CN112072647B - 考虑通信故障影响的配电网cps安全性评估方法及装置 - Google Patents

考虑通信故障影响的配电网cps安全性评估方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法及装置，该方法包括，构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想，考虑在故障定位、隔离、恢复等配电自动化故障处理业务执行过程中出现的信息故障，构造具有业务相关性的信息物理组合预想故障集；量化分析通信故障对配电自动化业务执行过程的影响，计算相应的安全性评估指标；最后，对计算出的安全性后果进行排序筛选，得到相应分析场景下的信息物理严重故障集。本发明量化分析了信息物理组合故障对配电网运行安全性的影响，在评估流程中有效结合了配电网故障后的恢复控制策略，使安全性评估的结果更符合工程实际情况。

Description

考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法及装置
技术领域
本发明涉及一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法及装置，属于配电网技术领域。
背景技术
信息物理系统(cyber physical distribution system,CPS)是一个实时感知、信息处理与动态控制相互融合的多维异构复杂系统，其通过3C(Communication,Computation,Control)技术将通信网络、物理系统与分析计算系统融为一体。随着风电、光伏等分布式电源的大量接入以及先进的数据采集、通信和控制技术的广泛应用，现代配电网已逐渐向主动配电系统(Active Distribution System,ADS)过渡，以实现对电网运行状态的实时感知与对线路开关、分布式电源、储能及需求侧响应资源等电网可调度资源的灵活可控。ADS借助于大规模的传感测量系统以及复杂的信息通信网络，实现感知、计算、通信与控制等技术的深度融合，已具备典型的配电网信息物理系统的技术特征。
先进信息通信技术(ICT)的广泛采用虽然大幅提升了配电网CPS主动感知与控制的能力，但信息侧与物理侧的高度耦合也会将信息侧安全风险传递到电力物理系统，增大配电系统运行风险。近年来国际社会已发生多起由恶意信息攻击导致的电力系统大停电事件，信息系统给电力物理系统安全运行带来的影响无法被忽视。如何考虑信息侧的影响，量化分析信息故障给配电网运行带来的风险，进而对配电网CPS安全性进行评估，显得尤为紧迫和关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法及装置，解决现有技术中配电网安全评估方法中缺乏考虑信息系统故障影响的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，包括：
构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想；
对进行物理故障预想的配电网CPS，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集；
对受信息物理组合预想故障影响的配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估；
根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障。
进一步的，所述构建物理预想故障集，包括：
设置线路短路故障。
进一步的，所述根据物理预想故障，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集，包括：
在故障定位阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置故障线路开关处FTU量测功能失效，设置上行通信链路中断，以及设置路由器交换机通信节点失效；
在故障隔离阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置故障线路开关处FTU控制功能失效；
在故障恢复阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置联络开关处FTU控制失效
将故障定位、故障隔离和故障恢复三个阶段的信息故障进行归纳，并与物理预想故障进行融合，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集。
进一步的，还包括，
将物理预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中，求解得到支路上的联络开关的运行状态，由此得到物理预想故障后的故障恢复操作方案；将控制中心到所确定的联络开关FTU之间的路径作为故障恢复阶段的信息业务路径。
进一步的，所述对受信息物理组合预想故障影响的配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估，包括：
将信息物理组合预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中进行求解；
根据求解结果计算配电网CPS进行整体安全性评估指标和一类负荷失电风险评估指标。
进一步的，所述配电网CPS故障后的恢复控制模型为：
以故障后系统失负荷功率最小和一类负荷的失电风险最小为目标函数：
Figure BDA0002652292970000021
Figure BDA0002652292970000022
其中，F1为系统失负荷功率，N为系统中所有负荷节点集合，
Figure BDA0002652292970000023
为t时刻负荷节点i上的失电功率，F2为一类负荷失电功率，NΔ表示一类负荷节点集合；
所述目标函数需满足约束条件：
节点功率平衡约束：
Figure BDA0002652292970000031
Figure BDA0002652292970000032
Uj,t＝Ui,t-(rijPij,t+xijQij,t)
其中，w(j)为以j节点为首端节点的支路末端节点集合，m(j)为以j节点为末端节点的支路首端节点集合，Pjk,t与Qjk,t分别为t时刻从j节点流向k节点的支路有功功率和无功功率，zjk,t为支路jk上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0；Pij,t与Qij,t分别为t时刻从i节点流向j节点的支路有功功率和无功功率，zij,t为支路ij上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0，
Figure BDA0002652292970000033
分别为t时刻变电站向配电网j节点输送的有功功率和无功功率，
Figure BDA0002652292970000034
分别为t时刻j节点上的DG发出的有功功率和无功功率，
Figure BDA0002652292970000035
分别为t时刻j节点的有功功率和无功功率，rij、xij分别为支路ij的电阻和电抗值，Ui,t为t时刻i节点的节点电压，Uj,t为t时刻j节点的节点电压；
节点电压约束：
Figure BDA0002652292970000036
其中，U与
Figure BDA0002652292970000037
分别为系统安全运行允许的电压下限与电压上限；
支路容量约束：
Figure BDA0002652292970000038
其中，Sij,max为支路ij上允许通过的最大功率；
DG出力控制约束：
Figure BDA0002652292970000039
Figure BDA00026522929700000310
Figure BDA00026522929700000311
其中，
Figure BDA0002652292970000041
表示t时刻i节点上的DG预测有功出力，
Figure BDA0002652292970000042
为t时刻i节点上的DG发出的有功功率，ωDG,i为i节点上允许的DG最大切机比例，θDG,t表示DG运行的功率因数角。
进一步的，所述信息物理组合预想故障采用配电网CPS信息物理关联特性矩阵表示。
进一步的，所述根据求解结果计算配电网CPS进行整体安全性评估指标和一类负荷失电风险评估指标，包括：
计算传统确定性停电后果指标：
Figure BDA0002652292970000043
T＝T1+T2；
其中，T为故障恢复时间，T1为故障定位时间，T2表示故障隔离以及非故障区段恢复时间；
计算考虑信息物理故障事件概率的风险性指标：
Figure BDA0002652292970000044
Figure BDA0002652292970000045
其中，
Figure BDA0002652292970000046
表示信息物理组合预想故障事件的风险值，αm、βn分别表示电力元件m与信息元件n的故障概率，m,n为信息物理组合预想故障集Ω中的一个元素，RCPDS表示配电网CPS的整体运行风险；
计算一类负荷失电概率指标：
PIm＝1-(1-(α1·β1))·(1-(α1·β2))·(...)·(1-((αp·βq)))，p,q∈Ωm
其中，PIm表示一类负荷失电概率，Ωm表示会导致一类负荷失电的信息物理组合故障集，αp与βq分别表示会导致一类负荷失电的电力故障p、信息故障q的发生概率，p,q∈Ωm表示电力故障p与信息故障q属于故障集Ωm中的一个组合故障元素。
进一步的，所述根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障，包括：
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的系统失负荷功率按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成确定性停电后果最大的严重组合故障集；
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的考虑信息物理故障事件概率的系统整体运行风险指标按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成造成故障风险值最大的严重组合故障集；
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的一类负荷失电概率指标按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成造成一类负荷失电概率最大的严重组合故障集。
本发明还提供一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估装置，包括：
第一预想模块，用于构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想；
第二预想模块，用于对进行物理故障预想的配电网CPS，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集；
评估模块，用于对受信息物理组合预想故障影响的配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估；
以及，
筛选模块，用于根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障。
进一步的，所述第一预想模块具体用于，
设置线路短路故障，构成物理预想故障集；
进一步的，所述第二预想模块具体用于，
在故障定位阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置故障线路开关处FTU量测功能失效，设置上行通信链路中断，以及设置路由器交换机通信节点失效；
在故障隔离阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置故障线路开关处FTU控制功能失效；
在故障恢复阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置联络开关处FTU控制失效
将故障定位、故障隔离和故障恢复三个阶段的信息故障进行归纳，并与物理预想故障进行融合，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集。
进一步的，所述评估模块具体用于，
将信息物理组合预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中进行求解；
根据求解结果计算配电网CPS进行整体安全性评估指标和一类负荷失电风险评估指标；所述评估指标包括：
传统确定性停电后果指标：
Figure BDA0002652292970000061
T＝T1+T2；
其中，T为故障恢复时间，T1为故障定位时间，T2表示故障隔离以及非故障区段恢复时间；
考虑信息物理故障事件概率的风险性指标：
Figure BDA0002652292970000062
Figure BDA0002652292970000063
其中，
Figure BDA0002652292970000064
表示信息物理组合预想故障事件的风险值，αm、βn分别表示电力元件m与信息元件n的故障概率，m,n为信息物理组合预想故障集Ω中的一个元素，RCPDS表示配电网CPS的整体运行风险；
一类负荷失电概率指标：
PIm＝1-(1-(α1·β1))·(1-(α1·β2))·(...)·(1-((αp·βq)))，p,q∈Ωm
其中，PIm表示一类负荷失电概率，Ωm表示会导致一类负荷失电的信息物理组合故障集，αp与βq分别表示会导致一类负荷失电的电力故障p、信息故障q的发生概率，p,q∈Ωm表示电力故障p与信息故障q属于故障集Ωm中的一个组合故障元素。
本发明所达到的有益效果为：
本发明在传统配电网安全分析基础上，考虑配电线自动化过程中故障定位、隔离、恢复业务执行全过程中可能发生的信息故障，量化分析了信息物理组合故障对配电网运行安全性的影响，计算、筛选得到对系统整体或一类负荷运行安全性威胁程度最大的严重组合故障集。同时，本发明建立了配电网CPS安全性指标评价体系，对配电CPS运行安全进行综合量化。本发明还提出了配电网CPS故障后的恢复控制模型，在配电网CPS安全性评估流程中有效结合了配电网故障后的恢复控制策略，使安全性评估的结果更符合工程实际情况。
附图说明
图1为本发明中配电网CPS结构示意图；
图2为本发明的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法流程图；
图3为本发明的信息物理组合预想故障集生成以及严重组合故障集筛选具体详细流程；
图4为本发明中严重组合故障集生成方法框架图。
具体实施方式
下面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。
本发明提供一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，包括：
构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想；
对进行物理故障预想的配电网CPS，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集；
对受信息物理组合预想故障影响的配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估；
根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障。
参见图2，本发明实施例提供一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，具体如下：
步骤一：对配电网CPS进行层次结构划分并建立配电网CPS信息物理关联矩阵。
对配电网CPS进行层次结构划分是指，将配电网CPS单元抽象为物理实体层、信息物理耦合层和信息系统层，分别对应电力网、通信网/二次设备网和主站(子站)控制决策单元，配电网CPS结构如图1所示。
电力网包括变压器、配电线路、隔离开关、断路器等传统一次设备和风机、光伏等新能源设备以及储能、电动汽车等储能设备等。
通信网/二次设备网包括信息通信设备以及通信网采用的通信协议、软件、拓扑等，包括主站与子站连接的骨干网以及主站与配电智能终端连通的接入网，构成元素有交换机、路由器、通信链路等，二次设备是指对配电网物理设备进行量测、控制的智能终端设备，如FTU、DTU等。
主站(子站)控制决策单元是配电网应用层，包含EMS、配电自动化、人机交互等高级应用功能，进行集中决策并下发指令。
建立配电网CPS信息物理关联矩阵，包括：
A)物理实体层模型P：
根据配电网拓扑结构，由“0”和“1”两个逻辑元素表示物理实体层中的关联关系。对于m个物理节点的配电网网络，建立一个m×m阶矩阵P：
Figure BDA0002652292970000081
式中：pij表示物理实体层的节点和线路。若i＝j，pij表示物理节点；若i≠j，pij表示物理线路。当pij为0时，表示无连接；当pij为1时，表示有连接。
B)通信网络模型C：
同样，根据通信网络拓扑结构，对于n个通信节点的通信网络，建立一个n×n阶矩阵C：
Figure BDA0002652292970000082
式中：cij表示通信网络的节点和线路。若i＝j，cij表示通信节点；若i≠j，cij表示通信链路。当cij为0时，表示无连接；当cij为1时，表示有连接。
C)二次设备网络模型S：
对于一个含有k个二次设备的网络，建立一个k×k阶矩阵S。
Figure BDA0002652292970000083
式中：sij表示二次设备网络的节点和通道。若i＝j，sij表示二次设备节点；若i≠j，sij表示二次设备通道。当sij为0时，表示无连接；当sij为1时，表示有连接。
D)二次设备-物理关联矩阵
Figure BDA0002652292970000095
采用关联矩阵
Figure BDA0002652292970000096
表示二次设备网络节点与物理节点之间有无信息传递链路。
Figure BDA0002652292970000097
表示有信息传递链路；
Figure BDA0002652292970000098
表示无信息传递链路。该矩阵内的矩阵元素表示信息采集过程中和命令执行过程中物理实体和二次设备网络的关联关系：
Figure BDA0002652292970000091
E)二次设备-通信关联矩阵
Figure BDA0002652292970000099
采用二次设备—通信关联特性矩阵
Figure BDA00026522929700000910
描述二次设备网络节点和通信网络节点之间的关联关系，其中C←S描述监测信息上传过程，C→S描述指令下发过程。
Figure BDA0002652292970000092
步骤二：构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想。
具体的，构建物理预想故障集包括：线路短路故障。
具体的，还包括，基于配电网CPS故障后的恢复控制模型确定故障恢复操作方案，搜索故障恢复操作的信息业务路径；
配电网CPS故障后的恢复控制模型，包括：
配电网CPS故障后的恢复控制数学模型的目标函数根据使系统整体运行风险最小与使一类负荷的失电风险最小等两种不同的场景需要，分别建立两种优化控制目标：
1)最小化故障后系统失负荷功率F1：
Figure BDA0002652292970000093
式中，F1为系统失负荷功率，N为系统中所有负荷节点集合，
Figure BDA0002652292970000094
为t时刻负荷节点i上的失电功率，为决策变量。
2)最小化一类负荷失电功率F2：
Figure BDA0002652292970000101
其中，NΔ表示一类负荷节点集合。一类负荷作为配电系统中最关键和优先保障的负荷，一旦失电会造成严重的后果。以一类负荷最小失电功率为优化目标，可以通过调度灵活性资源，最大程度减少系统关键负荷的失电情况，优先保障一类负荷的供电安全。
上述目标函数需满足约束条件：
节点功率平衡约束：
Figure BDA0002652292970000102
Figure BDA0002652292970000103
Uj,t＝Ui,t-(rijPij,t+xijQij,t)
式中，w(j)为以j节点为首端节点的支路末端节点集合，m(j)为以j节点为末端节点的支路首端节点集合；Pjk,t与Qjk,t分别为t时刻从j节点流向k节点的支路有功功率和无功功率；zjk,t为支路jk上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0；Pij,t与Qij,t分别为t时刻从i节点流向j节点的支路有功功率和无功功率；zij,t为支路ij上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0；
Figure BDA0002652292970000104
分别为t时刻变电站向配电网j节点输送的有功功率和无功功率；
Figure BDA0002652292970000105
分别为t时刻j节点上的DG发出的有功功率和无功功率；
Figure BDA0002652292970000106
分别为t时刻j节点的有功功率和无功功率；rij、xij分别为支路ij的电阻和电抗值；Ui,t为t时刻i节点的节点电压；Uj,t为t时刻j节点的节点电压。
节点电压约束：
Figure BDA0002652292970000107
式中，U与
Figure BDA0002652292970000108
分别为系统安全运行允许的电压下限与电压上限。
支路容量约束：
Figure BDA0002652292970000109
式中，Sij,max为支路ij上允许通过的最大功率，即线路额定容量。
DG出力控制约束：
Figure BDA0002652292970000111
Figure BDA0002652292970000112
Figure BDA0002652292970000113
式中，
Figure BDA0002652292970000114
表示t时刻i节点上的DG预测有功出力；
Figure BDA0002652292970000115
为t时刻i节点上的DG发出的有功功率，ωDG,i为i节点上允许的DG最大切机比例；θDG,t表示DG运行的功率因数角，运行时θDG,t大于下限
Figure BDA0002652292970000116
小于上限
Figure BDA0002652292970000117
具体的，基于配电网CPS故障后的恢复控制模型确定故障恢复操作方案，搜索故障恢复操作的信息业务路径，包括：
将物理预想故障集中的物理预想故障输入到所述配电网CPS故障后的恢复控制模型中，求解得到支路上的分段开关的运行状态，即为故障恢复操作方案；控制中心到所确定的分段开关FTU之间的路径即为故障恢复操作的信息业务路径。
步骤三、考虑物理预想故障后配电自动化业务的故障定位、故障隔离和故障恢复的全过程，在相应的信息业务路径上设置信息故障，构造具有拓扑相关性和业务相关性的信息物理组合预想故障集；集合中的信息物理组合预想故障均采用配电网CPS信息物理关联特性矩阵表示。
参见图3，构造信息物理组合预想故障包括：
故障定位阶段信息业务路径(故障信息上传到控制中心的业务路径)上设置信息故障包括：故障线路开关处FTU量测功能失效，通过设置S矩阵中故障设备元素为0实现；上行通信链路中断，通过设置C←S矩阵或C矩阵中故障链路元素为0实现；和路由器交换机通信节点失效，通过设置C矩阵中故障链路元素为0实现；
故障隔离阶段信息业务路径(控制中心下发指令到故障处开关的业务路径)上设置信息故障包括：下行通信链路中断，通过设置C→S矩阵或C矩阵中故障链路元素为0实现；路由器交换机通信节点失效，通过设置C矩阵中故障链路元素为0实现；和故障线路开关处FTU控制功能失效，通过设置S矩阵中故障设备元素为0实现；
故障恢复阶段信息业务路径(控制中心下发指令到需要动作的联络开关的业务路径)上设置信息故障包括：下行通信链路中断，通过设置C→S矩阵或C矩阵中故障链路元素为0实现；路由器交换机通信节点失效，通过设置C矩阵中故障链路元素为0实现；和联络开关处FTU控制失效，通过设置S矩阵中故障设备元素为0实现。
将故障在定位、隔离、恢复三个阶段的信息故障进行归纳，并与物理预想故障融合，合并重复的组合故障，构造具有拓扑相关性和业务相关性的信息物理组合预想故障集。
步骤四、基于配电网CPS故障后的恢复控制模型对受信息物理组合预想故障影响的配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估；包括：
41)将信息物理组合预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中进行求解；
其中，故障定位阶段：若发生信息故障，系统无法准确定位到故障点，将故障定位到故障点上游线路，跳开上游的分段开关。将开关运行状态变化情况输入到配电网恢复控制模型中，进行量化分析计算。
故障隔离阶段：若发生信息故障，系统无法对故障点处的分段开关进行控制，隔离失败，跳开上游的后备开关。将开关运行状态变化情况输入到配电网恢复控制模型中，进行量化分析计算。
故障恢复阶段：若发生信息故障，系统无法将闭合指令发送到负责对该故障进行转供的联络开关，联络开关拒动，导致故障恢复失败。
具体的，对配电网CPS故障后的恢复控制模型进行求解，包括：
对支路容量约束进行功率圆线性化；
采用成熟的CPLEX商用求解器对恢复控制模型进行求解。
42)根据求解结果对配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估。参见图3，包括：
计算系统整体安全性的安全指标和针对一类负荷失电风险的概率指标，用以支撑配电CPS以及一类负荷的安全分析与控制。其中，针对系统整体安全性的指标又分为传统确定性停电后果指标和考虑信息物理故障事件概率的风险性指标两类。
A)传统确定性停电后果指标
A1)系统失负荷功率：是配电网安全性评估中最重要的指标，指的是配电网CPS发生信息物理组合故障后，故障区段的负荷减少量和故障恢复后非故障区段的负荷减少功率之和：
Figure BDA0002652292970000121
A2)故障恢复时间：也是配电网安全性评估中的一个关键评价指标，反映配电网对故障处理速度的快慢。由于故障区段主要依靠人工抢修的方式来恢复供电，这里主要关注对非故障停电区域恢复供电的速度：
T＝T1+T2
其中：T1为故障定位时间，T2表示故障隔离以及非故障区段恢复时间。
B)考虑信息物理故障事件概率的风险指标
B1)考虑故障概率的信息物理故障风险指标计算公式如下：
Figure BDA0002652292970000131
其中，m,n分别表示电力元件m与信息元件n，这里电力元件指配电线路，信息元件包括路由器交换机等通信节点、通信链路以及FTU节点，
Figure BDA0002652292970000132
表示信息物理组合故障事件(m,n发生组合故障)的风险值，αm、βn分别表示电力元件m与信息元件n的故障概率，为已知输入参数；m,n为组合故障集Ω中的一个元素。
B2)系统整体运行风险计算公式如下：
Figure BDA0002652292970000133
其中，RCPDS表示配电网CPS的整体运行风险。
C)配电网一类负荷失电风险指标
一类负荷作为配电系统中最关键和优先保障的负荷，一旦失电会造成严重的后果。分析会造成一类负荷失电的信息物理组合故障事件，计算一类负荷在预想故障集下的失电概率，对一类负荷的供电安全性进行评估，为一类负荷的安全控制提供决策依据。
一类负荷失电概率的计算公式如下：
PIm＝1-(1-(α1·β1))·(1-(α1·β2))·(...)·(1-((αp·βq)))，p,q∈Ωm
其中，PIm表示一类负荷失电概率，Ωm表示会导致一类负荷失电的信息物理组合故障集，由信息物理预想故障下的恢复控制模型，计算哪些组合故障导致一类负荷失电，进而得到Ωm，αp与βq分别表示会导致一类负荷失电的电力故障p、信息故障q的发生概率，p,q∈Ωm表示电力故障p与信息故障q属于故障集Ωm中的一个组合故障元素。
步骤五：根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障。
严重组合故障筛选如图4所示，包括：
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的系统失负荷功率按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成确定性停电后果最大的严重组合故障集；
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的考虑信息物理故障事件概率的系统整体运行风险指标按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成造成故障风险值最大的严重组合故障集；
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的一类负荷失电概率指标按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成造成一类负荷失电概率最大的严重组合故障集。
本发明还提供一种考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估装置，包括：
第一预想模块，用于构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想；
第二预想模块，用于对进行物理故障预想的配电网CPS，，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集；
评估模块，用于对受信息物理组合预想故障影响的配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估；
以及，
筛选模块，用于根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障。
进一步的，所述第一预想模块具体用于，
设置线路短路故障，构成物理预想故障集
进一步的，所述第二预想模块具体用于，
在故障定位阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置故障线路开关处FTU量测功能失效，设置上行通信链路中断，以及设置路由器交换机通信节点失效；
在故障隔离阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置故障线路开关处FTU控制功能失效；
在故障恢复阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置联络开关处FTU控制失效
将故障定位、故障隔离和故障恢复三个阶段的信息故障进行归纳，并与物理预想故障进行融合，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集。
进一步的，所述评估模块具体用于，
将信息物理组合预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中进行求解；
根据求解结果计算配电网CPS进行整体安全性评估指标和一类负荷失电风险评估指标；所述评估指标包括：
传统确定性停电后果指标：
Figure BDA0002652292970000151
T＝T1+T2；
其中，T为故障恢复时间，T1为故障定位时间，T2表示故障隔离以及非故障区段恢复时间；
考虑信息物理故障事件概率的风险性指标：
Figure BDA0002652292970000152
Figure BDA0002652292970000153
其中，
Figure BDA0002652292970000154
表示信息物理组合预想故障事件的风险值，αm、βn分别表示电力元件m与信息元件n的故障概率，m,n为信息物理组合预想故障集Ω中的一个元素，RCPDS表示配电网CPS的整体运行风险；
一类负荷失电概率指标：
PIm＝1-(1-(α1·β1))·(1-(α1·β2))·(...)·(1-((αp·βq)))，p,q∈Ωm
其中，PIm表示一类负荷失电概率，Ωm表示会导致一类负荷失电的信息物理组合故障集，αp与βq分别表示会导致一类负荷失电的电力故障p、信息故障q的发生概率，p,q∈Ωm表示电力故障p与信息故障q属于故障集Ωm中的一个组合故障元素。
值得指出的是，该装置实施例是与上述方法实施例对应的，上述方法实施例的实现方式均适用于该装置实施例中，并能达到相同或相似的技术效果，故不在此赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，其特征在于，包括：
构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想；
对进行物理故障预想的配电网CPS，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集；
对受信息物理组合预想故障影响的配电网CPS进行整体安全性评估和一类负荷失电风险评估，包括：
将信息物理组合预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中进行求解，配电网CPS故障后的恢复控制模型为：
以故障后系统失负荷功率最小和一类负荷的失电风险最小为目标函数：
Figure FDA0003431215030000011
Figure FDA0003431215030000012
其中，F1为系统失负荷功率，N为系统中所有负荷节点集合，
Figure FDA0003431215030000013
为t时刻负荷节点i上的失电功率，F2为一类负荷失电功率，NΔ表示一类负荷节点集合；
所述目标函数需满足约束条件：
节点功率平衡约束：
Figure FDA0003431215030000014
Figure FDA0003431215030000015
Uj,t＝Ui,t-(rijPij,t+xijQij,t)
其中，w(j)为以j节点为首端节点的支路末端节点集合，m(j)为以j节点为末端节点的支路首端节点集合，Pjk,t与Qjk,t分别为t时刻从j节点流向k节点的支路有功功率和无功功率，zjk,t为支路jk上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0；Pij,t与Qij,t分别为t时刻从i节点流向j节点的支路有功功率和无功功率，zij,t为支路ij上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0，
Figure FDA0003431215030000016
分别为t时刻变电站向配电网j节点输送的有功功率和无功功率，
Figure FDA0003431215030000017
分别为t时刻j节点上的DG发出的有功功率和无功功率，
Figure FDA0003431215030000021
分别为t时刻j节点的有功功率和无功功率，rij、xij分别为支路ij的电阻和电抗值，Ui,t为t时刻i节点的节点电压，Uj,t为t时刻j节点的节点电压；
节点电压约束：
Figure FDA0003431215030000022
其中，U与
Figure FDA0003431215030000023
分别为系统安全运行允许的电压下限与电压上限；
支路容量约束：
Figure FDA0003431215030000024
其中，Sij,max为支路ij上允许通过的最大功率；
DG出力控制约束：
Figure FDA0003431215030000025
Figure FDA0003431215030000026
Figure FDA0003431215030000027
其中，
Figure FDA0003431215030000028
表示t时刻i节点上的DG预测有功出力，
Figure FDA0003431215030000029
为t时刻i节点上的DG发出的有功功率，ωDG,i为i节点上允许的DG最大切机比例，θDG,t表示DG运行的功率因数角；
根据求解结果计算配电网CPS进行整体安全性评估指标和一类负荷失电风险评估指标，如下：计算传统确定性停电后果指标：
Figure FDA00034312150300000210
T＝T1+T2；
其中，T为故障恢复时间，T1为故障定位时间，T2表示故障隔离以及非故障区段恢复时间；
计算考虑信息物理故障事件概率的风险性指标：
Figure FDA00034312150300000211
Figure FDA00034312150300000212
其中，
Figure FDA0003431215030000031
表示信息物理组合预想故障事件的风险值，αm、βn分别表示电力元件m与信息元件n的故障概率，m,n为信息物理组合预想故障集Ω中的一个元素，RCPDS表示配电网CPS的整体运行风险；
计算一类负荷失电概率指标：
PIm＝1-(1-(α1·β1))·(1-(α1·β2))·(...)·(1-((αp·βq)))，p,q∈Ωm
其中，PIm表示一类负荷失电概率，Ωm表示会导致一类负荷失电的信息物理组合故障集，αp与βq分别表示会导致一类负荷失电的电力故障p、信息故障q的发生概率，p,q∈Ωm表示电力故障p与信息故障q属于故障集Ωm中的一个组合故障元素；
根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障。
2.根据权利要求1所述的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，其特征在于，所述构建物理预想故障集，包括：
设置线路短路故障。
3.根据权利要求1所述的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，其特征在于，所述根据物理预想故障，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集，包括：
在故障定位阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置故障线路开关处FTU量测功能失效，设置上行通信链路中断，以及设置路由器交换机通信节点失效；
在故障隔离阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置故障线路开关处FTU控制功能失效；
在故障恢复阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置联络开关处FTU控制失效
将故障定位、故障隔离和故障恢复三个阶段的信息故障进行归纳，并与物理预想故障进行融合，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集。
4.根据权利要求3所述的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，其特征在于，还包括，
将物理预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中，求解得到支路上的联络开关的运行状态，由此得到物理预想故障后的故障恢复操作方案；将控制中心到所确定的联络开关FTU之间的路径作为故障恢复阶段的信息业务路径。
5.根据权利要求1所述的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，其特征在于，所述信息物理组合预想故障采用配电网CPS信息物理关联特性矩阵表示。
6.根据权利要求1所述的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估方法，其特征在于，所述根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障，包括：
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的系统失负荷功率按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成确定性停电后果最大的严重组合故障集；
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的考虑信息物理故障事件概率的系统整体运行风险指标按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成造成故障风险值最大的严重组合故障集；
将所计算的各信息物理组合预想故障对配电网CPS安全性影响的一类负荷失电概率指标按从大到小进行排序，选取最大的十个组合故障构成造成一类负荷失电概率最大的严重组合故障集。
7.考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估装置，其特征在于，包括：
第一预想模块，用于构建物理预想故障集，对配电网CPS逐一进行物理故障预想；
第二预想模块，用于对进行物理故障预想的配电网CPS，在故障定位、故障隔离和故障恢复阶段的信息业务路径上设置信息故障，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集；
评估模块，具体用于，
将信息物理组合预想故障输入到配电网CPS故障后的恢复控制模型中进行求解；
根据求解结果计算配电网CPS整体安全性评估指标和一类负荷失电风险评估指标；
所述配电网CPS故障后的恢复控制模型为：
以故障后系统失负荷功率最小和一类负荷的失电风险最小为目标函数：
Figure FDA0003431215030000041
Figure FDA0003431215030000042
其中，F1为系统失负荷功率，N为系统中所有负荷节点集合，
Figure FDA0003431215030000043
为t时刻负荷节点i 上的失电功率，F2为一类负荷失电功率，NΔ表示一类负荷节点集合；
所述目标函数需满足约束条件：
节点功率平衡约束：
Figure FDA0003431215030000051
Figure FDA0003431215030000052
Uj,t＝Ui,t-(rijPij,t+xijQij,t)
其中，w(j)为以j节点为首端节点的支路末端节点集合，m(j)为以j节点为末端节点的支路首端节点集合，Pjk,t与Qjk,t分别为t时刻从j节点流向k节点的支路有功功率和无功功率，zjk,t为支路jk上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0；Pij,t与Qij,t分别为t时刻从i节点流向j节点的支路有功功率和无功功率，zij,t为支路ij上的分段开关t时刻的运行状态，闭合状态为1，断开状态为0，
Figure FDA0003431215030000053
分别为t时刻变电站向配电网j节点输送的有功功率和无功功率，
Figure FDA0003431215030000054
分别为t时刻j节点上的DG发出的有功功率和无功功率，
Figure FDA0003431215030000055
分别为t时刻j节点的有功功率和无功功率，rij、xij分别为支路ij的电阻和电抗值，Ui,t为t时刻i节点的节点电压，Uj,t为t时刻j节点的节点电压；
节点电压约束：
Figure FDA0003431215030000056
其中，U与
Figure FDA0003431215030000057
分别为系统安全运行允许的电压下限与电压上限；
支路容量约束：
Figure FDA0003431215030000058
其中，Sij,max为支路ij上允许通过的最大功率；
DG出力控制约束：
Figure FDA0003431215030000059
Figure FDA00034312150300000510
Figure FDA00034312150300000511
其中，
Figure FDA0003431215030000061
表示t时刻i节点上的DG预测有功出力，
Figure FDA0003431215030000062
为t时刻i节点上的DG发出的有功功率，ωDG,i为i节点上允许的DG最大切机比例，θDG,t表示DG运行的功率因数角；
所述评估指标包括：
传统确定性停电后果指标：
Figure FDA0003431215030000063
T＝T1+T2；
其中，T为故障恢复时间，T1为故障定位时间，T2表示故障隔离以及非故障区段恢复时间；
考虑信息物理故障事件概率的风险性指标：
Figure FDA0003431215030000064
Figure FDA0003431215030000065
其中，
Figure FDA0003431215030000066
表示信息物理组合预想故障事件的风险值，αm、βn分别表示电力元件m与信息元件n的故障概率，m,n为信息物理组合预想故障集Ω中的一个元素，RCPDS表示配电网CPS的整体运行风险；
一类负荷失电概率指标：
PIm＝1-(1-(α1·β1))·(1-(α1·β2))·(...)·(1-((αp·βq)))，p,q∈Ωm
其中，PIm表示一类负荷失电概率，Ωm表示会导致一类负荷失电的信息物理组合故障集，αp与βq分别表示会导致一类负荷失电的电力故障p、信息故障q的发生概率，p,q∈Ωm表示电力故障p与信息故障q属于故障集Ωm中的一个组合故障元素；
以及，
筛选模块，用于根据配电网CPS评估结果筛选对配电CPS整体安全性和一类负荷供电安全性影响的严重组合故障。
8.根据权利要求7所述的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估装置，其特征在于，所述第一预想模块具体用于，
设置线路短路故障，构成物理预想故障集。
9.根据权利要求7所述的考虑通信故障影响的配电网CPS安全性评估装置，其特征在于，所述第二预想模块具体用于，
在故障定位阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置故障线路开关处FTU量测功能失效，设置上行通信链路中断，以及设置路由器交换机通信节点失效；
在故障隔离阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置故障线路开关处FTU控制功能失效；
在故障恢复阶段信息业务路径上设置信息故障包括：设置下行通信链路中断，设置路由器交换机通信节点失效，以及设置联络开关处FTU控制失效
将故障定位、故障隔离和故障恢复三个阶段的信息故障进行归纳，并与物理预想故障进行融合，构建考虑通信故障影响的信息物理组合预想故障集。
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