基于排球超級聯(lián)賽算法的智能變電站安全評價(jià)方法

席禹，林冬，于力，蔣文輝，陳光侵

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 511365）

0 引言

智能變電站網(wǎng)絡(luò)是電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是我國能源安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)[1-3]。智能變電站具有高可靠性、高集成度、技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)勢，采用智能設(shè)備、數(shù)字信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)信息共享，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的自動(dòng)采集、測量、控制、分析、管理和報(bào)警等功能，最終實(shí)現(xiàn)智能變電站的無人值守和管理[4]。通過分析智能變電站的安全保護(hù)和控制措施及相關(guān)可視化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能變電站繼電保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控、電力負(fù)荷的合理控制、智能變電站的集中管理，保證智能變電站運(yùn)行的穩(wěn)定性。比如，智能變電站可以通過電力設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行、管理、檢測以及分析等功能，實(shí)現(xiàn)無人值守、集中管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控等先進(jìn)功能[5]。另外，從我國目前電力行業(yè)的發(fā)展角度來看，智能變電站的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、事故預(yù)防上報(bào)以及自動(dòng)化運(yùn)維等功能目標(biāo)，但是，智能變電站自身的安全管理問題給相關(guān)運(yùn)營機(jī)構(gòu)帶來了新的挑戰(zhàn)[6]。為了提高智能變電站運(yùn)維效率和質(zhì)量，降低其安全風(fēng)險(xiǎn)，有必要利用優(yōu)化手段對智能變電站及其所在的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全管控優(yōu)化升級。為此，本文提出了一種基于排球超級聯(lián)賽算法[7]的面向智能變電站測控及相量測量裝置（phasor measurement unit，PMU）的安全評價(jià)方法，能夠利用排球超級聯(lián)賽算法統(tǒng)籌計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)總度量。其基本思路是構(gòu)造包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的多維層次結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合各層次網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢分析，自下向上地逐級融合安全因素分析，利用排球超級聯(lián)賽算法中各策略模塊的高效合作，通過多次迭代對各層次多維安全因素進(jìn)行融合分析，最終給出目前包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的整體系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。該技術(shù)簡單高效，具有可行性和通用性，為研究識別和評估威脅提供有力參考，并協(xié)助后續(xù)管控，依據(jù)相關(guān)控制數(shù)據(jù)對整個(gè)變電站系統(tǒng)進(jìn)行分析并給出決策建議，有利于提高變電站系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1 現(xiàn)狀不足分析

根據(jù)變電站安全架構(gòu)需求，文獻(xiàn)[8]提出了一種使用自適應(yīng)維護(hù)顧問和系統(tǒng)維護(hù)優(yōu)化器的創(chuàng)新方法，以設(shè)計(jì)（實(shí)施）基于優(yōu)化條件的維護(hù)活動(dòng)，并處理每個(gè)變電站出現(xiàn)的運(yùn)行變化。引入遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法來解決變電站的維護(hù)成本和可靠性問題[9]，并提出多目標(biāo)進(jìn)化算法來優(yōu)化變電站的維護(hù)策略。文獻(xiàn)[10]提出一種基于設(shè)備和應(yīng)用信息的變電站風(fēng)險(xiǎn)檢測方法，通過數(shù)據(jù)采集構(gòu)建了運(yùn)維信息模型，但沒有考慮到設(shè)備間的連接關(guān)系以及相應(yīng)的運(yùn)行重要等級。典型產(chǎn)品有美國施韋策工程實(shí)驗(yàn)室的SEL2020通信控制器[11]和賽比克公司的SMP網(wǎng)關(guān)，兩者都提供智能電子設(shè)備的集成，并響應(yīng)遠(yuǎn)程用戶的各種維護(hù)請求，但是，我國變電站自動(dòng)化系統(tǒng)具有地域廣、廠家多、自動(dòng)化設(shè)備種類多的特點(diǎn)，相應(yīng)的維護(hù)工具是私有的，彼此不同，所以安全評價(jià)方法也不通用，傳統(tǒng)的維護(hù)系統(tǒng)難以滿足我國電力二次系統(tǒng)安全保護(hù)的要求。針對上述問題，迫切需要提出一種高效的變電站安全評價(jià)方法[12]，改進(jìn)維護(hù)模式。

2 變電站測控及PMU裝置安全評價(jià)體系

構(gòu)建變電站測控及安全評價(jià)體系是變電站能夠穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵，而這需要對影響變電站安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的識別和評估，構(gòu)建應(yīng)用功能、外圍接口和用戶數(shù)據(jù)等多維度本體安全威脅分析模型和安全評價(jià)指標(biāo)體系。

基于變電站測控及PMU裝置本體安全威脅評估模型在構(gòu)建多層次、多維度網(wǎng)絡(luò)安全威脅評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合安全威脅態(tài)勢分析人員在綜合態(tài)勢、區(qū)域態(tài)勢、組織態(tài)勢不同層面的關(guān)注和需求點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)間的通聯(lián)關(guān)系構(gòu)建綜合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域級復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和組織級復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)3級復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，模型框架如圖1所示。

圖1 變電站測控及PMU裝置安全評價(jià)體系

變電站測控及PMU裝置組織級復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由主機(jī)、服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成[13]，網(wǎng)絡(luò)中的邊表示節(jié)點(diǎn)間的通聯(lián)關(guān)系；區(qū)域級復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由該區(qū)域的組織構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中的邊表示組織間的通聯(lián)關(guān)系；綜合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由多個(gè)區(qū)域構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中的邊表示區(qū)域間的通聯(lián)關(guān)系。

3 排球超級聯(lián)賽算法

針對以上問題和評價(jià)體系，本文提出了一種基于群體智能的變電站系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評價(jià)方法，用于現(xiàn)有變電站測控及PMU裝置本體安全的評價(jià)，并協(xié)助后續(xù)管控，使整個(gè)變電站系統(tǒng)能依據(jù)相關(guān)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出決策建議，有利于提高其系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。如圖2所示，具體的變電站系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評價(jià)方法，包括以下步驟：

圖2 變電站系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評價(jià)步驟

（1）以變電站測控及PMU裝置本體在內(nèi)的各設(shè)備為節(jié)點(diǎn)，各設(shè)備間通過有線/無線進(jìn)行互聯(lián)，將連接關(guān)系映射為各節(jié)點(diǎn)間的邊，邊的權(quán)重值代表連接關(guān)系重要等級或優(yōu)先級的量化；

（2）計(jì)算各節(jié)點(diǎn)自身的安全風(fēng)險(xiǎn)類、狀態(tài)類和攻擊損失類評估要素，以獲得局部安全度量，利用排球超級聯(lián)賽算法，對所有局部安全度量及其所關(guān)聯(lián)的邊進(jìn)行統(tǒng)籌融合，計(jì)算出此時(shí)的全局安全度量；

（3）計(jì)算各劃分區(qū)域自身的安全風(fēng)險(xiǎn)類、狀態(tài)類和攻擊損失類評估要素，利用排球超級聯(lián)賽算法，對區(qū)域各類要素和全局安全度量進(jìn)行統(tǒng)籌融合，計(jì)算出此時(shí)各區(qū)域的綜合安全度量；

（4）計(jì)算整體綜合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)類、狀態(tài)類和攻擊損失類評估要素，利用排球超級聯(lián)賽算法，將其與區(qū)域綜合安全度量進(jìn)行統(tǒng)籌融合，得出最終的網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)總度量。

步驟（2）中，所述的統(tǒng)籌融合所有局部安全度量及其所關(guān)聯(lián)的邊，利用公式（1）：

式中：λ1～3—權(quán)重；

α—節(jié)點(diǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)類要素；

β—節(jié)點(diǎn)的安全狀態(tài)類要素；

γ—節(jié)點(diǎn)的攻擊損失類要素。

步驟（3）中，所述的統(tǒng)籌融合區(qū)域各類要素和全局安全度量，以計(jì)算出此時(shí)各區(qū)域的綜合安全度量，利用公式（2）：

式中：λ1～3—權(quán)重；

V—節(jié)點(diǎn)的全局安全度量；

α—區(qū)域的安全風(fēng)險(xiǎn)類要素；

β—區(qū)域的安全狀態(tài)類要素；

γ—區(qū)域的攻擊損失類要素。

上述由Reza Moghdan等人提出的排球超級聯(lián)賽算法的流程如圖3所示，包括以下模塊：

圖3 超級排球聯(lián)賽算法流程

3.1 初始化生成策略

用于起初所有個(gè)體生成與屬性分配，此期間全部個(gè)體被視為無差異，經(jīng)過隨機(jī)分配、適應(yīng)度計(jì)算后，完成整個(gè)初始化過程，利用公式（3）進(jìn)行初始化：

式中：Ut，Lt—隊(duì)伍t中各隊(duì)員屬性值的上下界；

—隊(duì)伍t的場上隊(duì)員的屬性；

—隊(duì)伍t的候補(bǔ)隊(duì)員的屬性；

r1，r2—隨機(jī)數(shù)。

3.2 隊(duì)伍競賽策略

用于賽季中的賽事安排以及隊(duì)伍間勝負(fù)的判定，其中勝負(fù)概率依據(jù)隊(duì)伍各自所擁有的能量屬性進(jìn)行計(jì)算。隊(duì)伍能量屬性計(jì)算公式如下：

式中：f(·)—目標(biāo)函數(shù)；

N—參加比賽的隊(duì)伍數(shù)目。

計(jì)算隊(duì)伍t1贏得比賽的概率：

同理，可知隊(duì)伍t2贏得比賽的概率為Pwinner(t2,t1)。通過比較Pwinner(t1,t2)和Pwinner(t2,t1)兩者大小，較大者判定為勝利的隊(duì)伍。

3.3 勝方策略

用于提高勝方隊(duì)伍的水平，作為獎(jiǎng)勵(lì)以推動(dòng)個(gè)體進(jìn)化，其中所涉及的提高方法為學(xué)習(xí)自身長處，并汲取最強(qiáng)隊(duì)伍的優(yōu)點(diǎn)。作戰(zhàn)水平提高公式如下：

式中：r1，r2—隨機(jī)數(shù)；

Tf(n)*—場上最佳隊(duì)伍；

Ts(n)*—最佳候補(bǔ)隊(duì)伍。

3.4 調(diào)整策略

用于修正負(fù)方隊(duì)伍的作戰(zhàn)策略與整體規(guī)劃中的缺陷，此期間其教練會利用自身豐富經(jīng)驗(yàn)調(diào)整隊(duì)伍分配，確保在下次比賽中的表現(xiàn)能有所提高。

3.5 分享策略

用于彌補(bǔ)負(fù)方隊(duì)伍個(gè)體間水平的參差，以改善其整體水平，此期間其教練會綜合分析賽場上各位隊(duì)員的表現(xiàn)和整體作戰(zhàn)方案的優(yōu)劣，并積極融合勝方表現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；所用公式如下：

式中：r1，r2—隨機(jī)數(shù)；

Ut，Lt—隊(duì)員屬性值的上下界；

—隊(duì)伍t的場上隊(duì)員屬性；

—隊(duì)伍t的候補(bǔ)隊(duì)員屬性。

3.6 學(xué)習(xí)策略

用于提高所有隊(duì)伍的理論知識水平和實(shí)際作戰(zhàn)能力，在此過程中，各個(gè)隊(duì)伍教練會和場外專家一起分析總結(jié)，并學(xué)習(xí)表現(xiàn)前三強(qiáng)隊(duì)伍的優(yōu)點(diǎn)，對各自隊(duì)伍的隊(duì)員能力進(jìn)行提高，對各自的作戰(zhàn)方案進(jìn)行升級，從而提高勝出概率。

式中：r1，r2—隨機(jī)數(shù)；

C—常數(shù)；

m—當(dāng)前迭代次數(shù)；

M—事先設(shè)置的最大迭代次數(shù)；

R={1,2,3}，為前三強(qiáng)的隊(duì)伍；

x={f,s}，為隊(duì)伍中的場上隊(duì)員和候補(bǔ)隊(duì)員。

本實(shí)施案例采用一種智能變電站的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評價(jià)方法：首先，構(gòu)造包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的多維層次結(jié)構(gòu)模型；隨后，結(jié)合各層次網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢分析，自下向上地逐級融合安全因素分析，利用排球超級聯(lián)賽算法中各策略模塊的高效合作，通過多次迭代對各層次多維安全因素進(jìn)行融合分析；最后，給出目前包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的整體系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。實(shí)施本方法后，可以有效完成包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)整體系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

4 結(jié)語

提出一種基于排球超級聯(lián)賽算法的智能變電站安全評價(jià)方法，可以面向智能變電站測控及PMU裝置的安全評價(jià)方法，能夠利用排球超級聯(lián)賽算法統(tǒng)籌計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)總度量。該技術(shù)簡單高效，具有可行性和通用性，為研究識別和評估威脅提供有力參考，并協(xié)助后續(xù)管控，使整個(gè)變電站系統(tǒng)能依據(jù)相關(guān)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出決策建議，使智能變電站系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定。