基于電力系統(tǒng)信息物理融合建模與綜合安全評估

張堯 朱浩楠

（1.東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150040 2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 湖北省武漢市 430074）

在科技的引領(lǐng)下，電力系統(tǒng)飛速發(fā)展，信息物理融合建模成為流行趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，信息物理融合建模先進性較強，該方法將CPS系統(tǒng)評估后完整性分解，并進行抽象拓撲圖等操作，從中獲取“數(shù)據(jù)節(jié)點”。在整個過程中，信息傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)缺一不可，可以充當重要的“信息支路”。在現(xiàn)實工作中，通過矩陣運算的方式，完成簡單的量化計算，該方法具有可行性，可有效提升計算速率。

1 信息物理耦合系統(tǒng)綜合概述

信息物理耦合系統(tǒng)綜合性良好，技術(shù)推廣的意義非凡。實踐證明，該系統(tǒng)的應(yīng)用具有先進性，有利于網(wǎng)絡(luò)化資源優(yōu)勢發(fā)揮，并與物理世界深層結(jié)合，起到積極促進效果。研究發(fā)現(xiàn)，在電力系統(tǒng)中，想要實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用或者進行信息-物理系統(tǒng)選擇，進行高質(zhì)量的時序配置，重要的支撐就是物理耦合關(guān)鍵技術(shù)。在這樣的前提下，物理系統(tǒng)耦合與離散具有決定性影響。電力CPS功能顯著，在現(xiàn)實應(yīng)用中有許多種表現(xiàn)形式，這些形式均有各自的特征，控制中心應(yīng)用最為特別，是一個典型例子，這種模式也被稱為是系統(tǒng)的相互耦合。在現(xiàn)實應(yīng)用中，電力系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，與控制系統(tǒng)相互相成，在多種保障措施下，共同構(gòu)成了信息系統(tǒng)。在研究中，能量管理系統(tǒng)十分關(guān)鍵，是重要的分析對象。應(yīng)用中，該系統(tǒng)又稱為EMS，涵蓋廣域廣闊，除了處于核心內(nèi)容的信息實時感知(RTU/PMU)外，還將囊括優(yōu)質(zhì)的信息傳輸、處理等眾多形態(tài)[1]。空間覆蓋范圍極廣，可以達到上千公里，另外，時間上劃分也比較細膩，可以涵蓋毫秒到小時級，可以滿足優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟等較為嚴格的要求。從上述分析了解到，信息系統(tǒng)(CyberSystem)非常關(guān)鍵，起到基礎(chǔ)性作用。換句話說，電力系統(tǒng)的運行，需要信息系統(tǒng)(CyberSystem)的支撐，如果少了這部分支撐，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定將會被破壞?；谛畔⑽锢眈詈舷到y(tǒng)原理的能源智能化分布圖如圖1所示。

圖1：基于信息物理耦合系統(tǒng)原理的能源智能化分布圖

目前，隨著智能電網(wǎng)發(fā)展，信息物理耦合系統(tǒng)的需求更加迫切，為了解決信息環(huán)節(jié)的影響問題，需要借助強大的信息物理耦合系統(tǒng)功能，提高智能電網(wǎng)安全性。智能電網(wǎng)本身定位對技術(shù)要求高，是建立在IT技術(shù)之上的，這種新型電網(wǎng)優(yōu)勢突出，無論是信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，還是具體的決策單元數(shù)量，在短時間內(nèi)都大大增加，物理與信息系統(tǒng)耦合已經(jīng)成為流行趨勢，并滲透到千家萬戶。綜上可以看出，信息系統(tǒng)功能強大，為電網(wǎng)提供了技術(shù)領(lǐng)域的保障，但如果應(yīng)用期間，信息系統(tǒng)失效，所帶來的影響將會十分嚴重。基于這樣的前提，實現(xiàn)融合建模與具有實效性的綜合安全評估，有著重要的指導(dǎo)意義。

在評估的過程中，需要注意的是，新時期的智能電網(wǎng)作用顯著，作為典型的CPS系統(tǒng)，在系統(tǒng)架構(gòu)期間，其信息與物理系統(tǒng)存在某種親密關(guān)系，既相互耦合，又互相影響。在此前提下，對系統(tǒng)進行評估時，需要考慮系統(tǒng)的不安全和不全面性，合理平衡耦合關(guān)系。但從實際情況了解到，CPS建模的研究較少，尚未形成完整體系，分析具體應(yīng)用功能時，只會考慮到狀態(tài)估計、有功調(diào)度等，通常不具備通用性[2]。因此，現(xiàn)實工作中如何搭建整體模型，進行定量評估，是有挑戰(zhàn)性的課題。

2 信息物理融合建模的可行方法

在現(xiàn)實工作中，為量化信息故障影響，對信息故障有效預(yù)警、分析，可以采用建模方法，完成對信息故障的綜合性評估。

2.1 信息-能量流混成計算

電力系統(tǒng)運行時，需要考慮的因素眾多，其物理電網(wǎng)的能量流（核心參數(shù)）極為重要，特別是能量流的分布需要科學(xué)把控，其狀態(tài)改變影響深遠，從源頭直接決定系統(tǒng)的性能。通過論證發(fā)現(xiàn)，當引入信息系統(tǒng)后，系統(tǒng)功能會產(chǎn)生微妙變化，各量測終端將轉(zhuǎn)化真實的物理狀態(tài)量，最終獲得虛擬信號。與此同時，二次側(cè)的信息系統(tǒng)也將開始工作，在這些信息支撐下，經(jīng)過多級傳輸和較為科學(xué)的計算后，將會變換成控制信號[3]。在整個過程中，系統(tǒng)控制終端成效顯著，可將物理狀態(tài)改變。具體改變的對象包括負荷的變化以及實際的開關(guān)投切等。這些關(guān)鍵性操作的改變，將影響能量流分布，不但衍生、催化新的運行狀態(tài)。站在CPS角度來分析，整個交互過程可以用“物理-信息-物理”來科學(xué)表示。

交互的過程，大體分為兩個方向。

（1）能量流→信息流。在整體過程中，物理狀態(tài)直接切換到虛擬信號，需要滿足一定條件，對應(yīng)的是狀態(tài)感知環(huán)節(jié)。該過程可描述為：y(N)=Hy·x(N)。X代表依存變量；信息源y=[y1......ym]T。

（2）信息流→能量流。反向的轉(zhuǎn)化依舊需要滿足特定條件，該環(huán)節(jié)對應(yīng)的是控制環(huán)節(jié)，具體來說，網(wǎng)絡(luò)各葉節(jié)點信息z，會對應(yīng)實際的控制量u，如果借助公式，這種關(guān)系可以描述為：u(N)=Eu·z(N)。

通過上述分析可知，想要進行綜合評估，完成有效的快速求解，掌握電網(wǎng)能量流分布，可通過潮流模型實現(xiàn)。工作中，信息流與能量流的連接與優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)換，可以借助線性映射來描述，這種關(guān)系的求解難度并不大。但結(jié)合現(xiàn)實可知，電網(wǎng)CPS系統(tǒng)的信息流整體水平較高，各模塊難以分辨，在信息傳輸、轉(zhuǎn)換等階段，映射函數(shù)多樣，所以想要科學(xué)求解，難度還是很大的。值得注意的是，在現(xiàn)實工作中，物理電網(wǎng)能量的平衡受多方影響，各元件的運行必須要保障科學(xué)，并且確保有序推進，一些模塊的輸入，對應(yīng)的要有一些模塊的輸出，這樣的關(guān)系才平衡。例如：作為下級變電站，在現(xiàn)實工作中，本地的SCADA量測信號（重要參數(shù)）必須要獲取完整，只有這樣，才能將其上傳至主站，通過合理步驟，保障決策的合理性。在這樣的前提下，進行能量流求解時，要對時序特性綜合檢驗。但在現(xiàn)實應(yīng)用中，時序模型的建立具有特殊性，并不適用于代數(shù)求解，想要從源頭高效率解決這一問題，需要借助網(wǎng)絡(luò)的有向性，找到理想的潮流求解方法，并進行簡化，提高求解的效率。

實踐證明，經(jīng)過化簡，該系統(tǒng)的效率更高，能量流計算復(fù)雜度可明顯下降，保證二者耦合同時，避免損失的出現(xiàn)?；喓蟮南到y(tǒng)作用顯著，能夠與原系統(tǒng)的信息匹配，并實現(xiàn)能量流分布的一致。

2.2 信息支路元件建模

電力系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，在其中信息元件和系統(tǒng)拓撲發(fā)揮實質(zhì)性的作用，兩者共同決定了系統(tǒng)性能。研究發(fā)現(xiàn)，信息系統(tǒng)的核心元件，之所以功能不一，是因為所采取的信息模塊不一致，所以在現(xiàn)實應(yīng)用中，信息模塊的分類起基礎(chǔ)性作用，屬于深入研究的基石。在實踐中可知，信息系統(tǒng)功能龐大，除了復(fù)雜通信系統(tǒng)外，還囊括了海量信息元件，在這樣的前提下，如果進行直接建模，效果很難保障，同時會影響運算效率。在工作中，盡管研究對象明確，但側(cè)重點卻要落在相對重要的物理側(cè)電網(wǎng)運行上。操作期間，需要借鑒“外網(wǎng)等值”的思路，將目光停留在物理系統(tǒng)的層面上，搭建科學(xué)、嚴謹?shù)男畔⒕W(wǎng)絡(luò)，借此創(chuàng)建物理系統(tǒng)“等值模型”，在此基礎(chǔ)上，降低模型的復(fù)雜度。通過分析研究可知，系統(tǒng)中的狀態(tài)量極為關(guān)鍵，在應(yīng)用期間，可以將其抽象成“數(shù)據(jù)節(jié)點”，并在信息處理階段，充當“信息支路”[4]。首末端節(jié)點是基礎(chǔ)，也是核心，為輸入與輸出數(shù)據(jù)，涉及到的元件特性，分別指的是映射關(guān)系（傳輸與轉(zhuǎn)換）。信息模塊的搭建，需要從兩部分入手，信息傳輸與信息處理。在電力系統(tǒng)中，這兩類模塊相互依托，但又相對獨立。需要強調(diào)的是，在模型搭建中，兩類模塊緊密耦合的完成，主要靠信息交流實現(xiàn)。在控制系統(tǒng)中，一般情況下模塊的數(shù)據(jù)輸出非常特別，將匯集成總的信息池，作為模塊的數(shù)據(jù)源，其作用是顯著的。

2.3 信息故障建模

想要進行有效的故障評判，掌握故障的破壞力和影響程度，實現(xiàn)信息故障建模是較為穩(wěn)妥的方法。在前文的介紹中，已經(jīng)簡單概述了物理耦合模型中，如何超精準完成混成計算。所以在進行脆弱性檢驗時，可以采用N-1分析方法，進行完整的可靠性/脆弱性評估。在現(xiàn)實工作中，只需掃描故障集，便可以進行相關(guān)操作，求解各故障下的各種狀態(tài)。實踐表明，信息系統(tǒng)的特性存在多個影響要素，除了信息支路模型對其影響較大外，系統(tǒng)拓撲性能也是重要決定因素?；谶@樣的前提，在現(xiàn)實工作中，信息網(wǎng)絡(luò)的影響需要細致劃分，將信息故障(CyberContingency)按照性質(zhì)的不同分為兩類。一類是拓撲故障；另一類是頻次較高的支路故障。實踐證明，無論是信息攻擊錯誤，還是偶發(fā)性錯誤，故障都是較集中的，主要匯集在信息支路中。在現(xiàn)實應(yīng)用中，若各信息處理模塊功能完善，算法都經(jīng)過準確校驗，那么導(dǎo)致信息傳輸?shù)腻e誤只有可能是輸入引起的，而現(xiàn)實中這類故障，有一個統(tǒng)一的名詞，叫做支路信息故障。所以說，信息傳輸支路故障屬于研究的重點。

3 系統(tǒng)的綜合安全評估

在建模的基礎(chǔ)上，可以有效實施綜合安全評估，這是信息物理耦合系統(tǒng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵。通過系統(tǒng)性研究可知，電力系統(tǒng)相對脆弱，其脆弱性可以借助科學(xué)的N-1方法來評估。這種N-1方法比較特別，具體來講，要對可能發(fā)生的故障（支路故障）完成系統(tǒng)性的掃描，在此基礎(chǔ)上找出故障成因，并分析系統(tǒng)響應(yīng)方法。此外經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在信息系統(tǒng)中，不當?shù)目刂浦噶钣绊戄^大，皆是由信息故障造成的，一旦發(fā)現(xiàn)此類故障，物理系統(tǒng)穩(wěn)定性將下降。在無故障比較的情況下，故障的嚴重性通過科學(xué)途徑，可得到有效評估。

3.1 支路故障分析

前文已經(jīng)提到了，支路故障屬于重點，在現(xiàn)實應(yīng)用中，該故障與拓撲故障存在實際性區(qū)別。支路故障原理簡單，主要是數(shù)據(jù)映射關(guān)系的改變誘發(fā)的故障。從實際經(jīng)驗了解到，最常出現(xiàn)的支路故障按照表現(xiàn)可以總結(jié)為三類，下面將進行一一介紹。

3.1.1 傳輸錯誤

傳輸錯誤比較多發(fā)，是常見的故障類型。該故障發(fā)生時，可以明顯看到系統(tǒng)狀態(tài)的改變，由于該故障的出現(xiàn)，故障支路的輸出數(shù)據(jù)將會與現(xiàn)實脫離，和實際的輸入數(shù)據(jù)形成偏差。在現(xiàn)實應(yīng)用中，引起這類故障的誘因眾多，例如：固有系統(tǒng)量測誤差等。需要注意的是，該故障會持續(xù)疊加誤差，因此需要高度關(guān)注。

3.1.2 傳輸延遲

傳輸延遲同樣常見，顧名思義，出現(xiàn)該故障意味著數(shù)據(jù)的傳輸將會變緩，從而出現(xiàn)延時情況。在現(xiàn)實工作中，傳輸延遲故障影響較大，會將原有的非事件模型更改為時間相關(guān)模型。

3.1.3 傳輸中斷

除了上述幾種情況外，傳輸中斷也是要引起重視的。從實際經(jīng)驗中了解到，傳輸中斷故障的發(fā)生，將阻礙信息的傳輸，并造成有效信息的缺失。在現(xiàn)實應(yīng)用中，傳輸中斷是對數(shù)據(jù)映射產(chǎn)生影響，在保留系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的前提下，阻礙信息的傳輸，該故障的發(fā)生，可以是大范圍的，必須要引起重視。

3.2 靈敏度分析

在綜合安全評估工作中，還有一項重要內(nèi)容，那就是系統(tǒng)靈敏度的分析。由故障分析結(jié)果可知，在現(xiàn)實應(yīng)用中，不同信息、不同信道構(gòu)成因子不同，所發(fā)生的故障并不屬于同一類型，對物理電網(wǎng)的影響自然也會差異較大。與傳統(tǒng)信息網(wǎng)相比，電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估需要制定明確的指標，在考慮網(wǎng)絡(luò)信道可靠性基礎(chǔ)上，綜合評判對物理系統(tǒng)的影響。只有這樣，才能發(fā)揮出信息物理耦合的作用，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。在工作中，靈敏度分析思路如圖2所示。

圖2：靈敏度分析思路

從圖2中可以看出，靈敏度是重要指標，當某個量發(fā)生變化時，影響其他量的數(shù)值，被叫做靈敏度。例如：現(xiàn)行電力系統(tǒng)中，當無功輸出改變（某節(jié)點的），就會對整個系統(tǒng)電壓產(chǎn)生影響，這種現(xiàn)象被稱為無功-電壓靈敏度。該指標具有指導(dǎo)作用，可以應(yīng)用到脆弱性評估中，借此實現(xiàn)電壓的穩(wěn)步控制。

4 結(jié)論

綜上所述，在未來信息物理融合建模應(yīng)用將更加頻繁，借助該基礎(chǔ)分析框架，可以降低安全評估的復(fù)雜度，確保系統(tǒng)的運行優(yōu)化，同時解決穩(wěn)定性評估等問題。在信息物理融合建模的基礎(chǔ)上，可以將系統(tǒng)故障分類，判斷故障的影響力和破壞力，采取積極、穩(wěn)妥措施，在控制住故障的同時，提升信息冗余度，確保系統(tǒng)信息可靠性。最終完成信息流的優(yōu)化配置，夯實電網(wǎng)控制架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，為量化分析提供保障。