CN111369388A - 用于城市电网的对抗脆弱性评估方法及系统 - Google Patents
用于城市电网的对抗脆弱性评估方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于城市电网的对抗脆弱性评估方法及系统，对抗脆弱性评估方法包括：步骤S1：根据城市电网特征建立城市电网脆弱性指标评价体系；步骤S2：通过城市电网脆弱性指标评价体系从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给对城市电网进行识别和评价，并获得城市电网的脆弱度及脆弱区域；步骤S3：根据脆弱度及脆弱区域以攻击方及/或防守方为设定目标，获得攻击方及/或防守方的停电损失；步骤S4：根据停电损失进行相应的模拟决策。
Description
技术领域
本发明涉及一种评估方法及系统，具体地说，尤其涉及一种用于城市电网的对抗脆弱性评估方法及系统。
背景技术
随着城市化进程的快速发展，国民经济、人民生活以及城市其他基础设施对电的依赖性也逐步提高。在现代城市体系中，电力是基础设施中最非常关键的一环，一旦发生大面积停电，不仅会造成巨大经济损失，很多关键设施都无法使用，引起城市功能紊乱，民众也会陷入混乱，更会引起国际舆论的关注。为此，电力基础设施已成为重要的攻击目标，尤其赛博空间的对抗，备受各方的重视。
为提升城市电力基础设施抗打击能力，需要研发城市电力基础设施攻防技术模型方案，支持作战样式的研究、作战演练和军事指挥训练，而传统电力系统专业分析方法，无法满足军事需求的综合性、快速计算和对打击手段的广泛适用性。因此本技术针对现代城市特点，基于脆弱性分析方法提出准确可靠性的评估模型。
考虑到现代城市的发展具有社会性和物理性，两者相辅相成，协调发展。随着城市规模的壮大，城市电网随之配套发展也进一步呈现出某些重要特征。因此，综合脆弱性识别应当基于城市特征从而保证其有效性。
城市作战过程中，考虑如何实现城市脆弱点与脆弱线路的识别对于提高城市抗打击能力具有重要的实际意义。目前，大量学者从复杂网络理论以及风险理论的角度出发分析对应特点，实现考虑城市电网实际特征的脆弱性评估方法。为了进一步细化分析不同工作，基于国内现状，主要从结合典型复杂网络理论以及面向城市电网的故障风险理论对城市脆弱性进行评估分析。
在复杂网络理论应用中，该理论对于考虑打击对象时如何在众多电力元件中识别关键部位具有重要的现实意义。当重要节点或线路作为攻击目标时，较小的攻击程度能引起连锁反应事故，并对系统中部分元件产生影响，遍及整体的连锁反应是系统动态行为的本质。因此，复杂网络理论可基于不同线路节点的拓扑关系，识别其中关键位置，为控制者提供决策依据。但具体的实现过程中，当采用复杂网络理论时往往把电网系统作为一个无向无权重的网络系统，从而依据网络结构的整体特征出发解释复杂电网的运行特性，指出大电网的薄弱环节，模拟连锁故障的发生过程和涉及线路。但模型与实际电网有一定误差，未全面考虑支路权重、节点权重和运行裕度，同时也未考虑实际电力系统中的继电保护装置等具体设备。因此为了进一步反映城市电网的特性，要求考虑城市的不同基本特性，从而建立对应合理的评估方法。
而在风险故障理论中，随着城市电网不断发展，其抗打击能力与坚强水平的影响因素趋向于多样化。尤其在配电网层面中，网架结构复杂，源荷关系多样，多种能源形式参与使其脆弱性评估过程趋于复杂。因此，在配电网系统脆弱性评估过程中，风险理论得到了较多的关注。风险理论的制定主要包括攻击对象以及对应攻击后果，攻击对象往往依据城市电网功能，基本网架结构等特征制定。然而，该方法忽略了城市抗打击过程中，攻防互动特点，同时较为抽象尚未针对不同城市功能建立对应指标体系。
因此急需开发一种克服现有缺陷的考虑城市功能特征的用于城市电网的对抗脆弱性评估方法及系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于城市电网的对抗脆弱性评估方法，其中，包括：
步骤S1：根据城市电网特征建立城市电网脆弱性指标评价体系；
步骤S2：通过城市电网脆弱性指标评价体系从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给对城市电网进行识别和评价，并获得城市电网的脆弱度及脆弱区域；
步骤S3：根据脆弱度及脆弱区域以攻击方及/或防守方为设定目标，获得攻击方及/或防守方的停电损失；
步骤S4：根据停电损失进行相应的模拟决策。
本发明还提供一种用于城市电网的对抗脆弱性评估系统，其中，包括：
体系构建单元，根据城市电网特征建立城市电网脆弱性指标评价体系；
评价单元，通过城市电网脆弱性指标评价体系从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给对城市电网进行识别和评价，并获得城市电网的脆弱度及脆弱区域；
停电损失获得单元，根据脆弱度及脆弱区域以攻击方及/或防守方为设定目标，获得攻击方及/或防守方的停电损失；
决策单元，根据停电损失进行相应的模拟决策。
本发明针对于现有技术其功效在于：凝练出典型城市电网的基本特征，并在此基础上建立城市电网脆弱性评估指标体系和指标计算模型，同时考虑到不同对象的博弈特征，可分为攻击方与防守方而言，分别以攻击方与防守方为设定目标，实现模拟决策，从而通过综合评价可以初步获得城市电网总体脆弱性和某些方面的薄弱环节。
附图说明
图1为本发明对抗脆弱性评估方法的流程图；
图2为图1中步骤S2的分步骤流程图；
图3为图1中步骤S3的获得防守方停电损失的分步骤流程图；
图4为图1中步骤S3的获得攻击方停电损失的分步骤流程图；
图5为图4应用流程图；
图6为城市电网脆弱性指标评价体系示意图；
图7为110kV变电站综合重要度示意图；
图8为本发明对抗脆弱性评估系统的结构示意图。
具体实施方式
兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为对本发明实施的限制。
请参照图1，图1为本发明对抗脆弱性评估方法的流程图。如图1所示，本发明的用于城市电网的对抗脆弱性评估方法包括：
步骤S1：根据城市电网特征建立城市电网脆弱性指标评价体系；其中，于本步骤S1中对城市电网的发电、输电以及用电三个环节进行分析获得城市电网特征。
请参照图6，图6为城市电网脆弱性指标评价体系示意图。结合图1，具体说明如下：
城市电网担负着向用户供电的任务，其电压等级从高到低为500kV、220kV、110、10kV 3层电网组成。10千伏及以下配电网包括10千伏配电线路、10千伏配电所和380/220伏低压配电线路。
项目组分别多个省市电网结构、电源、负荷等多方面进行对比分析，提炼出超大级城市电网的几个基本特征：
1.1外受电依赖度高，通道风险大
能源分布和负荷增长的不均衡，节约用地的要求以及环境污染的限制导致我国东部大城市大多为受端电网，电力对外依存度较高。如上海电网外部受电比例较大，接近总负荷的40％，北京电网近几年来高达70％，输电通道一旦破坏，对城市电网影响严重。
1.2交直流联合供电，“强直弱交”现象严重
城市电网负荷较大，500kv外送电交流满足不了负荷快速增长的需求，加上我国直流特高压的飞速发展，特大城市电网的外部联系呈现“强直弱交”现象，交流与直流两种输电形态在其结构发展不均衡的阶段，直流有功、武功受扰大幅变化激发起超出既定设防标准的扰动，冲击承载能力不足的交流薄弱环节，使连锁故障风险加剧。除此之外，电网的直流接入较多，且直流落点之间距离较近，交直流故障下快速控制存在较大风险。
1.3网络结构分层分区结构清晰，无标度特性弱化
随着电网投资的增加、网架结构的优化，大多形成了500kV高压环网作为主干网架，220kV电网采取分区独立运行的方式，各电压等级间交错供电，每层内供电结构清晰，故障下可以互相支援。标准化的结构导致无标度特征弱化，增加了电网韧性。
1.4地下电缆密集，故障风险高、修复困难
由于城市用地的限制，导致铺设了大量地下电缆，电缆线路拥挤、密集，严重故障风险高，修复困难。
1.5与其他基础设施耦合性强
第一，为了减少污染，政府积极推行煤改气政策，使得电网与燃气系统耦合越来越密切。然而，燃气管道一旦故障，电网也会受到影响，造成大面积停电风险。典型的案例为，台湾地区最大规模停电事故(2017年2月)起源于中油人员误操作导致天然气中断，损失4200MW燃气轮机组(占总负荷的11.6％)，导致668万用户供电受到影响，每轮停电1h，部分用户停电2轮。
第二，对于严重缺水的城市和淡水资源缺乏的城市，电厂冷却水多采用以中水为水源的供水系统，形成与中水系统耦合的格局。火力发电厂中循环冷却水占电厂总耗水量的60％～80％，中水系统一旦故障将导致凝汽设备无法正常运行，而凝汽设备又是火力发电厂汽轮机装置的一个重要组成部分，其工作状态直接影响整个机组的运行可靠性。
1.6对通信系统的依赖较强
随着信息物理融合系统的不断发展，信息系统既能提供丰富的信息资源，但也会导致电力系统面临更大的攻击威胁，如恶性数据的注入能够有效地绕过系统监测和防御，影响系统状态估计的结果，使控制中心计算出错误的系统运行状态，从而作出错误的决策。近年来，已经发生了数次通信引发或加剧电力事故的实例，例如我国220kV及以上系统由于通信通道问题(时延和误码等)引起保护装置不正确动作数次；大停电的诱因之一是通信信号到达调度中心后被组合导致未能清楚地表明是变压器还是电抗器引起的告警。
1.7本地电源缺乏
由于电厂厂址资源紧缺，本地一次能源缺乏，同时，大型城市大多采用集中供电，没有充足区域建设本地分布式新能源，电源结构单一。
1.8城市区域发展不均衡
大城市历史发悠久，局部电网设备老化，电网规划与负荷发展不均衡，尤其是近几年来负荷高速增长，电网建设不断加快,往往是一批老设备尚未改造完，一些原来认为较新的设备又成了急需改造的老设备。
1.9负荷峰谷差明显，且有越来越大趋势
北京、上海都是国家政治文化经济中心，第三产业发展迅速，负荷峰谷差非常大，而且空调、供暖、电动汽车大量应用，峰值负荷更大，负荷持续时间长。遭受攻击的停电后果与负荷关系密切。
1.10基于设备水平的脆弱性
大城市历史发展悠久，局部电网设备老化，城市电网设备健康水平欠佳。大停电事故往往是由个别关键电网元件故障或者部分关键节点过负荷导致的，这些关键环节主要包括：在电力系统中处于关键位置的脆弱性线路和节点，他们突然退出将造成网络元件故障的连锁反应最终导致电网暂态失稳、系统崩溃。虽说近年来随着电网的发展上海电网采用了大量优质的先进设备,但不能忽视的是上海电网毕竟已具有一百多年的历史，存在大量的老旧设备，一些老的20kV变电站的使用期限已超过35年。尤其是近几年来负荷高速增长，电网建设不断加快,往往是一批老设备尚未改造完，一些原来认为较新的设备又成了急需改造的老设备。
步骤S2：通过城市电网脆弱性指标评价体系从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给对城市电网进行识别和评价，并获得城市电网的脆弱度及脆弱区域。
具体地说，为了减小军事攻击造成的影响，需要识别电网中的脆弱点，以便进行防御并设置相应的应急措施，因此本文通过对超大城市电网发电、输电以及用电这三个环节进行分析，总结出超大城市电网的特征，并据此建立超大城市电网脆弱性指标体系，从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给/基础设施这五个方面识别与评价。
其中，电源结构脆弱性识别和评价包括：
1、高峰时期电能供应存在较大缺口，其相关风险评估指标：全网供电盈余。
2、负荷增长远大于新增外部供电容量增长，其相关风险评估指标：最大可调用容量增长率及最大负荷增长率。
3、本地电源支撑不足，其相关风险评估指标：本地电源负荷匹配度
4、具有自启动能力的黑启动电源比例偏低，其相关风险评估指标：具有自启动能力的黑启动电源比例。
但需要说明的是，本发明并不以此为限，在其他实施例中，电源结构脆弱性识别和评价还可包括：黑启动电源布局不合理、保安电源负荷保证能力不足、军事攻击造成电源停运的风险较大、新建发电机组的投产比例不合理等。
其中，电网结构脆弱性识别和评价包括：
1、负荷增长远大于变电容量增长，其相关风险评估指标：最高中调负荷增长率及220kV变电容量增长率。
2、高峰时期电网电能供应存在较大缺口，其相关风险评估指标：全网供电盈余。
3、主干输电网“卡脖子”现象较为严重，其相关风险评估指标：220kV主变平均容载比及220k主变平均负载率。
4、重要变电站故障可能导致大量负荷削减，，其相关风险评估指标：220kV变电站单台及全站停运最大负荷削减比例。
但需要说明的是，本发明并不以此为限，在其他实施例中，电网结构脆弱性识别和评价还可包括：要输电线路脆弱性可能导致大量负荷削减、要输电线路脆弱性可能导致大量负荷削减、重要电力送入通道故障将导致大量负荷削减、重要电力送出通道可靠性不高以及重要电力送出通道故障将导致大量电源容量削减等。
其中，电网运行脆弱性识别和评价包括：
1、短路电流水平超标严重，其相关风险评估指标：短路电流超标的220kV变电站比例。
2、重要元件重载过载严重，其相关风险评估指标：最大负荷情况下220kV主变重载或过载比例及最大负荷情况下220kV线路重载或过载比例。
3、电压水平较低，其相关风险评估指标：大负荷方式下电压不合格的220kV变电站比例及小负荷方式下电压不合格的220kV变电站比例。
4、继保设备不正确动作，其相关风险评估指标：交流系统保护不正确动作率的增长率、直流系统保护不正确动作率的增长率及滤波器保护故障风险增长率。
但需要说明的是，本发明并不以此为限，在其他实施例中，电网运行脆弱性识别和评价还可包括：安全稳定控制策略自适应性不强、安全稳定控制系统存在拒动或误动的风险、安全稳定控制系统的协调配合存在风险等。
随着泛在电力物联网建设的逐步推进，城市电网中将会部署大量的智能终端设备，在与调度中心通信的过程中，各类数据需要上传，控制命令需要下达，通信网作为唯一的信息传输通道，在遭受攻击后，将会使得电网控制与信息采集失效，因此，通信网的正常运行是保证电网稳定的重要一环。
其中，通信耦合脆弱性识别和评价的相关风险评估指标：通信设备失效率、智能终端渗透率、通信设备同位耦合率及通信网架冗余度。
由于历史原因，城市本地电源以火电厂为主，但随着人们环保意识的加强，以煤为原料的火电厂所占比例正逐渐下降，燃气电厂所占比例正逐渐上升，但是燃气电厂受气源的影响较大，一旦气源遭到破坏，将会导致燃气电厂停运，因此考虑评估燃气电厂的脆弱性显得十分必要。
其中，外部供给脆弱性识别和评价包括燃气电厂对电网的影响及中水系统对电厂的影响，其相关风险评估指标：气源脆弱度、城市中燃气电厂总容量占最大负荷需求比例及中水系统供水量占所有电厂需求量的比例。
请参照图2，图2为图1中步骤S2的分步骤流程图。结合图1，于所述步骤S2中包括：
步骤S21：确定评价对象的因素论域；
步骤S22：确定评语等级论域；
步骤S23：建立模糊关系矩阵；
步骤S24：确定评价因素的权向量；
步骤S25：合成模糊综合评价结果向量；
步骤S26：基于模糊综合评估体系对模糊综合评价结果向量进行分析获得城市电网的脆弱度及脆弱区域。
具体地说，模糊综合评价是以模糊数学为基础。应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清，不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法。在电网建设综合评价中，涉及到大量的复杂现象和多种因素的相互作用，而且，评价中存在大量的模糊现象和模糊概念。因此，在综合评价时，常用到模糊综合评价的方法进行定量化处理，评价出校园环境的质量等级，取得了良好的效果。但权重的确定需要专家的知识和经验，具有一定的缺陷，为此，本文采用层次分析法来确定各指标的权系数。使其更有合理性，更符合客观实际并易于定量表示，从而提高模糊综合评判结果的准确性。因此本文提出了基于层次分析法的模糊评价机制对报告中所涉及的施工方案进行评价分析，考虑到社会以及经济效益评价、可持续发展评价以及实施过程评价三个角度对建设过程进行具体分析，进而获得该方案的综合评价得分。
模糊综合评价方法和步骤:
模糊综合评价是通过构造等级模糊子集把反映被评事物的模糊指标进行量化(即确定隶属度)，然后利用模糊变换原理对各指标综合。基于模糊综合评价方法结合定性与定量的角度实现对于城市电网脆弱性的综合评价分析。
评价步骤：
(1)确定评价对象的因素论域
P个评价指标，
u＝{u1,u2,……,up} (1)
(2)确定评语等级论域
v＝{v1,v2,……,vp} (2)
即等级集合。每一个等级可对应一个模糊子集。
(3)建立模糊关系矩阵R
在构造了等级模糊子集后，要逐个对被评事物从每个因素上进行量化，即确定从单因素来看被评事物对等级模糊子集的隶属度，进而得到模糊关系矩阵：
矩阵R中第i行第j列元素，表示某个被评事物从因素ui来看对vj等级模糊子集的隶属度。一个被评事物在某个因素ui方面的表现，是通过模糊向量(R|ui)＝(ri1,ri2,……,rim)来刻画的，而在其他评价方法中多是由一个指标实际值来刻画的，因此，从这个角度讲模糊综合评价要求更多的信息。
(4)确定评价因素的权向量
在模糊综合评价中，确定评价因素的权向量：A＝(a1,a2,……,ap)。权向量A中的元素本质上是因素对模糊子{被评事物重要的程度}的隶属度。本文使用层次分析法来确定评价指标间的相对重要性次序。从而确定权系数，并且在合成之前归一化。
(5)合成模糊综合评价结果向量
利用合适的算子将A与各被评事物的R进行合成，得到各被评事物的模糊综合评价结果向量B。即：
其中b1是由A与R的第j列运算得到的，它表示被评事物从整体上看对vj等级模糊子集的隶属程度。
(6)对模糊综合评价结果向量进行分析
表1模糊综合评价体系
如表所示，在城市特征脆弱性评级体系中，由于多个指标体系之间相互影响，存在一定的耦合作用，例如外通道冗余特征往往与其内部受电关系紧密相关，通道充足备用往往能够一定程度上缓解电源不平衡的特点。因此基于模糊综合评估体系能够兼顾不同指标间互相影响特征，从而实现对城市脆弱性的综合评估。
步骤S3：根据脆弱度及脆弱区域以攻击方及/或防守方为设定目标，获得攻击方及/或防守方的停电损失。
请结合图3，图3为图1中步骤S3的获得防守方停电损失的分步骤流程图。如图3所示：于所述步骤S3中包括：
步骤S31：根据脆弱度及脆弱区域建立攻击点场景模型；
步骤S32：基于各类攻击点场景模，依次分析其对应故障传播机理，考虑不同电压等级连接关系，确定各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征；
步骤S33：根据各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征，基于前考虑不同负荷类型的故障后果分析方法，获得对应切负荷量，根据对应切负荷量获得防守方的停电损失。
其中，步骤S31-S33为获得防守方的停电损失的具体步骤，具体说明基于脆弱性分析结果的城市电网脆弱点(脆弱区域)量化识别方法如下：
1)基于脆弱性分析结果的攻击点场景生成：
通过对城市电网进行脆弱性评估和分析，可以从评价结果中掌握城市电网脆弱程度和薄弱环节，比如对输电通道依赖强、输电通道聚集度高、燃气管网故障电网就会部分停电等等。
根据得到的薄弱环节，开展脆弱点量化识别，确认到底哪个通道被攻击会造成大面积停电，故障影响会怎样。为此，我们提出两种脆弱点识别的方法
作为防御方掌握全部的电网信息，可采用基于攻击场景预想下的量化后果计算，根据后果识别出脆弱点。
攻击场景包括攻击设施、攻击时刻负荷、攻击时刻电源三个基本要素。
2)考虑负荷重要程度的失负荷后果建模
基于前文中对于城市电网基本特征以及趋势分析可发现，在城市电网供电过程中，不同负荷类型对于供电能力的要求有所不同。而在攻击过程中，不同负荷点失电导致对应故障后果同样存在区别。因此综合考虑城市电网正常安全运行的各种动态和静态约束条件，计算城市电网的综合供电能力，对于提高城市电网供电安全有着重要意义。考虑到目前城市供电呈现出网格化，模块化的特征，考虑负荷重要程度的故障后果分析是在收集现有的地区配电网大量基础数据基础上，对现有网络进行深入的分析研究计算，进而利用所得到的结果，合理地完成对现有网络受到攻击失电后分析和评估。
为了深入分析不同电压等级节点故障对于城市电网所造成的经济与社会影响，同时实现其量化评估分析，因此进一步细化不同负荷点供电特征以及城市电网区域化模块化特点具有重要的现实意义。其分析与计算与传统电网后果评估具有一定的区别，应当考虑不同负荷自身特性以及其增长趋势对于评估结果影响，考虑到目前城市电网尚缺乏有效把握电网实际供电能力的分析工具，更缺乏在考虑负荷特性下的各区域实际供电能力的分析工具，从而造成对系统送电能力理解上形成偏差，表现在实际运行控制中，往往采取最为“保守”的技术控制措施，限制了城市供电能力的充分释放。同时，在负荷接入时，由于不能精确掌握区域负荷特性以及城市电网供电能力，造成负荷接入缺乏科学性。所以如何准确高效地计算考虑负荷重要程度的城市电网受攻击故障后果显得较为重要。其中具体表达式可细化为
其中ci表示第i个节点供电重要程度，Δp为对应负荷变化量，X为上级节点综合重要度，请参照图7，图7为110kV变电站综合重要度示意图，在本实施例中，综合重要度的具体形式可表示为图7中的形式。
3)基于攻击后果分析的综合脆弱性评估
请参照图8，图8为为了实现城市电网综合脆弱性评估，(1)首先应当明确各类预想事故集合，建立攻击预想事故模型。(2)基于各类预想事故集合模型，依次分析其对应故障传播机理，考虑不同电压等级连接关系，在各个场景中明确连锁故障传递情况。(3)根据各场景中故障传递特征，基于前文中所提到的考虑不同负荷类型的故障后果分析方法，或者电力系统专业分析软件，如BPA，计算对应切负荷量，进一步而言分析系统状态，循环求解最终脆弱性特征，最终计算获得防守方的停电损失。
请参照图4，图4为图1中步骤S3的获得攻击方停电损失的分步骤流程图。如图4所示，于所述步骤S3中包括：
步骤S31'：基于复杂网络将城市电网简化为一个由N个节点和l条边所构成的稀疏连通图；
步骤S32'：按照边介数的降幂顺序首先切除第一条边；
步骤S33'：重新计算剩余边的介数，然后与各边的容量进行比较，进而判断剩余边中是否会过负荷，若不过负荷，直接计算网络效率E及网络效率的损失值D；
步骤S34'：将电网数据恢复到正常状态；
步骤S35'：分析切除的每条边与网络效率的关系，并用曲线图描述移除各边所引发的连锁故障中网络效率的变化趋势；
步骤S36'：通过分析计算故障模式下的网络效率损失值，根据使网络效率损失值达到某一特定值以上的边获得攻击方的停电损失。
请参照图5，图5为图4应用流程图。如图5所示，其中，步骤S31'-S36'为获得攻击方的停电损失的具体步骤，具体说明考虑攻方信息缺失的复杂电力网络脆弱性分析方法如下：
基于攻击者的视角，考虑到城市电网运行状态的复杂性和不确定性，攻击者为了攻击的有效性和准确性，通常会从城市电网的拓扑结构出发，因为攻击重要的单一元件所造成的故障可能会沿电网急速传播而引发一系列连锁反应，并最终导致大停电的发生，攻击者会选择拓扑网络结构中重要的节点和边作为攻击目标。基于复杂网络理论的电网结构脆弱性研究正是从网络拓扑结构出发，分析这些重要节点或边发生故障时，对故障传播动力学行为的影响，识别出网络中固有的脆弱环节。
据相关资料统计结果表明中国电力网也具有符合复杂网络共性的性质，即小世界特性和无标度特性。在具有小世界特性的网络中，攻击关键线路十分有利于连锁故障的扩散。我国电力网的无标度特性比较低，因此耐受干扰的能力较弱。
4.1复杂网络的统计特性
(1)节点的度
节点的度是指该节点拥有相邻节点的数目，或者说与该节点相关联的边的数目。系统各节点的度可以用一个分布函数p(k)描述，其含义为一个任意选择的节点恰好有k条边的概率。
(2)介数
节点介数为网络中所有最短路径中必须经过此节点的条数。边的介数为网络中所有最短路径中必须经过此边的条数。介数反映了相应的节点或者边在整个网络中的作用和影响力。
(3)平均路径长度
网络研究中，一般定义两节点间的距离为连接两者的最短路径的边的数目；网络的直径为任意两点间的最大距离；网络的平均路径长度则是所有节点对之间距离的平均值，它描述了网络中节点间的分离程度，即网络有多小。
(4)聚集系数
聚集系数的计算方法为：假设节点i通过ki条边与其他ki个节点相连接，如果这ki个节点都相互连接，它们之间应该存在ki(ki-1)/2条边，而这ki个节点之间实际存在的边数只有Ei的话，则它与ki(ki-1)/2之比就是节点i的聚集系数。网络的聚集系数就是整个网络中所有节点的聚集系数的平均。聚集系数C用来描述网络中节点的聚集情况，即网络有多紧密。
4.2基于复杂网络的电网建模
(1)假设原则
用复杂网络的思想研究电网特性,首先要将电网简化为拓扑模型。具体原则为：
1)只考虑高压输电网(考虑220kV及以上高压线路)，不考虑配电网和发电厂、变电站的主接线结构；
2)节点(包括发电厂、变电站和中间电气连接点)均为无差别节点，不考虑大地零点；
3)所有边(输电线、变压器支路)均为无向赋权边，并且假定各边的权为各边的阻抗的模，不考虑输电线其他特性参数和电压等级的不同；
4)合并同杆并架输电线，不计并联电容支路(消除自环和多重边)，使模型成为简单图。经过这种初步简化，电网即为一个由N个节点和l条边所构成的赋权、无向、稀疏连通图。
(2)网络参量
除了反应节点间拓扑连接关系的邻接矩阵外，我们还采用的网络参量有：最短路径及最短路径长度，边介数，边容量。
1)最短路径及最短路径长度
加权网络中的最短路径pij是指从节点i到节点j间的所有连通的路径中，权数之和最小的一条或几条路径。相应的最短路径长度即为节点间的最短路径的长度。
2)边介数
边的介数为网络中所有最短路径中必须经过此边的条数。
3)边容量
将边的容量定义为通过该边的最大介数，其函数表达式为:
Ce＝(1+α)Le (6)
其中，Ce正比于其初始介数Le；α为网络的耐受性参数，且α≥0，表示边处理增加负荷或抵抗干扰的能力。边的介数对应于实际电力系统中线路负荷，边的容量对应于实际电力系统中线路的热稳定极限。
4.3脆弱性指标及分析
通过计算故障模式下的网络效率以及网络效率的损失值来衡量网络性能，分析电网的脆弱域。网络效率可以通过节点间的最短路径来计算，计算公式是:
其中,节点i,j间的效率eij定义为eij＝1/dij。如果节点i,j之间没有路径,无论是直接的还是间接的,则eij＝0。而dij是节点间i,j的最短路径长度,整个网络总共有N(N-1)/2对节点。根据公式可知,当网络具有比较小的最短路径时,网络效率会较高。
由连锁故障所导致的网络效率的损失值D的计算公式为:
其中，E(G0)是电网正常运行情况下的网络初始效率；E(GJ)是电网发生连锁故障后的网络效率值。
假定耐受性参数不变，为一特定值α。按照边介数的降幂顺序依次删除一条边，然后计算故障模式下的网络效率和网络效率的损失值D。
故障模式为：
1)按照边介数的降幂顺序首先切除第一条边；
2)重新计算剩余边的介数，然后与各边的容量进行比较，进而判断剩余边中是否会过负荷，若不过负荷，直接计算网络效率E及网络效率的损失值D；若过负荷；将过负荷的边切除；再返回到第二步；依次进行循环；
3)将电网数据恢复到正常状态,再返回到第一步,按照边介数的降幂顺序切除第二条边,再进行第二步,依次进行循环。
4)讨论切除每条边与网络效率的关系,并用曲线图描述移除各边所引发的连锁故障中网络效率的变化趋势。
通过分析计算故障模式下的网络效率损失值,将使网络效率损失值达到某一特定值以上的边获得攻击方的停电损失。
步骤S4：根据停电损失进行相应的模拟决策。
请参照图8，图8为本发明对抗脆弱性评估系统的结构示意图。如图8所示，本发明用于城市电网的对抗脆弱性评估系统，包括：
体系构建单元11，根据城市电网特征建立城市电网脆弱性指标评价体系；
评价单元12，通过城市电网脆弱性指标评价体系从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给对城市电网进行识别和评价，并获得城市电网的脆弱度及脆弱区域；
停电损失获得单元13，根据脆弱度及脆弱区域以攻击方及/或防守方为设定目标，获得攻击方及/或防守方的停电损失；
决策单元14，根据停电损失进行相应的模拟决策。
其中，所述体系构建单元11对城市电网的发电、输电以及用电三个环节进行分析获得城市电网特征。
进一步地，所述评价单元12包括：
因素论域获得模块121，确定评价对象的因素论域；
评语等级论域获得模块122，确定评语等级论域；
矩阵建立模块123，建立模糊关系矩阵；
权向量获得模块124，确定评价因素的权向量；
合成模块125，合成模糊综合评价结果向量；
分析模块126，基于模糊综合评估体系对模糊综合评价结果向量进行分析获得城市电网的脆弱度及脆弱区域。
再进一步地，所述停电损失获得单元13包括：
模型构建模块131，根据脆弱度及脆弱区域建立攻击点场景模型；
故障传递特征获得模块132，基于各类攻击点场景模，依次分析其对应故障传播机理，考虑不同电压等级连接关系，确定各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征；
第一计算模块133，根据各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征，基于前考虑不同负荷类型的故障后果分析方法，获得对应切负荷量，根据对应切负荷量获得防守方的停电损失。
更进一步地，所述停电损失获得单元13还包括：
稀疏连通图获得模块134，基于复杂网络将城市电网简化为一个由N个节点和l条边所构成的稀疏连通图；
切除模块135，按照边介数的降幂顺序首先切除第一条边；
效率计算模块136，重新计算剩余边的介数，然后与各边的容量进行比较，进而判断剩余边中是否会过负荷，若不过负荷，直接计算网络效率及网络效率的损失值；
恢复模块137，将电网数据恢复到正常状态；
变化趋势获得模块138，分析切除的每条边与网络效率的关系，并用曲线图描述移除各边所引发的连锁故障中网络效率的变化趋势；
第二计算模块139，通过分析计算故障模式下的网络效率损失值，根据使网络效率损失值达到某一特定值以上的边获得攻击方的停电损失。
综上所述，本发明考虑城市不同的功能负荷特点，基于综合评价模型从而对城市脆弱点进行识别，考虑攻击方以及防守方的特点，借助城市特点以及复杂网络理论从而实现对城市电力基础设施的分析与脆弱性评估。
1)提出包含源荷关系，网架结构以及多系统耦合等内容的城市电网基本特征。
2)建立基于典型城市特征的电网脆弱性综合评价指标体系，识别脆弱点，建立典型攻击场景并进行城市电网脆弱性量化评估分析。
3)考虑负荷重要程度以及拓扑连接，分析节点与线路重要程度，同时建立基于信息不对等的复杂网络理论攻方打击模型，基于介数以及节点度等指标提出关键节点与关键线路识别方法。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于城市电网的对抗脆弱性评估方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据城市电网特征建立城市电网脆弱性指标评价体系；
步骤S2：通过城市电网脆弱性指标评价体系从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给对城市电网进行识别和评价，并获得城市电网的脆弱度及脆弱区域；
步骤S3：根据脆弱度及脆弱区域以攻击方及/或防守方为设定目标，获得攻击方及/或防守方的停电损失；
步骤S4：根据停电损失进行相应的模拟决策。
2.如权利要求1所述的对抗脆弱性评估方法，其特征在于，于所述步骤S1中对城市电网的发电、输电以及用电三个环节进行分析获得城市电网特征。
3.如权利要求1所述的对抗脆弱性评估方法，其特征在于，于所述步骤S2中包括：
步骤S21：确定评价对象的因素论域；
步骤S22：确定评语等级论域；
步骤S23：建立模糊关系矩阵；
步骤S24：确定评价因素的权向量；
步骤S25：合成模糊综合评价结果向量；
步骤S26：基于模糊综合评估体系对模糊综合评价结果向量进行分析获得城市电网的脆弱度及脆弱区域。
4.如权利要求3所述的对抗脆弱性评估方法，其特征在于，于所述步骤S3中包括：
步骤S31：根据脆弱度及脆弱区域建立攻击点场景模型；
步骤S32：基于各类攻击点场景模，依次分析其对应故障传播机理，考虑不同电压等级连接关系，确定各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征；
步骤S33：根据各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征，基于前考虑不同负荷类型的故障后果分析方法，获得对应切负荷量，根据对应切负荷量获得防守方的停电损失。
5.如权利要求1或4所述的对抗脆弱性评估方法，其特征在于，于所述步骤S3中包括：
步骤S31'：基于复杂网络将城市电网简化为一个由N个节点和l条边所构成的稀疏连通图；
步骤S32'：按照边介数的降幂顺序首先切除第一条边；
步骤S33'：重新计算剩余边的介数，然后与各边的容量进行比较，进而判断剩余边中是否会过负荷，若不过负荷，直接计算网络效率E及网络效率的损失值D；
步骤S34'：将电网数据恢复到正常状态；
步骤S35'：分析切除的每条边与网络效率的关系，并用曲线图描述移除各边所引发的连锁故障中网络效率的变化趋势；
步骤S36'：通过分析计算故障模式下的网络效率损失值，根据使网络效率损失值达到某一特定值以上的边获得攻击方的停电损失。
6.一种用于城市电网的对抗脆弱性评估系统，其特征在于，包括：
体系构建单元，根据城市电网特征建立城市电网脆弱性指标评价体系；
评价单元，通过城市电网脆弱性指标评价体系从电源结构、电网结构、电网运行、通信耦合以及外部供给对城市电网进行识别和评价，并获得城市电网的脆弱度及脆弱区域；
停电损失获得单元，根据脆弱度及脆弱区域以攻击方及/或防守方为设定目标，获得攻击方及/或防守方的停电损失；
决策单元，根据停电损失进行相应的模拟决策。
7.如权利要求6所述的对抗脆弱性评估系统，其特征在于，所述体系构建单元对城市电网的发电、输电以及用电三个环节进行分析获得城市电网特征。
8.如权利要求6所述的对抗脆弱性评估系统，其特征在于，所述评价单元包括：
因素论域获得模块，确定评价对象的因素论域；
评语等级论域获得模块，确定评语等级论域；
矩阵建立模块，建立模糊关系矩阵；
权向量获得模块，确定评价因素的权向量；
合成模块，合成模糊综合评价结果向量；
分析模块：基于模糊综合评估体系对模糊综合评价结果向量进行分析获得城市电网的脆弱度及脆弱区域。
9.如权利要求8所述的对抗脆弱性评估系统，其特征在于，所述停电损失获得单元包括：
模型构建模块，根据脆弱度及脆弱区域建立攻击点场景模型；
故障传递特征获得模块，基于各类攻击点场景模，依次分析其对应故障传播机理，考虑不同电压等级连接关系，确定各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征；
第一计算模块，根据各个攻击点场景模型中连锁故障传递特征，基于前考虑不同负荷类型的故障后果分析方法，获得对应切负荷量，根据对应切负荷量获得防守方的停电损失。
10.如权利要求6或9所述的对抗脆弱性评估系统，其特征在于，所述停电损失获得单元还包括：
稀疏连通图获得模块，基于复杂网络将城市电网简化为一个由N个节点和l条边所构成的稀疏连通图；
切除模块，按照边介数的降幂顺序首先切除第一条边；
效率计算模块，重新计算剩余边的介数，然后与各边的容量进行比较，进而判断剩余边中是否会过负荷，若不过负荷，直接计算网络效率及网络效率的损失值；
恢复模块，将电网数据恢复到正常状态；
变化趋势获得模块，分析切除的每条边与网络效率的关系，并用曲线图描述移除各边所引发的连锁故障中网络效率的变化趋势；
第二计算模块，通过分析计算故障模式下的网络效率损失值，根据使网络效率损失值达到某一特定值以上的边获得攻击方的停电损失。
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|---|---|
| CN111369388B (zh) | 2024-01-26 |
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