本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮信息層網(wǎng)絡(luò)影響下的電力系統(tǒng)的脆弱性方法。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)正往跨區(qū)域、大規(guī)模的電網(wǎng)發(fā)展。這同時(shí)也提高了對(duì)電網(wǎng)和信息層網(wǎng)絡(luò)的安全要求，電力技術(shù)的不斷發(fā)展，同時(shí)信息層和電力系統(tǒng)的相互影響變得更加多，則電力系統(tǒng)在保持自身的穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)信息層網(wǎng)絡(luò)安全的要求越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)脆弱性在一定程度上能夠測(cè)量網(wǎng)絡(luò)可靠性，可反映不同網(wǎng)絡(luò)單元失效時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能的下降程度。以便于找出網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)。關(guān)于對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)脆弱性和信息層網(wǎng)絡(luò)脆弱性的發(fā)明和研究已經(jīng)有不少，但對(duì)于信息層系統(tǒng)影響下的電力網(wǎng)絡(luò)脆弱性發(fā)明幾乎沒(méi)有，為了進(jìn)一步研究復(fù)合系統(tǒng)的脆弱性，需要對(duì)傳統(tǒng)的的研究方法進(jìn)行篩選和改進(jìn)，提出新的脆弱性評(píng)估方法。本發(fā)明就是基于電氣介數(shù)求出電力網(wǎng)絡(luò)脆弱性和基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)求信息層網(wǎng)絡(luò)脆弱性及負(fù)荷節(jié)點(diǎn)間的信息通道的脆弱性基礎(chǔ)上，求出電力-信息層負(fù)荷系統(tǒng)的脆弱性。
本發(fā)明以脆弱度為指標(biāo)，在綜合電力網(wǎng)絡(luò)和信息層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出復(fù)合系統(tǒng)的脆弱性指標(biāo)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在信息層網(wǎng)絡(luò)影響下的電力網(wǎng)絡(luò)脆弱性評(píng)估方法，本發(fā)明考慮了信息層網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力系統(tǒng)的影響因素，提出一個(gè)良好有效的考慮信息層網(wǎng)絡(luò)-電力系統(tǒng)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)評(píng)估方法，具體的是先通過(guò)考慮單獨(dú)的電力系統(tǒng)和信息層網(wǎng)絡(luò)脆弱性，再通過(guò)研究信息層網(wǎng)絡(luò)-電力系統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)的脆弱性。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
步驟s1：先對(duì)原始數(shù)據(jù)輸入后的電網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浠?，再?duì)所有需要評(píng)估的線路，節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的保護(hù)進(jìn)行分組，以求出電力系統(tǒng)線路和節(jié)點(diǎn)的保護(hù)脆弱度?；诨鶢柣舴蚨傻玫骄€路和節(jié)點(diǎn)的電氣介數(shù)。利用平均電壓傳輸能力e、電壓相對(duì)裕度h、無(wú)功變化率w這三個(gè)指標(biāo)來(lái)構(gòu)成互補(bǔ)性指標(biāo)集，e指標(biāo)從全局性角度評(píng)估了事故鏈發(fā)生后電網(wǎng)的輸電能力，h指標(biāo)和w指標(biāo)衡量了事故鏈發(fā)生對(duì)系統(tǒng)局部無(wú)功平衡的影響，并對(duì)e、h指標(biāo)求倒后，將全部指標(biāo)歸一化處理定義保護(hù)k的第i條事故鏈的后果函數(shù)ik,j。由事故鏈的后果函數(shù)可定義保護(hù)k的風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)度r(k)。并由此可定義線路保護(hù)脆弱度λ(i,j)和節(jié)點(diǎn)保護(hù)脆弱度λ(i)
步驟s2：結(jié)合電力系統(tǒng)連鎖故障的擴(kuò)大和繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作，提出結(jié)合電氣介數(shù)和單元保護(hù)脆弱度的評(píng)估模型。
步驟s3：基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)計(jì)算信息層網(wǎng)絡(luò)的效能函數(shù)。定義任兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離為連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑dij計(jì)算系統(tǒng)的總效能e(g)，考慮連通性改進(jìn)效能函數(shù)。由業(yè)務(wù)矩陣sij計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的總業(yè)務(wù)量s，再將最短路徑矩陣aij，其中aij是節(jié)點(diǎn)i和j之間的最短路徑。通過(guò)統(tǒng)計(jì)每次仿真去除1個(gè)點(diǎn)時(shí)失去連接的業(yè)務(wù)數(shù)量，來(lái)計(jì)算改進(jìn)后的效能函數(shù)e′，即考慮了業(yè)務(wù)聯(lián)通性及業(yè)務(wù)分布對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的影響。
步驟s4：考慮電力系統(tǒng)層和信息層網(wǎng)絡(luò)之間的業(yè)務(wù)信息交互通道層的通道脆弱性，融合信息傳輸?shù)穆酚蛇x擇概率后計(jì)算復(fù)合節(jié)點(diǎn)間信息通道的脆弱性。
步驟s5：綜合考慮電力脆弱性指標(biāo)、信息層脆弱性指標(biāo)和信息交互層的通道脆弱性，可得到考慮信息層網(wǎng)絡(luò)影響的電力系統(tǒng)脆弱性評(píng)估指標(biāo)。在計(jì)算過(guò)程中電力脆弱性指標(biāo)和信息層網(wǎng)絡(luò)脆弱性評(píng)估指標(biāo)和復(fù)合節(jié)點(diǎn)間信息通道的脆弱值均歸一化。
所述的步驟s1中對(duì)線路lij的電氣介數(shù)定義為
其中：g和l分別為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)集合和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合；(m,n)為發(fā)電機(jī)-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)；imn(i,j)為在發(fā)電機(jī)-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)(m,n)間加上單位注入電流元后，在線路lij上引起的電流。
節(jié)點(diǎn)i的電氣介數(shù)定義為
其中：(m,n)為發(fā)電-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)；bmn(i)為(m,n)間加入單位注入電流源后在節(jié)點(diǎn)i上產(chǎn)生的電氣介數(shù)。
其中j為所有與節(jié)點(diǎn)i有支路直接相連的節(jié)點(diǎn)。表征了線路、節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)脆弱性。
平均傳輸能力是衡量事故鏈發(fā)生后的最大連通子網(wǎng)的輸電能力：
式中：m為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的集合；pv為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)吸收的有功功率；l為任意一條線路；pl為線路l上的有功功率；xl為線路l的電抗值。
相對(duì)裕度是衡量事故鏈發(fā)生后的負(fù)荷電壓裕度水平。
式中：p為所有點(diǎn)的集合；vcr為臨界狀態(tài)電壓標(biāo)幺值；vs為事故鏈發(fā)生后的電壓標(biāo)幺值。
無(wú)功變化率為衡量事故鏈發(fā)生后的發(fā)電機(jī)無(wú)功出力的變化率。
qg和qg0分別表示事故鏈發(fā)生后和事故鏈發(fā)生前發(fā)電機(jī)g的無(wú)功出力，將e.h求倒后，所有指標(biāo)歸一化處理后定義保護(hù)k的第i條事故鏈的后果函數(shù)ik,i為：
式中
定義保護(hù)k的風(fēng)險(xiǎn)重要度
式中：lk為保護(hù)k的事故鏈集合；pl(i)為保護(hù)k的第i條事故鏈的概率；ik,i為保護(hù)k的第i條事故鏈的后果函數(shù).若風(fēng)險(xiǎn)重要度越大，則保護(hù)k的不正確動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)安全影響越大。
線路保護(hù)脆弱度是線路lij上的保護(hù)對(duì)其脆弱性的平均貢獻(xiàn)程度。
節(jié)點(diǎn)保護(hù)脆弱度是節(jié)點(diǎn)i的鄰接線路上的保護(hù)對(duì)其脆弱性的平均貢獻(xiàn)程度
式中：r(k)和r(k+1)為線路lij兩端保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)重要度；j為所有與節(jié)點(diǎn)i有線路直接相連節(jié)點(diǎn)；ki為節(jié)點(diǎn)i的度。
所述的步驟s2中，結(jié)合了電氣介數(shù)與單元保護(hù)脆弱度的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估模型：
q(i,j)＝b(i,j)λ(i,j)(11)
q(i)＝b(i)λ(i)(12)
式中：q(i,j)為線路lij的脆弱度；q(i)為節(jié)點(diǎn)i的脆弱度。
所述的步驟s3中，平均距離l，即反映了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間信息傳播的平均長(zhǎng)度，即2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短距離：
n為節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)，定義整個(gè)網(wǎng)絡(luò)g的功效性指標(biāo)為：
假設(shè)εij表示2節(jié)點(diǎn)之間的通信效率，與這2節(jié)點(diǎn)之間的最短距離成反比，εij＝(1/dij)。
改進(jìn)后的效能函數(shù)為：
其中e是原來(lái)的功效性指標(biāo)效能函數(shù)，
所述的步驟s5中，定義復(fù)合節(jié)點(diǎn)間信息通道的脆弱性時(shí)考慮了路由選擇概率：
式中：cf[ef(i,j)]是通信節(jié)點(diǎn)i和電力節(jié)點(diǎn)j間的通脆弱性，psk是第k類(lèi)業(yè)務(wù)信息在該通道的路由選擇概率。εt為通道傳輸實(shí)際延時(shí)和固有時(shí)延之比；n為通道中的業(yè)務(wù)量，vk為第k類(lèi)業(yè)務(wù)的傳輸速率；bsk為第k類(lèi)通信業(yè)務(wù)的重要度指標(biāo)。
電力節(jié)點(diǎn)脆弱性和信息層節(jié)點(diǎn)脆弱值和信息交互通道的脆弱值三者疊加可以得到考慮信息層影響下的電力節(jié)點(diǎn)脆弱性指標(biāo)：
cp'(npi)＝q(i)+[1-q(i)]·maxj{max{cf[ef(i,j)]},e'}(17)
在式中計(jì)算時(shí)，各指標(biāo)均需要進(jìn)行歸一化處理，其中maxj就是與電力i節(jié)點(diǎn)相連的信息層通道的最大脆弱值。
考慮到信息層的融入會(huì)對(duì)電力支路的脆弱性產(chǎn)生間接的影響，因此考慮了信息層網(wǎng)絡(luò)的影響下的電力支路脆弱性指標(biāo)：
式中wik表示節(jié)點(diǎn)i的度數(shù)。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在傳統(tǒng)的單獨(dú)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析和傳統(tǒng)的對(duì)信息層網(wǎng)絡(luò)的脆弱性基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)信息層網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)的交互影響分析，來(lái)綜合信息層網(wǎng)絡(luò)影響下的電力網(wǎng)絡(luò)脆弱度分析。本方法能夠通過(guò)求出負(fù)荷系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)來(lái)評(píng)判某一時(shí)間斷面電力-信息層復(fù)合系統(tǒng)的脆弱性程度。能夠有效地分析復(fù)合系統(tǒng)的薄弱部分，提高復(fù)合系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明流程圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
步驟s1：先對(duì)原始數(shù)據(jù)輸入后的電網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浠?，再?duì)所有需要評(píng)估的線路，節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的保護(hù)進(jìn)行分組，以求出電力系統(tǒng)線路和節(jié)點(diǎn)的保護(hù)脆弱度?；诨鶢柣舴蚨傻玫骄€路和節(jié)點(diǎn)的電氣介數(shù)。利用平均電壓傳輸能力e、電壓相對(duì)裕度h、無(wú)功變化率w這三個(gè)指標(biāo)來(lái)構(gòu)成互補(bǔ)性指標(biāo)集，e指標(biāo)從全局性角度評(píng)估了事故鏈發(fā)生后電網(wǎng)的輸電能力，h指標(biāo)和w指標(biāo)衡量了事故鏈發(fā)生對(duì)系統(tǒng)局部無(wú)功平衡的影響，并對(duì)e、h指標(biāo)求倒后，將全部指標(biāo)歸一化處理定義保護(hù)k的第i條事故鏈的后果函數(shù)ik,j。由事故鏈的后果函數(shù)可定義保護(hù)k的風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)度r(k)。并由此可定義線路保護(hù)脆弱度λ(i,j)和節(jié)點(diǎn)保護(hù)脆弱度λ(i)；
步驟s2：結(jié)合電力系統(tǒng)連鎖故障的擴(kuò)大和繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作，提出結(jié)合電氣介數(shù)和單元保護(hù)脆弱度的評(píng)估模型。
步驟s3：基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)計(jì)算信息層網(wǎng)絡(luò)的效能函數(shù)。定義任兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離為連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑dij計(jì)算系統(tǒng)的總效能e(g)，考慮連通性改進(jìn)效能函數(shù)。由業(yè)務(wù)矩陣sij計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的總業(yè)務(wù)量s，再將最短路徑矩陣aij，其中aij是節(jié)點(diǎn)i和j之間的最短路徑。通過(guò)統(tǒng)計(jì)每次仿真去除1個(gè)點(diǎn)時(shí)失去連接的業(yè)務(wù)數(shù)量，來(lái)計(jì)算改進(jìn)后的效能函數(shù)e′，即考慮了業(yè)務(wù)聯(lián)通性及業(yè)務(wù)分布對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的影響。
步驟s4：考慮電力系統(tǒng)層和信息層網(wǎng)絡(luò)之間的業(yè)務(wù)信息交互通道層的通道脆弱性，融合信息傳輸?shù)穆酚蛇x擇概率后計(jì)算復(fù)合節(jié)點(diǎn)間信息通道的脆弱性。
步驟s5：綜合考慮電力脆弱性指標(biāo)、信息層脆弱性指標(biāo)和信息交互層的通道脆弱性，可得到考慮信息層網(wǎng)絡(luò)影響的電力系統(tǒng)脆弱性評(píng)估指標(biāo)。在計(jì)算過(guò)程中電力脆弱性指標(biāo)和信息層網(wǎng)絡(luò)脆弱性評(píng)估指標(biāo)和復(fù)合節(jié)點(diǎn)間信息通道的脆弱值均歸一化。
所述的步驟s1中對(duì)線路lij的電氣介數(shù)定義為
其中：g和l分別為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)集合和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合；(m,n)為發(fā)電機(jī)-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)；imn(i,j)為在發(fā)電機(jī)-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)(m,n)間加上單位注入電流元后，在線路lij上引起的電流。
節(jié)點(diǎn)i的電氣介數(shù)定義為
其中：(m,n)為發(fā)電-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)；bmn(i)為(m,n)間加入單位注入電流源后在節(jié)點(diǎn)i上產(chǎn)生的電氣介數(shù)。
其中j為所有與節(jié)點(diǎn)i有支路直接相連的節(jié)點(diǎn)。表征了線路、節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)脆弱性。
平均傳輸能力是衡量事故鏈發(fā)生后的最大連通子網(wǎng)的輸電能力：
式中：m為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的集合；pv為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)吸收的有功功率；l為任意一條線路；pl為線路l上的有功功率；xl為線路l的電抗值。
相對(duì)裕度是衡量事故鏈發(fā)生后的負(fù)荷電壓裕度水平。
式中：p為所有點(diǎn)的集合；vcr為臨界狀態(tài)電壓標(biāo)幺值；vs為事故鏈發(fā)生后的電壓標(biāo)幺值。
無(wú)功變化率為衡量事故鏈發(fā)生后的發(fā)電機(jī)無(wú)功出力的變化率。
qg和qg0分別表示事故鏈發(fā)生后和事故鏈發(fā)生前發(fā)電機(jī)g的無(wú)功出力，將e.h求倒后，所有指標(biāo)歸一化處理后定義保護(hù)k的第i條事故鏈的后果函數(shù)ik,i為：
式中
定義保護(hù)k的風(fēng)險(xiǎn)重要度
式中：lk為保護(hù)k的事故鏈集合；pl(i)為保護(hù)k的第i條事故鏈的概率；ik,i為保護(hù)k的第i條事故鏈的后果函數(shù).若風(fēng)險(xiǎn)重要度越大，則保護(hù)k的不正確動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)安全影響越大。
線路保護(hù)脆弱度是線路lij上的保護(hù)對(duì)其脆弱性的平均貢獻(xiàn)程度。
節(jié)點(diǎn)保護(hù)脆弱度是節(jié)點(diǎn)i的鄰接線路上的保護(hù)對(duì)齊脆弱性的平均貢獻(xiàn)程度
式中：r(k)和r(k+1)為線路lij兩端保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)重要度；j為所有與節(jié)點(diǎn)i有線路直接相連節(jié)點(diǎn)；ki為節(jié)點(diǎn)i的度。
所述的步驟s2中，結(jié)合了電氣介數(shù)與單元保護(hù)脆弱度的電網(wǎng)脆弱性評(píng)估模型：
q(i,j)＝b(i,j)λ(i,j)(11)
q(i)＝b(i)λ(i)(12)
式中：q(i,j)為線路lij的脆弱度；q(i)為節(jié)點(diǎn)i的脆弱度。
所述的步驟s3中，平均距離l，即反映了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間信息傳播的平均長(zhǎng)度，即2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短距離：
n為節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)，定義整個(gè)網(wǎng)絡(luò)g的功效性指標(biāo)為：
假設(shè)εij表示2節(jié)點(diǎn)之間的通信效率，與這2節(jié)點(diǎn)之間的最短距離成反比，εij＝(1/dij)。
改進(jìn)后的效能函數(shù)為：
其中e是原來(lái)的功效性指標(biāo)效能函數(shù)，
所述的步驟s5中，定義復(fù)合節(jié)點(diǎn)間信息通道的脆弱性時(shí)考慮了路由選擇概率：
式中：cf[ef(i,j)]是通信節(jié)點(diǎn)i和電力節(jié)點(diǎn)j間的通脆弱性，psk是第k類(lèi)業(yè)務(wù)信息在該通道的路由選擇概率。εt為通道傳輸實(shí)際延時(shí)和固有時(shí)延之比；n為通道中的業(yè)務(wù)量，vk為第k類(lèi)業(yè)務(wù)的傳輸速率；bsk為第k類(lèi)通信業(yè)務(wù)的重要度指標(biāo)。
電力節(jié)點(diǎn)脆弱性和信息層節(jié)點(diǎn)脆弱值和信息交互通道的脆弱值三者疊加可以得到考慮信息層影響下的電力節(jié)點(diǎn)脆弱性指標(biāo)：
cp'(npi)＝q(i)+[1-q(i)]·maxj{max{cf[ef(i,j)]},e'}(17)
在式中計(jì)算時(shí)，各指標(biāo)均需要進(jìn)行歸一化處理，其中maxj就是與電力i節(jié)點(diǎn)相連的信息層通道的最大脆弱值。
考慮到信息層的融入會(huì)對(duì)電力支路的脆弱性產(chǎn)生間接的影響，因此考慮了信息層網(wǎng)絡(luò)的影響下的電力支路脆弱性指標(biāo)：
式中wik表示節(jié)點(diǎn)i的度數(shù)。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在傳統(tǒng)的單獨(dú)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析和傳統(tǒng)的對(duì)信息層網(wǎng)絡(luò)的脆弱性基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)信息層網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)的交互影響分析，來(lái)綜合信息層網(wǎng)絡(luò)影響下的電力網(wǎng)絡(luò)脆弱度分析。本方法能夠通過(guò)求出負(fù)荷系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)來(lái)評(píng)判某一時(shí)間斷面電力-信息層復(fù)合系統(tǒng)的脆弱性程度。能夠有效地分析復(fù)合系統(tǒng)的薄弱部分，提高復(fù)合系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。