CN110895744B - 考虑电网三道防线的电力信息物理系统数据传播建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑电网三道防线的电力信息物理系统数据传播建模方法。本发明采用的技术方案为：建立数据传播架构，数据传播分为信息空间内、电力空间内、电力和信息空间之间的数据传播，空间内存在节点和通信通道；针对数据传播架构，构建基于传播矩阵的数据传播模型，对数据从信息空间接收端向电力空间发送端的传播进行模型量化；基于数据传播矩阵和系统初始数据状态向量，求得各个时间段下的系统数据状态向量。本发明通过分析数据在电力信息物理系统中的传播的影响，将信息空间和电力系统的安全防御体系相结合，可指导三道防线措施的开展。

Description

考虑电网三道防线的电力信息物理系统数据传播建模方法

技术领域

本发明属于电力信息物理系统的模型构建领域，具体涉及一种考虑电网三道防线架构的电力信息物理系统数据传播建模方法。

背景技术

随着电气化进程加快推进，新能源高比例接入、新型用能设备广泛应用，“大云物移智”技术深入融合，传统电网的物理特性、运行模式、市场形态发生了根本改变，正在向“广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控”逐步转变。要实现上述目标，先进信息通信技术的引入与融合对于电力系统尤为关键。电力信息物理系统是将信息资源与电力系统深度融合所构成的新型系统，具有明显强于现有智能电力系统的适应性、灵活性、安全性和可靠性。但也正是由于信息系统和电力系统的高度融合，使得电力信息物理系统这个新型电力系统的运行与控制的复杂度大大增强，对系统的可靠、安全运行提出了更高的要求。现阶段，亟需开展电力信息物理系统模型构建研究，为电力信息物理系统的大规模工程实践奠定基础。

于此同时，随着信息系统在电网安全防御体系中扮演着越来越重要的角色，其故障或失效可能引发严重后果。当信息通信系统出现故障时，异常的信息流可能导致异常的能量流，反过来危害电力系统的安全稳定。因此，信息系统的安全同物理系统的安全一样，亦是保障现代电网安全运行、避免大停电事故发生的前提条件，必须在电网安全防御体系中予以体现。传统三道防线作为老一辈电力工作者对电力技术的重要贡献，长期以来在保障电网安全稳定运行方面发挥了重要作用，是电网安全防御体系的核心概念之一。然而，传统三道防线主要应对电力一次设备的故障，但在电力信息物理系统的信息系统中，没有将其保护和控制措施像电力系统三道防线一样进行系统的分类，因而也没有完整的安全防御体系的概念。

为构建更加全面、合理的电力信息物理系统模型，既要充分发挥现有信息技术的优势，又必须计及信息系统故障失效的负面影响，为此，亟需基于传统电网的三道防线，开展电力信息物理系统模型构建研究。

现有技术的缺点为：现有的研究在电力信息物理系统建模时没有深入分析信息系统数据在电力系统中的传播过程。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提出一种考虑电网三道防线架构的电力信息物理系统数据传播建模方法，其综合考虑信息系统对电力信息物理系统的影响，来完成传统电网三道防线体系。

为此，本发明采用的技术方案如下：考虑电网三道防线的电力信息物理系统数据传播建模方法，包括：建立数据传播架构，数据传播分为信息空间内、电力空间内、电力和信息空间之间的数据传播，空间内存在节点和通信通道；针对数据传播架构，构建基于传播矩阵的数据传播模型，对数据从信息空间接收端向电力空间发送端的传播进行模型量化；基于数据传播矩阵和系统初始数据状态向量，求得各个时间段下的系统数据状态向量。

进一步地，建立数据传播架构，具体内容为：

电力信息物理系统数据传播架构是：在电力信息物理系统中，信息系统数据向电力系统数据传播，致使数据不断向相邻、次相邻元件及更远的元件传播；

电力信息物理系统的空间内存在节点和通信通道，节点是指信息空间、电力空间中的设备，节点序数记为i，i＝1,2,...,n，n表示电力信息物理系统的节点总数；通信通道表示各个空间内部以及两个空间之间的数据传输的通道。

进一步地，针对数据传播架构，构建基于传播矩阵的数据传播模型，具体内容为：

S1、构建传播矩阵；

S2、数据传播矩阵的求解；

S3、基于求得数据传播矩阵P，在某一未知传播结果的数据作用下，用数据传播矩阵P和系统初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求得各个时间段下的系统数据状态向量D⁽ⁱ⁾。

更进一步地，所述的步骤S1包括：

S11、系统共有n个节点，各个节点在某一时间段的包含数据量作为节点位于该时间段的数据状态；

S12、系统的数据状态向量表示为D^(t)＝{d_i ^(t)}，d_i ^(t)表示节点i处于第t个时间段下的数据状态；

S13、计算处于第t个时间段下节点i包含的数据量传输到第t+1个时间段下节点j的数据传播概率p_ij；

各个节点与其具有连通性的节点之间的数据传播概率组成的矩阵作为数据传播矩阵，记为P＝(p_ij)_n×n。

更进一步地，所述的步骤S2包括：

S21、建立如下式的二次规划的最优化模型，通过该最优化模型，求得数据传播矩阵各个节点之间的数据传播概率

s.t.{p_ij≥0,i,j＝1,2,…,n

其中，D^(t)表示处于第t个时间段下的实际的系统数据状态向量，D^(t)＝{d_i ^(t)}，d_i ^(t)表示系统的第i个节点处于第t个时间段下的数据状态；f(P)表示向量D^(t)与D^(t)·P之间各元素的误差平方和，'表示向量的转置，即向量D^(t+1)-D^(t)·P的转置向量；D^(t)·P即可得到理论计算下的第t+1个时间段下的系统数据状态向量；m为传播时间段的个数；

S22、在某一已知传播结果的数据作用下，利用数据传播中各个时间段下的系统数据状态向量和电力信息物理系统的已知的初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求解二次规划的最优化模型，获得数据传播矩阵P，其中D⁽⁰⁾＝{d_i ⁽⁰⁾}，d_i ⁽⁰⁾代表电力信息物理系统中第i个节点的初始数据状态，即节点i有d_i ⁽⁰⁾的数据量，i＝1,2,...,n。

进一步地，基于求得数据传播矩阵P，用数据传播矩阵P和系统初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求得各个时间段下的系统数据状态向量D^‘(i)，具体内容为：

利用以下公式求得第t个时间段下的系统数据状态向量：

D^‘(i)＝D⁽⁰⁾·(P)^t

其中，(P)^t表示为数据传播矩阵P的t次方。

本发明具有的有益效果如下：

本发明针对电力信息物理系统的特点，建立电力信息物理系统数据传播架构，构建了基于传播矩阵的数据传播模型，利用最优化模型求解数据传播矩阵。

本发明提出的数据传播矩阵充分体现了信息空间之间各节点，电力空间各节点以及信息电力空间之间的数据传播过程。

本发明通过分析信息空间对电力信息物理系统的数据传播的影响，将信息空间和电力系统的安全防御体系相结合，可指导三道防线措施的开展。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的数据传播图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明为一种考虑电网三道防线架构的电力信息物理系统数据传播建模方法，其步骤如下：

第一步：建立数据传播架构，数据传播分为信息空间内、电力空间内、电力和信息空间之间的数据传播，空间内存在节点和通信通道；

第二步：针对数据传播架构，构建基于传播矩阵的数据传播模型，对数据从信息空间接收端向电力空间发送端的传播进行模型量化；

第三步：基于数据传播矩阵和系统初始数据状态向量，求得各个时间段下的系统数据状态向量。

所述第一步具体为：

第一步：建立电力信息物理系统数据传播架构；

本发明中的电力信息物理系统数据传播架构是：在电力信息物理系统中，信息系统数据向电力系统数据传播，致使数据不断向相邻、次相邻元件及更远的元件传播。

电力信息物理系统的数据传播一共分为三个部分：第一部分为信息空间的数据从接收端向发送端的传播；第二部分为信息空间的数据从发送端向电力空间的接收端的传播；第三部分为电力空间的数据从接收端向发送端传播。

电力信息物理系统的空间内存在节点和通信通道，节点是指信息空间、电力空间中的设备，节点序数记为i(i＝1,2,...,n)，n表示电力信息物理系统的节点总数。通信通道表示各个空间内部以及两个空间之间的数据传输的通道。

本发明中所用的数据传播含义：数据从信息空间的接收端到电力空间的发送端，该流程称为数据的传播。

所述第二步具体为：

第二步：针对数据传播架构，构建基于传播矩阵的数据传播模型

S1、构建传播矩阵：

S11、系统共有n个节点，各个节点在某一时间段的包含数据量作为节点位于该时间段的数据状态。

S12、系统的数据状态向量表示为D^(t)＝{d_i ^(t)}，d_i ^(t)表示节点i处于第t个时间段下的数据状态；

S13、计算处于第t个时间段下节点i的包含的数据量可以传输到第t+1个时间段下节点j的数据传播概率p_ij：

各个节点与其具有连通性的节点之间的数据传播概率组成的矩阵作为数据传播矩阵，记为P＝(p_ij)_n×n；

S2、数据传播矩阵的求解：

为了获得数据传播矩阵P，利用最优化的思想，即在m个传播时间段，要使实际情况下的各个节点的数据状态与理论计算的各个节点的数据状态的误差平方和达到最小为准则，为此建立最优化模型。其中，根据历史上的多次数据传播过程，实际情况下的各个节点的数据状态为已知值。

S21、建立如下式的二次规划的最优化模型，通过该最优化模型，可以求得数据传播矩阵各个节点之间的数据传播概率

s.t.{p_ij≥0,i,j＝1,2,…,n

其中，D^(t)表示处于第t个时间段下的系统数据状态向量，D^(t)＝{d_i ^(t)}，d_i ^(t)表示系统的第i个节点处于第t个时间段下的数据状态；f(P)表示向量D^(t)与D^(t)·P之间各元素的误差平方和，'表示向量的转置，即向量D^(t+1)-D^(t)·P的转置向量；D^(t)·P即可得到理论计算下的第t+1个时间段下的系统数据状态向量。

S22、在某一已知传播结果的数据作用下，利用数据传播中各个时间段下的系统数据状态向量和电力信息物理系统的已知的初始数据状态向量D⁽⁰⁾求解二次规划的最优化模型获得数据传播矩阵P，其中D⁽⁰⁾＝{d_i ⁽⁰⁾}，d_i ⁽⁰⁾(i＝1,2,...,n)代表电力信息物理系统中第i个节点的初始数据状态，即节点i有d_i ⁽⁰⁾的数据量；

S3、基于求得数据传播矩阵P，在某一未知传播结果的数据作用下，用数据传播矩阵P和系统初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求得各个时间段下的系统数据状态向量，直至D⁽ⁱ⁾达到稳定状态，则数据传播结束，各个节点最终包含的数据量，即数据状态可以求得。

所述第三步具体为：

第三步：基于求得数据传播矩阵P，用数据传播矩阵P和系统初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求得各个时间段下的系统数据状态向量D^‘(i)，具体内容为：

利用以下公式求得第t个时间段下的系统数据状态向量：

D^‘(i)＝D⁽⁰⁾·(P)^t

其中，(P)^t表示为数据传播矩阵P的t次方。

按照本发明方法实施的实施例及其实施过程如下：

第一步：建立数据传播架构；

电力信息物理系统共含有3个信息节点，3个电力节点。其中电力节点代表发电机，变压器等电力设备，信息节点代表控制器，传感器等通信设备。

第二步：构建基于传播矩阵的数据传播模型；

已知历史数据下，系统共经历了4个时间段，各节点数据状态达到稳定，每次数据传播后的各节点状态如表1所示，基于最优化模型计算得到数据传播矩阵P。

表1：每次传播后的各节点数据状态

节点编号	初始数据	第1个时间段	第2个时间段	第3个时间段	第4个时间段
						1	1	1	1	1	1
2	0	1	1	1	1
						3	0	0	1	1	1
4	0	0	0	1	1
						5	0	0	0	0	1
6	0	0	0	0	1

数据传播矩阵P为：

第三步，基于求得的数据传播矩阵P，已知系统初始数据状态向量为D⁽⁰⁾＝[1，1，0，0，0，0]，从而计算得到的系统各节点的数据状态D^‘(i)如图2所示。

Claims (3)

1.考虑电网三道防线的电力信息物理系统数据传播建模方法，其特征在于，建立数据传播架构，数据传播分为信息空间内、电力空间内、电力和信息空间之间的数据传播，空间内存在节点和通信通道，节点是指信息空间、电力空间中的设备，节点序数记为i，i＝1,2,…,n，n表示电力信息物理系统的节点总数；通信通道表示各个空间内部以及两个空间之间的数据传输的通道；

针对数据传播架构，构建基于传播矩阵的数据传播模型，对数据从信息空间接收端向电力空间发送端的传播进行模型量化；基于数据传播矩阵和系统初始数据状态向量，求得各个时间段下的系统数据状态向量；

针对数据传播架构，构建基于传播矩阵的数据传播模型，具体内容为：

S1、构建数据传播矩阵；

S2、数据传播矩阵的求解；

S3、基于求得数据传播矩阵P，在某一未知传播结果的数据作用下，用数据传播矩阵P和系统初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求得各个时间段下的系统数据状态向量D⁽ⁱ⁾，直至D⁽ⁱ⁾达到稳定状态，则数据传播结束，求得各个节点最终包含的数据量，即数据状态；

所述的步骤S1包括：

S11、系统共有n个节点，各个节点在某一时间段的包含数据量作为节点位于该时间段的数据状态；

S12、系统的数据状态向量表示为D^(t)＝{d_i ^(t)}，d_i ^(t)表示系统的第i个节点处于第t个时间段下的数据状态；

S13、计算处于第t个时间段下节点i包含的数据量传输到第t+1个时间段下节点j的数据传播概率p_ij；

各个节点与其具有连通性的节点之间的数据传播概率组成的矩阵作为数据传播矩阵，记为P＝(p_ij)_n×n。

2.根据权利要求1所述的考虑电网三道防线的电力信息物理系统数据传播建模方法，其特征在于，所述的步骤S2包括：

S21、建立如下式的二次规划的最优化模型，通过该最优化模型，求得数据传播矩阵各个节点之间的数据传播概率

s.t.{p_ij≥0,i,j＝1,2,…,n

其中，D^(t)表示处于第t个时间段下的实际的系统数据状态向量，D^(t)＝{d_i ^(t)}，d_i ^(t)表示系统的第i个节点处于第t个时间段下的数据状态；f(P)表示向量D^(t)与D^(t)·P之间各元素的误差平方和，'表示向量的转置，即向量D^(t+1)-D^(t)·P的转置向量；D^(t)·P即得到理论计算下的第t+1个时间段下的系统数据状态向量；m为传播时间段的个数；

S22、在某一已知传播结果的数据作用下，利用数据传播中各个时间段下的系统数据状态向量和电力信息物理系统的已知的初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求解二次规划的最优化模型，获得数据传播矩阵P，其中D⁽⁰⁾＝{d_i ⁽⁰⁾}，d_i ⁽⁰⁾代表电力信息物理系统中第i个节点的初始数据状态，即节点i有d_i ⁽⁰⁾的数据量，i＝1,2,...,n。

3.根据权利要求2所述的考虑电网三道防线的电力信息物理系统数据传播建模方法，其特征在于，基于求得数据传播矩阵P，用数据传播矩阵P和系统初始数据状态向量D⁽⁰⁾，求得各个时间段下的系统数据状态向量D⁽ⁱ⁾，具体内容为：

利用以下公式求得第t个时间段下的系统数据状态向量：

D⁽ⁱ⁾＝D⁽⁰⁾·(P)^t

其中，(P)^t表示为数据传播矩阵P的t次方。

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