基于信息物理融合的电力系统节点脆弱性分析

黄新

（泉州信息工程学院，福建 泉州 362000）

1 引言

智能电网是一种典型的信息物理融合系统，它是由电力物理系统，信息系统通过信息链路通道有机地结合在一起构成的交互系统，与传统电力系统相比较，信息系统的介入为电力系统提供了神经中枢控制中心，对电力系统中功率流通和电能质量不断做出调控作用，使得电能利用和系统运行更加优化，然而同时也增加了电力系统的脆弱性。融合信息系统的电力系统脆弱性分析对于电力系统的安全稳定运行具有实际指导意义，对于智能电网和能源互联网的发展具有推进作用。

2 信息物理融合电力系统建模

2.1 信息物理融合电力系统的物理模型

为了研究信息物理融合电力系统，首要任务是对系统结构模型进行建立，按照对电力系统和信息系统拓扑结构的分析，本部分根据图论知识和网络的概念，将信息物理融合电力系统划分为三部分：信息系统层、电力系统层和信息-电力交互通道。

2.2 信息物理融合电力系统的数学模型

为了研究信息物理融合电力系统中信息系统和电力系统相互之间的关联特性，需要建立信息系统与电力物理系统关联矩阵，通过信息物理融合电力系统关联矩阵来描述复合系统的拓扑结构形式，反映了信息系统影响电力系统的路径，建立信息物理融合电力系统关联矩阵如式(2-1)所示：

其中：表示电力系统的自关联矩阵，AE表示信息系统的自关联矩阵，AI表示信息系统与电力系统之间相互关联矩阵，表示互关联矩阵的转秩。

3 信息物理融合的电力系统脆弱性指标

3.1 电力系统脆弱性指标

在电力系统中，电力设备之间的能量由电源到负荷流通，按照能量流的概念进行分析，电力系统中的能量是按照功率的形式存在的。根据源流路径电气剖分法电力系统自然功率分配主要取决于电力支路上状态分量的分布情况。

3.2 信息系统的脆弱性指标

信息系统的脆弱性主要考虑两个方面，一个是节点的脆弱性，一个是支路的脆弱性，信息交互链路之间的脆弱性，根据链路上的不同业务信息进行分析和计算。信道传输延时，业务数量，业务的重要度等都会对系统的脆弱性造成影响。

3.3 信息物理融合电力系统的脆弱性指标

考虑信息传输交互链路上路由选择概率，定义交互通道上的链路交互脆弱值为：

其中CI[BI（i，v）]表示通信节点i与电力节点v之间的通道脆弱性，psk为第k类业务信息在该通道内传输的路由选择概率。

对于融合系统的脆弱性评估，需要综合考虑电力系统CP[Npi]，信息系统CE[Nei]和交互链路CI[BI（i，v）]上的脆弱性指标，[Npi]计算公式如下

其中得出与电力系统i节点相连的信息节点或通道的最大脆弱值。

4 信息物理融合的电力系统脆弱性分析

本文对于信息系统影响下电力系统的脆弱性进行分析，提出了新型电力系统脆弱性分析方法，并就具体的电力系统进行脆弱性分析实施，做了定性和定量的分析。

4.1 脆弱性判断机理

分析系统的脆弱性时，将脆弱值归一到(1，0)之间，根据系统运行状态和研究经验，脆弱值在 (0，0.5)为良好状态、(0.5，0.7)为警告状态、(0.7，0.9)为危险状态和(0.9，1)为退出运行状态。通过监控状态的划定，在进行评估后可以获得电力系统脆弱值监控状态集合，集合中包含脆弱节点信息。

具体分析步骤为：①根据原始数据信息，形成信息物理融合电力系统的关联矩阵；②根据脆弱性指标计算出系统的脆弱值，形成脆弱性矩阵；③根据受攻击模式，重新形成脆弱矩阵；④形成脆弱集，对系统的脆弱情况做详细分析。

4.2 脆弱性分析

因为信息节点是与电力节点通过信道链路联系到一起的，越多的信息节点受到攻击，对电力系统影响也就越大，本小节针对两个节点受攻击模式下，分析电力系统的脆弱程度。图1给出了信息节点1-2、1-3、2-3受攻击情形下，电力系统脆弱性分析结果。

图1 信息节点受攻击前后电力系统脆弱分析结果

由图1可见，在经历了两个节点冲击之后，电力系统的脆弱程度与未受攻击时，更加严重了。从变化趋势来看1-2受攻击时，电力节点“1”“4”“5”“12”“15”“16”变化明显；其中最为严重的是节点“1”“4”和节点“12”“16”，从数值上来看，都从0.5以内跳跃到0.8左右，按照考量标准，这几个节点已经处于预警位置，应该引起特别重视，尤其是节点“5”，原本就比较脆弱，受影响后，达到0.9，因此可能会退出运行。1-3受攻击时，节点“5”，原本就比较脆弱，受影响后，达到0.9，因此可能会退出运行，同时“10”号点是跃变最大的，也说明受攻击影响下，节点“10”受冲击最大，根据该点的重要程度，可能引起系统崩溃。2-3受攻击时，12受冲击最大，根据该点的重要程度，可能引起系统的崩溃。

表1 多信息节点受攻击前后电力系统脆弱集

从表1可以发现，在经历了两个节点冲击之后，电力系统的脆弱程度与未受攻击时，更加严重了，并且与受攻击节点的位置密切相关。脆弱节点数量也大大增加，脆弱程度也进一步增加了。需要采取一定的措施，对其进行改善，否则将会引起大面积停电事故，系统可能崩溃。对于更多数量的节点受攻击时，严重程度将进一步增加，受电力节点之间的相互影响，网络的总体脆弱度也会增加，因此需要及时进行保护处理，改善系统的脆弱性。

5 总结

为了评估信息物理融合下电力系统的脆弱性，本文对这种新型系统的建模做了必要说明，在脆弱性研究上，对信息系统节点进行模拟攻击，通过对脆弱性指标计算分析，定量对电力系统脆弱值进行计算，来研究信息系统对电力系统脆弱性的影响。研究表明：多信息节点受攻击时，对于直接相连的节点，受到颇大影响，对于原本就相对脆弱的电力节点，很可能因为受冲击比较大而退出运行；对于与受控节点相关联的电力节点，其脆弱性也有一定程度上的增加；同时，电力系统脆弱节点数量大大增加，网络的总体脆弱程度进一步增加，需要及时进行保护处理，改善系统的脆弱性。