CN110300018B - 一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，具体如下：1)建立电网CPS五层结构模型；2)对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS拓扑建模；3)建立了描述对象状态转移过程的电网CPS对象状态转移模型；4)耦合模型的思想，将电网CPS中每个节点都看作是一个具有独立内部结构、行为和I/O接口的原子模型，多个原子模型基于一定的连接关系以接口的形式组成耦合模型，最终将电网CPS描述为一个由多个耦合部件构成的网络，实现电网CPS层次关系建模，以描述层次间垂直关系。本发明可用于分析电网CPS物理空间与信息空间交叉影响因素等多种问题，对实现电网信息物理系统的融合建模与综合安全评估具有重要意义。

Description

一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法

技术领域

本发明属于电网信息物理系统融合建模领域，涉及一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法。

背景技术

为了适应新能源的广泛接入、实现能源的高效利用和满足电能消费者的多元化需求，信息通信设备与系统大量接入到电力系统中，使当前的智能电网发展成为信息空间与物理空间深度融合、信息过程与物理过程协同互动的电网信息物理系统(Cyber PhysicalSystem，CPS)，简称电网CPS。

电网CPS中信息空间与物理空间的深度融合以及能量流与信息流的协同互动，给现代电网带来极大能力提升的同时，也引入了新的安全风险。电网CPS物理电网与信息系统的相互依存与深度耦合使信息空间和物理空间的相互影响不断增强，增加了整个系统的脆弱性，任意一侧系统内的故障均有可能会跨越空间边界传播到其耦合网络，并导致交互式级联故障。且随着电网CPS对信息系统依存度的不断提高，信息空间的风险更大程度地威胁到电力系统的安稳运行，信息侧故障极有可能引发在电网CPS的信息系统与物理系统间不断交互传递的大规模级联故障。然而，电网CPS信息系统与传统物理电网不同，涉及计算系统与网络部分，专注于处理离散的计算过程、网络通信及反馈控制，属于离散事件驱动网络，即电网CPS既包含离散的计算过程，又需要处理连续变化的物理事件。信息网络技术的多样化、网络体系结构的层次性与复杂性，使得电网信息物理系统的信息空间呈现为复杂网络的形态，且我国电力系统还加入安全分区的机制，不宜将物理空间的建模方法直接用于信息空间的建模。因此，充分考虑电网CPS中物理电网与信息网络的深度融合特性，分析电网CPS信息空间的复杂形态，研究电网CPS物理空间与信息空间的一体化融合建模方法，是目前亟待解决的问题。

目前针对电网CPS的融合建模方法主要有三种，分别是基于相依理论、基于混合系统以及基于邻接矩阵。基于相依理论的电网CPS建模方法通过分别提取电网CPS中物理系统与信息系统的拓扑，建立两者之间的相互依存关系，将孤立的单侧网络建模为相互依存网络，进而研究其结构特性和耦合关系对整体系统脆弱性的影响，该方法主要侧重于描述物理空间与信息空间节点间的相互依存关系，大多适用于分析网间的耦合关系及其耦合结构特性对系统整体脆弱性影响，具有局限性；通过混合系统的建模主要是将CPS系统的过程用有限状态机进行建模，然后利用微分方程表达的连续物理过程对状态进行扩展和精化，采用事件机制实现状态之间的变迁，该方法大多局限于时间域内的分析，没有考虑计算过程和物理过程的实时交互对系统行为所带来的影响，且模型更多针对具体的应用场景与实际控制，普适性差；基于关联矩阵的电网CPS建模主要采用矩阵形式来表示电网CPS中各层次或元件之间的逻辑连接关系，该类建模方法侧重对电网CPS中信息物理耦合特性的建模与定量分析，无法实现电网CPS中跨空间故障等各种不安全因素的复杂分析。

由此可见，现有的电网CPS建模研究普遍存在以下问题：①大多针对具体的应用场景或某一具体问题，模型普适性差；②没有充分考虑信息空间自身的复杂性和层次特性，无法分析业务层面以下的网络攻击类型，也无法全面刻画网络攻击在电网CPS信息空间和物理空间中交叉传播的实时影响。本发明从电网CPS的耦合特性出发，充分考虑物理电网与信息网络深度融合与交互影响，及信息空间自身的复杂性和层次特性，参考DEVS层次化、模块化的思想，提出了可用于描述电网信息物理系统信息空间与物理空间交叉影响因素等多种问题的电网信息物理系统层次化建模方法。

发明内容

针对上述背景方法中提到的目前基于相依网络、混合系统技术或邻接矩阵的电网CPS建模方法中普遍存在模型普适性差、无法体现网络攻击影响在信息空间与物理空间间交叉传播的缺陷，本发明参考DEVS层次化、模块化的思想，提出了一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法。

一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：考虑电网信息物理系统的结构特性，将电网CPS分为五层，从上到下依次为：物理系统层、信息业务层、信息系统层、网络层(IP层)和通信子网层，各层由独立的内部结构和输入输出接口等模块组成，自底向上提供服务，最终作用于物理系统层；

步骤2：将电网CPS层次化模型的研究对象确定为节点与连接边，建立对象模型Object；节点对象是对电网CPS所涉及的各种部件单元进行抽象，连接边是各节点对象间的关联链路，分为物理链路与逻辑链路，电网CPS对象模型Object的形式化定义如下：

Object＝(Attribute,Name,L,S) 式一

其中，Attribute为对象属性，Attribute＝node表示该对象为节点对象，Attribute＝edge表示该对象为连接边对象；Name为对象名称；L为该对象所属层次，

为电网CPS模型层次集合；S为该对象当前的状态；

步骤3：考虑电网CPS各层次节点特性与链路特性的不同，对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS拓扑建模；

步骤4：对马尔科夫模型进行了改进，建立电网CPS对象状态转移模型，以描述电网CPS中对象的状态转移过程；

步骤5：参考DEVS模块化、层次化系统建模的思想，建立电网CPS层次关系模型。

在上述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，所述步骤1中，五层电网CPS具体包括：

物理系统层：电力一次系统层，覆盖电网CPS物理环境下发电、输电、配电、用电等各个环节，该层内的实体主要包括发电机、输电线路、变压器以及用电负荷等电力一次设备，各物理实体之间通过电气侧的电气连接紧密耦合；物理系统层与信息业务层通过测量和控制指令执行过程产生关联，与信息系统层通过业务层的各类信息业务关联实现交互；

信息业务层：电网CPS中信息空间与物理空间的交互媒介，是电网CPS层次模型的关键中枢；电力系统中不同的信息业务实现不同的功能，从而协调电力系统的整体运行；信息业务层包括电力系统的各类信息业务，其中生产控制大区中的测控等业务实现电网CPS信息空间与物理空间的交互，信息系统通过不同的测控等业务实现对物理电网的感知与控制；信息业务层是一个逻辑层次，节点对象为电力测控业务，层内拓扑为电力业务之间的关联关系，如s₁到s₂的传输业务会对控制业务产生影响，故；一个测控业务的最小对象为一类业务报文从源应用到目标应用的一个通信业务流，包括源站和目标站上协议栈及报文通信过程；

信息系统层：信息系统层是电网CPS中信息设备以及信息设备间通信链路的集合，其中信息设备主要包括监控主机、调度主机、工作站、各种智能电子设备等电力系统二次设备，实现了对电力一次设备的数据采集与测量、监视与控制；该层以信息设备为节点对象进行建模，各节点间的通信链路非实际物理链路，而是基于通信子网层与网络层实现的各信息设备间的逻辑通信链路；

网络层：电网CPS中通过IP寻址和路由选择实现两个端点之间数据传输的通信网络；网络层的任务是沿信息系统层两个信息设备间的最佳路由传输数据，即实现信息系统层两个端点之间的逻辑通信；该层的网络设备主要是路由器，广域网情况下通常两个路由器间的通信需要底层通信子网层的支撑，即两个路由器间的连接可能是物理链路、也可能是底层的通信子网层抽象而成的逻辑链路；

通信子网层：该层由计算机网络体系结构的数据链路层和物理层设备与链路构成，实现电网CPS中网络层之下的通信服务，包括通信设备、传输介质、低层通信协议等；通信子网层的通信设备主要是交换机，如以太网交换机和光交换机，传输介质可以是双绞线、光纤、无线信道等多种方式；目前智能电网的广域通信广泛采用SDH技术，局域网通信通常采用以太网技术，这两类技术涉及的通信设备、传输介质和协议均属于本模型的通信子网层。

在上述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，在步骤3中，

步骤3.1：采用邻接矩阵的方法，进行层内拓扑建模，描述层内各节点之间的物理连接关系或逻辑关联关系；对包含n节点(V＝{v₁,v₂,…,v_n})的层内拓扑进行建模，其n×n阶邻接矩阵A的结构定义如下：

邻接矩阵A中每一个元素代表该层内由其所在行的顶点到其所在列的顶点是否相关，且邻接矩阵A具有以下性质：

性质1：当i＝j时，a_ij为层内节点对象Node_i；

性质2：当i≠j时，a_ij表示层内节点v_i与v_j之间的关联度；a_ij＝0表示v_i与v_j无关联；a_ij＝k，k∈(0,1]时，k为v_i与v_j的关联系数，k越大，关联性越强；

步骤3.2：通过分析电网CPS模型各层次对象间的关联特性，对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS层间拓扑建模；假设涉及层间拓扑建模的两个层次分别用G_x、G_y表示，G_x＝(V_x,E_x)，其中，V_x＝{v_x1,v_x2,…,v_xn}为G_x的节点集，E＝{e_x1,e_x2,…,e_xk}为G_x连接边集合；G_y＝(V_y,E_y)，其中，V_y＝{v_y1,v_y2,…,v_yn}为G_y节点集，E＝{e_y1,e_y2,…,e_yk}为G_y连接边集合；对于G_x、G_y中的链路与节点，定义以下三种关联关系：

I.节点与节点间的关联关系，其邻接矩阵R_v-v的结构定义如下：

其中，R(v_xi,v_yj)表示G_x的节点v_xi与G_y的节点v_yj间的关联度，R(v_xi,v_yj)＝0表示节点v_xi与节点v_yj无关联，R(v_xi,v_yj)＝k，k∈(0,1]表示节点v_xi与节点v_yj存在关联关系，关联系数为k；

II.节点与链路间的关联关系，其邻接矩阵R_v-e的结构定义如下：

其中，R(v_xi,e_yj)表示G_x的节点v_xi与G_y的边e_yj间的关联度，R(v_xi,e_yj)＝0表示节点v_xi与边e_yj无关联，R(v_i,w_j)＝k，k∈(0,1]表示节点v_xi与边e_yj存在关联关系，关联系数为k；

III.链路与链路间的关联关系，其邻接矩阵R_e-e的结构定义如下：

其中，R(e_xi,e_yj)表示G_x的边e_xi与G_y的边e_yj间的关联度，R(e_i,f_j)＝0表示边e_xi与边e_yj无关联关系，R(e_i,f_j)＝k，k∈(0,1]表示边e_xi与边e_yj存在关联关系，关联系数为k。

在上述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，在步骤3中，提出了电网CPS的拓扑建模方法，电网CPS拓扑建模步骤如下：

S1、提取电网CPS各层内节点的拓扑关联关系，建立层内拓扑集合：

T＝{T_P,T_C,T_I,T_N,T_S} 式六

其中，T_P、T_C、T_I、T_N、T_S分别为物理系统层、信息业务层、信息系统层、网络层和通信子网层的拓扑结构；

S2、提取各层内节点的关联度，分别将各层的拓扑结构表示为带权有向图G＝(V,E)，其中，V＝{v₁,v₂,…,v_n}为节点集，E＝{e_ij}为连接边集合；

S3、基于步骤3.1将带权有向图G等价转化为N×N阶的邻接矩阵A＝(a_ij)；

S4、提取模型各层次间对象的拓扑关联关系，建立层间拓扑集合：

R＝{T_P-C,T_C-I,T_I-N,T_N-S} 式七

其中，T_P-C、T_C-I、T_I-N、T_N-S分别为物理系统层与信息业务层层间拓扑、信息业务层与信息系统层层间拓扑、信息系统层与网络层层间拓扑、网络层与通信子网层层间拓扑；

S5、提取各对象间的关联度，基于3.2将层次化模型的层间拓扑表示如下：

T_P-C＝{R_Pv-Cv} 式八

T_C-I＝{R_Cv-Iv,R_Cv-Ie}

T_I-N＝{R_Ie-Nv,R_Ie-Ne}

T_N-S＝{R_Ne-Sv,R_Ne-Se}

其中，R_Pv-Cv为物理系统层节点与信息业务层节点间拓扑，R_Cv-Iv信息业务层节点与信息系统层节点间拓扑，R_Cv-Ie信息业务层节点与信息系统层链路间拓扑，R_Ie-Nv信息系统层链路与网络层节点间拓扑，R_Ie-Ne信息系统层链路与网络层链路间拓扑，R_Ne-Sv网络层链路与通信子网层节点间拓扑，R_Ne-Se网络层链路与通信子网层链路间拓扑。

在上述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，在步骤4中，建立了电网CPS对象状态转移模型M＝<S,X,Y,F,P>，对象状态转移分析步骤如下：

S1、确定自然状态下，即无外部随机事件输入时，经过时间片段Δt，对象的状态转移概率矩阵为P(Δt)；

S2、确定外部事件x作用下，对象的状态转移概率矩阵P(x)；

S3、定义t_i-1时刻电网CPS中某对象的实际状态分布为行向量

则t_i时刻，对象的状态分布概率计算公式如下：

S4、采用直接抽样方法确定对象状态，则状态转移函数表示如下：

其中，s(t_i)为采用直接抽样方法最终确定的对象状态，

为t_i时刻对象的状态分布概率向量，δ为直接抽样的随机值；

S5、电网CPS对象状态转移建模过程中对象状态的转移结果表示如下：

在上述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，在步骤5中，

步骤5.1：电网CPS是一个具有多层结构的复杂耦合系统，各个层次之间相互耦合相互影响，且故障的传播本身具有层次特性，即某一故障事件对处于同一层内的实体产生直接影响后，其所在层内某个子系统或整个层次整体性能的改变又会对其它层次的实体产生影响；因此，电网CPS层次化模型中同一层的对象之间存在着水平关系特征，各层次之间也存在垂直关系特征；故借鉴DEVS层次化、模块化系统建模的思想，建立描述电网CPS层次化模型层内水平影响关系以及各层次垂直关系的层次关系模型如下：

C＝<X,Y,D,{I_i},Z>

其中，X为该层的外部输入事件集，Y为输出集，D为成员集，{I_i}表示受m_i影响的成员集合；Z描述了层次关系模型的输入输出与成员模型的连接关系以及成员模型间输入输出的连接关系；

步骤5.2：定义输入集结构，

x_i＝(event_i,l_i,m_i)，event_i为输入事件，l_i为输入事件event_i指向的层次，m_i为输入事件event_i指向的对象；

步骤5.3：定义输出集结构，

y_j＝(event_j,l_j,m_j)，event_j为输出事件，l_j为输出事件event_j指向的层次，m_j为输出事件event_j指向的对象；

步骤5.4：确定集合Z＝{Z_self,j,Z_i,self,Z_i,j}，Z_self,j:X_self→X_j为层次关系模型的外部输入与成员对象模型的关联关系的集合，Z_i,self:Y_i→Y_self为模型的外部输出与成员对象模型的关联关系的集合，Z_i,j:Y_i→X_j表示模型内节点成员i的输出到节点成员j的输入之间的关联关系的集合。

在上述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，所述步骤5.3中，y_j的生成过程如下：

1)基于外部输入事件确定该输入事件的影响对象m_i；

2)基于对象状态转移模型分析对象m_i在输入事件event_i作用下的状态转移情况，并基于层次关系模型生成最终的层次输出事件event_j；

3)确定event_j到达的层次l_j，并基于层间拓扑模型确定其到l_j层的关联对象m_j，最终生成y_j。

在上述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，所述步骤5.4中，对于层内邻接矩阵为A_n×n＝(a_ij)的层次L，假定其输入事件集为X，输出事件集为Y，则描述该层输入输出与成员模型连接关系的Z获取方法包括：

S1、采集数据A_n×n、L、X、Y，并定义集合Z＝{Z_self,j,Z_i,self,Z_i,j}；

S2、将i、j赋值为0；

S3、i加1，当i<＝n时，执行S4，否则执行S6；

S4、j加1，当j<＝n时，执行S5，否则执行S3；

S5、如果i≠j，且a_ij≠0，将Y_i→X_j加入集合Z_i,j，否则执行S4；

S6、将k赋值为|X|，将q赋值为|Y|，将i、j赋值为0；

S7、i加1，当i<k时，将

加入集合Z_self,j，重新执行S7，否则执行S8；

S8、j加1，当j<k时，将

加入集合Z_i,self，重新执行S8，否则执行S9；

S9、输出Z。

因此，本发明的优点有：1)采用面向对象的建模方法，使得当模型用于问题分析时，可根据实际问题在任意层次上约减系统模型，极大降低评估算法的复杂性；2)分层建模易于理清和描述电网信息物理系统中各种不安全因素的影响机理与故障传播机理；3)电网CPS层次化模型有效地克服了现有融合模型中普遍存在普适性差等缺陷，可用于电网信息物理系统中跨层次和跨空间故障传播分析、可靠性与风险评估、电网CPS态势预测等多个方面。

附图说明

图1是面向对象的电网CPS层次化建模方法流程示意图。

图2是电网CPS模型层次结构图。

图3是电网CPS对象状态转移分析流程图。

具体实施方案

下面结合附图，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而非用来限制本发明的范围及其应用方法。

一、首先介绍下本发明的方法原理。

一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，具体步骤如下：

步骤1：基于电网CPS的结构特性分析，确定电网CPS模型的层次结构；

步骤2：将电网CPS中的研究对象定义为节点与连接边，建立电网CPS对象模型；

步骤3：考虑电网CPS各层次节点特性与链路特性的不同，对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS拓扑建模；

步骤4：对马尔科夫模型进行了改进，建立电网CPS对象状态转移模型，以描述电网CPS中对象的状态转移过程；

步骤5：参考DEVS模块化、层次化系统建模的思想，建立电网CPS层次关系模型。

所述步骤1中，考虑电网信息物理系统的结构特性，将电网CPS分为五层，从上到下依次为：物理系统层、信息业务层、信息系统层、网络层(IP层)和通信子网层，各层由独立的内部结构和输入输出接口等模块组成，自底向上提供服务，最终作用于物理系统层。各层次定义如下：

(1)物理系统层：电力一次系统层，覆盖电网CPS物理环境下发电、输电、配电、用电等各个环节。该层内的实体主要包括发电机、输电线路、变压器以及用电负荷等电力一次设备，该层各物理实体之间通过电气侧的电气连接紧密耦合。物理系统层与信息业务层通过测量和控制指令执行过程产生关联，与信息系统层通过业务层的各类信息业务关联实现交互。

(2)信息业务层：电网CPS中信息空间与物理空间的交互媒介，是电网CPS层次模型的关键中枢。电力系统中的信息业务包括生产控制大区中的测控等业务和管理信息大区中的电力企业管理业务，不同的信息业务实现不同的功能，从而协调电力系统的整体运行。信息业务层包括电力系统的各类信息业务，其中生产控制大区中的测控等业务实现电网CPS信息空间与物理空间的交互，信息系统通过不同的测控等业务实现对物理电网的感知与控制。信息业务层是一个逻辑层次，节点对象为电力测控业务，层内拓扑为电力业务之间的关联关系。一个测控业务的最小对象为一类业务报文从源应用到目标应用的一个通信业务流，包括源站和目标站上协议栈及报文通信过程。

(3)信息系统层：电力CPS中实现对电力系统物理设备运行状态的数据采集与测量、监视与控制的信息设备以及信息设备间通信链路的集合，其中信息设备主要包括监控主机、调度主机、工作站、各种智能电子设备等电力系统二次设备。该层以信息设备为节点对象进行建模，各节点间的通信链路非实际物理链路，而是基于通信子网层与网络层实现的各信息设备间的逻辑通信链路。

(4)网络层：电网CPS中通过IP寻址和路由选择实现两个端点之间数据传输的通信网络。网络层的任务是沿信息系统层两个信息设备间的最佳路由传输数据，即实现信息系统层两个端点之间的逻辑通信。该层的网络设备主要是路由器，广域网情况下通常两个路由器间的通信需要底层通信子网层的支撑，即两个路由器间的连接可能是物理链路、也可能是底层的通信子网层抽象而成的逻辑链路。

(5)通信子网层：该层由计算机网络体系结构的数据链路层和物理层设备与链路构成，实现电网CPS中网络层之下的通信服务，包括通信设备、传输介质、低层通信协议等。通信子网层的通信设备主要是交换机，如以太网交换机和光交换机，传输介质可以是双绞线、光纤、无线信道等多种方式。目前智能电网的广域通信广泛采用SDH技术，局域网通信通常采用以太网技术，这两类技术涉及的通信设备、传输介质和协议均属于本模型的通信子网层。

所述步骤2中，将电网CPS层次化模型的研究对象确定为节点与连接边。节点是对电网CPS所涉及的各种部件单元进行抽象，连接边是各节点对象间的关联链路，分为物理链路与逻辑链路。电网CPS对象模型Object的形式化定义如下：

Object＝(Attribute,Name,L,S)

其中，Attribute为对象属性，Attribute＝node表示该对象为节点对象，Attribute＝edge表示该对象为连接边对象；Name为对象名称；L为该对象所属层次，

为电网CPS模型层次集合；S为该对象当前的状态。

所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：采用邻接矩阵的方法，进行层内拓扑建模，描述层内各节点之间的物理连接关系或逻辑关联关系。对包含n节点(V＝{v₁,v₂,…,v_n})的层内拓扑进行建模，其n×n阶邻接矩阵A的结构定义如下：

邻接矩阵A中每一个元素代表该层内由其所在行的顶点到其所在列的顶点是否相关，且邻接矩阵A具有以下性质：

性质1：当i＝j时，a_ij为层内节点对象Node_i；

性质2：当i≠j时，a_ij表示层内节点v_i与v_j之间的关联关系。a_ij＝0表示v_i与v_j无关联；a_ij＝k，k∈(0,1]时，k为v_i与v_j的关联系数，k越大，关联性越强。

步骤3.2：通过分析电网CPS模型各层次对象间的关联特性，对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS层间拓扑建模。假设涉及层间拓扑建模的两个层次分别用G_x、G_y表示，G_x＝(V_x,E_x)，其中，V_x＝{v_x1,v_x2,…,v_xn}为G_x的节点集，E＝{e_x1,e_x2,…,e_xk}为G_x连接边集合；G_y＝(V_y,E_y)，其中，V_y＝{v_y1,v_y2,…,v_yn}为G_y节点集，E＝{e_y1,e_y2,…,e_yk}为G_y连接边集合。对于G_x、G_y中的链路与节点，定义以下三种关联关系：

I.节点与节点间的关联关系，其邻接矩阵R_v-v的结构定义如下：

其中，R(v_xi,v_yj)表示G_x的节点v_xi与G_y的节点v_yj之间的关联关系，R(v_xi,v_yj)＝0表示节点v_xi与节点v_yj无关联，R(v_xi,v_yj)＝k，k∈(0,1]表示节点v_xi与节点v_yj存在关联关系，关联系数为k。

II.节点与链路间的关联关系，其邻接矩阵R_v-e的结构定义如下：

其中，R(v_xi,e_yj)表示G_x的节点v_xi与G_y的边e_yj间的关联关系，R(v_xi,e_yj)＝0表示节点v_xi与边e_yj无关联，R(v_i,w_j)＝k，k∈(0,1]表示节点v_xi与边e_yj存在关联关系，关联系数为k。

III.链路与链路间的关联关系，其邻接矩阵R_e-e的结构定义如下：

其中，R(e_xi,e_yj)表示G_x的边e_xi与G_y的边e_yj间的关联关系，R(e_i,f_j)＝0表示边e_xi与边e_yj无关联关系，R(e_i,f_j)＝k，k∈(0,1]表示边e_xi与边e_yj存在关联关系，关联系数为k。

所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：电网CPS系统模式的变化通常由系统中所发生的事件(event)来驱动，混杂的电网信息物理系统中事件一般分为两类：第一类是确定性事件，即由于老化、腐蚀、磨损等因素导致的持续影响，是连续且随着时间推进自然发生的；另一类是外部随机事件，如网络攻击等，是离散的。因此参考DEVS原子模型的思想，建立电网CPS对象状态转移模型M：

M＝<S,X,Y,F,P>

其中，S为对象状态集，对于任意状态s，s∈S；X为外部输入事件集，例如网络恶意攻击等；Y是输出集；F(F:S→S)为状态转移函数，如果t₁时刻对象状态为s₁，无外部输入事件到达时，每单位时间后，对象会在自然状态下转移至状态s₂＝F(s₁)，若有外部事件x∈X到达，对象会在事件x作用下转移至s₃＝F(s₁,x)，状态s₂与s₃可能与s₁相同，也有可能不同，即对象可能发生状态转移，也可能没有发生状态转移；P(P:S→Y)为输出函数，当对象发生状态转移时，通过输出函数生成输出事件y＝P(s₁,s₂|s₃)，对象的输出事件作为其关联对象的外部输入事件，可能会影响其关联对象的状态转移。

步骤4.2：电网CPS中对象的状态转移有两个特点：一是无外部随机事件发生时，电网CPS中某对象未来的状态只受当前状态的影响，不依赖于它过去的状态，即对象在时刻t的状态只与该对象在t-1时刻的状态相关，且此时对象状态转移概率具有平稳性；二是电网CPS中对象的状态转移与多种外部随机输入事件有关。基于上述两个特点，确定电网CPS中对象的状态空间S＝{S₁,S₂,…,S_n}，即对象的状态可能在确定性事件或外部随机事件作用下，在n状态间发生转移；并定义自然状态下以及外部事件x作用下，对象的状态转移概率矩阵。

自然状态下，即无外部随机事件输入时，经过时间片段Δt，对象的状态转移概率矩阵为P(Δt)，其中

外部事件x作用下，对象的状态转移概率矩阵P(x)，其中

步骤4.3：定义行向量

为t_i时刻电网CPS中某对象的实际状态分布：

则t_i时刻，对象的状态分布概率为：

步骤4.4：采用直接抽样方法确定对象状态，实现状态转移函数F；

电网CPS中对象的状态分布属于离散型分布，随机变量S所有可能取值为s_k(k＝1,2,…,n)，S取各个可能值的概率，即事件{S＝s_k}的概率为：

P{S＝s_k}＝p_k，k＝1,2,…,n

对于离散型分布，采用直接抽样法确定对象状态：

D:S_F＝s_I，当

其中，S_F表示最终抽样结果，δ表示随机数。

则对象状态转移模型中状态转移函数F表示如下：

其中，s(t_i)为采用直接抽样方法最终确定的对象状态，

为t_i时刻对象的状态分布概率向量，δ为直接抽样的随机值。

步骤4.5：分析电网CPS对象状态转移建模过程中对象状态的转移结果：

式中，s(t_i)可作为预测模型，即给出当前时刻的状态S后，在无外部事件输入的情况下，可在当前时刻获得未来T个时间片段的对象状态序列。

所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：电网CPS是一个具有多层结构的复杂耦合系统，各个层次之间相互耦合相互影响，且故障的传播本身具有层次特性，即某一故障事件对处于同一层内的实体产生直接影响后，其所在层内某个子系统或整个层次整体性能的改变又会对其它层次的实体产生影响。因此，电网CPS层次化模型中同一层的对象之间存在着水平关系特征，各层次之间也存在垂直关系特征。故借鉴DEVS层次化、模块化系统建模的思想，建立描述电网CPS层次化模型层内水平影响关系以及各层次垂直关系的层次关系模型如下：

C＝<X,Y,D,{I_i},Z>

其中，X为该层的外部输入事件集，Y为输出集，D为成员集，{I_i}表示受m_i影响的成员集合；Z描述了层次关系模型的输入输出与成员模型的连接关系以及成员模型间输入输出的连接关系；

步骤5.2：定义输入集结构，

x_i＝(event_i,l_i,m_i)，event_i为输入事件，l_i为输入事件event_i指向的层次，m_i为输入事件event_i指向的对象；

步骤5.3：定义输出集结构，

y_j＝(event_j,l_j,m_j)，event_j为输出事件，l_j为输出事件event_j指向的层次，m_j为输出事件event_j指向的对象；

步骤5.4：确定集合Z＝{Z_self,j,Z_i,self,Z_i,j}，Z_self,j:X_self→X_j为层次关系模型的外部输入与成员对象模型的关联关系，Z_i,self:Y_i→Y_self为模型的外部输出与成员对象模型的关联关系，Z_i,j:Y_i→X_j表示模型内节点成员i的输出到节点成员j的输入之间的关联关系。

所述步骤5.3中，y_j的生成过程如下：

1)基于外部输入事件确定该输入事件的影响对象m_i；

2)基于对象状态转移模型分析对象m_i在输入事件event_i作用下的状态转移情况，并基于层次关系模型生成最终的层次输出事件event_j；

3)确定event_j到达的层次l_j，并基于层间拓扑模型确定其到l_j层的关联对象m_j，最终生成y_j。

所述步骤5.4中，Z可由以下算法得到：

二、按照附图1所示电网CPS层次化建模流程叙述如下：

第一步：考虑电网信息物理系统的结构特性，建立如图2所示的基于物理系统层、信息业务层、信息系统层、网络层和通信子网层的层次结构；

第二步：分析电网CPS层次化模型中各层节点的属性特征、空间特征以及行为特征，参考表1确定各层的节点对象。

表1电网CPS模型各层次节点对象

电网CPS层次模型	节点对象
		物理系统层	电网一次系统设备
信息业务层	信息业务流
		信息系统层	信息设备
网络层	IP路由器
		通信子网层	数据链路层及以下交换机

第三步：进行电网CPS拓扑建模。

1、提取电网CPS层次化模型各层内节点的拓扑关联关系，建立层内拓扑集合T＝{T_P,T_C,T_I,T_N,T_S}，并分别将每一层的拓扑结构表示为带权有向图G＝(V,E)。其中，V＝{v₁,v₂,…,v_n}为节点集，E＝{e_ij}为连接边集合。进一步将带权有向图G等价转化为N×N阶的邻接矩阵A＝(a_ij)，

否则a_ij＝0。

2、提取电网CPS模型各层次间对象的拓扑关联关系，建立层间拓扑集合R＝{T_P-C,T_C-I,T_I-N,T_N-S}。然后，基于步骤3.2所述方法表示层次化模型的层间拓扑结构。其中，物理系统层与信息业务层层间拓扑为T_P-C＝{R_Pv-Cv}，信息业务层与信息系统层层间拓扑为T_C-I＝{R_Cv-Iv,R_Cv-Ie}，信息系统层与网络层层间拓扑为T_I-N＝{R_Ie-Nv,R_Ie-Ne}，网络层与通信子网层层间拓扑为T_N-S＝{R_Ne-Sv,R_Ne-Se}。

第三步：建立电网CPS对象状态转移模型，按照图3所示步骤分析对象的状态转移情况。

1、根据电网CPS的运行原理，确定系统对象状态空间，本示例将电网CPS中对象的状态划分为安全(safe)、风险(risk)、失效(failure)三种，即电网CPS中对象模型的三状态空间为S＝{safe,risk,failure}。

2、总结电网CPS中各类随机事件，并确定各类随机事件下对象的状态转移概率以及确定性时间事件作用下对象的状态转移概率。

3、基于对象模型的三状态空间，对电网CPS各对象进行状态初始化，假定在第n个时间片段时，有外部输入事件x到达，此时，该对象在x作用下的状态分布概率为：

式中：

为该对象初始状态分布概率矩阵；n为从开始到发生网络攻击经过的时间片段；P(Δt)、P(x)分别为确定性时间事件下以及外部输入事件x作用下该对象的状态转移概率矩阵。

4、采用直接抽样的方法确定此时对象的状态：

其中，s(t)为采用直接抽样方法最终确定的对象状态，

为此时对象的状态分布概率向量，δ为直接抽样的随机值。

5、若对象状态发生转移，则生成外部输出事件：

y＝P(s(t),s(t-1))

第五步：建立电网CPS层次关系模型，分析电网CPS各层次间的影响关系。

1、基于算法1与电网CPS拓扑结构，确定电网CPS中各层次关系模型的Z＝{Z_self,j,Z_i,self,Z_i,j}，以描述成员模型间输入输出的关联关系，以及整个模型的输入输出与其成员模型的关联关系。

2、当无外部输入事件时，随着时间的推进，基于对象状态转移模型分析模型内各对象的状态转移及输出情况；有外部输入事件到达时，基于事件集X与对象状态转移模型分析输入事件指向对象的状态转移及输出情况。

3、若有对象发生状态转移并生成输出事件时，基于{Z_i,j}确定该输出影响的对象，进一步基于层次关系模型与对象状态转移模型分析该层次中其他对象的状态转移情况，最终生成层次输出集Y。

4、基于层次输出集Y，确定输出事件event到达的层次l及对象m，然后转至步骤1，分析集合Y对层次l的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：考虑电网信息物理系统的结构特性，将电网CPS分为五层，从上到下依次为：物理系统层、信息业务层、信息系统层、网络层和通信子网层，各层由独立的内部结构和输入输出接口模块组成，自底向上提供服务，最终作用于物理系统层；

步骤2：将电网CPS层次化模型的研究对象确定为节点与连接边，建立对象模型Object；节点对象是对电网CPS所涉及的各种部件单元进行抽象，连接边是各节点对象间的关联链路，分为物理链路与逻辑链路，电网CPS对象模型Object的形式化定义如下：

Object＝(Attribute,Name,L,S) 式一

其中，Attribute为对象属性，Attribute＝node表示该对象为节点对象，Attribute＝edge表示该对象为连接边对象；Name为对象名称；L为该对象所属层次，

为电网CPS模型层次集合；S为该对象当前的状态；

步骤3：考虑电网CPS各层次节点特性与链路特性的不同，对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS拓扑建模；

步骤4：对马尔科夫模型进行了改进，建立电网CPS对象状态转移模型，以描述电网CPS中对象的状态转移过程；

步骤5：参考DEVS模块化、层次化系统建模的思想，建立电网CPS层次关系模型。

2.根据权利要求1所述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于：所述步骤1中，五层电网CPS具体包括：

物理系统层：电力一次系统层，覆盖电网CPS物理环境下发电、输电、配电、用电各个环节，该层内的实体主要包括发电机、输电线路、变压器以及用电负荷电力一次设备，各物理实体之间通过电气侧的电气连接紧密耦合；物理系统层与信息业务层通过测量和控制指令执行过程产生关联，与信息系统层通过业务层的各类信息业务关联实现交互；

信息业务层：电网CPS中信息空间与物理空间的交互媒介，是电网CPS层次模型的关键中枢；电力系统中不同的信息业务实现不同的功能，从而协调电力系统的整体运行；信息业务层包括电力系统的各类信息业务，其中生产控制大区中的测控业务实现电网CPS信息空间与物理空间的交互，信息系统通过不同的测控业务实现对物理电网的感知与控制；信息业务层是一个逻辑层次，节点对象为电力测控业务，层内拓扑为电力业务之间的关联关系，故；一个测控业务的最小对象为一类业务报文从源应用到目标应用的一个通信业务流，包括源站和目标站上协议栈及报文通信过程；

信息系统层：信息系统层是电网CPS中信息设备以及信息设备间通信链路的集合，其中信息设备主要包括监控主机、调度主机、工作站、各种智能电子设备电力系统二次设备，实现了对电力一次设备的数据采集与测量、监视与控制；该层以信息设备为节点对象进行建模，各节点间的通信链路非实际物理链路，而是基于通信子网层与网络层实现的各信息设备间的逻辑通信链路；

网络层：电网CPS中通过IP寻址和路由选择实现两个端点之间数据传输的通信网络；网络层的任务是沿信息系统层两个信息设备间的最佳路由传输数据，即实现信息系统层两个端点之间的逻辑通信；该层的网络设备主要是路由器，广域网情况下通常两个路由器间的通信需要底层通信子网层的支撑，即两个路由器间的连接可能是物理链路、也可能是底层的通信子网层抽象而成的逻辑链路；

通信子网层：该层由计算机网络体系结构的数据链路层和物理层设备与链路构成，实现电网CPS中网络层之下的通信服务，包括通信设备、传输介质、低层通信协议；通信子网层的通信设备是交换机传输介质可以是双绞线、光纤、无线信道多种方式；目前智能电网的广域通信广泛采用SDH技术，局域网通信通常采用以太网技术，这两类技术涉及的通信设备、传输介质和协议均属于本模型的通信子网层。

3.根据权利要求2所述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于：在步骤3中，

步骤3.1：采用邻接矩阵的方法，进行层内拓扑建模，描述层内各节点之间的物理连接关系或逻辑关联关系；对包含n节点V＝{v₁,v₂,…,v_n}的层内拓扑进行建模，其n×n阶邻接矩阵A的结构定义如下：

邻接矩阵A中每一个元素代表该层内由其所在行的顶点到其所在列的顶点是否相关，且邻接矩阵A具有以下性质：

性质1：当i＝j时，a_ij为层内节点对象Node_i；

性质2：当i≠j时，a_ij表示层内节点v_i与v_j之间的关联度；a_ij＝0表示v_i与v_j无关联；a_ij＝k，k∈(0,1]时，k为v_i与v_j的关联系数，k越大，关联性越强；

步骤3.2：通过分析电网CPS模型各层次对象间的关联特性，对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS层间拓扑建模；假设涉及层间拓扑建模的两个层次分别用G_x、G_y表示，G_x＝(V_x,E_x)，其中，V_x＝{v_x1,v_x2,…,v_xn}为G_x的节点集，E_x＝{e_x1,e_x2,...,e_xk}为G_x连接边集合；G_y＝(V_y,E_y)，其中，V_y＝{v_y1,v_y2,…,v_yn}为G_y节点集，E_y＝{e_y1,e_y2,...,e_yl}为G_y连接边集合；对于G_x、G_y中的链路与节点，定义以下三种关联关系：

I.节点与节点间的关联关系，其邻接矩阵R_v-v的结构定义如下：

其中，R(v_xi,v_yj)表示G_x的节点v_xi与G_y的节点v_yj间的关联度，R(v_xi,v_yj)＝0表示节点v_xi与节点v_yj无关联，R(v_xi,v_yj)＝k，k∈(0,1]表示节点v_xi与节点v_yj存在关联关系，关联系数为k；

II.节点与链路间的关联关系，其邻接矩阵R_v-e的结构定义如下：

其中，R(v_xi,e_yj)表示G_x的节点v_xi与G_y的边e_yj间的关联度，R(v_xi,e_yj)＝0表示节点v_xi与边e_yj无关联，R(v_xi,e_yj)＝k，k∈(0,1]表示节点v_xi与边e_yj存在关联关系，关联系数为k；

III.链路与链路间的关联关系，其邻接矩阵R_e-e的结构定义如下：

其中，R(e_xi,e_yj)表示G_x的边e_xi与G_y的边e_yj间的关联度，R(e_xi,e_yj)＝0表示边e_xi与边e_yj无关联关系，R(e_xi,e_yj)＝k，k∈(0,1]表示边e_xi与边e_yj存在关联关系，关联系数为k。

4.根据权利要求3所述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于：在步骤3中，提出了电网CPS的拓扑建模方法，电网CPS拓扑建模步骤如下：

S1、提取电网CPS各层内节点的拓扑关联关系，建立层内拓扑集合：

T＝{T_P,T_C,T_I,T_N,T_S} 式六

其中，T_P、T_C、T_I、T_N、T_S分别为物理系统层、信息业务层、信息系统层、网络层和通信子网层的拓扑结构；

S2、提取各层内节点的关联度，分别将各层的拓扑结构表示为带权有向图G＝(V,E)，其中，V＝{v₁,v₂,…,v_n}为节点集，E＝{e_ij}为连接边集合；

S3、基于步骤3.1将带权有向图G等价转化为N×N阶的邻接矩阵A＝(a_ij)；

S4、提取模型各层次间对象的拓扑关联关系，建立层间拓扑集合：

R＝{T_P-C,T_C-I,T_I-N,T_N-S} 式七

其中，T_P-C、T_C-I、T_I-N、T_N-S分别为物理系统层与信息业务层层间拓扑、信息业务层与信息系统层层间拓扑、信息系统层与网络层层间拓扑、网络层与通信子网层层间拓扑；

S5、提取各对象间的关联度，基于3.2将层次化模型的层间拓扑表示如下：

T_P-C＝{R_Pv-Cv} 式八

T_C-I＝{R_Cv-Iv,R_Cv-Ie}

T_I-N＝{R_Ie-Nv,R_Ie-Ne}

T_N-S＝{R_Ne-Sv,R_Ne-Se}

其中，R_Pv-Cv为物理系统层节点与信息业务层节点间拓扑，R_Cv-Iv信息业务层节点与信息系统层节点间拓扑，R_Cv-Ie信息业务层节点与信息系统层链路间拓扑，R_Ie-Nv信息系统层链路与网络层节点间拓扑，R_Ie-Ne信息系统层链路与网络层链路间拓扑，R_Ne-Sv网络层链路与通信子网层节点间拓扑，R_Ne-Se网络层链路与通信子网层链路间拓扑。

5.根据权利要求4所述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于：在步骤4中，建立了电网CPS对象状态转移模型M＝<S,X,Y,F,P>，对象状态转移分析步骤如下：

S1、确定自然状态下，即无外部随机事件输入时，经过时间片段Δt，对象的状态转移概率矩阵为P(Δt)；

S2、确定外部事件x作用下，对象的状态转移概率矩阵P(x)；

S3、定义t_i-1时刻电网CPS中某对象的实际状态分布为行向量

则t_i时刻，对象的状态分布概率计算公式如下：

S4、采用直接抽样方法确定对象状态，则状态转移函数表示如下：

其中，s(t_i)为采用直接抽样方法最终确定的对象状态，

为t_i时刻对象的状态分布概率向量，δ为直接抽样的随机值；

S5、电网CPS对象状态转移建模过程中对象状态的转移结果表示如下：

6.根据权利要求5所述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于：在步骤5中，

步骤5.1：电网CPS是一个具有多层结构的复杂耦合系统，各个层次之间相互耦合相互影响，且故障的传播本身具有层次特性，即某一故障事件对处于同一层内的实体产生直接影响后，其所在层内某个子系统或整个层次整体性能的改变又会对其它层次的实体产生影响；因此，电网CPS层次化模型中同一层的对象之间存在着水平关系特征，各层次之间也存在垂直关系特征；故借鉴DEVS层次化、模块化系统建模的思想，建立描述电网CPS层次化模型层内水平影响关系以及各层次垂直关系的层次关系模型如下：

C＝<X,Y,D,{I_i},Z>

其中，X为该层的外部输入事件集，Y为输出集，D为成员集，{I_i}表示受m_i影响的成员集合；Z描述了层次关系模型的输入输出与成员模型的连接关系以及成员模型间输入输出的连接关系；

步骤5.2：定义输入集结构，

x_i＝(event_i,l_i,m_i)，event_i为输入事件，l_i为输入事件event_i指向的层次，m_i为输入事件event_i指向的对象；

步骤5.3：定义输出集结构，

y_j＝(event_j,l_j,m_j)，event_j为输出事件，l_j为输出事件event_j指向的层次，m_j为输出事件event_j指向的对象；

步骤5.4：确定集合Z＝{Z_self,j,Z_i,self,Z_i,j}，Z_self,j:X_self→X_j为层次关系模型的外部输入与成员对象模型的关联关系的集合，Z_i,self:Y_i→Y_self为模型的外部输出与成员对象模型的关联关系的集合，Z_i,j:Y_i→X_j表示模型内节点成员i的输出到节点成员j的输入之间的关联关系的集合。

7.根据权利要求6所述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于：所述步骤5.3中，y_j的生成过程如下：

1)基于外部输入事件确定该输入事件的影响对象m_i；

2)基于对象状态转移模型分析对象m_i在输入事件event_i作用下的状态转移情况，并基于层次关系模型生成最终的层次输出事件event_j；

3)确定event_j到达的层次l_j，并基于层间拓扑模型确定其到l_j层的关联对象m_j，最终生成y_j。

8.根据权利要求7所述一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，其特征在于：所述步骤5.4中，对于层内邻接矩阵为A_n×n＝(a_ij)的层次L，假定其输入事件集为X，输出事件集为Y，则描述该层输入输出与成员模型连接关系的Z获取方法包括：

S1、采集数据A_n×n、L、X、Y，并定义集合Z＝{Z_self,j,Z_i,self,Z_i,j}；

S2、将i、j赋值为0；

S3、i加1，当i<＝n时，执行S4，否则执行S6；

S4、j加1，当j<＝n时，执行S5，否则执行S3；

S5、如果i≠j，且a_ij≠0，将Y_i→X_j加入集合Z_i,j，否则执行S4；

S6、将k赋值为|X|，将q赋值为|Y|，将i、j赋值为0；

S7、i加1，当i<k时，将X_self→X_xi[2]加入集合Z_self,j，重新执行S7，否则执行S8；

S8、j加1，当j<k时，将

加入集合Z_i,self，重新执行S8，否则执行S9；

S9、输出Z。

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