基于信息物理融合的電力系統(tǒng)節(jié)點脆弱性分析

黃新

【摘 要】論文針對信息物理融合的電力系統(tǒng)脆弱性展開研究。通過選定的脆弱性指標和分析方法，在模擬信息系統(tǒng)節(jié)點受攻擊的情景下，對電力系統(tǒng)的脆弱性進行分析。

【Abstract】This paper studies the vulnerability of power system based on the information physics fusion. Through the selected vulnerability index and analysis method， the vulnerability of the power system is analyzed under the scene of the attack of the analog information system node.

【關鍵詞】信息物理融合;電力系統(tǒng);脆弱性

【Keywords】 information physics fusion; power system; vulnerability

【中圖分類號】TM401+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2018）10-0187-02

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地結合在一起構成的交互系統(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量不斷做出調控作用，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)，首要任務是對系統(tǒng)結構模型進行建立，按照對電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)拓撲結構的分析，本部分根據(jù)圖論知識和網(wǎng)絡的概念，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)相互之間的關聯(lián)特性，需要建立信息系統(tǒng)與電力物理系統(tǒng)關聯(lián)矩陣，通過信息物理融合電力系統(tǒng)關聯(lián)矩陣來描述復合系統(tǒng)的拓撲結構形式，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)關聯(lián)矩陣如式（2-1）所示：

3信息物理融合的電力系統(tǒng)脆弱性指標

3.1 電力系統(tǒng)脆弱性指標

在電力系統(tǒng)中，電力設備之間的能量由電源到負荷流通，按照能量流的概念進行分析，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

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)務信息進行分析和計算。信道傳輸延時，業(yè)務數(shù)量，業(yè)務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

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)的關聯(lián)矩陣;②根據(jù)脆弱性指標計算出系統(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以內跳躍到0.8左右，按照考量標準，這幾個節(jié)點已經(jīng)處于預警位置，應該引起特別重視，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。

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，更加嚴重了，并且與受攻擊節(jié)點的位置密切相關。脆弱節(jié)點數(shù)量也大大增加，脆弱程度也進一步增加了。需要采取一定的措施，對其進行改善，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，嚴重程度將進一步增加，受電力節(jié)點之間的相互影響，網(wǎng)絡的總體脆弱度也會增加，因此需要及時進行保護處理，改善系統(tǒng)的脆弱性。

5 總結

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)點進行模擬攻擊，通過對脆弱性指標計算分析，定量對電力系統(tǒng)脆弱值進行計算，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)絡的總體脆弱程度進一步增加，需要及時進行保護處理，改善系統(tǒng)的脆弱性。

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