CN110633491A

CN110633491A - 信息系统失效引起配电网电压波动越限的计算方法

Info

Publication number: CN110633491A
Application number: CN201910692328.7A
Authority: CN
Inventors: 刘文霞; 韩辉
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2019-12-31

Abstract

本发明属于电网故障分析技术领域，尤其涉及一种信息系统失效引起配电网电压波动越限的计算方法，包括：分别对信息系统的信息链路连通性、信息链路数据包有效性、应用软件有效性进行建模；采用序贯蒙特卡洛模拟法对信息系统的信息链路连通性、信息链路数据包有效性、应用软件有效性进行抽样得到各类故障时序状态信息；模拟和仿真集中式电压控制系统的运行，获得故障期间各节点电压值；根据所得各节点电压值，求解信息系统失效对配电网电压的影响指标。本发明考虑了由于信息网络设备参数配置缺陷以及安装缺陷引起的瞬时中断等造成的“软故障”，建立了精确的信息系统模型；定义了配电网电压波动性指标，评价了信息失效对电压波动越限的影响。

Description

信息系统失效引起配电网电压波动越限的计算方法

技术领域

本发明属于电网故障分析技术领域，尤其涉及一种信息系统失效引起配电网电压波动越限的计算方法。

背景技术

通常服务于电力的“信息系统”是由终端设备、通信系统和应用系统组成的一个复杂系统，从满足电力需求的角度大致可以把可靠性分为应用系统可靠和信息链路可靠。其中信息链路视为采集(或控制)终端设备到调度中心通信前置机之间的信息传输通道，一个应用系统对应一个链路集合。因此，现有研究信息系统故障建模都包含元件建模和链路建模两个层面。终端设备、通信网传输设备和通信线路被视为元件，其可靠性建模大多采用两状态概率模型。在此基础上，考虑通信方式多样性以及环境复杂、通信质量较差等因素，计及延时和误码特性的链路可靠性建模得到深入研究。张天宇等人考虑信息传输链路服从特定概率分布的延时特征，建立了微电网内信息传输时延可靠性模型；宫琦等人针对配电自动化通信网的多方式混合组网特点，考虑设备故障下路由转换，分别建立了信息传输链路的路径连通性、延时和误码特性模型，进而构建了信息传输链路有效性模型。该研究通过建立信息传输链路可靠性模型，进而研究链路失效导致自愈控制失效而引起供电可靠性下降。文中以永久性故障为基础，假设链路可靠则信息传输一定可靠，然而由于信息网络设备参数配置缺陷以及安装缺陷引起的瞬时中断等因素，经常会造成随机丢包，称为“软故障”，且配电网规模大、设备多、维护人员专业性差，此类事件占比较高，不可忽视。

在交互作用分析方法方面，Falahati B将信息系统对电力系统的影响分为直接影响和间接影响，直接影响指信息系统功能失效直接导致配电网一次设备故障或退出运行；间接影响是导致控制功能受到影响，但后果依赖仿真分析。直接作用的分析方法通常采用信息-物理的串联模型。间接影响可分为两种情况，一种是物理域正常运行时，监测失效对电网运行的潜在影响。例如，输电网监测失效时，所在线路将无法获知运行状态，进而无法处理潮流越限等问题。另一种是物理域发生故障时，信息同时失效将影响故障处理过程，恶化系统状态。由于间接影响作用于物理域系统状态，并且存在其他复杂因素对运行状态的共同影响，导致在可靠性评价的状态分析过程中间接作用很难量化，通常采用对控制过程的模拟仿真进行后果分析。

上述研究侧重信息失效对配电网可靠性的影响，类似的研究扩展到综合能源信息物理系统可靠性、电力-信息耦合网络脆弱性评价以及配电信息物理系统的协同规划。有功无功控制是主动配电网的核心功能，而且控制系统设备、控制方法、信息系统配置等差异很大，且随着分布式电源渗透率的增加，系统状态对信息的依赖程度会逐步提高，但目前针对信息失效对运行状态影响的研究还未见报道，相关研究成果却是主动配电信息通信系统建设的重要依据，因此亟待解决也面临挑战。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种信息系统失效引起配电网电压波动越限的计算方法，包括：

步骤1：分别对信息系统的信息链路连通性、信息链路数据包有效性、应用软件有效性进行建模；

步骤2：采用序贯蒙特卡洛模拟法对信息系统的信息链路连通性、信息链路数据包有效性、应用软件有效性进行抽样得到各类故障时序状态信息；

步骤3：模拟和仿真集中式电压控制系统的运行，获得故障期间各节点电压值；

步骤4：根据所得各节点电压值，求解信息系统失效对配电网电压的影响指标。

所述信息链路连通性是指：物理域某节点相应信息域终端设备与服务器节点之间的信息链路由m个元件组成，只有当m个元件状态都正常时链路才连通。

所述信息链路数据包有效性是指：信息链路的丢包率小于阈值。

所述应用软件有效性是指：在规定的时间内，软件稳定的运行，不引起系统失效并且满足用户要求的功能。

所述步骤3中模拟和仿真具体包括：

1)、确定仿真时间和元件的可靠性参数；

2)、在仿真期间内，分别对每个元件的无故障运行时间和故障修复时间进行抽样，得到含时序特性的系统状态集；

3)、无故障运行时间最小的元件即为最先故障元件，并记录该元件故障时刻和故障持续时间；

4)、更新步骤3)故障元件的无故障运行时间，并重复步骤3)直至模拟运行时间达到设定的仿真时间；

5)、重复步骤1)～4)，根据丢包率数据与软件失效数据抽取链路丢包与系统软件失效的数据。

所述影响指标包括：表征电压整体波动性的电压分布指数和表征电压越限的概率指标。

所述电压分布指数是指：电压监测值的标准差。

所述电压越限的概率包括：电压越上限、越下限和越限概率。

本发明的有益效果：

(1)本发明在建立信息系统有效性模型时，不同于传统方法以元件可用性为基础的建模，考虑了由于信息网络设备参数配置缺陷以及安装缺陷引起的瞬时中断等造成的“软故障”，建立了精确的信息系统模型；

(2)不同于简单的可靠性评价，本发明定义了配电网电压波动性指标，并提出不同信息失效的后果分析方法，采取时序仿真与控制模拟相结合的方法评价了信息失效对电压波动越限的影响。

附图说明

图1为本发明所采用的集中型电压控制流程图；

图2为本发明所建立的信息系统建模逻辑示意图；

图3为总体评价方法图；

图4为算例仿真所采用的配电网结构图。

具体实施方式

本发明提出的信息失效引起配电网电压波动越限的分析方法结合实施例及附图详细说明如下：

本发明方法的总体步骤如图3所示，包括，

所述集中式电压控制系统控制流程如图1所示。所述信息系统的建模逻辑如图2所示。

以某实际电网为实施例说明本发明的具体实施方式。本实施例对图4的主动配电网信息系统失效下的电压波动和越限进行计算。

步骤1、建立计及“软故障”的信息系统有效性模型

考虑“软故障”影响，建立信息系统有效性模型V(x)，其中包括信息链路有效性模型V_link(x)与应用软件有效性模型V_soft(x)。

1、信息链路有效性建模

信息链路是集中式电压控制信息物理系统中信息传输的基本单位，信息域元件故障及其影响因素的变化会导致信息通道连通性丢失、数据丢包，从而引起信息传输失效。其中元件故障为硬故障，而数据丢包为软故障。本发明利用V_link(x)来构建物理域节点x功能信号(监测、控制或控制反馈信号)的信息链路有效性模型，即物理域x节点相应信息域终端设备与服务器节点之间的信息链路有效性模型。

物理域节点x处IED设备到服务器间的信息链路有效性可表示为：

V_link(x)＝V_h(x)∩V_s(x)

其中，V_h(x)表示节点x所对应信息链路的路径联通性，取1表示链路连通，0表示链路中断；V_s(x)表示节点x所对应信息链路所传输的数据包有效性，取1表示信息链路丢包率在规定范围定，即链路不出现软故障，0表示链路出现软故障。上述V_h(x)与V_s(x)同时满足信息域要求，即V_link(x)＝1时，节点x对应的信息链路才有效。

(1)信息链路通道连通性建模

信息链路端到端的连通性性主要由该链路中硬件设备可用率与网络拓扑结构共同决定。假设节点x相应IED设备与服务器节点间的信息链路由m个元件组成，只有当该路径上的信息元件状态都正常时，链路才能连通，即V_h(x)＝1，可用串联模型表示为：

V_h(x)＝S(1)∩…∩S(k)∩…∩S(m)

其中，S(k)为元件k的状态，不考虑老化失效的情况，信息域中大部分故障停运是可修复的，其元件状态变化可通过“运行-停运-运行”的循环来模拟。因此，信息元件k的可用状态S(k)为：

(2)信息链路数据包有效性建模

信息链路中出现的数据包丢失称为软故障，若信息链路不出现软故障，则链路必须保证丢包率在规定阈值内。用V_s(x)来表示信息链路的数据包有效性，指信息链路x的丢包率小于规定丢包率的能力，V_s(x)取1表示链路丢包率满足要求，0表示丢包率超过阈值，表示为：

式中p(x)为链路x的丢包率，p₀为信息业务所要求的丢包率上限。

(3)应用软件有效性建模

为了研究信息物理系统软件失效对系统功能实现的影响，引入软件可靠性和软件失效的概念。软件可靠性指在规定的时间内，软件可以稳定的运行，不引起系统失效并且满足用户要求的功能。软件失效是程序在运行中丧失了全部或部分功能，出现了偏离预期的正常状态的事件，不能准确及时地完成软件预期功能。应用软件功能的正常完成代表链路的应用软件有效，可表示为：

步骤2、基于序贯蒙特卡洛模拟的信息系统故障抽样

由于序贯蒙特卡洛模拟不仅能反映元件和系统级的实际运行状况，并考虑了状态持续时间的分布。为此，选取EPON光纤链路负载为60Mbit/s时的链路单位丢包率大约为1.01％，应用系统软件失效率参数为0.01次/年，采用序贯蒙特卡洛模拟法抽样获得信息系统各类故障的时序状态，建立仿真期间信息系统的时变模型，并在此基础上模拟和仿真集中式电压控制系统的运行和控制功能，求解评价指标。仿真具体步骤如下：

1、确定仿真时间和元件的可靠性参数(故障率λ和故障修复时间r)，假设初始状态正常。

2、在仿真期间内，根据下式分别对每个元件的无故障运行时间TTF和故障修复时间TTR进行抽样，得到含时序特性的系统状态集S＝{T₁,T₂,…T_N}，i＝1,…,N,N表示元件个数。

TTR_i＝-r_i lnξ

式中：λ_i和r_i分别表示第i个元件的故障率和故障修复时间；ξ为(0,1)内的随机数。

3、根据无故障运行时间最小的元件即为最先故障元件求得系统故障元件，并记录该元件故障时刻和故障持续时间。

4、更新步骤3故障元件的无故障运行时间TTF_k＝TTF_k+TTR_k+TTF_k+1，并重复步骤3直至模拟运行时间达到设定的仿真时间。

5、重复步骤1～4，根据丢包率数据与软件失效数据抽取链路丢包与系统软件失效的数据。

完成抽样过程后，统计信息系统故障的故障时间点及持续时间等故障信息，步骤3、根据上述故障时刻，对应模拟运行曲线找出故障前状态，使信息有效性影响的设备在故障修复时间内保持前序状态，调用集中式电压仿真程序重新进行故障期间模拟运行，获得故障期间各节点电压值。

步骤4、根据节点电压值，在模拟时间年内统计得到计及信息系统有效性的概率指标

为评价信息失效对配电网电压的影响，本文定义了表征电压整体波动性的电压分布指数和表征电压越限的概率指标。

1、电压分布指数

标准差反映组内个体间的离散程度，是一组数据平均值分散程度的一种度量，较大的标准差代表大部分数值和其平均值之间差异较大，较小的标准差代表这些数值接近平均值。本文采用电压监测值的标准差作为电压分布指数指标，其大小直观地反应某时间段内监测点相对于理想电压的波动严重程度。节点j的电压电压分布指数S_j为

式中，n为抽样样本容量，U_i为第i次电压监测值，本文采用抽样计算得出；

为节点j在t₁～t_n时间段内电压监测值的平均值。

系统电压分布指数为

系统电压分布指数S衡量电压波动幅度，能反映波动的整体情况，使得评价具有全局性。且电压分布指数越大，表示信息失效后电压幅值波动幅度越大，反之亦然。

2、电压越限概率

设O_UjH是节点j的某次监测值U_i越上限事件，O_UjL是U_i越下限事件，O_Uj是越限事件。则节点j电压越上限、越下限和越限概率分别为各事件发生的概率，即

式中，Pr(O_UjH)、Pr(O_UjL)、Pr(O_Uj)分别为节点j电压越上限、越下限和越限概率；U_L、U_H为节点电压合格的上下限。f(U_i)为节点电压幅值状态变量U_i的概率密度函数

S_j为节点电压分布指数，ψ(.)为标准正态分布的概率密度函数，c_k为各阶中心矩的第k项系数。

因此，系统电压越限概率为

式中Pr(O_U)、Pr(O_UH)、Pr(O_UL)分别为系统电压越限、越上限和越下限概率；N为系统节点数。

此实施例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

1.一种信息系统失效引起配电网电压波动越限的计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述信息链路连通性是指：物理域某节点相应信息域终端设备与服务器节点之间的信息链路由m个元件组成，只有当m个元件状态都正常时链路才连通。

3.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述信息链路数据包有效性是指：信息链路的丢包率小于阈值。

4.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述应用软件有效性是指：在规定的时间内，软件稳定的运行，不引起系统失效并且满足用户要求的功能。

5.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述步骤3中模拟和仿真具体包括：

1)、确定仿真时间和元件的可靠性参数；

6.根据权利要求1～5任一所述计算方法，其特征在于，所述影响指标包括：表征电压整体波动性的电压分布指数和表征电压越限的概率指标。

7.根据权利要求6所述计算方法，其特征在于，所述电压分布指数是指：电压监测值的标准差。

8.根据权利要求6所述计算方法，其特征在于，所述电压越限的概率包括：电压越上限、越下限和越限概率。