基于關聯(lián)特性矩陣的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)建模及設計

李濤

(陜西省渭南供電公司,714000)

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)已具備信息物理系統(tǒng)的典型特征，物理過程與信息處理的密切融合，是電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的關鍵所在。隨著科技的進步，電網(wǎng)發(fā)展逐漸智能化，是信息物理融合系統(tǒng)的典型。電網(wǎng)信息網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，電力系統(tǒng)逐漸向自動化發(fā)展，傳感器數(shù)量不斷增加，決策單元數(shù)量也隨之增加。此外，能源互聯(lián)網(wǎng)也在深入推廣，電力系統(tǒng)控制決策受到不斷增加的外部信息直接或間接的影響，電網(wǎng)與信息網(wǎng)絡的相互影響變得更為復雜。為確保系統(tǒng)的靈活性和有效性，建立電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)模型有極大的作用，便于更好的分析、控制復雜的電網(wǎng)體系，通過3C技術的有機融合，將計算系統(tǒng)、物理環(huán)境、通信網(wǎng)絡融為一體，形成一個多維異構復雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)除提供信息服務外，還可以實時感知，完成動態(tài)控制。現(xiàn)有的通信信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)研究在理論和方法上已相對成熟但彼此割裂 。通過信息物理系統(tǒng)的技術手段，完成對電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)建模具有重大意義[1]。

1 現(xiàn)狀

目前在電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)建模方面，研究正在逐步開展，在物理過程中，考慮到通信信息的作用效果，以此為基礎進行建模與控制，側重傳統(tǒng)的物理實體與信息元素的有機融合。引入信息和物理系統(tǒng)的輸入與輸出信號，將信息的作用融合到每個信息物理模塊內(nèi)的傳輸、處理、執(zhí)行過程中，雙層多代理的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)框架，以集群理論為依據(jù)，劃分信息物理系統(tǒng)集群，利用較少信息就能完成對其分布式控制；在閉環(huán)控制過程中，側重連續(xù)物理過程與離散信息過程間的交互影響，分析、控制信息物理交互影響過程，基于此提出了電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)動態(tài)建模方法，從分析與應用系統(tǒng)的實際情況出發(fā)，融合用有限狀態(tài)機與混合邏輯動態(tài)模型，將電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)進行抽象處理，把系統(tǒng)中的狀態(tài)量用“數(shù)據(jù)節(jié)點”表示，將信息處理、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)用“信息支路”表示，通過有向拓撲圖建立信息物理系統(tǒng)靜態(tài)模型，該方法更注重描述信息映射關系；信息物理耦合過程的建模與分析，側重對過程特性的建模、分析與控制，采用關聯(lián)矩陣的方法，建立耦合關系模型，對通信鏈路故障等進行量化分析，基于此提出對電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的分析方法，但此方面的研究方法大多針對具體業(yè)務，沒有形成完整的建模與分析方法的框架體系，適應性有待提高[2]。

2 電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)矩陣化建模

2.1 電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)層次結構

本文從安全穩(wěn)定控制應用出發(fā)，在實際運行時，實時感知物理電網(wǎng)的電壓、電流等狀態(tài)，并對其進行分析、判斷，通過電纜和同步數(shù)字設備，安控子站將分析結果傳輸至安控主站，安控主站進行決策，下發(fā)控制指令，通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)桨部刈诱荆娋W(wǎng)CPS實現(xiàn)完整的閉環(huán)控制過程，這個過程就是一個獨立的電網(wǎng)CPS系統(tǒng)。信息物理耦合過程為：二次設備中的傳感器轉化能量流為信息流，經(jīng)過傳輸和信息預處理，信息流轉化為輸入信息，根據(jù)輸入信息，決策單元產(chǎn)生控制指令，將其傳至物理實體。電網(wǎng)CPS系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)CPS系統(tǒng)結構圖

在電網(wǎng)CPS中，通過信息物理耦合層，信息系統(tǒng)層和物理實體層緊密聯(lián)系，任意節(jié)點出現(xiàn)故障，都會影響電網(wǎng)CPS系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性[3]。

2.2 電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)建模

本文提出的信息物理耦合層建模過程為：對通信網(wǎng)進行建模；以二次設備網(wǎng)與通信網(wǎng)的關聯(lián)關系為依據(jù)，建立二次設備網(wǎng)絡模型；然后通過關聯(lián)特性矩陣將各層聯(lián)合起來，形成完整的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)模型[4,5]，其框架如圖2所示。

圖2 整體建模框架

主要描述各層間的結構和邏輯關聯(lián)關系。計算分析過程如圖3所示。

圖3 計算分析過程

電網(wǎng)CPS混成計算方法支撐通信、信號傳輸路徑等搜索，使用其對模型進行各層的簡化與等值，將二次設備網(wǎng)與通信網(wǎng)的作用效果反映至物理-信息耦合矩陣(P-I矩陣)中。基于模型和混成計算方法，可將信息和物理節(jié)點間的關聯(lián)關系反映出來。

電網(wǎng)CPS建模中，通信網(wǎng)絡最終穩(wěn)定后的狀態(tài)無需關注，只監(jiān)測當前時段的通信性能。通信延時、中斷、誤碼等性能(實時測量的或歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到)需通信網(wǎng)模型描述。分析需求不同導致通信性能不同其表現(xiàn)形式不同，如分析通信中斷對系統(tǒng)運行的影響時，可用“0-1”狀態(tài)表示中斷與否。分析通信中斷對系統(tǒng)可靠性的影響時，需要描述為通信中斷概率(通信可靠性)。因此為描述節(jié)點和支路的通信性能，本文選用具有可拓展性的多元組，如下式所示，Tij代表通信延時，PB,ij代表中斷概率，PM,ij代表傳輸錯誤概率，i與j為節(jié)點。

CIj=[TIj，PB,Ij，PMIj，…]

基于通信節(jié)點和支路模型，對通信節(jié)點(m個)的通信網(wǎng)絡進行建模。通信網(wǎng)鄰接矩陣(C)的結構定義如下式所示，信息在通信網(wǎng)中的傳輸過程由C矩陣描述。CIj=[TIj，PBij，PMIj]，I=j，則Ij表示通信節(jié)點;I≠j，則表示通信支路。

二次設備網(wǎng)絡是基于電力通信網(wǎng)之上的控制網(wǎng)絡，服務于電網(wǎng)的測量、控制、分析和計算等功能。下文算例中展示的安全穩(wěn)定控制網(wǎng)絡就是一種二次設備網(wǎng)絡。二次設備網(wǎng)絡功能主要包括信息的傳輸和信息的預處理，其對電網(wǎng)CPS的影響除了表現(xiàn)在信號傳遞的延時、信號丟失和信號傳輸錯誤外，還體現(xiàn)在信息預處理的準確性和可靠性等方面。二次設備網(wǎng)絡建模主要包括二次設備節(jié)點及網(wǎng)絡拓撲建模，還包括與對應通信網(wǎng)絡之間的關聯(lián)關系的建模。

2.2.1 二次設備節(jié)點建模

本文對二次設備的節(jié)點建模方法如圖4所示。

圖4 二次設備節(jié)點建模方法

二次設備節(jié)點功能特性使用多元組描述，如下式所示。

Sii=[Fii(ainput),Tii(Fii),Pii(Fii),…]

Fii(ainput)代表信息處理算法，Tii(Fii)代表處理信息產(chǎn)生的延時，Pii(Fii)代表信息處理錯誤概率，以及二次設備內(nèi)置的其他算法邏輯。對二次設備進行建模，形成對角矩陣(二次設備節(jié)點模型)如下式所示。

對包含的電網(wǎng)CPS網(wǎng)絡，采用關聯(lián)特性矩陣S-C(二次設備節(jié)點—通信節(jié)點)，對應關聯(lián)關系，對采集信息上傳過程進行描述，其結構定義如下，k為二次設備節(jié)點個數(shù)，m為通信節(jié)點個數(shù)。

采用可擴展多元組S-Cij=[S-CTP ，ij，S-CT,ij，S-CPB ，ij，…]來描述通信節(jié)點(i)和二次設備層節(jié)點(j)間的關聯(lián)關系，S-CTP ，ij表示是否直連，S-CT ，ij表示延時，S-CPB,Ij表示中斷概率。

2.2.2 二次設備網(wǎng)絡建模

二次設備網(wǎng)絡用來反映各節(jié)點之間性能，基于二次設備—通信網(wǎng)關聯(lián)模型，如二次設備節(jié)點間延時不僅與其信息處理延時有關，還與通信網(wǎng)絡性能有關。二次設備網(wǎng)絡結構由矩陣S(二次設備網(wǎng)鄰接矩陣)描述，其結構定義如下，其中SIj=[F(ainput),TIj,PBIj…]若i=j,則ij表示二次設備節(jié)點，若i≠j，則表示二次設備通道；k表示二次設備節(jié)點個數(shù)。

3 基于關聯(lián)特性矩陣的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的設計

建立物理設備S-P(或P-S)關聯(lián)特性矩陣，建立S-I(I-S)(二次設備—信息關聯(lián)特性矩陣)，聯(lián)通物理實體層、信息系統(tǒng)層、信息物理耦合層，從而形成完整的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)模型。對電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡，建立如下關聯(lián)特性矩陣(其中n代表物理節(jié)點個數(shù)、m代表通信節(jié)點個數(shù)、k代表二次設備節(jié)點個數(shù)、1個信息應用節(jié)點)：P-S(物理一二次設備關聯(lián)特性矩陣)矩陣為n×k階矩陣，在信息采集過程中，建立物理實體與二次設備網(wǎng)的聯(lián)系，其關聯(lián)關系由P-S矩陣中的元素表示；S-P(二次設備—物理關聯(lián)特性矩陣)矩陣為k×n階矩陣，在命令執(zhí)行過程中，建立二次設備網(wǎng)絡和物理實體的關系，其關聯(lián)關系由該矩陣元素表示；S-I(二次設備—信息關聯(lián)特性矩陣)矩陣為k×l階矩陣，二次設備上傳實時分析結果，信息系統(tǒng)層決策單元接收上傳結果，該過程中信息層與二次設備網(wǎng)的關聯(lián)關系由該矩陣元素表示；I-S(信息一二次設備關聯(lián)特性矩陣)矩陣為l×k階矩陣，決策單元下發(fā)控制指令，二次設備接收指令，整個過程的特性由矩陣元素表示，該矩陣主要描述二次設備網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)層的關聯(lián)關系[12-13]。本文以S-P為例(建立上述幾個關聯(lián)特性矩陣過程相似)，其定義過程如下：

采用多元組S-Pij=[S-PTP，ij，S-PT ij，S-PP M ,ij…]來描述物理層和二次設備層節(jié)點之間信息關聯(lián)關系，其中i表示物理節(jié)點、j表示二次設備節(jié)點、S-PTP，ij表示ij之間的拓撲關聯(lián)關系。可用“0—1”表示，若ij間沒有直接交互關系，用0表示相應位置的元素。S-PTij表示交互延時(如執(zhí)行控制命令的延時)，S-PPM,ij表示交互可靠程度(如正確執(zhí)行控制命令的概率)。

4 電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)模型的測試

本文以實際特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)作為研究對象，對控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進行監(jiān)測，在系統(tǒng)處于N-2故障情況下，從暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度維度出發(fā)，分析不同通信鏈路的通信誤碼對其產(chǎn)生的影響，以此來驗證模型的合理性。結果表明本文所提出的基于關聯(lián)特性矩陣的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)模型實用性較高，可有效分析不同通信鏈路的性能對電網(wǎng)的影響；系統(tǒng)的設計能夠提高電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[6]。

5 總結

為進行電網(wǎng)信息物理耦合系統(tǒng)分析，建模是關鍵。本文通過分析電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出基于關聯(lián)特性矩陣的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)建模方法，描述了電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的交互機理。該方法抽象為物理層、信息層、二次設備層和通信層，通過分析通信、信息和物理等因素影響，包括各層間的交互影響，采用關聯(lián)特性矩陣的方法描述各層內(nèi)部及層與層之間的關系，建立了電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)模型，并完成系統(tǒng)的設計。電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)內(nèi)部復雜的耦合關系，通過該模型完成有效的描述。但基于關了特性矩陣的電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)建模及系統(tǒng)設計的過程仍然存在很多問題，需要不斷完善、優(yōu)化，比如混成計算方法與模型的有效融合，作為電網(wǎng)信息物理耦合系統(tǒng)分析的關鍵點，它將是后續(xù)研究檢測的重點；本文的矩陣采用多元組的形式，通信網(wǎng)和二次設備網(wǎng)的特性研究(如延時、中斷概率、處理錯誤概率)，這些值的獲取需要準確有效，需要通過實時測量，應用理論計算，并結合歷史統(tǒng)計與以往的經(jīng)驗判斷等方式，這些都將是后續(xù)工作中深入研究的重點。