本發明涉及配電技術領域，具體涉及一種考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性評估方法。

背景技術：

隨著信息技術的不斷引入，有源配電網的迅速發展，配電網已成為集物理、信息通信技術于一體的復雜信息物理系統。尤其近年來極端外部災害以及信息系統受攻擊現象頻繁出現，對考慮信息系統作用的有源配電網進行多視角的協同脆弱性評估顯得尤為重要。

目前，電網的脆弱性評估方法：在分析災害條件下配電網故障概率時有的僅考慮物理系統元件，未考慮信息系統元件的故障概率，而且大多數未考慮災害時期物理信息元件全壽命周期內承受外部環境多時間尺度的協同影響，概率預測不夠準確；在建立配電網拓撲結構模型時有的僅考慮配電網自身的確定性拓撲模型，并未考慮災害條件下外部災害的隨機性影響；有的在分析有源配電網各脆弱性指標時未考慮信息系統在源網荷各重要環節對有源配電網脆弱性的影響，使得評估結果過于片面，不夠貼合實際；有的在考慮配電網脆弱性指標時僅應用復雜網絡理論和風險效應理論對配電網的網架結構和運行狀態進行分析，沒有考慮到實際有源配電網與信息系統之間的協同作用以及網架結構和運行狀態之間的協同作用，導致評估結果不夠全面；目前配電網的脆弱性指標多從單一部分進行考慮，未從空間尺度上對區域以及全局的配電網脆弱性進行評估，不足以為配電網風險預警提供依據。

因此，從信息物理系統與外部災害對配電網影響、有源配電網與信息系統源網荷互動、復雜網絡理論、協同效應理論與風險效用理論研究的多視角下，對網架結構與運行狀態、信息與物理系統協同作用的配電網進行協同脆弱性評估，有助于提高配電網的供電可靠性、預防大停電事故發生，從而保障配電網的安全穩定運行。

技術實現要素：

鑒于已有技術存在的不足，本發明的目的是要提供一種基于全景信息且綜合考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性評估方法。

為了實現上述目的，本發明技術方案如下：

一種考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性評估方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：基于考慮信息系統作用的有源配電網的全景信息，確定災害條件下多時間尺度協同影響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、外部環境信息、電網營配調信息和風險與故障信息；

步驟2：建立有源配電網與外部災害的確定性-隨機性拓撲結構組合模型，所述確定性-隨機性拓撲結構組合模型為：

g＝(n,l)

其中，g為配電網絡經過簡化處理后具有n個節點、l條邊的無向、有權稀疏圖，w0為配電網連接權矩陣，矩陣元wij為節點i與節點j間傳輸線的電抗標幺值，1≤i,j≤n，wi'j為考慮了災害隨機性影響的節點i與節點j間傳輸線的電抗標幺值；dh為相應類型災害對配電網的影響系數，k為考慮了單一災害和多災害聚合情況的災害類型數目，wu為配電網與外部災害的確定性-隨機性連接權矩陣，μ為保證確定性-隨機性連接權矩陣物理特性的修正系數；

步驟3：在配電網與外部災害的確定性-隨機性拓撲結構組合模型基礎上，利用復雜網絡理論特性找出考慮信息系統作用的有源配電網系統脆弱源，同時考慮不同通信網絡結構和冗余程度對信息系統的影響，并分別模擬該系統中物理、信息脆弱源相關元件的故障情況；

步驟4：考慮信息系統作用對有源配電網元件的影響，結合災害條件下多時間尺度影響的信息物理元件故障概率，得到基于功能組的故障概率，并對進行基于功能組分解的連鎖故障辨識；

步驟5：利用風險效用理論對源網荷互動模式下各種運行狀態和網架結構進行評估，其中電源側包括：分布式電源并網率、應急電源、ups應用率和母線脆弱度；配電網絡側包括：節點脆弱度、電壓越限風險和平衡度指標；負荷側包括：失負荷風險、過負荷風險和負荷供電效率；

步驟6：利用協同效應理論評估考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性，建立空間尺度上的局部脆弱性指標、區域脆弱性指標和全局脆弱性指標體系。

與現有技術相比，本發明具備以下有益效果：

(1)本發明針對配電網外部災害出現的隨機性，建立了配電網與外部災害的確定性-隨機性拓撲結構模型,使分析結果更符合災害條件下配電網的運行情況；

(2)本發明綜合了信息與物理元件在長期歷史災害記錄中的情況、短期內設備運行時限及抵抗災害能力系數情況和當前未發生災害時元件運行故障的情況，基于系統的全景信息，確定災害條件下多時間尺度協同影響的信息物理元件故障概率，使元件故障概率預測更準確；同時考慮到信息系統對配電網的作用，建立考慮信息系統作用的有源配電網功能組故障概率模型，更充分的反映了目前信息物理系統融合的特點；

(3)本發明在對有源配電網的源網荷互動模式下各種運行狀態和網架結構進行評估時，將信息系統中監控主機、交換機和區域控制單元的影響也考慮進來，建立有源配電網與信息系統融合的源網荷互動模式下的脆弱性評估體系，從多角度對考慮信息系統作用的有源配電網進行分析，同時將信息與配電網絡之間的協同作用反映出來，具有很重要的實用價值；

(4)本發明針對有源配電網局部供電特性和功率傳輸效率，并基于配電網與外部災害的確定性-隨機性連接權矩陣，提出有功功率平衡度指標和負荷供電效率指標，較好的克服以往從單一角度物理角度去評估配電網脆弱性的弊端，提高了辨識精度與辨識效果；

(5)本發明引入有源配電網與結構有關的脆弱性指標和與信息系統有關的脆弱性指標，并基于上述指標利用協同效應理論評估考慮信息系統作用的有源配電網的協同脆弱性，更好的分析配電網網架結構與運行狀態、信息系統與物理系統協同作用的影響，提高了配電網運行的可靠性和準確度；同時建立空間尺度上的局部協同脆弱性指標、區域協同脆弱性指標和全局協同脆弱性指標體系，更全面、具體的評估有源配電網的脆弱性，對配電網的安全可靠運行提供了依據，對預防大停電事故發生起著重要的作用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1本發明考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性評估流程圖；

圖2本發明考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性評估研究框圖；

圖3本發明預測災害條件下信息物理元件多時間尺度下影響的故障概率圖；

圖4本發明信息物理系統相互作用模型圖；

圖5本發明信息物理系統功能組故障概率圖；

圖6本發明有源配電網源網荷互動模式下的脆弱性體系圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明從信息物理系統與外部災害對配電網影響、有源配電網與信息系統源網荷互動、復雜網絡理論、協同效應理論與風險效用理論研究的多視角下，對網架結構與運行狀態、信息與物理系統協同作用的配電網進行協同脆弱性評估，其研究過程如圖2所示。

本發明公開了一種考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性評估方法，如圖1所示，其包括以下步驟：

步驟1：基于考慮信息系統作用的有源配電網的全景信息，確定災害條件下多時間尺度協同影響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、外部環境信息、電網營配調信息和風險與故障信息，如圖3所示，其包括以下步驟：

步驟1.1：綜合考慮孕災環境，致災因子和承載體的相互作用，分別得到信息元件和物理元件的長期歷史災害記錄中的元件情況，短期內電力設備運行時限及抵抗災害能力系數和當前未發生災害狀態下的元件運行故障概率。

作為本發明的優選實施方式，孕災環境不僅包括電網應災能力、災害數據、物理設備參數，還包括信息設備的相關參數；致災因子不僅考慮災害類型、頻次、強度，還考慮信息系統的攻擊情況，這里的外部災害不再局限于外部自然災害，還將信息、網絡的失效與蓄意攻擊考慮進來，同時承災體也包括通信設備和信息處理設備的情況，從全方位對考慮信息系統作用的有源配電網的全景信息進行分析。

步驟1.2：根據氣象災害預測模型和全景信息，計算考慮了長期、短期和未發生災害時期信息與物理元件全壽命周期內承受外部災害影響的概率分布參數，從而得到元件在災害條件下的停運概率，用以定量分析災害造成的影響。

作為本發明的優選實施方式，綜合了長期、短期和未發生災害時期信息與物理元件全壽命周期內承受外部災害影響，目前大多是對物理元件進行故障預測，而且僅局限于未發生災害時期元件的預測故障概率。這里不僅考慮了長期、短期和和未發生災害時期元件全壽命周期內的設備運行情況，還考慮了信息系統元件的情況，使元件故障概率預測結果更準確更貼合實際。

步驟2：建立有源配電網與外部災害的確定性-隨機性拓撲結構組合模型。作為本發明的優選實施方式，首先將有源配電網絡經過簡化處理，得到具有n個節點，l條邊的無向、有權稀疏圖g，即：

g＝(n,l)

定義初始配電網連接權矩陣w0，其矩陣元wij為節點i與節點j間傳輸線的電抗標幺值，其中1≤i,j≤n

考慮單一災害和多災害聚合對配電網的隨機性影響，此時矩陣元wi'j為考慮了災害隨機性影響的矩陣元，為

為保證確定性-隨機性連接權矩陣物理特性引入修正系數μ，得到配電網與外部災害的確定性-隨機性連接權矩陣wu

步驟3：在配電網與外部災害的確定性-隨機性拓撲結構組合模型基礎上，利用復雜網絡理論特性找出考慮信息系統作用的有源配電網系統脆弱源，同時考慮不同通信網絡結構和冗余程度對信息系統的影響，并分別模擬該系統中物理、信息脆弱源相關元件的故障情況。

作為本發明的優選實施方式，首先利用復雜網絡理論中的節點脆弱度和線路改進介數等數據查找物理系統的脆弱源；然后并根據不同網絡通信結構，比如：星型，總線型，環形燈拓撲結構模型以及其自身的冗余配置情況，同樣根據復雜網絡理論對節點脆弱度和線路介數進行計算，查找出信息系統的脆弱源，為下面對物理信息系統的脆弱源進行模擬提供數據支撐。

步驟4：考慮信息系統作用對有源配電網元件的影響，結合災害條件下多時間尺度影響的信息物理元件故障概率，得到基于功能組的故障概率，并對進行基于功能組分解的連鎖故障辨識，如圖5所示，其具體步驟包括：

步驟4.1：根據信息物理元件的原始信息，通過非序貫蒙特卡羅抽樣，得到信息系統功能狀態和一次系統元件狀態；

步驟4.2：如圖4所示的信息-電力作用關系，若不存在則求取一次元件功能組故障概率；在本實施方式中，功能組由受保護的元件組成，如線路、變壓器負荷出線等，斷路器和分閘狀態的刀閘構成功能組的接口元件，每個功能組的故障概率即一階多重故障率等于該功能組內至少一個元件發生故障的概率

式中：gi表示功能組i；pk為元件k的故障率。

步驟4.3：若存在信息-電力作用關系，則求取考慮信息系統作用后的元件功能組故障概率在本實施方式中，信息元件的可用率可以根據實際系統中操作、保護、控制等功能進行定義。

式中，a'k為考慮信息系統功能作用后元件的可用率，ak為不考慮信息系統功能作用的元件可用率，為信息元件功能的綜合可用率。在本實施方式中，信息元件的可用率可以根據實際系統中操作、保護、控制等功能進行定義。

步驟4.4：通過以上分析得到考慮信息系統作用的有源配電網功能組故障概率并根據n-k故障路徑搜索模型求得故障路徑的故障概率，

在本實施方式中，考慮了信息系統對配電網的作用，充分的反映了目前信息物理系統融合的特點。

步驟5：利用風險效用理論對源網荷互動模式下各種運行狀態和網架結構進行評估，其中電源側包括：分布式電源并網率、應急電源、ups應用率和母線脆弱度；配電網絡側包括：節點脆弱度、電壓越限風險和平衡度指標；負荷側包括：失負荷風險、過負荷風險和負荷供電效率。

作為本發明的優選實施方式，在對有源配電網的源網荷互動模式下各種運行狀態和網架結構進行評估時，將信息系統中監控主機、交換機和區域控制單元的影響也考慮進來，建立有源配電網與信息系統融合的源網荷互動模式下的脆弱性評估體系，從多角度對考慮信息系統作用的有源配電網進行分析，具有很重要的實用價值。

其具體步驟包括：

步驟5.1：對考慮信息系統作用的有源配電網的源網荷互動模式下各種運行狀態和網架結構進行評估，如圖6為有源配電網荷互動模式下的脆弱性體系，其中

電源側脆弱性指標分析包括：分布式電源并網率、應急電源、ups應用率、母線脆弱度和監控主機功能可用率指標；

配電網絡側綜合風險脆弱性指標包括：節點脆弱度、電壓越限風險、平衡度指標和交換機可用率指標；

負荷側脆弱性指標包括：失負荷風險、過負荷風險、負荷供電效率和區域控制單元可用率；

步驟5.2：利用復雜網絡理論評估有源配電網的結構脆弱性，評估指標包括：節點脆弱度、母線脆弱度；

利用風險效用理論評估功能組單項風險的嚴重度，其中評估指標包括：電壓越限風險、失負荷風險、過負荷風險；

步驟5.3：基于配電網與外部災害的確定性-隨機性連接權矩陣，并針對多源配電網局部供電可以減小大電源通過遠距離線路傳輸到負荷的有功功率的顯著特點，定義全網有功功率平衡度為：

其中，w'ij為考慮了災害隨機性影響的矩陣元，pl為線路傳輸的有功功率；是整個有源配電網有功功率在傳輸距離上的均衡度,越小說明遠距離、大容量傳輸的有功功率越少,越有利于實現全網有功的均勻分布。

步驟5.4：根據有源配電網的功率傳輸效率，既要考慮發電容量，也要計及發電機對負荷的影響效果隨距離增大而迅速衰減，從而定義負荷節點i的負荷供電效率為：

式中：dij(i∈vd,j∈vg)為基于確定性-隨機性拓撲結構組合模型的負荷節點i與發電節點j之間的最短電氣路徑，vd為負荷節點數，vg為發電機節點數，pdi為負荷節點i的有功負荷量，pgj為發電節點j的有功裝機容量；

步驟5.5：求取與有源配電網系統結構有關的脆弱性指標α(li)，考慮到節點重要度和線路改進介數指標與配電網系統結構密切相關，為了更好的評估配電網在網架結構方面的脆弱性，所以引入與有源配電網結構相關的脆弱性指標α(li)，

式中：為第i個節點的重要度，mi為第i個節點的節點度數，pi為第i個節點的注入功率特性，k1、k2為權重，且k1+k2＝1，sbase為系統基準功率；b(m,n)＝max(b(m,i),b(j,n))為線路的改進介數，(m,i)、(j,n)分別為所有與節點m和節點n相連的線路；表示功能組個數；max{ii·b(m,n)}為功能組中最高的結構脆弱度，α、β為權重，且α+β＝1。

步驟5.6：求取與信息系統有關的脆弱性指標δ(li)，為了更好的評估配電網在信息系統方面的脆弱性，引入與有源配電網信息系統有關的脆弱性指標δ(li)，

δ(li)＝afz×afj×afq

式中：afz為監控主機的功能可用率，afj為交換機的功能可用率，afq為區域控制單元的功能可用率。

步驟6：利用協同效應理論評估考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性，建立空間尺度上的局部脆弱性指標、區域脆弱性指標和全局脆弱性指標體系，其具體步驟包括：

步驟6.1：利用協同效應理論評估考慮信息系統作用的有源配電網多視角協同脆弱性，根據系統結構和狀態之間、信息與物理系統之間的協同效應，建立考慮信息系統作用的有源配電網協同脆弱性評估模型：

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

式中：vxyi為系統結構與運行狀態協同脆弱性指數；vxwi為信息與物理系統協同脆弱性指標；vxti為考慮了系統結構與運行狀態協同、信息與物理系統協同的脆弱性指數；α(li)為與系統結構有關的脆弱性指數；r(xt,f)為主要與系統運行狀態有關的風險指標，xt,f為時間t的運行方式，pr(ri)為第i個不確定性擾動ri發生的可能性，是在ri擾動下系統損失的嚴重程度，wi為相應指標的故障損失值；γ為結構與狀態的關聯因子，取為γ＝p/pmax，p為實時功率，pmax為線路最大傳輸功率；η為信息與物理的關聯因子，取為有源配電網的信息化配置程度。

在本實施方式中，系統結構與運行狀態之間、都是相互關聯，存在協同效應的，系統滿載運行時協同效應最強，因此根據系統結構和狀態之間、信息與物理系統之間的這種協同效應，提出考慮信息系統作用的有源配電網協同脆弱性評估模型。

步驟6.2：建立空間尺度上的局部協同脆弱性指標、區域協同脆弱性指標和全局協同脆弱性指標體系。本實施方式中，局部協同脆弱性指標vlocal主要體現有源配電網對負荷的局部支撐作用，區域協同脆弱性指標varea主要體現某一制定區域內的脆弱度，全局區域脆弱度指標vtotal主要從整體上評估考慮信息系統作用的有源配電網的脆弱性，其中

式中：vxti為考慮信息系統作用的有源配電網協同脆弱度指標；nd為負荷節點總數；ei為節點i的負荷供電效率；m為電網節點的總數；λl為故障路徑的脆弱度指標；k1、k2為權重，且k1+k2＝1；nl為故障路徑經過的節點數目；λlj為故障路徑中各節點的脆弱度指標，max{λlj}為故障路徑上最高的節點脆弱度。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。