基于信息物理融合系統(tǒng)的煉化企業(yè)電力系統(tǒng)可靠性評估

吳鋒棒

(中國石化青島安全工程研究院,山東青島 266071)

0 前言

大型煉化企業(yè)電力系統(tǒng)由主網(wǎng)結構、發(fā)電、輸(供)電、配電等系統(tǒng)組成，是一個與地方電網(wǎng)強連接，且相對獨立，發(fā)、輸、供、配電功能齊全，網(wǎng)絡結構復雜的電力系統(tǒng)。煉化工程必須滿足和保障生產裝置的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷運行，因此煉化企業(yè)對供電的安全性、可靠性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和適應性要求很高。煉化生產裝置生產過程中一旦發(fā)生突然斷電、電壓波動、電壓突變，將造成大面積非計劃停車，容易導致裝置著火、爆炸、泄漏，設備損壞，人員傷亡，環(huán)境污染等重大次生事故，造成重大的經(jīng)濟損失和無法估量的社會問題。

隨著信息技術的發(fā)展，物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的融合不斷加深，復雜物理系統(tǒng)正逐漸轉型為信息物理融合系統(tǒng)(CPS,Cyber-Physical System)。CPS是綜合了計算資源、網(wǎng)絡環(huán)境和物理實體的多維復雜系統(tǒng)，通過計算、通信和控制技術的有機融合與深度協(xié)作，形成了包含智能感知層、信息挖掘層、網(wǎng)絡層、認知層和配置執(zhí)行層的5C架構(Connection，Conversion，Cyber，Cognition，Configuration)，從而實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務，目前在工業(yè)、農業(yè)和交通等行業(yè)廣泛應用[1]。

電力系統(tǒng)的發(fā)展離不開通信技術，隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，電力通信系統(tǒng)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的三大支柱之一，并扮演著越來越重要的角色。煉化企業(yè)電力系統(tǒng)中，信息與通信技術也廣泛應用于監(jiān)測、控制等環(huán)節(jié)，煉化企業(yè)電力系統(tǒng)及其智能管理控制系統(tǒng)共同構成了典型的信息物理融合系統(tǒng)。系統(tǒng)復雜性的提高、分布式電源的引入和數(shù)字技術、網(wǎng)絡技術的應用，為煉化企業(yè)電力系統(tǒng)的可靠性研究帶來了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有研究一般從物理系統(tǒng)的角度對煉化企業(yè)電網(wǎng)進行供電可靠性分析[2-6]，而信息系統(tǒng)中的惡意攻擊、信道故障和通信誤碼都有可能導致物理系統(tǒng)的運行風險。因此，對煉化企業(yè)電力系統(tǒng)進行信息-物理綜合分析，基于CPS對煉化企業(yè)電力系統(tǒng)進行建模與可靠性分析具有重要意義。

1 煉化企業(yè)電力系統(tǒng)分析

近年來，煉化企業(yè)按照高起點建設與不斷改造相結合發(fā)展，裝置規(guī)模越來越大，自動化程度越來越高，裝置設備對電能質量的要求也越來越高。煉化企業(yè)逐步采用數(shù)字技術和網(wǎng)絡技術，搭建具有分布式電源主網(wǎng)結構、管控一體化功能的石化企業(yè)數(shù)字化電網(wǎng)，并最終建成企業(yè)智能電力系統(tǒng)。在智能電力系統(tǒng)中，信息系統(tǒng)對供電系統(tǒng)的安全、高效、經(jīng)濟運行起著重要的支撐作用，但信息節(jié)點(例如傳感、控制設備)和信息通道(網(wǎng)絡)的故障和失效將會嚴重影響煉化企業(yè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運行。隨著信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的耦合程度不斷加深，有必要量化分析電力信息系統(tǒng)對物理系統(tǒng)的運行影響，從而指導煉化企業(yè)電力信息系統(tǒng)的建設。

目前，對于電網(wǎng)CPS建模和可靠性評估的研究逐漸深入，但隨著電力工業(yè)的發(fā)展，大電網(wǎng)正逐漸成為超大規(guī)模的復雜系統(tǒng)，具有容量大、分布廣、擾動傳播范圍大等特征。因此，對大電網(wǎng)進行CPS可靠性評估時，通常從供電、輸電、配電等某一環(huán)節(jié)出發(fā)，對環(huán)節(jié)本身進行可靠性評估，而忽略系統(tǒng)的整體性和一致性。煉化企業(yè)電力系統(tǒng)集發(fā)、輸、供、配為一體，且地域分布相對較小，在進行CPS可靠性評估時，可以充分考慮系統(tǒng)運行的整體性，評估物理、信息設備和不同的拓撲對于整個系統(tǒng)可靠性的影響，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中的薄弱環(huán)節(jié)，并進行加強。

因此，依據(jù)不同的電力控制管理業(yè)務，可將煉化電力系統(tǒng)劃分為獨立的單元并進行CPS過程流建模，從系統(tǒng)整體運行風險角度對煉化企業(yè)電力系統(tǒng)進行信息-物理綜合的可靠性評估，以量化評估信息系統(tǒng)故障對物理系統(tǒng)運行狀態(tài)和風險的影響，為煉化企業(yè)電力信息系統(tǒng)的建設和維護提供參考和建議。

2 煉化企業(yè)電力系統(tǒng)CPS建模

根據(jù)信息物理融合系統(tǒng)的概念，煉化企業(yè)電網(wǎng)CPS可以分為信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)兩個部分，見圖1。其中，信息系統(tǒng)包含傳感器、控制器和通信設備等；物理系統(tǒng)包含傳統(tǒng)電網(wǎng)中的發(fā)電機、變壓器、母線、負荷(電動機)、分布式電源和繼電保護裝置等設備。根據(jù)控制管理業(yè)務的不同可將整個電力系統(tǒng)CPS劃分為幾個獨立的單元，每個單元包含一組物理設備，物理設備組與傳感器和控制器相連，傳感器負責采集物理狀態(tài)并通過通信設備上傳，控制器負責為物理設備傳達控制指令，其控制指令來源于與之關聯(lián)的上層決策模塊，通信設備具有上傳和下發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

圖1 煉化企業(yè)電網(wǎng)CPS的組成與結構

CPS的運行是包含狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精準執(zhí)行的閉環(huán)過程[1]，以電力系統(tǒng)的協(xié)調二極電壓控制CSVC過程為例，在某一運行周期內，傳感器對物理電網(wǎng)的狀態(tài)進行實時感知(采集各母線電壓、有功功率和無功功率等數(shù)據(jù))，通過通信設備上傳至本地決策模塊，決策模塊分析比較上傳數(shù)據(jù)與基準數(shù)據(jù)，執(zhí)行優(yōu)化算法生成相應的控制策略，再通過通信設備將控制信息下發(fā)至連接發(fā)電設備的控制器，控制器動作改變發(fā)電機狀態(tài)，從而改變母線電壓，形成一個完整的閉環(huán)過程。該電力業(yè)務所關聯(lián)的物理設備組和傳感、控制和通信設備屬于一個獨立的CPS單元，其信息物理耦合過程為：傳感器通過信息采集將物理系統(tǒng)的能量流轉化為信息系統(tǒng)的信息流，信息流經(jīng)過通信網(wǎng)傳輸轉化為決策模塊的輸入信息，決策模塊根據(jù)輸入信息產生控制指令并將其下發(fā)至控制器，控制器動作從而實現(xiàn)信息流到能量流的轉化。

由以上閉環(huán)過程可知，CPS的信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)緊密耦合，如果信息流中產生錯誤，無論是網(wǎng)絡攻擊還是元件故障，均可能造成物理系統(tǒng)的運行安全問題。因此，有必要對信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)進行耦合分析。

分析煉化企業(yè)電力系統(tǒng)管理控制的通信過程，其信息流可以看作是從輸入數(shù)據(jù)集到輸出數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)映射。假設所有數(shù)據(jù)集均為模型化的數(shù)據(jù)節(jié)點，而信息系統(tǒng)中的設備和信息傳輸是連接數(shù)據(jù)節(jié)點的有向支路，信息系統(tǒng)即可生成由數(shù)據(jù)節(jié)點和信息支路構成的有向拓撲，結合物理系統(tǒng)中的電網(wǎng)絡拓撲，建立如圖2所示的CPS模型。

圖2 煉化企業(yè)電網(wǎng)CPS模型

各CPS單元形成獨立的閉環(huán)控制，以單元n為例建立其每一階段的模型。

a) 傳感測量階段

傳感器采集物理設備實時數(shù)據(jù)并得到單元數(shù)據(jù)集dn

dn=[dn1dn2…dnm]T

(1)

式中：dni——某一性質的數(shù)據(jù)，如有功功率P，電壓U，溫度T等。

此階段實現(xiàn)了能量流到信息流的轉換。

b) 通信上傳階段

數(shù)據(jù)集dn經(jīng)通信設備上傳至決策模塊，形成決策輸入數(shù)據(jù)集Dn

Dn=A1×dn

(2)

式中：A1——傳感器與決策模塊間的通信設備鄰接矩陣。

c) 決策階段

決策模塊接收數(shù)據(jù)集Dn后進行優(yōu)化決策，得到控制指令Cn

Cn=fn(Dn)

(3)

式中：fn(·)——單元n關聯(lián)的決策函數(shù)，由單元n運行所采用的優(yōu)化算法決定。

d) 通信下發(fā)階段

控制指令經(jīng)通信設備下發(fā)至控制器

cn=A2×Cn

(4)

式中：cn——下發(fā)至物理單元n的控制指令；

A2——決策模塊與控制器間的通信設備鄰接矩陣。

e) 控制動作階段

控制器依據(jù)指令cn控制物理設備，單元n物理狀態(tài)發(fā)生改變

ΔSn=gn(cn)

(5)

式中：Sn——物理單元n的狀態(tài)；

gn(·)——信號-狀態(tài)轉換函數(shù)，由被控制的物理設備及其控制量決定。

此階段實現(xiàn)了信息流向能量流的轉變。

3 可靠性評估及指標

在信息物理融合系統(tǒng)中，通信中斷或傳輸誤碼均有可能導致信息系統(tǒng)生成錯誤的控制指令，從而影響物理系統(tǒng)的安全性和可靠性。物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)之間相互耦合，互相影響，對其進行可靠性評估時，單獨分析一個系統(tǒng)是不全面的，必須考慮到物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的耦合關系。電力系統(tǒng)的脆弱性可以通過N-1方法進行評估，即對所有可能發(fā)生的支路物理故障進行掃描，并分析對比各種故障對應的系統(tǒng)響應[7]，該方法可同樣應用于煉化企業(yè)電網(wǎng)CPS的可靠性分析。

依據(jù)上述CPS模型，供電系統(tǒng)故障分為電網(wǎng)絡支路故障、信息支路故障和信息-物理耦合支路故障三類。電網(wǎng)絡支路故障已有充分研究，現(xiàn)主要描述后兩者。傳感器故障引起單元數(shù)據(jù)集內數(shù)據(jù)缺失；通信設備故障則會引起鄰接矩陣A1和A2的改變；決策模塊故障引起決策函數(shù)f(·)的變化；控制器故障則會引起信號-狀態(tài)轉換函數(shù)g(·)的變化。

在典型運行周期內，順序遍歷故障集，依據(jù)各信息支路和信息-物理耦合支路的故障類型，修正CPS模型參數(shù)，模擬供電系統(tǒng)CPS的運行，求解各故障集下的系統(tǒng)狀態(tài)，選取電量不足期望值(EENS，Excepted Energy not Supplied)、非計劃停運系數(shù)(UOR，Unplanned Outage Factor)和可用系數(shù)(AF，Availability Factor)等作為可靠性評估量化指標，通過對比有無故障情況下的系統(tǒng)運行狀態(tài)或安全指標，故障的嚴重性和系統(tǒng)的可靠性可得到有效評估。

4 結論

煉化企業(yè)供電系統(tǒng)正在由單純的物理系統(tǒng)發(fā)展為信息物理融合系統(tǒng)，從信息-物理耦合的角度分析煉化企業(yè)供電可靠性具有重要意義。

通過從管理控制業(yè)務角度描述了煉化企業(yè)CPS的結構組成，并建立其CPS模型描述其運行過程，最后提出了基于CPS的煉化企業(yè)供電可靠性評估方法。通過基于CPS的可靠性分析，可以發(fā)現(xiàn)電力信息系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，為煉化企業(yè)電網(wǎng)的規(guī)劃和配置，以及提高電力系統(tǒng)可靠性提供參考和建議。