基于信息物理融合的電力系統(tǒng)節(jié)點脆弱性分析

黃新

（泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000）

1 引言

智能電網(wǎng)是一種典型的信息物理融合系統(tǒng)，它是由電力物理系統(tǒng)，信息系統(tǒng)通過信息鏈路通道有機(jī)地結(jié)合在一起構(gòu)成的交互系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比較，信息系統(tǒng)的介入為電力系統(tǒng)提供了神經(jīng)中樞控制中心，對電力系統(tǒng)中功率流通和電能質(zhì)量不斷做出調(diào)控作用，使得電能利用和系統(tǒng)運行更加優(yōu)化，然而同時也增加了電力系統(tǒng)的脆弱性。融合信息系統(tǒng)的電力系統(tǒng)脆弱性分析對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有實際指導(dǎo)意義，對于智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有推進(jìn)作用。

2 信息物理融合電力系統(tǒng)建模

2.1 信息物理融合電力系統(tǒng)的物理模型

為了研究信息物理融合電力系統(tǒng)，首要任務(wù)是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建立，按照對電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，本部分根據(jù)圖論知識和網(wǎng)絡(luò)的概念，將信息物理融合電力系統(tǒng)劃分為三部分：信息系統(tǒng)層、電力系統(tǒng)層和信息-電力交互通道。

2.2 信息物理融合電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

為了研究信息物理融合電力系統(tǒng)中信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)相互之間的關(guān)聯(lián)特性，需要建立信息系統(tǒng)與電力物理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣，通過信息物理融合電力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣來描述復(fù)合系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，反映了信息系統(tǒng)影響電力系統(tǒng)的路徑，建立信息物理融合電力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣如式(2-1)所示：

其中：表示電力系統(tǒng)的自關(guān)聯(lián)矩陣，AE表示信息系統(tǒng)的自關(guān)聯(lián)矩陣，AI表示信息系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)矩陣，表示互關(guān)聯(lián)矩陣的轉(zhuǎn)秩。

3 信息物理融合的電力系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)

3.1 電力系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)

在電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備之間的能量由電源到負(fù)荷流通，按照能量流的概念進(jìn)行分析，電力系統(tǒng)中的能量是按照功率的形式存在的。根據(jù)源流路徑電氣剖分法電力系統(tǒng)自然功率分配主要取決于電力支路上狀態(tài)分量的分布情況。

3.2 信息系統(tǒng)的脆弱性指標(biāo)

信息系統(tǒng)的脆弱性主要考慮兩個方面，一個是節(jié)點的脆弱性，一個是支路的脆弱性，信息交互鏈路之間的脆弱性，根據(jù)鏈路上的不同業(yè)務(wù)信息進(jìn)行分析和計算。信道傳輸延時，業(yè)務(wù)數(shù)量，業(yè)務(wù)的重要度等都會對系統(tǒng)的脆弱性造成影響。

3.3 信息物理融合電力系統(tǒng)的脆弱性指標(biāo)

考慮信息傳輸交互鏈路上路由選擇概率，定義交互通道上的鏈路交互脆弱值為：

其中CI[BI（i，v）]表示通信節(jié)點i與電力節(jié)點v之間的通道脆弱性，psk為第k類業(yè)務(wù)信息在該通道內(nèi)傳輸?shù)穆酚蛇x擇概率。

對于融合系統(tǒng)的脆弱性評估，需要綜合考慮電力系統(tǒng)CP[Npi]，信息系統(tǒng)CE[Nei]和交互鏈路CI[BI（i，v）]上的脆弱性指標(biāo)，[Npi]計算公式如下

其中得出與電力系統(tǒng)i節(jié)點相連的信息節(jié)點或通道的最大脆弱值。

4 信息物理融合的電力系統(tǒng)脆弱性分析

本文對于信息系統(tǒng)影響下電力系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行分析，提出了新型電力系統(tǒng)脆弱性分析方法，并就具體的電力系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性分析實施，做了定性和定量的分析。

4.1 脆弱性判斷機(jī)理

分析系統(tǒng)的脆弱性時，將脆弱值歸一到(1，0)之間，根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)和研究經(jīng)驗，脆弱值在 (0，0.5)為良好狀態(tài)、(0.5，0.7)為警告狀態(tài)、(0.7，0.9)為危險狀態(tài)和(0.9，1)為退出運行狀態(tài)。通過監(jiān)控狀態(tài)的劃定，在進(jìn)行評估后可以獲得電力系統(tǒng)脆弱值監(jiān)控狀態(tài)集合，集合中包含脆弱節(jié)點信息。

具體分析步驟為：①根據(jù)原始數(shù)據(jù)信息，形成信息物理融合電力系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣；②根據(jù)脆弱性指標(biāo)計算出系統(tǒng)的脆弱值，形成脆弱性矩陣；③根據(jù)受攻擊模式，重新形成脆弱矩陣；④形成脆弱集，對系統(tǒng)的脆弱情況做詳細(xì)分析。

4.2 脆弱性分析

因為信息節(jié)點是與電力節(jié)點通過信道鏈路聯(lián)系到一起的，越多的信息節(jié)點受到攻擊，對電力系統(tǒng)影響也就越大，本小節(jié)針對兩個節(jié)點受攻擊模式下，分析電力系統(tǒng)的脆弱程度。圖1給出了信息節(jié)點1-2、1-3、2-3受攻擊情形下，電力系統(tǒng)脆弱性分析結(jié)果。

圖1 信息節(jié)點受攻擊前后電力系統(tǒng)脆弱分析結(jié)果

由圖1可見，在經(jīng)歷了兩個節(jié)點沖擊之后，電力系統(tǒng)的脆弱程度與未受攻擊時，更加嚴(yán)重了。從變化趨勢來看1-2受攻擊時，電力節(jié)點“1”“4”“5”“12”“15”“16”變化明顯；其中最為嚴(yán)重的是節(jié)點“1”“4”和節(jié)點“12”“16”，從數(shù)值上來看，都從0.5以內(nèi)跳躍到0.8左右，按照考量標(biāo)準(zhǔn)，這幾個節(jié)點已經(jīng)處于預(yù)警位置，應(yīng)該引起特別重視，尤其是節(jié)點“5”，原本就比較脆弱，受影響后，達(dá)到0.9，因此可能會退出運行。1-3受攻擊時，節(jié)點“5”，原本就比較脆弱，受影響后，達(dá)到0.9，因此可能會退出運行，同時“10”號點是躍變最大的，也說明受攻擊影響下，節(jié)點“10”受沖擊最大，根據(jù)該點的重要程度，可能引起系統(tǒng)崩潰。2-3受攻擊時，12受沖擊最大，根據(jù)該點的重要程度，可能引起系統(tǒng)的崩潰。

表1 多信息節(jié)點受攻擊前后電力系統(tǒng)脆弱集

從表1可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了兩個節(jié)點沖擊之后，電力系統(tǒng)的脆弱程度與未受攻擊時，更加嚴(yán)重了，并且與受攻擊節(jié)點的位置密切相關(guān)。脆弱節(jié)點數(shù)量也大大增加，脆弱程度也進(jìn)一步增加了。需要采取一定的措施，對其進(jìn)行改善，否則將會引起大面積停電事故，系統(tǒng)可能崩潰。對于更多數(shù)量的節(jié)點受攻擊時，嚴(yán)重程度將進(jìn)一步增加，受電力節(jié)點之間的相互影響，網(wǎng)絡(luò)的總體脆弱度也會增加，因此需要及時進(jìn)行保護(hù)處理，改善系統(tǒng)的脆弱性。

5 總結(jié)

為了評估信息物理融合下電力系統(tǒng)的脆弱性，本文對這種新型系統(tǒng)的建模做了必要說明，在脆弱性研究上，對信息系統(tǒng)節(jié)點進(jìn)行模擬攻擊，通過對脆弱性指標(biāo)計算分析，定量對電力系統(tǒng)脆弱值進(jìn)行計算，來研究信息系統(tǒng)對電力系統(tǒng)脆弱性的影響。研究表明：多信息節(jié)點受攻擊時，對于直接相連的節(jié)點，受到頗大影響，對于原本就相對脆弱的電力節(jié)點，很可能因為受沖擊比較大而退出運行；對于與受控節(jié)點相關(guān)聯(lián)的電力節(jié)點，其脆弱性也有一定程度上的增加；同時，電力系統(tǒng)脆弱節(jié)點數(shù)量大大增加，網(wǎng)絡(luò)的總體脆弱程度進(jìn)一步增加，需要及時進(jìn)行保護(hù)處理，改善系統(tǒng)的脆弱性。