一种基于网络依存关系的连锁故障风险评估方法

1.本发明属于电力系统领域，具体的说是一种基于网络依存关系的连锁故障风险评估方法。


背景技术：

2.电力信息物理系统中电网和信息网相互依存，故障在两个网络间跨空间传递，导致电网和信息网不同程度的受损，造成严重的经济损失。当前大多数学者在研究网络依存关系的时候仅考虑网络结构特性对电力信息物理系统的影响，对电网与信息网的自身特性研究较少。且在对电力信息物理系统的研究中，主要针对由单一网络攻击或信息网自身故障引起的连锁故障，并未将两者结合起来考虑。且在对电力信息物理系统连锁故障进行风险评估时，现有研究仅考虑信息网或电网的风险，并未将电力信息物理系统看做一个整体。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于网络依存关系的连锁故障风险评估方法，以期能更精准地预测事故链，并对连锁故障进行风险评估时，能进一步提高风险预测的准确率，从而为电力信息物理系统连锁故障的防控提供理论指导。
4.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
5.本发明一种基于网络依存关系的连锁故障风险评估方法的特点是按如下步骤进行：
6.步骤1、构建包含电网及信息网的电力信息物理系统，改进电网及信息网之间依存的关系条件；
7.步骤2、构建故障的风险传递函数；
8.所述风险传递函数包含：信息节点初始失效的风险传递函数、电力节点失效的风险传递函数、信息节点后续失效的风险传递函数、电网初始线路故障的风险传递函数、电网后续线路故障的风险传递函数；
9.步骤3、根据所述风险传递函数中的信息节点初始失效的风险传递函数，形成信息网中节点的初始故障集；
10.定义变量s，并初始化s＝1；
11.步骤4、将所述初始故障集中的第s个节点设置为失效节点，并令第s个失效节点处于第s个事故链中的第一个环节；
12.在所述第s个事故链中，根据所述风险传递函数中的电力节点失效的风险传递函数和信息节点后续失效的风险传递函数，得到故障在电网与信息网之间的跨空间传播过程；
13.步骤5、所述电网进行区域功率的再平衡控制：
14.若电网发生解列，则先在解列区域内对发电机进行有功出力调整后，再对所述电网进行潮流计算；
15.若电网未发生解列，则直接对所述电网进行潮流计算；
16.步骤6、根据所述风险传递函数中电网初始线路故障的风险传递函数，选取功率再平衡过后的电网的初始故障线路，并根据所述风险传递函数中电网后续线路故障的风险传递函数，再选取后续故障线路，从而形成事故链路径；
17.若故障线路的开断信息成功上传至调度中心，则所述调度中心下发相应的控制措施；否则，所述调度中心无控制；
18.步骤7、判断事故链搜索是否满足结束条件，若是，则执行步骤9，否则，执行步骤8；
19.所述事故链搜索的结束条件为：所述电网的负荷损失率达到所设定的阈值或电网的解列个数达到所设定的孤岛阈值；
20.步骤8、将s+1赋值给s并返回步骤4；
21.步骤9、记录整个事故链相关数据并输出，包括：事故链路径、事故链各环节采取的控制措施及控制量，以及事故发生概率，从而计算事故链的风险。
22.本发明所述的基于网络依存关系的连锁故障风险评估方法的特点也在于，所述步骤1中的电网及信息网之间依存的关系条件是按如下过程进行改进：
23.步骤1.1、信息网中除自治节点外，其他信息节点若有其依存节点给予电力供给，则视为有效节点并保留，否则，视为失效并删除；
24.电网中除自治节点外，其他电力节点若有其依存节点给予控制，则视为有效节点并保留，否则，视为失效并删除；
25.步骤1.2、当电网中线路严重过负荷时，过负荷保护装置断开相应线路；
26.当电网中电力节点所连的线路均断开后，电力节点成为孤立节点而失效，并删除失效电力节点；
27.以信息网中的节点介数表征节点负荷，并利用式(1)构建信息网中信息节点的约束条件：
[0028][0029]
式(1)中，p
c
为信息网中第j个信息节点的容限系数，为信息网中第j个信息节点的当前负荷，为信息网中第j个信息节点的初始负荷；
[0030]
若第j个信息节点的负荷不满足所述约束条件，则表示相应的第j个信息节点过负荷失效并删除；
[0031]
步骤1.3、当电网解列为多个子集时，若子集内至少存在一个发电机和一个负荷，则表示相应子集能继续工作，子集中的电力节点仍然有效，否则，删除子集中的电力节点；
[0032]
当信息网解列为多个子集时，若子集内的接入层节点仍能通过通信链路将信息上传至核心层，则表示相应子集能继续工作，子集中的信息节点仍然有效，否则，删除子集中的信息节点。
[0033]
所述步骤2中的风险传递函数包含：信息节点初始失效的风险传递函数、电力节点失效的风险传递函数、信息节点后续失效的风险传递函数、电网初始线路故障的风险传递函数、电网后续线路故障的风险传递函数；其中，利用式(2)
‑
式(5)得到所述信息节点初始失效的风险传递函数；利用式(6)得到电力节点失效的风险传递函数；利用式(7)得到信息节点后续失效的风险传递函数；
[0034]
利用式(2)得到第j个信息节点因拓扑结构x1引起的失效概率
[0035][0036]
式(2)中，k
j
为第j个信息节点的度数，nc为信息网的总节点数；
[0037]
利用式(3)得到第j个信息节点因信息占用率x2引起的失效概率
[0038][0039]
式(3)中，n
j
为第j个信息节点的数据包数量；
[0040]
利用式(4)得到第j个信息节点受到网络攻击x3引起的失效概率
[0041][0042]
式(4)中，g
i
为第j个信息节点的介数；
[0043]
利用式(5)得到第j个信息节点初始失效的风险传递函数
[0044][0045]
利用式(6)得到第j个电力节点失效的风险传递函数
[0046][0047]
式(6)中，表示第j个电力节点因电力节点vp依存信息节点vc的风险因素x4引起的失效概率；表示第j个电力节点因电力节点孤立的风险因素x5引起的失效概率；
[0048]
利用式(7)得到第j个信息节点后续失效的风险传递函数
[0049][0050]
式(7)中，表示第j个信息节点因信息节点vc依存电力节点vp的风险因素x6引起的失效概率；表示第j个信息节点因信息节点过负荷的风险因素x7引起的失效概率。
[0051]
所述步骤9中的事故链的风险是按如下步骤进行计算：
[0052]
步骤9.1、利用式(13)得到第s个事故链中第i个环节s
i
的后果sev(s
i
)：
[0053][0054]
式(13)中：v
′
cl
(s
i
)、v
′
pl
(s
i
)分别为信息网和电网中第s个事故链的第i个环节s
i
的现有负荷，v
cl
、v
pl
分别为信息网和电网的初始负荷；
[0055]
步骤9.2、利用式(14)得到第s个事故链的风险r(s)：
[0056][0057]
式(14)中，p
i
为第s个事故链的第i个环节s
i
发生的概率。
[0058]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0059]
1、本发明改进了网络依存关系的条件，在研究网络拓扑依存关系的基础上，加入了对电网及信息网传输特性的考虑，即在依存过程中考虑电力节点孤立失效(由于电网中线路因严重过负荷断开引起的)、信息节点过负荷失效的情况，进一步研究相依网络间故障的跨空间传播过程，提高了事故链预测的精准性。
[0060]
2、本发明结合网络攻击和信息节点自身故障两个因素进行事故链搜索，考虑信息节点因网络攻击、拓扑结构以及初始数据包分布而失效，综合信息节点的介数、度数以及信息占用率引起的失效概率，能更全面的筛选出对电力信息物理系统影响较大的信息节点，有效辨识了关键节点，从而及时做好防控。
[0061]
3、本发明在连锁故障预测过程中运用风险元理论，找出受风险因素影响较大的事故链，并提出一种新的风险计算方法，以介数表征节点负荷，事故链后果综合了电网失负荷率与信息网失负荷率，提高了风险预测的准确率，适用于对电力信息物理系统连锁故障风险评估的研究。
附图说明
[0062]
图1为本发明ieee39节点系统结构图。
[0063]
图2为本发明电力信息物理系统结构示意图；
[0064]
图3为本发明信息网络结构图；
[0065]
图4为本发明网络依存阶段事故链预测流程图；
[0066]
图5为本发明后续故障阶段事故链预测流程图；
[0067]
图6为本发明初始节点失效后不同风险计算对比图；
[0068]
图7为本发明不同因素初始故障集网络依存阶段平均风险对比图。
具体实施方式
[0069]
本实施例中，一种基于网络依存关系的连锁故障风险评估方法是按如下步骤进行：
[0070]
步骤1、构建包含电网及信息网的电力信息物理系统，改进电网及信息网之间依存的关系条件；
[0071]
应用复杂网络理论，分别以图gp＝(vp,ep)和gc＝(vc,ec)来表征电网和信息网，vp为电网物理设备，ep为线路，ec为通信链路；信息节点vc负责电力节点vp的数据传输与处理，电力节点vp为信息节点vc提供电力支持。
[0072]
信息网由三部分组成：核心层、骨干层、接入层。
[0073]
核心层负责电网的经济调度和安全运行，通常配有主调度中心和备用调度中心，并使用高端路由设备，保证不间断提供能量，以确保可靠性；
[0074]
骨干层负责区域调度，配有备用电源，其节点数与电网的分区数目有关，区域内接入层信息的汇聚、转发都依赖于该区域的骨干层，为提高信息传输可靠性，骨干层节点以环
形互联；
[0075]
接入层节点负责采集电网信息并传输控制命令，其中接入层中与变电站和发电厂相连的节点直接与骨干层相连，部分重要发电厂节点不仅与骨干层相连，还与核心层连接。
[0076]
本实施例中以ieee39节点电力系统模拟电力信息物理系统连锁故障跨空间传播过程，ieee39节点系统结构如图1所示，电力信息物理系统结构示意如图2所示，信息网络结构如图3所示。
[0077]
其中，电网及信息网之间依存的关系条件是按如下过程进行改进：
[0078]
步骤1.1、信息网中除自治节点外，其他信息节点若有其依存节点给予电力供给，则视为有效节点并保留，否则，视为失效并删除；
[0079]
电网中除自治节点外，其他电力节点若有其依存节点给予控制，则视为有效节点并保留，否则，视为失效并删除；
[0080]
步骤1.2、当电网中线路严重过负荷时，过负荷保护装置断开相应线路；
[0081]
当电网中电力节点所连的线路均断开后，电力节点成为孤立节点而失效，并删除失效电力节点；
[0082]
以信息网中的节点介数表征节点负荷，并利用式(1)构建信息网中信息节点的约束条件：
[0083][0084]
式(1)中，p
c
为信息网中第j个信息节点的容限系数，为信息网中第j个信息节点的当前负荷，为信息网中第j个信息节点的初始负荷；
[0085]
若第j个信息节点的负荷不满足所述约束条件，则表示相应的第j个信息节点过负荷失效并删除。
[0086]
步骤1.3、当电网解列为多个子集时，若子集内至少存在一个发电机和一个负荷，则表示相应子集能继续工作，子集中的电力节点仍然有效，否则，删除子集中的电力节点；
[0087]
当信息网解列为多个子集时，若子集内的接入层节点仍能通过通信链路将信息上传至核心层，则表示相应子集能继续工作，子集中的信息节点仍然有效，否则，删除子集中的信息节点。
[0088]
步骤2、构建故障的风险传递函数；
[0089]
电力信息物理系统连锁故障中风险传递函数包括：信息节点初始失效的风险传递函数、电力节点失效的风险传递函数、信息节点后续失效的风险传递函数、电网初始线路故障的风险传递函数、电网后续线路故障的风险传递函数；
[0090]
利用式(2)得到第j个信息节点因拓扑结构x1引起的失效概率
[0091][0092]
式(2)中，k
j
为第j个信息节点的度数，nc为信息网的总节点数；
[0093]
利用式(3)得到第j个信息节点因信息占用率x2引起的失效概率
[0094][0095]
式(3)中，n
j
为第j个信息节点的数据包数量；
[0096]
利用式(4)得到第j个信息节点受到网络攻击x3引起的失效概率
[0097][0098]
式(4)中，g
i
为第j个信息节点的介数；
[0099]
利用式(5)得到第j个信息节点初始失效的风险传递函数
[0100][0101]
利用式(6)得到第j个电力节点失效的风险传递函数
[0102][0103]
式(6)中，表示第j个电力节点因电力节点vp依存信息节点vc的风险因素x4引起的失效概率；表示第j个电力节点因电力节点孤立的风险因素x5引起的失效概率。
[0104]
利用式(7)得到第j个信息节点后续失效的风险传递函数
[0105][0106]
式(7)中，表示第j个信息节点因信息节点vc依存电力节点vp的风险因素x6引起的失效概率；表示第j个信息节点因节点过负荷的风险因素x7引起的失效概率。
[0107]
利用式(8)可得电网初始线路故障l
k
的风险传递函数为：
[0108][0109]
式(8)中，风险因素x8为线路老化因素，和x9为潮流因素，为在电力系统正常运行时，同一区域、同一时期内的线路故障概率：
[0110][0111]
式(9)中，np为电网总线路，l
k
、λ
ok
、分别为线路l
k
的长度和单位长度故障率。
[0112]
为电网未发生故障时，l
k
因潮流因素而故障的概率：
[0113][0114]
式(10)中，η
k
表示线路负载率指标、ω
k
表示潮流占比指标；e
k
表示潮流变化指标，并有：
[0115][0116][0117][0118]
式(11)
‑
式(13)中，f
k,0
为l
k
的初始潮流值，f
k,max
为l
k
的潮流极限值,δf
i
为l
k
退出运行后l
i
的潮流变化量；
[0119]
利用潮流波动指标a
km
、潮流耦合指标b
km
和线路负载率指标h
km
来表示l
k
断开后对其他线路的影响：
[0120][0121][0122][0123]
式(14)
‑
式(16)中，f
m
、f
m,max
分别为线路l
m
的潮流值和潮流极限值，f
′
m
为l
k
开断后l
m
的潮流值，f
k
为线路l
k
的潮流值，h
km
为线路l
m
的负载率。
[0124]
当线路潮流超过其极限值时，若调度中心收到线路过负荷信息，采取过负荷控制；若收不到，则保护断开过负荷程度最高的线路。反之，根据关联度指标选取下级开断线路：
[0125][0126]
关联度指标越大，说明l
k
开断对l
m
的影响越大，考虑电网继电保护拒误动因素在内时，若存在线路严重过负荷，后续线路故障概率为线路过负荷保护及断路器均正确动作的概率；若线路一般过负荷，后续线路故障概率包含三部分：
[0127]
(1)潮流转移引起的故障概率p1：
[0128][0129]
(2)保护误动和断路器误动引起的故障概率p2：
[0130]
p2＝p
mis_r
×
(1
‑
p
in_c
)+p
mis_c
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0131]
式(19)中：p
mis_r
、p
in_c
、p
mis_c
分别为保护误动、断路器拒动、断路器误动概率。
[0132]
(3)调度人员失误、恶劣气候、元件老化故障等偶然因素引起的故障概率p3。
[0133]
利用式(20)可得电网后续线路故障的风险传递函数如下：
[0134]
[0135]
式(20)中，p
in_r
为保护拒动概率，风险因素x
10
为潮流转移因素。
[0136]
步骤3、根据风险传递函数，形成信息网中节点的初始故障集；
[0137]
定义变量s并初始化s＝1；
[0138]
计算信息网中节点的初始失效概率，从而根据所设定的故障概率阈值，形成信息网中节点的初始故障集如表1所示。
[0139]
表1初始故障集
[0140]
vc160.1851vc20.1430vc60.1044vc80.1008vc260.0100vc140.0992vc170.0967vc250.0957vc270.0776vc150.0757
[0141]
步骤4、将初始故障集中的第s个节点设置为失效节点，并令第s个失效节点处于第s个事故链中的第一个环节；
[0142]
在第s个事故链中，根据风险传递函数，得到故障在电网与信息网之间的跨空间传播过程；此阶段称为网络依存阶段，实施事故链预测流程如图4所示。
[0143]
步骤5、电网进行区域功率的再平衡控制：
[0144]
若电网发生解列，则先在解列区域内对发电机进行有功出力调整后，再对电网进行潮流计算；
[0145]
若电网未发生解列，则直接对电网进行潮流计算；
[0146]
步骤6、根据风险传递函数，选取功率再平衡过后的电网的初始故障线路，并根据风险传递函数，再选取后续故障线路，从而形成事故链路径；
[0147]
若故障线路的开断信息成功上传至调度中心，则调度中心下发相应的控制措施；否则，调度中心无控制；此阶段称为后续故障阶段，实施事故链预测流程如图5所示。
[0148]
步骤7、判断事故链搜索是否满足结束条件，若是，则执行步骤9，否则，执行步骤8；
[0149]
事故链搜索的结束条件为：电网负荷损失率达到30％或电网解列为三个子集；
[0150]
以vc8、vc27失效为例，对应的连锁故障演化过程如表2和表3所示，分别对网络依存阶段及后续故障阶段发展做详细描述。
[0151]
表2 vc8失效对应的连锁故障演化过程(单位：mw)
[0152]
[0153]
表2中信息节点vc8因自身故障及网络攻击的双重影响而失效，由于网络依存关系电力节点vp8失效，计算信息节点负载及电网潮流可知，vc6、vc4过负荷而失效，无严重过负荷线路，由网络依存关系vp6、vp4失效，再次计算信息节点负载及电网潮流，l1、l2严重过负荷，保护动作断开l1、l2，导致vp1孤立失效，由网络依存关系vp1失效，再次计算信息节点负载及电网潮流，无信息节点或电力节点失效，系统暂态稳定，此时系统解列为三部分，进行区域功率平衡，网络依存阶段结束。由于达到结束条件，无后续故障阶段，连锁故障停止。
[0154]
表3 vc27失效对应的连锁故障演化过程(单位：mw)
[0155][0156]
表3中信息节点vc27因自身故障及网络攻击的双重影响而失效，由于网络依存关系电力节点vp27失效，计算信息节点负载及电网潮流，无信息节点或电力节点失效，网络依存阶段结束。根据电网初始线路故障的风险传递函数，找出后续故障阶段的初始故障为l12，l12断开后，l17，l18一般过负荷，调度中心下发过负荷控制命令消除过负荷，由核心层节点控制依存的电力节点执行控制命令，发电机3切除44mw，负荷15切除44mw；根据电网后续线路故障的风险传递函数选取下级故障，断开l19，无线路过负荷；再次选取下级故障l6，此时系统失稳，解列为两部分，进行紧急控制；后续依次断开l24、l9，无线路过负荷；l13断开后，系统解列为三部分，进行区域功率平衡，达到结束条件，连锁故障停止。
[0157]
步骤8、将s+1赋值给s并返回步骤4；
[0158]
步骤9、记录整个事故链相关数据并输出，包括：事故链路径、事故链各环节采取的控制措施及控制量，以及事故发生概率，从而计算事故链的风险。
[0159]
利用式(21)得到第s个事故链中第i个环节s
i
的后果sev(s
i
)：
[0160][0161]
式(21)中：v
′
cl
(s
i
)、v
′
pl
(s
i
)分别为信息网和电网中第s个事故链的第i个环节s
i
的现有负荷，v
cl
、v
pl
分别为信息网和电网的初始负荷；
[0162]
利用式(14)得到第s个事故链的风险r(s)：
[0163][0164]
式(22)中，p
i
为第s个事故链的第i个环节s
i
发生的概率。
[0165]
本实施例中，信息网节点的容限系数pc取值0.2，过负荷控制采用基于灵敏度的切机切负荷，保护拒动的概率为p
in_r
＝0.0013，断路器拒动的概率为p
in_c
＝0.0005，断路器误动的概率为p
mis_c
＝0.0001，偶然因素引起的概率为p3＝0.0002。分别用风险1表示本方法计算的连锁故障风险，风险2表示仅考虑电网后果计算得到的风险，用两者风险计算方法计算表2初始故障集中信息节点失效后的风险如图6所示。
[0166]
对比风险1和2，两者变化趋势存在明显不同。vc17失效后，由网络依存关系导致vp17失效，l25连接vp17及vp18,因此断开，后续故障阶段中l6断开，l25和l6的开断导致
vp18因孤立而失效，由网络依存关系导致vc18失效，无信息节点或电力节点失效，后续断开l20、l30。由于在后续故障阶段包含网络依存阶段，信息网损失变大，因此风险1中vc17失效后风险较大，而风险2只考虑电网的失负荷率，忽略了信息网，导致风险偏低。与风险2相比，本文将信息网损失考虑在内，将电力信息物理系统看做一个整体，能较全面的评估连锁故障风险，具有一定的实际意义。
[0167]
vc8连接区域2和3，其失效后，由网络依存关系导致区域2和3内的其他节点vp8、vc6、vc4、vp6、vp4、vp1、vc1依次失效，影响的节点数目较多，范围较广，因此连锁故障风险较大。vc16失效后，并未有其他节点因网络依存关系而失效，但连锁故障的风险仍较大，因为vc16虽位于区域4，却与区域2和3均有连接，失效后，会对三个区域产生影响，影响范围较大，且vc16失效后，系统立即解列为三部分，可见vc16在网络中的关键性，因此其失效的概率最大，风险也较大。本文的分区结果通过prim算法修正社团分区算法得到，采用社团分区算法使得社团内部连接紧密，prim算法修正使社团间的电气连接大大加强。vc16、vc8位于区域的交界处，至少与两个区域连接，因此其失效影响与其相连的区域，而区域内节点失效，由于分区特性，只对本区域有影响，因此，区域交界处的节点失效后果更严重，应加强对交界处节点的防控，避免事故链的发生。
[0168]
图7为不同因素初始故障集网络依存阶段平均风险对比，可知网络攻击与节点自身失效结合考虑时平均风险最高，而仅考虑自身故障时平均风险最低，这是由于信息节点自身失效与网络拓扑结构及信息占用率有关，网络拓扑结构与节点的度数有关，度数大说明与该节点连接的节点越多，但并未考虑连接的节点自身重要性，缺乏全局考虑，而信息占用率引起的失效并未考虑节点重要性，存在一定的偶然性。介数高说明网络中任意两个节点的关系受该节点影响强，节点在整个网络中的重要程度高，是一种基于全局路径的衡量，因此，网络攻击考虑介数，造成的影响比考虑度数及信息占用率引起的失效场景大。本文将网络攻击与节点自身失效相结合，综合考虑介数、度数以及信息占用率引起的失效概率，筛选出对信息网影响较大的信息节点，及时做好信息网的防控措施，避免连锁故障进一步蔓延的损失。
[0169]
表4网络依存关系对连锁故障的影响(单位：mw)
[0170][0171]
表4以vc27为例对比分析网络依存阶段对连锁故障的影响，若不考虑电网与信息
网依存关系，即vc27失效并不会导致vp27失效，电网拓扑结构未改变，后续故障阶段l3、l4、l30断开，信息仍能上传至调度中心，调度中心根据收到的信息制定并下发相应控制策略。vc27上传l31的开断信息，失效后，调度中心不能收到l31的开断信息，无控制命令下达，此时实际电网已解列为三部分，安稳装置动作。
[0172]
若考虑电网与信息网的依存关系，即vc27失效后，vp27也失效，电网拓扑结构改变，后续故障阶段中初始故障线路改变，进而影响后续事故链的蔓延。对比两者事故链风险，考虑网络依存关系时的连锁故障风险大于未考虑的情况。虽然后续故障阶段，不考虑网络依存关系时只断开4条线路，考虑网络依存关系断开6条，但由于网络依存关系，vp27失效，导致负荷27全部切除，l26、l31断开，电网拓扑已变化，此时虽然无线路过负荷，但电网受损，可靠性降低，后续线路断开概率变大。网络依存现象普遍存在于电力信息物理系统中，若能通过解耦，减少电网与信息网之间的依存关系，可大大提高电力信息物理系统的可靠性，降低连锁故障风险。