CN110391935A - 计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法及系统 - Google Patents

计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法及系统，其方法包括考虑信息扰动影响，建立量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系，同时基于电力信息物理耦合特性建立电力控制中心侧获取量测与电力节点关联关系，定义支路量测度、节点量测度和综合量测度，建立计及信息物理耦合特性和信息扰动的电网量测度评估体系，以反映计及网络攻击威胁的电力系统状态可观程度，为量测系统的规划设计及优化防护提供技术指导。本发明实现计及信息物理耦合特性和信息扰动的电力系统状态可观程度的评估，为量测系统的薄弱环节发现及再优化提供技术思路。

Description

计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法及系统
技术领域
本发明涉及电力自动化技术领域，具体涉及一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法及系统。
背景技术
随着智能电网的发展，电网已然是由信息通信系统和物理电力系统深度耦合的系统。信息通信技术的渗透一方面提升了电网运行的信息化和智能化，另一方面带来了信息系统安全的隐患，可能会使智能电网的安全经济运行遭受威胁。新一代电力系统的潜在安全问题已不再是孤立的物理电网安全问题，还存在着信息安全因素，且二者的界限越来越模糊。物理安全与信息安全融合，形成新的安全问题，即电力信息物理安全问题。
近年来，这样的安全问题时有发生，如2011年伊朗布什尔核电站遭“震网”攻击致大量离心机报废、2015年乌克兰一家电力公司的办公计算机和SCADA(SupervisoryControl and Data Acquisition)系统遭遇第三方非法入侵而引起大面积停电。攻击者针对信息通信网络的缺陷、漏洞和故障等发起网络攻击，不受天气、地理和时间等因素的影响，而且通常具有一定的隐蔽性、传播性。随着信息通信技术在电力系统中的高度渗透，实际电力系统中的信息采集环节、信息传输环节、智能控制环节、电网和用户互动环节等各个方面均有可能受到网络攻击的威胁。
电力信息物理安全问题已引起各界的关注。电力系统状态估计(StateEstimation,SE)一直是电力系统能量管理系统(Energy Management System,EMS)的核心模块，也是近年来逐渐热门的智能电网态势感知系统“理解”和“预测”的重要基础，其状态估计结果的可靠性对EMS中各高级应用模块有着重大影响。状态估计能否顺利有赖于电力系统状态的可观度。在网络攻击威胁下，如何评估电力系统状态可观度有待于深入研究。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的不足，提出一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，实现网络攻击威胁下电力系统量测度评估。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，其特征是，包括以下步骤：
根据电力信息物理耦合特性，获取量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型；
在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型；
根据量测信息传输网络正常运行下的量测信息传输网络模型和各信息扰动下的量测信息传输网络修正模型，获取量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系；
根据映射关系获取量测信息终端的量测信息，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度；
根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度。
进一步的，量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型为
量测信息传输网络模型是由信息节点和信息有向传输支路组成的有向网络拓扑图；假定有N个信息节点，Mb条信息有向传输支路，则量测信息传输网络模型可由信息节点-信息有向传输支路关联矩阵A表示，为N×Mb维矩阵，矩阵中元素ai,j取值及意义如下：
进一步的，在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型的具体过程如下：
21)信道开断扰动下，对量测信息传输网络模型进行修正：
若信息有向传输支路j发生信道开断事故，则量测信息传输网络模型A中第j列向量Aj中的非零元素全都修正为0，如下：
Aj＝[0 … 0 -1 0 … 0 1 0 … 0]T→
A′j＝[0 … 0 0 0 … 0 0 0 … 0]T
量测信息传输网络模型A中其余列向量不发生变化，则信道开断扰动下量测信息传输网络修正模型B为：
若该开断信道为一些量测的必经信息有向传输支路，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量作如上修正，即列向量中非零元素全都修正为0；如：信息节点1为信息源端节点，其与信息有向传输支路1直接相连且其输入的量测信息必经信息有向传输支路j，则量测信息传输网络修正模型B为：
22)信息传输错误扰动下，量测信息传输网络的拓扑结构未发生变化，所以无需对量测信息传输网络模型进行修正，即信息传输错误扰动下量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同，即：
B＝A
23)信息节点无法与外界通信扰动下，若存在一些量测信息必经该信息节点转发，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量中非零元素全都修正为0，若信息节点不是任何量测的必经信息节点，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同。
进一步的，量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系为：
31)定义映射函数Q和Φ，计算如下：
假设有量测信息的信息源端节点共M个，它们分别为信息节点i1…iM，则Φ为：
Φ＝diag(diag(Q,0))
此处Φ＝diag(diag(Q,0))表示一个对角矩阵，即指除了主对角线外的元素均为零的方阵，为N×N维；diag(Q,0)表示由Q的主对角线元素构成的列向量。
进一步的，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度的过程为：
41)获取量测信息终端输出的模拟量测信息：
架设有量测信息的M个信息源端节点i1…ij…iM，假设量测信息源端节点ij(1≤j≤M)处输出的量测为一量测向量meal为第l个量测，w为量测总数。此量测向量由个模拟量测和个开关量测组成，为信息源端节点ij输出的模拟量测数，为信息源端节点ij输出的开关量测数，且
定义各量测与量测信息源端节点的关联矩阵D，为w×M维矩阵，其元素定义如下：
关联矩阵D可表述为由M·w个行向量组成，即根据电力系统状态估计方程，其所用量测信息为模拟量测信息，故从关联矩阵D中提取模拟量测与量测信息源端节点的关联矩阵Da，为维矩阵，由关联矩阵D中模拟量测对应的行向量组成；
量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量与信息源端节点ij的模拟量测的数量的映射关系如下：
此处Φ(ij,ij)为映射函数Φ第ij行第ij列的元素；为信息源端节点ij的模拟量测数量；为量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量；为关联矩阵Da中元素；
电力控制中心侧输出的模拟量测总数计算如下：
42)对于步骤31)中所述有量测信息的M个信息源端节点i1…iM，基于信息物理耦合特性，建立其与电力节点的关联矩阵V，为M×m维矩阵，m为电力节点的数量，其元素定义如下：
定义电力控制中心侧所获取模拟量测与电力节点的关联矩阵C，计算如下：
矩阵C中元素cf,k意义如下：
其中，CL为nL×m维支路量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量CI为nI×m节点量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量nL为支路量测总数，nI为节点量测总数，且nL+nI＝Nout；支路量测包括与电力线路相关的功率量测、电流量测等，节点量测包括与电力母线相关的注入功率量测、电压量测等；
43)定义电力节点k的支路量测度SLk，节点量测度SIk，综合量测度SMk，计算如下：
当计算完所有电力节点的支路量测度SL、节点量测度SI及综合量测度SM后，形成量测度-电力节点的二维查询表。
进一步的，根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度的过程为：
44)对各电力节点的综合量测度进行评估分类
若SMk＝0，则放入集合F1＝{k|SMk＝0}；若SMk>0，则放入集合F2＝{k|SMk＞0}。集合F1和F2中元素均为电力节点编号；
采用启发式逻辑方法对集合F1中的各电力节点进行量测度评估，评估过程遵循以下三个原则：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh的电力节点h侧有支路量测时，将节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh无量测，但节点h有注入量测即SIh≥1时，将电力节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点h一次相邻的电力节点中有SMh＝1者，且SIh＝1，则通过电力节点h继续向二次相邻的电力节点q按以上三个原则继续搜索，若SIh＝0则停止搜索。
若按以上三个原则搜索不到可借用的量测度，则停止搜索，继续集合F1中下一个电力节点的搜索，直到集合F1中所有电力节点的搜索结束；
45)基于步骤44)中的搜索，更新量测度-电力节点二维查询表；查询表中是否存在SMk＝0的电力节点k，若存在，则判定电力节点k不可观，若不存在，则系统全局可观；
46)定义电力系统量测度为S，以评估计及电力信息物理耦合特性和考虑信息扰动影响下电力系统状态的可观程度，计算如下：
S＝min(SM1,…,SMm)
当S为0时，说明此时电力系统存在不可观节点。
相应的，本发明还提供了一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估系统，其特征是，包括量测信息传输网络模型获取模块、量测信息传输网络修正模型获取模块、映射关系获取模块、电力节点量测度计算模块和电力系统量测度计算模块；
量测信息传输网络模型获取模块，用于根据电力信息物理耦合特性，获取量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型；
量测信息传输网络修正模型获取模块，用于在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型；
映射关系获取模块，用于根据量测信息传输网络正常运行下的量测信息传输网络模型和各信息扰动下的量测信息传输网络修正模型，获取量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系；
电力节点量测度计算模块，用于根据映射关系获取量测信息终端的量测信息，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度；
电力系统量测度计算模块，用于根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度。
进一步的，量测信息传输网络修正模型获取模块中，在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型的具体过程如下：
21)信道开断扰动下，对量测信息传输网络模型进行修正：
若信息有向传输支路j发生信道开断事故，则量测信息传输网络模型A中第j列向量Aj中的非零元素全都修正为0，如下：
Aj＝[0 … 0 -1 0 … 0 1 0 … 0]T→
A′j＝[0 … 0 0 0 … 0 0 0 … 0]T
量测信息传输网络模型A中其余列向量不发生变化，则信道开断扰动下量测信息传输网络修正模型B为：
若该开断信道为一些量测的必经信息有向传输支路，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量作如上修正，即列向量中非零元素全都修正为0；如：信息节点1为信息源端节点，其与信息有向传输支路1直接相连且其输入的量测信息必经信息有向传输支路j，则量测信息传输网络修正模型B为：
22)信息传输错误扰动下，量测信息传输网络的拓扑结构未发生变化，所以无需对量测信息传输网络模型进行修正，即信息传输错误扰动下量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同，即：
B＝A
23)信息节点无法与外界通信扰动下，若存在一些量测信息必经该信息节点转发，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量中非零元素全都修正为0，若信息节点不是任何量测的必经信息节点，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同。
进一步的，电力节点量测度计算模块中，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度的过程为：
41)获取量测信息终端输出的模拟量测信息：
有量测信息的M个信息源端节点i1…ij…iM，假设量测信息源端节点ij(1≤j≤M)处输出的量测为一量测向量meal为第l个量测，w为量测总数。此量测向量由个模拟量测和个开关量测组成，为信息源端节点ij输出的模拟量测数，为信息源端节点ij输出的开关量测数，且
定义各量测与量测信息源端节点的关联矩阵D，为w×M维矩阵，其元素定义如下：
关联矩阵D可表述为由M·w个行向量组成，即根据电力系统状态估计方程，其所用量测信息为模拟量测信息，故从关联矩阵D中提取模拟量测与量测信息源端节点的关联矩阵Da，为维矩阵，由关联矩阵D中模拟量测对应的行向量组成；
量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量与信息源端节点ij的模拟量测的数量的映射关系如下：
此处Φ(ij,ij)为映射函数Φ第ij行第ij列的元素；为信息源端节点ij的模拟量测数量；为量测信息终端(电力控制中心)侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量；为关联矩阵Da中元素；
电力控制中心侧输出的模拟量测总数计算如下：
42)对于步骤31)中所述有量测信息的M个信息源端节点i1…iM，基于信息物理耦合特性，建立其与电力节点的关联矩阵V，为M×m维矩阵，m为电力节点的数量，其元素定义如下：
定义电力控制中心侧所获取模拟量测与电力节点的关联矩阵C，计算如下：
矩阵C中元素cf,k意义如下：
其中，CL为nL×m维支路量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量CI为nI×m节点量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量nL为支路量测总数，nI为节点量测总数，且nL+nI＝Nout；支路量测包括与电力线路相关的功率量测、电流量测等，节点量测包括与电力母线相关的注入功率量测、电压量测等；
43)定义电力节点k的支路量测度SLk，节点量测度SIk，综合量测度SMk，计算如下：
当计算完所有电力节点的支路量测度SL、节点量测度SI及综合量测度SM后，形成量测度-电力节点的二维查询表。
进一步的，电力系统量测度计算模块中，根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度的过程为：
44)对各电力节点的综合量测度进行评估分类
若SMk＝0，则放入集合F1＝{k|SMk＝0}；若SMk>0，则放入集合F2＝{k|SMk＞0}。集合F1和F2中元素均为电力节点编号；
采用启发式逻辑方法对集合F1中的各电力节点进行量测度评估，评估过程遵循以下三个原则：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh的电力节点h侧有支路量测时，将节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh无量测，但节点h有注入量测即SIh≥1时，将电力节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点h一次相邻的电力节点中有SMh＝1者，且SIh＝1，则通过电力节点h继续向二次相邻的电力节点q按以上三个原则继续搜索，若SIh＝0则停止搜索；
若按以上原则搜索不到可借用的量测度，则停止搜索，继续集合F1中下一个电力节点的搜索，直到集合F1中所有电力节点的搜索结束；
45)基于步骤44)中的搜索，更新量测度-电力节点二维查询表；查询表中是否存在SMk＝0的电力节点k，若存在，则判定电力节点k不可观，若不存在，则系统全局可观；
46)定义电力系统量测度为S，以评估计及电力信息物理耦合特性和考虑信息扰动影响下电力系统状态的可观程度，计算如下：
S＝min(SM1,…,SMm)
当S为0时，说明此时电力系统存在不可观节点。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明计及信息物理耦合特性，建立了电力控制中心与感知终端量测信息间的映射关系，考虑各信息扰动修正了映射模型，建立了计及电力信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估体系，反映了网络攻击威胁下电力系统状态的可观程度，为量测系统的规划设计及优化防护提供了技术指导。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为电网量测度评估流程图；
图3为一次相邻节点和二次相邻节点的解释说明图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，参见图1所示，包括以下步骤：
步骤1)根据电力信息物理耦合特性建立量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型。
所述电力信息物理耦合特性在于电网传感元件在对电网进行状态采样的同时，利用自身的通信模块与电力控制中心进行通讯，将量测信息传至电力控制中心。根据这一信息物理耦合特性，建立给定电网的量测信息传输网络模型。
量测信息传输网络模型是由信息节点和信息有向传输支路组成的有向网络拓扑图。信息有向传输支路是指数据信息流由首端流向末端的传输支路，假定有N个信息节点，Mb条信息有向传输支路，则量测信息传输网络模型可由信息节点-信息有向传输支路关联矩阵A表示，为N×Mb维矩阵，矩阵中元素ai,j取值及意义如下：
步骤2)考虑信息扰动影响，建立各信息扰动下量测信息传输网络修正模型。
考虑信道开断、信息传输错误和信息节点无法与外界通信三种信息扰动下，对正常情况下的量测信息传输网络模型进行修正，建立量测信息传输网络修正模型，具体过程如下：
21)信道开断扰动下，对量测信息传输网络模型进行修正：
若信息有向传输支路j发生信道开断事故，则量测信息传输网络模型A中第j列向量Aj中的非零元素全都修正为0，如下：
Aj＝[0 … 0 -1 0 … 0 1 0 … 0]T→
A′j＝[0 … 0 0 0 … 0 0 0 … 0]T
量测信息传输网络模型A中其余列向量不发生变化，则信道开断扰动下量测信息传输网络修正模型B为：
若该开断信道为一些量测的必经信息有向传输支路，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量作如上修正，即列向量中非零元素全都修正为0。如：信息节点1为信息源端节点，其与信息有向传输支路1直接相连且其输入的量测信息必经信息有向传输支路j，则量测信息传输网络修正模型B为：
22)信息传输错误扰动下，量测信息传输网络的拓扑结构未发生变化，所以无需对量测信息传输网络模型进行修正，即信息传输错误扰动下量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同，即：
B＝A
23)信息节点无法与外界通信扰动下，例如信息节点i无法与外界通信扰动下，若存在一些量测信息必经该信息节点转发，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量中非零元素全都修正为0，若信息节点i不是任何量测的必经信息节点，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同。
步骤3)根据所述步骤1)中的量测信息传输网络正常运行下的量测信息传输网络模型和所述步骤2)中的各信息扰动下的量测信息传输网络修正模型，建立量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系，获取传至量测信息终端侧的量测信息。
具体过程如下：
31)定义映射函数Q和Φ，计算如下：
假设有量测信息的信息源端节点共M个，它们分别为信息节点i1…iM，则Φ为：
Φ＝diag(diag(Q,0))
此处Φ＝diag(diag(Q,0))表示一个对角矩阵，即指除了主对角线外的元素均为零的方阵，为N×N维；diag(Q,0)表示由Q的主对角线元素构成的列向量。
32)假设量测信息源端的量测信息为Zin，量测信息终端的量测信息为Zout，则二者间的映射关系如下：
Zin→Zout＝Φ·Zin
步骤4)根据所述步骤3)获取的量测信息终端的量测信息，定义支路量测度、节点量测度和综合量测度，建立计及信息物理耦合特性和信息扰动的电网量测度评估体系。
参见图2所示，具体过程如下：
41)获取量测信息终端输出的模拟量测信息：
对于步骤31)中所述有量测信息的M个信息源端节点i1…ij…iM，假设量测信息源端节点ij(1≤j≤M)处输出的量测为一量测向量meal为第l个量测，w为量测总数。此量测向量由个模拟量测和个开关量测组成，为信息源端节点ij输出的模拟量测数，为信息源端节点ij输出的开关量测数，且
定义各量测与量测信息源端节点的关联矩阵D，为w×M维矩阵，其元素定义如下：
关联矩阵D可表述为由M·w个行向量组成，即根据电力系统状态估计方程，其所用量测信息为模拟量测信息，故从关联矩阵D中提取模拟量测与量测信息源端节点的关联矩阵Da，为维矩阵，由关联矩阵D中模拟量测对应的行向量组成。
量测信息终端(电力控制中心)侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量与信息源端节点ij的模拟量测的数量的映射关系如下：
此处Φ(ij,ij)为映射函数Φ第ij行第ij列的元素；为信息源端节点ij的模拟量测数量；为量测信息终端(电力控制中心)侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量；为关联矩阵Da中元素。
电力控制中心侧输出的模拟量测总数计算如下：
42)对于步骤31)中所述有量测信息的M个信息源端节点i1…iM，基于信息物理耦合特性，建立其与电力节点(假设共m个)的关联矩阵V，为M×m维矩阵，其元素定义如下：
定义电力控制中心侧所获取模拟量测与电力节点的关联矩阵C，计算如下：
矩阵C中元素cf,k意义如下：
其中，CL为nL×m维支路量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量CI为nI×m节点量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量nL为支路量测总数，nI为节点量测总数，且nL+nI＝Nout。支路量测包括与电力线路相关的功率量测、电流量测等，节点量测包括与电力母线相关的注入功率量测、电压量测等。
43)定义电力节点k的支路量测度SLk，节点量测度SIk，综合量测度SMk，计算如下：
当计算完所有电力节点的支路量测度SL、节点量测度SI及综合量测度SM后，形成量测度-电力节点的二维查询表，如下：
44)对各电力节点的综合量测度进行评估分类。
若SMk＝0，则放入集合F1＝{k|SMk＝0}；若SMk>0，则放入集合F2＝{k|SMk＞0}。集合F1和F2中元素均为电力节点编号。
集合F2中的节点量测度大于0，因此判断F2集合中的量测是可观。集合F1中的节点量测度为0，但是其相邻节点借量测度给它，所以此时还无法判断F1集合中的量测是否可观，需进一步分析。采用启发式逻辑方法对集合F1中的各电力节点进行量测度评估。
评估过程遵循以下三个原则：
a、若与电力节点k一次相邻(参见图3所示说明，一次相邻是指直接通过支路连接，二次相邻是指与一次相邻节点直接通过支路连接)的电力节点中有SMh>1者，且支路kh(两端节点分别为k和h的支路)的电力节点h侧有支路量测时，将节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
b、若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh无量测，但节点h有注入量测即SIh≥1时，将电力节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
c、若与电力节点h一次相邻的电力节点中有SMh＝1者，且SIh＝1，则通过电力节点h继续向二次相邻(参见图3所示说明)的电力节点q按原则a、b、c继续搜索，若SIh＝0则停止搜索。
若按原则a、b和c搜索不到可借用的量测度，则停止搜索，继续集合F1中下一个电力节点的搜索，直到集合F1中所有电力节点的搜索结束。
45)基于步骤44)中的搜索，更新量测度-电力节点二维查询表。查询表中是否存在SMk＝0的电力节点k，若存在，则判定电力节点k不可观，若不存在，则系统全局可观。
46)定义电力系统量测度为S，以评估计及电力信息物理耦合特性和考虑信息扰动影响下电力系统状态的可观程度，计算如下：
S＝min(SM1,…,SMm)
当S为0时，说明此时电力系统存在不可观节点，即存在量测薄弱环节，通过信息源端与信息末端间量测数据的映射关系进行排查找出薄弱点，进行加强。
本发明提供了一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，考虑信息扰动影响，建立量测数据从量测信息源端(量测传感器)到量测信息终端(电力控制中心)的映射关系，同时基于电力信息物理耦合特性建立电力控制中心侧获取量测与电力节点关联关系，定义支路量测度、节点量测度和综合量测度，评估电力系统量测度，以反映计及信息物理耦合特性和信息扰动的电力系统状态可观程度，为量测系统的规划设计及优化防护提供技术指导。
相应的，本发明还提供了一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估系统，其特征是，包括量测信息传输网络模型获取模块、量测信息传输网络修正模型获取模块、映射关系获取模块、电力节点量测度计算模块和电力系统量测度计算模块；
量测信息传输网络模型获取模块，用于根据电力信息物理耦合特性，获取量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型；
量测信息传输网络修正模型获取模块，用于在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型；
映射关系获取模块，用于根据量测信息传输网络正常运行下的量测信息传输网络模型和各信息扰动下的量测信息传输网络修正模型，获取量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系；
电力节点量测度计算模块，用于根据映射关系获取量测信息终端的量测信息，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度；
电力系统量测度计算模块，用于根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度。
进一步的，量测信息传输网络修正模型获取模块中，在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型的具体过程如下：
21)信道开断扰动下，对量测信息传输网络模型进行修正：
若信息有向传输支路j发生信道开断事故，则量测信息传输网络模型A中第j列向量Aj中的非零元素全都修正为0，如下：
Aj＝[0 … 0 -1 0 … 0 1 0 … 0]T→
A′j＝[0 … 0 0 0 … 0 0 0 … 0]T
量测信息传输网络模型A中其余列向量不发生变化，则信道开断扰动下量测信息传输网络修正模型B为：
若该开断信道为一些量测的必经信息有向传输支路，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量作如上修正，即列向量中非零元素全都修正为0；如：信息节点1为信息源端节点，其与信息有向传输支路1直接相连且其输入的量测信息必经信息有向传输支路j，则量测信息传输网络修正模型B为：
22)信息传输错误扰动下，量测信息传输网络的拓扑结构未发生变化，所以无需对量测信息传输网络模型进行修正，即信息传输错误扰动下量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同，即：
B＝A
23)信息节点无法与外界通信扰动下，例如信息节点i无法与外界通信扰动下，若存在一些量测信息必经该信息节点转发，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量中非零元素全都修正为0，若信息节点i不是任何量测的必经信息节点，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同。
进一步的，电力节点量测度计算模块中，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度的过程为：
41)获取量测信息终端输出的模拟量测信息：
有量测信息的M个信息源端节点i1…ij…iM，假设量测信息源端节点ij(1≤j≤M)处输出的量测为一量测向量meal为第l个量测，w为量测总数。此量测向量由个模拟量测和个开关量测组成，为信息源端节点ij输出的模拟量测数，为信息源端节点ij输出的开关量测数，且
定义各量测与量测信息源端节点的关联矩阵D，为w×M维矩阵，其元素定义如下：
关联矩阵D可表述为由M·w个行向量组成，即根据电力系统状态估计方程，其所用量测信息为模拟量测信息，故从关联矩阵D中提取模拟量测与量测信息源端节点的关联矩阵Da，为维矩阵，由关联矩阵D中模拟量测对应的行向量组成；
量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量与信息源端节点ij的模拟量测的数量的映射关系如下：
此处Φ(ij,ij)为映射函数Φ第ij行第ij列的元素；为信息源端节点ij的模拟量测数量；为量测信息终端(电力控制中心)侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量；为关联矩阵Da中元素；
电力控制中心侧输出的模拟量测总数计算如下：
42)对于步骤31)中所述有量测信息的M个信息源端节点i1…iM，基于信息物理耦合特性，建立其与电力节点(假设共m个)的关联矩阵V，为M×m维矩阵，其元素定义如下：
定义电力控制中心侧所获取模拟量测与电力节点的关联矩阵C，计算如下：
矩阵C中元素cf,k意义如下：
其中，CL为nL×m维支路量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量CI为nI×m节点量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量nL为支路量测总数，nI为节点量测总数，且nL+nI＝Nout。支路量测包括与电力线路相关的功率量测、电流量测等，节点量测包括与电力母线相关的注入功率量测、电压量测等。
43)定义电力节点k的支路量测度SLk，节点量测度SIk，综合量测度SMk，计算如下：
当计算完所有电力节点的支路量测度SL、节点量测度SI及综合量测度SM后，形成量测度-电力节点的二维查询表。
进一步的，电力系统量测度计算模块中，根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度的过程为：
44)对各电力节点的综合量测度进行评估分类
若SMk＝0，则放入集合F1＝{k|SMk＝0}；若SMk>0，则放入集合F2＝{k|SMk＞0}。集合F1和F2中元素均为电力节点编号；
采用启发式逻辑方法对集合F1中的各电力节点进行量测度评估，评估过程遵循以下三个原则：
a、若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh的电力节点h侧有支路量测时，将节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
b、若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh无量测，但节点h有注入量测即SIh≥1时，将电力节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
c、若与电力节点h一次相邻的电力节点中有SMh＝1者，且SIh＝1，则通过电力节点h继续向二次相邻的电力节点q按原则a、b、c继续搜索，若SIh＝0则停止搜索；
若按原则a、b和c搜索不到可借用的量测度，则停止搜索，继续集合F1中下一个电力节点的搜索，直到集合F1中所有电力节点的搜索结束；
45)基于步骤44)中的搜索，更新量测度-电力节点二维查询表；查询表中是否存在SMk＝0的电力节点k，若存在，则判定电力节点k不可观，若不存在，则系统全局可观；
46)定义电力系统量测度为S，以评估计及电力信息物理耦合特性和考虑信息扰动影响下电力系统状态的可观程度，计算如下：
S＝min(SM1,…,SMm)
当S为0时，说明此时电力系统存在不可观节点。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，其特征是，包括以下步骤：
根据电力信息物理耦合特性，获取量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型；
在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型；
根据量测信息传输网络正常运行下的量测信息传输网络模型和各信息扰动下的量测信息传输网络修正模型，获取量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系；
根据映射关系获取量测信息终端的量测信息，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度；
根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度。
2.根据权利要求1所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，其特征是，获取量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型为：
量测信息传输网络模型是由信息节点和信息有向传输支路组成的有向网络拓扑图；由信息节点-信息有向传输支路关联矩阵A表示，矩阵中元素ai,j取值及意义如下：
其中，i代表第i个信息节点，j代表第j条信息有向传输支路。
3.根据权利要求1所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，其特征是，在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型的具体过程如下：
21)信道开断扰动下，对量测信息传输网络模型进行修正：
若信息有向传输支路j发生信道开断事故，则量测信息传输网络模型A中第j列向量Aj中的非零元素全都修正为0，如下：
Aj＝[0 … 0 -1 0 … 0 1 0 … 0]T→
A′j＝[0 … 0 0 0 … 0 0 0 … 0]T
量测信息传输网络模型A中其余列向量不发生变化，则信道开断扰动下量测信息传输网络修正模型B为：
若该开断信道为一些量测的必经信息有向传输支路，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量作如上修正；
22)信息传输错误扰动下，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同；
23)信息节点无法与外界通信扰动下，若存在量测信息必经该信息节点转发，则与量测信息对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，将其在量测信息传输网络模型A中相应列向量中非零元素全都修正为0；若信息节点不是任何量测的必经信息节点，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同。
4.根据权利要求1所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，其特征是，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度的过程为：
41)获取量测信息终端输出的模拟量测信息：
获取各量测与量测信息源端节点的关联矩阵D，其元素定义如下：
其中，ij为量测信息的信息源端节点，共有M个，量测信息源端节点ij处输出的量测为一量测向量其中，meal表示第l个量测，w为量测总数；此量测向量由个模拟量测和个开关量测组成，且
关联矩阵D为w×M维矩阵，可表述为由M·w个行向量组成，即
从关联矩阵D中提取模拟量测与量测信息源端节点的关联矩阵Da，为维矩阵，由关联矩阵D中模拟量测对应的行向量组成；
量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量与信息源端节点ij的模拟量测的数量的映射关系如下：
其中，Φ(ij,ij)为映射函数Φ第ij行第ij列的元素；为信息源端节点ij的模拟量测数量；为量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量；为关联矩阵Da中元素；
电力控制中心侧输出的模拟量测总数计算如下：
42)基于信息物理耦合特性，建立其与电力节点的关联矩阵V，为M×m维矩阵，m为电力节点的数量，其元素定义如下：
定义电力控制中心侧所获取模拟量测与电力节点的关联矩阵C，计算如下：
矩阵C中元素cf,k意义如下：
其中，CL为nL×m维支路量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量CI为nI×m节点量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量nL为支路量测总数，nI为节点量测总数，且nL+nI＝Nout；支路量测包括与电力线路相关的功率量测、电流量测等，节点量测包括与电力母线相关的注入功率量测、电压量测等；
43)计算电力节点k的支路量测度SLk，节点量测度SIk，综合量测度SMk，分别如下：
获取所有电力节点的支路量测度SL、节点量测度SI及综合量测度SM后，形成量测度-电力节点的二维查询表。
5.根据权利要求1所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估方法，其特征是，根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度的过程为：
44)对各电力节点的综合量测度进行评估分类
若SMk＝0，则放入集合F1＝{k|SMk＝0}；若SMk>0，则放入集合F2＝{k|SMk＞0}；集合F1和F2中元素均为电力节点编号；
采用启发式逻辑方法对集合F1中的各电力节点进行量测度评估，评估过程遵循以下三个原则：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1，且支路kh的电力节点h侧有支路量测时，将节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1，且支路kh无量测，但节点h有注入量测即SIh≥1时，将电力节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点h一次相邻的电力节点中有SMh＝1，且SIh＝1，则通过电力节点h继续向二次相邻的电力节点q按以上三个原则继续搜索，若SIh＝0则停止搜索；
按以上三个原则搜索不到可借用的量测度，则停止搜索，继续集合F1中下一个电力节点的搜索，直到集合F1中所有电力节点的搜索结束；
45)基于步骤44)中的搜索，更新量测度-电力节点二维查询表；查询表中是否存在SMk＝0的电力节点k，若存在，则判定电力节点k不可观，若不存在，则系统全局可观；
46)获取电力系统量测度为S，以评估计及电力信息物理耦合特性和考虑信息扰动影响下电力系统状态的可观程度，计算如下：
S＝min(SM1,…,SMm)
当S为0时，说明此时电力系统存在不可观节点。
6.一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估系统，其特征是，包括量测信息传输网络模型获取模块、量测信息传输网络修正模型获取模块、映射关系获取模块、电力节点量测度计算模块和电力系统量测度计算模块；
量测信息传输网络模型获取模块，用于根据电力信息物理耦合特性，获取量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型；
量测信息传输网络修正模型获取模块，用于在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型；
映射关系获取模块，用于根据量测信息传输网络正常运行下的量测信息传输网络模型和各信息扰动下的量测信息传输网络修正模型，获取量测数据从量测信息源端到量测信息终端的映射关系；
电力节点量测度计算模块，用于根据映射关系获取量测信息终端的量测信息，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度；
电力系统量测度计算模块，用于根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度。
7.根据权利要求6所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估系统，其特征是，量测信息传输网络模型获取模块中，获取量测信息传输网络正常运行下量测信息传输网络模型为：
量测信息传输网络模型是由信息节点和信息有向传输支路组成的有向网络拓扑图；由信息节点-信息有向传输支路关联矩阵A表示，矩阵中元素ai,j取值及意义如下：
其中，i代表第i个信息节点，j代表第j条信息有向传输支路。
8.根据权利要求7所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估系统，其特征是，量测信息传输网络修正模型获取模块中，在考虑信息扰动影响下，修正量测信息传输网络模型获得各信息扰动下量测信息传输网络修正模型的具体过程如下：
21)信道开断扰动下，对量测信息传输网络模型进行修正：
若信息有向传输支路j发生信道开断事故，则量测信息传输网络模型A中第j列向量Aj中的非零元素全都修正为0，如下：
Aj＝[0 … 0 -1 0 … 0 1 0 … 0]T→
A′j＝[0 … 0 0 0 … 0 0 0 … 0]T
量测信息传输网络模型A中其余列向量不发生变化，则信道开断扰动下量测信息传输网络修正模型B为：
若该开断信道为一些量测的必经信息有向传输支路，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量作如上修正；
22)信息传输错误扰动下，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同；
23)信息节点无法与外界通信扰动下，若存在一些量测信息必经该信息节点转发，则与这些量测对应的信息源端节点直接相连的信息有向传输支路作信道开断处理，其在量测信息传输网络模型A中相应列向量中非零元素全都修正为0，若信息节点不是任何量测的必经信息节点，则量测信息传输网络修正模型B与量测信息传输网络模型A相同。
9.根据权利要求7所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估系统，其特征是，电力节点量测度计算模块中，根据量测信息与电力节点的关联计算各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度的过程为：
41)获取量测信息终端输出的模拟量测信息：
获取各量测与量测信息源端节点的关联矩阵D，其元素定义如下：
其中，ij为量测信息的信息源端节点，共有M个，量测信息源端节点ij处输出的量测为一量测向量其中，meal表示第l个量测，w为量测总数；此量测向量由个模拟量测和个开关量测组成，且
关联矩阵D为w×M维矩阵，可表述为由M·w个行向量组成，即
从关联矩阵D中提取模拟量测与量测信息源端节点的关联矩阵Da，为维矩阵，由关联矩阵D中模拟量测对应的行向量组成；
量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量与信息源端节点ij的模拟量测的数量的映射关系如下：
其中，Φ(ij,ij)为映射函数Φ第ij行第ij列的元素；为信息源端节点ij的模拟量测数量；为量测信息终端侧输出的对应信息源端节点ij的模拟量测的数量；为关联矩阵Da中元素；
电力控制中心侧输出的模拟量测总数计算如下：
42)基于信息物理耦合特性，建立其与电力节点的关联矩阵V，为M×m维矩阵，m为电力节点的数量，其元素定义如下：
定义电力控制中心侧所获取模拟量测与电力节点的关联矩阵C，计算如下：
矩阵C中元素cf,k意义如下：
其中，CL为nL×m维支路量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量CI为nI×m节点量测-电力节点关联矩阵，包含m个列向量nL为支路量测总数，nI为节点量测总数，且nL+nI＝Nout；支路量测包括与电力线路相关的功率量测、电流量测等，节点量测包括与电力母线相关的注入功率量测、电压量测等；
43)计算电力节点k的支路量测度SLk，节点量测度SIk，综合量测度SMk，分别如下：
获取所有电力节点的支路量测度SL、节点量测度SI及综合量测度SM后，形成量测度-电力节点的二维查询表。
10.根据权利要求9所述的一种计及信息物理耦合特性和信息扰动的量测度评估系统，其特征是，电力系统量测度计算模块中，根据各电力节点的支路量测度、节点量测度和综合量测度，计算获得电力系统量测度的过程为：
44)对各电力节点的综合量测度进行评估分类
若SMk＝0，则放入集合F1＝{k|SMk＝0}；若SMk>0，则放入集合F2＝{k|SMk＞0}。集合F1和F2中元素均为电力节点编号；
采用启发式逻辑方法对集合F1中的各电力节点进行量测度评估，评估过程遵循以下三个原则：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh的电力节点h侧有支路量测时，将节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点k一次相邻的电力节点中有SMh>1者，且支路kh无量测，但节点h有注入量测即SIh≥1时，将电力节点h的量测度借用于电力节点k，此时电力节点k和h的量测度更新如下：
若与电力节点h一次相邻的电力节点中有SMh＝1者，且SIh＝1，则通过电力节点h继续向二次相邻的电力节点q按以上三个原则继续搜索，若SIh＝0则停止搜索；
若按以上三个原则搜索不到可借用的量测度，则停止搜索，继续集合F1中下一个电力节点的搜索，直到集合F1中所有电力节点的搜索结束；
45)基于步骤44)中的搜索，更新量测度-电力节点二维查询表；查询表中是否存在SMk＝0的电力节点k，若存在，则判定电力节点k不可观，若不存在，则系统全局可观；
46)定义电力系统量测度为S，以评估计及电力信息物理耦合特性和考虑信息扰动影响下电力系统状态的可观程度，计算如下：
S＝min(SM1,…,SMm)
当S为0时，说明此时电力系统存在不可观节点。
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