CN112688313A - 一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法，涉及电力技术领域。本发明提出的建模方法构建了配电网物理域故障情况下信息侧发生扰动的预想故障集。提出以负荷损失程度和用户损失程度为可靠性指标来评估配电网潜在的若干种故障类型对配电网可靠性的影响。最后基于本发明所提方法对改进后的IEEE30节点配电网进行案例验证，验证了本发明所提方法的实用性和有效性。

Description

一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法。

背景技术

当前电网发展呈现出新的趋势，大量的分布式电源(distributed generator，DG)的接入使得传统配电网进化成信息物理高度耦合的信息物理系统。信息系统加入到配电网中虽然给配电网的控制运行带来了改善，但由于其庞大的通讯控制系统，给网络攻击带来了可乘之机，为配电网的稳定运行带来了新的威胁，严重的时候甚至会引发级联故障，导致整个配电网CPS (cyber-physical system)系统的崩溃瘫痪，给生产生活带来严重的影响。

近年来由于网络攻击导致的信息侧设备失效导致的电力事故频发，这主要是源于传统的评估和保护方法已经不能完全适用于当前日新月异的电网结构。

随着信息物理两侧的耦合程度进一步加深，需要做到在受到大的扰动时，快速的分析和评估配电网的安全性和稳定性，就必须建立起提前预想的包含信息侧和物理侧均发生故障的预想故障集。因此本发明将信息物理侧故障进行组合构成预想信息物理组合预想故障集，从故障集入手来研究配电网的可靠性和安全性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法，包括以下步骤：

步骤1：基于给定的配电网，确定其关联矩阵；

步骤1.1：分别对配电网物理层P、接口层S和通讯层C计算各层连接矩阵，如下式所示：

其中，对于包含m个物理节点的物理层P，含有k个设备的接口层S、含有n个设备的通讯层C的取值，有p_ij、s_ij、c_ij取值为0或1，当值为1时表示节点i和节点j直接相连；取值为0时表示两节点不相连；

步骤1.2：对物理层P、接口层S和通讯层C之间建立耦合矩阵，包括接口设备关联矩阵

以及接口层-通讯层关联矩阵

所述接口设备关联矩阵

描述物理层设备和接口层设备之间的连接关系如下所示：

所述接口层-通讯层关联矩阵

描述接口层设备和通讯层之间的连接关系如下所示：

步骤2，结合数据传输错误这一故障类型构建元件传输可靠性模型，如下所示；

其中当数据传输状态R₀＝0表示通信数据传输出现传输错误，R₀＝1表示无传输错误，κ为误码率阈值，p_e为系统误码率，与信号调制方式及信噪比r有关，具体关系表示为：

式中：r为信噪比，erfc(·)为互补误差函数，a和b均为数据调制参数；

步骤3：构建传输延时状态模型R₁：

其中R₁＝0表示网络数据传输发生延时，R₁＝1表示不发生延时，T_z,l为传输链路上的总延时，T₀表示延时允许的阈值。

步骤4：构建点到点的拓扑可靠性模型；

其中，R₂＝0表示两点间的通信链路连接中断，R₂＝1表示连接正常，p(l)为两点之间的一条连接路径；A为两点之间总的通信路径集合；N链路l中节点数；L为路径l的链路数；S(C_i)表示节点C_i的状态，S(f_i)表示链路f_i的状态，0表示故障，1表示正常；

步骤5：构建信息攻击可能性模型R₃：

其中，R₃＝0表示信息节点未遭受攻击，R₃＝1表示遭受攻击。P_Z,i为节点i被攻击者利用的概率；S_ac为成为攻击对象的潜在接入点的集合；δ为[0,1]之间的平均随机分布数；

步骤6：构建信息物理组合故障集；其中物理组合预想故障集是节点之间的供电线路发生中断，在多条供电线路中选取随机两条进行中断，生成一个物理侧两点故障的故障集；其故障总数A_f为

其中A代表所有元件节点的总和，C为组合运算符号。

步骤7：构建与物理侧两点故障节点对应的通信链路或通信设备故障，生成信息侧故障集；

步骤8：将信息侧故障集同物理层故障进行组合，生成信息物理故障集；

步骤9：构建可靠性评估指标，包括负荷损失程度ρ_load和用户损失程度ρ_user，对上述故障发生时的配电网进行可靠性评估；

其中w_i为节点负荷权重，p_i为负荷点i的有功功率，S、S_n和S_m分别为所有负荷、非故障区段以及故障区段的负荷集合。X和Y分别是故障后损失的用户数量以及系统总的用户数量。μ_j为用户j的等级参数；w₁和w₂分别是停电人数比例以及用户停电损失比例的参数。

本发明所产生的有益效果在于：

本技术方案提供了一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法。对配电网信息物理系统通过关联矩阵的方式建模并构建信息物理组合预想故障集来对配电网的可靠性和安全性进行评估的一种方法，能够分析出对配电网安全稳定运行扰动程度较大的故障类型，对于电网的针对性建设和保护具有较大的实践指导意义。

附图说明

图1为本发明的总体执行流程图；

图2为本发明实施例主动配电网CPS架构图；

图3为本发明实施例故障隔离过程示意图；

图4为本发明实施例故障隔离过程中开关不可控示意图；

图5为本发明实施例故障构建过程流程图；

图6为本发明实施例改进后的IEEE33节点拓扑结构图；

图7为本发明实施例案例配电网对应的信息节点网络连接图；

图8为本发明实施例故障点位置检测示意图；

图9为本发明实施例故障点检测异常示意图；

图10为本发明实施例故障定位过程中配电主站失效示意图；

图11为本发明实施例隔离区域包含真实故障点示意图；

图12为本发明实施例不同故障导致的配电网故障后果损失程度分析图；

图13为本发明实施例是不同故障供电恢复时间图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出了一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法，如图1所示，具有以下步骤：

步骤1：基于给定的配电网，确定其关联矩阵，配电网架构图入图2所示；

步骤1.1：分别对配电网物理层P、接口层S和通讯层C计算各层连接矩阵，如下式所示：

其中，对于包含m个物理节点的物理层P，含有k个设备的接口层S、含有n个设备的通讯层C的取值，有p_ij、s_ij、c_ij取值为0或1，当值为1时表示节点i和节点j直接相连；取值为0时表示两节点不相连；

步骤1.2：对物理层P、接口层S和通讯层C之间建立耦合矩阵，包括接口设备关联矩阵

以及接口层-通讯层关联矩阵

所述接口设备关联矩阵

描述物理层设备和接口层设备之间的连接关系如下所示：

所述接口层-通讯层关联矩阵

描述接口层设备和通讯层之间的连接关系如下所示：

步骤2，结合数据传输错误这一故障类型构建元件传输可靠性模型，如下所示；

其中当数据传输状态R₀＝0表示通信数据传输出现传输错误，R₀＝1表示无传输错误，κ为误码率阈值，p_e为系统误码率，与信号调制方式及信噪比r有关，具体关系表示为：

式中：r为信噪比，是根据环境符合一定程度的正态分布随机数，erfc(·)为互补误差函数，a和b均为数据调制参数；

步骤3：构建传输延时状态模型R₁：

其中R₁＝0表示网络数据传输发生延时，R₁＝1表示不发生延时，T_z,l为传输链路上的总延时，T₀表示延时允许的阈值。

步骤4：构建点到点的拓扑可靠性模型；

其中，R₂＝0表示两点间的通信链路连接中断，R₂＝1表示连接正常，p(l)为两点之间的一条连接路径；A为两点之间总的通信路径集合；N链路l中节点数；L为路径l的链路数；S(C_i)表示节点C_i的状态，S(f_i)表示链路f_i的状态，0表示故障，1表示正常；

步骤5：构建信息攻击可能性模型R₃：

其中，R₃＝0表示信息节点未遭受攻击，R₃＝1表示遭受攻击。P_Z,i为节点i被攻击者利用的概率；S_ac为成为攻击对象的潜在接入点的集合；δ为[0,1]之间的平均随机分布数；

步骤6：构建信息物理组合故障集；其中物理组合预想故障集是节点之间的供电线路发生中断，在多条供电线路中选取随机两条进行中断，生成一个物理侧两点故障的故障集；其故障总数A_f为

其中A代表所有元件节点的总和，C为组合运算符号。

步骤7：构建与物理侧两点故障节点对应的通信链路或通信设备故障，生成信息侧故障集；

步骤8：将信息侧故障集同物理层故障进行组合，生成信息物理故障集；

故障集构建的整体流程如图5所示。整体顺序遵循先进行物理故障构建，再根据修复路径构建路径上信息故障，最后组成信息物理故障组合集。

1)构建物理侧两点故障的故障集；

2)遍历物理侧所有故障集并生成故障恢复方案；

3)确定故障恢复方案；

4)搜索故障恢复方案信息传输路径；

由图7所示的信息网络可看出，信息侧单点故障包含157个故障点，进行信息节点关联性搜寻后，可筛选出2762个组合故障点构成的故障集。

步骤9：构建可靠性评估指标，包括负荷损失程度ρ_load和用户损失程度ρ_user，对上述故障发生时的配电网进行可靠性评估；

其中w_i为节点负荷权重，p_i为负荷点i的有功功率，S、S_n和S_m分别为所有负荷、非故障区段以及故障区段的负荷集合。X和Y分别是故障后损失的用户数量以及系统总的用户数量。μ_j为用户j的等级参数；w₁和w₂分别是停电人数比例以及用户停电损失比例的参数。

本实施例中使用如图6所示的IEEE33电网结构，其物理层连接矩阵表示为P_33×33，其中元素为0或者为1，其中0表示两节点之间无直接连接，1表示两点之间存在直接连接。矩阵表示方式为

对于图7所示二次网络，含有36个二次设备的网络接口层，矩阵中元素表示含义同上， 0表示无连接，1表示有连接。矩阵表示方式为

同理可建立起通信层关联矩阵C、接口设备-物理关联矩阵

接口层-通信层关联矩阵

并根据所提出的可靠性评估指标，对下述实施例案例的指标进行计算和分析。

根据分布式电源及负荷模型计算相应的有功功率。若太阳光符合beta分布规律，其中光伏发电的输出功率为

S是太阳光辐射强度；P_PV＝SAη是光伏发电的输出功率；η为光电转换的效率；A为光伏板的总面积；P_max为电源的最大输出功率；ε₁和ε₂分别为Beta分布的形状参数；Γ(·)为Gamma函数。

风速的概率分布利用具有双参数的威尔分布来表示，风机发电功率和风速关系如下：

v_ci和v_co分别为风电机组的切入风速以及切出风速；P_WTO表示额定输出功率；κ_i是常数，根据每个具体风机的参数来进行确定。

储能模型采用铅酸蓄电池充电模型：

P_dch(t)是储能在时刻t的放电功率；P_dch-max是储能放电功率的最大值；E_min为储能容量的最小值。

本发明应用负荷模型为时序负荷模型，n处的负荷功率在时刻t表示为

P_n,L(t)＝P_n,LPL_wL_dL_h (1)

P_n,LP为负荷点n的峰值；L_h、L_d和L_w分别是和时刻t对应的典型日-小时，周-日和年-周负荷曲线上的值。

基于评估指标对故障集进行排序，部分故障点如下表1。

表1故障点类型

针对故障点进行可靠性分析，其中表1中若干故障分析结果如图12和图13。

对于给定配电网，在物理故障过程中信息侧扰动影响过程分析。

正常情况下配电网发生短路故障后，系统将通过配电主站下发指令实现故障的定位，如图8，S₂处IDE检测到短路电流，S₃处IDE无故障电流，配电主站将根据检测数据将故障定位在S₂和S₃之间，完成故障的准确定位。

若定位过程中IED设备遭受攻击，发生信息干扰，如图9，S₂处信息遭到修改，配电主站将故障定位在S₁和S₂之间。此时系统将断开S₁和S₂的隔离开关，但是并不会将故障成功隔离，此时系统将进入二次重新定位阶段，延长路停电时间。

若系统对配电主站发起攻击，且攻击成功，如图10，此时整个接口层系统数据失效，系统发生大规模停电。

在故障隔离过程中，若故障定位正确，且两侧开关可控，隔离过程如图3。若故障点两端开关不可控，如图4，系统将向两侧寻找可控开关，但是会扩大停电范围。

在故障隔离过程中，若定位不准确，且动作开关区间包含真实故障点，如图11，虽然故障点判断错误，但隔离区间包含了真实故障点，将扩大停电范围。

在供电恢复过程中，供电恢复所需总时间t_r为人工故障查找时间t₁、人工故障隔离时间 t₂和故障修复时间t₃三者之和。

t_r＝t₁+t₂+t₃

最后应说明的是：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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：基于给定的配电网，确定其关联矩阵；

步骤2，结合数据传输错误这一故障类型构建元件传输可靠性模型，如下所示；

其中当数据传输状态R₀＝0表示通信数据传输出现传输错误，R₀＝1表示无传输错误，κ为误码率阈值，p_e为系统误码率，与信号调制方式及信噪比r有关，具体关系表示为：

式中：r为信噪比，erfc(·)为互补误差函数，a和b均为数据调制参数；

步骤3：构建传输延时状态模型R₁：

其中R₁＝0表示网络数据传输发生延时，R₁＝1表示不发生延时，T_z,l为传输链路上的总延时，T₀表示延时允许的阈值；

步骤4：构建点到点的拓扑可靠性模型；

其中，R₂＝0表示两点间的通信链路连接中断，R₂＝1表示连接正常，p(l)为两点之间的一条连接路径；A为两点之间总的通信路径集合；N链路l中节点数；L为路径l的链路数；S(C_i)表示节点C_i的状态，S(f_i)表示链路f_i的状态，0表示故障，1表示正常；

步骤5：构建信息攻击可能性模型R₃：

其中，R₃＝0表示信息节点未遭受攻击，R₃＝1表示遭受攻击，P_Z,i为节点i被攻击者利用的概率；S_ac为成为攻击对象的潜在接入点的集合；δ为[0,1]之间的平均随机分布数；

步骤6：构建信息物理组合故障集；其中物理组合预想故障集是节点之间的供电线路发生中断，在多条供电线路中选取随机两条进行中断，生成一个物理侧两点故障的故障集；其故障总数A_f为

其中A代表所有元件节点的总和，C为组合运算符号；

步骤7：构建与物理侧两点故障节点对应的通信链路或通信设备故障，生成信息侧故障集；

步骤8：将信息侧故障集同物理层故障进行组合，生成信息物理故障集；

步骤9：构建可靠性评估指标，包括负荷损失程度ρ_load和用户损失程度ρ_user，对上述故障发生时的配电网进行可靠性评估；

其中w_i为节点负荷权重，p_i为负荷点i的有功功率，S、S_n和S_m分别为所有负荷、非故障区段以及故障区段的负荷集合，X和Y分别是故障后损失的用户数量以及系统总的用户数量，μ_j为用户j的等级参数；w₁和w₂分别是停电人数比例以及用户停电损失比例的参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵建模的有源配电网可靠性评估方法，其特征在于，步骤1具体包括：

步骤1.1：分别对配电网物理层P、接口层S和通讯层C计算各层连接矩阵，如下式所示：

其中，对于包含m个物理节点的物理层P，含有k个设备的接口层S、含有n个设备的通讯层C的取值，有p_ij、s_ij、c_ij取值为0或1，当值为1时表示节点i和节点j直接相连；取值为0时表示两节点不相连；

步骤1.2：对物理层P、接口层S和通讯层C之间建立耦合矩阵，包括接口设备关联矩阵

以及接口层-通讯层关联矩阵

所述接口设备关联矩阵

描述物理层设备和接口层设备之间的连接关系如下所示：

所述接口层-通讯层关联矩阵

描述接口层设备和通讯层之间的连接关系如下所示：

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