CN113673114A - 一种配电网信息物理系统协同耦合求解方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网信息物理系统协同耦合求解方法，将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点‑支路关联矩阵；建立信息‑物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型；本方法、提出信息流‑能量流混成建模及连续‑离散状态联立求解的模式，能够解决CPS环境下复杂配电网动态过程分析问题，提升计算效率；此外，本发明针对复杂配电网CPS动态过程的信息流‑能量流混成仿真模型及连续‑离散联合求解方法，实现了CPS环境下复杂配电网动态过程通用分析，提升计算效率。

Description

一种配电网信息物理系统协同耦合求解方法

技术领域

本发明涉及配电网信息物理系统领域，具体涉及一种配电网信息物理系统协同耦合求解方法。

背景技术

在配电网领域，经过国家电网公司“信息化、自动化、互动化”智能配电网建设和改造工作的推进，配电自动化、PMS2.0、用电信息采集系统、智能电表、终端等信息通信系统在配电网中逐步普及，光伏、风电、储能、充电桩等基于柔性控制的分布式能源或用电设备进一步加强了配电网的可控性以及对信息控制系统的依赖性，大量的高度集成先进量测体系、数据采集设备、计算设备和嵌入式柔性控制设备，将配电网和信息通信网两个实体网络深度互连，使得配电网中一次系统与二次系统相互耦合、紧密联系，现代配电网系统已经具备了信息物理系统(CPS)的基本特征，成为配电网CPS融合系统。

传统电力系统研究与信息通信系统研究在理论和方法上基本是割裂的，从 CPS整体视角进行建模和求解的方法很少，且不具备通用性。物理电力系统是时变连续系统，其电气量以潮流的形式流经电力节点和支路；信息通信系统则是离散系统，其信息变化由离散事件触发。在现有理论方法框架下难以深入分析信息系统对电力系统分析与控制的影响。因此根据配电网CPS连续性与离散性并存的特点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种配电网信息物理系统协同耦合求解方法。

本发明提供的技术方案是：一种配电网信息物理系统协同耦合求解方法，所述方法包括如下步骤：

将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点-支路关联矩阵；建立信息-物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型；提出信息–能量流连续-离散状态联立求解方法。

优选的，将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点-支路关联矩阵。具体包括：

将CPS系统抽象为“数据节点”和“信息支路”，其首末端节点分别为输入输出数据，其支路特性方程为输入与输出之间的映射算子。节点-支路的交互通过关联矩阵A进行描述：

其中，

其中，D_i(i＝1,2,L,N)—信息通信系统中的N个信息节点；

b_j(j＝1,2,…,K)—K条信息传输支路；

b_j(j＝K+1,K+2,…,K+L)—L条信息处理支路；

b_j(j＝K+L+1,K+L+2,…,K+L+M)—M条信息池支路。

优选的，建立信息–物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型，具体包括：

所述能量流模型如下式表示：

式中：x(t)∈R^m是电力系统的状态向量；s(t)∈Rⁿ为连续系统的控制输入变量；y(t)∈R^q为系统的输出变量；f：R^m×Rⁿ→R^m为状态变量x(t)的状态方程，表示连续系统的动态变化关系；h：R^m×Rⁿ→R^q为输出变量y(t)的函数，用来描述变量与输出的映射关系；

所述信息流计算模型如下式表示：

p(t)＝g(f(t),d(t),c(t)) (4)

式中，f(t)表示信息流计算模型向能量流计算模型下达的控制指令；d(t)为配电网有向网络拓扑矩阵元素，即表示配电网各节点间的拓扑连接关系；c(t)表示通信状态，1为通信正常，2为DDOS攻击，3为中间人数据拦截，4为中间人数据篡改；g为p(t)的函数，用来描述变量与信息流输出的映射关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点-支路关联矩阵；建立信息-物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型；本方法、提出信息流-能量流混成建模及连续-离散状态联立求解的模式，能够解决CPS环境下复杂配电网动态过程分析问题，提升计算效率；此外，本发明针对复杂配电网CPS动态过程的信息流-能量流混成仿真模型及连续-离散联合求解方法，实现了CPS环境下复杂配电网动态过程通用分析，提升计算效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例一：

一种配电网信息物理系统协同耦合建模及求解方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点-支路关联矩阵。(2)建立信息–物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型。(3)提出信息–能量流连续-离散状态联立求解方法。

将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点-支路关联矩阵。具体包括：

将CPS系统抽象为“数据节点”和“信息支路”，其首末端节点分别为输入输出数据，其支路特性方程为输入与输出之间的映射算子。节点-支路的交互通过关联矩阵A进行描述：

其中，

其中，D_i(i＝1,2,L,N)—信息通信系统中的N个信息节点；

b_j(j＝1,2,…,K)—K条信息传输支路；

b_j(j＝K+1,K+2,…,K+L)—L条信息处理支路；

b_j(j＝K+L+1,K+L+2,…,K+L+M)—M条信息池支路。

建立信息–物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型，具体包括：

能量流模型

电力物理系统是连续动态系统，基于电气元件特性及基尔霍夫定理，其运行状态变化过程一般由微分方程表述：

式中：x(t)∈R^m是电力系统的状态向量；s(t)∈Rⁿ为连续系统的控制输入变量； y(t)∈R^q为系统的输出变量；f：R^m×Rⁿ→R^m为状态变量x(t)的状态方程，表示连续系统的动态变化关系；h：R^m×Rⁿ→R^q为输出变量y(t)的函数，用来描述变量与输出的映射关系。

信息流计算模型

信息系统属于离散事件动态系统，系统的状态变化仅发生在离散的时间点上，由一些相互之间具有复杂联系的事件发生而导致。在配电网CPS中，各种保护动作、控制命令等均属于离散事件，这些事件在离散的事件点发生并导致电力系统运行状态改变。信息系统中信息的采集、处理、传输是将这些离散事件的影响传递到电力系统中，在正常状态下每周期完成一次信息流－能量流传递过程，但电力系统运行状态几乎不发生改变；在异常情况下，信息系统进行异常状态信息的传递并产生供电恢复等控制指令以改变电力系统运行状态。

信息控制系统的离散事件由于通信攻击发生的可能性而具有随化性，可以表示为：

p(t)＝g(f(t),d(t),c(t)) (4)

式中，f(t)表示信息流计算模型向能量流计算模型下达的控制指令；d(t)为配电网有向网络拓扑矩阵元素，即表示配电网各节点间的拓扑连接关系；c(t)表示通信状态，1为通信正常，2为DDOS攻击，3为中间人数据拦截，4为中间人数据篡改；g为p(t)的函数，用来描述变量与信息流输出的映射关系。

对于一个离散事件动态系统，可以将其定义为(S,∑,Ψ)，其中S＝{s₁,s₂,…,s_N}表示离散事件状态的集合，其中s_N表示集合中的某一种状态。∑＝{e₁,e₂,…,e_L}为离散事件的集合，对任意一个事件。

Ψ:S×∑→S为状态转移函数，用来表示事件e_L发生后系统由当前状态转换为其他状态的过程。

离散事件动态系统的状态变化由事件驱动，可用分段函数来表示。。

(1)能量流-信息流映射

配电网二次终端设备通过信息采集与信息预处理将物理系统的运行状态转化为决策单元的输入信息，即将电力一次设备的能量流转化为信息控制侧所需的信息流，该信息流经由信息通信网传输至控制中心处。根据控制需求，对相应的状态变量x(t)进行量测，并由判断依据转换为逻辑信号，具体可以表示为：

f(t)＝kx(t) (5)

式中，f(t)表示信息流计算模型的信息源；k表示能量流模型到信息流模型的映射关系。

(2)信息流-能量流映射

该环节对应实际系统的控制环节。控制中心根据输入信息产生控制指令并经过信息通信网传输将其下发至终端装置，系统的终端装置将这些控制信号转化为电力一次系统运行状态的改变，可以表示为：

s(t+T)＝wp(t) (6)

式中，s(t+T)表示能量流模型最终接收到的延时T个电气物理仿真步长周期的控制指令；w表示信息流模型到能量流模型的映射关系。p(t)为信息流模型。

配电网CPS信息–能量流混成模型从能量流分布、能量流到信息流转换、信息流分布、信息流到能量流转换四个方面描述了基于CPS的配电网动态运行过程。电力系统的能量流分布可以由代数微分方程组进行求解；能量流与信息流之间的相互转换一般可用线性映射表示；信息控制系统的信息流分布对应信息的处理、计算、传输等进程，可由控制算法定性表述。

信息–能量流连续-离散状态联立求解方法，具体包括：

(1)设置内层和外层相结合的CPS联合求解器，内层为电力物理系统数值积分算法，选取龙格库塔、改进欧拉、投影积分算法等，在连续时步内求解电气过程，外层为信息系统求解算法，选取有限自动机算法。

(2)将基于连续时间响应的电力物理系统数值积分方程和基于离散时间驱动的信息系统离散方程进行融合，得到联立方程。

(3)在离散时步内求解信息过程，当信息系统有事件触发时对物理系统电气方程进行插值操作，在电气方程求解完毕后，再回传数据至信息系统，实现混成融合求解计算框架。

实施例二：

本实施例提供一种配电网信息物理系统协同耦合建模及求解方法，方法包括如下步骤：

(1)将配电网信息系统和物理系统统一抽象为“节点”和“支路”，并将其等价转换为节点-支路关联矩阵；

(2)建立信息–物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型。

(3)提出信息–能量流连续-离散状态联立求解方法。

将配电网信息系统和物理系统统一抽象为“节点”和“支路”，并将其等价转换为节点-支路关联矩阵，包括：

节点-支路的交互通过关联矩阵A进行描述：

其中，

其中，D_i(i＝1,2,L,N)—信息通信系统中的N个信息节点；

b_j(j＝1,2,…,K)—K条信息传输支路；

b_j(j＝K+1,K+2,…,K+L)—L条信息处理支路；

b_j(j＝K+L+1,K+L+2,…,K+L+M)—M条信息池支路。

建立信息–物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型，具体包括：

(3)能量流模型

能量流模型指电力系统各物理设备的计算模型之间潮流连接关系，描述方程为：

f(x(N+1,u(N),D(N+1),p,A)＝0 (3)

其中，A-网络结构变量；

P-网络元件参数；

D-不可控变量；

u-控制变量；

x-依从变量；

N-系统控制周期。

(4)信息流模型

信息流模型指配电网信息系统信息流转方式，系统中的信息流可以视为由根节点y至其他节点的信息映射。

其中，z(N)-信息系统末端叶节点信息；

w(N)-信息系统其它节点信息；

y(N)-信息系统根节点信息。

(5)信息流-能量流协同耦合模型

通过能量流—信息流模型将物理系统变量经过量测，转换成虚拟的信息信号，能量流—信息流具体模型为：

y(N)＝H_y·x(N) (5)

其中，x(N)-物理状态依从变量；

y(N)-信息系统信号源。

通过信息流—能量流模型将信息系统各叶节点信息转换为物理系统实际控制量，信息流—能量流模型：

u(N)＝E_u·z(N) (6)

其中，z(N)-信息系统各叶节点信息；

u(N)-物理系统实际控制量。

提出信息–能量流连续-离散状态联立求解方法，具体包括：

(4)设置内层和外层相结合的CPS联合求解器，内层为电气数值积分算法，选取龙格库塔、改进欧拉、投影积分算法等，在连续时步内求解电气过程，外层为通信系统求解算法，选取有限自动机算法。

(5)在离散时步内求解信息通信过程，当信息通信系统有事件触发时对电气方程进行插值操作，在电气方程求解完毕后，再回传数据至通信系统，实现混成融合求解计算框架。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种配电网信息物理系统协同耦合求解方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点-支路关联矩阵；

建立信息-物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型；

提出信息–能量流连续-离散状态联立求解方法。

2.根据权利要求1所述的配电网信息物理系统协同耦合求解方法，其特征在于，将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为“数据节点”，而将信息处理、信息传输等信息环节抽象为“信息支路”，并将“数据节点”和“信息支路”等价转换为节点-支路关联矩阵。具体包括：

将CPS系统抽象为“数据节点”和“信息支路”，其首末端节点分别为输入输出数据，其支路特性方程为输入与输出之间的映射算子。节点-支路的交互通过关联矩阵A进行描述：

其中，

其中，D_i(i＝1,2,L,N)—信息通信系统中的N个信息节点；

b_j(j＝1,2,…,K)—K条信息传输支路；

b_j(j＝K+1,K+2,…,K+L)—L条信息处理支路；

b_j(j＝K+L+1,K+L+2,…,K+L+M)—M条信息池支路。

3.根据权利要求1所述的配电网信息物理系统协同耦合求解方法，其特征在于，建立信息–物理耦合电力系统的信息–能量流混成模型，具体包括：

所述能量流模型如下式表示：

式中：x(t)∈R^m是电力系统的状态向量；s(t)∈Rⁿ为连续系统的控制输入变量；y(t)∈R^q为系统的输出变量；f：R^m×Rⁿ→R^m为状态变量x(t)的状态方程，表示连续系统的动态变化关系；h：R^m×Rⁿ→R^q为输出变量y(t)的函数，用来描述变量与输出的映射关系；

所述信息流计算模型如下式表示：

p(t)＝g(f(t),d(t),c(t)) (4)

式中，f(t)表示信息流计算模型向能量流计算模型下达的控制指令；d(t)为配电网有向网络拓扑矩阵元素，即表示配电网各节点间的拓扑连接关系；c(t)表示通信状态，1为通信正常，2为DDOS攻击，3为中间人数据拦截，4为中间人数据篡改；g为p(t)的函数，用来描述变量与信息流输出的映射关系。

Images