CN111435478A - 一种基于图论的电力cps结构连通脆弱性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图论的电力CPS结构连通脆弱性评估方法，评估方法包括以下步骤：步骤1：确定电力CPS拓扑结构数据及电力侧与信息侧交互关系；步骤2：识别电力侧的初始风险源涌现节点；步骤3：确定初始风险源节点涌现后的电力侧网络中的最大连通集；步骤4：剔除电力侧中不属于最大连通集的节点；步骤5：剔除信息侧中与中已失去交互关系的节点；步骤6：确定信息侧网络中的最大连通集；步骤7：剔除信息侧中不属于最大连通集的节点；步骤8：剔除电力侧中与连通集中失去交互关系的节点；步骤9：输出风险故障传递后拓扑结构中失效节点数及其与初始电力信息节点总数的比例；步骤10：评估电力CPS拓扑网络结构连通脆弱性。

Description

一种基于图论的电力CPS结构连通脆弱性评估方法
技术领域
本发明涉及电力系统应用管理技术领域，特别是涉及一种基于图论的电力电力CPS(信息物理融合系统)结构连通脆弱性评估方法。
背景技术
目前，电力CPS的形成是一个不断创新和探索的过程，同时也是一个复杂而缓慢的过程，必然存在各个方面的风险因素，诸如电力侧的物理风险源、信息侧的信息风险源、以及外部环境风险源和电力信息交互过程中的风险源等都会导致电力信息系统或物理系统的失效，进而诱发严重后果，因此对电力信息物理融合系统结构脆弱性进行评估显得尤为重要。
电力行业对电力CPS脆弱性评估日渐重视的同时也面临着诸多难题，如计算建模困难、模糊性高、系统规模大导致随机性高等。近年来，国内外的评估方法如可靠性工程数据分析方法、马尔可夫模型法及故障树法等评估方法需要获取大量的数据，对数据量要求较高，但在现实的电力CPS结构脆弱性评估过程中，数据量还在积累过程中。目前传统的脆弱性评估方法缺乏动态性和整体性。因此，基于图论相关知识，将电力CPS系统拓扑抽象为由节点、边构成的网络结构，通过分析风险涌现节点的故障传递对整个电力CPS拓扑结构造成的影响大小来评估风险源对电力CPS结构脆弱性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图论的电力CPS结构连通脆弱性评估方法，其基于图论相关知识，将电力CPS系统拓扑抽象为由节点、边构成的网络结构，通过分析风险涌现节点的故障传递对整个电力CPS拓扑结构造成的影响大小来评估风险源对电力CPS结构连通脆弱性。
本发明公开了一种基于图论的电力CPS结构连通脆弱性评估方法，所述脆弱性评估方法包括以下步骤：
步骤1：确定电力CPS拓扑结构数据(Np,Nc)及电力侧与信息侧交互关系，Np、Nc分表示故障发生前电力侧和信息侧的节点数；
步骤2：识别电力侧的初始风险源涌现节点；
步骤3：确定初始风险源节点涌现后的电力侧网络中的最大连通集Tp；
步骤4：剔除电力侧中不属于Tp的节点；
步骤5：剔除信息侧中与Tp中已失去交互关系的节点；
步骤6：确定信息侧网络中的最大连通集Tc；
步骤7：剔除信息侧中不属于Tc的节点；
步骤8：剔除电力侧中与Tc中失去交互关系的节点；
步骤9：输出风险故障传递后电力CPS拓扑结构中失效节点数(Np-N'p，Nc-N'c)及其与初始电力信息节点总数的比例P；
步骤10：使用失效节点比例P作为评估电力CPS拓扑网络结构在发生风险故障下的结构连通脆弱性。
优选地，所述步骤10中失效节点比例计算公式如下：
Figure BDA0001942608540000021
式中，Np、Nc分别为故障发生前电力侧和信息侧的节点总数，N'p、N'c分别为风险故障发生后电力侧和信息侧的有效节点数。
附图说明
图1是本发明的电力CPS结构连通脆弱性评估流程示意图。
图2是本发明实施例中电力CPS中“一对一电力信息节点”初始拓扑结构。
图3是本发明实施例中剔除电力侧风险故障节点后的电力CPS结构。
图4是本发明实施例中剔除信息侧风险故障节点后的电力CPS结构。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于图论的电力CPS中“一对一电力信息节点”拓扑结构的脆弱性评估分析主要包括以下步骤：
1.确定电力CPS拓扑结构及电力侧与信息侧交互关系
选取电力CPS中“一对一电力信息节点”拓扑结构的脆弱性进行评估分析，初始的电力CPS结构如附图2所示，电力侧和信息侧共有12个节点，其中信息节点6个，电力节点6个，电力节点中有一个节点为初始风险源节点。
2.识别电力侧的初始风险源涌现节点
由附图2可知，在本实施例中电力CPS“一对一电力信息节点”初始拓扑结构中的电力侧的初始风险源涌现节点是标号为“6”的节点。
3.确定初始风险源节点涌现后的电力侧网络中的最大连通集
由附图2可知，标号为“6”的节点发生风险后，该节点失效，因此剔除该节点，与该节点相连的边都将失效，此时，电力侧网络中的最大连通集Tp＝{1，2，3，4}。
4.剔除电力侧中不属于步骤三中确定的最大连通集的节点
根据步骤3的结果，在电力CPS“一对一电力信息节点”拓扑结构中剔除电力侧中不属于步骤3中确定的最大连通集的节点，即剔除节点“5”，如附图3所示。
5.剔除信息侧中与最大连通集中已失去交互关系的节点
在步骤4的基础上，剔除信息侧中与最大连通集中已失去交互关系的节点，由附图3可知，此时应当剔除节点“e”与节点“f”，剔除节点“e”与节点“f”后电力CPS“一对一电力信息节点”拓扑结构如附图4所示。
6.确定信息侧网络中的最大连通集
根据步骤5的结果，确定信息侧网络中的最大连通集Tc＝{a，b，c，d}。
7.剔除信息侧中不属于最大连通集Tc的节点
根据步骤6的结果，发现信息侧中剩余节点均属于最大连通集Tc，此时没有需要剔除的节点。
8.剔除电力侧中与Tc中失去交互关系的节点
根据步骤7的结果，电力侧中没有与Tc中失去交互关系的节点，此时无需剔除节点。
9.输出风险故障传递后电力CPS拓扑结构中失效节点数及其与初始电力信息节点总数的比例
根据步骤8的结果，由附图2与附图4对比可得，电力侧失效节点数为4，信息侧失效节点数为4，初始电力侧与信息侧节点数各为6。
10.计算失效节点比例，评估电力CPS拓扑网络结构在发生风险故障下的结构连通脆弱性
根据步骤9的结果及计算失效节点比例公式可得：
Figure BDA0001942608540000041
如果不考虑电力侧与信息侧的交互关系，仅考虑风险故障在电力侧中传递时，故障在图2中即结束，其故障后的失效节点比例：
Figure BDA0001942608540000042
P1大于P2，由此可见，电力侧与信息侧的交互关系增加了电力CPS拓扑网络结构的脆弱性。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于图论的电力CPS(信息物理融合系统)结构连通脆弱性评估方法，其特征在于，所述脆弱性评估方法包括以下步骤：
步骤1：确定电力信息物理融合系统拓扑结构数据(Np,Nc)及电力侧与信息侧交互关系，Np、Nc分表示故障发生前电力侧和信息侧的节点数；
步骤2：识别电力侧的初始风险源涌现节点；
步骤3：确定初始风险源节点涌现后的电力侧网络中的最大连通集Tp；
步骤4：剔除电力侧中不属于Tp的节点；
步骤5：剔除信息侧中与Tp中已失去交互关系的节点；
步骤6：确定信息侧网络中的最大连通集Tc；
步骤7：剔除信息侧中不属于Tc的节点；
步骤8：剔除电力侧中与Tc中失去交互关系的节点；
步骤9：输出风险故障传递后电力CPS拓扑结构中失效节点数(Np-N'p，Nc-N'c)及其与初始电力信息节点总数的比例P,其中N'p、N'c分别为风险故障发生后电力侧和信息侧的有效节点数；
步骤10：使用失效节点比例P作为评估电力CPS拓扑网络结构在发生风险故障下的结构连通脆弱性。
2.根据权利要求1所述的基于图论的电力CPS结构连通脆弱性评估方法，其特征在于：所述步骤10中结构连通脆弱性评估具体计算公式如下：
Figure FDA0001942608530000011
式中，Np、Nc分别为故障发生前电力侧和信息侧的节点总数；N'p、N'c分别为风险故障发生后电力侧和信息侧的有效节点数。
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