本發(fā)明公開了一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法，屬于電力系統(tǒng)安全可靠性防護技術領域。

背景

近年來，國內外電力系統(tǒng)頻繁發(fā)生連鎖故障，由此引起的重大停電事故給人類生產生活帶來了嚴重影響。因此，如何提高電力系統(tǒng)的魯棒性，從而抑制連鎖故障大規(guī)模蔓延具有十分重要的意義。

目前電網連鎖故障的研究理論和方法有很多，一些學者嘗試著從復雜系統(tǒng)理論中尋找新的方法、模型和分析工具。目前，連鎖故障分析的主要方向為基于故障節(jié)點負載的轉移或切除的連鎖故障模型，如opa(oakridgenationallaboratory，powersystemsengineeringresearch，universityofalaska)模型、隱性故障模型、cascade模型及manchester模型。上述電力系統(tǒng)連鎖故障的建模和分析只針對電力系統(tǒng)本身而言的。

隨著智能電網的不斷發(fā)展，電力信息系統(tǒng)與電力物理系統(tǒng)的相互耦合與影響也日趨深厚。因此針對電力物理系統(tǒng)與信息網的相互影響進行研究，建立考慮電力物理系統(tǒng)與信息網絡連鎖故障模型及抑制方法，對指導電力信息物理系統(tǒng)耦合網絡的規(guī)劃建設尤為重要?，F有研究中根據電網信息物理系統(tǒng)中網絡間的耦合關系及內在相似策略，研究了不同類型信息網絡對連鎖故障的影響，但沒有考慮信息網絡節(jié)點故障使調度中心由于信息的缺失，失去部分電力物理系統(tǒng)拓撲信息，根據偽全局信息對實際系統(tǒng)進行調度。同時也沒有涉及耦合系統(tǒng)中電力物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)傳輸中的雙隱性故障的問題。

本

技術實現要素：

為了解決現有方法存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法。

本發(fā)明解決上述問題的技術方案是：通過考慮信息網絡節(jié)點故障后的信息孤島現象對電力調度的影響，并結合耦合網絡之間的內在相似性關系，建立了耦合的電力信息物理連鎖故障影響模型；根據模型得到了不同信息網絡的節(jié)點故障概率下信息網絡拓撲構建方法，并提出了對應的信息物理網絡耦合方式，從而進行合理規(guī)劃，有效降低大停電風險。

為了實現上述目的，本發(fā)明采取以下的技術方案來實現：

步驟1：建立電力物理網與信息網耦合拓撲網絡模型；

步驟2：電力信息物理系統(tǒng)由初始故障引發(fā)連鎖故障，并進行故障信息傳遞；

步驟3：電力系統(tǒng)調度中心對故障信息處理；

步驟4：連鎖故障仿真結束，輸出負荷損失。

上述的一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法，所述步驟1具體包括：

1-1：建立電力網絡與信息網絡拓撲模型：因為實際電力系統(tǒng)中信息網絡主要符合無標度網絡和小世界網絡，所以本發(fā)明信息網絡考慮上述兩種網絡結構，將實際電力物理網絡抽象成一個包含np個節(jié)點、kp條線路的電力復雜網絡，節(jié)點包括發(fā)電廠和變電站，輸電線、變壓器支路為電網拓撲中的邊，將信息網絡等效成一個包含nc個節(jié)點、kc條線路的信息復雜網絡，節(jié)點包括各廠站(包括發(fā)電廠、變電站、換流站)的通信節(jié)點和調度中心，其中度數最大的節(jié)點作為調度中心，站點之間的通信線路是通信網的邊；

1-2：電力信息物理網絡耦合關系初始化：對電力網絡中的物理節(jié)點進行編號，根據網絡間內在相似性策略，電力物理節(jié)點與信息網絡節(jié)點一一對應；

電力物理節(jié)點與信息節(jié)點的一一對應關系為耦合網絡之間“度數-度數”、“介數-度數”的內在相似性關系：當電力物理網絡與無標度結構的信息網絡耦合時，耦合網絡間的內在相似性關系為“度數-度數”，即計算電力物理網絡與信息網絡中每個節(jié)點度，分別按照度數從小到大排列并一一對應；當電力物理網絡與小世界結構的信息網絡耦合時，耦合網絡間的內在相似性關系為“介數-度數”，即計算電力物理網絡每個節(jié)點介數并由小到大排序，計算信息網絡每個節(jié)點度數并由小到大排序，兩個網絡節(jié)點依據排序一一對應。

上述的一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法，所述步驟2具體包括：

2-1：當時間t＝0時，故障初始化：電力網絡中一條輸電線路故障切除，與該電力線路相連節(jié)點的相關信息節(jié)點產生線路故障信息；

2-2：電力系統(tǒng)保護裝置隱性故障判斷：若存在隱性故障則相應信息節(jié)點上產生線路故障信息；若不存在，則進入下一步；

其中電力系統(tǒng)保護裝置隱性故障如式(1)所示：

pi為第i條線路保護發(fā)生隱性故障的概率；ph為保護隱性故障概率；fi為線路有功潮流；filimit為第i條線路有功潮流最大限值；pri為繼電保護正確動作概率。

2-3：更新電力網絡拓撲結構，判斷是否生成電網孤島，若存在電網孤島，生成電網孤島信息，若無，進行下一步；

2-4：信息網絡節(jié)點故障：在信息網絡中，電力線路故障對應的信息節(jié)點以概率p(0≤p≤1)斷開，信息網絡安全穩(wěn)定控制裝置隱性故障判斷；

安全穩(wěn)定控制裝置隱性故障具體如下：安全穩(wěn)定控制裝置是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第二道防線，安全穩(wěn)定控制裝置的隱性故障主要出現在測量、策略、定值、通信和表決模式5個環(huán)節(jié)，此處假設安全穩(wěn)定控制裝置的隱性故障概率為pc(0≤pc≤1)。

2-5：更新信息網絡拓撲結構：確定信息網拓撲結構，確定與調度中心斷開的孤立通信網絡節(jié)點，若信息網中產生孤島，則調度中心無法獲取信息孤島內對應的電力網節(jié)點信息，此時調度中心掌握的電力網拓撲結構為有信息缺失的gd，而實際的電力網拓撲結構為gr；

2-6：以網絡gr計算實際電力網絡潮流，確定是否存在線路越限，若不存在，退出連鎖故障仿真；否則，計算潮流越限線路過電流反時限保護動作時間，并進入下一步；

過電流反時限動作特性曲線擬合式如公式(2)所示：

式中，tij為動作時間；iij為過載線路的實時電流；isetij為過載線路的額定最大電流；k為比例系數，本發(fā)明k＝7；α為常數，本發(fā)明α＝0.3。

2-7：時間t＝t+1，將生成的故障信息在信息網絡按照路由協(xié)議完成一次故障信息傳遞；

故障信息傳遞具體為：由源節(jié)點產生信息，在一個傳輸步長內以概率pj在源節(jié)點的鄰居節(jié)點內選擇一個節(jié)點，源節(jié)點信息傳輸到選中節(jié)點，再將該節(jié)點作為新的源節(jié)點并在下一個傳輸步長內重復上述過程，直至調度中心節(jié)點收到信息；若開始源節(jié)點的鄰居節(jié)點內包含調度中心節(jié)點，則直接將信息傳輸至調度中心，線路兩端節(jié)點編號較大的節(jié)點產生線路的故障信息并進行傳輸。

其中所述信息網絡路由協(xié)議如式(3)所示：

hj＝hddj+(1-hd)cj(3)

假設li為源節(jié)點i鄰居節(jié)點集合，節(jié)點j∈li；其中，hj為源節(jié)點j到目標節(jié)點(調度中心節(jié)點)的有效距離；dj為源節(jié)點j到目標節(jié)點的最短距離；cj為節(jié)點j的等待傳輸的信息隊列長度；hd為路由策略控制系數，當存在隊列長度時hd＝0，無隊列長度存在時hd＝1。

故障信息傳遞中，鄰居節(jié)點j被選擇為新的源節(jié)點概率定義如式(4)：

pj為節(jié)點j被選為新的源節(jié)點的概率；β為路由概率控制系數，β＞0，hm為源節(jié)點m到目標節(jié)點(調度中心節(jié)點)的有效距離。

2-8：確定是否存在動作時限小于t的線路，如果存在，過負荷保護動作，切除相應線路，同時在相應信息節(jié)點上產生線路故障信息，返回步驟2-7；若不存在過負荷保護動作，進入下一步；

上述的一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法，所述步驟3具體包括：

3-1：確定調度中心判斷收到的信息是否含有故障信息：若收到的信息含有故障信息，則調度中心依據網絡gd進行優(yōu)化調度與電網孤島平衡處理，并得到優(yōu)化后電網中每個節(jié)點的注入功率；若故障信息在孤島內，由于信息孤島的存在，收到的信息不含有故障信息，則進入步驟3-3；

調度中心以最小切負荷量為目標的最優(yōu)潮流計算對gd拓撲各個孤島進行優(yōu)化調度，依據發(fā)電容量與負荷的差值得到負荷損失。

3-2：調度中心根據優(yōu)化后gd電網中各個節(jié)點的注入功率，重新計算實際電力網絡gr中的潮流；

3-3：判斷電網是否優(yōu)化成功，所有電網孤島是否處理，如果是，進入步驟4；否則，斷開故障線路，返回步驟2-2。

本發(fā)明基于信息網絡節(jié)點故障后的信息孤島現象對電力調度的影響并結合耦合網絡之間“度數-度數”、“介數-度數”的內在相似性關系，建立了耦合的信息物理連鎖故障影響模型。

本發(fā)明具有如下技術效果：1、綜合考慮信息網絡節(jié)點故障使調度中心由于信息的缺失，失去部分電力物理系統(tǒng)拓撲信息，調度中心根據偽全局信息對實際系統(tǒng)進行調度的連鎖故障影響；2、考慮電力系統(tǒng)保護裝置隱性故障和信息網絡安全控制裝置隱性故障的雙隱性故障，更加符合電力系統(tǒng)實際需要；3、得出信息網絡節(jié)點在不同故障率下，電力信息網絡不同的拓撲結構對于電力系統(tǒng)連鎖故障大停電的影響；4、根據模型提出了不同信息網絡的節(jié)點故障概率下信息網絡拓撲構建方法，對降低智能電網大停電風險及負荷損失具有意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

圖2為實施例ieee118節(jié)點測試系統(tǒng)拓撲圖。

圖3為信息網節(jié)點故障概率0時損失負荷圖。

圖4為信息網節(jié)點故障概率0.15時損失負荷圖。

圖5為信息網節(jié)點故障概率0.45時損失負荷圖。

圖6為信息網節(jié)點故障概率0.6時損失負荷圖。

圖7為信息網節(jié)點故障概率0.7時損失負荷圖。

圖8為信息網節(jié)點故障概率0.25時損失負荷圖。

圖9為信息網節(jié)點故障概率0.35時損失負荷圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示的ieee118節(jié)點一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法的具體步驟如下：

步驟1：建立電力物理網與信息網耦合拓撲網絡模型；

步驟2：電力信息物理系統(tǒng)由初始故障引發(fā)連鎖故障，并進行故障信息傳遞；

步驟3：電力系統(tǒng)調度中心對故障信息處理；

步驟4：連鎖故障仿真結束，輸出負荷損失。

上述的一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法，所述步驟1具體包括：

1-1：建立電力網絡與信息網絡拓撲模型：因為實際電力系統(tǒng)中信息網絡主要符合無標度網絡和小世界網絡，所以本發(fā)明信息網絡考慮上述兩種網絡結構，將實際電力物理網絡抽象成一個包含np個節(jié)點、kp條線路的電力復雜網絡，節(jié)點包括發(fā)電廠和變電站，輸電線、變壓器支路為電網拓撲中的邊，將信息網絡等效成一個包含nc個節(jié)點、kc條線路的信息復雜網絡，節(jié)點包括各廠站(包括發(fā)電廠、變電站、換流站)的通信節(jié)點和調度中心，其中度數最大的節(jié)點作為調度中心，站點之間的通信線路是通信網的邊；

1-2：電力信息物理網絡耦合關系初始化：對電力網絡中的物理節(jié)點進行編號，根據網絡間內在相似性策略，電力物理節(jié)點與信息網絡節(jié)點一一對應；

電力物理節(jié)點與信息節(jié)點的一一對應關系為耦合網絡之間“度數-度數”、“介數-度數”的內在相似性關系：當電力物理網絡與無標度結構的信息網絡耦合時，耦合網絡間的內在相似性關系為“度數-度數”，即計算電力物理網絡與信息網絡中每個節(jié)點度，分別按照度數從小到大排列并一一對應；當電力物理網絡與小世界結構的信息網絡耦合時，耦合網絡間的內在相似性關系為“介數-度數”，即計算電力物理網絡每個節(jié)點介數并由小到大排序，計算信息網絡每個節(jié)點度數并由小到大排序，兩個網絡節(jié)點依據排序一一對應。

上述的一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法，所述步驟2具體包括：

2-1：當時間t＝0時，故障初始化：電力網絡中一條輸電線路故障切除，與該電力線路相連節(jié)點的相關信息節(jié)點產生線路故障信息；

2-2：電力系統(tǒng)保護裝置隱性故障判斷：若存在隱性故障則相應信息節(jié)點上產生線路故障信息；若不存在，則進入下一步；

其中電力系統(tǒng)保護裝置隱性故障如式(1)所示：

pi為第i條線路保護發(fā)生隱性故障的概率；ph為保護隱性故障概率；fi為線路有功潮流；filimit為第i條線路有功潮流最大限值；pri為繼電保護正確動作概率。

2-3：更新電力網絡拓撲結構，判斷是否生成電網孤島，若存在電網孤島，生成電網孤島信息，若無，進行下一步；

2-4：信息網絡節(jié)點故障：在信息網絡中，電力線路故障對應的信息節(jié)點以概率p(0≤p≤1)斷開，信息網絡安全穩(wěn)定控制裝置隱性故障判斷；

安全穩(wěn)定控制裝置隱性故障具體如下：安全穩(wěn)定控制裝置是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第二道防線，安全穩(wěn)定控制裝置的隱性故障主要出現在測量、策略、定值、通信和表決模式5個環(huán)節(jié)，此處假設安全穩(wěn)定控制裝置的隱性故障概率為pc＝0.98。

2-5：更新信息網絡拓撲結構：確定信息網拓撲結構，確定與調度中心斷開的孤立通信網絡節(jié)點，若信息網中產生孤島，則調度中心無法獲取信息孤島內對應的電力網節(jié)點信息，此時調度中心掌握的電力網拓撲結構為有信息缺失的gd，而實際的電力網拓撲結構為gr；

2-6：以網絡gr計算實際電力網絡潮流，確定是否存在線路越限，若不存在，退出連鎖故障仿真；否則，計算潮流越限線路的過電流反時限保護動作時間，并進入下一步；

過電流反時限動作特性曲線擬合式如公式(2)所示：

式中，tij為動作時間；iij為過載線路的實時電流；isetij為過載線路的額定最大電流；k為比例系數，本發(fā)明k＝7；α為常數，本發(fā)明α＝0.3。

2-7：時間t＝t+1，將生成的故障信息在信息網絡按照路由協(xié)議完成一次故障信息傳遞；

故障信息傳遞具體為：由源節(jié)點產生信息，在一個傳輸步長內以概率pj在源節(jié)點的鄰居節(jié)點內選擇一個節(jié)點，源節(jié)點信息傳輸到選中節(jié)點，再將該節(jié)點作為新的源節(jié)點并在下一個傳輸步長內重復上述過程，直至調度中心節(jié)點收到信息；若開始源節(jié)點的鄰居節(jié)點內包含調度中心節(jié)點，則直接將信息傳輸至調度中心，線路兩端節(jié)點編號較大的節(jié)點產生線路的故障信息并進行傳輸。

其中所述信息網絡路由協(xié)議如式(3)所示：

hj＝hddj+(1-hd)cj(3)

假設li為源節(jié)點i鄰居節(jié)點集合，節(jié)點j∈li；其中，hj為源節(jié)點j到目標節(jié)點(調度中心節(jié)點)的有效距離；dj為源節(jié)點j到目標節(jié)點的最短距離；cj為節(jié)點j的等待傳輸的信息隊列長度；hd＝0.75為路由策略控制系數，當存在隊列長度時hd＝0，無隊列長度存在時hd＝1。

故障信息傳遞中，鄰居節(jié)點j被選擇為新的源節(jié)點概率定義如式(4)：

pj為節(jié)點j被選為新的源節(jié)點的概率；β為路由概率控制系數，β＞0，hm為源節(jié)點m到目標節(jié)點(調度中心節(jié)點)的有效距離。

2-8：確定是否存在動作時限小于t的線路，如果存在，過負荷保護動作，切除相應線路，同時在相應信息節(jié)點上產生線路故障信息，返回步驟2-7；若不存在過負荷保護動作，進入下一步；

上述的一種降低電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障風險的方法，所述步驟3具體包括：

3-1：確定調度中心判斷收到的信息是否含有故障信息：若收到的信息含有故障信息，則調度中心依據網絡gd進行優(yōu)化調度與電網孤島平衡處理，并得到優(yōu)化后電網中每個節(jié)點的注入功率；若故障信息在孤島內，由于信息孤島的存在，收到的信息不含有故障信息，則進入步驟3-3；

調度中心以最小切負荷量為目標的最優(yōu)潮流計算對gd拓撲各個孤島進行優(yōu)化調度，依據發(fā)電容量與負荷的差值得到負荷損失。

3-2：調度中心根據優(yōu)化后gd電網中各個節(jié)點的注入功率，重新計算實際電力網絡gr中的潮流；

3-3：判斷電網是否優(yōu)化成功，所有電網孤島是否處理，如果是，進入步驟4；否則，斷開故障線路，返回步驟2-2。

本發(fā)明以圖2所示ieee-118節(jié)點系統(tǒng)為例，研究信息網絡節(jié)點故障時，不同信息網絡拓撲的方法對電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障的影響。

當信息網節(jié)點故障率小于0.25時，得到故障概率為0、0.15時得到的不同網絡結構下?lián)p失負荷情況如圖3、圖4所示。此時信息網絡中節(jié)點故障概率較低，不容易形成信息孤島。信息網絡中特征路徑長度大小體現了調度中心與信息節(jié)點之間的距離，越小的距離越有利于信息的傳遞。相對于小世界網絡結構的信息網絡，無標度結構的信息網絡的特征路徑長度更短，更加有利于信息傳輸到調度中心，使調度中心及時進行優(yōu)化調度抑制連鎖故障的規(guī)模。因此故障概率小于0.25時，降低電力系統(tǒng)連鎖故障規(guī)模的主要因素為信息是否及時傳輸到調度中心并得到優(yōu)化，電力物理網絡與無標度結構的信息網絡耦合時產生連鎖故障造成大停電風險更小。

當信息網節(jié)點故障率大于0.35時，得到故障概率為0.45、0.6、0.7時不同網絡結構下?lián)p失負荷情況如圖5-圖7所示。電力網絡與無標度結構的信息網絡交互影響時，大停電發(fā)生概率高于電力網絡與小世界結構的信息網絡交互影響時的大停電概率。由于無標度網絡的異構性，度分布非均勻，隨著故障概率的提高，無標度結構信息網絡中具有較大度的節(jié)點故障率也隨之提高，具有較大度的節(jié)點故障更容易產生信息孤島，調度中心無法接收信息使優(yōu)化調度失敗的概率增加，從而增加了整個系統(tǒng)的大停電風險。小世界網絡節(jié)點的度分布相對均勻，在信息網絡節(jié)點遭受故障時不易形成信息孤島，使得調度中心可以更加準確的進行調度優(yōu)化，及時控制故障的蔓延。因此故障概率大于0.35時，影響連鎖故障的主要因素為信息孤島的產生使調度中心調度優(yōu)化失敗，電力物理網絡與小世界結構的信息網絡耦合時對連鎖故障的抑制效果更加明顯。

當信息網節(jié)點故障率為區(qū)間0.25-0.35時，得到故障概率為0.25、0.35時不同網絡結構負荷損失如圖8、圖9所示，由圖可見，電力網絡與無標度結構的信息網絡耦合的停電概率接近于與小世界結構網絡耦合的情況。因此故障概率為區(qū)間0.25-0.35時，電力網絡與兩種結構的信息網絡耦合時對連鎖故障的抑制效果相近。

為了進一步說明不同信息網絡拓撲結構對電力系統(tǒng)故障的影響，對不同故障概率下不同網絡拓撲的損失負荷進行統(tǒng)計，如表1所示。

表1不同故障概率下不同網絡拓撲結構的損失負荷統(tǒng)計數據

以負荷損失為橫坐標，頻度即相應的累積概率(大于某負荷損失次數/總次數)為縱坐標，在雙對數坐標下利用最小二乘法進行線性擬合，得到各種概率下無標度網絡、小世界網絡的停電概率頻度-負荷損失標度的擬合函數如表2所示，并給出不同故障概率下擬合函數的相關系數r，r0.01表示顯著性水平為0.01的相關系數臨界值，且r>r0.01說明回歸擬合方程有效。

表2冪律分布統(tǒng)計表

在相同網絡拓撲中，隨著信息網絡節(jié)點故障概率的增大，冪律函數指數的絕對值越小，即雙對數變換后線性函數的斜率越小，電力系統(tǒng)的大停電的風險越高。當信息網絡節(jié)點故障概率小于0.25時，無標度網絡冪指數的絕對值大于小世界網絡冪指數的絕對值，表明在信息物理網絡中無標度信息網絡結構的電力系統(tǒng)大停電風險更小。當概率大于0.35時，小世界網絡中冪指數的絕對值大于無標度網絡，表明此時小世界信息網絡結構的電力系統(tǒng)大停電風險更小。由此得出不同信息網絡的節(jié)點故障概率下信息網絡拓撲構建方法，并提出了對應的信息物理網絡耦合方式，即低于臨界區(qū)間時電力物理網絡與無標度結構信息網絡耦合，高于臨界區(qū)時電力物理網絡與小世界結構信息網絡耦合，從而提高電力系統(tǒng)的魯棒性，降低大停電風險。