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一种考虑信息系统监视功能失效的电系统可靠性评估方法

阅读:75发布:2020-06-11

专利汇可以提供一种考虑信息系统监视功能失效的电系统可靠性评估方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种考虑信息系统监视功能失效的电 力 系统可靠性评估方法,首先分析监视功能涉及元件的逻辑结构,基于元件的逻辑结构建立信息系统监视功能可靠性模型;接着,提出信息系统元件可靠性概率,基于监视功能可靠性模型计算信息系统监视功能可靠性;然后,分析信息系统监视功能失效对电力系统的影响,选取电力系统可靠性指标;最后,使用蒙特卡洛方法模拟电力系统元件状态和监视功能工作状态,计算考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性指标。本方法可用于电力信息物理融合系统的可靠性评估。,下面是一种考虑信息系统监视功能失效的电系统可靠性评估方法专利的具体信息内容。

1.一种考虑信息系统监视功能失效的电系统可靠性评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:根据电力系统的结构建立通信网络模型,输入信息系统数据和电力系统数据,所述信息系统数据包括监视功能涉及的元件种类及个数、元件逻辑结构、元件可靠性概率;
所述电力系统数据包括电力系统元件的可靠性概率、系统潮流约束、电网节点输入输出概率、线路阻抗;
步骤二:信息系统监视功能模型是通信网络模型中执行监视功能的部分,包括多个模,每个模块包括多个元件,根据模块内部的元件属性和拓扑结构建立每个模块的可靠性模型,再通过串联关系建立整个信息系统监视功能可靠性模型;通过模块内部元件之间的逻辑结构计算出监视功能模型中模块的可靠性概率,再叠加各模块的可靠性概率得到整个信息系统监视功能模型的可靠性概率;
步骤三:选取系统负荷削减概率和期望失负荷量作为电力系统元件可靠性指标;
步骤四:基于信息系统监视功能的可靠性概率和电力系统元件可靠性指标,用蒙特卡洛方法模拟信息系统监视功能状态和电力系统元件状态;
步骤五:分析信息系统监视功能失效对电力系统的影响,基于电力系统可靠性指标,结合监视功能状态和电力系统元件状态,进行考虑监视功能失效的电力系统可靠性评估。
2.根据权利要求1所述的考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,其特征在于,步骤二的信息系统监视功能可靠性模型中,根据每个元件失效对监视功能的影响确定模型的逻辑结构;基于监视功能模型建立监视功能可靠性模型,先根据信息系统元件可靠性概率计算监视功能模型中模块的可靠性概率,接着计算出信息系统监视功能可靠性概率。
3.根据权利要求1所述的考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,其特征在于,步骤二监视功能涉及模块的可靠性概率的计算方法为:根据模块内部元件之间的逻辑结构建立各模块的可靠性框图,可靠性框图的结构取决于每个模块的失效对功能的影响;利用可靠性框图把元件逻辑关系分为串联系统、并联系统和表决系统,设串联系统的可靠度为Rs,并联系统的可靠度为Rb,表决系统的可靠度为Rr,计算公式为:
式中,n表示串联系统或并联系统或表决系统中元件的个数,Ri表示第i个元件的可靠度。
4.根据权利要求1所述的考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,其特征在于,负荷削减概率和期望失负荷量的计算为最优负荷削减计算,最优负荷削减计算是否启动的判断步骤如下:
1)根据模拟的电网状态,包括负荷功率、发电机输出功率以及线路潮流约束分析是否解列,若否,则执行步骤2);若是,则执行最优负荷削减计算;
2)根据当前系统状态下的数据进行潮流计算;
3)将发生所属断路器监视功能失效的线路潮流限值设为一个足够大的数值,例如设为
10000;
4)计算输电线路潮流越限总量,公式如下:
式中:Pol为输电线路潮流越限总量;n为系统输电线路数量;Pi为第i条线路的有功;
Pi_lim为第i条线路有功限值;
5)判断Pol是否为0,若否,则执行最优负荷削减计算。
5.根据权利要求1所述的考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,其特征在于,步骤四中的蒙特卡洛方法为非序贯蒙特卡洛方法。
6.根据权利要求1所述的考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,其特征在于,步骤四和步骤五具体包括以下步骤:
1)根据输入的信息系统数据和电力系统数据,通过元件逻辑结构和元件可靠性概率得到信息系统监视功能可靠性概率,进行非序贯蒙特卡洛抽样,得到物理系统元件状态和信息系统监视功能状态;
2)判断监视功能是否失效,若否,进行步骤4;若是,进行步骤5;
3)考虑电网遭受攻击,得到攻击后的一次设备状态;
4)得到一次系统元件最终状态集;
5)分析监视功能对电力系统正常运行的影响,若监视功能没有失效,则视为无影响;
6)计算考虑监视功能的电力系统可靠性评估指标,包括负荷削减概率和期望失负荷量;
7)设定负荷削减量方差系数的值作为循环终止条件;根据每次计算得到的负荷削减概率计算负荷削减方差系数和期望失负荷量;判断负荷削减量方差系数是否满足计算终止条件,若是,计算负荷削减概率和期望失负荷量并输出;若否,则重复步骤2)到步骤8)。
7.根据权利要求6所述的考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,其特征在于,步骤6)系统负荷削减概率和期望失负荷量的计算方法为:
式中,LOLP表示系统负荷削减概率;EENS表示期望失负荷量;S为系统所有工作状态的集合,包括信息系统监视功能状态和电力系统元件状态;pi为系统在状态i的概率;Ci为系统在状态i的负荷削减量。

说明书全文

一种考虑信息系统监视功能失效的电系统可靠性评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电网安全稳定运行的技术领域,具体的是,一种考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法。

背景技术

[0002] 随着通信技术、自动化技术及控制技术不断发展和广泛应用,电力系统已逐渐发展成为具有CPS典型特征的信息物理电力系统(Cyber Physical Power System,CPPS)。与此同时,对信息系统的依存度不断提高,也给电力系统引入了新的威胁,一旦信息系统发生可靠性问题,会直接或间接的对电网的可靠性产生影响,造成大面积的用电事故。
[0003] 长期以来,对于电力系统的可靠性分析往往是和信息系统分开进行的,但是电力系统和信息系统的耦合程度在不断加深,单独对电力系统和信息系统进行可靠性分析不能维持电网的安全稳定运行,有文献提出了针对电力系统元件故障的电力系统可靠性评估方法,然而,在对现代电力系统的可靠性进行评估时,对于来源于信息系统故障的影响无法进行分析,仅仅针对电力系统本身进行分析已经不能准确的对电网可靠性进行评估。目前考虑信息系统影响的电力系统可靠性研究仍处于起步阶段,CPPS可靠性评估方法较少,且不够完善,特别是面临多种功能、场景的可靠性评估方法。

发明内容

[0004] 发明目的:为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,在信息物理电力系统中,考虑信息系统监视功能的作用,对电力系统可靠性进行评估。
[0005] 技术方案:一种考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,包括以下步骤:
[0006] 步骤一:根据电力系统的结构建立通信网络模型,输入信息系统数据和电力系统数据,所述信息系统数据包括监视功能涉及的元件种类及个数、元件逻辑结构、元件可靠性概率;所述电力系统数据包括电力系统元件的可靠性概率、系统潮流约束、电网节点输入输出概率、线路阻抗;
[0007] 步骤二:信息系统监视功能模型是通信网络模型中执行监视功能的部分,包括多个模,每个模块包括多个元件,根据模块内部的元件属性和拓扑结构建立每个模块的可靠性模型,再通过串联关系建立整个信息系统监视功能可靠性模型;通过模块内部元件之间的逻辑结构计算出监视功能模型中模块的可靠性概率,再叠加各模块的可靠性概率得到整个信息系统监视功能模型的可靠性概率;
[0008] 步骤三:选取系统负荷削减概率和期望失负荷量作为电力系统元件可靠性指标;
[0009] 步骤四:基于信息系统监视功能的可靠性概率和电力系统元件可靠性指标,用蒙特卡洛方法模拟信息系统监视功能状态和电力系统元件状态;
[0010] 步骤五:分析信息系统监视功能失效对电力系统的影响,基于电力系统可靠性指标,结合监视功能状态和电力系统元件状态,进行考虑监视功能失效的电力系统可靠性评估。
[0011] 优选的,步骤二的信息系统监视功能可靠性模型中,根据每个元件失效对监视功能的影响确定模型的逻辑结构;基于监视功能模型建立监视功能可靠性模型,先根据信息系统元件可靠性概率计算监视功能模型中模块的可靠性概率,接着计算出信息系统监视功能可靠性概率。
[0012] 优选的,步骤二监视功能涉及模块的可靠性概率的计算方法为:根据模块内部元件之间的逻辑结构建立各模块的可靠性框图,可靠性框图的结构取决于每个模块的失效对功能的影响;利用可靠性框图把元件逻辑关系分为串联系统、并联系统和表决系统,设串联系统的可靠度为Rs,并联系统的可靠度为Rb,表决系统的可靠度为Rr,计算公式为:
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 式中,n表示串联系统或并联系统或表决系统中元件的个数,Ri表示第i个元件的可靠度。
[0017] 优选的,负荷削减概率和期望失负荷量的计算为最优负荷削减计算,最优负荷削减计算是否启动的判断步骤如下:
[0018] 1)根据模拟的电网状态,包括负荷功率、发电机输出功率以及线路潮流约束分析是否解列,若否,则执行步骤2);若是,则执行最优负荷削减计算;
[0019] 2)根据当前系统状态下的数据进行潮流计算;
[0020] 3)将发生所属断路器监视功能失效的线路潮流限值设为一个足够大的数值,例如设为10000;
[0021] 4)计算输电线路潮流越限总量,公式如下:
[0022]
[0023] 式中:Pol为输电线路潮流越限总量;n为系统输电线路数量;Pi为第i条线路的有功;Pi_lim为第i条线路有功限值;
[0024] 5)判断Pol是否为0,若否,则执行最优负荷削减计算。
[0025] 优选的,步骤四中的蒙特卡洛方法为非序贯蒙特卡洛方法。
[0026] 优选的,步骤四和步骤五具体包括以下步骤:
[0027] 1)根据输入的信息系统数据和电力系统数据,通过元件逻辑结构和元件可靠性概率得到信息系统监视功能可靠性概率,进行非序贯蒙特卡洛抽样,得到物理系统元件状态和信息系统监视功能状态;
[0028] 2)判断监视功能是否失效,若否,进行步骤4;若是,进行步骤5;
[0029] 3)考虑电网遭受攻击,得到攻击后的一次设备状态;
[0030] 4)得到一次系统元件最终状态集;
[0031] 5)分析监视功能对电力系统正常运行的影响,若监视功能没有失效,则视为无影响;
[0032] 6)计算考虑监视功能的电力系统可靠性评估指标,包括负荷削减概率和期望失负荷量;
[0033] 7)设定负荷削减量方差系数的值作为循环终止条件;根据每次计算得到的负荷削减概率计算负荷削减方差系数和期望失负荷量;判断负荷削减量方差系数是否满足计算终止条件,若是,计算负荷削减概率和期望失负荷量并输出;若否,则重复步骤2)到步骤8)。
[0034] 优选的,步骤6)系统负荷削减概率和期望失负荷量的计算方法为:
[0035]
[0036]
[0037] 式中,LOLP表示系统负荷削减概率;EENS表示期望失负荷量;S为系统所有工作状态的集合,包括信息系统监视功能状态和电力系统元件状态;pi为系统在状态i的概率;Ci为系统在状态i的负荷削减量。
[0038] 有益效果:本发明提供一种考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法,可用于电力信息物理融合系统的可靠性评估,考虑了监视功能失效对电力系统可靠性的影响,评估了信息物理电力系统的可靠性,在步骤二中,考虑了信息系统发生故障对电力系统可靠性的影响,使最终得出的系统可靠性指标的准确性有大幅度上升,从而提高配电网规划、运行的可靠性。附图说明
[0039] 图1为考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法的流程图
[0040] 图2为具体实施方式的方法流程图;
[0041] 图3为IEEE-30节点系统图;
[0042] 图4为通信网络结构图。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0044] 如图3所示,本实施例选取IEEE-30节点系统作为待评估的电力系统,其中节点1为平衡节点,节点2、5、8、11、13为PV节点,节点3、4、6、7、9、10、12、14-30为PQ节点。建立其通信网络模型,如图4所示,电力通信网络模型由一个骨干网络(SDH-BN)和三个区域网络(SDH-1,SDH-2和SDH-3)组成,四个网络均是SHRN结构。
[0045] 如图1所示,考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性评估方法包括以下步骤:
[0046] 步骤一:根据电力系统的结构建立通信网络模型,输入信息系统数据和电力系统数据,所述信息系统数据包括监视功能涉及的元件种类及个数、元件逻辑结构、元件可靠性概率;所述电力系统数据包括电力系统元件的可靠性概率、系统潮流约束、电网节点输入输出概率、线路阻抗;
[0047] 步骤二:信息系统监视功能模型是通信网络模型中执行监视功能的部分,包括多个模块,每个模块包括多个元件,根据模块内部的元件属性和拓扑结构建立每个模块的可靠性模型,再通过串联关系建立整个信息系统监视功能可靠性模型;根据每个元件失效对监视功能的影响确定模型内部各元件之间的逻辑结构;先根据信息系统元件可靠性概率计算监视功能模型中模块的可靠性概率,接着叠加各模块的可靠性概率得到整个信息系统监视功能可靠性概率。
[0048] 监视功能涉及模块的可靠性概率的计算方法为:根据模块内部元件之间的逻辑结构建立各模块的可靠性框图,可靠性框图的结构取决于每个模块的失效对功能的影响;利用可靠性框图把元件逻辑关系分为串联系统、并联系统和表决系统,设串联系统的可靠度为Rs,并联系统的可靠度为Rb,表决系统的可靠度为Rr,计算公式为:
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] 式中,n表示串联系统或并联系统或表决系统中元件的个数,Ri表示第i个元件的可靠度。
[0053] 步骤三:选取系统负荷削减概率和期望失负荷量作为电力系统元件可靠性指标,负荷削减概率表示故障或攻击造成不良后果(失负荷)的概率,期望失负荷量表示故障或攻击造成不良后果的严重程度;
[0054] 步骤四:基于信息系统监视功能的可靠性概率和电力系统元件可靠性指标,用非序贯蒙特卡洛方法模拟信息系统监视功能状态和电力系统元件状态;
[0055] 步骤五:分析信息系统监视功能失效对电力系统的影响,基于电力系统可靠性指标,结合监视功能状态和电力系统元件状态,进行考虑监视功能失效的电力系统可靠性评估。
[0056] 负荷削减概率和期望失负荷量的计算为最优负荷削减计算,最优负荷削减计算是否启动的判断步骤如下:
[0057] 1)根据模拟的电网状态(考虑电力系统和信息系统的故障),包括负荷功率、发电机输出功率以及线路潮流约束分析是否解列,解列是指系统的一部分和其它部分失去同步,然后会被切断联系,也就是将与电网不同步的负荷切除。若否,则执行步骤2);若是,则执行最优负荷削减计算;
[0058] 2)根据当前系统状态下的数据进行潮流计算;
[0059] 3)将发生所属断路器监视功能失效的线路潮流限值设为一个足够大的数值,例如设为10000;
[0060] 4)计算输电线路潮流越限总量,公式如下:
[0061]
[0062] 式中:Pol为输电线路潮流越限总量;n为系统输电线路数量;Pi为第i条线路的有功;Pi_lim为第i条线路有功限值;
[0063] 5)判断Pol是否为0,若否,则执行最优负荷削减计算。
[0064] 其中,系统负荷削减概率和期望失负荷量的计算方法为:
[0065]
[0066]
[0067] 式中,LOLP表示系统负荷削减概率;EENS表示期望失负荷量;S为系统所有工作状态的集合,包括信息系统监视功能状态和电力系统元件状态;pi为系统在状态i的概率;Ci为系统在状态i的负荷削减量。
[0068] 电力系统或信息系统发生故障时,会对电力系统运行状态产生影响,使得电力系统最优潮流计算得不到最优解,这时候需要对负荷进行削减,直到电网重新实现最优潮流,削减掉的负荷量为失负荷量,多次仿真取平均值可得到期望失负荷量。
[0069] 在多次仿真过程中,存在电力系统运行正常的情况,则负荷削减量为零,计算负荷削减量不为零的概率,即为负荷削减概率。
[0070] 其步骤四和步骤五具体包括以下步骤:
[0071] 1)根据输入的信息系统数据和电力系统数据,通过元件逻辑结构和元件可靠性概率得到信息系统监视功能可靠性概率,进行非序贯蒙特卡洛抽样,得到物理系统元件状态和信息系统监视功能状态;
[0072] 2)判断监视功能是否失效,若否,进行步骤4;若是,进行步骤5;
[0073] 3)考虑电网遭受攻击,得到攻击后的一次设备状态;
[0074] 4)得到一次系统元件最终状态集;
[0075] 5)分析监视功能对电力系统正常运行的影响,若监视功能没有失效,则视为无影响;
[0076] 6)计算考虑监视功能的电力系统可靠性评估指标,包括负荷削减概率和期望失负荷量;
[0077] 7)设定负荷削减量方差系数的值作为循环终止条件;根据每次计算得到的负荷削减概率计算负荷削减方差系数和期望失负荷量;判断负荷削减量方差系数是否满足计算终止条件,若是,计算负荷削减概率和期望失负荷量并输出;若否,则重复步骤2)到步骤8)。计算方差系数可以判断出最终期望值的收敛状况,即收敛于无数次实验得出的期望值。
[0078] 暂不考虑元件差异对可靠性的影响,即每个通信节点的监视功能可靠性概率相同,利用元件逻辑结构和元件可靠性概率,通过计算得出监视功能的可靠性概率期望为99.941%。
[0079] 如图2,为了研究信息系统可靠性对电力系统可靠性的影响,进行以下两组仿真对比分析:
[0080] 分析在电网遭受攻击的情况下,通过调度业务使电网恢复稳态的过程,分为以下2种情况进行分析:
[0081] Case1:认为信息系统监视功能完全可靠,单独对物理系统进行可靠性评估。
[0082] Case2:考虑信息系统对物理系统的作用,即考虑监视功能可能失效的情况下,对CPPS进行可靠性评估。
[0083] 首先利用蒙特卡洛方法得出电力系统元件状态和信息系统监视功能状态,进行1000次仿真并计算可靠性指标期望值,计算结果如表1所示。
[0084] 表1可靠性指标的期望值
[0085]场景 EENS(MW·h/y) LOLP(%)
Case1 1089.20 0.0783
Case2 1917.64 0.0796
[0086] Case1与Case2的结果对比表明:考虑监视功能的影响之后,系统可靠性指标将会有大幅度上升,传统的默认信息系统完全可靠的可靠性评估方法难以得出确切的可靠性数据,根据两种场景下可靠性指标的对比,发现故障发生的概率没有大幅度增加,其原因在于监视功能属于信息系统对物理系统的间接作用,但是会使得故障发生后扩大化的可能性增大,造成更严重的后果。
[0087] 如上所述,根据实施例可以看出所提方法可以有效评估考虑信息系统监视功能失效的电力系统可靠性。
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