CN113328437B - 一种智能配电网cps拓扑构建方法及故障恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能配电网CPS拓扑构建方法及故障恢复方法，通过图论和矩阵相关知识，对配电网CPS拓扑进行建模，在此基础上，通过分析信息系统与物理系统之间的相互影响和联系，将CPS恢复问题解耦，并以恢复净收益最大为目标，综合考虑恢复过程中的不确定因素，建立CPS故障协调恢复优化模型，提出CPS故障协调恢复优化策略。优点：本发明所采用的基于节点、连接边、依存边对配电网CPS建模方法，减少了建模维度，同时能充分反映配电网灵活的拓扑调整能力；实现经济指标下综合恢复收益的最大化，保障重要负荷优先恢复供电，降低配电网CPS故障的经济损失，同时降低恢复操作控制代价和风险，有效指导配电网CPS故障后的恢复。

Description

一种智能配电网CPS拓扑构建方法及故障恢复方法
技术领域
本发明涉及一种智能配电网CPS拓扑构建方法及故障恢复方法，属于智能配电网自愈控制技术领域。
背景技术
已有的配电网恢复控制方面的研究大多基于完好的信息系统支撑，围绕物理系统的电能恢复展开。对于没有DG接入的传统配电网恢复问题，既可以利用原系统内部的联络开关恢复失电负荷供电，也可以通过外电源联络开关利用其他馈线的备用容量为失电负荷转供；对于含DG的配电网，可先利用DG的孤岛效应进行孤岛划分，形成计划可控的孤岛为DG附近的重要负荷供电，再根据孤岛划分结果修改网络拓扑结构，并采用上述不含DG的配电网供电恢复方法对网络拓扑进行重构。
物理系统的恢复问题通常而言是一种多目标多约束多进程非线性优化问题。优化目标主要包括恢复的负荷多、恢复的负荷容量大、优先恢复重要负荷、恢复过程中物理系统运行产生的网损小、系统网络拓扑结构变化小等。恢复过程需要满足的约束条件主要包括电压电流约束、功率平衡约束、线路传输容量约束、频率稳定约束、网络拓扑约束等。采取的恢复算法主要包括传统数学优化方法和粒子群算法、蚁群算法、遗传算法、模拟退火算法等智能优化算法。
由于信息系统承载的业务量增长迅速，配电网运行对其依赖程度不断增强。随着电网能量流和信息流交互影响的愈加频繁，电力系统逐渐发展为信息物理融合系统(CPS)。因此，需要将配电网恢复问题从单一的物理系统恢复问题转化为CPS协调恢复问题重新进行研究，以求得到最优恢复方案。
为生成CPS恢复方案，首先需要对CPS进行拓扑分析与建模。目前CPS 建模方法主要基于复杂网络理论、数学理论、系统耦合特性、框架体系结构等。这些方法从分析CPS拓扑结构、信息系统与物理系统之间相互影响、作用机理、耦合特性等角度出发对CPS进行建模，便于对CPS恢复策略进行研究。例如，基于复杂网络理论的CPS建模方法将信息系统与物理系统分别抽象为由节点和边组成的有向或无向拓扑图，以反映各一次设备与二次设备内部及相互之间的连接关系，并通过邻接矩阵、关联矩阵、可达矩阵等不同形式的矩阵将这种拓扑连接关系转化为数据存储关系，结合基于图论的广度优先遍历搜索算法、深度优先遍历搜索算法、最短路径算法(如Dijkstra算法、Floyd算法)等路径搜索算法，对CPS的恢复路径进行搜索。
物理系统快速有效的故障定位、隔离和恢复均需要信息系统的支持。信息系统故障会对电网可观性和可控性带来影响，并进一步影响配电网运行可靠性；而物理系统故障会导致无法为信息系统供电，亦会造成通信数据量激增而引起通信网络拥塞，延长信息传输时间，影响调度中心决策。信息-物理系统间的影响可能是递归发生，并可导致连锁故障。配电网CPS的结构、设备冗余情况与电压等级密切相关，中、高电压级别配电网的信息系统配置水平一般较高，其信息-物理系统的协调恢复策略研究具有现实意义，但目前相关研究少有涉及。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服已有的配电网恢复控制方面的研究大多基于完好的信息系统支撑，围绕物理系统的电能恢复展开，而对于信息系统与物理系统均发生故障后的恢复问题研究相对有限的不足，提供一种智能配电网 CPS拓扑构建方法及故障恢复方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种智能配电网CPS拓扑构建方法；
获取智能配电网信息物理系统的物理节点及物理连接边、信息节点及其信息连接边；
根据物理节点及物理连接边对物理系统拓扑进行建模，包括：
将除导线与线路外的物理设备和T接点建模为物理节点，用集合
Figure GDA0003868928290000021
Figure GDA0003868928290000022
表示，其中，物理设备中的开关仅保留站内母联开关和站间联络开关，其余开关忽略处理，
Figure GDA0003868928290000023
为Vp中第gp个物理节点，T接点表示物理系统中的物理节点，物理设备为物理系统中的设备；
将直接连接两个物理节点的导线和线路建模为物理连接边，用集合
Figure GDA0003868928290000024
Figure GDA0003868928290000031
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000032
为Ep中第lp条物理连接边；
根据信息节点及其信息连接边对信息系统拓扑进行建模，包括：
将除通信介质外的信息设备建模为信息节点，用集合
Figure GDA0003868928290000033
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000034
为Vc中第gc个信息节点，信息设备为信息系统中的设备；
将直接连接两个信息节点的通信介质建模为信息连接边，用集合
Figure GDA0003868928290000035
Figure GDA0003868928290000036
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000037
为Ec中第lc条信息连接边；
当物理节点与信息节点有直接对应的测控关系时，将二者间的关联关系建模为物理-信息依存边，用集合
Figure GDA0003868928290000038
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000039
为Ep-c中第lp-c条物理-信息依存边。
进一步的，所述其余开关忽略处理具体包括：
对于母线与变压器之间的开关，将与该开关有直接测控关系的智能电子设备和与该开关相连的变压器间作为物理-信息依存边；
对于负荷控制开关，将与该开关有直接测控关系的智能电子设备和与该开关相连的负荷间作为物理-信息依存边。
进一步的，所述物理连接边、信息连接边和物理-信息依存边均不计方向。
一种智能配电网信息物理系统故障恢复方法，包括：
步骤1，基于智能配电网CPS拓扑构建方法构建的CPS拓扑形成CPS邻接矩阵，将各信息设备和物理设备的参数初始化；
步骤2，恢复智能配电网中的变电站内的信息系统，排除已恢复对象，更新 CPS拓扑；
步骤3，初始化所有可供电电源，形成可供电电源集合S；
步骤4，假设远动信息系统完好，在集合S中任选一个电源s，求取满足供电容量约束的待恢复负荷，形成待恢复负荷集合L；
步骤5，从集合L中任选一个负荷l，根据此前建立的CPS邻接矩阵搜索电源s到负荷l的所有供电路径，结合远动信息系统实际故障情况，形成电源s为负荷l供电的CPS恢复路径集合R，并查找恢复路径上经过的所有信息设备和物理设备；
步骤6，从集合R中任选一条CPS恢复路径r，判断路径r对应的CPS恢复进程m是否能够满足信息系统和物理系统的恢复约束条件。若能满足，则进入步骤7；若不能满足，则从集合R中剔除路径r，重新选取CPS恢复路径进行约束条件的判断；
步骤7，根据预先构建的CPS恢复优化模型计算进程m的恢复净收益，从集合R中另选一条CPS恢复路径，重复步骤6，直至无法从集合R中选择新恢复路径；
步骤8，从集合L中另选一待恢复负荷，重复步骤5-7，直至无法从集合L 中选择新的待恢复负荷；
步骤9，从集合S中另选一个可供电电源，重复步骤4-8，直至无法从集合 S中选择新可供电电源；
步骤10，比较所有满足约束条件的CPS恢复进程的恢复净收益，选取其中的最大值对应的恢复进程作为当前进程的最优恢复方案；
步骤11，排除已恢复的负荷和已恢复远动信息系统的变电站，更新CPS拓扑；
步骤12，如果此时所有失电负荷和变电站的远动信息系统均已恢复，则结束恢复流程；如果尚有未恢复对象，则重复步骤3-11，直至无法生成新的CPS 恢复进程，从而得到配电网CPS协调恢复的最终恢复方案。
进一步的，所述CPS恢复优化模型为：
Figure GDA0003868928290000041
式中：G表示CPS故障恢复策略的总净收益，单位为万元；M表示CPS恢复策略所包含的恢复进程集合；m表示M中恢复进程的序号，Gm表示第m个CPS 恢复进程的恢复净收益；
CPS恢复优化模型的约束条件为：
(1)第m个CPS恢复进程的电压电流约束：
uc,min≤uc,m≤uc,max
id,min≤id,m≤id,max
式中：uc,max，uc,min分别表示第c个节点两端最高允许和最低允许的电压，单位为千伏；uc,m表示第c个节点两端在第m个恢复进程中的电压值，单位为千伏；id,max，id,min分别表示第d条导线或线路允许流过的电流的最大值和最小值，单位为千安；id,m表示在第m个恢复进程中，流过第d条导线或线路的电流值，单位为千安；
(2)第m个CPS恢复进程的功率平衡约束：
Figure GDA0003868928290000051
式中：Pm,s表示第m个恢复进程中，第s个可供电电源的容量，单位为兆伏安；Pm,i表示第m个恢复进程中，第i个待恢复负荷的容量，单位为兆伏安；
(3)第m个CPS恢复进程的传输容量约束：
Sl≤Sl,max
式中：Sl表示第l台线路或变压器的当前运行的容量，单位为兆伏安；Sl,max表示第l台线路或变压器的最大额定容量，单位为兆伏安；
(4)辐射状拓扑约束：
在配电网CPS恢复过程中，网络拓扑要始终满足辐射状，不允许呈环形；
gi∈G
式中：gi表示恢复进程中第i个网络拓扑；G表示所有辐射状网络拓扑集合；
(5)第m个CPS恢复进程的电压和频率稳定约束：
电压稳定约束：
Figure GDA0003868928290000061
频率稳定约束：
Figure GDA0003868928290000062
式中：ui,m和ui,m-1分别表示在第m个和第m-1个恢复进程中，第i个节点两端的电压值，单位为千伏；Δuper表示配电网平均电压扰动率所允许的最大值；fi,m和fi,m-1分别表示在第m个和第m-1个恢复进程中，第i个节点的频率，单位为赫兹；Δfper表示平均频率扰动率的允许值；
(6)第m个CPS恢复进程的开关操作次数约束：
Figure GDA0003868928290000063
式中：
Figure GDA0003868928290000064
表示在第m个恢复进程中，第nQF个需要操作的开关的累计操作次数；
Figure GDA0003868928290000065
表示该开关的可操作次数上限；
(7)物理设备的测控状态约束：
Figure GDA0003868928290000066
Figure GDA0003868928290000067
式中：
Figure GDA0003868928290000068
表示第np个物理设备的测控状态变量，可对该物理设备进行测控取值为1，不可对该物理设备进行测控取值为0；Nc表示测控该物理设备的信息设备集合，nc表示信息设备序号；
Figure GDA0003868928290000069
表示测控第np个物理设备的第nc个信息设备的运行状态变量，信息设备正常取值为1，故障取值为0；
(8)第m个CPS恢复进程的恢复净收益约束：
Gm≥Gmin
式中：Gmin表示恢复净收益的下限，单位为万元。
进一步的，所述第m个CPS恢复进程的恢复净收益Gm的计算公式为：
Gm＝(1-pm)cmtm-Cm
式中：pm表示第m个CPS恢复进程的恢复失败的概率；cm表示第m个CPS 恢复进程所恢复的负荷的单位时间恢复收益，单位为万元/小时；tm表示第m个 CPS恢复进程的提前恢复时间；Cm表示第m个CPS恢复进程的操作控制代价，单位为万元；
Figure GDA0003868928290000071
式中：
Figure GDA0003868928290000072
表示在第m个CPS恢复进程中，物理系统恢复失败的概率；
Figure GDA0003868928290000073
表示在第m个CPS恢复进程中，远动信息系统恢复失败的概率；
cm＝λmPm
式中：λm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的单位时间单位容量的恢复收益，单位为万元/兆瓦时；Pm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的容量，单位为兆瓦；
tm＝T-(τ1+τ2+...+τm)
式中：T表示CPS恢复净收益的评估时长，单位为小时；τm表示第m个CPS 恢复进程的耗时，单位为小时；
Figure GDA0003868928290000074
式中：
Figure GDA0003868928290000075
表示在第m个CPS恢复进程中，负荷恢复路径上经过的变压器由冷备用转运行的操作时间，单位为小时；
Figure GDA0003868928290000076
表示第m个恢复进程需要进行分合闸操作的开关数量，nQF表示开关序号；
Figure GDA0003868928290000077
表示在第m个CPS恢复进程中，对第nQF个开关执行分合闸操作的时间，单位为小时；
Figure GDA0003868928290000078
表示在第m个CPS恢复进程中，备用远动交换机的启动和调试时间，单位为小时；
Figure GDA0003868928290000081
式中：μ表示所购买的可供电电源的单位电价，单位为万元/兆瓦时；
Figure GDA0003868928290000083
表示在第m个CPS恢复进程中，第nQF个开关分合闸时产生的动作折损费用，单位为万元；Bm表示在第m个CPS恢复进程中，启动及调试备用远动交换机的操作管理费用，单位为万元。
本发明所达到的有益效果：
本发明所采用的基于节点、连接边、依存边对配电网CPS建模方法，减少了建模维度，同时能充分反映配电网灵活的拓扑调整能力。并通过CPS邻接矩阵将CPS拓扑关系转化为存储的数据关系。此外，本发明将信息系统的恢复映射到物理系统的恢复中，确立了两系统的共同恢复目标——恢复失电负荷供电，从而将CPS恢复问题解耦。本发明综合考虑了配电网CPS恢复过程中的风险、收益、控制代价等不确定因素，以恢复净收益最大为目标，提出了一种配电网 CPS故障后的协调恢复方案。该方案通过协调信息系统与物理系统之间的恢复顺序，实现经济指标下综合恢复收益的最大化，保障重要负荷优先恢复供电，降低配电网CPS故障的经济损失，同时降低恢复操作控制代价和风险，有效指导配电网CPS故障后的恢复，可为调度人员提供有价值的恢复方案。
附图说明
图1是110kV配电网CPS典型配置；
图2是以图1中变电站A为例的本发明的CPS建模结果；
图3是本发明的CPS恢复流程框图。
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和图2所示，本发明用物理节点及物理连接边对物理系统拓扑进行建模：将除导线与线路外的物理设备(其中开关仅保留站内母联开关和站间联络开关，其余开关忽略)和T接点建模为物理节点，用集合
Figure GDA0003868928290000082
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000091
为Vp中第gp个物理节点。将直接连接两个物理节点的导线和线路建模为物理连接边，用集合
Figure GDA0003868928290000092
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000093
为Ep中第lp条物理连接边。
同时，用信息节点及其信息连接边对信息系统拓扑进行建模：将除通信介质(如光纤)外的信息设备建模为信息节点，用集合
Figure GDA0003868928290000094
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000095
为Vc中第gc个信息节点。将直接连接两个信息节点的通信介质(如光纤)建模为信息连接边，用集合
Figure GDA0003868928290000096
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000097
为Ec中第lc条信息连接边。当物理节点与信息节点有直接对应的测控关系时，将二者间的关联关系建模为物理-信息依存边，用集合
Figure GDA0003868928290000098
表示，其中，
Figure GDA0003868928290000099
为Ep-c中第lp-c条物理 -信息依存边。对于建模中忽略开关的处理如下：
(1)对于母线与变压器之间的开关：将与该开关有直接测控关系的智能电子设备(IED)和与该开关相连的变压器间作为物理-信息依存边；
(2)对于负荷控制开关：将与该开关有直接测控关系的IED和与该开关相连的负荷间作为物理-信息依存边。
上述所提物理连接边、信息连接边和物理-信息依存边均不计方向。
为了进一步研究配电网CPS的关联关系，本发明建立了CPS邻接矩阵Mz，如下式所示：
Figure GDA00038689282900000910
式中：
Figure GDA00038689282900000911
表示a×a阶物理-物理邻接子矩阵。其中，
Figure GDA00038689282900000912
为Mp中的元素，gp和hp为Vp中物理节点的编号，a为Vp中物理节点个数。该矩阵可反映物理节点之间的关联情况。
Figure GDA00038689282900000913
的值定义如下：
Figure GDA00038689282900000914
式(1)中：
Figure GDA0003868928290000101
表示b×b阶信息-信息邻接子矩阵。其中，
Figure GDA0003868928290000102
为Mc中的元素，gc和hc为Vc中任意两个信息节点的编号，b为Vc中信息节点个数。该矩阵可反映信息节点之间的关联情况。
Figure GDA0003868928290000103
的值定义如下：
Figure GDA0003868928290000104
式(1)中：
Figure GDA0003868928290000105
表示a×b阶物理-信息邻接子矩阵。其中，
Figure GDA0003868928290000106
为Ms中的元素，
Figure GDA0003868928290000107
表示Ms的转置矩阵。该矩阵可反映物理节点与信息节点之间的关联情况。
Figure GDA0003868928290000108
的值定义如下：
Figure GDA0003868928290000109
在配电网物理系统的恢复过程中，可通过决策充分利用已有电源的备用容量，为失电负荷供电。当主用信息设备故障时，可由站控层信息设备(SLE)或调度中心(DC)对相关联的信息设备进行召唤，该信息设备随即上传其采集到的信息，恢复物理设备的监控功能。由于变电站内各物理设备到SLE之间均有独立备用信道，因此恢复其监控功能过程的控制代价较小。而DC与各变电站SLE 之间的SDH通信网络具有共用的备用信道，存在备用资源分配问题。此外，由于DC与各变电站SLE之间的通信数据量较大，若同时恢复各变电站的监控功能，易造成报文激增，引起网络拥塞。因此相较而言，DC与各变电站SLE之间信息系统(简称远动信息系统)的恢复决策更有意义。
综上所述，并基于上述建模方法，本发明建立物理系统和远动信息系统故障协调恢复优化模型。同时，为降低问题求解难度，设立如下假设条件：
(1)失去监控功能的物理设备退出运行；
(2)仅考虑信息系统的测控功能；
(3)物理系统停电时，为信息设备临时供电的蓄电池的可供电时间大于物理系统的恢复时间，即物理系统的停电不影响信息设备的使用。
信息系统与物理系统相互影响相互作用。为了制定CPS故障协调恢复策略，首先需要将协调恢复问题解耦，即确定信息系统与物理系统共同的恢复对象。信息系统恢复以恢复物理设备的监控功能为目的，物理系统恢复以恢复负荷供电为目的，而负荷恢复路径上会经过各类物理设备。若某变电站的远动信息系统恢复，则该站内所有物理设备均可重新投入运行，会使该站内的失电负荷具备恢复可能。因此在某种意义上，信息系统的恢复也是以恢复负荷供电为最终目的，信息系统的恢复服务于物理系统的恢复，物理系统的恢复策略在一定程度上决定了信息系统的恢复策略。因此，本发明将信息系统的恢复映射到物理系统的恢复过程中，即CPS恢复以恢复负荷供电为目的。
本发明定义CPS的一个恢复进程为恢复某一失电负荷供电的过程。由以上分析及假设条件可知，本发明所定义的CPS的一个恢复进程不仅包括为失电负荷恢复供电的物理系统恢复过程，也可能包括为完成该物理系统恢复，所需先恢复该失电负荷所在变电站的远动信息系统的恢复过程。
CPS故障恢复往往涉及多种不同恢复目标。本发明所提CPS恢复优化模型主要考虑的因素如下：
(1)CPS恢复失败概率
与传统的物理系统恢复不同，CPS恢复失败的概率不仅包括物理系统恢复失败的概率，也可能包括远动信息系统恢复失败的概率。第m个CPS恢复进程的恢复失败的概率pm定义为：
Figure GDA0003868928290000111
式中：
Figure GDA0003868928290000121
表示在第m个CPS恢复进程中，物理系统恢复失败的概率，主要与负荷恢复路径上经过的物理设备故障、对开关执行分合闸操作不成功有关；
Figure GDA0003868928290000122
表示在第m个CPS恢复进程中，远动信息系统恢复失败的概率，主要与组成远动信息系统的信息设备故障、远动信息系统中传递的信息自身发生差错有关。
(2)CPS单位时间恢复收益
如前所述，在本发明制定的CPS协调恢复方案中，各CPS恢复进程的恢复收益由所恢复的失电负荷体现。本发明所提CPS协调恢复优化模型中的单位时间恢复收益主要考虑了各CPS恢复进程所恢复的失电负荷的容量和重要程度。其中，失电负荷的重要程度可通过该负荷单位时间单位容量的恢复收益体现。第m个CPS恢复进程的单位时间恢复收益定义为：
cm＝λmPm (6)
式中：cm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的单位时间恢复收益，单位为万元/小时；λm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的单位时间单位容量的恢复收益，单位为万元/兆瓦时；Pm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的容量，单位为兆瓦。
(3)CPS提前恢复时间
CPS的操作时间不仅包括物理系统的恢复操作时间，也可能包括恢复服务该物理系统的信息系统的恢复操作时间，主要与变压器重新投入运行时间、分合闸时间、备用交换机启动时间有关。第m个CPS恢复进程的提前恢复时间tm即为该恢复进程执行成功所带来的负荷提前恢复供电时间(单位为小时)，可定义为：
tm＝T-(τ1+τ2+...+τm) (7)
式中：T表示CPS恢复净收益的评估时长，单位为小时；τm表示第m个CPS恢复进程的耗时，单位为小时。τm可定义为：
Figure GDA0003868928290000131
式中：
Figure GDA0003868928290000132
表示在第m个CPS恢复进程中，负荷恢复路径上经过的变压器由冷备用转运行的操作时间，单位为小时；
Figure GDA0003868928290000133
表示第m个恢复进程需要进行分合闸操作的开关数量，nQF表示开关序号；
Figure GDA0003868928290000134
表示在第m个CPS恢复进程中，对第nQF个开关执行分合闸操作的时间，单位为小时；
Figure GDA0003868928290000135
表示在第m个CPS恢复进程中，备用远动交换机的启动和调试时间，单位为小时。
(4)CPS恢复操作控制代价
CPS恢复操作伴随着开关操作、购买可供电电源服务、启动调试备用交换机等控制代价。第m个CPS恢复进程的操作控制代价Cm(单位为万元)定义如下：
Figure GDA0003868928290000136
式中：μ表示所购买的可供电电源的单位电价，单位为万元/兆瓦时；
Figure GDA0003868928290000137
表示在第m个CPS恢复进程中，第nQF个开关分合闸时产生的动作折损费用，单位为万元；Bm表示在第m个CPS恢复进程中，启动及调试备用远动交换机的操作管理费用，单位为万元。
综合考虑恢复过程中的上述不确定性因素，本发明定义第m个CPS恢复进程的恢复净收益Gm(单位为万元)如下：
Gm＝(1-pm)cmtm-Cm (10)
CPS恢复是一个多进程的优化问题，应使整个恢复进程的恢复风险、恢复控制代价尽可能小，而恢复收益尽可能大，即恢复净收益最大化。综上所述，本发明建立的CPS故障协调恢复策略的优化模型为：
Figure GDA0003868928290000141
式中：G表示CPS故障恢复策略的总净收益，单位为万元；M表示CPS恢复策略所包含的恢复进程集合；m表示M中恢复进程的序号。
配电网CPS协调恢复过程中，主要会涉及以下约束条件(注：约束条件中“节点”指对电网物理系统的拓扑结构分析常用术语中的“节点”，其含义并非本发明所定义的“节点”)：
(1)第m个CPS恢复进程的电压电流约束
Figure GDA0003868928290000142
式中：uc,max，uc,min分别表示第c个节点两端最高允许和最低允许的电压，单位为千伏；uc,m表示第c个节点两端在第m个恢复进程中的电压值，单位为千伏；id,max，id,min分别表示第d条导线或线路允许流过的电流的最大值和最小值，单位为千安；id,m表示在第m个恢复进程中，流过第d条导线或线路的电流值，单位为千安。
(2)第m个CPS恢复进程的功率平衡约束
Figure GDA0003868928290000143
式中：Pm,s表示第m个恢复进程中，第s个可供电电源的容量，单位为兆伏安；Pm,i表示第m个恢复进程中，第i个待恢复负荷的容量，单位为兆伏安。
(3)第m个CPS恢复进程的传输容量约束
Sl≤Sl,max (14)
式中：Sl表示第l台线路或变压器的当前运行的容量，单位为兆伏安；Sl,max表示第l台线路或变压器的最大额定容量，单位为兆伏安。
(4)辐射状拓扑约束
在配电网CPS恢复过程中，网络拓扑要始终满足辐射状，不允许呈环形。
gi∈G (15)
式中：gi表示恢复进程中第i个网络拓扑；G表示所有辐射状网络拓扑集合。
(5)第m个CPS恢复进程的电压和频率稳定约束
电压稳定约束：
Figure GDA0003868928290000151
频率稳定约束：
Figure GDA0003868928290000152
式中：ui,m和ui,m-1分别表示在第m个和第m-1个恢复进程中，第i个节点两端的电压值，单位为千伏；Δuper表示配电网平均电压扰动率所允许的最大值；fi,m和 fi,m-1分别表示在第m个和第m-1个恢复进程中，第i个节点的频率，单位为赫兹；Δfper表示平均频率扰动率的允许值。
(6)第m个CPS恢复进程的开关操作次数约束
Figure GDA0003868928290000153
式中：
Figure GDA0003868928290000154
表示在第m个恢复进程中，第nQF个需要操作的开关的累计操作次数；
Figure GDA0003868928290000155
表示该开关的可操作次数上限。
(7)物理设备的测控状态约束
Figure GDA0003868928290000156
Figure GDA0003868928290000157
式中：
Figure GDA0003868928290000158
表示第np个物理设备的测控状态变量，可对该物理设备进行测控取值为1，不可对该物理设备进行测控取值为0；Nc表示测控该物理设备的信息设备集合，nc表示信息设备序号；
Figure GDA0003868928290000161
表示测控第np个物理设备的第nc个信息设备的运行状态变量，信息设备正常取值为1，故障取值为0。
(8)第m个CPS恢复进程的恢复净收益约束
Gm≥Gmin (21)
式中：Gmin表示恢复净收益的下限，单位为万元。
本发明将负荷的恢复路径及恢复远动信息系统的过程中信息传输路径统称为CPS恢复路径。可通过比较采用不同CPS恢复路径获得的恢复净收益，确定恢复进程，逐次恢复失电负荷供电及各变电站的远动信息系统。此外，由于站内信息系统的恢复控制代价较小，可以将其优先恢复。如图3所示，本发明根据此前建立的优化模型，提出的CPS故障协调恢复方案的具体步骤如下：
步骤1：基于本发明所提建模方法建立配电网CPS拓扑，形成CPS邻接矩阵，将各信息设备和物理设备的参数初始化；
步骤2：恢复变电站内的信息系统，排除已恢复对象，更新CPS拓扑；
步骤3：初始化所有可供电电源，形成可供电电源集合S；
步骤4：假设远动信息系统完好，在集合S中任选一个电源s，求取满足供电容量约束的待恢复负荷，形成待恢复负荷集合L；
步骤5：从集合L中任选一个负荷l，根据此前建立的CPS邻接矩阵搜索电源s到负荷l的所有供电路径，结合远动信息系统实际故障情况，形成电源s为负荷l供电的CPS恢复路径集合R，并查找恢复路径上经过的所有信息设备和物理设备；
步骤6：从集合R中任选一条CPS恢复路径r，判断路径r对应的CPS恢复进程m是否能够满足信息系统和物理系统的恢复约束条件。若能满足，则进入步骤7；若不能满足，则从集合R中剔除路径r，重新选取CPS恢复路径进行约束条件的判断；
步骤7：根据本发明所提CPS恢复优化模型计算进程m的恢复净收益。从集合R中另选一条CPS恢复路径，重复步骤6，直至无法从集合R中选择新恢复路径；
步骤8：从集合L中另选一待恢复负荷，重复步骤5-7，直至无法从集合L 中选择新的待恢复负荷；
步骤9：从集合S中另选一个可供电电源，重复步骤4-8，直至无法从集合 S中选择新可供电电源；
步骤10：比较所有满足约束条件的CPS恢复进程的恢复净收益，选取其中的最大值对应的恢复进程作为当前进程的最优恢复方案；
步骤11：排除已恢复的负荷和已恢复远动信息系统的变电站，更新CPS拓扑；
步骤12：如果此时所有失电负荷和变电站的远动信息系统均已恢复，则结束恢复流程；如果尚有未恢复对象，则重复步骤3-11，直至无法生成新的CPS 恢复进程，从而得到配电网CPS协调恢复的最终恢复方案。
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。
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 (5)

1.一种智能配电网信息物理系统故障恢复方法，其特征在于，包括：
步骤1，构建智能配电网CPS拓扑，根据智能配电网CPS拓扑形成CPS邻接矩阵，将各信息设备和物理设备的参数初始化；
步骤2，恢复智能配电网中的变电站内的信息系统，排除已恢复对象，更新CPS拓扑；
步骤3，初始化所有可供电电源，形成可供电电源集合S；
步骤4，假设远动信息系统完好，在集合S中任选一个电源s，求取满足供电容量约束的待恢复负荷，形成待恢复负荷集合L；
步骤5，从集合L中任选一个负荷l，根据此前建立的CPS邻接矩阵搜索电源s到负荷l的所有供电路径，结合远动信息系统实际故障情况，形成电源s为负荷l供电的CPS恢复路径集合R，并查找恢复路径上经过的所有信息设备和物理设备；
步骤6，从集合R中任选一条CPS恢复路径r，判断路径r对应的CPS恢复进程m是否能够满足信息系统和物理系统的恢复约束条件；若能满足，则进入步骤7；若不能满足，则从集合R中剔除路径r，重新选取CPS恢复路径进行约束条件的判断；
步骤7，根据预先构建的CPS恢复优化模型计算进程m的恢复净收益，从集合R中另选一条CPS恢复路径，重复步骤6，直至无法从集合R中选择新恢复路径；
步骤8，从集合L中另选一待恢复负荷，重复步骤5-7，直至无法从集合L中选择新的待恢复负荷；
步骤9，从集合S中另选一个可供电电源，重复步骤4-8，直至无法从集合S中选择新可供电电源；
步骤10，比较所有满足约束条件的CPS恢复进程的恢复净收益，选取其中的最大值对应的恢复进程作为当前进程的最优恢复方案；
步骤11，排除已恢复的负荷和已恢复远动信息系统的变电站，更新CPS拓扑；
步骤12，如果此时所有失电负荷和变电站的远动信息系统均已恢复，则结束恢复流程；如果尚有未恢复对象，则重复步骤3-11，直至无法生成新的CPS恢复进程，从而得到配电网CPS协调恢复的最终恢复方案；
所述构建智能配电网CPS拓扑，包括：
获取智能配电网信息物理系统的物理节点及物理连接边、信息节点及其信息连接边；
根据物理节点及物理连接边对物理系统拓扑进行建模，包括：
将除导线与线路外的物理设备和T接点建模为物理节点，用集合
Figure FDA0003868928280000021
表示，其中，物理设备中的开关仅保留站内母联开关和站间联络开关，其余开关忽略处理，
Figure FDA0003868928280000022
为Vp中第gp个物理节点，T接点表示物理系统中的物理节点，物理设备为物理系统中的设备；
将直接连接两个物理节点的导线和线路建模为物理连接边，用集合
Figure FDA0003868928280000023
表示，其中，
Figure FDA0003868928280000024
为Ep中第lp条物理连接边；
根据信息节点及其信息连接边对信息系统拓扑进行建模，包括：
将除通信介质外的信息设备建模为信息节点，用集合
Figure FDA0003868928280000025
表示，其中，
Figure FDA0003868928280000026
为Vc中第gc个信息节点，信息设备为信息系统中的设备；
将直接连接两个信息节点的通信介质建模为信息连接边，用集合
Figure FDA0003868928280000031
表示，其中，
Figure FDA0003868928280000032
为Ec中第lc条信息连接边；
当物理节点与信息节点有直接对应的测控关系时，将二者间的关联关系建模为物理-信息依存边，用集合
Figure FDA0003868928280000033
表示，其中，
Figure FDA0003868928280000034
为Ep-c中第lp-c条物理-信息依存边。
2.根据权利要求1所述的智能配电网信息物理系统故障恢复方法，其特征在于，所述CPS恢复优化模型为：
Figure FDA0003868928280000035
式中：G表示CPS故障恢复策略的总净收益，单位为万元；M表示CPS恢复策略所包含的恢复进程集合；m表示M中恢复进程的序号，Gm表示第m个CPS恢复进程的恢复净收益；
CPS恢复优化模型的约束条件为：
(1)第m个CPS恢复进程的电压电流约束：
uc,min≤uc,m≤uc,max
id,min≤id,m≤id,max
式中：uc,max，uc,min分别表示第c个节点两端最高允许和最低允许的电压，单位为千伏；uc,m表示第c个节点两端在第m个恢复进程中的电压值，单位为千伏；id,max，id,min分别表示第d条导线或线路允许流过的电流的最大值和最小值，单位为千安；id,m表示在第m个恢复进程中，流过第d条导线或线路的电流值，单位为千安；
(2)第m个CPS恢复进程的功率平衡约束：
Figure FDA0003868928280000036
式中：Pm,s表示第m个恢复进程中，第s个可供电电源的容量，单位为兆伏安；Pm,i表示第m个恢复进程中，第i个待恢复负荷的容量，单位为兆伏安；
(3)第m个CPS恢复进程的传输容量约束：
Sl≤Sl,max
式中：Sl表示第l台线路或变压器的当前运行的容量，单位为兆伏安；Sl,max表示第l台线路或变压器的最大额定容量，单位为兆伏安；
(4)辐射状拓扑约束：
在配电网CPS恢复过程中，网络拓扑要始终满足辐射状，不允许呈环形
gi∈G
式中：gi表示恢复进程中第i个网络拓扑；G表示所有辐射状网络拓扑集合；
(5)第m个CPS恢复进程的电压和频率稳定约束：
电压稳定约束：
Figure FDA0003868928280000041
频率稳定约束：
Figure FDA0003868928280000042
式中：ui,m和ui,m-1分别表示在第m个和第m-1个恢复进程中，第i个节点两端的电压值，单位为千伏；Δuper表示配电网平均电压扰动率所允许的最大值；fi,m和fi,m-1分别表示在第m个和第m-1个恢复进程中，第i个节点的频率，单位为赫兹；Δfper表示平均频率扰动率的允许值；
(6)第m个CPS恢复进程的开关操作次数约束：
Figure FDA0003868928280000051
式中：
Figure FDA0003868928280000052
表示在第m个恢复进程中，第nQF个需要操作的开关的累计操作次数；
Figure FDA0003868928280000053
表示该开关的可操作次数上限；
(7)物理设备的测控状态约束：
Figure FDA0003868928280000054
Figure FDA0003868928280000055
式中：
Figure FDA0003868928280000056
表示第np个物理设备的测控状态变量，可对该物理设备进行测控取值为1，不可对该物理设备进行测控取值为0；Nc表示测控该物理设备的信息设备集合，nc表示信息设备序号；
Figure FDA0003868928280000057
表示测控第np个物理设备的第nc个信息设备的运行状态变量，信息设备正常取值为1，故障取值为0；
(8)第m个CPS恢复进程的恢复净收益约束：
Gm≥Gmin
式中：Gmin表示恢复净收益的下限，单位为万元。
3.根据权利要求2所述的智能配电网信息物理系统故障恢复方法，其特征在于，所述第m个CPS恢复进程的恢复净收益Gm的计算公式为：
Gm＝(1-pm)cmtm-Cm
式中：pm表示第m个CPS恢复进程的恢复失败的概率；cm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的单位时间恢复收益，单位为万元/小时；tm表示第m个CPS恢复进程的提前恢复时间；Cm表示第m个CPS恢复进程的操作控制代价，单位为万元；
Figure FDA0003868928280000061
式中：
Figure FDA0003868928280000062
表示在第m个CPS恢复进程中，物理系统恢复失败的概率；
Figure FDA0003868928280000063
表示在第m个CPS恢复进程中，远动信息系统恢复失败的概率；
cm＝λmPm
式中：λm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的单位时间单位容量的恢复收益，单位为万元/兆瓦时；Pm表示第m个CPS恢复进程所恢复的负荷的容量，
单位为兆瓦；
tm＝T-(τ1+τ2+...+τm)
式中：T表示CPS恢复净收益的评估时长，单位为小时；τm表示第m个CPS恢复进程的耗时，单位为小时；
Figure FDA0003868928280000064
式中：
Figure FDA0003868928280000065
表示在第m个CPS恢复进程中，负荷恢复路径上经过的变压器由冷备用转运行的操作时间，单位为小时；
Figure FDA0003868928280000066
表示第m个恢复进程需要进行分合闸操作的开关数量，nQF表示开关序号；
Figure FDA0003868928280000067
表示在第m个CPS恢复进程中，对第nQF个开关执行分合闸操作的时间，单位为小时；
Figure FDA0003868928280000068
表示在第m个CPS恢复进程中，备用远动交换机的启动和调试时间，单位为小时；
Figure FDA0003868928280000071
式中：μ表示所购买的可供电电源的单位电价，单位为万元/兆瓦时；
Figure FDA0003868928280000072
表示在第m个CPS恢复进程中，第nQF个开关分合闸时产生的动作折损费用，单位为万元；Bm表示在第m个CPS恢复进程中，启动及调试备用远动交换机的操作管理费用，单位为万元。
4.根据权利要求1所述的智能配电网信息物理系统故障恢复方法，其特征在于，所述其余开关忽略处理具体包括：
对于母线与变压器之间的开关，将与该开关有直接测控关系的智能电子设备和与该开关相连的变压器间作为物理-信息依存边；
对于负荷控制开关，将与该开关有直接测控关系的智能电子设备和与该开关相连的负荷间作为物理-信息依存边。
5.根据权利要求1所述的智能配电网信息物理系统故障恢复方法，其特征在于，所述物理连接边、信息连接边和物理-信息依存边均不计方向。
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