CN114221875B - 一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，通过分析电网业务运行状态、业务交互、运行需求，构建电力业务与通信技术的适配性模型。分析对比通信技术的经济性，对多通信覆盖范围控制和多通信浓度控制进行建模。根据拓展业务通信需求，基于通信适配方法对拓展业务进行通信适配，对电力CPS影响进行分析，基于分析结果得到多区域电力CPS评估指标，根据电网安全可靠性指标，对拓展业务进行评估，进而给出通信方案，对多通信进行扩建，实现对多通信覆盖范围的扩展。对区域业务运行进行监测，通过判断指标是否满足电网安全性指标阈值，对变化业务进行网络安全评估，确定多通信配置变化量，实现多通信配置，提出多通信的控制方法。

Description

一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法

技术领域

本发明属于电力信息物理网络安全技术领域，具体涉及一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法。

背景技术

为响国家“网络强国、数字中国、智慧社会”的战略精神，2019年国家电网公司提出建设“三型两网、世界一流”的能源互联网企业。充分利用“云大物移智”等先进技术，实现物理状态全面感知和信息高效分析处理，使得电力系统成为信息物理高度融合的电力信息物理系统。

随着电力通信技术的不断发展，电力信息物理系统中的通信技术应用将呈现多样化特点，需要从全新角度审视CPPS环境下通信的可靠性、安全性和经济性。目前，电力CPS的通信系统主要存在以下问题：1)不同业务在不同时间、状态、交互方式下对通信有不同需求，现有业务与通信一一固定的通信方式难以满足业务运行需求；2)目前CPPS缺乏对通信系统的自适应控制机制，不能根据实时业务状态变化自适应控制通信信道、调整通信带宽和调整通信方式；3)目前电力系统规划与通信系统规划分别进行，通信系统规划是被动的、静态的跟随电力系统规划进行。

与传统电网相比，CPPS的终端侧业务数量、业务交互频度、信息采集量都呈爆发式增长，需要配套与之对应的信息通信技术以满足其通信发展需求。随着无线通信技术的发展，主网业务通信方式逐渐转向光纤与无线相结合的方式，适配于主网业务的通信系统适配性有待研究，为满足CPPS规划与运行动态交互的协同需求，需要融合多种通信技术，构建高效、可靠与经济的综合通信网络，提出适用于电力CPS的通信控制方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，从全新角度检测电力CPS环境下通信的可靠性、安全性和经济性，探讨了多通信的概念、控制方法。

本发明的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据电力CPS业务与通信的适配方法，确定通信技术的经济性；基于适配方法与经济性建立电力业务与通信技术适配模型；

步骤2：构建电力区域拓展业务通信需求，基于通信适配方法对拓展业务进行通信适配；

步骤3：确定多区域CPS影响，构建多区域电力的CPS评估指标，确定通信方案，拓展多通信覆盖范围；

步骤4：监测区域业务运行状态，基于所述电力CPS业务与通信的适配方法，确定指标是否满足电网安全可靠阈值；如果指标满足要求，则确定多通信配置变化量，从而实现多通信配置；如果指标不满足要求，则进行网络安全评估。

步骤1中，所述电力CPS业务与通信的适配方法的具体步骤如下：针对电力CPS多区域通信容量适配方法，通信容量满足终端接入数量、通道、数据交换容量要求；

针对电力CPS多区域通信速率适配方法，通信速率不小于最大并发数时所需速率；

针对电力CPS多区域通信时延适配方法，通信延时不大于最大并发数时最小通信延时；

针对电力CPS多区域可靠性适配方法，通信可靠性满足可靠等级要求；

针对电力CPS多区域安全性适配，通信安全性满足区域业务对安全等级的要求。

步骤2中，根据多区域拓展业务的通信需求的量化值来进行通信适配，将量化后的数据导入Apriori算法，构建多区域业务-通信网络技术关联矩阵，对二者间的信息采集、指令下发过程中的通信性能进行描述，计算多区域业务与通信网络技术之间的置信度。

步骤3具体步骤为：

基于现有的关联特性矩阵的电力CPS耦合建模方法，分析多通信对电力系统的影响，构建多区域电力的CPS评估指标，所述CPS评估指标包括电网安全性指标y₁、电网可靠性指标y₂、电压稳定裕度指标y₃和电网延时性指标y₄，寻求最优区域多通信规划方案，扩展多通信覆盖范围。

对于电网延时性指标y₄和电网可靠性指标y₂，若至少有1条连通的通信链路能在设定的时延阈值内完成节点与服务器的单次通信，则通信满足电网延迟要求，单条通信链路单次通信的时延分为骨干网时延和接入网时延：其中，骨干网时延与节点设备的转发次数和传输线路长度有关；EPON接入网时延与传输距离、链路传输速率和数据量有关，链路时延的计算为：

而将骨干网时延与接入网时延的和作为电网可靠性指标，即总时延为：

t_xy，i＝t_bb，xy，i+t_ac，xy，i (3)

式中：t_xy，i、t_bb，xy，i、t_ac，xy，i、n_bb，xy，i、L_bb，xy，i和L_ac，xy，i分别为服务器x与第y个节点之间第i条连通的通信链路的总时延、骨干网时延、接入网时延、骨干网的节点设备个数、骨干网长度和接入网长度，τ_bb为骨干网节点设备转发时延；c为光速，T_cycle为OLT轮询周期；R为EPON链路传输速率，W_u和W_d分别为EPON发送端发送和接收端接收的帧长，d_p为EPON处理时延，T₁和T₂分别为EPON发送和接收的处理时间。

对于电压稳定裕度指标，支路电阻r≠0时，在给定负荷的正常运行方式下，每一条支路的当前运行点P都有坐标(R_p，R_q)，在R_pOR_q平面上，P到直线R_p+R_q＝1的几何距离K_yd就是当前运行点到临界电压崩溃边界的距离，定义K_yd为系统支路电压稳定裕度指标，其中K_yd的表达式为：

对于所述电网安全性指标，在考虑失负荷量的基础上，计及负荷的重要程度及类型，将负荷重要度因子引入其中，建立考虑负荷重要度的失负荷损失严重度函数：

式中，η是系统失负荷比例；L是负荷节点集合；L'是失负荷节点集合；ε_i为负荷节点i重要度因子；P_lossi为节点i失负荷量；P_j为节点j事故前所带负荷；S_load为失负荷严重度；η_lim为失负荷设定阈值。

步骤4中，在对多通信正常运行进行监测过程，如果指标大于相应的电网安全性阈值δ₁、电网可靠性阈值δ₂、多区域综合电压裕度阈值δ₃，即y₁≥δ₁，y₂≥δ₂，y₃≥δ₃，说明目前通信配置过剩，为提升经济性可对业务通信配置进行调整，区域业务变化后的通信需求为

基于适配方法，得到区域变化业务匹配通信/>

x是业务通信需求，是当多区域进行业务拓展时，电力cps业务在通信速率、延时、可靠性、安全性方面的能力；y是评估指标，是能否满足阈值的一种指标，在x和y之间进行适配分析，由需求x得到y的指标，再判断是否满足阈值；

若指标小于各阈值δ₁、δ₂、δ₃，即y₁≤δ₁，y₂≤δ₂，y₃≤δ₃，则需对变化业务x_k进行网络评估：a,若未检测到网络攻击，则判断为正常业务

按照区域变化业务进行控制；b，若检测到一般网络风险，则判断为一般风险业务/>

进行业务隔离控制；c、若检测到高危网络风险，则判断为高危风险业务/>

进行网络阻断控制。

本发明的有益效果是：本发明的方法在分析对比通信技术的经济性的基础上，对多通信覆盖范围控制和多通信浓度控制进行建模。根据电网安全可靠性指标，对拓展业务进行评估，进而给出通信方案，对多通信进行扩建，实现对多通信覆盖范围的扩展。本发明的方法有利于后续深入研究电力通信专网和公网通信之间的信息交互机制和安全问题，构建电力CPS多通信的指标体系，指导多通信的规划和运行。可实现多种通信技术的融合，构建高效、可靠与经济的综合通信网络。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

参见图1，本发明是一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，包括如下步骤：

步骤1：考虑通信技术能够符合电网业务需求，在满足业务覆盖范围的前提下，提出五条适配方法，并将电力CPS常用的通信技术进行经济比较，综合考虑其通信距离/覆盖范围、传输速率以及能耗情况等技术特点，依据适配方法建立电力业务和与通信技术适配模型。

提出五条适配方法分别为：(1)针对电力CPS多区域通信容量适配方法，通信容量需要满足终端接入数量、通道、数据交换容量要求；

(2)针对电力CPS多区域通信速率适配方法，通信速率不小于最大并发数时所需速率；

(3)针对电力CPS多区域通信时延适配方法，通信延时应不大于最大并发数时最小通信延时；

(4)针对电力CPS多区域可靠性适配方法，通信可靠性满足可靠等级要求；

(5)针对电力CPS多区域安全性适配，通信安全性应该满足区域业务对安全等级的要求。

电力信息物理系统(Cyber Physical System，CPS)除了常用的光纤通信技术外，还有蜂窝通信技术、非授权频段通信技术、低功耗广域网通信技术(Low Power Wide AreaNetwork，LPWAN)、电力线通信(Power Line Communication，PLC)等多种主要通信方式，以及微波通信、卫星通信等其他通信方式。本发明对几种主要通信技术的特点进行比较，如表1所示：

表1为稳控装置通信系统传输模型图；

基于上述适配方法和经济比较，再根据电力业务通信需求，结合各通信技术的特点对电力业务进行通信适配，建立电力业务和与通信技术适配模型,。

步骤2：构建电力区域拓展业务通信需求，基于通信适配方法对拓展业务进行通信适配。构建包括通信速率、延时、可靠性、安全性等指标的电力区域拓展业务通信需求，基于通信适配方法，并结合各无线通信方式的特征，如能耗值、通信带宽、通信速率等，对电力区域扩展业务进行通信适配。

当多区域进行业务拓展，通过采集电网小数据，并对数据进行量化处理，基于量化后海量小数据的特点，依据业务与通信的适配方法，结合各通信技术特点，在满足通信距离/覆盖范围和通信容量的前提下，对电力业务与通信技术进行适配分析。在多通信覆盖范围变大时，需要根据多区域拓展业务的通信需求的量化值

来进行通信适配，其中多区域拓展业务的通信需求包括通信速率、延时、可靠性、安全性等。将量化后的数据导入Apriori算法，构建多区域业务-通信网络技术关联矩阵，对二者间的信息采集、指令下发等过程中的通信性能进行描述，通过计算多区域业务与通信网络技术之间的置信度，对通信需求中的指标进行描述，基于通信适配方法求出相应的适配量/>

其中y₁代表电网安全性指标，y₂代表电网可靠性指标，y₃代表电压稳定裕度指标，y₄代表通信延时指标。

步骤3：针对区域电力CPS业务通信需求，分析多CPS影响，基于现有的多区域的多通信网模型和多区域二次设备网络模型构建多CPS耦合模型，进一步分析多通信对电力系统的影响。以通信适配方法为指导，构建多区域扩展业务评估指标，包括电网安全性指标，电网可靠性指标和电压稳定裕度指标等，寻求最优区域多通信规划方案，扩展多通信覆盖范围。

多通信系统影响着电力传输信息(电网节点电压、电网支路电流、电网频率等)，电力传输信息经电网主站分析处理后转化为指令，作用于实际电网物理系统，即电力通信影响电力传输信息，电力传输信息决定实际物理电网，其影响过程可视为“通信—信息—电网”的过程。多区域电网是一个典型的信息-物理融合系统(CPS)，基于关联特性矩阵的电力CPS耦合建模方法，进一步分析多通信对电力系统的影响，构建多区域扩展业务评估指标，包括电网安全性指标，电网可靠性指标和电压稳定裕度指标等，寻求最优区域多通信规划方案，扩展多通信覆盖范围。

对于电网延时和电网可靠性指标，若至少有1条连通的通信链路能在规定的时延阈值内完成节点与服务器的单次通信，则通信满足电网延迟要求。单条通信链路单次通信的时延可分为骨干网时延和接入网时延。骨干网时延与节点设备的转发次数和传输线路长度有关；EPON接入网时延与传输距离、链路速率和数据量有关。链路时延的计算为：

而将骨干网时延与接入网时延的和作为电网可靠性指标，即总时延为：

t_xy，i＝t_bb，xy，i+t_ac，xy，i (3)

式中：t_xy，i、t_bb，xy，i、t_ac，xy，i、n_bb，xy，i、L_bb，xy，i和L_ac，xy，i分别为服务器x与第y个节点之间第i条连通的通信链路的总时延、骨干网时延、接入网时延、骨干网的节点设备个数、骨干网长度和接入网长度；τ_bb为骨干网节点设备转发时延；c为光速；T_cycle为OLT轮询周期；R为EPON链路传输速率；W_u和W_d分别为EPON发送端发送和接收端接收的帧长；d_p为EPON处理时延；T₁和T₂分别为EPON发送和接收的处理时间。

对于电压稳定裕度指标，考虑支路电阻r≠0时，在给定负荷的正常运行方式下，每一条支路的当前运行点P都有坐标(R_p，R_q)，在R_pOR_q平面上，P到直线R_p+R_q＝1的几何距离K_yd就是当前运行点到临界电压崩溃边界的距离。定义K_yd为系统支路电压稳定裕度指标。K_yd的大小直接反映出当前支路运行点与临界电压崩溃边界的接近程度。显然，若负荷扰动引起支路运行点P向直线R_p+R_q＝1运动越近，该支路发生电压崩溃的可能性就越大，K_yd就愈小。

对于电网安全性指标，安全评估中主要考虑三种失负荷类型：负荷节点因相应供电线路因故退出运行而脱网，形成孤立节点，此情况下负荷损失量为该节点的负荷量；负荷节点母线电压低至低压减载装置设定值后，低压减载装置切除设定的负荷量；系统解列成若干个孤岛后，为保持孤岛功率平衡，加入相关控制措施后系统丢失的负荷量。在考虑失负荷量的基础上，计及负荷的重要程度及类型，将负荷重要度因子引入其中，建立考虑负荷重要度的失负荷损失严重度函数：

式中，η是系统失负荷比例；L是负荷节点集合；L'是失负荷节点集合；ε_i为负荷节点i重要度因子；P_lossi为节点i失负荷量；P_j为节点j事故前所带负荷；S_load为失负荷严重度；η_lim为失负荷设定阈值，一般取电网总负荷的20％。

步骤4：对多通信正常运行进行监测，区域业务变化后的通信需求为通信速率、延时、可靠性、安全性等，得到区域变化业务匹配通信，经过多CPS影响分析，判断多区域扩展业务评估指标是否满足电网安全可靠阈值。

步骤5：确定多通信配置变化量，实现多通信配置。根据多区域扩展业务评估指标对多通信的变化量进行配置，包括正常业务、一般风险业务、高危风险业务等，根据不同状态变化对电网进行业务隔离或网络通信阻断，基于网络评估结果，实现多通信配置。

如果指标大于相应的电网安全性阈值δ₁、电网可靠性阈值δ₂、多区域综合电压裕度阈值δ₃，即y₁≥δ₁，y₂≥δ₂，y₃≥δ₃，说明目前通信配置过剩，为提升经济性可对业务通信配置进行调整。区域业务变化后的通信需求为

包括通信速率、延时、可靠性、安全性，基于适配方法，得到区域变化业务匹配通信/>

经过多CPS影响分析，满足多区域电力CPS评估指标后，确定多通信配置变化量，实现多通信配置。若指标小于各阈值δ₁、δ₂、δ₃，即y₁≤δ₁，y₂≤δ₂，y₃≤δ₃，则需对变化业务x_k进行网络评估：a、若未检测到网络攻击，则判断为正常业务/>

按照区域变化业务进行控制；b、若检测到一般网络风险，则判断为一般风险业务/>

进行业务隔离控制；c、若检测到高危网络风险，则判断为高危风险业务/>

进行网络阻断控制。

最后应该说明的是: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，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据电力CPS业务与通信的适配方法，确定通信技术的经济性；基于适配方法与经济性建立电力业务与通信技术适配模型；

步骤2：构建电力区域拓展业务通信需求，基于通信适配方法对拓展业务进行通信适配；

步骤3：确定多区域CPS影响，构建多区域电力的CPS评估指标，确定通信方案，拓展多通信覆盖范围；

步骤4：监测区域业务运行状态，基于所述电力CPS业务与通信的适配方法，确定指标是否满足电网安全可靠阈值；如果指标满足要求，则确定多通信配置变化量，从而实现多通信配置；如果指标不满足要求，则进行网络安全评估。

2.根据权利要求1所述的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：步骤1中，所述电力CPS业务与通信的适配方法的具体步骤如下：针对电力CPS多区域通信容量适配方法，通信容量满足终端接入数量、通道、数据交换容量要求；

针对电力CPS多区域通信速率适配方法，通信速率不小于最大并发数时所需速率；

针对电力CPS多区域通信时延适配方法，通信延时不大于最大并发数时最小通信延时；

针对电力CPS多区域可靠性适配方法，通信可靠性满足可靠等级要求；

针对电力CPS多区域安全性适配，通信安全性满足区域业务对安全等级的要求。

3.根据权利要求1所述的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：步骤2中，根据多区域拓展业务的通信需求的量化值来进行通信适配，将量化后的数据导入Apriori算法，构建多区域业务-通信网络技术关联矩阵，对二者间的信息采集、指令下发过程中的通信性能进行描述，计算多区域业务与通信网络技术之间的置信度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：步骤3具体步骤为：

基于关联特性矩阵的电力CPS耦合建模方法，分析多通信对电力系统的影响，构建多区域电力的CPS评估指标，所述CPS评估指标包括电网安全性指标y₁、电网可靠性指标y₂、电压稳定裕度指标y₃和电网延时性指标y₄，寻求最优区域多通信规划方案，扩展多通信覆盖范围。

5.根据权利要求4所述的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：对于电网延时性指标y₄和电网可靠性指标y₂，若至少有1条连通的通信链路能在设定的时延阈值内完成节点与服务器的单次通信，则通信满足电网延迟要求，单条通信链路单次通信的时延分为骨干网时延和接入网时延：其中，骨干网时延与节点设备的转发次数和传输线路长度有关；EPON接入网时延与传输距离、链路传输速率和数据量有关，链路时延的计算为：

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而将骨干网时延与接入网时延的和作为电网可靠性指杯，即总时延为：

t_xy，i＝t_bb，xy，i+t_ac，xy，i (3)

式中：t_xy，i、t_bb，xy，i、t_ac，xy，i、n_bb，xy，i、L_bb，xy，i和L_ac，xy，i分别为服务器x与第y个节点之间第i条连通的通信链路的总时延、骨干网时延、接入网时延、骨干网的节点设备个数、骨干网长度和接入网长度，τ_bb为骨干网节点设备转发时延；c为光速，T_cycle为OLT轮询周期；R为EPON链路传输速率，W_u和W_d分别为EPON发送端发送和接收端接收的帧长，d_p为EPON处理时延，T₁和T₂分别为EPON发送和接收的处理时间。

6.根据权利要求5所述的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：对于电压稳定裕度指标，支路电阻r≠0时，在给定负荷的正常运行方式下，每一条支路的当前运行点P都有坐标(R_p，R_q)，在R_pOR_q平面上，P到直线R_p+R_q＝1的几何距离K_yd就是当前运行点到临界电压崩溃边界的距离，定义K_yd为系统支路电压稳定裕度指标，其中K_yd的表达式为：

7.根据权利要求6所述的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：对于所述电网安全性指标，在考虑失负荷量的基础上，计及负荷的重要程度及类型，将负荷重要度因子引入其中，建立考虑负荷重要度的失负荷损失严重度函数：

式中，η是系统失负荷比例；L是负荷节点集合；L′是失负荷节点集合；ε_i为负荷节点i重要度因子；P_lossi为节点i失负荷量；P_j为节点j事故前所带负荷；S_load为失负荷严重度；

η_lim为失负荷设定阈值。

8.根据权利要求7所述的一种适用于电力信息物理系统的多通信控制方法，其特征在于：步骤4中，在对多通信正常运行进行监测过程，如果指标大于相应的电网安全性阈值δ₁、电网可靠性阈值δ₂、多区域综合电压裕度阈值δ₃，即y₁≥δ₁，y₂≥δ₂，y₃≥δ₃，说明目前通信配置过剩，为提升经济性可对业务通信配置进行调整，区域业务变化后的通信需求为

基于适配方法，得到区域变化业务匹配通信/>

x是业务通信需求，是当多区域进行业务拓展时，电力cps业务在通信速率、延时、可靠性、安全性方面的能力；y是评估指标，是能否满足阈值的一种指标，在x和y之间进行适配分析，由需求x得到y的指标，再判断是否满足阈值；

若指标小于各阈值δ₁、δ₂、δ₃，即y₁≤δ₁，y₂≤δ₂，y₃≤δ₃，则需对变化业务x_k进行网络评估：a，若未检测到网络攻击，则判断为正常业务

按照区域变化业务进行控制；b，若检测到一般网络风险，则判断为一般风险业务/>

进行业务隔离控制；c、若检测到高危网络风险，则判断为高危风险业务/>

进行网络阻断控制。/>

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