是否全部失效，若是则进入步骤S3-10，否则进入步骤S3-9；
S3-9：判断更新后耦合模型的存活节点总数是否不变，若是则进入步骤S3-10，否则进入步骤S3-3；
S3-10：输出耦合模型的全部存活节点。
进一步地，步骤S4中，脆弱度评估指标包括电力CPS结构脆弱度评估指标、电力CPS物理层影响因子和最短路径长度增量。
进一步地，电力CPS结构脆弱度评估指标的计算公式为：
式中，rCPS为电力CPS结构脆弱度评估指标；Nin为电力CPS初始节点总数；Nsu为连锁故障结束时电力CPS存活节点数目。
进一步地，电力CPS物理层影响因子的计算公式为：
式中，rphysics为物理层影响因子；plp为节点p失负荷量；pt为电力CPS初始总负荷；wp为节点p的重要度权值；Nphysics为物理系统节点总数。
进一步地，最短路径长度增量的计算公式为：
式中，Lz为电力CPS信息层传输最短路径增量；为连锁故障结束后最短路径长度之和；为初始状态下最短路径长度之和；f为连锁故障结束后最短路径集合；q为初始状态下最短路径集合。
本方案的有益效果为：
(1)方法简单易行，能探索不同仿真场景下电力CPS的脆弱性，并以此为依据寻找降低电力CPS脆弱性；
(2)故障渗流模式引入了网络间失效概率使电力CPS中的连锁故障行为更加贴近实际情况，提高了实用性；
(3)建立的脆弱度评估指标更加有效具体，提高了有效性；
(4)不仅可以研究电力CPS这种双层网络的连锁故障关系，还可以类比扩展到多种双层网络，例如电网与天然气网络、水网与气网等，通用性好；
(5)对于其他双层网络的研究可以基于本方法分别改变两个单网络的拓扑以及耦合关系进行探索，拥有重要意义。
附图说明
图1为连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法流程图；
图2为对电力CPS连锁故障进行建模的方法流程图；
图3为物理层模型建立的方法流程图；
图4为信息层模型建立的方法流程图；
图5为电力CPS脆弱性评估图；
图6为不同攻击方式下电力CPS脆弱度对比图；
图7为不同攻击方式下电力CPS脆弱度评估指标对比图；
图8为不同网络间失效概率下电力CPS脆弱度对比图；
图9为不同耦合策略下电力CPS脆弱度对比图；
图10为不同耦合策略下电力CPS物理层影响因子对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明实施例中，如图1所示，一种连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，包括如下步骤：
S1：根据复杂网络理论，建立信息层模型和物理层模型；
S2：根据信息层模型和物理层模型，使用依存理论对信息层和物理层的依存关系进行建模，得到耦合模型；
S3：根据耦合模型，使用渗流理论对电力CPS连锁故障进行建模，输出耦合模型的全部存活节点，如图2所示，包括如下步骤：
S3-1：将初始故障节点输入耦合模型的信息层；
S3-2：根据初始故障节点，更新信息层连通子集，并根据更新后信息层连通子集，更新信息层存活节点；
S3-3：根据信息层和物理层的依存关系，更新物理层连通子集，并根据更新后物理层连通子集，更新物理层存活节点；
S3-4：根据信息层存活节点和物理层存活节点，得到当前拓扑，并进行潮流计算；
S3-5：根据潮流计算结果，进行物理层保护动作，并切除潮流越限线路；
S3-6：根据切除潮流越限线路后的物理层拓扑，更新物理层连通子集，并根据更新后物理层连通子集，更新物理层存活节点；
S3-7：根据信息层和物理层的依存关系和更新后的物理层存活节点，更新信息层连通子集，并根据更新后信息层连通子集，更新信息层存活节点；
S3-8：判断耦合模型的节点是否全部失效，若是则进入步骤S3-10，否则进入步骤S3-9；
S3-9：判断更新后耦合模型的存活节点总数是否不变，若是则进入步骤S3-10，否则进入步骤S3-3；
S3-10：输出耦合模型的全部存活节点；
S4：建立脆弱性评估指标，并根据脆弱性评估指标和耦合模型的存活节点，对电力CPS的脆弱性进行评估。
本实施例中，步骤S1中，物理层模型为基于复杂网络理论的无权网络拓扑模型，如图3所示，建立的方法包括如下步骤：
A-1：根据复杂网络理论，将高压输电网中发电厂和变电站简化为无差别的点，作为电力一次系统的电力节点；
A-2：将高压输电线路简化为边，并忽略不同输电线路的差异，将所有的边等效为无权边；
A-3：根据电力节点和物理层的边，建立物理层模型。
本实施例中，步骤S1中，信息层模型为基于复杂网络理论的无权网络拓扑模型，如图4所示，建立的方法包括如下步骤：
B-1：根据复杂网络理论，将与物理层对应的数据传输和处理的信息系统和调度中心等效为信息节点；
B-2：将各信息节点之间的通信线路等效为信息层的边，并忽略不同通信线路的方向和差异，将所有的边等效为无权边；
B-3：根据信息节点和信息层的边，建立信息层。
本实施例中，步骤S2的耦合模型中，信息层的信息节点分为进行物理节点信息采集监控的信息通信节点和可看做与物理层解耦的调度节点，除调度节点之外的其他的信息层的信息节点分别与物理层节点以耦合策略对应相连。
本实施例中，步骤S4中，脆弱度评估指标包括电力CPS结构脆弱度评估指标、电力CPS物理层影响因子和最短路径长度增量。
本实施例中，电力CPS结构脆弱度评估指标的计算公式为：
式中，rCPS为电力CPS结构脆弱度评估指标；Nin为电力CPS初始节点总数；Nsu为连锁故障结束时电力CPS存活节点数目。
本实施例中，电力CPS物理层影响因子的计算公式为：
式中，rphysics为物理层影响因子；plp为节点p失负荷量；pt为电力CPS初始总负荷；wp为节点p的重要度权值；Nphysics为物理系统节点总数。
本实施例中，最短路径长度增量的计算公式为：
式中，Lz为电力CPS信息层传输最短路径增量；为连锁故障结束后最短路径长度之和；为初始状态下最短路径长度之和；f为连锁故障结束后最短路径集合；q为初始状态下最短路径集合。
实验数据及分析：
(1)耦合模型下的电力CPS脆弱度评估
将119无标度节点网络作为信息系统模型，物理层模型采用IEEE118节点，使用介数度数耦合方式构建部分一一对应的电力CPS模型，并对蓄意攻击下的电力CPS进行脆弱度评估。其中耦合失效概率取为1，节点p的重要度权值wp取值如下：
经计算可得如表1的结果。
表1
如图5所示，从仿真得出的数据可以看出，随着信息层失效节点的增加，rCPS以及rphysics有所增加，当信息层失效节点达到阈值40时，整个电力CPS系统完全失效，rCPS以及rphysics分别达到各自的最大值1和0.5731，信息系统延迟增量达到无穷大。
(2)探索蓄意攻击和随机攻击模式下的电力CPS脆弱度
将(1)中的介数度数耦合方式改为度数度数耦合方式，其他设置不变，探索蓄意攻击和随机攻击模式下的电力CPS脆弱度，计算结果如表2和表3所示。
表2
表3
从图6和图7可以看出，电力CPS在蓄意攻击下的脆弱度明显大于随机故障，因此，必须对电力CPS进行保护尽量防止蓄意攻击的发生。由于本实施例采用的蓄意攻击是基于节点度数排序攻击，当蓄意攻击度数较大的节点时，网络的脆弱性大大增加，因此，在对电力CPS采取保护措施时应当在适当范围内保护度数较大的节点。
(3)探索网络间失效概率对电力CPS脆弱度的影响
电力CPS耦合模型与(1)设置相同，同时设置信息层初始失效节点数目为20，探索随机攻击模式下网络间失效概率对电力CPS脆弱度的影响。计算结果如表4和表5所示。
表4
p 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
r<sub>CPS</sub> 0.0928 0.135 0.1224 0.2025 0.1814 0.1857
r<sub>physics</sub> 0 0.0438 0.0248 0.1161 0.0443 0.0828
表5
P<sub>s</sub> 0.6 0.7 0.8 0.9 1
r<sub>CPS</sub> 0.1857 0.1814 0.1868 0.1941 0.1857
r<sub>physics</sub> 0.1412 0.0782 0.1428 0.0633 0.1443
由于引入节点的重要度权值wp，负荷层影响因子与负荷切除率变化不同步。从图8所示的仿真记录我们可以得知，当网络间失效概率较大时，网络间失效概率Ps对本文的电力CPS耦合模型的脆弱度影响是不大的，这是由于当物理系统有节点失效时，即使对应的信息节点并不失效它也无法获取物理节点的运行状态而是仅仅作为信息节点信息传递的通路，信息系统对物理节点的控制是失效的。当Ps接近0时，由于本文研究的是信息节点故障对整个电力CPS连锁故障的影响，若是Ps接近0，那么信息系统的风险传递到物理系统的可能性大大降低。当达到极限值(Ps＝0)时，由于本实施例设定物理系统初始状态时无故障，初始的信息系统故障并不会传递到物理系统，物理系统依旧按照原本运行状态运行。
(4)探索不同耦合策略对电力CPS脆弱度的影响
信息层仿真模型与物理层仿真模型与(1)相同，设置网络间失效概率设为0.5，探索蓄意攻击下不同耦合策略对电力CPS脆弱度的影响。计算结果如如表6和表7所示。
表7
表8
如图9和图10所示，表明对于类似于本实施例建立的电力CPS模型的信息物理融合系统，B-D耦合策略优于D-D耦合策略，B-D耦合策略下的连锁故障规模会小于D-D耦合策略下的故障规模，B-D耦合策略下的物理层影响因子的值也会小于D-D耦合策略下的值，在构建电力CPS模型时，采用B-D耦合策略。
本发明提供的一种实用性高、步骤简单、有效性高以及通用性好的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，避免了失电的严重后果，造成巨大的经济损失和社会影响，解决了现有技术存在的步骤复杂、有效性低、实用性低以及缺乏通用性的问题，同时解决了电力CPS的脆弱度评估问题，为后续利用脆弱度评估指标对电力CPS的建设和保护进行研究打下基础。

Claims (9)

1.一种连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据复杂网络理论，建立信息层模型和物理层模型；
S2：根据信息层模型和物理层模型，使用依存理论对信息层和物理层的依存关系进行建模，得到耦合模型；
S3：根据耦合模型，使用渗流理论对电力CPS连锁故障进行建模，输出耦合模型的全部存活节点；
S4：建立脆弱性评估指标，并根据脆弱性评估指标和耦合模型的存活节点，对电力CPS的脆弱性进行评估。
2.根据权利要求1所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，物理层模型为基于复杂网络理论的无权网络拓扑模型，建立的方法包括如下步骤：
A-1：根据复杂网络理论，将高压输电网中发电厂和变电站简化为无差别的点，作为电力一次系统的电力节点；
A-2：将高压输电线路简化为边，并忽略不同输电线路的差异，将所有的边等效为无权边；
A-3：根据电力节点和物理层的边，建立物理层模型。
3.根据权利要求1所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，信息层模型为基于复杂网络理论的无权网络拓扑模型，建立的方法包括如下步骤：
B-1：根据复杂网络理论，将与物理层对应的数据传输和处理的信息系统和调度中心等效为信息节点；
B-2：将各信息节点之间的通信线路等效为信息层的边，并忽略不同通信线路的方向和差异，将所有的边等效为无权边；
B-3：根据信息节点和信息层的边，建立信息层。
4.根据权利要求1所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤S2的耦合模型中，信息层的信息节点分为进行物理节点信息采集监控的信息通信节点和可看做与物理层解耦的调度节点，除调度节点之外的其他的信息层的信息节点分别与物理层节点以耦合策略对应相连。
5.根据权利要求1所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，使用渗流理论对电力CPS连锁故障进行建模，包括如下步骤：
S3-1：将初始故障节点输入耦合模型的信息层；
S3-2：根据初始故障节点，更新信息层连通子集，并根据更新后信息层连通子集，更新信息层存活节点；
S3-3：根据信息层和物理层的依存关系，更新物理层连通子集，并根据更新后物理层连通子集，更新物理层存活节点；
S3-4：根据信息层存活节点和物理层存活节点，得到当前拓扑，并进行潮流计算；
S3-5：根据潮流计算结果，进行物理层保护动作，并切除潮流越限线路；
S3-6：根据切除潮流越限线路后的物理层拓扑，更新物理层连通子集，并根据更新后物理层连通子集，更新物理层存活节点；
S3-7：根据信息层和物理层的依存关系和更新后的物理层存活节点，更新信息层连通子集，并根据更新后信息层连通子集，更新信息层存活节点；
S3-8：判断耦合模型的节点是否全部失效，若是则进入步骤S3-10，否则进入步骤S3-9；
S3-9：判断更新后耦合模型的存活节点总数是否不变，若是则进入步骤S3-10，否则进入步骤S3-3；
S3-10：输出耦合模型的全部存活节点。
6.根据权利要求1所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，脆弱度评估指标包括电力CPS结构脆弱度评估指标、电力CPS物理层影响因子和最短路径长度增量。
7.根据权利要求6所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述电力CPS结构脆弱度评估指标的计算公式为：
式中，rCPS为电力CPS结构脆弱度评估指标；Nin为电力CPS初始节点总数；Nsu为连锁故障结束时电力CPS存活节点数目。
8.根据权利要求6所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述电力CPS物理层影响因子的计算公式为：
式中，rphysics为物理层影响因子；plp为节点p失负荷量；pt为电力CPS初始总负荷；wp为节点p的重要度权值；Nphysics为物理系统节点总数。
9.根据权利要求6所述的连锁故障模式下信息物理融合系统脆弱性评估方法，其特征在于，所述最短路径长度增量的计算公式为：
式中，Lz为电力CPS信息层传输最短路径增量；为连锁故障结束后最短路径长度之和；为初始状态下最短路径长度之和；f为连锁故障结束后最短路径集合；q为初始状态下最短路径集合。
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