CN114386222A - 一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法和系统，包括：初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的链路拓扑、延时及协议数据，依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型，依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；基于可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和信息层进行供电恢复，该种方法可以解决配电网系统通信侧故障、物理侧故障以及信息‑物理系统故障，厘清了配电网信息‑物理耦合关系及其相互影响机制。
Description
技术领域
本发明属于区域综合能源系统评估领域，具体涉及一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法和系统。
背景技术
随着物联网、信息通信、5G与计算机控制等多种技术的急速发展，催生了其在配电网领域的深度引用，使得有源配电网逐步演变为包括配电物理网络、信息通信网络在内的多层次综合型网络架构，且对信息通信网络依赖逐步加强，具备了典型的信息物理系统CPS(Cyber Physical Systems)特征。所谓CPS，即通过数据流动将信息空间与物理空间深度融合形成的新型综合系统，是一个集状态感知、实时分析、科学决策、精准执行于一体的闭环体系。配电网CPS中信息与物理系统的相互依赖为故障从一个系统传播到另一个系统开辟了新的路径。
在配电网CPS中，故障可能发生在通信层或物理侧，亦可能同时发生在通信层和物理侧。相较于单纯的通信层故障或物理侧故障，信息物理协同故障情况更加复杂。因此，急需从单纯的通信层故障恢复和物理侧故障恢复对该问题进行研究。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法，包括：
初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的链路拓扑、延时及协议数据；
依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；
基于所述可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和信息层进行供电恢复；
其中，所述配电网信息物理系统并发故障恢复模型包括上层通信恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型。
优选的，所述依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型，包括：
以物理与主站之间的通信的通断、延时和误码的综合最小值为上层通信层目标函数，以通信层载流量约束和通信终端供电有效标志位约束为约束条件对所述上层通信层目标函数进行约束，得到上层通信故障恢复模型；
以最少的开关操作数和最少的网损及最小的电压偏差相加的和为下层物理侧目标函数，以潮流约束、重构拓扑约束和信息物理耦合约束为约束条件对所述下层物理侧目标函数进行约束，得到下层物理侧故障恢复重构模型；
以上层通信故障恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型共同构成配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
其中，所述重构拓扑约束包括配电网树状解耦约束、虚拟流KCL约束和大M法约束。
优选的，所述上层通信层目标函数的表达式为：
式中，minfd(c)为上层通信故障恢复模型的值，R为通信层路由节点数目，B(c)为第c条链路的通、断情况，T(c)为第c条链路的通信延时，P(c)为第c条链路的数据上传误码率，H(c)为第c条链路控制指令下达的错误率，α为第c条链路的通信延时的权重系数，β为第c条链路的数据上传误码率的权重系数，λ为第c条链路控制指令下达的错误率的权重系数。
优选的，所述下层物理侧目标函数的表达式为：
式中，F为下层物理侧故障恢复重构模型的值，
为物理侧节点i失负荷的功率，nl为网络中的支路数值，
为物理侧第
个分断开关在重构后的状态，Zw为物理侧第w个联络开关在重构后的状态，t为物理侧分段开关数量，n为物理侧联络开关的数量，Va为物理侧节点a的电压，V0为基准电压，N为物理侧节点总数，x1为网损对于下层物理侧目标函数的权重，x2为开关操作次数对于下层物理侧目标函数的权重，x3为电压偏差对于下层物理侧目标函数的权重。
优选的，所述通信层载流量约束表达式为：
式中，p(c)为第c条通信链路的流量，
为第c条通信链路的最大流量；
所述通信终端供电约束表达式为：
式中，τm为通信终端节点m供电有效标志位,L(m)为对应的物理侧节点能否为通信终端节点m供电的标志位，soc(ESm)为通信终端节点m的储能荷电状态。
优选的，所述潮流约束表达式为：
式中，Pij为物理侧节点i、j之间支路的有功功率，Qij为物理侧节点i、j之间支路的无功功率,
为物理侧节点i、j间支路电流的模的平方，
为通过物理侧节点i的电流的模的平方，ui为物理侧节点i的电压的平方值。
优选的，所述配电网朴树状解耦约束表达式为：
式中，xij为物理侧节点i与节点j间的支路电阻，N为物理侧节点总数，i为配电网中物理侧的第i个节点，j为配电网中物理侧的第j个节点。
优选的，所述虚拟流KCL约束表达式为：
式中，N为物理侧节点总数，r为根节点，Sij为物理侧节点i流出到节点j的功率，Fi为物理侧节点i的虚拟流需求，Ski为物理侧节点k流入节点i的虚拟流，k为配电网中物理侧的第k个节点，i为配电网中物理侧的第i个节点，j为配电网中物理侧的第j个节点。
优选的，所述大M法约束表达式为：
Sij≤(1-xij)M
式中，M为预设的实数，Sij为物理侧节点i流出到节点j的功率，xij为物理侧节点i与节点j间的支路电阻。
优选的，所述信息物理耦合约束表达式为：
式中，
为物理侧节点i与节点j间的开关状态的使能信号约束，当
时，表示该开关处于可观、可控状态；当
时，则说明该开关处于不可观或者不可控状态，B(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态对应至主站的通信链路的状态，为1表示畅通，为0表示中断状态，T(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时，PB(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态的采集数据上传误码率，PH(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态控制指令下发错误率，gij为物理侧节点i与节点j间的开关状态，A为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时时间，B为数据上传的误码率的值，C控制指令下发的错误率的值。
优选的，所述依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，包括：
采用迪杰斯特拉算法的通信链路状态路由方法计算上层通信故障恢复模型得到上层通信故障恢复模型的解；
判断上层通信故障恢复模型的解是否为可行解；
若上层通信故障恢复模型的解是可行解，则通过二阶锥松弛将下层物理侧故障恢复模型转化为线性凸函数，调用CPLEX求解器求解下层物理侧故障恢复模型的解，并判断下层物理侧故障恢复模型的解是否为可行解，否则结束计算；
若下层物理侧故障恢复模型的解是可行解，则输出所述可行解，否则结束计算。
基于同一发明构思，本申请还提供了一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复系统，包括：数据模块、模型模块、第一计算模块和第二计算模块；
所述数据模块主要用于初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的链路拓扑、延时及协议数据；
所述模型模块主要用于依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
所述第一计算模块主要用于依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；
所述第二计算模块主要用于基于所述可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和信息层进行供电恢复；
其中，所述配电网信息物理系统并发故障恢复模型包括上层通信恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型。
优选的，所述模型模块主要用于：以物理与主站之间的通信的通断、延时和误码的综合最小值为上层通信层目标函数，以通信层载流量约束和通信终端供电有效标志位约束为约束条件对所述上层通信层目标函数进行约束，得到上层通信故障恢复模型；
以最少的开关操作数和最少的网损及最小的电压偏差相加的和为下层物理侧目标函数，以潮流约束、重构拓扑约束和信息物理耦合约束为约束条件对所述下层物理侧目标函数进行约束，得到下层物理侧故障恢复重构模型；
以上层通信故障恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型共同构成配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
其中，所述重构拓扑约束包括配电网朴树状解耦约束、虚拟流KCL约束和大M法约束。
优选的，其特征在于，所述第一计算模块主要用于：
采用迪杰斯特拉算法的通信链路状态路由方法计算上层通信故障恢复模型得到上层通信故障恢复模型的解；
判断上层通信故障恢复模型的解是否为可行解；
若上层通信故障恢复模型的解是可行解，则通过二阶锥松弛将下层物理侧故障恢复模型转化为线性凸函数，调用CPLEX求解器求解下层物理侧故障恢复模型的解，并判断下层物理侧故障恢复模型的解是否为可行解，否则结束计算；
若下层物理侧故障恢复模型的解是可行解，则输出所述可行解，否则结束计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法和系统，包括：初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的链路拓扑、延时及协议数据，依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型，依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；基于所述可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和信息层进行供电恢复，其中，所述配电网信息物理系统并发故障恢复模型包括上层通信恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型；本发明可以解决配电网系统通信侧故障、物理侧故障以及信息-物理系统故障，厘清了配电网信息-物理耦合关系及其相互影响机制，实现了配电网信息物理协同仿真，为新型配电网运行、调度、控制提供了重要理论支撑及场景验证。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法的整体流程示意图；
图2(a)为配电网CPS发生故障示意图；
图2(b)为配电网CPS终端采集故障信息并上传主站示意图；
图2(c)为配电网CPS故障定位与隔离示意图；
图2(d)为配电网CPS供电恢复示意图；
图3为配电网CPS耦合关系表征；
图4为通信层动态路由方法示意图；
图5为配电网支路示意图；
图6为故障恢复求解流程示意图；
图7为本发明提供的一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复系统的具体结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于设计一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法和系统，实现配电网信息物理系统并发故障的有序恢复。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
实施例1：
如图1所示，一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法的具体流程如下：
步骤1：初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的:链路拓扑、延时及协议数据；
步骤2：依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
步骤3：依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；
步骤4：基于所述可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对理侧和信息层进行供电恢复；
其中，所述配电网信息物理系统并发故障恢复模型包括上层通信恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型。
步骤1具体实施方法如下：
1-1配电网CPS并发故障表征方法
1-1-1配电网CPS并发故障类型：
配电网CPS中物理侧和信息通信侧可能同时发生故障。其中，物理侧故障包括三相短路、两相相间短路、两相接地短路、单相接地短路等。通信系统的故障可能由于多种原因导致，包括链路故障、信道拥堵和恶意数据注入攻击等，总体上可分为3类：传输故障(延时、中断)、数据错误、和控制故障。这三类故障与物理侧的故障产生叠加效果，能够在配电网CPS故障恢复过程中的故障定位、故障隔离和供电恢复三个阶段中相互影响。
配电网故障的处置与恢复过程高度依赖于配电网主站控制系统。故障的处理功能依托于配电终端、通信网络和配电主站三部分的协同合作，如图2(a)(b)(c)(d)所示，配电网CPS的主站系统可以实现对物理侧配电网络系统运行状态监测与控制，对故障进行监视和分析等功能。在故障处理方面主要是基于馈线自动化功能，通过分析终端采集上传的物理网络参数，借助故障处理算法，实现准确的故障定位、隔离和供电恢复等功能。配电网通信网络是连接配电网物理侧和主站控制层的桥梁，终端设备采集的故障信息需要经过通信网络才能上传到主站系统，同时，主站系统下发的故障处理指令也需要经过通信系统下传到物理侧终端设备上执行。通信系统的性能直接影响着配电网CPS整体稳定性。信息通信侧的故障的发生可能导致故障处理业务无法执行，进而影响物理系统的安全运行。
1-1-2配电网CPS并发故障描述方法：
配电网CPS并发故障中，物理侧与信息通信层存在着拓扑、数据之间的关联耦合关系，如图3所示。本文关联矩阵进行配电网物理与信息通信之间的故障关联关系耦合描述。
On×1＝Pn×n*Tn×n*Cn×n*Mn×1
式中，On×1为配电网CPS中信息物理耦合关联矩阵，Pn×n为物理侧系统矩阵，Tn×n为量测与通信终端构成的二次设备矩阵，Cn×n为通信系统矩阵，Mn×1为信控主站，N为物理侧节点数目。
1-1-2-1物理侧系统矩阵Pn×n：
根据物理侧拓扑结构，采用有向拓扑矩阵，由“0”和“1”两个逻辑元素表示配电网拓扑结构中各物理节点的位置关系。
式中，Pij为物理关联矩阵中的元素，由表示物理侧节点i与j之间拓扑链接性的Lij，故障电流Iij和开关状态BRij构成。
1-1-2-2二次通信终端节点矩阵Tn×n：
量测和DTU、FTU等通信终端是链接物理侧和通信层的重要环节，是构建数据采集上传与控制指令下达至物理侧执行的关键。本文中采用二次通信终端节点矩阵Tn×n进行描述：
式中，Tmm为通信终端节点m元素，由4个变量构成，Wmm代表物理侧节点i处是否安装有通信终端，如果未安装则取0，否则取1；Smm为通信终端的状态变量，正常状态取1，故障状态取0，Imm为通信终端上传的故障电流数据，COmm为通信终端i接收到的控制指令。
1-1-2-3通信网络矩阵Cn×n:
采用通信网邻接矩阵C来描述通信网拓扑及特性，对包含n个通信节点的通信网络进行建模，矩阵C的结构定义如下式所示，该矩阵描述信息在通信网中的传输过程。
式中，Toh为通信节点o与h之间的通信延时；Boh为通信层节点o与h之间中断概率，取0或者1，当Boh＝1时，表示链路处于连通状态，当Boh＝0时，表示链路处于中断状态；PBoh为通信层节点o与h之间的传输错误概率；
为通信层节点o与h之间的虚假数据注入攻击的概率。
1-1-2-4信控主站矩阵Mn×1
配电网CPS主站直接与通信层相连，一方面汇集通信层上传过来的数据信息，对物理侧进行运行监视，另一方面，当物理侧故障需要处理时，通过主站内集成的故障处理算法，进行决策生成，然后通过通信层下达至物理侧具体的开关，进行故障控制。
本文中采用信控主站矩阵Mn×1进行描述：
式中，Mm为主站中信息节点m，SMm为通信层信息节点m的状态，FPR(∑FMm)为主站故障处置决策生成时间。
1-2配电网CPS并发故障的恢复方法：
配电网CPS并发故障中由于物理侧和通信层同时发生故障，因此要实现供电恢复，需要对物理侧和通信层分别进行恢复。
物理侧的供电恢复主要依赖于故障主站的馈线自动化、网络重构功能。通过联络开关的闭合，改变配电网物理侧网络的拓扑结构，实现负荷的转供与恢复。
通信的恢复可采用动态路由方法，该方法则是节点的路由选择要依靠配电网通信网络当前的状态信息来决定。这种策略能较好地适应通信网络流量、拓扑结构的变化，有利于改善通信网络的性能。通信故障恢复模型是在选择路由的时候综合考虑链路连通性、链路长度、以及区域冗余度等方面，然后选出一条能够最适合且最大范围恢复终端通信的链路进行转发处理。
如图4所示的配电网通信拓扑示意图中，物理侧的实体控制节点需要与主站所在的信控层进行互相通信的两个系统，中间区域为通信网络。
首先，将通信网络拓扑结构转化为内存中的Graph结构，可以将整个区域的网络设备简化为一个区域节点；然后，根据区域内网络设备的容量、收到的网络攻击频次以及网络攻击后剩余可用设备所占的比例，综合算出一个基于区域冗余度的节点权重值。最后，使用合适的图算法便可同时检测链路可达以及最短跳转路径。通过这些节点权重值和跳转次数，可以使用最短链路算法找出最优的动态路由策略。
步骤2具体实施方法如下：
配电网CPS并发故障协同供电恢复方法：
针对配电网CPS中信息与物理并发故障的场景，考虑到主站对非故障区域的供电恢复高度依赖通信层的媒介作用，因此本文采用通信优化恢复，通过通信部分恢复的最大化，实现配电网物理侧的尽可能的可观可控，然后在此基础上，继续实现物理侧的供电恢复。该问题用数学可描述双层优化模型：
式中，fu(x,c)为上层优化模型；x、y为上层优化变量；g(x,y)、h(x,y)分别为上层优化模型中的等式、不等式约束条件；argminfd*c)表示当下层优化目标fd(c(取得最小值时的变量c的值；p*c)、q(c)为下层优化模型的不等式、等式约束条件。
2-1下层物理恢复模型
2-1-1目标函数
下层物理侧故障供电恢复的基本要求是在满足馈线不过载、电压不越限等安全运行约束的前提下，以尽可能少的开关操作次数，尽可能少的网损以及尽可能小的电压偏差对网络进行拓扑重构。其目标函数可以描述为：
式中，F为下层物理侧故障恢复重构模型的值，
为物理侧节点i失负荷的功率，nl为网络中的支路数值，
为物理侧第
个分断开关在重构后的状态，Zw为物理侧第w个联络开关在重构后的状态，t为物理侧分段开关数量，n为物理侧联络开关的数量，Va为物理侧节点a的电压，V0为基准电压，N为物理侧节点总数，x1为网损对于下层物理侧目标函数的权重，x2为开关操作次数对于下层物理侧目标函数的权重，x3为电压偏差对于下层物理侧目标函数的权重。
2-1-2约束条件
潮流约束：
本文中潮流约束采用基于二阶锥松弛的Distflow模型进行约束。对于如图5中的支路列写表示支路压降的欧姆定律、线路首端功率、节点功率平衡方程：
令Pij+jQij＝Sij，ui＝|Ui|2,
pi+jqi＝si，由公式(3)可以推出：
针对公式(10)中的二次型非线性等式，通过二阶锥定理将其松弛得到不等式约束的标准二阶锥形式：
式中，Pij为物理侧节点i、j之间支路的有功功率，Qij为物理侧节点i、j之间支路的无功功率,
为物理侧节点i、j间支路电流的模的平方，
为通过物理侧节点i的电流的模的平方，ui为物理侧节点i的电压的平方值。
重构拓扑约束：
在物理侧供电恢复后，需要保证重构恢复后的网络依然是辐射状网络，符合配电网运行规定。本文中采用“虚拟流”的方法，对配电网结构进行约束：
Sij≤(1-xij)M (14)
式(12)为配电网拓扑树状解耦约束，即保证恢复重构后网络的连通性，其中，N为节点总数，i、j为配电网中的第i、j个节点；式(13)除了根节点r外其余节点的虚拟流KCL约束，Sij为流出第i节点的功率，Fi为节点i的虚拟流需求，Ski为流入i节点的虚拟流；公式(14)为“大M法”约束，M为预设的实数，若线路断开，xij＝0，则支路潮流约束一定满足；当线路断开时，xij＝1支路虚拟流应该与支路断开状态相匹配一致。
信息物理耦合约束：
在配电网CPS中，物理侧的采集数据需要通过通信层，上传至信息控制主站进行故障重构处理。当通信节点有效时，对于的物理侧控制开关可以进行完整的采集与控制；当通信节点由于故障失效时，对应的物理开关则处于不能控制或者不能采集量测等状态。
式中，
为物理侧节点i与节点j间的开关状态的使能信号约束，当
时，表示该开关处于可观、可控状态；当
时，则说明该开关处于不可观或者不可控状态，B(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态对应至主站的通信链路的状态，为1表示畅通，为0表示中断状态，T(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时，PB(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态的采集数据上传误码率，PH(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态控制指令下发错误率，gij为物理侧节点i与节点j间的开关状态，A为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时时间，B为数据上传的误码率的值，C控制指令下发的错误率的值。
2-2上层通信恢复模型
2-2-1目标函数
在配电网的通信层，通过动态路由，主要需要考虑物理与主站之间的通信的通断、延时、误码等综合最小。
式中，minfd(c)为上层通信故障恢复模型的值，R为通信层路由节点数目，B(c)为第c条链路的通、断情况，T(c)为第c条链路的通信延时，P(c)为第c条链路的数据上传误码率，H(c)为第c条链路控制指令下达的错误率，α为第c条链路的通信延时的权重系数，β为第c条链路的数据上传误码率的权重系数，λ为第c条链路控制指令下达的错误率的权重系数。
2-2-2约束条件
载流量约束：
对任意通信链路上的流量应小于其最大承载能力约束。
式中，p(c)为第c条通信链路的流量，
为第c条通信链路的最大流量。
通信终端供电约束：
通信节点对于物理侧节点的依赖在于，对应的通信终端需要物理侧节点提供一定的电能应用，当通信节点连接的物理节点无法提供足够电能且该通信终端自带的电池无法支撑时，该通信节将无法正常工作。该约束条件可以描述为：
式中，τm为通信终端节点m供电有效标志位,L(m)为对应的物理侧节点能否为通信终端节点m供电的标志位，soc(ESm)为通信终端节点m的储能荷电状态。
步骤3具体步骤如下：
针对所建立的配电网CPS并发故障双层优化模型，采用上层通信优先恢复的策略，将得的恢复的通信信息代入下层物理侧重构模型，最大程度的恢复供电。
配电网CPS并发故障供电恢复求解流程如图6所示。
步骤S1：初始胡配电网CPS中物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信层中链路拓扑、延时、协议等数据；
步骤S2：按照公式(6)～(18)建立配电网双层供电恢复模型；
步骤S3：求解上层通信层恢复模型。本文中采用基于Dijkstra算法的通信链路状态路由方法进行配电网通信网络的重构恢复。Dijkstra算法的思路是：
S3-1算法开始时，将通信网络抽象为图，将图中的所有顶点分为两组，一组为已知最短路径的顶点，一组为未知最短路径的顶点，初始时所有顶点都属于未知最短路径的顶点，并标记每个顶点的路径长度为无穷大；
S3-2将起始点的路径长度设为0；
S3-3每个阶段中，选取所有未知最短路径的顶点中路径长度最短的那一个，将其标记为已知最短路径的顶点；
S3-4然后计算该顶点到其邻接顶点中属于未知最短路径的顶点的路径长度，如果得到的路径长度比原有的长度短，就更新该邻接顶点的路径长度，并将该邻接顶点的前置节点设为选取的顶点；
S3-5不断执行S3-3-S3-4的操作，直到未知最短路径的顶点数量为0。输出通信路由表作为通信层模型的解。
步骤4具体实施方法如下：
判断通信层是否有可行解；如果求解得出解集中，物理侧全部或者大部分节点失去可观可控性，则直接判定无法进行供电恢复，结束计算；
如果通信层有可行解，那么继续求解下层物理侧故障网络重构恢复模型，本文中通过二阶锥松弛将物理侧模型转化为线性凸函数，调用CPLEX求解器进行求解；
判断物理侧能否得到可行解，如果有可行解，则输出CPS并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和通信层进行供电恢复；如果得不到可信性，则判定无法进行供电恢复。
实施例2：
本发明还提供了一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复系统，如图7所示包括：数据模块、模型模块、第一计算模块和第二计算模块；
所述数据模块主要用于初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的链路拓扑、延时及协议数据；
所述模型模块主要用于依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
所述第一计算模块主要用于依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；
所述第二计算模块主要用于基于所述可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和信息层进行供电恢复；
其中，所述配电网信息物理系统并发故障恢复模型包括上层通信恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型。
其中，所述模型模块主要用于：
以物理与主站之间的通信的通断、延时和误码的综合最小值为上层通信层目标函数，以通信层载流量约束和通信终端供电有效标志位约束为约束条件对所述上层通信层目标函数进行约束，得到上层通信故障恢复模型；
以最少的开关操作数和最少的网损及最小的电压偏差相加的和为下层物理侧目标函数，以潮流约束、重构拓扑约束和信息物理耦合约束为约束条件对所述下层物理侧目标函数进行约束，得到下层物理侧故障恢复重构模型；
以上层通信故障恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型共同构成配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
其中，所述重构拓扑约束包括配电网朴树状解耦约束、虚拟流KCL约束和大M法约束。
其中，所述上层通信层目标函数的表达式为：
式中，minfd(c)为上层通信故障恢复模型的值，R为通信层路由节点数目，B(c)为第c条链路的通、断情况，T(c)为第c条链路的通信延时，P(c)为第c条链路的数据上传误码率，H(c)为第c条链路控制指令下达的错误率，α为第c条链路的通信延时的权重系数，β为第c条链路的数据上传误码率的权重系数，λ为第c条链路控制指令下达的错误率的权重系数。
其中，所述下层物理侧目标函数的表达式为：
式中，F为下层物理侧故障恢复重构模型的值，
为物理侧节点i失负荷的功率，nl为网络中的支路数值，
为物理侧第
个分断开关在重构后的状态，Zw为物理侧第w个联络开关在重构后的状态，t为物理侧分段开关数量，n为物理侧联络开关的数量，Va为物理侧节点a的电压，V0为基准电压，N为物理侧节点总数，x1为网损对于下层物理侧目标函数的权重，x2为开关操作次数对于下层物理侧目标函数的权重，x3为电压偏差对于下层物理侧目标函数的权重。
其中，所述通信层载流量约束表达式为：
式中，p(c)为第c条通信链路的流量，
为第c条通信链路的最大流量；
所述通信终端供电约束表达式为：
式中，τm为通信终端节点m供电有效标志位,L(m)为对应的物理侧节点能否为通信终端节点m供电的标志位，soc(ESm)为通信终端节点m的储能荷电状态。
其中，所述潮流约束表达式为：
式中，Pij为物理侧节点i、j之间支路的有功功率，Qij为物理侧节点i、j之间支路的无功功率,
为物理侧节点i、j间支路电流的模的平方，
为通过物理侧节点i的电流的模的平方，ui为物理侧节点i的电压的平方值。
其中，所述配电网朴树状解耦约束表达式为：
式中，xij为物理侧节点i与节点j间的支路电阻，N为物理侧节点总数，i为配电网中物理侧的第i个节点，j为配电网中物理侧的第j个节点。
其中，所述虚拟流KCL约束表达式为：
式中，N为物理侧节点总数，r为根节点，Sij为物理侧节点i流出到节点j的功率，Fi为物理侧节点i的虚拟流需求，Ski为物理侧节点k流入节点i的虚拟流，k为配电网中物理侧的第k个节点，i为配电网中物理侧的第i个节点，j为配电网中物理侧的第j个节点。
其中，所述大M法约束表达式为：
Sij≤(1-xij)M
式中，M为预设的实数，Sij为物理侧节点i流出到节点j的功率，xij为物理侧节点i与节点j间的支路电阻。
其中，所述信息物理耦合约束表达式为：
式中，
为物理侧节点i与节点j间的开关状态的使能信号约束，当
时，表示该开关处于可观、可控状态；当
时，则说明该开关处于不可观或者不可控状态，B(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态对应至主站的通信链路的状态，为1表示畅通，为0表示中断状态，T(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时，PB(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态的采集数据上传误码率，PH(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态控制指令下发错误率，gij为物理侧节点i与节点j间的开关状态，A为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时时间，B为数据上传的误码率的值，C控制指令下发的错误率的值。
其中，所述第一计算模块主要用于：
采用迪杰斯特拉算法的通信链路状态路由方法计算上层通信故障恢复模型得到上层通信故障恢复模型的解；
判断上层通信故障恢复模型的解是否为可行解；
若上层通信故障恢复模型的解是可行解，则通过二阶锥松弛将下层物理侧故障恢复模型转化为线性凸函数，调用CPLEX求解器求解下层物理侧故障恢复模型的解，并判断下层物理侧故障恢复模型的解是否为可行解，否则结束计算；
若下层物理侧故障恢复模型的解是可行解，则输出所述可行解，否则结束计算。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,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；
本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。
Claims (14)
1.一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复方法，其特征在于，包括：
初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的链路拓扑、延时及协议数据；
依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；
基于所述可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和信息层进行供电恢复；
其中，所述配电网信息物理系统并发故障恢复模型包括上层通信恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型，包括：
以物理与主站之间的通信的通断、延时和误码的综合最小值为上层通信层目标函数，以通信层载流量约束和通信终端供电有效标志位约束为约束条件对所述上层通信层目标函数进行约束，得到上层通信故障恢复模型；
以最少的开关操作数和最少的网损及最小的电压偏差相加的和为下层物理侧目标函数，以潮流约束、重构拓扑约束和信息物理耦合约束为约束条件对所述下层物理侧目标函数进行约束，得到下层物理侧故障恢复重构模型；
以上层通信故障恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型共同构成配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
其中，所述重构拓扑约束包括配电网树状解耦约束、虚拟流KCL约束和大M法约束。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述上层通信层目标函数的表达式为：
式中，minfd(c)为上层通信故障恢复模型的值，R为通信层路由节点数目，B(c)为第c条链路的通、断情况，T(c)为第c条链路的通信延时，P(c)为第c条链路的数据上传误码率，H(c)为第c条链路控制指令下达的错误率，α为第c条链路的通信延时的权重系数，β为第c条链路的数据上传误码率的权重系数，λ为第c条链路控制指令下达的错误率的权重系数。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述下层物理侧目标函数的表达式为：
式中，F为下层物理侧故障恢复重构模型的值，
为物理侧节点i失负荷的功率，nl为网络中的支路数值，
为物理侧第
个分断开关在重构后的状态，Zw为物理侧第w个联络开关在重构后的状态，t为物理侧分段开关数量，n为物理侧联络开关的数量，Va为物理侧节点a的电压，V0为基准电压，N为物理侧节点总数，x1为网损对于下层物理侧目标函数的权重，x2为开关操作次数对于下层物理侧目标函数的权重，x3为电压偏差对于下层物理侧目标函数的权重。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述通信层载流量约束表达式为：
式中，p(c)为第c条通信链路的流量，
为第c条通信链路的最大流量；
所述通信终端供电约束表达式为：
式中，τm为通信终端节点m供电有效标志位，L(m)为对应的物理侧节点能否为通信终端节点m供电的标志位，soc(ESm)为通信终端节点m的储能荷电状态。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述潮流约束表达式为：
式中，Pij为物理侧节点i、j之间支路的有功功率，Qij为物理侧节点i、j之间支路的无功功率，
为物理侧节点i、j间支路电流的模的平方，
为通过物理侧节点i的电流的模的平方，ui为物理侧节点i的电压的平方值。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述配电网朴树状解耦约束表达式为：
式中，xij为物理侧节点i与节点j间的支路电阻，N为物理侧节点总数，i为配电网中物理侧的第i个节点，j为配电网中物理侧的第j个节点。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述虚拟流KCL约束表达式为：
式中，N为物理侧节点总数，r为根节点，Sij为物理侧节点i流出到节点j的功率，Fi为物理侧节点i的虚拟流需求，Ski为物理侧节点k流入节点i的虚拟流，k为配电网中物理侧的第k个节点，i为配电网中物理侧的第i个节点，j为配电网中物理侧的第j个节点。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述大M法约束表达式为：
Sij≤(1-xij)M
式中，M为预设的实数，Sij为物理侧节点i流出到节点j的功率，xij为物理侧节点i与节点j间的支路电阻。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信息物理耦合约束表达式为：
式中，
为物理侧节点i与节点j间的开关状态的使能信号约束，当
时，表示该开关处于可观、可控状态；当
时，则说明该开关处于不可观或者不可控状态，B(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态对应至主站的通信链路的状态，为1表示畅通，为0表示中断状态，T(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时，PB(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态的采集数据上传误码率，PH(gij)为物理侧节点i与节点j间的开关状态控制指令下发错误率，gij为物理侧节点i与节点j间的开关状态，A为物理侧节点i与节点j间的开关状态所在链路的延时时间，B为数据上传的误码率的值，C控制指令下发的错误率的值。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，包括：
采用迪杰斯特拉算法的通信链路状态路由方法计算上层通信故障恢复模型得到上层通信故障恢复模型的解；
判断上层通信故障恢复模型的解是否为可行解；
若上层通信故障恢复模型的解是可行解，则通过二阶锥松弛将下层物理侧故障恢复模型转化为线性凸函数，调用CPLEX求解器求解下层物理侧故障恢复模型的解，并判断下层物理侧故障恢复模型的解是否为可行解，否则结束计算；
若下层物理侧故障恢复模型的解是可行解，则输出所述可行解，否则结束计算。
12.一种基于信息物理系统的配电网协同故障恢复系统，其特征在于，包括：数据模块、模型模块、第一计算模块和第二计算模块；
所述数据模块主要用于初始化配电网物理侧的拓扑数据、线路、负荷、变压器、分布式电源的参数以及通信的链路拓扑、延时及协议数据；
所述模型模块主要用于依据初始化配电网物理和通信的拓扑、负荷及链路数据，建立配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
所述第一计算模块主要用于依据迪杰斯特拉算法对配电网信息物理系统并发故障恢复模型进行求解，得到可行解；
所述第二计算模块主要用于基于所述可行解，输出信息物理系统并发故障供电恢复控制指令，同时对物理侧和信息层进行供电恢复；
其中，所述配电网信息物理系统并发故障恢复模型包括上层通信恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述模型模块主要用于：
以物理与主站之间的通信的通断、延时和误码的综合最小值为上层通信层目标函数，以通信层载流量约束和通信终端供电有效标志位约束为约束条件对所述上层通信层目标函数进行约束，得到上层通信故障恢复模型；
以最少的开关操作数和最少的网损及最小的电压偏差相加的和为下层物理侧目标函数，以潮流约束、重构拓扑约束和信息物理耦合约束为约束条件对所述下层物理侧目标函数进行约束，得到下层物理侧故障恢复重构模型；
以上层通信故障恢复模型和下层物理侧故障恢复重构模型共同构成配电网信息物理系统并发故障恢复模型；
其中，所述重构拓扑约束包括配电网朴树状解耦约束、虚拟流KCL约束和大M法约束。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一计算模块主要用于：
采用迪杰斯特拉算法的通信链路状态路由方法计算上层通信故障恢复模型得到上层通信故障恢复模型的解；
判断上层通信故障恢复模型的解是否为可行解；
若上层通信故障恢复模型的解是可行解，则通过二阶锥松弛将下层物理侧故障恢复模型转化为线性凸函数，调用CPLEX求解器求解下层物理侧故障恢复模型的解，并判断下层物理侧故障恢复模型的解是否为可行解，否则结束计算；
若下层物理侧故障恢复模型的解是可行解，则输出所述可行解，否则结束计算。
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|---|---|---|---|---|
| CN117810996A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 南京师范大学 | 一种考虑孤岛划分与网络重构的主动配电网故障恢复方法 |
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| CN117810996A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 南京师范大学 | 一种考虑孤岛划分与网络重构的主动配电网故障恢复方法 |
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