一种考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性评估方法与流程

本发明涉及配电技术领域，具体涉及一种考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性评估方法。

背景技术：

随着信息技术的不断引入，有源配电网的迅速发展，配电网已成为集物理、信息通信技术于一体的复杂信息物理系统。尤其近年来极端外部灾害以及信息系统受攻击现象频繁出现，对考虑信息系统作用的有源配电网进行多视角的协同脆弱性评估显得尤为重要。

目前，电网的脆弱性评估方法：在分析灾害条件下配电网故障概率时有的仅考虑物理系统元件，未考虑信息系统元件的故障概率，而且大多数未考虑灾害时期物理信息元件全寿命周期内承受外部环境多时间尺度的协同影响，概率预测不够准确；在建立配电网拓扑结构模型时有的仅考虑配电网自身的确定性拓扑模型，并未考虑灾害条件下外部灾害的随机性影响；有的在分析有源配电网各脆弱性指标时未考虑信息系统在源网荷各重要环节对有源配电网脆弱性的影响，使得评估结果过于片面，不够贴合实际；有的在考虑配电网脆弱性指标时仅应用复杂网络理论和风险效应理论对配电网的网架结构和运行状态进行分析，没有考虑到实际有源配电网与信息系统之间的协同作用以及网架结构和运行状态之间的协同作用，导致评估结果不够全面；目前配电网的脆弱性指标多从单一部分进行考虑，未从空间尺度上对区域以及全局的配电网脆弱性进行评估，不足以为配电网风险预警提供依据。

因此，从信息物理系统与外部灾害对配电网影响、有源配电网与信息系统源网荷互动、复杂网络理论、协同效应理论与风险效用理论研究的多视角下，对网架结构与运行状态、信息与物理系统协同作用的配电网进行协同脆弱性评估，有助于提高配电网的供电可靠性、预防大停电事故发生，从而保障配电网的安全稳定运行。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种基于全景信息且综合考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性评估方法。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于考虑信息系统作用的有源配电网的全景信息，确定灾害条件下多时间尺度协同影响信息物理元件的故障概率，所述全景信息包括但不限于地理信息、外部环境信息、电网营配调信息和风险与故障信息；

步骤2：建立有源配电网与外部灾害的确定性-随机性拓扑结构组合模型，所述确定性-随机性拓扑结构组合模型为：

g＝(n,l)

其中，g为配电网络经过简化处理后具有n个节点、l条边的无向、有权稀疏图，w0为配电网连接权矩阵，矩阵元wij为节点i与节点j间传输线的电抗标幺值，1≤i,j≤n，wi'j为考虑了灾害随机性影响的节点i与节点j间传输线的电抗标幺值；dh为相应类型灾害对配电网的影响系数，k为考虑了单一灾害和多灾害聚合情况的灾害类型数目，wu为配电网与外部灾害的确定性-随机性连接权矩阵，μ为保证确定性-随机性连接权矩阵物理特性的修正系数；

步骤3：在配电网与外部灾害的确定性-随机性拓扑结构组合模型基础上，利用复杂网络理论特性找出考虑信息系统作用的有源配电网系统脆弱源，同时考虑不同通信网络结构和冗余程度对信息系统的影响，并分别模拟该系统中物理、信息脆弱源相关元件的故障情况；

步骤4：考虑信息系统作用对有源配电网元件的影响，结合灾害条件下多时间尺度影响的信息物理元件故障概率，得到基于功能组的故障概率，并对进行基于功能组分解的连锁故障辨识；

步骤5：利用风险效用理论对源网荷互动模式下各种运行状态和网架结构进行评估，其中电源侧包括：分布式电源并网率、应急电源、ups应用率和母线脆弱度；配电网络侧包括：节点脆弱度、电压越限风险和平衡度指标；负荷侧包括：失负荷风险、过负荷风险和负荷供电效率；

步骤6：利用协同效应理论评估考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性，建立空间尺度上的局部脆弱性指标、区域脆弱性指标和全局脆弱性指标体系。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明针对配电网外部灾害出现的随机性，建立了配电网与外部灾害的确定性-随机性拓扑结构模型,使分析结果更符合灾害条件下配电网的运行情况；

(2)本发明综合了信息与物理元件在长期历史灾害记录中的情况、短期内设备运行时限及抵抗灾害能力系数情况和当前未发生灾害时元件运行故障的情况，基于系统的全景信息，确定灾害条件下多时间尺度协同影响的信息物理元件故障概率，使元件故障概率预测更准确；同时考虑到信息系统对配电网的作用，建立考虑信息系统作用的有源配电网功能组故障概率模型，更充分的反映了目前信息物理系统融合的特点；

(3)本发明在对有源配电网的源网荷互动模式下各种运行状态和网架结构进行评估时，将信息系统中监控主机、交换机和区域控制单元的影响也考虑进来，建立有源配电网与信息系统融合的源网荷互动模式下的脆弱性评估体系，从多角度对考虑信息系统作用的有源配电网进行分析，同时将信息与配电网络之间的协同作用反映出来，具有很重要的实用价值；

(4)本发明针对有源配电网局部供电特性和功率传输效率，并基于配电网与外部灾害的确定性-随机性连接权矩阵，提出有功功率平衡度指标和负荷供电效率指标，较好的克服以往从单一角度物理角度去评估配电网脆弱性的弊端，提高了辨识精度与辨识效果；

(5)本发明引入有源配电网与结构有关的脆弱性指标和与信息系统有关的脆弱性指标，并基于上述指标利用协同效应理论评估考虑信息系统作用的有源配电网的协同脆弱性，更好的分析配电网网架结构与运行状态、信息系统与物理系统协同作用的影响，提高了配电网运行的可靠性和准确度；同时建立空间尺度上的局部协同脆弱性指标、区域协同脆弱性指标和全局协同脆弱性指标体系，更全面、具体的评估有源配电网的脆弱性，对配电网的安全可靠运行提供了依据，对预防大停电事故发生起着重要的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性评估流程图；

图2本发明考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性评估研究框图；

图3本发明预测灾害条件下信息物理元件多时间尺度下影响的故障概率图；

图4本发明信息物理系统相互作用模型图；

图5本发明信息物理系统功能组故障概率图；

图6本发明有源配电网源网荷互动模式下的脆弱性体系图。

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、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明从信息物理系统与外部灾害对配电网影响、有源配电网与信息系统源网荷互动、复杂网络理论、协同效应理论与风险效用理论研究的多视角下，对网架结构与运行状态、信息与物理系统协同作用的配电网进行协同脆弱性评估，其研究过程如图2所示。

本发明公开了一种考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性评估方法，如图1所示，其包括以下步骤：

步骤1：基于考虑信息系统作用的有源配电网的全景信息，确定灾害条件下多时间尺度协同影响信息物理元件的故障概率，所述全景信息包括但不限于地理信息、外部环境信息、电网营配调信息和风险与故障信息，如图3所示，其包括以下步骤：

步骤1.1：综合考虑孕灾环境，致灾因子和承载体的相互作用，分别得到信息元件和物理元件的长期历史灾害记录中的元件情况，短期内电力设备运行时限及抵抗灾害能力系数和当前未发生灾害状态下的元件运行故障概率。

作为本发明的优选实施方式，孕灾环境不仅包括电网应灾能力、灾害数据、物理设备参数，还包括信息设备的相关参数；致灾因子不仅考虑灾害类型、频次、强度，还考虑信息系统的攻击情况，这里的外部灾害不再局限于外部自然灾害，还将信息、网络的失效与蓄意攻击考虑进来，同时承灾体也包括通信设备和信息处理设备的情况，从全方位对考虑信息系统作用的有源配电网的全景信息进行分析。

步骤1.2：根据气象灾害预测模型和全景信息，计算考虑了长期、短期和未发生灾害时期信息与物理元件全寿命周期内承受外部灾害影响的概率分布参数，从而得到元件在灾害条件下的停运概率，用以定量分析灾害造成的影响。

作为本发明的优选实施方式，综合了长期、短期和未发生灾害时期信息与物理元件全寿命周期内承受外部灾害影响，目前大多是对物理元件进行故障预测，而且仅局限于未发生灾害时期元件的预测故障概率。这里不仅考虑了长期、短期和和未发生灾害时期元件全寿命周期内的设备运行情况，还考虑了信息系统元件的情况，使元件故障概率预测结果更准确更贴合实际。

步骤2：建立有源配电网与外部灾害的确定性-随机性拓扑结构组合模型。作为本发明的优选实施方式，首先将有源配电网络经过简化处理，得到具有n个节点，l条边的无向、有权稀疏图g，即：

g＝(n,l)

定义初始配电网连接权矩阵w0，其矩阵元wij为节点i与节点j间传输线的电抗标幺值，其中1≤i,j≤n

考虑单一灾害和多灾害聚合对配电网的随机性影响，此时矩阵元wi'j为考虑了灾害随机性影响的矩阵元，为

为保证确定性-随机性连接权矩阵物理特性引入修正系数μ，得到配电网与外部灾害的确定性-随机性连接权矩阵wu

步骤3：在配电网与外部灾害的确定性-随机性拓扑结构组合模型基础上，利用复杂网络理论特性找出考虑信息系统作用的有源配电网系统脆弱源，同时考虑不同通信网络结构和冗余程度对信息系统的影响，并分别模拟该系统中物理、信息脆弱源相关元件的故障情况。

作为本发明的优选实施方式，首先利用复杂网络理论中的节点脆弱度和线路改进介数等数据查找物理系统的脆弱源；然后并根据不同网络通信结构，比如：星型，总线型，环形灯拓扑结构模型以及其自身的冗余配置情况，同样根据复杂网络理论对节点脆弱度和线路介数进行计算，查找出信息系统的脆弱源，为下面对物理信息系统的脆弱源进行模拟提供数据支撑。

步骤4：考虑信息系统作用对有源配电网元件的影响，结合灾害条件下多时间尺度影响的信息物理元件故障概率，得到基于功能组的故障概率，并对进行基于功能组分解的连锁故障辨识，如图5所示，其具体步骤包括：

步骤4.1：根据信息物理元件的原始信息，通过非序贯蒙特卡罗抽样，得到信息系统功能状态和一次系统元件状态；

步骤4.2：如图4所示的信息-电力作用关系，若不存在则求取一次元件功能组故障概率；在本实施方式中，功能组由受保护的元件组成，如线路、变压器负荷出线等，断路器和分闸状态的刀闸构成功能组的接口元件，每个功能组的故障概率即一阶多重故障率等于该功能组内至少一个元件发生故障的概率

式中：gi表示功能组i；pk为元件k的故障率。

步骤4.3：若存在信息-电力作用关系，则求取考虑信息系统作用后的元件功能组故障概率在本实施方式中，信息元件的可用率可以根据实际系统中操作、保护、控制等功能进行定义。

式中，a'k为考虑信息系统功能作用后元件的可用率，ak为不考虑信息系统功能作用的元件可用率，为信息元件功能的综合可用率。在本实施方式中，信息元件的可用率可以根据实际系统中操作、保护、控制等功能进行定义。

步骤4.4：通过以上分析得到考虑信息系统作用的有源配电网功能组故障概率并根据n-k故障路径搜索模型求得故障路径的故障概率，

在本实施方式中，考虑了信息系统对配电网的作用，充分的反映了目前信息物理系统融合的特点。

步骤5：利用风险效用理论对源网荷互动模式下各种运行状态和网架结构进行评估，其中电源侧包括：分布式电源并网率、应急电源、ups应用率和母线脆弱度；配电网络侧包括：节点脆弱度、电压越限风险和平衡度指标；负荷侧包括：失负荷风险、过负荷风险和负荷供电效率。

作为本发明的优选实施方式，在对有源配电网的源网荷互动模式下各种运行状态和网架结构进行评估时，将信息系统中监控主机、交换机和区域控制单元的影响也考虑进来，建立有源配电网与信息系统融合的源网荷互动模式下的脆弱性评估体系，从多角度对考虑信息系统作用的有源配电网进行分析，具有很重要的实用价值。

其具体步骤包括：

步骤5.1：对考虑信息系统作用的有源配电网的源网荷互动模式下各种运行状态和网架结构进行评估，如图6为有源配电网荷互动模式下的脆弱性体系，其中

电源侧脆弱性指标分析包括：分布式电源并网率、应急电源、ups应用率、母线脆弱度和监控主机功能可用率指标；

配电网络侧综合风险脆弱性指标包括：节点脆弱度、电压越限风险、平衡度指标和交换机可用率指标；

负荷侧脆弱性指标包括：失负荷风险、过负荷风险、负荷供电效率和区域控制单元可用率；

步骤5.2：利用复杂网络理论评估有源配电网的结构脆弱性，评估指标包括：节点脆弱度、母线脆弱度；

利用风险效用理论评估功能组单项风险的严重度，其中评估指标包括：电压越限风险、失负荷风险、过负荷风险；

步骤5.3：基于配电网与外部灾害的确定性-随机性连接权矩阵，并针对多源配电网局部供电可以减小大电源通过远距离线路传输到负荷的有功功率的显著特点，定义全网有功功率平衡度为：

其中，w'ij为考虑了灾害随机性影响的矩阵元，pl为线路传输的有功功率；是整个有源配电网有功功率在传输距离上的均衡度,越小说明远距离、大容量传输的有功功率越少,越有利于实现全网有功的均匀分布。

步骤5.4：根据有源配电网的功率传输效率，既要考虑发电容量，也要计及发电机对负荷的影响效果随距离增大而迅速衰减，从而定义负荷节点i的负荷供电效率为：

式中：dij(i∈vd,j∈vg)为基于确定性-随机性拓扑结构组合模型的负荷节点i与发电节点j之间的最短电气路径，vd为负荷节点数，vg为发电机节点数，pdi为负荷节点i的有功负荷量，pgj为发电节点j的有功装机容量；

步骤5.5：求取与有源配电网系统结构有关的脆弱性指标α(li)，考虑到节点重要度和线路改进介数指标与配电网系统结构密切相关，为了更好的评估配电网在网架结构方面的脆弱性，所以引入与有源配电网结构相关的脆弱性指标α(li)，

式中：为第i个节点的重要度，mi为第i个节点的节点度数，pi为第i个节点的注入功率特性，k1、k2为权重，且k1+k2＝1，sbase为系统基准功率；b(m,n)＝max(b(m,i),b(j,n))为线路的改进介数，(m,i)、(j,n)分别为所有与节点m和节点n相连的线路；表示功能组个数；max{ii·b(m,n)}为功能组中最高的结构脆弱度，α、β为权重，且α+β＝1。

步骤5.6：求取与信息系统有关的脆弱性指标δ(li)，为了更好的评估配电网在信息系统方面的脆弱性，引入与有源配电网信息系统有关的脆弱性指标δ(li)，

δ(li)＝afz×afj×afq

式中：afz为监控主机的功能可用率，afj为交换机的功能可用率，afq为区域控制单元的功能可用率。

步骤6：利用协同效应理论评估考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性，建立空间尺度上的局部脆弱性指标、区域脆弱性指标和全局脆弱性指标体系，其具体步骤包括：

步骤6.1：利用协同效应理论评估考虑信息系统作用的有源配电网多视角协同脆弱性，根据系统结构和状态之间、信息与物理系统之间的协同效应，建立考虑信息系统作用的有源配电网协同脆弱性评估模型：

vxti＝vxyi+vxwi＝α(li)r(xt,f)γ+α(li)δ(li)η

式中：vxyi为系统结构与运行状态协同脆弱性指数；vxwi为信息与物理系统协同脆弱性指标；vxti为考虑了系统结构与运行状态协同、信息与物理系统协同的脆弱性指数；α(li)为与系统结构有关的脆弱性指数；r(xt,f)为主要与系统运行状态有关的风险指标，xt,f为时间t的运行方式，pr(ri)为第i个不确定性扰动ri发生的可能性，是在ri扰动下系统损失的严重程度，wi为相应指标的故障损失值；γ为结构与状态的关联因子，取为γ＝p/pmax，p为实时功率，pmax为线路最大传输功率；η为信息与物理的关联因子，取为有源配电网的信息化配置程度。

在本实施方式中，系统结构与运行状态之间、都是相互关联，存在协同效应的，系统满载运行时协同效应最强，因此根据系统结构和状态之间、信息与物理系统之间的这种协同效应，提出考虑信息系统作用的有源配电网协同脆弱性评估模型。

步骤6.2：建立空间尺度上的局部协同脆弱性指标、区域协同脆弱性指标和全局协同脆弱性指标体系。本实施方式中，局部协同脆弱性指标vlocal主要体现有源配电网对负荷的局部支撑作用，区域协同脆弱性指标varea主要体现某一制定区域内的脆弱度，全局区域脆弱度指标vtotal主要从整体上评估考虑信息系统作用的有源配电网的脆弱性，其中

式中：vxti为考虑信息系统作用的有源配电网协同脆弱度指标；nd为负荷节点总数；ei为节点i的负荷供电效率；m为电网节点的总数；λl为故障路径的脆弱度指标；k1、k2为权重，且k1+k2＝1；nl为故障路径经过的节点数目；λlj为故障路径中各节点的脆弱度指标，max{λlj}为故障路径上最高的节点脆弱度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。