CN111581760A - 一种配电网通信结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网通信结构优化方法，包括如下步骤：基于智能电子设备与主站服务器协调控制方案，对信息‑物理融合的配电网进行信息系统的通信失效分析；结合故障处理过程，分析信息系统故障对物理系统的故障影响；根据通信失效分析结果及故障影响分析结果构建配电网可靠性评估模型；基于所述配电网可靠性评估模型对配电网进行可靠性评估，根据可靠性评估结果选取配电网通信结构。本发明能够针对不同网络结构以及不同信息元件对配电网可靠性的影响，来对配电网可靠性进行评估，结合基于评估模型的配电系统可靠性评估过程，对配电网通信结构进行优化，指导电力通信系统的规划和日常运行工作。

Description

一种配电网通信结构优化方法

技术领域

本发明涉及一种配电网通信结构优化方法，属于配电网通信技术领域。

背景技术

配电网是电力系统向用户供应和分配电能的重要环节，其可靠性日益受到用户和供电企业的重视。为了解电网可靠性发展趋势，确定可靠性投资方向。随着智能电网战略的推进，各类智能设备、信息通信技术、传感技术等在电网中的应用逐步深化，电网由传统的物理系统，逐渐发展为信息系统和物理系统深度融合的“二元复合系统”，即“信息-物理融合系统”(cyber physical system，CPS)。由信息安全诱因而导致的严重电网安全事故开始频繁出现，引起了学术界和工程界的广泛关注，可见，电网运行可靠不仅依赖于物理系统，也逐渐开始与信息系统密不可分。因此，配电网的通信结构如何选取就显得至关重要。

对现有配电网信息系统与物理系统之间关系的研究主要集中于信息元件损坏和数据传输延时的影响分析，且一般用故障的统计概率参与可靠性计算，对于不同类型信息故障的后果分析较为笼统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种配电网通信结构优化方法，针对不同网络结构以及不同信息元件对配电网可靠性的影响，构建考虑故障处理过程信息系统连通性和准确性的信息物理融合可靠性评估模型，进行配电网可靠性评估，过程简易且精度高，进而选取配电网通信结构。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种配电网通信结构优化方法，所述方法包括如下步骤：

基于智能电子设备与主站服务器协调控制方案，对信息-物理融合的配电网进行信息系统的通信失效分析；

结合故障处理过程，分析信息系统故障对物理系统的故障影响；

根据通信失效分析结果及故障影响分析结果构建配电网可靠性评估模型；

基于所述配电网可靠性评估模型对配电网进行可靠性评估；

根据可靠性评估结果选取配电网通信结构。

进一步地，所述信息系统的通信失效分析包括如下步骤：

由信息元件损坏所导致的静态传输失效分析；

因信息传输过程的随机扰动所导致的动态传输失效分析；

结合所述静态传输失效分析和动态传输失效分析的结果，对信息系统的通信失效进行分析判定。

进一步地，所述静态传输失效分析的方法包括如下步骤：

分析智能电子设备到主站服务器的最小路集；

分析最小路集中各通信路径的连通状态；

根据所述连通状态，判断是否发生静态传输失效。

进一步地，所述动态传输失效分析方法包括如下步骤：

分析所述主干网中通信路径的传输延时；

分析所述接入网中通信路径的传输延时；

根据所述传输延时，分析信息系统的通信路径传输延时状态；

对信息系统的数据传输进行传输错误分析；

根据所述传输延迟状态和传输错误，判断信息系统的动态传输是否失效。

进一步地，分析信息系统故障对物理系统的故障影响的方法包括如下步骤：

结合所述通信失效分析，基于信息量测功能，进行故障定位分析，确定故障点；

基于开关遥控功能，对所述故障点进行故障隔离和故障恢复分析，以获取故障影响分析结果。

进一步地，所述故障定位分析的方法包括：

若信息系统正常，则判断故障点位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关所连接的区段；

若信息系统异常，则故障定位包括以下情况：

1)若信息系统接收到的故障电流信号能构成完整的故障电流路径，则故障定位与所述信息系统正常时分析方法相同；

2)若信息系统接收到的故障电流信号不能构成完整的故障电流路径或构成两条不同的故障电流路径，则对这组故障电流信号进行状态分析，在多组可行解中进行全局寻优，得出最接近于配电网实际故障状态的完整电流路径，并采用遗传算法判断故障点位置；

3)若信息系统异常，且接收不到任何电流信号，则无法判断故障点的位置。

进一步地，对故障点进行故障隔离获取故障影响分析结果的方法包括：

1)若故障点定位正确，则故障隔离包括以下情况：

①若开关动作成功，则故障正确隔离；

②若开关动作失败，信息系统将往开关动作失败的一侧搜寻可控开关，导致故障范围扩大；

2)若故障点定位错误，则故障隔离包括以下情况：

①若开关动作成功，由于故障隔离范围不包含原故障点，故障未有效隔离，当进行供电恢复操作时，对故障进行二次定位和隔离；

②若开关动作失败，则故障隔离包括以下情况：

若故障隔离范围不包含故障点，故障未有效隔离，当进行供电恢复操作时，对故障进行二次定位和隔离；

若故障隔离范围包含故障点，在供电恢复时不发生断路器跳闸，导致故障范围扩大。

进一步地，对故障点进行故障恢复获取故障影响分析结果的方法包括：

根据信息系统的通信状态，对所述停电时间进行分析。

进一步地，信息-物理融合的配电网可靠性评估模型以系统平均停电时间和期望缺供电量作为可靠性指标，并采用序贯蒙特卡洛模拟法进行配电网可靠性评估。

进一步地，所述系统平均停电时间为：

所述期望缺供电量为：

式中，P_i为系统在通信状态i的概率；N_i、T_i、C_i分别为系统在通信状态i的停电用户数、停电时间、负荷损失量；R为系统所有状态的集合。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明基于配电网智能电子设备与主站服务器协调控制方案，结合故障处理过程，分析信息系统故障对物理系统的故障影响，对信息物理融合配电网进行可靠性评估，配电网可靠性评估结果更加精确，供电单位可根据可靠性评估结果，进行配电网通信结构优化选取，指导电力通信系统的规划和日常运行工作；

考虑信息量测功能和开关遥控功能的不同失效类型情况下，对考虑故障处理过程中信息系统连通性和准确性的信息物理融合配电网进行可靠性评估，简化计算过程，配电网可靠性评估结果更加精确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种配电网通信结构优化方法的流程图；

图2为本发明实施例中信息物理融合的配电网结构示意图；

图3为本发明实施例中基于信息系统连通性和准确性的配电网可靠性评估流程示意图；

图4为本发明实施例中IEEE33节点标准配电系统测试系统；

图5为本发明实施例中通信正常与失效的系统可靠性指标图；

图6为本发明实施例中信息系统不同网络结构的系统可靠性指标图；

图7为本发明实施例中不同类型信息元件故障的系统平均停电时间图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种配电网通信结构优化方法，该方法包括如下步骤：

基于智能电子设备与主站服务器协调控制方案，对信息-物理融合的配电网进行信息系统的通信失效分析；

结合故障处理过程，分析信息系统故障对物理系统的故障影响；

根据通信失效分析结果及故障影响分析结果构建配电网可靠性评估模型；

基于上述配电网可靠性评估模型对配电网进行可靠性评估。

根据可靠性评估结果，能够优化配电网通信结构，根据实际情况，选取更加合适的配电网通信结构，指导电力通信系统的规划和日常运行工作。

如图2所示，本发明的一种实施例中信息系统主要包括主干网和接入网，主干网采用SDH传输协议连接配电主站服务器和子站服务器，接入网采用TCP/IP协议的以太网连接配电子站服务器与IED；信息层的控制指令决定物理层的运行状态，而物理层的运行状态又将决定信息层的数据输入，二者之间存在紧密的交互关系。

信息系统通信失效可分为静态传输失效和动态传输失效两类。其中，静态传输失效是由信息系统的元件损坏所导致；动态传输失效则因信息传输过程的随机扰动(传输延时和传输错误)而产生，其中，传输延时为信息系统的节点转发延时包含交换延时、帧发送延时、帧排队延时和线路传输延时，数据传输延时在不同通信协议中存在一定差异；传输错误为数据在传输过程中会因各种背景光和附加噪声的干扰而产生误码，当误码率大于最大容许误码率时，将会发生传输错误失效。配电网发生故障后，信息系统将获取对应于线路开关的一组故障电流信号，若此时系统通信发生异常，其接收到的信息可能与实际不符。

如图2所示，实施例中IED到主站服务器之间存在1条或多条通信路径。一般情况下，静态传输失效时，系统会选取节点和链路最少的通信路径作为数据传输的主路由，其余路径则作为备用路由。故IED到主站服务器的连通性由其最小路集中各条通信路径的连通状态决定，即：

式中：R₁＝1表示连通性正常，R₁＝0表示连通性中断；A为待分析的IED到主站服务器的最小路集的路径数；p(l)为最小路集中第l条路径的连通状态，1为正常，0为中断，取决于该路径所包含节点与链路的运行状态即：

式中：S(C_i)、S(f_j)分别为节点C_i和链路f_j的状态，1为正常，0为故障；N、L分别为路径l的节点数和链路数。

传输延时时，对于采用SDH传输协议的主干网，数据传输速率较快，节点帧排队延时可忽略不计，则含M₁个节点的主干网通信路径的传输延时T₁为

式中T_SF,i、T_TL,i、T_WL,i分别为节点i的交换延时、帧发送延时和线路传输延时。

对于采用TCP/IP协议的接入网，含M₂个节点的主干网通信路径的传输延时T₂为

式中：δ为0到1的随机数，ε为随ρ增加而减小的参数，两者关系服从线性分布；T_QL,i为节点i的帧排队延时。

因此，综合考虑主干网和接入网的影响，定义信息系统端到端(智能电子设备到主站服务器)的通信路径传输延时状态为：

式中：R₂＝1表示传输延时在允许范围内，R₂＝0表示发生传输延时失效，T₀为信息业务所要求的总延时上限。

配电网的故障处理过程包含故障定位、故障隔离和故障恢复。为实现故障快速准确处理，必须保证信息系统的信息量测功能和开关遥控功能的正常运行。

当配电网发生故障时，信息系统将收到一组故障电流信号，根据收到的故障电流信号进行故障定位分析，确定故障点的位置。

若信息系统正常，则可判断故障点位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关所连接的区段；

若信息系统异常，则故障定位有以下几种情况：

1)若系统接收到的电流信号能构成完整的故障电流路径，则故障定位与系统正常时同理；

2)若系统接收到的电流信号不能构成完整的故障电流路径或构成两条不同的故障电流路径，则系统会对这组故障电流信号进行状态分析，在多组可行解中进行全局寻优，得出最接近于配电网实际故障状态的完整电流路径，本发明利用遗传算法来模拟这一状态分析过程；

3)若信息系统发生异常后，主站接收不到任何电流信号，则系统无法判断故障点的位置。

开关遥控功能失效会使得开关失去远程控制，进而影响故障隔离和恢复过程的及时性和准确性，因此故障隔离又有以下几种情况：

1)假设故障点定位正确，则故障隔离有以下几种情况：

①若开关动作成功，则故障正确隔离；

②若开关动作失败，系统将往开关动作失败的一侧搜寻可控开关，最终导致故障范围扩大。

2)假设故障点定位错误，则故障隔离有以下几种情况：

①若开关动作成功，由于故障隔离范围不包含原故障点，故障未有效隔离，当进行供电恢复操作时，将会引起断路器跳闸，从而需要系统对故障进行二次定位和隔离。

②若开关动作失败，此时需分两种情况讨论，若故障隔离范围不包含故障点，故障处理与上述情况同理；若故障隔离范围包含故障点，从而在供电恢复时不发生断路器跳闸，但故障范围会扩大。

当系统无法定位故障点时，由于不能生产开关动作指令，断路器跳闸，此时可闭合联络开关，使系统对故障进行二次定位；若故障定位准确，则故障正确隔离；若故障定位错误，则故障范围扩大。另外，当变压器发生故障时，若熔断器准确动作，故障可就地隔离；若熔断器未准确动作，故障处理情况与馈线故障同理。

对于供电故障恢复阶段，故障区域与非故障区域的停电时间和信息系统的状态有关。为简化分析，作如下假设：

1)忽略开关自动操作时间以及利用开关自动操作进行故障隔离期间断路器跳闸所导致的负荷短时停电；

2)对于因存在部分不可控开关或部分故障电流信号上传失败而导致的故障范围扩大的情况，忽略现场人员利用故障指示器和开关动作反馈信号等信息确定原故障点的时间，仅计及手动控制开关来隔离故障的时间；

假设t1为人工故障查找时间，t2为人工操作开关时间，t3为故障修复时间；

1)若通信完全正常，故障区域的停电时间为t3，非故障区域的停电时间为0，断路器不跳闸；

2)若通信完全失效，故障区域的停电时间为t1+t2+t3，故障区域上游的停电时间为t1+t2，断路器跳闸1次；

3)若通信部分失效，各区域的停电时间可参见下表，表中T表示故障定位成功，F表示故障定位失败，A表示时间t2，B表示时间t3，C表示时间t2+t3，Tk表示故障隔离成功，但故障范围存在扩大区域，Kf表示断路器跳闸次数，F(·)中括号内的符号代表系统二次故障隔离后的故障范围。

故障定位

故障隔离

联络开关

故障上游

故障区域

扩大区域

故障下游

K<sub>f</sub>

T

T

T

0

B

-

0

0

T

T

F

0

B

-

A

0

T

T<sub>k</sub>

T

0

C

A

0

0或1

T

T<sub>k</sub>

F

0

C

A

A

0或1

F

T<sub>k</sub>

T

0

C

A

0

0或1

F

T<sub>k</sub>

F

0

C

A

A

0或1

F

F(T)

T

0

B

-

0

1

F

F(T)

F

0

C

-

A

1

F

F(T<sub>k</sub>)

T

0

C

A

0

1

F

F(T<sub>k</sub>)

F

0

C

A

A

1

需要指出的是，对于表中故障上游所受影响均为0的情况，可由以下两点进行解释：1)在故障一次隔离成功时，分布式智能终端与主站协调控制方案能保证断路器不跳闸，使得故障区域外的上游用户不受故障的影响；2)在故障一次隔离失败且二次隔离成功时，断路器的自动重合闸功能会为故障区域外的上游用户恢复供电。

本发明的实施例以系统平均停电时间(SAIDI)和期望缺供电量(EENS)作为可靠性指标，并采用序贯蒙特卡洛模拟法进行配电网可靠性评估，具体流程如图3所示，其中，系统平均停电时间采用公式表示为：

期望缺供电量采用公式表示为：

式中，p_i为系统在状态i的概率；N_i,、T_i、C_i分别为系统在状态i的停电用户数、停电时间、负荷损失量；R为系统所有状态的集合。

本发明实施例以IEEE33节点为例，其结构如图4所示，信息系统中元件的可靠性参数如下表所示：

	故障概率	修复时间h
			变压器	0.015次/(台·年)	20
馈线	0.065次/(km·年)	5
			通信线路	0.004次/(km·年)	24
交换机	0.05次/年	12
			IED	0.06次/年	12
服务器	0.0013次/年	8

为了研究信息物理作用对配电网系统可靠性的影响，分别对不计及信息系统影响和计及信息系统影响两种情况进行仿真，仿真年限设置为100年，假设网络负载率为50％，数据帧的长度为1024字节，结果如图5所示。

可知，在计及信息系统影响的情况下，可靠性指标相较于不计及信息系统影响的情况均有较大的提升。结果证明信息系统通信失效对信息物理融合的配电系统的可靠性影响很大，因此在对系统进行可靠性评估时，必须计及信息系统的影响，否则将会给系统可靠性评估带来偏差。

针对通信网络结构对系统可靠性的影响，做如下研究分析：

与物理系统类似，信息系统的可靠性也与通信网络结构有关。因此，本发明实施例中分别以环型、星型、冗余星型和总线型4种通信网络作为接入网的网络结构进行仿真计算，计算结果如图6所示。

可知，环型网络的系统可靠性指标小于星型网络和总线型网络，说明具有更多通信路径的网络结构能提高系统的可靠性；而冗余星型网络相比环型网络，系统的可靠性指标有所降低，但降低的幅度较小，说明配置冗余设备的同时还需考虑最佳的通信网络结构。

针对信息元件对系统可靠性的影响，做如下研究分析：

为分析不同信息元件故障对系统可靠性的影响程度，本发明实施例中分别计算各类元件故障所对应的系统平均停电时间，计算结果如图7所示。

可知，不同信息元件类型故障对系统平均停电时间的影响程度不同。其中对系统平均停电时间影响较大的是IED和交换机，作为通信路径中的节点，其发生故障将直接导致通信路径的数据传输失效，而对系统平均停电时间影响较小的是通信线路，这是因为在环型通信网络中，通信线路发生故障可能会通过路由转移而不影响数据传输；服务器作为分析处理数据的核心设备，一旦发生故障将会给系统造成巨大损失，但由于其故障率较小，从而对系统平均停电时间的影响并不明显。因此，在提升系统可靠性的投资上，需侧重于信息系统中的重要信息设备可用率建设。

因此，可以得到如下结论：

1)在物理层故障的情况下，通信失效会加大物理故障给系统造成的损失以及系统恢复所付出的代价；

2)不同通信结构和信息元件对系统可靠性的影响并不相同，为提高系统可靠性，应采用环型网络作为系统的通信结构，并对IED和交换机这两类元件配置冗余。

应用本发明提供的配电网通信结构优化方法，能选择最优通信结构，在保证精度的前提下简化了计算过程，并对网络状态进行更细致的评判和指标计算。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种配电网通信结构优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

基于智能电子设备与主站服务器协调控制方案，对信息-物理融合的配电网进行信息系统的通信失效分析；

结合故障处理过程，分析信息系统故障对物理系统的故障影响；

根据通信失效分析结果及故障影响分析结果构建配电网可靠性评估模型；

基于所述配电网可靠性评估模型对配电网进行可靠性评估；

根据可靠性评估结果选取配电网通信结构。

2.根据权利要求1所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，所述信息系统的通信失效分析包括如下步骤：

由信息元件损坏所导致的静态传输失效分析；

因信息传输过程的随机扰动所导致的动态传输失效分析；

结合所述静态传输失效分析和动态传输失效分析的结果，对信息系统的通信失效进行分析判定。

3.根据权利要求2所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，所述静态传输失效分析的方法包括如下步骤：

分析智能电子设备到主站服务器的最小路集；

分析最小路集中各通信路径的连通状态；

根据所述连通状态，判断是否发生静态传输失效。

4.根据权利要求2所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，所述动态传输失效分析方法包括如下步骤：

分析所述主干网中通信路径的传输延时；

分析所述接入网中通信路径的传输延时；

根据所述传输延时，分析信息系统的通信路径传输延时状态；

对信息系统的数据传输进行传输错误分析；

根据所述传输延迟状态和传输错误，判断信息系统的动态传输是否失效。

5.根据权利要求2所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，分析信息系统故障对物理系统的故障影响的方法包括如下步骤：

结合所述通信失效分析，基于信息量测功能，进行故障定位分析，确定故障点；

基于开关遥控功能，对所述故障点进行故障隔离和故障恢复分析，以获取故障影响分析结果。

6.根据权利要求5所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，所述故障定位分析的方法包括：

若信息系统正常，则判断故障点位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关所连接的区段；

若信息系统异常，则故障定位包括以下情况：

1)若信息系统接收到的故障电流信号能构成完整的故障电流路径，则故障定位与所述信息系统正常时分析方法相同；

2)若信息系统接收到的故障电流信号不能构成完整的故障电流路径或构成两条不同的故障电流路径，则对这组故障电流信号进行状态分析，在多组可行解中进行全局寻优，得出最接近于配电网实际故障状态的完整电流路径，并采用遗传算法判断故障点位置；

3)若信息系统异常，且接收不到任何电流信号，则无法判断故障点的位置。

7.根据权利要求5所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，对故障点进行故障隔离获取故障影响分析结果的方法包括：

1)若故障点定位正确，则故障隔离包括以下情况：

①若开关动作成功，则故障正确隔离；

②若开关动作失败，信息系统将往开关动作失败的一侧搜寻可控开关，导致故障范围扩大；

2)若故障点定位错误，则故障隔离包括以下情况：

①若开关动作成功，由于故障隔离范围不包含原故障点，故障未有效隔离，当进行供电恢复操作时，对故障进行二次定位和隔离；

②若开关动作失败，则故障隔离包括以下情况：

若故障隔离范围不包含故障点，故障未有效隔离，当进行供电恢复操作时，对故障进行二次定位和隔离；

若故障隔离范围包含故障点，在供电恢复时不发生断路器跳闸，导致故障范围扩大。

8.根据权利要求5所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，对故障点进行故障恢复获取故障影响分析结果的方法包括：

根据信息系统的通信状态，对所述停电时间进行分析。

9.根据权利要求1所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，信息-物理融合的配电网可靠性评估模型以系统平均停电时间和期望缺供电量作为可靠性指标，并采用序贯蒙特卡洛模拟法进行配电网可靠性评估。

10.根据权利要求9所述的配电网通信结构优化方法，其特征在于，所述系统平均停电时间为：

所述期望缺供电量为：

式中，P_i为系统在通信状态i的概率；N_i、T_i、C_i分别为系统在通信状态i的停电用户数、停电时间、负荷损失量；R为系统所有状态的集合。

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