CN114900461A - 考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法及装置 - Google Patents

考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法及装置，首先获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；然后，根据预设计算规则计算双路由故障概率；之后，依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；最后以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。通过本申请解决了现有技术存在的步骤复杂，缺乏通用性的问题，降低了电力CPS连锁故障的风险，提高了电力CPS系统生存性。

Description

考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法及装置
技术领域
本申请涉及电力CPS系统优化技术领域，特别的，尤其涉及一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法及装置。
背景技术
随着智能电网的建设，先进信息通信技术(Information CommunicationTechnology，ICT)的大量应用，提高了电力系统的可观和可控性，因而将这种新型的电力系统称之为信息物理系统(Cyber-physical System，CPS)。在电力CPS中，电网需要通信网进行数据传输并实施控制功能，而通信网依靠电网供电，这种相互依赖性的特征可能触发级联故障，并最终导致电力CPS的完全崩溃，比如，2003年北美大停电、2004年罗马大停电、2008年南方遭受雪灾侵袭和2019年委内瑞拉大面积停电。因此，研究电力CPS级联故障生存性提高及其保护策略具有重要的理论价值和现实意义。
在电力CPS级联故障影响中，抑制级联故障多从改变网络的内部拓扑结构或增强内部节点的属性上考虑，例如修改相互依赖网络的内部结构或引入增强节点。然而基础设施网络的功能与网络的内部拓扑结构和节点的性质密切相关，因此，现有策略会影响网络的原始功能，而且操作复杂且昂贵。虽然有些研究强调了保护关键节点的重要性，但保护关键部件可能会降低发生故障的可能性，而不是从根本上提高系统的鲁棒性，因此，很难通过保护某些关键部件或网络升级来提高鲁棒性。
发明内容
鉴于上述内容中的问题，本申请提供了一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法及装置，用以降低CPS系统连锁故障风险，提高电力CPS系统生存性。
为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：
一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法，包括：
获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；
根据预设计算规则计算双路由故障概率；
依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；
以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。
其中，所述根据预设计算规则计算双路由故障概率，具体为：
使用k最短路径算法计算终端节点到控制中心的k条路径，最短路径作为主路径，其余路径均可作为备份路径；
设定路由器自身节点故障概率和因保护机制而导致的故障的两种故障方式参数；
按照所述预设计算规则分别计算源节点s到目的节点t的主路由和备份路由未故障概率、由于自身故障导致的双路由故障概率、因保护机制而导致的故障概率以及从源节点s到目的节点t双路由的故障概率。
其中，所述依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，具体为：
统计在第k阶段新增加断开负载的电源节点以及在第k阶段级联故障分支数量；
依据预设计算公式计算从第k个阶段积累的负荷损失值以及从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
其中，所述以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出，具体为：
由路由故障引发的级联过程造成的影响值即目标值。
一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化装置，包括：
第一处理单元，用于获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；
第二处理单元，用于根据预设计算规则计算双路由故障概率；
第三处理单元，用于依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；
第四处理单元，用于以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。
其中，所述第二处理单元具体用于：
使用k最短路径算法计算终端节点到控制中心的k条路径，最短路径作为主路径，其余路径均可作为备份路径；
设定路由器自身节点故障概率和因保护机制而导致的故障的两种故障方式参数；
按照所述预设计算规则分别计算源节点s到目的节点t的主路由和备份路由未故障概率、由于自身故障导致的双路由故障概率、因保护机制而导致的故障概率以及从源节点s到目的节点t双路由的故障概率。
其中，所述第三处理单元具体用于：
统计在第k阶段新增加断开负载的电源节点以及在第k阶段级联故障分支数量；
依据预设计算公式计算从第k个阶段积累的负荷损失值以及从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
其中，所述第四处理单元具体用于：
由路由故障引发的级联过程造成的影响值即目标值。
本申请所述的考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法及装置，首先获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；然后根据预设计算规则计算双路由故障概率；之后依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；最后以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。通过本申请解决了现有技术存在的步骤复杂，缺乏通用性的问题，降低了电力CPS连锁故障的风险，提高了电力CPS系统生存性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法的流程示意图；
图2为本申请实施例公开的根据预设计算规则计算双路由故障概率的具体流程示意图；
图3为本申请实施例公开的从源节点s到目的节点t的双路由结构示意图；
图4为本申请实施例公开的依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失的具体流程示意图；
图5为本申请实施例公开的一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化装置的结构示意图；
图6为本申请实施例公开的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例为了实现降低CPS系统连锁故障风险，提高电力CPS系统生存性的目的，在电力CPS中，电网包含Vp个电力节点和Ep条电力线路，通信网包含Vc个节点和Ec条通信链路，通信节点包括控制中心、路由器和终端节点，其中终端节点是传感器和执行器，它们从控制中心生成数据和执行命令，终端节点安装在电力节点上。
请参见附图1，为本申请实施例提供的一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法流程示意图。如图1所示，本申请实施例提供了一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法，该方法包括如下步骤：
S101：获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；
S102：根据预设计算规则计算双路由故障概率；
S103：依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；
S104：以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。
在具体实施例中，如图2所示，上述所述根据预设计算规则计算双路由故障概率，具体包括如下步骤：
S201：使用k最短路径算法计算终端节点到控制中心的k条路径，最短路径作为主路径，其余路径均可作为备份路径；
S202：设定路由器自身节点故障概率和因保护机制而导致的故障的两种故障方式参数；
需要说明的是，保护机制，即电力节点断开通信路由且负载断开。假设每个路由器的故障概率为αi，该值从(0,1)之间随机选择。通过蒙特卡洛模拟计算功率节点i∈Vp处瞬时负载超过其极限的概率βi，该值可用下式表示：
Figure BDA0003636539630000061
式中：Ni,j是第j次运行中节点的功率变化超过δPi的电力节点个数，N1是模拟运行的次数；N0是运行中的模拟节点个数；其中，功率Pi使用MATPOWER中的潮流数据。
S203：按照所述预设计算规则分别计算源节点s到目的节点t的主路由和备份路由未故障概率、由于自身故障导致的双路由故障概率、因保护机制而导致的故障概率以及从源节点s到目的节点t双路由的故障概率。
首先，分别计算源节点s到目的节点t的路由未故障概率
Figure BDA0003636539630000062
Figure BDA0003636539630000063
其中：
Figure BDA0003636539630000064
Figure BDA0003636539630000065
其次，计算由于自身故障导致的双路由故障概率。该故障概率如下式：R(xn∪yn)＝R(xn)+R(yn)-R(xn)R(yn)和
Figure BDA0003636539630000071
其中，从源节点到目的节点双路由中有m组不相交双路由，第n组不相交双路由的主备路由为xn和yn，R(xn)和R(yn)为两路由不相交部分的可靠性；R(Public)为公共节点的可靠性；p'为双路由由于自身故障导致的故障概率；如图3示例，从源节点s到目的节点t的双路由，其中m＝2。
之后，计算因保护机制(即电力节点断开通信路由且负载断开)而导致的故障概率。该故障概率如下式：
Figure BDA0003636539630000072
Figure BDA0003636539630000073
Figure BDA0003636539630000074
其中，
Figure BDA0003636539630000075
是一组电力节点，从源节点s到目的节点t的路由至少一个节点从电力节点中获取能量。
Figure BDA0003636539630000076
定义为从电源节点i∈Vp获取能源供应的一组路由器。
最后，计算双路由的故障概率。该概率如下式：pst＝p'p”。
在具体实施例中，如图4所示，上述所述依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，具体为：
S401：统计在第k阶段新增加断开负载的电源节点以及在第k阶段级联故障分支数量；
在具体实施例中，计算如下式：
Figure BDA0003636539630000077
和
Figure BDA0003636539630000078
其中，Fk在第k阶段故障的全部电力节点。
S402：依据预设计算公式计算从第k个阶段积累的负荷损失值以及从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
首先，计算从第k个阶段积累的负荷损失值。如式：
Figure BDA0003636539630000081
Figure BDA0003636539630000082
其中，Ls,j,k从的第j个级联分支的第k阶段开始积累的总损失负荷量。Us,j,k是第j个级联分支的第k阶段功率超过最大值的一组电力节点，Vs,j,k是有中断的路由，但并未超过最大功率的一组电力节点，μu是电力节点u∈Vp的平均功率。Ls,j,k为第j个级联分支的第k阶段开始累积的总损失量。
然后，计算从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
Figure BDA0003636539630000083
其中，Gst表示由从源节点s到目的节点t的路由中的故障启动的所有故障级联分支。
在具体实施例中，上述所述以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出，具体为：
由路由故障引发的级联过程造成的影响值即目标值，如下式：
Figure BDA0003636539630000084
其中，pst为从源节点s到目的节点t的双路由故障概率，Wst为从源节点s到目的节点t的负荷损失。
本申请实施例提供的一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法，首先获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；然后，根据预设计算规则计算双路由故障概率；之后，依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；最后以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。通过本申请实施例解决了现有技术存在的步骤复杂，缺乏通用性的问题，降低了电力CPS连锁故障的风险，提高了电力CPS系统生存性。
请参阅图5，基于上述实施例公开的一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法，本实施例对应公开了一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化装置，该装置包括：
第一处理单元501，用于获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；
第二处理单元502，用于根据预设计算规则计算双路由故障概率；
第三处理单元503，用于依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；
第四处理单元504，用于以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。
进一步的，所述第二处理单元502具体用于：
使用k最短路径算法计算终端节点到控制中心的k条路径，最短路径作为主路径，其余路径均可作为备份路径；
设定路由器自身节点故障概率和因保护机制而导致的故障的两种故障方式参数；
按照所述预设计算规则分别计算源节点s到目的节点t的主路由和备份路由未故障概率、由于自身故障导致的双路由故障概率、因保护机制而导致的故障概率以及从源节点s到目的节点t双路由的故障概率。
进一步的，所述第三处理单元503具体用于：
统计在第k阶段新增加断开负载的电源节点以及在第k阶段级联故障分支数量；
依据预设计算公式计算从第k个阶段积累的负荷损失值以及从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
进一步的，所述第四处理单元504具体用于：
由路由故障引发的级联过程造成的影响值即目标值。
所述考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化装置包括处理器和存储器，上述第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数以降低CPS系统连锁故障风险，提高电力CPS系统生存性。
本申请实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法。
本申请实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法。
本申请实施例提供了一种电子设备，如图6所示，该电子设备60包括至少一个处理器601、以及与所述处理器连接的至少一个存储器602、总线603；其中，所述处理器601、所述存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述的所述考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法。
本文中的电子设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：
获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；
根据预设计算规则计算双路由故障概率；
依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；
以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。
进一步的，所述根据预设计算规则计算双路由故障概率，具体为：
使用k最短路径算法计算终端节点到控制中心的k条路径，最短路径作为主路径，其余路径均可作为备份路径；
设定路由器自身节点故障概率和因保护机制而导致的故障的两种故障方式参数；
按照所述预设计算规则分别计算源节点s到目的节点t的主路由和备份路由未故障概率、由于自身故障导致的双路由故障概率、因保护机制而导致的故障概率以及从源节点s到目的节点t双路由的故障概率。
进一步的，所述依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，具体为：
统计在第k阶段新增加断开负载的电源节点以及在第k阶段级联故障分支数量；
依据预设计算公式计算从第k个阶段积累的负荷损失值以及从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
进一步的，所述以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出，具体为：
由路由故障引发的级联过程造成的影响值即目标值。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备(系统)、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。
在一个典型的配置中，设备包括一个或多个处理器(CPU)、存储器和总线。设备还可以包括输入/输出接口、网络接口等。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，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。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法，其特征在于，包括：
获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；
根据预设计算规则计算双路由故障概率；
依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；
以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设计算规则计算双路由故障概率，具体为：
使用k最短路径算法计算终端节点到控制中心的k条路径，最短路径作为主路径，其余路径均可作为备份路径；
设定路由器自身节点故障概率和因保护机制而导致的故障的两种故障方式参数；
按照所述预设计算规则分别计算源节点s到目的节点t的主路由和备份路由未故障概率、由于自身故障导致的双路由故障概率、因保护机制而导致的故障概率以及从源节点s到目的节点t双路由的故障概率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，具体为：
统计在第k阶段新增加断开负载的电源节点以及在第k阶段级联故障分支数量；
依据预设计算公式计算从第k个阶段积累的负荷损失值以及从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出，具体为：
由路由故障引发的级联过程造成的影响值即目标值。
5.一种考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化装置，其特征在于，包括：
第一处理单元，用于获取初始化网络拓扑参数，所述网络拓扑参数包括设定电网与通信网的耦合关系，并随机建立电力网与通信网之间的供电关系；
第二处理单元，用于根据预设计算规则计算双路由故障概率；
第三处理单元，用于依据预设计算公式计算通信路由故障导致的负荷损失，其中，在计算级联故障过程中每一阶段的负荷损失，以级联总的负荷损失为通信路由故障导致的负荷损失；
第四处理单元，用于以最小化由初始路由故障引发的影响，确定最优路由集并输出。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元具体用于：
使用k最短路径算法计算终端节点到控制中心的k条路径，最短路径作为主路径，其余路径均可作为备份路径；
设定路由器自身节点故障概率和因保护机制而导致的故障的两种故障方式参数；
按照所述预设计算规则分别计算源节点s到目的节点t的主路由和备份路由未故障概率、由于自身故障导致的双路由故障概率、因保护机制而导致的故障概率以及从源节点s到目的节点t双路由的故障概率。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三处理单元具体用于：
统计在第k阶段新增加断开负载的电源节点以及在第k阶段级联故障分支数量；
依据预设计算公式计算从第k个阶段积累的负荷损失值以及从源节点s到目的节点t的双路由的负荷损失。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第四处理单元具体用于：
由路由故障引发的级联过程造成的影响值即目标值。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至4中任一项所述的考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括至少一个处理器、以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行如权利要求1至4中任一项所述的考虑信息物理融合特性的电力通信网路由优化方法。
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