CN111275291A - 一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法，本发明首先建立电力信息物理系统风险传递路径，风险可沿信息空间或物理空间的链式单向传递，以及信息‑物理空间的层式跨空间传递等。在输入信息系统和物理系统数据后，确定风险变量为信息系统的信息变量或物理系统的物理变量；对变量进行风险传递影响因素的计算，确定风险传递方式；最后运用蒙特卡洛仿真方法，将系统电力不足概率和电力不足期望值作为可靠性指标，通过本发明可以有效的用于分析不同风险传递路径对系统可靠性的影响。

Description

一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法，属于电力信息物理系统的可靠性计算分析领域。
背景技术
信息物理系统(cyber physical system，CPS)可通过分布式的信息系统计算元件和物理元件之间的耦合与环境交互，在电力信息物理系统中信息系统和物理系统深度交融、互相影响，但其自身的特点也将引入新的不确定因素。智能电网战略的持续发展，使电网每一个发电、输电、配电、用电环节都会增加复杂多样的元件，例如传感器和决策单元数量的增加，将带来更多不确定因素。在电网物理系统和信息系统融合的背景下，分析电网的安全性和可靠性显得十分重要。
研究表明，当信息网络和电力网络关联融合之后，信息网络中原有的各类安全风险也可能被引入到电力网中并严重影响其安全稳定运行，复杂的交互机理会使得电力网由于一次事故而引发严重的连锁故障。这些大规模停电事故，说明了无论是信息系统发生故障或者是遭受攻击，都会同时影响到信息系统和物理系统的稳定安全运行。物理系统的失效会使信息系统失去电力供应而诱发双网的级联失效，扩大安全事故范围。另一方面，信息层潜在故障，可能不会即刻直接导致大停电，但可能导致物理系统元件误动或拒动，增加停电概率与范围，削弱电网可靠性。同时也可能由于天气灾害、人为攻击等原因信息层物理层发生协同故障，直接导致故障在两层间传播发展，引起连锁故障。今后电力系统的可靠性研究应该更加关注越来越复杂的信息系统与对物理系统的交互影响。
因此，确保电力信息物理系统的稳定可靠运行是维持整个电网可靠运行的重要环节，研究电力信息物理系统的可靠性，对提高整个系统运行稳定性具有很好的实践价值。
发明内容
本发明提供了一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法，针对电力系统和信息系统之间风险传递途径，分析电力信息物理系统可靠性。
本发明的技术方案是：一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法，所述方法的具体步骤如下：
所述方法的具体步骤如下：
步骤1、电力信息物理系统从下到上依次为：物理层、信息物理耦合层、信息层；
步骤2、计算电力信息物理系统风险传递影响因素D：
Figure BDA0002357933880000021
其中，DC为信息系统影响指数，DP为物理系统影响指数，
Figure BDA0002357933880000027
为信息-物理系统交互影响指数；
步骤3、根据风险传递影响因素D，确定风险传递路径方式：
若DC＝0且
Figure BDA0002357933880000022
则D＝DP，风险传递路径为物理层链式传递；
若DP＝0且
Figure BDA0002357933880000023
则D＝DC，风险传递路径为信息层链式传递；
若DC≠0且DP≠0，则
Figure BDA0002357933880000024
风险传递路径为信息-物理层层式传递；
步骤4、确定风险传递路径后，运用序贯蒙特卡洛方法对系统进行状态采样，计算系统可靠性指标；其中，可靠性指标是指系统电力不足概率和电力不足期望值；
步骤5、判断可靠性指标是否收敛：若不满则重复步骤4，满足则最终得出电力不足概率和电力不足期望值。
所述
Figure BDA0002357933880000025
Figure BDA0002357933880000026
其中，信息系统内节点的集合表示为NC≡{c1,c2,…,cm}，物理系统内节点的集合表示为NP≡{p1,p2,…,pn}， cm表示信息系统内第m个节点，pn表示物理系统内第n个节点， 信息系统和物理系统中节点数量为m和n；信息系统节点i的权重为ω(i)2， 物理系统节点j的权重为ω(j)2；ωij＝ω(i)×ω(j)，MS为描述信息系统和物理系统间的交互矩阵，MS′表示发生故障后两个系统的交互矩阵，MS＝(mij)m×n，mij＝0或1，当mij＝0时，表示节点i和j之间不存在连接关系，当mij＝1时，表示节点i和j之间存在连接关系。
本发明的有益效果是：本发明首先建立电力信息物理系统风险传递路径，风险可沿信息空间或物理空间的链式单向传递，以及信息-物理空间的层式跨空间传递等。在输入信息系统和物理系统数据后，确定风险变量为信息系统的信息变量或物理系统的物理变量；对变量进行风险传递影响因素的计算，确定风险传递方式；最后运用蒙特卡洛仿真方法，将系统电力不足概率和电力不足期望值作为可靠性指标，通过本发明可以有效的用于分析不同风险传递路径对系统可靠性的影响。
附图说明
图1是电力信息物理系统层次结构示意图；
图2是本发明采用的电力信息物理系统风险传递路径示意图；
图3是本发明的流程图；
图4是可靠性指标EDNS收敛图。
具体实施方式
实施例1：如图1-4所示，一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤1、电力信息物理系统从下到上依次为：物理层、信息物理耦合层、信息层；在物理层输入物理系统设备的可靠性数据，信息层输入信息系统设备的可靠性数据，信息物理耦合层为收集物理层数据和信息层数据的耦合处理阶段；电力信息物理系统主要设备可靠性数据以设备平均故障时间(Mean Time To Failure，MTTF/h)和平均修复时间(MeanTime To Repair，MTTR/h)为主；
步骤2、计算电力信息物理系统风险传递影响因素D：电力信息物理系统风险传递影响因素的计算需考虑信息系统影响、物理系统影响以及信息-物理系统跨空间交互影响：
Figure BDA0002357933880000031
其中，DC为信息系统影响指数，DP为物理系统影响指数，
Figure BDA0002357933880000032
为信息-物理系统交互影响指数；信息-物理系统交互影响指数
Figure BDA0002357933880000033
定义为交互边相对于故障发生前后的加权损失；
步骤3、根据风险传递影响因素D，确定风险传递路径方式：
若DC＝0且
Figure BDA0002357933880000034
则D＝DP，表明信息系统可靠，不产生信息-物理交互影响，仅考虑物理系统影响，风险传递路径为物理层链式传递；
若DP＝0且
Figure BDA0002357933880000035
则D＝DC，表明物理系统可靠，也不产生信息-物理交互影响，仅考虑信息系统影响，风险传递路径为信息层链式传递；
若DC≠0且DP≠0，则
Figure BDA0002357933880000041
表明信息系统和物理系统产生风险传递影响，此时考虑信息-物理系统跨空间交互影响，风险传递路径为信息-物理层层式传递；
步骤4、确定风险传递路径后，运用序贯蒙特卡洛方法对系统进行状态采样，计算系统可靠性指标；其中，可靠性指标是指系统电力不足概率和电力不足期望值；
步骤5、判断可靠性指标是否收敛：即经过多次迭代后得出的结果趋于某个数值；若不满则重复步骤4，满足则最终得出电力不足概率和电力不足期望值。
进一步地，可以设置所述
Figure BDA0002357933880000042
Figure BDA0002357933880000043
其中，信息系统内节点的集合表示为NC≡{c1,c2,…,cm}，物理系统内节点的集合表示为NP≡{p1,p2,…,pn}，cm表示信息系统内第m个节点，pn表示物理系统内第n个节点，信息系统和物理系统中节点数量为m和n；信息系统节点i的权重为ω(i)2，物理系统节点j的权重为ω(j)2(为保证量纲一致，权重为该节点的交互系数平方)；ωij＝ω(i)×ω(j)，MS为描述信息系统和物理系统间的交互矩阵，MS′表示发生故障后两个系统的交互矩阵，MS＝(mij)m×n，mij＝0或1，当mij＝0时，表示节点i和j之间不存在连接关系，当mij＝1时，表示节点i和j之间存在连接关系。
再进一步地，给出如下实验过程：
根据步骤1，对IEEE-RTS79测试系统进行分析，该物理层包含24个变电站节点，38条线路，33台发电机组分别与11个变电站相连。信息层由24个变电站的信息层监视系统、调度控制中心及电力通信网络组成。信息设备考虑交换机、IED与MU、服务器及通讯线路等，其可靠性数据如表1所示。物理设备考虑发电机、输电线路、变压器、断路器等，常规发电机的可靠性数据如表2所示。
表1：信息层设备可靠性数据
Figure BDA0002357933880000044
Figure BDA0002357933880000051
表2：物理层常规发电机可靠性数据
Figure BDA0002357933880000052
步骤2计算信息物理系统风险传递影响因素D。
步骤3根据风险传递影响因素，确定风险传递路径方式。
步骤4确定风险传递路径后，运用序贯蒙特卡洛方法对电力信息物理系统进行状态采样，模拟电力信息物理系统运行状态，计算系统可靠性指标。其中，可靠性指标是指系统电力不足概率(Loss of load probability，LOLP)和电力不足期望值(Expected demandnot supplied，EDNS)。
步骤5判断可靠性指标是否满足可靠性收敛条件，即经过多次迭代后得出的结果趋于某个数值。若不满则重复步骤4，满足则最终得出电力不足概率和电力不足期望值。
本实施例采样次数50000次，并对比不同风险传递路径对电力信息物理系统可靠性影响。
表3不同研究案例
Figure BDA0002357933880000053
表4案例结果对比
Figure BDA0002357933880000054
案例1对比案例2、案例3结果可以看出，仅考虑信息系统或物理系统单方面的影响，对电力信息物理系统的可靠性分析并不全面，为解决这个问题，本申请提出的考虑风险传递路径影响对分析电力信息物理系统可靠性的影响存在合理性。案例1和案例3结果对比可以看出，考虑风险传递路径的信息-物理层式传递比物理链式传递的可靠性指标有所上升，可靠性指标LOLP与EDNS分别上升了13.46％和20.80％。案例2和案例3结果对比可以看出，考虑风险传递路径的信息-物理层式传递比信息链式传递的可靠性指标LOLP与EDNS也分别上升了2.24％和2.55％。可以看出信息-物理层式传递比链式传递的风险传递故障概率大，原因在于信息与物理系统的交互影响使电力信息物理系统在多因素交织的复杂运行环境下，增加系统发生故障的概率。同时，将EDNS作为可靠性指标收敛的判别标准，得出EDNS的收敛速度如图4所示，已经趋于收敛于某一数值，即本发明方法具有很好的收敛性。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
步骤1、电力信息物理系统从下到上依次为：物理层、信息物理耦合层、信息层；
步骤2、计算电力信息物理系统风险传递影响因素D：
Figure FDA0002357933870000011
其中，DC为信息系统影响指数，DP为物理系统影响指数，
Figure FDA0002357933870000012
为信息-物理系统交互影响指数；
步骤3、根据风险传递影响因素D，确定风险传递路径方式：
若DC＝0且
Figure FDA0002357933870000013
则D＝DP，风险传递路径为物理层链式传递；
若DP＝0且
Figure FDA0002357933870000014
则D＝DC，风险传递路径为信息层链式传递；
若DC≠0且DP≠0，则
Figure FDA0002357933870000015
风险传递路径为信息-物理层层式传递；
步骤4、确定风险传递路径后，运用序贯蒙特卡洛方法对系统进行状态采样，计算系统可靠性指标；其中，可靠性指标是指系统电力不足概率和电力不足期望值；
步骤5、判断可靠性指标是否收敛：若不满则重复步骤4，满足则最终得出电力不足概率和电力不足期望值。
2.根据权利要求1所述的基于风险传递路径的电力信息物理系统可靠性分析方法，其特征在于：所述
Figure FDA0002357933870000016
Figure FDA0002357933870000017
其中，信息系统内节点的集合表示为NC≡{c1,c2,…,cm}，物理系统内节点的集合表示为NP≡{p1,p2,…,pn}，cm表示信息系统内第m个节点，pn表示物理系统内第n个节点，信息系统和物理系统中节点数量为m和n；信息系统节点i的权重为ω(i)2，物理系统节点j的权重为ω(j)2；ωij＝ω(i)×ω(j)，MS为描述信息系统和物理系统间的交互矩阵，MS′表示发生故障后两个系统的交互矩阵，MS＝(mij)m×n，mij＝0或1，当mij＝0时，表示节点i和j之间不存在连接关系，当mij＝1时，表示节点i和j之间存在连接关系。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200612

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