耦合信息物理系統(tǒng)的虛擬電廠可靠性評(píng)估

于子軒，唐猛，周華松，李絲茹，趙雨青，董強(qiáng)

（深圳能源售電有限公司，深圳 518000）

前言

作為一種新型的電力系統(tǒng)組織形態(tài)，虛擬電廠通過先進(jìn)的信息通信技術(shù)將分散的分布式能源、儲(chǔ)能設(shè)施和可調(diào)負(fù)荷等資源進(jìn)行聚合，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化配置，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性[1]。虛擬電廠可靠性指標(biāo)能夠反映虛擬電廠按可接受供電標(biāo)準(zhǔn)，不間斷向負(fù)荷供電的能力。通過可靠性評(píng)估，可以辨識(shí)虛擬電廠的薄弱環(huán)節(jié)，以便采取更有效的措施提升供電可靠性。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，虛擬電廠已成為融合信息物理因素的大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，是能源信息物理領(lǐng)域的重要組成部分。為準(zhǔn)確量化信息、物理因素對(duì)虛擬電廠可靠性的影響，亟需研究融合信息物理因素的虛擬電廠可靠性評(píng)估方法[2]。

針對(duì)虛擬電廠物理信息系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)[3]將電力信息系統(tǒng)對(duì)電力一次系統(tǒng)的作用分為直接作用和間接作用，并研究了直接作用對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響。文獻(xiàn)[4]提出了基于事件驅(qū)動(dòng)-融合流模型的電網(wǎng)信息安全狀態(tài)動(dòng)態(tài)推演方法。文獻(xiàn)[5]建立了計(jì)及設(shè)備老化與不完全計(jì)劃?rùn)z修的智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型，對(duì)智能變電站保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估。文獻(xiàn)[6]提出了計(jì)及設(shè)備老化與不完全預(yù)防性維修的元件時(shí)變停運(yùn)概率模型，給出了新模型中不同維修策略的系統(tǒng)可靠性評(píng)估結(jié)果。文獻(xiàn)[7]總結(jié)了配電網(wǎng)物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)各自典型的可靠性指標(biāo)分類方式與具體數(shù)學(xué)表達(dá)以及兩者耦合下的可靠性指標(biāo)構(gòu)建技術(shù)。文獻(xiàn)[8]提出在高比例分布式電源接入的配電網(wǎng)中物理系統(tǒng)故障時(shí)虛擬電廠的可靠性管理策略，并在可靠性評(píng)估中量化該管理策略對(duì)供電可靠性的影響。

現(xiàn)有的虛擬電廠可靠性分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估大多孤立地看待物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，從信息物理的整體視角進(jìn)行建模與分析的研究較少。針對(duì)上述問題，本文提出了融合信息物理因素的虛擬電廠可靠性評(píng)估方法。首先，文章對(duì)虛擬電廠可靠性影響因素進(jìn)行分析，將影響因素劃分為物理因素與信息因素；其次，搭建虛擬電廠可靠性模型；接著，引用故障樹的邏輯關(guān)系通過蒙特卡羅法對(duì)虛擬電廠可靠性進(jìn)行評(píng)估。最后基于算例仿真獲得物理與信息故障失效對(duì)虛擬電廠可靠性的影響。

1 虛擬電廠可靠性影響因素分析

隨著雙碳目標(biāo)和智能電網(wǎng)的提出，大量分布式能源如光伏、風(fēng)電等并網(wǎng)接入，電動(dòng)汽車和各種負(fù)荷單元的大規(guī)模使用使得電網(wǎng)的復(fù)雜性持續(xù)增加。這些都要求電力系統(tǒng)應(yīng)具有靈活互動(dòng)的調(diào)控能力。虛擬電廠的提出有效解決了各類分布式能源的優(yōu)化聚合和管理調(diào)控問題。虛擬電廠融合完善的信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能、可調(diào)負(fù)荷等多種分布式資源的聚合和協(xié)同優(yōu)化，作為一個(gè)特殊的電廠，參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)[9]。其中，信息通信技術(shù)包含大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈和電力專用的協(xié)議為虛擬電廠實(shí)現(xiàn)對(duì)各類資源的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的高效匯聚和安全傳輸、海量智能終端的管理。相較于傳統(tǒng)電廠只依靠物理系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，虛擬電廠的正常運(yùn)行同樣依賴于信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、可靠傳輸來完成，物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)相輔相成，虛擬電廠結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 虛擬電廠結(jié)構(gòu)

虛擬電廠面臨的風(fēng)險(xiǎn)眾多，不確定和不可預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備故障因素，虛擬電廠運(yùn)行的可靠性都將受到影響[10]。隨著信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度耦合，物理系統(tǒng)依賴信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)感知和信息傳輸，而信息系統(tǒng)依賴物理系統(tǒng)的各類設(shè)備實(shí)現(xiàn)狀態(tài)改變，兩者相輔助相乘，單方面發(fā)生的故障都將會(huì)發(fā)生耦合和擴(kuò)散，威脅虛擬電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。如圖2 所示虛擬電廠物理系統(tǒng)與信息耦合的示意圖。

圖2 虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

信息系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，是虛擬電廠進(jìn)行能量管理、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、信息交互的重要環(huán)節(jié)。但信息系統(tǒng)為虛擬電廠的高效運(yùn)行提供便利的同時(shí)也對(duì)其可靠性引入了新的安全風(fēng)險(xiǎn)。黑客可以利用信息系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，利用木馬病毒、釣魚郵件等手段攻擊通信鏈路、拓?fù)浣M件、傳輸協(xié)議和資源對(duì)象等。同時(shí)，由于大量智能電子設(shè)備的接入和實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通且安全防護(hù)工作尚不完善，成為了黑客攻擊的眾多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這些都會(huì)導(dǎo)致虛擬電廠穩(wěn)控業(yè)務(wù)失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成連鎖故障，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。過去國(guó)內(nèi)外發(fā)生了一系列與信息系統(tǒng)安全有關(guān)的事故，如我國(guó)2018 年某風(fēng)電場(chǎng)服務(wù)器違規(guī)外聯(lián)導(dǎo)致省級(jí)調(diào)度中心遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊2019 年印度核電站內(nèi)網(wǎng)感染惡意軟件，2020 年巴西電力公司遭Sodinokibi 勒索軟件攻擊，同年委內(nèi)瑞拉國(guó)家電網(wǎng)765 干線遭攻擊，造成全國(guó)大面積停電等[11]。

物理系統(tǒng)對(duì)虛擬電廠產(chǎn)生的影響主要來源于各種元件的擾動(dòng)和故障，包括設(shè)備老化、人為破壞、絕緣故障等等。當(dāng)物理設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，有可能無法按虛擬電廠的指令進(jìn)行響應(yīng)，影響數(shù)據(jù)的收發(fā)、傳輸，造成信息系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，降低虛擬電廠的可靠性。信息物理系統(tǒng)對(duì)虛擬電廠可靠性影響程度取決于其在處理故障時(shí)恢復(fù)的效率，包含完全響應(yīng)、部分響應(yīng)和完全不能響應(yīng)。其中部分響應(yīng)由于通信延遲或預(yù)測(cè)誤差導(dǎo)致，完全不能響應(yīng)即為信息系統(tǒng)對(duì)所連接的設(shè)備失去控制。因此，必須對(duì)信息物理系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，為虛擬電廠的可靠運(yùn)行提供合適的防護(hù)措施[12]。

2 虛擬電廠可靠性模型構(gòu)建

為了保證虛擬電廠在運(yùn)行過程中持續(xù)有效地協(xié)調(diào)各種資源，可靠性分析是必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)的可靠性分析已形成較為成熟的指標(biāo)體系，典型的算法都針對(duì)于物理系統(tǒng)可靠性的評(píng)估。本文將耦合信息物理系統(tǒng)，構(gòu)建虛擬電廠的可靠性評(píng)估模型。

2.1 模型基本構(gòu)成及其參數(shù)

虛擬電廠系統(tǒng)A 包括物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)兩部份，其中物理系統(tǒng)典型的元件可靠性參數(shù)為斷路器P1、發(fā)電機(jī)P2 和變壓器P3。而信息系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)雖然會(huì)有不同程度的影響虛擬電廠的可靠性，但均以服務(wù)器P4、交換機(jī)P5、IEDP6 和通訊線路P7 影響程度最為明顯。因此虛擬電廠的模型構(gòu)成可用公式（1）表示：

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]，上述各基本可靠性參數(shù)的失效率如表1 所示，元件可靠性均服從指數(shù)分布。

表1 基本可靠性參數(shù)失效率

2.2 模型的建立

虛擬電廠可靠性模型的建立可引用故障樹的邏輯關(guān)系[15]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可為：

式中：

Pi(t)—第i 個(gè)可靠性參數(shù)的狀態(tài)變量，取值為（0，1），當(dāng)取值為0 時(shí)代表在t 時(shí)刻第i 個(gè)參數(shù)正常運(yùn)用，當(dāng)取值為1 時(shí)代表在t 時(shí)刻第i 個(gè)參數(shù)故障；

A(t)—虛擬電廠的狀態(tài)變量，取值為（0，1），當(dāng)取值為0 時(shí)代表在t 時(shí)刻虛擬電廠可靠性穩(wěn)定，當(dāng)取值為1時(shí)代表在t 時(shí)刻可靠性失效。

本文以“虛擬電廠失效”為頂事件對(duì)其可靠性進(jìn)行建模。虛擬電廠物理系統(tǒng)要素由斷路器、變壓器、發(fā)電器等開關(guān)物理設(shè)備構(gòu)成；信息系統(tǒng)要素由服務(wù)器、交換機(jī)、通信線路等構(gòu)成。物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)中任一要素?fù)p壞都可能導(dǎo)致虛擬電廠失效。根據(jù)其邏輯關(guān)系，建立頂事件為“虛擬電廠失效”的故障模型如圖3 所示。

圖3 虛擬電廠故障失效模型

3 耦合信息物理系統(tǒng)的虛擬電廠可靠性評(píng)估方法

3.1 虛擬電廠可靠性指標(biāo)

1）虛擬電廠可靠性失效概率分布P（Atn)，表示在一個(gè)區(qū)間間隔內(nèi)故障失效次數(shù)占總運(yùn)行次數(shù)概率。

式中：

N—虛擬電廠總運(yùn)行次數(shù)；

n—第n 個(gè)區(qū)間間隔。

2）虛擬電廠平均可靠失效時(shí)間MT，表示每隔MT時(shí)間失效頻率。

式中：

Tmax—虛擬電廠運(yùn)行的總時(shí)間。

3）可靠性參數(shù)重要度W(Pi)，定義為參數(shù)Pi在虛擬電廠中的重要度。

4）可靠性參數(shù)的模式重要度W N(Pi)。用W N(Pi)來判斷虛擬電廠中的薄弱環(huán)節(jié)。WN(Pi)越大，表明Pi越是電廠中的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 虛擬電廠可靠性評(píng)估方法

本文采用蒙特卡羅法對(duì)虛擬電廠可靠性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)虛擬電廠中7 個(gè)基本參數(shù)失效事件進(jìn)行隨機(jī)抽樣，以獲得每一個(gè)參數(shù)失效時(shí)間樣本。設(shè)在f 次仿真計(jì)算中，隨機(jī)數(shù)取ifε，i 可靠性參數(shù)的失效時(shí)間抽樣值為tif：

i 參數(shù)在t 時(shí)刻的狀態(tài)變量為：

則虛擬電廠在t 時(shí)刻的狀態(tài)變量為：

將7個(gè)可靠性參數(shù)的失效時(shí)間按從小到大進(jìn)行排序，并按排序好對(duì)虛擬電廠可靠性進(jìn)行檢查。

設(shè)虛擬電廠運(yùn)行總時(shí)間為Tmax，并等分為m 個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間時(shí)間間隔ΔT=Tmax/m。（tn-1，tn）區(qū)間虛擬電廠失效的次數(shù)為由此對(duì)各項(xiàng)可靠必指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其計(jì)算流程如圖4 所示。

圖4 可靠性指標(biāo)計(jì)算流程圖

4 算例分析

假設(shè)虛擬電廠系統(tǒng)最大運(yùn)行時(shí)間Tmax=4 000 h，等分為100 個(gè)區(qū)間，區(qū)間間隔ΔT=40 h，進(jìn)行1 500 次抽樣仿真，并對(duì)每次仿真的失效時(shí)間和區(qū)間失效次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后計(jì)算出虛擬電廠的可靠性指標(biāo)，結(jié)果如下：

圖5表示虛擬電廠失效概率分布。由圖5 可得，電廠在剛啟動(dòng)時(shí)，失效概率較大，在運(yùn)行500 h 時(shí)，失效概率為0.05。而當(dāng)電廠運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，越趨于穩(wěn)定，3 500 h 時(shí)失效概率為0.01。這是由于虛擬電廠在剛啟動(dòng)時(shí)，信息物理系統(tǒng)需要進(jìn)一步的磨合。并統(tǒng)計(jì)得出MT=1 133.5 h。

圖5 虛擬電廠失效概率分布圖

根據(jù)可靠性模型，可靠性參數(shù)P1-P7 其中任一失效都會(huì)導(dǎo)致虛擬電廠失效，因此各參數(shù)的可靠性參數(shù)重要度相同。

可靠性計(jì)算模式重要度計(jì)算結(jié)果如表2 所示。由表可得，發(fā)電機(jī)失效引起虛擬電廠失效的次數(shù)最多，其次是斷路器和變壓器。信息系統(tǒng)失效引起的失效較物理系統(tǒng)少。

表2 各參數(shù)模式重要度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于耦合信息物理系統(tǒng)對(duì)虛擬電廠的可靠性進(jìn)行分析評(píng)估。首先對(duì)虛擬電廠的可靠性影響因素進(jìn)行分析，基于故障樹分析法建立了其可靠性模型，并提出了蒙特卡羅法的可靠性分析方法。算例分析表明，在虛擬電廠剛啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由于信息物理系統(tǒng)的磨合，發(fā)生失效事件較高，平均失效時(shí)間MT=11 353.5 h。各可靠性參數(shù)重要度一致，物理系統(tǒng)引起的失效次數(shù)較信息系統(tǒng)多，應(yīng)引起相關(guān)人員對(duì)物理系統(tǒng)的重視度，對(duì)提升虛擬電廠運(yùn)行可靠性具有一定的指導(dǎo)作用。