CN109831381A - 一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法，属于电力信息物理系统领域。该方法首先计算信息流的CPS重要性指标，并构建CPS不确定集

Description

一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法

技术领域

本发明属于电力信息物理系统领域，特别涉及一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法。

背景技术

随着智能电网的普及以及先进信息技术在电力系统中的应用，现代电力系统已经成为典型的信息物理耦合系统。在传统电力通信网的运行调度人员视角里，各类业务下不同子站的信息流是公平。然而考虑到信息物理耦合的特征，不同信息对电力系统有不同的影响能力，因此其存在的不同的重要性。当前电力通信网的路由方式制定普遍是基于人工经验和最短路径方法，缺乏对信息流不同重要性的考虑。此外，现有的方法也难以考虑电力信息物理系统的各类不确定性，如风电出力波动导致潮流方式转移、电网及通信网的耦合故障等。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法。本发明考虑信息侧和物理侧的不确定性，利用信息-能量流模型评价信息流的重要性，并将重要的信息流分配到可靠的链路上。本发明方法能够应用于电力通信网的路由方式制定问题，可以有效降低电力通信网的故障对物理电网的影响，提高整体信息物理耦合系统的鲁棒性。

本发明提出一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法，其特征在于，该方法首先计算信息流的信息物理系统CPS重要性指标；并构建CPS不确定集该集合包含物理侧的功率波动、物理侧可能的N-1断线故障及信息侧可能的N-2断线故障；定义CPS不确定集下的每个子站信息流的CPS重要性指标；建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型；然后线性化模型中的目标函数的非线性部分及非线性约束；利用鲁棒优化求解方法，求解线性化后的考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，并将结果用于电力通信网的主、备路由方式制定。该方法具体包括以下步骤：

1)计算信息流的CPS重要性指标，该指标由信息变量对物理状态变量的影响和物理状态变量重要性构成；具体包括：

1.1)计算信息变量对物理状态变量的影响：

其中，x为物理状态变量；为下一个控制周期的物理状态变量；u为物理控制变量；为物理控制变量对下一个控制周期的物理状态变量的灵敏度；y为信息控制变量；λ为信息变量；

C是物理控制变量u与信息控制变量y的控制映射矩阵，为对角矩阵，满足如下关系：

y＝C·u (2)

当不考虑故障时，C为对角元素全为1的对角矩阵，当考虑控制单元故障时，将对应的对角元修改为0；

1.2)计算物理状态变量重要性SI(x)；

1.3)计算信息流的CPS重要性指标；

第k个子站信息流的CPS重要性指标通过如下公式计算：

其中，E_k为第k个子站信息流的CPS重要性指标，λ_k是λ中第k个元素，表示第k个信息变量；

2)构建CPS不确定集该集合包含物理侧的功率波动、物理侧可能的N-1断线故障及信息侧可能的N-2断线故障，表达式如下：

其中，表示通信侧可能的N-2断线故障矩阵，为中第(i,j)个元素，E为通信网拓扑所有边的集合，当发生N-2断线时，对应的链路其他均为0；表示物理侧的功率波动不确定集，满足 D _p为功率波动下限，为功率波动上限；表示物理侧可能的N-1断线故障矩阵，将原始电力网络的拓扑关联矩阵A中开断支路所对应的元素修改为0；表示整数集合；表示实数集合；

3)定义CPS不确定集下的每个子站信息流的CPS重要性指标；

其中，CPS不确定集下的第k个子站信息流的CPS重要性指标表达式如下：

其中，为CPS不确定集下的物理状态变量；

基于电力系统的潮流方程f(x,u,D_p,D_c,p,A)＝0

及隐函数定理，当系统稳定时在CPS不确定性集下由如下公式计算：

其中，f(·)表示电力系统的潮流方程函数关系，D为扰动变量集合，p为电力网络元件参数，A为原始电力网络的拓扑关联矩阵；

4)建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体包括：

4.1)建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型的目标函数，如式(7)所示：

其中和分别为第k个子站信息流的主、备路由在链路(i,j)上的决策0-1变量，为1则表示选择该路径；K为子站信息流的总数；E_k为第k个子站信息流的CPS重要性指标；Λ为使得被乘的目标函数值小于鲁棒目标函数量纲的系数；ε为使得主路由的优先级高于备用路由的系数；d_ij为链路(i,j)的长度；R_ij为链路(i,j)的故障概率的倒数；表示考虑CPS不确定集下，第k个子站信息流的中断指示变量，为0-1变量，发生中断为1，未中断为0；为CPS不确定集下的第k个子站信息流的CPS重要性指标；

4.2)约束条件；

4.2.1)通信网拓扑约束，如式(8)-(9)所示：

其中，下标s^k和d^k分别表示第k个信息流的起点和终点所在的节点编号；

4.2.2)主备路由分离约束，如式(10)所示：

4.2.3)带宽约束，如式(11)所示：

其中，c_ij为链路(i,j)的带宽；

4.2.4)中断信息流判别约束，如式(12)所示：

其中，和分别为CPS不确定集下第k个子站信息流的主、备路由中断判断变量，为1则中断，为0则不受影响；M为设定的常数；

5)线性化步骤4)建立的模型中的目标函数的非线性部分及非线性约束；具体步骤如下：

5.1)线性化目标函数中的非线性部分如式(13)所示：

其中，用来替代

5.2)线性化中断信息流判别约束，表达式如下：

其中，为主路由中间变量，用来替代 为备路由中间变量，用来替代

6)利用鲁棒优化求解方法，求解经过步骤5)线性化后的考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，得到主路由的决策变量矩阵M^k,k＝1,...,K和备用路由决策变量变量矩阵N^k,k＝1,...,K；基于矩阵M^k和N^k制定第k个子站信息流在电力通信网中的主、备路由方式，优化完毕。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明提出一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法，该方法考虑了电力信息物理系统中信息侧和物理侧高度耦合的问题，能够应用于电力通信网主、备路由方式制定问题，实现主、备路由方式的同时优化，将重要的信息流分配到可靠的链路上；并可以有效降低电力通信网的故障对物理电网的影响，提高整体信息物理耦合系统的鲁棒性。

具体实施方式

本发明提出的一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法，下面结合具体实施例进一步说明如下。

本发明提出的一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法，其特征在于，该方法首先计算信息流的CPS(Cyber-physical system，信息物理系统)重要性指标；并构建CPS不确定集该集合包含物理侧的功率波动、物理侧可能的N-1断线故障及信息侧可能的N-2断线故障；定义CPS不确定集下的每个子站信息流的CPS重要性指标；建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型；然后线性化模型中的目标函数的非线性部分及非线性约束；利用鲁棒优化求解方法，求解上述线性化后的考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，并将结果用于电力通信网的主、备路由方式制定。该方法具体包括以下步骤：

1)计算信息流的CPS重要性指标，该指标由信息变量对物理状态变量的影响和物理状态变量重要性构成；具体包括：

1.1)计算信息变量对物理状态变量的影响：

其中，x为物理状态变量，如输电线路有功值、无功值等；为下一个控制周期的物理状态变量；u为物理控制变量，在电力系统中通常为发电机出力等可控变量；为物理控制变量对下一个控制周期的物理状态变量的灵敏度，如在潮流校正控制可认为是转移分布因子矩阵；y为信息控制变量；λ为信息变量，当分析计算控制信息流的重要性时，λ与y信息控制变量等价；

C是物理控制变量u与信息控制变量y的控制映射矩阵，为对角矩阵，满足如下关系：

y＝C·u (2)

当不考虑故障时，C为对角元素全为1的对角矩阵，当考虑控制单元故障时，将对应的对角元修改为0；

1.2)计算物理状态变量重要性SI(x)，该物理状态变量重要性可以根据不同业务选取，以潮流校正控制为例，物理状态变量重要性可以定义为线路占用率，即现在的线路潮流值占线路潮流值上限的百分比；

1.3)计算信息流的CPS重要性指标；

第k个子站信息流(即第k个信息变量λ_k)的CPS重要性指标可通过如下公式计算：

其中E_k为第k个子站信息流的CPS重要性指标，λ_k是λ中第k个元素，表示第k个信息变量。

2)构建CPS不确定集该集合包含物理侧的功率波动、物理侧可能的N-1断线故障及信息侧可能的N-2断线故障，可表示为：

其中，表示通信侧可能的N-2断线故障矩阵，为中第(i,j)个元素；表示整数集合；表示实数集合；E为通信网拓扑所有边的集合，当发生N-2断线时，对应的链路其他均为0；表示物理侧的功率波动不确定集，满足 D _p为功率波动下限，为功率波动上限；表示物理侧可能的N-1断线故障矩阵，将原始电力网络的拓扑关联矩阵A中开断支路所对应的元素修改为0；

3)定义CPS不确定集下的每个子站信息流的CPS重要性指标；

其中CPS不确定集下的第k个子站信息流的CPS重要性指标表达式如下：

其中，为CPS不确定集下的物理状态变量。

然后，基于电力系统的潮流方程f(x,u,D,p,A)＝0

及隐函数定理，当系统稳定时在CPS不确定性集下由如下公式计算：

其中f(·)表示电力系统的潮流方程函数关系；x为物理状态变量；u为物理控制变量；D为扰动变量集合，该集合包含步骤2)中的扰动变量；p为电力网络元件参数，A为原始电力网络的拓扑关联矩阵；)

4)建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体包括：

4.1)目标函数；

建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型的目标函数，如式(7)所示，分为两部分，鲁棒部分(即min-max项)表示在CPS不确定集中最恶劣的场景有最低的脆弱性，其余部分目标函数将重要的信息流分配到可靠的路径上，

其中和分别为第k个子站信息流的主、备路由在链路(i,j)上的决策0-1变量，为1则表示选择该路径；K为子站信息流的总数；E_k为第k个子站信息流的CPS重要性指标；Λ为使得被乘的目标函数值小于鲁棒目标函数量纲的系数，从而保证鲁棒目标的优先级最高；ε为使得主路由的优先级高于备用路由的系数；d_ij为链路(i,j)的长度；R_ij为链路(i,j)的故障概率的倒数；表示考虑CPS不确定集下，第k个子站信息流的中断指示变量，为0-1变量，发生中断为1，未中断为0；为CPS不确定集下的第k个子站信息流的CPS重要性指标。

4.2)约束条件；

4.2.1)通信网拓扑约束，如式(8)-(9)所示：

其中式(8)限制主路由要满足通信网拓扑约束，式(9)限制备用路由要满足通信网拓扑约束；下标s^k和d^k分别表示第k个信息流的起点和终点所在的节点编号。

4.2.2)主备路由分离约束，如式(10)所示：

4.2.3)带宽约束，如式(11)所示：

其中，c_ij为链路(i,j)的带宽。

4.2.4)中断信息流判别约束，如式(12)所示：

其中，和分别为CPS不确定集下第k个子站信息流的主、备路由中断判断变量，为1则中断，为0则不受影响；当和均为1时，也为1；M为一个大数，通常选为10³及以上。

5)线性化步骤4)建立的模型中的目标函数的非线性部分及非线性约束；具体步骤如下：

5.1)线性化目标函数中的非线性部分如式(13)所示：

其中用来替代

5.2)线性化中断信息流判别约束，表达式如下：

其中为主路由中间变量，用来替代 为备路由中间变量，用来替代

6)利用鲁棒优化求解方法，求解经过步骤5)线性化后的考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，得到主路由的决策变量矩阵M^k,k＝1,...,K和备用路由决策变量变量矩阵N^k,k＝1,...,K。基于矩阵M^k和N^k制定第k个子站信息流在电力通信网中的主、备路由方式，优化完毕。

Claims (2)

1.一种考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由优化方法，其特征在于，该方法首先计算信息流的信息物理系统CPS重要性指标；并构建CPS不确定集该集合包含物理侧的功率波动、物理侧可能的N-1断线故障及信息侧可能的N-2断线故障；定义CPS不确定集下的每个子站信息流的CPS重要性指标；建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型；然后线性化模型中的目标函数的非线性部分及非线性约束；利用鲁棒优化求解方法，求解线性化后的考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，并将结果用于电力通信网的主、备路由方式制定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)计算信息流的CPS重要性指标，该指标由信息变量对物理状态变量的影响和物理状态变量重要性构成；具体包括：

1.1)计算信息变量对物理状态变量的影响：

其中，x为物理状态变量；为下一个控制周期的物理状态变量；u为物理控制变量；为物理控制变量对下一个控制周期的物理状态变量的灵敏度；y为信息控制变量；λ为信息变量；

C是物理控制变量u与信息控制变量y的控制映射矩阵，为对角矩阵，满足如下关系：

y＝C·u (2)

当不考虑故障时，C为对角元素全为1的对角矩阵，当考虑控制单元故障时，将对应的对角元修改为0；

1.2)计算物理状态变量重要性SI(x)；

1.3)计算信息流的CPS重要性指标；

第k个子站信息流的CPS重要性指标通过如下公式计算：

其中，E_k为第k个子站信息流的CPS重要性指标，λ_k是λ中第k个元素，表示第k个信息变量；

2)构建CPS不确定集该集合包含物理侧的功率波动、物理侧可能的N-1断线故障及信息侧可能的N-2断线故障，表达式如下：

其中，表示通信侧可能的N-2断线故障矩阵，为中第(i,j)个元素，E为通信网拓扑所有边的集合，当发生N-2断线时，对应的链路其他均为0；表示物理侧的功率波动不确定集，满足 D _p为功率波动下限，为功率波动上限；表示物理侧可能的N-1断线故障矩阵，将原始电力网络的拓扑关联矩阵A中开断支路所对应的元素修改为0；表示整数集合；表示实数集合；

3)定义CPS不确定集下的每个子站信息流的CPS重要性指标；

其中，CPS不确定集下的第k个子站信息流的CPS重要性指标表达式如下：

其中，为CPS不确定集下的物理状态变量；

基于电力系统的潮流方程f(x,u,D_p,D_c,p,A)＝0

及隐函数定理，当系统稳定时在CPS不确定性集下由如下公式计算：

其中，f(·)表示电力系统的潮流方程函数关系，D为扰动变量集合，p为电力网络元件参数，A为原始电力网络的拓扑关联矩阵；

4)建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体包括：

4.1)建立考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型的目标函数，如式(7)所示：

其中和分别为第k个子站信息流的主、备路由在链路(i,j)上的决策0-1变量，为1则表示选择该路径；K为子站信息流的总数；E_k为第k个子站信息流的CPS重要性指标；Λ为使得被乘的目标函数值小于鲁棒目标函数量纲的系数；ε为使得主路由的优先级高于备用路由的系数；d_ij为链路(i,j)的长度；R_ij为链路(i,j)的故障概率的倒数；表示考虑CPS不确定集下，第k个子站信息流的中断指示变量，为0-1变量，发生中断为1，未中断为0；为CPS不确定集下的第k个子站信息流的CPS重要性指标；

4.2)约束条件；

4.2.1)通信网拓扑约束，如式(8)-(9)所示：

其中，下标s^k和d^k分别表示第k个信息流的起点和终点所在的节点编号；

4.2.2)主备路由分离约束，如式(10)所示：

4.2.3)带宽约束，如式(11)所示：

其中，c_ij为链路(i,j)的带宽；

4.2.4)中断信息流判别约束，如式(12)所示：

其中，和分别为CPS不确定集下第k个子站信息流的主、备路由中断判断变量，为1则中断，为0则不受影响；M为设定的常数；

5)线性化步骤4)建立的模型中的目标函数的非线性部分及非线性约束；具体步骤如下：

5.1)线性化目标函数中的非线性部分如式(13)所示：

其中，用来替代

5.2)线性化中断信息流判别约束，表达式如下：

其中，为主路由中间变量，用来替代 为备路由中间变量，用来替代

6)利用鲁棒优化求解方法，求解经过步骤5)线性化后的考虑信息物理耦合的电力通信网鲁棒路由模型，得到主路由的决策变量矩阵M^k,k＝1,...,K和备用路由决策变量变量矩阵N^k,k＝1,...,K；基于矩阵M^k和N^k制定第k个子站信息流在电力通信网中的主、备路由方式，优化完毕。