CN110489856A - 一种基于cps的微电网可靠建模方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于CPS的微电网可靠性建模方法和系统，获取微电网的目标环境的影响因子，分析微电网分布式电源的基于目标环境的随机性和时序性，构建分布式电源出力模型；获取微电网的元件故障历史记录，分析元件的故障因素及对应的故障影响结果，构建断路器可靠性模型；获取通信网络结构的拓扑复杂度，建立针对通信链路连通性评价的信息网络可靠性模型。本发明提供了一种基于CPS的微电网可靠性建模方法和系统，通过增加对元件故障影响的建模，针对间接影响系统运行的信息元件产生的故障评估研究，便于针对微电网的可靠性进行测试。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统微电网技术领域，具体涉及一种基于CPS的微电网可靠建模方法和系统。
背景技术
电力供应是推动国民经济发展的重要基础，是维护社会稳定的重要保障，在可持续发展战略中起到非常关键的作用。目前传统的电力系统是集大机组、大电网为一体的集中式系统，其建设成本高、维护困难、局部故障引起大规模供电故障等问题，已经无法满足电力用户高可靠性的需求；另外，随着科学技术水平的提高，各行各业对电力系统的系的需求越来越多，传统的煤炭、石油等不可再生能源日益减小，导致的环境污染日益严重，电力系统作为传统能源的主要消耗单元，对其的改革刻不容缓。为了解决传统发电系统的一系列问题，风力发电、光伏发电、储能电池等新型可再生能源技术相继涌现，而微电网在此背景下应运而生，成为解决能源及环境问题的关键技术。
由于分布式电源在出力的过程中存在着间歇性和随机性的问题，会对微电网的供电侧可靠性产生消极影响，另外储能装置、线路及物理元件、信息控制系统的随机性故障问题也对微电网运行的可靠性产生了干扰。因此，如何构建微电网的可靠性评估模型成为微电网建设需要重点研究的方向。
微电网系统中信息元件及物理元件之间的交互过程比较复杂，现有对于能够间接影响系统运行的信息元件所产生的故障评估研究存在不足；
对于微电网CPS中通信网络，现有研究大部分采用的是串并联简化等效，并未充分考虑网络结构的拓扑复杂问题；
微电网优化运行策略会对可靠性评估产生直接影响，特别是系统产生故障之后，现有研究只是对系统运行的时序状态进行分析，导致影响到可靠性指标的计算精度。
发明内容
为解决上述现有技术的中的不足，本发明的目的在于提供一种基于CPS的微电网可靠建模方法和系统，进行信息元件产生的故障评估，且进行网络结构的拓扑的多重考虑和研究建模，适用性强。
本发明公开了一种基于CPS的微电网可靠建模方法，包括如下步骤：
1)分布式电源出力建模
获取微电网的目标环境的影响因子，分析微电网分布式电源的基于目标环境的随机性和时序性，构建分布式电源出力模型；
2)断路器可靠性建模
获取微电网的元件故障历史记录，分析元件的故障因素及对应的故障影响结果，构建断路器可靠性模型；
3)信息网络可靠性建模
获取通信网络结构的拓扑复杂度，建立针对通信链路连通性评价的信息网络可靠性模型。
作为上述方案的进一步优化，构建所述分布式电源出力模型的步骤包括如下：
获取微电网的目标环境的影响因子，基于目标环境的时间场景进行季节划分，统计一个周期内目标环境的影响因子；
基于目标环境的时间场景内的季节划分，针对每个独立季节的任意一天进行时间段划分；
获取目标环境一个周期内任意季节的任意一天的影响因子参数分布，基于获取的参数绘制目标环境的时段参数分布图；
获取目标环境的时段参数分布图，采用任意时间段作为基准，进行任意时间段的影响因子抽样统计，获取分布式电源的出力与用电负荷大小；
基于获取的出力与用电负荷大小计算目标函数，构建分布式电源出力模型。
作为上述方案的进一步优化，构建所述断路器可靠性模型包括如下步骤：
设置断路器的在修状态，且设置断路器实体、断路器控制器、电流互感器作为在修状态的影响因子；
设置断路器的预停运状态，即断路器管辖支路负荷测量仪表故障，针对系统的供电充足性能进行判断：
若微电网的发电未能满足负荷需求供电，则断开断路器，切换断路器状态为在修状态；
若微电网的发电满足负荷需求供电，负荷测量仪表元件修复，断路器切回运行状态。
作为上述方案的进一步优化，构建所述信息网络可靠性模型的步骤包括如下：
获取微电网包含的所有节点信息，采用邻接矩阵的表现形式描述微电网内所有节点的信息传递路径；
基于描述通信结构的邻接矩阵，采用深度优先搜索算法进行微电网的通信网络的连通性进行评估：
若微电网内的信息元件出现故障后，信息元件与中央控制器存在信息路径，则信息元件未受到故障影响，否则即信息元件因故障影响导致失效；
针对元件故障的情形，设置元件的可靠度包括三部分：
Qie＝ΠQiΠQ′netΠQMGCC
上式中，Qie表示为元件的等效可靠度；Qi和QMGCC分别表示为第i个元件与中央控制器的可靠度；Q′net表示通信网络等效可靠度。
本发明还公开了一种基于CPS的微电网可靠建模系统，包括如下单元：
1)分布式电源出力建模单元，用于获取微电网的目标环境的影响因子，分析微电网分布式电源的基于目标环境的随机性和时序性，构建分布式电源出力模型；
2)断路器可靠性建模单元，用于获取微电网的元件故障历史记录，分析元件的故障因素及对应的故障影响结果，构建断路器可靠性模型；
3)信息网络可靠性建模单元，用于获取通信网络结构的拓扑复杂度，建立针对通信链路连通性评价的信息网络可靠性模型。
作为上述方案的进一步优化，构建所述分布式电源出力模型的步骤包括如下：
获取微电网的目标环境的影响因子，基于目标环境的时间场景进行季节划分，统计一个周期内目标环境的影响因子；
基于目标环境的时间场景内的季节划分，针对每个独立季节的任意一天进行时间段划分；
获取目标环境一个周期内任意季节的任意一天的影响因子参数分布，基于获取的参数绘制目标环境的时段参数分布图；
获取目标环境的时段参数分布图，采用任意时间段作为基准，进行任意时间段的影响因子抽样统计，获取分布式电源的出力与用电负荷大小；
基于获取的出力与用电负荷大小计算目标函数，构建分布式电源出力模型。
作为上述方案的进一步优化，构建所述断路器可靠性模型包括如下步骤：
设置断路器的在修状态，且设置断路器实体、断路器控制器、电流互感器作为在修状态的影响因子；
设置断路器的预停运状态，即断路器管辖支路负荷测量仪表故障，针对系统的供电充足性能进行判断：
若微电网的发电未能满足负荷需求供电，则断开断路器，切换断路器状态为在修状态；
若微电网的发电满足负荷需求供电，负荷测量仪表元件修复，断路器切回运行状态。
作为上述方案的进一步优化，构建所述信息网络可靠性模型的步骤包括如下：
获取微电网包含的所有节点信息，采用邻接矩阵的表现形式描述微电网内所有节点的信息传递路径；
基于描述通信结构的邻接矩阵，采用深度优先搜索算法进行微电网的通信网络的连通性进行评估：
若微电网内的信息元件出现故障后，信息元件与中央控制器存在信息路径，则信息元件未受到故障影响，否则即信息元件因故障影响导致失效。
本发明采用上述的技术方案，与现有技术相比，一种基于CPS的微电网可靠建模方法和系统，具有以下技术效果：
1.本发明示例的一种基于CPS的微电网可靠建模方法，基于分布式电源出力建模、断路器可靠性建模以及信息网络可靠性建模，通过增加对元件故障影响的建模，针对间接影响系统运行的信息元件产生的故障评估研究，便于针对微电网的可靠性进行测试。
2.本发明示例的一种基于CPS的微电网可靠建模方法，通过构建分布式电源出力建模，充分进行微电网的目标环境的时序状态分析，精准化影响因子，增强系统建模的精确度。
3.本发明示例的一种基于CPS的微电网可靠建模系统，基于信息网络可靠性模型的构建，通过采用邻接矩阵进行通信网络中信息传递的路径表示，充分考虑到网络结构的拓扑问题，有助于建模过程的直观表达，便于实现路径搜寻。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的一种基于CPS的微电网可靠建模方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的一种基于CPS的微电网可靠建模方法的分布式电源出力建模流程图；
图3为本发明实施例的一种基于CPS的微电网可靠建模方法的断路器可靠性建模流程图；
图4为本发明实施例的一种基于CPS的微电网可靠建模方法的断路器三状态模型图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1-4所示，本实施例公开了一种基于CPS的微电网可靠建模方法，包括如下步骤：
S1,分布式电源出力建模
获取微电网的目标环境的影响因子，分析微电网分布式电源的基于目标环境的随机性和时序性，构建分布式电源出力模型；
具体的，构建所述分布式电源出力模型的步骤包括如下：
S11,获取微电网的目标环境的影响因子，基于目标环境的时间场景进行季节划分，统计一个周期内目标环境的影响因子；
更具体的，由于微电网的目标环境受到季节性影响，即针对处于不同季节的微电网系统，其对应获取的季风的大小强度、日照强度以及用户的用电需求的参数均不同，本实施优选的影响因子分别为季风强度、日照强度以及用户需求电量；
S12,基于目标环境的时间场景内的季节划分，针对每个独立季节的任意一天进行时间段划分；
具体的，由于每天的日进程存在不同状态的季风强度、日照强度以及用户需求电量，采用小时为单位划分每天的时间段，划分每天为24个时间段；
S13,获取目标环境一个周期内任意季节的任意一天的影响因子参数分布，基于获取的参数绘制目标环境的时段参数分布图；本实施例优选采用韦伯分布进行任意季节的任意一天的时段参数分布图；
S14,获取目标环境的时段参数分布图，采用任意时间段作为基准，进行任意时间段的影响因子抽样统计，获取分布式电源的出力与用电负荷大小；
S15,基于获取的出力与用电负荷大小计算目标函数，构建分布式电源出力模型；
S2,断路器可靠性建模
获取微电网的元件故障历史记录，分析元件的故障因素及对应的故障影响结果，构建断路器可靠性模型；
具体的，构建所述断路器可靠性模型包括如下步骤：
S21,设置断路器的在修状态，且设置断路器实体、断路器控制器、电流互感器作为在修状态的影响因子；
S22,设置断路器的预停运状态，即断路器管辖支路负荷测量仪表故障，针对系统的供电充足性能进行判断：
S23,若微电网的发电未能满足负荷需求供电，则断开断路器，切换断路器状态为在修状态；
S24,若微电网的发电满足负荷需求供电，负荷测量仪表元件修复，断路器切回运行状态；
设置断路器的在修状态的转移率以及修复率为αCBF和βCBF，断路器控制器及电流互感器的故障率和对应的修复时间分别为γCBC、γCT、TCBC、TCT；
设置断路器预停运状态的转移率以及修复率为αIMF和βIMF，αpre-out表示预停运成功，αASANI表示在只考虑发电充裕性前提下的系统平均运行不可用概率；设置断路器运行状态的转移率以及修复率为αIM和βIM的转移率；
则对应的停运率以及修复率为：
αCBF＝γCBC+γCT (2)
αIMF＝2·αIM (4)
βIMF＝βIM (5)
αpre-out＝αASANI (6)
综合上式可得：
上式中，Qtim表示微电网的历史供电不足次数，Stimi表示第i次微电网的供电不足持续时间，S为本次涉及的周期；
基于断路器的运行状态、预停运状态以及在修状态分别为相互独立事件，采用马尔科夫法进行平稳状态概率求解：
上式中，P1与P2为预停运状态以及在修状态的平稳状态概率；
更进一步的，为了引进状态判断，即采用序贯蒙特卡洛模拟断路器时序运行状态时，设置CBCI(θ)为运行状态，基于大数定理，可得下一刻状态改变：
式(9)中，xi为在区间[0,1]内均匀分布随机数，CBCI(θ+1)即下一刻状态改变；
S3,信息网络可靠性建模
获取通信网络结构的拓扑复杂度，建立针对通信链路连通性评价的信息网络可靠性模型；
具体的，构建所述信息网络可靠性模型的步骤包括如下：
获取微电网包含的所有节点信息，采用邻接矩阵的表现形式描述微电网内所有节点的信息传递路径；
基于描述通信结构的邻接矩阵，采用深度优先搜索算法进行微电网的通信网络的连通性进行评估：
若微电网内的信息元件出现故障后，信息元件与中央控制器存在信息路径，则信息元件未受到故障影响，否则即信息元件因故障影响导致失效；
针对元件故障的情形，设置元件的可靠度包括三部分：
Qie＝ΠQiΠQ′netΠQMCCC (1)
上式中，Qie表示为元件的等效可靠度；Qi和QMGCC分别表示为第i个元件与中央控制器的可靠度；Q′net表示通信网络等效可靠度；
具体的，本实施例优选地设计如下的通信链路的连通性评价:
(1)基于时序抽样法进行抽样的故障元件，通过修改邻接矩阵获取新的通信网络的拓扑信息；
(2)采用深度优先检索方法，获取至少一条信息元件层至中央控制器节点的存在路径；
(3)基于元件收到的故障影响，对于整个层次的各节点的影响；
基于提出的三个部分的评价，在进行具体的网络结构评估、不一样的故障元件，采用连通性评价能够判断当前的网络是够可靠；
本发明提供了一种基于CPS的微电网可靠性建模方法和系统，获取微电网的目标环境的影响因子，分析微电网分布式电源的基于目标环境的随机性和时序性，构建分布式电源出力模型；获取微电网的元件故障历史记录，分析元件的故障因素及对应的故障影响结果，构建断路器可靠性模型；获取通信网络结构的拓扑复杂度，建立针对通信链路连通性评价的信息网络可靠性模型。本发明提供了一种基于CPS的微电网可靠性建模方法和系统，通过增加对元件故障影响的建模，针对间接影响系统运行的信息元件产生的故障评估研究，便于针对微电网的可靠性进行测试。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (8)
1.一种基于CPS的微电网可靠建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)分布式电源出力建模
获取微电网的目标环境的影响因子，分析微电网分布式电源的基于目标环境的随机性和时序性，构建分布式电源出力模型；
2)断路器可靠性建模
获取微电网的元件故障历史记录，分析元件的故障因素及对应的故障影响结果，构建断路器可靠性模型；
3)信息网络可靠性建模
获取通信网络结构的拓扑复杂度，建立针对通信链路连通性评价的信息网络可靠性模型。
2.根据权利要求1所述的一种于CPS的微电网可靠建模方法，其特征在于，构建所述分布式电源出力模型的步骤包括如下：
获取微电网的目标环境的影响因子，基于目标环境的时间场景进行季节划分，统计一个周期内目标环境的影响因子；
基于目标环境的时间场景内的季节划分，针对每个独立季节的任意一天进行时间段划分；
获取目标环境一个周期内任意季节的任意一天的影响因子参数分布，基于获取的参数绘制目标环境的时段参数分布图；
获取目标环境的时段参数分布图，采用任意时间段作为基准，进行任意时间段的影响因子抽样统计，获取分布式电源的出力与用电负荷大小；
基于获取的出力与用电负荷大小计算目标函数，构建分布式电源出力模型。
3.根据权利要求1所述的一种于CPS的微电网可靠建模方法，其特征在于，构建所述断路器可靠性模型包括如下步骤：
设置断路器的在修状态，且设置断路器实体、断路器控制器、电流互感器作为在修状态的影响因子；
设置断路器的预停运状态，即断路器管辖支路负荷测量仪表故障，针对系统的供电充足性能进行判断：
若微电网的发电未能满足负荷需求供电，则断开断路器，切换断路器状态为在修状态；
若微电网的发电满足负荷需求供电，负荷测量仪表元件修复，断路器切回运行状态。
4.根据权利要求1所述的一种于CPS的微电网可靠建模方法，其特征在于，构建所述信息网络可靠性模型的步骤包括如下：
获取微电网包含的所有节点信息，采用邻接矩阵的表现形式描述微电网内所有节点的信息传递路径；
基于描述通信结构的邻接矩阵，采用深度优先搜索算法进行微电网的通信网络的连通性进行评估：
若微电网内的信息元件出现故障后，信息元件与中央控制器存在信息路径，则信息元件未受到故障影响，否则即信息元件因故障影响导致失效；
针对元件故障的情形，设置元件的可靠度包括三部分：
Qie＝ΠQiΠQ′netΠQMGCC (1)
上式中，Qfe表示为元件的等效可靠度；Qi和QMGCC分别表示为第i个元件与中央控制器的可靠度；Q′net表示通信网络等效可靠度。
5.一种基于CPS的微电网可靠建模系统，其特征在于：包括如下单元：
1)分布式电源出力建模单元，用于获取微电网的目标环境的影响因子，分析微电网分布式电源的基于目标环境的随机性和时序性，构建分布式电源出力模型；
2)断路器可靠性建模单元，用于获取微电网的元件故障历史记录，分析元件的故障因素及对应的故障影响结果，构建断路器可靠性模型；
3)信息网络可靠性建模单元，用于获取通信网络结构的拓扑复杂度，建立针对通信链路连通性评价的信息网络可靠性模型。
6.根据权利要求1所述的一种于CPS的微电网可靠建模系统，其特征在于，构建所述分布式电源出力模型的步骤包括如下：
获取微电网的目标环境的影响因子，基于目标环境的时间场景进行季节划分，统计一个周期内目标环境的影响因子；
基于目标环境的时间场景内的季节划分，针对每个独立季节的任意一天进行时间段划分；
获取目标环境一个周期内任意季节的任意一天的影响因子参数分布，基于获取的参数绘制目标环境的时段参数分布图；
获取目标环境的时段参数分布图，采用任意时间段作为基准，进行任意时间段的影响因子抽样统计，获取分布式电源的出力与用电负荷大小；
基于获取的出力与用电负荷大小计算目标函数，构建分布式电源出力模型。
7.根据权利要求1所述的一种于CPS的微电网可靠建模系统，其特征在于，构建所述断路器可靠性模型包括如下步骤：
设置断路器的在修状态，且设置断路器实体、断路器控制器、电流互感器作为在修状态的影响因子；
设置断路器的预停运状态，即断路器管辖支路负荷测量仪表故障，针对系统的供电充足性能进行判断：
若微电网的发电未能满足负荷需求供电，则断开断路器，切换断路器状态为在修状态；
若微电网的发电满足负荷需求供电，负荷测量仪表元件修复，断路器切回运行状态。
8.根据权利要求1所述的一种于CPS的微电网可靠建模系统，其特征在于，构建所述信息网络可靠性模型的步骤包括如下：
获取微电网包含的所有节点信息，采用邻接矩阵的表现形式描述微电网内所有节点的信息传递路径；
基于描述通信结构的邻接矩阵，采用深度优先搜索算法进行微电网的通信网络的连通性进行评估：
若微电网内的信息元件出现故障后，信息元件与中央控制器存在信息路径，则信息元件未受到故障影响，否则即信息元件因故障影响导致失效。
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