有源配电网CPS系统预防控制策略与故障模式智能匹配方法

有源配电网cps系统预防控制策略与故障模式智能匹配方法
技术领域
1.本发明涉及一种有源配电网cps系统中预防控制技术，特别是涉及一种在跨电力网与信息网之间传播形成的跨域连锁故障的故障模式，具体是一种有源配电网cps系统预防控制的故障模式与控制策略智能匹配方法。


背景技术：

2.从复杂网络的角度出发，有源配电网cps系统中包含两张网络：电力网与信息网，电力网由一次设备构成且含有大量的分布式电源，信息网由二次设备构成；电力网与信息网之间通过供电、信息采集和信息驱动相互紧密的关联耦合在一起，这种相互依赖关系能够更加高效的将电力传输给电力用户，但是也带来了发生于电力网与信息网之间跨网交替传播的跨域连锁故障的风险。跨域连锁故障属于复合故障，它指的是当在一种网络(电力网或者信息网)中的边或者节点出现故障后，该故障会通过网间(电力网与信息网)的依赖关系交替迭代的向外扩散，从而可能会造成电网的大面积停电事故，影响电网的安全稳定运行，并对国民经济造成重大影响。因此，在电网的运行管理中需要采取技术措施控制并阻止这种跨域连锁故障的传播。
3.传统的基于理论分析的预防控制策略生成方法，由于被控系统的复杂性与非线性使得其更多采用近似模型来获得预防控制策略生成方法，且该近似模型的构造过程成本过高，导致采用近似模型获得的预防控制策略生成方法同时存在精度不足的问题；另外采用基于物理实验的预防控制方法，虽然可靠性高，但是物理实验平台的搭建成本高，并且对实验的先前经验依赖性强可能也会因为经验不够充分导致生成的预防控制策略精度低。
4.由于有源配电网cps系统组成结构复杂，包含了含有大量的风电、光电等分布式电源的电力网与信息网，该系统具备相互依赖性、不确定性等特性，同时具备发生跨域连锁故障这种复合故障模式的风险。在目前的基于数据驱动的预防控制策略生成方法中，针对单一网络(电力网或者信息网)的预防控制策略生成方法不适合阻断跨域连锁故障这种复合故障的发生，而针对传统配电网的预防控制策略生成方法不适合于故障多发的分布式电源的有源配电网cps系统，从而使得目前基于数据驱动的预防控制策略生成方法不适用于有源配电网cps系统。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种有源配电网cps系统预防控制策略与故障模式智能匹配方法。
7.技术方案
8.一种有源配电网cps系统预防控制策略与故障模式智能匹配方法，其特征在于步骤如下：
9.步骤1：定义有源配电网cps网络并提取有源配电网cps系统中的故障模式特征：将
电力网与信息网中的设备与线路都分别抽象为节点与边，首先按照节点和边的关系定义有源配电网cps网络；然后依次提取电力网中边的故障模式特征，再获得电力网中节点的故障模式特征，其次得到电力网节点和边故障模式特征是否出现的判断条件并形成电力网故障模式特征，接着提取信息网的故障模式特征，最后组合电力网的故障模式特征与信息网的故障模式特征形成有源配电网cps系统的故障模式特征；
10.按照故障模式判断规则形成电力网的故障模式特征向量(r1,r2,...rn)
t
，t表示转置运算，n表示电力网故障模式特征的个数；然后需要给出信息网中的故障模式特征，由于在有源配电网cps系统中，信息网中的节点需要采集电力网中节点n
p
的数据以对该节点n
p
进行状态检测，然后再对电力网相应的节点发布控制信息；因此，将信息网中的故障模式特征分为两类：节点失效故障模式特征state
i
以及通信延迟故障模式特征d
i
，i∈v
i
，v
i
表示信息网节点集合；这样信息网中的故障模式特张向量为(state1,d1,state2,d2,...,state
m
,d
m
)
t
，m表示信息网故障模式特征的个数；最后，综合电力网故障模式特征向量与信息网中的故障模式特征向量形成了有源配电网cps系统中的故障模式特征x＝(r1,r2,...,state1,d1,...)
t
∈x，x表示故障模式特征空间；
11.步骤2：表示候选预防控制策略集合k：预防控制策略u是一个函数映射关系u:s
→
a，s表示状态空间，a表示控制动作空间，它表示在有源配电网cps系统的某种故障模式特征下出现的不同断面下，为了使系统稳定运行于某个特定断面下所必须采取的控制动作：切机或者切负荷；这个断面由系统一定方向的断面功率进行表达；将候选预防控制策略集合中的预防控制策略元素表示为|k|个类别k1,k2,....,k
|k|
，即y＝{k1,k2,....,k
|k|
}；其中，|k|表示候选的预防控制策略集合k的势；
12.步骤3：匹配有源配电网cps系统的故障模式特征x与候选预防控制策略k；整个匹配过程分为：训练过程与预测过程；在训练过程中，通过有监督的方式采用分而治之的思想将多类别分类转化为多个二类别分类实现故障模式特征x与候选预防控制策略k的智能匹配；在预测过程中，按照少数服从多数的规则投票表决所有这(|k|(|k|
‑
1))/2个二分类分类器的预测预防控制策略从而获得最终的预防控制策略；通过有源配电网cps系统的故障模式特征x与候选预防控制策略k的匹配，获得函数h：x
→
y，即输入空间x到输出空间y的映射。
13.本发明技术方案更进一步的说：步骤1中所述的电力网中边的故障模式特征包括：突变功率变化特征变量、突变电流变化特征变量、一相跳闸信号特征变量、故障电压、故障电流、两相跳闸信号特征、两相跳闸时间差特征、无故障跳闸前功率、无故障跳闸后功率、无故障跳闸电流。
14.本发明技术方案更进一步的说：步骤1中所述的电力网中节点的故障模式特征包括：零序电压特征、电压消失特征变量、零序电流特征、高电压异常特征、频率过高特征、频率过低特征、电压高于电压阈值。
15.本发明技术方案更进一步的说：步骤1中提取信息网的故障模式特征具体为：量化判断电力网中边和节点故障模式特征是否出现的判断条件，一旦获得节点和边故障模式特征是否出现的判断条件，然后通过故障模式判断规则形成电力网中的故障模式特征；故障模式判断规则是根据巴科斯范式对电网故障模式特征规则进行定义，其规则语法为：
16.<rule>:＝<expression>|<character>|true|false；
17.<expression>:＝<character><logop><character>；
[0018][0019]
<character>:＝f(c
i
)|f(c
i
)<logop>f(c
j
)；
[0020][0021]
其中，<rule>表示规则的定义，|表示逻辑或，c
i
表示故障模式特征变量，其取值为实时采集的电网数据；表示故障模式特征变量对应的阈值；当针对电力网故障模式特征定义的巴科斯范式判断规则取值为true时，表示该规则生效。
[0022]
本发明技术方案更进一步的说：步骤3中训练的具体过程如下：在训练时将候选预防控制策略集合k中的|k|个类别k1,k2,....,k
|k|
依次两两组合，从而形成了(|k|(|k|
‑
1))/2个二分类分类器；然后按照含有m个样例的训练集n＝{(x1,y1),(x2,y2),...,(x
m
,y
m
)}，y
i
∈y依次训练这(|k|(|k|
‑
1))/2个二分类分类器。
[0023]
这样，在不同的有源配电网cps系统故障模式特征下，首先按照学习获得的匹配函数h(x)获得相应的预防控制策略k，该预防控制策略k按照如表1所示的不同断面功率确定相应的切机容量，从而得到预防有源配电网cps系统中跨域连锁故障这种故障模式传播的目的，保证系统的安全稳定运行。
[0024]
有益效果
[0025]
本发明提出的一种有源配电网cps系统预防控制策略与故障模式智能匹配方法，它充分利用有源配电网cps系统中故障模式和与之匹配的预防控制策略的历史数据，通过分而治之的思想将多类别分类转化为多个二类别分类实现故障模式与控制策略的智能匹配，来解决如何阻断有源配电网cps系统中跨域连锁故障这类复合故障模式的传播问题，以增强有源配电网cps系统的鲁棒性。
[0026]
相比现有技术，有益效果是：
[0027]
(1)本发明提出了一种有源配电网cps系统预防控制策略与故障模式智能匹配方法，利用历史数据来阻断有源配电网cps系统中跨域连锁故障这类复合故障模式的传播；
[0028]
(2)本发明通过获得覆盖面合理的训练样本以及进行合适的调参学习，使得该方法能够克服基于理论分析的预防控制策略生成方法和基于物理实验的预防控制策略生成方法的成本高和精度低的问题。
附图说明
[0029]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0030]
图1有源配电网cps系统的简化架构图。
[0031]
图2故障模式特征与候选预防控制策略智能匹配的预防控制方法的流程图。
[0032]
图3有源配电网cps系统gn针对跨域连锁故障的预防控制过程。
具体实施方式
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]
参照图1
‑
3，结合具体实例，本发明提出的一种有源配电网cps系统预防控制策略与故障模式智能匹配方法，整个故障模式特征与候选控制策略智能匹配的预防控制方法的流程图如图2所示，具体步骤如下：
[0035]
步骤1、定义有源配电网cps网络并提取有源配电网cps系统中的故障模式特征。本发明将电力网与信息网中的设备与线路都分别抽象为节点与边，如图1所示；首先按照节点和边的关系定义有源配电网cps网络，然后依次提取电力网中边的故障模式特征，再获得电力网中节点的故障模式特征，接着得到电力网节点和边故障模式特征是否出现的判断条件并形成电力网故障模式特征，接着提取信息网的故障模式特征，最后组合电力网的故障模式特征与信息网的故障模式特征形成复合故障模式特征。电力网中边的故障模式特征包括：突变功率变化特征变量、突变电流变化特征变量、一相跳闸信号特征变量、一相跳闸信号特征变量等，具体电力网边的故障模式特征如表2所示。电力网中节点的故障模式特征包括：零序电压特征变量、电压消失特征变量等，具体的电力网节点故障模式特征如表3所示。在具体的电力网故障模式的判断条件中会涉及很多变量符号，为了便于理解，具体本发明中用的符号及其语义如表4所示。需要量化判断电力网中边和节点故障模式特征是否出现的判断条件，例如，边的突变功率变化特征变量c1的判断条件为当前时刻t的有功功率值与200ms前的有功功率值的差大于该边的功率变化定值δp
s
为真时，表明突变功率变化特征变量c1出现；其他具体的判断电力网中边和节点故障模式特征是否出现的判断条件如表5所示。一旦获得节点和边故障模式特征是否出现的判断条件，然后通过故障模式判断规则形成电力网中的故障模式特征；故障模式判断规则是根据巴科斯范式对电网故障模式判断规则进行定义，其规则语法为：
[0036]
<rule>:＝<expression>|<character>|true|false；
[0037]
<expression>:＝<character><logop><character>；
[0038][0039]
<character>:＝f(c
i
)|f(c
i
)<logop>f(c
j
)；
[0040][0041]
当针对电力网故障模式特征定义的巴科斯范式判断规则取值为true时，表示该规则生效；具体的七类判断故障模式特征的规则语法为：
[0042]
r1＝c1∨c2[0043]
r2＝r1∧c3∧c4∧c5[0044]
r3＝r1∧c4∧c5∧c6∧c7[0045][0046]
r5＝r1∧c2∧c8∧c9∧c
10
[0047]
r6＝(p1∧d1)∨(p2∧d1)
[0048]
r7＝(p3∧d1)∨(p4∧d1)∨(((p5∨p6)∧p7)∧d2)
[0049]
通过巴科斯范式定义的七类故障模式的规则具体语义为：
[0050]
(1)规则r1取值为true时，对应的是突变量启动。在突变量启动之后，进而对故障类型进行判断。
[0051]
(2)规则r2取值为true时，电网线路发生单相瞬时故障。
[0052]
(3)规则r3取值为true时，电网线路发生单相永久故障。
[0053]
(4)规则r4取值为true时，电网线路发生相间故障。
[0054]
(5)规则r5取值为true时，电网线路发生无故障跳闸，此时无需采取控制策略。
[0055]
(6)规则r6取值为true时，出现零序电压过大或电压消失，输出pt断线信号。
[0056]
(7)规则r7取值为true时，出现零序电流过大，高电压异常或频率越限，输出异常信号。
[0057]
按照故障模式判断规则形成电力网的故障模式特征向量(r1,r2,...rn)
t
，t表示转置运算，n表示电力网故障模式特征的个数。然后需要给出信息网中的故障模式特征，由于在有源配电网cps系统中，信息网中的节点需要采集电力网中节点n
p
的数据以对该节点n
p
进行状态检测，然后再对电力网相应的节点发布控制信息。有源配电网cps系统信息网中节点有可能遭遇数据注入攻击、改变继电器设置攻击、远程关断命令注入攻击或者断电等，这会直接导致电力网中某一点的局部控制器出现故障，不能对电力网中的执行机构发送控制命令，该局部控制器可能控制电力网当中的发电机、并联电容器、无功补偿器、调压变压器、继电器等。由于信息网当中节点不能发送控制命令，可能会导致电力网中相应线路出现过载例如过电压、过电流等，进而以一定的概率导致线路出现短路故障进而被保护装置切除，被切除线路的潮流转移到其他线路上，此效应与不受控的执行机构一起引起其他线路出现故障。该故障通过有源配电网cps系统操作人员收集信息网节点n
i
的状态值state
i
进而确认该节点是否发生节点失效故障，当信息网节点不能发送控制命令或者采集电力网当中节点的状态信息时，状态值state
i
＝1，即认为该节点出现节点失效故障。反之，若状态值state
i
＝0，则认为该设备可进行发送控制命令等行为。
[0058]
此外，在信息网当中，信息节点之间的通信以及部分信息节点对电力网节点发送控制命令等需要通过网络进行操作，这就有可能遭遇网络当中负载较大、拒绝服务攻击等情况，使得信息传达不到目标节点。就这有可能导致目标节点因接收不到控制命令等原因不能及时做出正确的反应，进而导致该节点发生故障。通信延迟故障为信息网设备间比较常见的一类故障，该故障可通过测量设备之间的通信延迟数据，判断该通信延迟是否超过一定的阈值，若超过，则判断该节点发生了通信延迟故障。通信延迟判断依据如公式(1)所示。
[0059]
nd≥nd
s (1)式中：nd代表当前节点的通信延迟，nd
s
代通信延迟的阈值。
[0060]
因此，将信息网中的故障模式特征分为两类：节点失效故障模式特征state
i
(i∈v
i
，v
i
表示信息网节点集合)以及通信延迟故障模式特征d
i
(i∈v
i
，v
i
表示信息网节点集合)；这样信息网中的故障模式特张向量为(state1,d1,state2,d2,...,state
m
,d
m
)
t
，m表示信息网故障模式特征的个数。最后，综合电力网故障模式特征向量与信息网中的故障模式特征向量形成了有源配电网cps系统中的故障模式特征x＝(r1,r2,...,state1,d1,...)
t
∈x，x表示故障模式特征空间。
[0061]
表2、电力网边的故障模式特征及符号表
[0062]
电力网中边的故障特征符号突变功率变化特征c1突变电流变化特征c2一相跳闸信号特征c3故障电压c4故障电流c5两相跳闸信号特征c6两相跳闸时间差特征c7无故障跳闸前功率c8无故障跳闸后功率c9无故障跳闸电流c
10
[0063]
表3、电力网节点的故障模式特征表
[0064]
电力网中节点的故障特征符号零序电压特征p1电压消失特征p2零序电流特征p3高电压异常特征p4频率过高特征p5频率过低特征p6电压高于电压阈值p7[0065]
表4、本发明中用到的符号及其语义
[0066]
[0067][0068]
表5、判断电力网中边和节点故障模式特征出现的条件
[0069]
[0070][0071]
步骤2、表示该有源配电网cps系统gn中候选预防控制策略集合k。预防控制策略是一个函数映射关系，它表示在有源配电网cps系统的某种故障模式特征下出现的不同断面下，为了使系统稳定运行于某个特定断面下所必须采取的控制措施：切机或者切负荷；这个断面由系统一定方向的断面功率进行表达。例如，对应于ab一回线从a变电站送b变电站方向的单永故障模式特征下对应的预防控制策略示例如表1所示；其中，断面功率被分成w1、w2、w3、w4、w5、w6这六档，切机容量被分成pgq1、pgq2、pgq3、pgq4、pgq5、pgq6这六档。将候选预防控制策略集合中的预防控制策略元素表示为|k|个类别k1,k2,....,k
|k|
，即y＝{k1,k2,....,k
|k|
}；其中，|k|表示候选的预防控制策略集合k的势。
[0072]
表1、预防控制策略示例
[0073][0074]
在该gn中有对应的预防控制策略集合，这些预防控制策略能够根据gn中某种故障模式特征x下出现的具体断面(用特定流向的断面功率表示)情况，采取切机或者切负荷的控制措施来干预系统gn的状态变迁从而使得系统gn稳定运行于期望的断面下。为了便于区分策略集合k中的不同策略元素，用符号k1,k2,....,k
|k|
对策略元素进行标记，这样就形成了包含|k|个类别的策略集合，用y＝{k1,k2,....,k
|k|
}表示。
[0075]
步骤3、匹配有源配电网cps系统gn的故障模式特征x与候选预防控制策略k。首先，针对该有源配电网cps系统gn收集历史数据样例集合，其具体形式为{(x
m
，k
m
)|m>0}，其中x
m
表示该有源配电网cps系统gn的第m个故障模式特征向量，k
m
∈y表示该有源配电网cps系统gn的与标记k
m
对应的预防控制策略。然后，在训练过程中依次按照含有预防控制策略标记序对序列(k1,k2)、(k1,k3)、...、(k1,k
|k|
)、(k2,k3)、...、(k2,k
|k|
)、....、(k
|k|
‑1,k
|k|
)的训练样例n＝{(x1,y1),(x2,y2),...,(xm,y
m
)}，y
i
∈y来训练(|k|(|k|
‑
1))/2个支持向量机二分
类分类器h
ij
(x)，其中，i和j都为正整数且1≤i<|k|、i<j≤|k|。最后，训练完成后获得的多分类器h(x)在预测阶段按照相对多数投票法来获得得票最多的标记，如果有多个标记的得票数相同，则按照均匀概率分布对这几个标记进行采样从而获得具体的预防控制策略，整个过程如图2中的匹配过程所示。
[0076]
总结，首先在离线学习阶段，将有源配电网cps系统gn中故障模式特征与预防控制策略匹配的历史数据样本送入基于支持向量机的多类别分类器中，经过训练后获得故障模式特征与预防控制策略的匹配器，然后该匹配器在在线运行过程中，依据获得的有源配电网cps系统gn的故障模式特征x匹配相应的预防控制策略k，该预防控制策略k按照如表1所示的不同断面功率确定相应的切机容量；最后，预防控制策略k依据当前的断面功率采取相应的切机措施；整个过程图如图3所示，从而得到预防有源配电网cps系统gn中跨域连锁故障这种故障模式传播的目的，保证系统的安全稳定运行。
[0077]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。