基于信息物理融合系统的炼化企业电力系统可靠性评估

吴锋棒

(中国石化青岛安全工程研究院,山东青岛 266071)

0 前言

大型炼化企业电力系统由主网结构、发电、输(供)电、配电等系统组成，是一个与地方电网强连接，且相对独立，发、输、供、配电功能齐全，网络结构复杂的电力系统。炼化工程必须满足和保障生产装置的安全、稳定、长周期、满负荷运行，因此炼化企业对供电的安全性、可靠性、稳定性、连续性和适应性要求很高。炼化生产装置生产过程中一旦发生突然断电、电压波动、电压突变，将造成大面积非计划停车，容易导致装置着火、爆炸、泄漏，设备损坏，人员伤亡，环境污染等重大次生事故，造成重大的经济损失和无法估量的社会问题。

随着信息技术的发展，物理系统与信息系统的融合不断加深，复杂物理系统正逐渐转型为信息物理融合系统(CPS,Cyber-Physical System)。CPS是综合了计算资源、网络环境和物理实体的多维复杂系统，通过计算、通信和控制技术的有机融合与深度协作，形成了包含智能感知层、信息挖掘层、网络层、认知层和配置执行层的5C架构(Connection，Conversion，Cyber，Cognition，Configuration)，从而实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，目前在工业、农业和交通等行业广泛应用[1]。

电力系统的发展离不开通信技术，随着电力系统自动化水平的提高，电力通信系统已经成为电力系统安全、稳定、经济运行的三大支柱之一，并扮演着越来越重要的角色。炼化企业电力系统中，信息与通信技术也广泛应用于监测、控制等环节，炼化企业电力系统及其智能管理控制系统共同构成了典型的信息物理融合系统。系统复杂性的提高、分布式电源的引入和数字技术、网络技术的应用，为炼化企业电力系统的可靠性研究带来了新的挑战。现有研究一般从物理系统的角度对炼化企业电网进行供电可靠性分析[2-6]，而信息系统中的恶意攻击、信道故障和通信误码都有可能导致物理系统的运行风险。因此，对炼化企业电力系统进行信息-物理综合分析，基于CPS对炼化企业电力系统进行建模与可靠性分析具有重要意义。

1 炼化企业电力系统分析

近年来，炼化企业按照高起点建设与不断改造相结合发展，装置规模越来越大，自动化程度越来越高，装置设备对电能质量的要求也越来越高。炼化企业逐步采用数字技术和网络技术，搭建具有分布式电源主网结构、管控一体化功能的石化企业数字化电网，并最终建成企业智能电力系统。在智能电力系统中，信息系统对供电系统的安全、高效、经济运行起着重要的支撑作用，但信息节点(例如传感、控制设备)和信息通道(网络)的故障和失效将会严重影响炼化企业电力系统的稳定和可靠运行。随着信息系统和物理系统的耦合程度不断加深，有必要量化分析电力信息系统对物理系统的运行影响，从而指导炼化企业电力信息系统的建设。

目前，对于电网CPS建模和可靠性评估的研究逐渐深入，但随着电力工业的发展，大电网正逐渐成为超大规模的复杂系统，具有容量大、分布广、扰动传播范围大等特征。因此，对大电网进行CPS可靠性评估时，通常从供电、输电、配电等某一环节出发，对环节本身进行可靠性评估，而忽略系统的整体性和一致性。炼化企业电力系统集发、输、供、配为一体，且地域分布相对较小，在进行CPS可靠性评估时，可以充分考虑系统运行的整体性，评估物理、信息设备和不同的拓扑对于整个系统可靠性的影响，从而发现系统运行过程中的薄弱环节，并进行加强。

因此，依据不同的电力控制管理业务，可将炼化电力系统划分为独立的单元并进行CPS过程流建模，从系统整体运行风险角度对炼化企业电力系统进行信息-物理综合的可靠性评估，以量化评估信息系统故障对物理系统运行状态和风险的影响，为炼化企业电力信息系统的建设和维护提供参考和建议。

2 炼化企业电力系统CPS建模

根据信息物理融合系统的概念，炼化企业电网CPS可以分为信息系统和物理系统两个部分，见图1。其中，信息系统包含传感器、控制器和通信设备等；物理系统包含传统电网中的发电机、变压器、母线、负荷(电动机)、分布式电源和继电保护装置等设备。根据控制管理业务的不同可将整个电力系统CPS划分为几个独立的单元，每个单元包含一组物理设备，物理设备组与传感器和控制器相连，传感器负责采集物理状态并通过通信设备上传，控制器负责为物理设备传达控制指令，其控制指令来源于与之关联的上层决策模块，通信设备具有上传和下发数据的功能。

图1 炼化企业电网CPS的组成与结构

CPS的运行是包含状态感知、实时分析、科学决策和精准执行的闭环过程[1]，以电力系统的协调二极电压控制CSVC过程为例，在某一运行周期内，传感器对物理电网的状态进行实时感知(采集各母线电压、有功功率和无功功率等数据)，通过通信设备上传至本地决策模块，决策模块分析比较上传数据与基准数据，执行优化算法生成相应的控制策略，再通过通信设备将控制信息下发至连接发电设备的控制器，控制器动作改变发电机状态，从而改变母线电压，形成一个完整的闭环过程。该电力业务所关联的物理设备组和传感、控制和通信设备属于一个独立的CPS单元，其信息物理耦合过程为：传感器通过信息采集将物理系统的能量流转化为信息系统的信息流，信息流经过通信网传输转化为决策模块的输入信息，决策模块根据输入信息产生控制指令并将其下发至控制器，控制器动作从而实现信息流到能量流的转化。

由以上闭环过程可知，CPS的信息系统和物理系统紧密耦合，如果信息流中产生错误，无论是网络攻击还是元件故障，均可能造成物理系统的运行安全问题。因此，有必要对信息系统和物理系统进行耦合分析。

分析炼化企业电力系统管理控制的通信过程，其信息流可以看作是从输入数据集到输出数据集的数据映射。假设所有数据集均为模型化的数据节点，而信息系统中的设备和信息传输是连接数据节点的有向支路，信息系统即可生成由数据节点和信息支路构成的有向拓扑，结合物理系统中的电网络拓扑，建立如图2所示的CPS模型。

图2 炼化企业电网CPS模型

各CPS单元形成独立的闭环控制，以单元n为例建立其每一阶段的模型。

a) 传感测量阶段

传感器采集物理设备实时数据并得到单元数据集dn

dn=[dn1dn2…dnm]T

(1)

式中：dni——某一性质的数据，如有功功率P，电压U，温度T等。

此阶段实现了能量流到信息流的转换。

b) 通信上传阶段

数据集dn经通信设备上传至决策模块，形成决策输入数据集Dn

Dn=A1×dn

(2)

式中：A1——传感器与决策模块间的通信设备邻接矩阵。

c) 决策阶段

决策模块接收数据集Dn后进行优化决策，得到控制指令Cn

Cn=fn(Dn)

(3)

式中：fn(·)——单元n关联的决策函数，由单元n运行所采用的优化算法决定。

d) 通信下发阶段

控制指令经通信设备下发至控制器

cn=A2×Cn

(4)

式中：cn——下发至物理单元n的控制指令；

A2——决策模块与控制器间的通信设备邻接矩阵。

e) 控制动作阶段

控制器依据指令cn控制物理设备，单元n物理状态发生改变

ΔSn=gn(cn)

(5)

式中：Sn——物理单元n的状态；

gn(·)——信号-状态转换函数，由被控制的物理设备及其控制量决定。

此阶段实现了信息流向能量流的转变。

3 可靠性评估及指标

在信息物理融合系统中，通信中断或传输误码均有可能导致信息系统生成错误的控制指令，从而影响物理系统的安全性和可靠性。物理系统与信息系统之间相互耦合，互相影响，对其进行可靠性评估时，单独分析一个系统是不全面的，必须考虑到物理系统和信息系统之间的耦合关系。电力系统的脆弱性可以通过N-1方法进行评估，即对所有可能发生的支路物理故障进行扫描，并分析对比各种故障对应的系统响应[7]，该方法可同样应用于炼化企业电网CPS的可靠性分析。

依据上述CPS模型，供电系统故障分为电网络支路故障、信息支路故障和信息-物理耦合支路故障三类。电网络支路故障已有充分研究，现主要描述后两者。传感器故障引起单元数据集内数据缺失；通信设备故障则会引起邻接矩阵A1和A2的改变；决策模块故障引起决策函数f(·)的变化；控制器故障则会引起信号-状态转换函数g(·)的变化。

在典型运行周期内，顺序遍历故障集，依据各信息支路和信息-物理耦合支路的故障类型，修正CPS模型参数，模拟供电系统CPS的运行，求解各故障集下的系统状态，选取电量不足期望值(EENS，Excepted Energy not Supplied)、非计划停运系数(UOR，Unplanned Outage Factor)和可用系数(AF，Availability Factor)等作为可靠性评估量化指标，通过对比有无故障情况下的系统运行状态或安全指标，故障的严重性和系统的可靠性可得到有效评估。

4 结论

炼化企业供电系统正在由单纯的物理系统发展为信息物理融合系统，从信息-物理耦合的角度分析炼化企业供电可靠性具有重要意义。

通过从管理控制业务角度描述了炼化企业CPS的结构组成，并建立其CPS模型描述其运行过程，最后提出了基于CPS的炼化企业供电可靠性评估方法。通过基于CPS的可靠性分析，可以发现电力信息系统中的薄弱环节，为炼化企业电网的规划和配置，以及提高电力系统可靠性提供参考和建议。