CN111697566B - 一种考虑信息失效的主动配电网信息物理系统可靠性评估方法 - Google Patents

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Abstract

一种考虑信息失效的主动配电网信息物理系统可靠性评估方法，构建主动配电网信息物理系统CPS的典型架构，物理系统包括一次设备和分布式能源DG，信息系统分为应用层、通信层和接口层；建立了DG与负荷模型、信息物理元件模型、以及信息传输可靠性模型；结合信息失效对配电自愈过程的间接作用，量化分析了不确定性环境下信息系统应用层、通信层和接口层失效对故障隔离、定位和供电恢复的影响；采用序贯和非序贯蒙特卡洛方法分别对物理元件和信息元件进行抽样，借助算例仿真从分布式电源容量、孤岛运行方式、信息元件与信息传输异常、以及接入网结构角度展开敏感性分析，所得结果验证了所提方法的准确性和有效性，并对主动配电网的建设提供建议和指导。

Description

一种考虑信息失效的主动配电网信息物理系统可靠性评估 方法
技术领域
本发明属于智能电网下的主动配电网可靠性的技术领域，具体涉及一种考虑信息失效的主动配电网的可靠性评估方法。
背景技术
近年来，随着资源消耗和环境污染问题的日趋严重，可再生能源的发展越来越受到重视发展，可再生能源成为应对化石燃料短缺、气候变化、能源安全等问题的重要手段。随着分布式能源(distribution generation,DG)渗透率的日益提高，大量DG接入配电网，改变了传统配电网的供电结构和运行方式，带来了节点电压越限、孤岛运行等一系列问题。传统配电网在设计时未考虑大量DG的接入这一情况，控制和管理模式都是被动的，而主动配电网具有较高的自动化水平和可视性，主动管理水平大大提高。2008年，国际大电网会议首次确立了主动配电网的概念。主动配电网通过控制技术和主动管理可以提高响应速度，控制潮流分布，并能够实现分布式电源的消纳、保护和监控，有利于提高分布式能源的利用率。
主动配电网以主动控制的方式引入大量信息通信技术来增强运行的灵活性和供电的可靠性，现已成为一个集计算系统、通信网络、物理环境于一体的信息物理系统(cyber-physical system,CPS)。在主动配电网CPS中，信息系统和物理系统深度耦合，交互作用。然而高级信息技术的引入虽然改善了主动配电网的运行，但在可靠性和安全性方面也带来了新的风险。例如2015年乌克兰电力公司因遭遇网络攻击引起变电站设备故障，导致地区大面积停电，造成巨大的经济损失。随着电力系统规模的扩大，信息侧与物理侧耦合度、复杂度的增加，电力CPS的可靠稳定运行已成为亟待解决的问题。
综上所述，研究考虑信息系统影响的主动配电网CPS的可靠性评估具有重要的意义。传统的主动配电网可靠性评估方法大多仅针对物理系统，忽视信息系统所带来的影响，并没有将主动配电网CPS作为整体研究对象，无法准确地反映配电可靠性的真实性能。所以本发明鉴于主动配电网CPS对信息高度依赖的特征，提出了一种考虑信息失效的主动配电网的可靠性评估方法。
发明内容
为克服现有的主动配电网评估方法考虑不全面、结果失准的缺点，本发明提出了一种考虑信息失效的主动配电网的可靠性评估方法。首先对主动配电网CPS进行了更精细化地建模，基于所建立的DG与负荷模型、信息物理元件模型、以及信息传输模型(连通、延时和误码)，在充分考虑信息失效对物理系统的间接作用后，量化分析了不确定环境下信息系统各环节失效对故障隔离、定位和供电恢复的影响，并提出了更全面和准确的主动配电网CPS的可靠性评估方法。通过算例仿真中针对物理系统和信息系统两方面进行的敏感性分析，有效识别了影响系统可靠性的因素，验证了所提方法的可行性。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种考虑信息失效的主动配电网信息物理系统可靠性评估方法，包括以下步骤：
S1：建立主动配电网CPS的架构，主动配电网CPS的物理系统包括一次设备和DG；信息系统包括服务器、交换机、通信线路、网关和各类智能电子设备(intelligentelectronic device,IED)，其中，信息系统分为应用层、通信层和接口层：1)应用层位于配电主站或子站中，具备信息分析、决策处理功能；2)通信层分为主干网和接入网：主干网为采用光纤数字同步体系和多业务传输平台的通信网络；接入网除了可以采用工业以太网、无线网络和以太网无源光网络通信方式；3)接口层由各类IED设备组成，包括馈线终端设备、开闭所终端设备和智能故障检测器；
配电主站采用集中式控制，通过IED设备实现对物理设备的状态监测和控制，由于信息系统配备不间断电源，即使停电也可以通过备用发电机维持供电，物理系统失效对信息系统影响较小；反之，信息系统易因传输中断而失效，影响主动配电网的故障处理过程，延长停电时间并扩大停电区域；
S2：建立信息传输模型(连通、延时和误码)，信息传输失败的主要原因为：信息元件故障致使网络连通中断、网络负载增加致使传输延时超出阈值、以及传输误码过多致使信息解码出错，针对这些问题，建立了信息传输可靠性模型；
将信息从应用层到接口层的传输路径称为信息链路，信息系统通常采用环形网络，所以每个IED设备到配电主站存在多条信息路径，采用深度优先搜索算法遍历所有路径，只要IED设备x存在任一路径同时满足连通、延时和误码要求，即说明其端到端信息链路正常，表示为：
Figure GDA0002620096500000031
式中：N为配电主站到IED设备x的信息路径总数目；C(xi)表示IED设备x的信息路径i的连通状态，取1表示连通正常，0表示连通中断；T(xi)表示路径i的传输延时状态，1表示满足延时要求，0表示不满足；E(xi)表示路径i的误码状态，1表示信息传输无错误，0表示发生误码；S2-1：建立信息连通模型，将IED设备、交换机和服务器等信息元件作为通信路径的节点，通信线路作为路径的链路，那么IED设备x的路径i的连通状态表示为：
Figure GDA0002620096500000041
式中：M和R分别表示路径i所经的节点数目和链路数目；S(j)和S(k)分别表示路径i上节点j和链路k的状态，只有路径上所有的节点和链路都正常，才能说明此路径正常连通；
S2-2：建立信息延时模型，当通信路径i的信息传输时间超过了系统业务所要求的延时阈值时，信息传输会发生缺失，将IED设备x的路径i的传输延时状态表示为：
Figure GDA0002620096500000042
式中：τ0为延时阈值；τ(xi)为路径i的总传输延时，即路径i上所有节点转发延时累加之和，表示为：
Figure GDA0002620096500000043
式中：τ1(xi)为采用SDH的主干网延时；TSF,p和TTL,p分别是节点p的交换延时和帧发送延时，它们与数据帧长度有关；TWL,p是链路传输延时，与线路长度成正比；σ表示路径i在主干网中经过的节点数目；τ2(xi)为接入网延时，采用TCP/IP协议的以太网通信方式，延时可以使用Pareto分布得到；P是服从(0,1)均匀分布的随机数；θ是一个正参数，与网络负载率有关；τmin是以太网端到端延时的最小值；
S2-3：建立信息误码模型，通信系统的误码率主要与信噪比和数据的解调方式有关，计算路径xi中每条连接链路的误码率，如果每条链路的误码率都小于系统的误码率阈值Pκ，说明信息传输正常，否则信息会发生误码，表述为：
Figure GDA0002620096500000051
式中：Ej,j+1表示节点j和j+1之间链路的误码状态；I表示信息路径xi拥有的总连接链路数；若节点j和j+1之间链路的误码率Pj,j+1<Pκ，Ej,j+1值取为1，否则值取为0，其中，Pj,j+1的计算方法为：
Figure GDA0002620096500000052
Rj,j+1＝Lav·R0/Lj,j+1 (7)
式中：Rj,j+1表示节点j和j+1之间链路的信噪比；R0为信道的平均信噪比，可将其视作服从正态分布的随机数；Lav是节点间链路的平均长度；Lj,j+1是节点j和j+1之间的链路长度；ω1和ω2是与数据解调方式有关的参数；erfc(·)是误差互补函数；
S3：量化分析信息系统应用层故障的影响，应用层可以通过采集的数据，结合深度学习、神经网络等算法，实现系统的故障定位、自愈控制、状态优化，若物理系统故障的同时，应用层设备也发生故障，那么主动配电网CPS将会关闭配电自动化、延长停电时间并禁用计划孤岛；
故障f在t时刻发生，将故障上游开关组设为Q＝{qii＝1,2,...,n-1}，Lt(qi)是t时刻上游开关qi-1和qi之间的负荷功率，Lt(q1)是t时刻开关q1下游的总负荷功率，qn是断路器；故障下游开关组设为P＝{pjj＝1,2,...,m-1}，Lt(pj)是t时刻下游开关pj和pj+1之间的负荷功率，pm是联络开关；Lt(z)表示t时刻计划孤岛z内的总负荷功率，内部开关组设为S＝{Sk|k＝1,2,...,r}。
Figure GDA0002620096500000061
式中：E'up、E'down、Eother分别表示应用层故障时，故障点上游、下游和其它负荷的损失电量；t1、t2、tre分别表示人工故障定位及隔离、人工供电恢复和修复故障的时间，也是故障点上游、下游和其它负荷的停电时间；E'loss表示应用层故障时系统的总负荷失电量；
S4：量化分析通信层和接口层故障的影响，通信层故障是指连接配电主站和配电终端的路径发生故障，影响故障的主要因素是信息传输的联通、时延和误码；接口层故障是指IED设备故障导致的信息的采集、上传失败或控制指令失效，因此，通信层和接口层故障就是信息传输链路的故障。当通信层和接口层故障时，系统虽然可以实现自愈，但会因信息失效增加额外损失；
S4-1：量化分析故障定位和隔离过程的影响，主动配电网CPS的故障定位和隔离的步骤为：1)控制中心采集每个IED设备上传的开关数据信息，判断故障位置，完成故障定位；2)控制中心将控制信息发送到故障点两端开关的IED设备，完成故障隔离；3)控制中心通过反馈信息确定故障是否成功隔离；为了完成上述过程，必须保证故障端开关的监测、控制、反馈链路的有效性，现在假定开关qi的信息链路状态为：
Figure GDA0002620096500000062
式中：Am(qi)、Ac(qi)和Ab(qi)分别表示开关qi的监测链路、控制链路和反馈链路状态，为了简化计算，三者都等于A(qi)；C(qi)、T(qi)和E(qi)分别表示开关qi的信息链路连通、延时和误码状态。在不考虑供电恢复的情况下，系统的失电量为以下两部分：
Figure GDA0002620096500000073
式中：Eup和Edown分别表示通信层和接口层故障时，故障点上游和下游负荷的损失电量；tsp为分段开关的切换时间；
S4-2：使用联络开关恢复供电，当故障点下游的开关成功动作后，在保证联络开关pm和故障下游任一开关pj之间的信息链路有效时，控制中心将可以通过联络开关进行转移和恢复供电，表述为：
Figure GDA0002620096500000071
式中：Atie(Pj)＝1表示可以使用联络开关恢复pj到pm之间的供电；Atie(Pj)＝0表示不能恢复供电，那么，能够使用联络开关恢复的电量即为：
Figure GDA0002620096500000072
式中：ttr表示联络开关的倒闸时间，也是可以通过联络开关转供的负荷的停电时间；
S4-3：使用计划孤岛方式恢复供电，故障发生时，判断供电范围内的DG能否为孤岛内部负荷供电的计算方法如式(13)-(14)所示，其需要考虑它们的物理运行状态、信息链路状态，以及储能系统的工作状态，从而构成可靠性DG为负荷稳定供电；
A(X)＝Aphy(X)∩Acyb(X),X＝PV,WT,ES (13)
A(DG)＝A(ES)∩(A(PV)∪A(WT)) (14)
式中：A(X)分别表示光伏、风机和储能的运行状态，正常为1，否则为0；Aphy表示设备的物理运行状态；Acyb表示信息链路状态；A(DG)为可靠性DG的状态，正常为1，否则为0，当计划孤岛内部的DG正常时，还需开关信息链路正常，孤岛才能正常运行，即：
Figure GDA0002620096500000081
式中：Aisland(z)表示孤岛z的状态，运行为1，不能运行为0；A(Sk)表示孤岛内部开关的状态；
并网期间系统可以对储能装置进行充电，所以可以认为在孤岛开始时刻，储能容量为其上限，根据DG和负荷模型获取t时刻风机出力PWT(t)、光伏出力PPV(t)、储能的放电功率Pdch(t)和孤岛内负荷总功率为PL(t)，此时DG的总输出功率为：
Psum(t)＝PWT(t)·A(WT)+PPV(t)·A(PV)+Pdch(t)·A(ES) (16)
如果Psum(t)大于PL(t)，那么t时内孤岛内部负荷不停电；如果Psum(t)小于PL(t)，说明t时内DG的总出力不能满足负荷供电需求，需要进行负荷削减，负荷削减的目标函数为：
Figure GDA0002620096500000082
式中：L是孤岛内负荷点的数目；
Figure GDA0002620096500000083
和
Figure GDA0002620096500000084
分别为负荷点
Figure GDA0002620096500000085
的重要程度系数和位置削减系数；
Figure GDA0002620096500000086
表示负荷点
Figure GDA0002620096500000087
在t时的输出功率；
Figure GDA0002620096500000088
为负荷点
Figure GDA0002620096500000089
的削减状态，0表示被削减，1表示被保留；
根据式(17)计算出t时内削减的负荷Lloss(t)，然后计算t+1时的削减负荷Lloss(t+1)，直到时间累积至故障修复时间tre后停止，那么，计划孤岛恢复的电量Eisland即为：
Figure GDA00026200965000000810
式中：tis表示孤岛的切换时间；
Figure GDA0002620096500000091
表示负荷削减损失的电量；
最终，可以计算当通信层和接口层发生故障时，损失电量为：
Eloss＝Eup+Edown-Etie-Eisland (19)
S5：元件蒙特卡洛抽样。物理元件分为电源物理元件和非电源物理元件两类：电源物理元件包括了光伏、风机和储能；非电源物理元件包括了馈线、隔离开关、断路器和变压器，由于两者的工作方式不同，因此使用序贯蒙特卡洛方法对非电源物理元件进行抽样，来模拟物理故障的时序性；使用非序贯蒙特卡洛方法对电源物理元件抽样，获得DG的物理运行状态；而在信息系统中，为简化计算并提高效率，均使用非序贯蒙特卡洛方法对信息元件进行抽样。另外，根据DG模型使用拉丁超立方抽样，生成风机和光伏的8760个小时的输出功率，获得风光的年时序出力曲线；
S6：将系统平均停电时间SAIDI和期望缺供电量EENS作为可靠性的评估指标，模拟系统运行100年，以TSAIDI和EEENS表示：
Figure GDA0002620096500000092
式中：Tall是系统的仿真时间；α是物理系统发生故障的次数；
Figure GDA0002620096500000093
表示负荷点
Figure GDA0002620096500000094
在发生第i次故障时的停电时间；β是系统负荷点数目，
Figure GDA0002620096500000095
表示负荷点
Figure GDA0002620096500000096
的用户数；Eloss(i)表示在发生第i次故障时系统的负荷失电量；
S7：选取以下3个场景进行仿真：(1)在不确定环境下只考虑物理系统故障，信息系统一直正常；(2)假设DG出力为额定功率，负荷为年平均负荷，考虑信息和物理系统均发生故障；(3)在不确定环境下考虑信息和物理系统均发生故障。对不同场景的结果进行比较分析，验证所提方法的必要性；
针对物理系统和信息系统两方面从分布式电源容量、孤岛运行方式、信息元件与信息传输异常、以及接入网结构角度展开敏感性分析，所得结果验证了所提方法的准确性和有效性。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出一个典型的主动配电网CPS的架构，物理系统包括传统的一次设备和DG；信息系统包括服务器、交换机、通信线路、网关和各类智能电子设备。其中，信息系统分为应用层、通信层和接口层。
2、本发明对主动配电网CPS进行了更精细化地建模，分别建立了DG与负荷模型、信息物理元件模型、以及信息传输模型(连通、延时和误码)。
3、基于所建立模型，本发明充分考虑了信息失效对物理系统的间接作用后，量化分析了不确定环境下信息系统应用层、通信层和接口层失效对故障隔离、定位和供电恢复的影响，并基于蒙特卡洛方法提出了更全面和准确的主动配电网CPS的可靠性评估方法。
4、本发明对所提的考虑信息失效的主动配电网的可靠性评估方法结合具体案例进行仿真，针对物理系统和信息系统两方面进行的敏感性分析，有效识别了影响系统可靠性的因素，验证了所提方法的可行性和有效性。
附图说明
图1是主动配电网CPS架构图。
图2是主动配电网CPS故障状态分析图。
图3是主动配电网CPS的可靠性分析框架图。
图4是信息系统状态评估流程图。
图5是主动配电网CPS的可靠性评估流程图。
图6为主动配电网CPS的物理系统结构图。
图7为主动配电网CPS的信息系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明展开进一步说明：
如图1所示为主动配电网CPS的典型架构图，物理系统包括传统的一次设备和DG；信息系统包括服务器、交换机、通信线路、网关和各类智能电子设备，其中，信息系统分为应用层、通信层和接口层：1)应用层位于配电主站或子站中，具备信息分析、决策处理等功能；2)通信层分为主干网和接入网：主干网为采用光纤数字同步体系和多业务传输平台的通信网络；接入网除了可以采用图1中的工业以太网连接外，还可使用无线网络和以太网无源光网络等多种通信方式；3)接口层由各类IED设备组成，包括馈线终端设备、开闭所终端设备、智能故障检测器等。
图2是主动配电网CPS故障状态分析图，如图所示，每个IED设备控制相应的断路器、开关和DG。故障f在t时刻发生，将故障上游开关组设为Q＝{qi|i＝1,2,...,n-1}，Lt(qi)是t时刻上游开关qi-1和qi之间的负荷功率，Lt(q1)是t时刻开关q1下游的总负荷功率，qn是断路器；故障下游开关组设为P＝{pj|j＝1,2,...,m-1}，Lt(pj)是t时刻下游开关pj和pj+1之间的负荷功率，pm是联络开关；Lt(z)表示t时刻计划孤岛z内的总负荷功率，内部开关组设为S＝{Sk|k＝1,2,...,r}。
应用层可以通过采集的数据，结合深度学习、神经网络等算法，实现系统的故障定位、自愈控制、状态优化。若物理系统故障的同时，应用层设备也发生故障，那么主动配电网CPS将会关闭配电自动化、延长停电时间并禁用计划孤岛。
通信层故障是指连接配电主站和配电终端的路径发生故障，影响故障的主要因素是信息传输的联通、时延和误码；接口层故障是指IED设备故障导致的信息的采集、上传失败或控制指令失效。因此，通信层和接口层故障归根到底是信息传输链路的故障。当通信层和接口层故障时，系统虽然可以实现自愈，但会因信息失效增加额外损失。
图3是主动配电网CPS的可靠性分析框架，从图中可以看到信息系统、物理系统和可靠性评估方法之间的关系。本发明使用序贯蒙特卡洛方法对非电源物理元件进行抽样，来模拟物理故障的时序性；使用非序贯蒙特卡洛方法对电源物理元件抽样，获得DG的物理运行状态。而在信息系统中，为简化计算并提高效率，均使用非序贯蒙特卡洛方法对信息元件进行抽样。另外，根据前文的DG模型使用拉丁超立方抽样，生成风机和光伏的8760个小时的输出功率，获得风光的年时序出力曲线。
根据框架可知，本文所提的可靠性评估方法，首先需根据信息元件故障序列和信息传输模型对信息系统进行评估；然后考虑信息失效对物理系统的间接影响，并结合此时的DG出力和负荷需求，通过故障处理过程计算可靠性指标；最后从物理系统和信息系统两方面对可靠性的影响因素进行分析，以验证所提方法的有效性和准确性。
如图4所示为主动配电网CPS的信息系统评估过程，其步骤如下：
(1)输入信息系统的参数，根据节点邻接矩阵使用深度优先算法建立每个IED设备到服务器的端到端路由表；
(2)使用非序贯蒙特卡洛方法对信息元件进行抽样，同时对网络负载率和信噪比进行抽样，得到信息元件状态序列；
(3)判断信息系统应用层是否发生故障。若发生故障，转至步骤(6)；若没有发生故障，则进行下一步；
(4)IED设备x存在M条信息路径，计算每条路径的网络连通性、时延和误码，判断是否满足条件。若满足条件，输出IED x的信息链路有效，若不满足条件，输出IED x的信息链路失效；
(5)判断是否完成所有IED设备的状态分析。若没有，则转至(4)，若已全部完成，则转至下一步；
(6)输出主动配电网CPS的信息系统状态。
基于图3的可靠性分析框架和图4的信息系统状态评估流程，具体的主动配电网CPS的可靠性评估方法步骤如图5所示，为：
(1)输入DG和负荷模型，输入CPS元件模型和拓扑结构，设置仿真年限；
(2)物理元件抽样，获得状态序列，根据故障位置进行开关集分类；信息元件、网络负载率和信噪比抽样；
(3)量化分析信息失效对可靠性的影响。若信息系统应用层故障，计算可靠性指标并转至步骤(7)；若应用层正常，分析各IED设备的信息链路的连通、延时和误码，得到信息链路状态；
(4)根据故障隔离的动作序列，对相应开关进行状态分析，计算故障定位和隔离过程的负荷失电量；
(5)分析联络开关的状态，计算联络开关恢复的电量Etie；
(6)判断是否存在孤岛。若不存在孤岛，转至步骤(7)；若存在孤岛，对孤岛内的DG和开关进行状态分析，然后根据DG和负荷模型获得t时刻它们的出力，得到负荷削减量，计算孤岛恢复的电量Eisland；
(7)计算总停电时间和负荷失电量，判断是否达到仿真年限，若没有，转至步骤(2)；若已经达到，则计算可靠性指标TSAIDI和EEENS。
图6是主动配电网CPS的物理系统结构图，本发明算例以改进后的IEEE RBTS BUS6主馈线4为物理系统结构，一共包含了2台光伏发电装置、2台风机发电装置、2台储能装置和23个负荷点，共有2个计划孤岛区域和1个联络开关转供区。信息系统结构如图7所示，主干网采用SDH环网结构，接入网采用工业以太网，以太网中除主交换机外的每个交换机控制相应的IED设备，再由IED设备实现信息物理元件的控制、监测和保护。
在图6和图7的基础上，选取3个场景进行比较分析，结果如表1所示。
场景1：在不确定环境下只考虑物理系统故障，信息系统一直正常；
场景2：假设DG出力为额定功率，负荷为年平均负荷，考虑信息和物理系统均发生故障。
场景3：在不确定环境下考虑信息和物理系统均发生故障。
Figure GDA0002620096500000141
表1
将场景1和场景3的计算结果进行比较，可以看到在充分考虑信息系统失效后，可靠性指标有明显的增加，说明信息系统故障对可靠性具有不可忽视的影响；将场景2与场景3结果进行比较，可以发现考虑DG出力和负荷需求的波动性后，可靠性指标也有明显上升，说明如果未计及不确定性环境，也会造成可靠性评估结果的失准。上述仿真结果说明了本发明所提的可靠性评估方法的必要性。
然后针对物理系统和信息系统两方面从分布式电源容量、孤岛运行方式、信息元件与信息传输异常、以及接入网结构角度展开敏感性分析，通过结果验证所提方法的准确性和有效性。并得到了以下结论：
(1)计划孤岛运行是提高可靠性的一种有效方式，需要考虑多种因素选择合适的孤岛DG容量；
(2)信息元件不同或元件故障率不同对于系统可靠性的影响也不同，应重点关注影响较高的元件，比如交换机和IED设备；
(3)改善信息系统的信道质量并选择合适的接入网拓扑结构，能有效提高系统可靠性。
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人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进与润饰，这些改进与润饰也应视为本发明的保护范围。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种考虑信息失效的主动配电网信息物理系统可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：构建主动配电网信息物理系统CPS的典型架构，其物理系统包括一次设备和分布式能源DG，信息系统分为应用层、通信层和接口层；
S2：建立了DG与负荷模型、信息物理元件模型、以及信息传输可靠性模型；
S3：结合信息失效对配电自愈过程的间接作用，量化分析了信息系统应用层故障的影响，若物理系统故障的同时，应用层设备也发生故障，那么主动配电网CPS将会关闭配电自动化、延长停电时间并禁用计划孤岛；
S4：量化分析通信层和接口层故障的影响，通信层故障是指连接配电主站和配电终端的路径发生故障，影响故障的主要因素是信息传输的联通、时延和误码；接口层故障是指IED设备故障导致的信息的采集、上传失败或控制指令失效，通信层和接口层故障就是信息传输链路的故障；
S5：采用蒙特卡洛方法对信息物理元件进行抽样，使用序贯蒙特卡洛方法对物理元件进行抽样，来模拟物理故障的时序性；使用非序贯蒙特卡洛方法对信息元件抽样，以简化计算并提高效率；
S6：将系统平均停电时间SAIDI和期望缺供电量EENS作为可靠性的评估指标，模拟系统运行；
S7：选取以下3个场景进行仿真：(1)在不确定环境下只考虑物理系统故障，信息系统一直正常；(2)假设DG出力为额定功率，负荷为年平均负荷，考虑信息和物理系统均发生故障；(3)在不确定环境下考虑信息和物理系统均发生故障，对不同场景的结果进行比较分析；针对物理系统和信息系统两方面从分布式电源容量、孤岛运行方式、信息元件与信息传输异常、以及接入网结构角度展开敏感性分析，通过仿真结果验证所提方法的准确性和有效性；
所述步骤S1中，物理系统包括一次设备、DG和储能设备；信息系统包含服务器、交换机、通信线路、网关和各类智能电子设备IED；
信息系统中，应用层位于配电主站或子站中，用于实现信息分析决策处理和人机交互功能；通信层分为主干网和接入网：主干网为采用光纤数字同步体系SDH和多业务传输平台MSTP的通信网络；接入网连接配电子站和配电终端，采用工业以太网、无线网络、以太网无源光网络通信方式；接口层的IED设备为三遥终端和两终端，包括馈线终端设备、开闭所终端设备、配变终端设备和智能故障检测器；
配电主站采用集中式控制，通过IED设备实现对物理设备的状态监测和控制，由于信息系统配备不间断电源，即使停电也可以通过备用发电机维持供电，物理系统失效对信息系统影响较小；反之，信息系统易因传输中断而失效，影响主动配电网的故障处理过程，延长停电时间并扩大停电区域；
所述步骤S2包括以下步骤：
S2-1：建立信息连通模型，将IED设备、交换机和服务器信息元件作为通信路径的节点，通信线路作为路径的链路，那么IED设备x的路径i的连通状态可表示为：
Figure FDA0003333695150000031
式中：M和R分别表示路径i所经的节点数目和链路数目；S(j)和S(k)分别表示路径i上节点j和链路k的状态，只有路径上所有的节点和链路都正常，才能说明此路径正常连通；
S2-2：建立信息延时模型，当通信路径i的信息传输时间超过了系统业务所要求的延时阈值时，信息传输会发生缺失，将IED设备x的路径i的传输延时状态表示为：
Figure FDA0003333695150000032
式中：τ0为延时阈值；τ(xi)为路径i的总传输延时，即路径i上所有节点转发延时累加之和，表示为：
Figure FDA0003333695150000033
式中：τ1(xi)为采用SDH的主干网延时；TSF,p和TTL,p分别是节点p的交换延时和帧发送延时，它们与数据帧长度有关；TWL,p是链路传输延时，与线路长度成正比；σ表示路径i在主干网中经过的节点数目；τ2(xi)为接入网延时，采用TCP/IP协议的以太网通信方式，延时可以使用Pareto分布得到；P是服从(0,1)均匀分布的随机数；θ是一个正参数，与网络负载率有关；τmin是以太网端到端延时的最小值；
S2-3：建立信息误码模型，通信系统的误码率主要与信噪比和数据的解调方式有关，计算路径xi中每条连接链路的误码率，如果每条链路的误码率都小于系统的误码率阈值Pκ，说明信息传输正常，否则信息会发生误码，表述为：
Figure FDA0003333695150000041
式中：Ej,j+1表示节点j和j+1之间链路的误码状态；I表示信息路径xi拥有的总连接链路数；若节点j和j+1之间链路的误码率Pj,j+1<Pκ，Ej,j+1值取为1，否则值取为0，其中，Pj,j+1的计算方法为：
Figure FDA0003333695150000042
Rj,j+1＝Lav·R0/Lj,j+1 (6)
式中：Rj,j+1表示节点j和j+1之间链路的信噪比；R0为信道的平均信噪比，可将其视作服从正态分布的随机数；Lav是节点间链路的平均长度；Lj,j+1是节点j和j+1之间的链路长度；ω1和ω2是与数据解调方式有关的参数；erfc(·)是误差互补函数；
在所述步骤S3中，应用层失效的影响量化分析过程包含包括以下内容：
故障f在t时刻发生，将故障上游开关组设为Q＝{qii＝1,2,...,n-1}，Lt(qi)是t时刻上游开关qi-1和qi之间的负荷功率，Lt(q1)是t时刻开关q1下游的总负荷功率，qn是断路器；故障下游开关组设为P＝{pj|j＝1,2,...,m-1}，Lt(pj)是t时刻下游开关pj和pj+1之间的负荷功率，pm是联络开关；Lt(z)表示t时刻计划孤岛z内的总负荷功率，内部开关组设为S＝{Sk|k＝1,2,...,r}；
Figure FDA0003333695150000051
式中：E'up、E'down、Eother分别表示应用层故障时，故障点上游、下游和其它负荷的损失电量；t1、t2、tre分别表示人工故障定位及隔离、人工供电恢复和修复故障的时间，也是故障点上游、下游和其它负荷的停电时间；E'loss表示应用层故障时系统的总负荷失电量；
在所述步骤S4中，通信层和接口层失效的影响量化分析过程包括以下步骤：
S4-1：量化分析故障定位和隔离过程的影响，主动配电网CPS的故障定位和隔离的步骤为：1)控制中心采集每个IED设备上传的开关数据信息，判断故障位置，完成故障定位；2)控制中心将控制信息发送到故障点两端开关的IED设备，完成故障隔离；3)控制中心通过反馈信息确定故障是否成功隔离；为了完成上述过程，必须保证故障端开关的监测、控制、反馈链路的有效性，现在假定开关qi的信息链路状态为：
Figure FDA0003333695150000052
式中：Am(qi)、Ac(qi)和Ab(qi)分别表示开关qi的监测链路、控制链路和反馈链路状态，为了简化计算，三者都等于A(qi)；C(qi)、T(qi)和E(qi)分别表示开关qi的信息链路连通、延时和误码状态；在不考虑供电恢复的情况下，系统的失电量为以下两部分：
Figure FDA0003333695150000053
式中：Eup和Edown分别表示通信层和接口层故障时，故障点上游和下游负荷的损失电量；tsp为分段开关的切换时间；
S4-2：使用联络开关恢复供电，当故障点下游的开关成功动作后，在保证联络开关pm和故障下游任一开关pj之间的信息链路有效时，控制中心将可以通过联络开关进行转移和恢复供电，表述为：
Figure FDA0003333695150000061
式中：Atie(Pj)＝1表示可以使用联络开关恢复pj到pm之间的供电；
Atie(Pj)＝0表示不能恢复供电，那么，能够使用联络开关恢复的电量即为：
Figure FDA0003333695150000062
式中：ttr表示联络开关的倒闸时间，也是可以通过联络开关转供的负荷的停电时间；
S4-3：使用计划孤岛方式恢复供电，故障发生时，判断供电范围内的DG能否为孤岛内部负荷供电的计算方法如式(12)-(13)所示，其需要考虑它们的物理运行状态、信息链路状态，以及储能系统的工作状态，从而构成可靠性DG为负荷稳定供电；
A(X)＝Aphy(X)∩Acyb(X),X＝PV,WT,ES (12)
A(DG)＝A(ES)∩(A(PV)∪A(WT)) (13)
式中：A(X)分别表示光伏、风机和储能的运行状态，正常为1，否则为0；Aphy表示设备的物理运行状态；Acyb表示信息链路状态；A(DG)为可靠性DG的状态，正常为1，否则为0；当计划孤岛内部的DG正常时，还需开关信息链路正常，孤岛才能正常运行，即：
Figure FDA0003333695150000063
式中：Aisland(z)表示孤岛z的状态，运行为1，不能运行为0；A(Sk)表示孤岛内部开关的状态；
并网期间系统可以对储能装置进行充电，所以可以认为在孤岛开始时刻，储能容量为其上限，根据DG和负荷模型获取t时刻风机出力PWT(t)、光伏出力PPV(t)、储能的放电功率Pdch(t)和孤岛内负荷总功率为PL(t)，此时DG的总输出功率为：
Psum(t)＝PWT(t)·A(WT)+PPV(t)·A(PV)+Pdch(t)·A(ES) (15)
如果Psum(t)大于PL(t)，那么t时内孤岛内部负荷不停电；如果Psum(t)小于PL(t)，说明t时内DG的总出力不能满足负荷供电需求，需要进行负荷削减，负荷削减的目标函数为：
Figure FDA0003333695150000071
式中：L是孤岛内负荷点的数目；w1(l)和w2(l)分别为负荷点l的重要程度系数和位置削减系数；Lt(l)表示负荷点l在t时的输出功率；K(l)为负荷点l的削减状态，0表示被削减，1表示被保留；
根据式(16)计算出t时内削减的负荷Lloss(t)，然后计算t+1时的削减负荷Lloss(t+1)，直到时间累积至故障修复时间tre后停止，那么，计划孤岛恢复的电量Eisland即为：
Figure FDA0003333695150000072
式中：tis表示孤岛的切换时间；
Figure FDA0003333695150000073
表示负荷削减损失的电量；
最终，计算当通信层和接口层发生故障时，损失电量为：
Eloss＝Eup+Edown-Etie-Eisland (18)；
在所述步骤S5和S6中，元件的抽样和系统的模拟包含以下内容：
元件蒙特卡洛抽样，物理元件分为电源物理元件和非电源物理元件两类：电源物理元件包括了光伏、风机和储能；非电源物理元件包括了馈线、隔离开关、断路器和变压器，由于两者的工作方式不同，因此使用序贯蒙特卡洛方法对非电源物理元件进行抽样，来模拟物理故障的时序性；使用非序贯蒙特卡洛方法对电源物理元件抽样，获得DG的物理运行状态；而在信息系统中，为简化计算并提高效率，均使用非序贯蒙特卡洛方法对信息元件进行抽样，另外，根据DG模型使用拉丁超立方抽样，生成风机和光伏的8760个小时的输出功率，获得风光的年时序出力曲线；
将系统平均停电时间SAIDI和期望缺供电量EENS作为可靠性的评估指标，模拟系统运行100年，以TSAIDI和EEENS表示：
Figure FDA0003333695150000081
式中：Tall是系统的仿真时间；α是物理系统发生故障的次数；Toutage(,i)表示负荷点l在发生第i次故障时的停电时间；β是系统负荷点数目，N(l)表示负荷点l的用户数；Eloss(i)表示在发生第i次故障时系统的负荷失电量。
2.如权利要求1所述的一种考虑信息失效的主动配电网信息物理系统可靠性评估方法，其特征在于，在所述步骤S7中，所提方法的仿真和验证包括以下步骤：
S7-1：选取以下3个场景进行仿真：(1)在不确定环境下只考虑物理系统故障，信息系统一直正常；(2)假设DG出力为额定功率，负荷为年平均负荷，考虑信息和物理系统均发生故障；(3)在不确定环境下考虑信息和物理系统均发生故障，对不同场景的结果进行比较分析，验证所提方法的必要性；
S7-2：针对物理系统和信息系统两方面从分布式电源容量、孤岛运行方式、信息元件与信息传输异常、以及接入网结构角度展开敏感性分析，所得结果验证了所提方法的准确性和有效性。
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CN110224427A (zh) * 2019-03-14 2019-09-10 浙江工业大学 一种基于微电网能量控制策略的信息物理系统建模方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Title
"信息系统对微电网能量调度经济性的影响量化方法";王妍彦 等;《电力自动化设备》;20200430;第40卷(第4期);138-145 *

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