基于电力系统信息物理融合建模与综合安全评估

张尧 朱浩楠

（1.东北林业大学机电工程学院 黑龙江省哈尔滨市 150040 2.华中科技大学电气与电子工程学院 湖北省武汉市 430074）

在科技的引领下，电力系统飞速发展，信息物理融合建模成为流行趋势。研究发现，信息物理融合建模先进性较强，该方法将CPS系统评估后完整性分解，并进行抽象拓扑图等操作，从中获取“数据节点”。在整个过程中，信息传输等环节缺一不可，可以充当重要的“信息支路”。在现实工作中，通过矩阵运算的方式，完成简单的量化计算，该方法具有可行性，可有效提升计算速率。

1 信息物理耦合系统综合概述

信息物理耦合系统综合性良好，技术推广的意义非凡。实践证明，该系统的应用具有先进性，有利于网络化资源优势发挥，并与物理世界深层结合，起到积极促进效果。研究发现，在电力系统中，想要实现嵌入式设备的应用或者进行信息-物理系统选择，进行高质量的时序配置，重要的支撑就是物理耦合关键技术。在这样的前提下，物理系统耦合与离散具有决定性影响。电力CPS功能显著，在现实应用中有许多种表现形式，这些形式均有各自的特征，控制中心应用最为特别，是一个典型例子，这种模式也被称为是系统的相互耦合。在现实应用中，电力系统构成复杂，与控制系统相互相成，在多种保障措施下，共同构成了信息系统。在研究中，能量管理系统十分关键，是重要的分析对象。应用中，该系统又称为EMS，涵盖广域广阔，除了处于核心内容的信息实时感知(RTU/PMU)外，还将囊括优质的信息传输、处理等众多形态[1]。空间覆盖范围极广，可以达到上千公里，另外，时间上划分也比较细腻，可以涵盖毫秒到小时级，可以满足优质和经济等较为严格的要求。从上述分析了解到，信息系统(CyberSystem)非常关键，起到基础性作用。换句话说，电力系统的运行，需要信息系统(CyberSystem)的支撑，如果少了这部分支撑，电力系统的稳定将会被破坏。基于信息物理耦合系统原理的能源智能化分布图如图1所示。

图1：基于信息物理耦合系统原理的能源智能化分布图

目前，随着智能电网发展，信息物理耦合系统的需求更加迫切，为了解决信息环节的影响问题，需要借助强大的信息物理耦合系统功能，提高智能电网安全性。智能电网本身定位对技术要求高，是建立在IT技术之上的，这种新型电网优势突出，无论是信息网络规模，还是具体的决策单元数量，在短时间内都大大增加，物理与信息系统耦合已经成为流行趋势，并渗透到千家万户。综上可以看出，信息系统功能强大，为电网提供了技术领域的保障，但如果应用期间，信息系统失效，所带来的影响将会十分严重。基于这样的前提，实现融合建模与具有实效性的综合安全评估，有着重要的指导意义。

在评估的过程中，需要注意的是，新时期的智能电网作用显著，作为典型的CPS系统，在系统架构期间，其信息与物理系统存在某种亲密关系，既相互耦合，又互相影响。在此前提下，对系统进行评估时，需要考虑系统的不安全和不全面性，合理平衡耦合关系。但从实际情况了解到，CPS建模的研究较少，尚未形成完整体系，分析具体应用功能时，只会考虑到状态估计、有功调度等，通常不具备通用性[2]。因此，现实工作中如何搭建整体模型，进行定量评估，是有挑战性的课题。

2 信息物理融合建模的可行方法

在现实工作中，为量化信息故障影响，对信息故障有效预警、分析，可以采用建模方法，完成对信息故障的综合性评估。

2.1 信息-能量流混成计算

电力系统运行时，需要考虑的因素众多，其物理电网的能量流（核心参数）极为重要，特别是能量流的分布需要科学把控，其状态改变影响深远，从源头直接决定系统的性能。通过论证发现，当引入信息系统后，系统功能会产生微妙变化，各量测终端将转化真实的物理状态量，最终获得虚拟信号。与此同时，二次侧的信息系统也将开始工作，在这些信息支撑下，经过多级传输和较为科学的计算后，将会变换成控制信号[3]。在整个过程中，系统控制终端成效显著，可将物理状态改变。具体改变的对象包括负荷的变化以及实际的开关投切等。这些关键性操作的改变，将影响能量流分布，不但衍生、催化新的运行状态。站在CPS角度来分析，整个交互过程可以用“物理-信息-物理”来科学表示。

交互的过程，大体分为两个方向。

（1）能量流→信息流。在整体过程中，物理状态直接切换到虚拟信号，需要满足一定条件，对应的是状态感知环节。该过程可描述为：y(N)=Hy·x(N)。X代表依存变量；信息源y=[y1......ym]T。

（2）信息流→能量流。反向的转化依旧需要满足特定条件，该环节对应的是控制环节，具体来说，网络各叶节点信息z，会对应实际的控制量u，如果借助公式，这种关系可以描述为：u(N)=Eu·z(N)。

通过上述分析可知，想要进行综合评估，完成有效的快速求解，掌握电网能量流分布，可通过潮流模型实现。工作中，信息流与能量流的连接与优质转换，可以借助线性映射来描述，这种关系的求解难度并不大。但结合现实可知，电网CPS系统的信息流整体水平较高，各模块难以分辨，在信息传输、转换等阶段，映射函数多样，所以想要科学求解，难度还是很大的。值得注意的是，在现实工作中，物理电网能量的平衡受多方影响，各元件的运行必须要保障科学，并且确保有序推进，一些模块的输入，对应的要有一些模块的输出，这样的关系才平衡。例如：作为下级变电站，在现实工作中，本地的SCADA量测信号（重要参数）必须要获取完整，只有这样，才能将其上传至主站，通过合理步骤，保障决策的合理性。在这样的前提下，进行能量流求解时，要对时序特性综合检验。但在现实应用中，时序模型的建立具有特殊性，并不适用于代数求解，想要从源头高效率解决这一问题，需要借助网络的有向性，找到理想的潮流求解方法，并进行简化，提高求解的效率。

实践证明，经过化简，该系统的效率更高，能量流计算复杂度可明显下降，保证二者耦合同时，避免损失的出现。化简后的系统作用显著，能够与原系统的信息匹配，并实现能量流分布的一致。

2.2 信息支路元件建模

电力系统构成复杂，在其中信息元件和系统拓扑发挥实质性的作用，两者共同决定了系统性能。研究发现，信息系统的核心元件，之所以功能不一，是因为所采取的信息模块不一致，所以在现实应用中，信息模块的分类起基础性作用，属于深入研究的基石。在实践中可知，信息系统功能庞大，除了复杂通信系统外，还囊括了海量信息元件，在这样的前提下，如果进行直接建模，效果很难保障，同时会影响运算效率。在工作中，尽管研究对象明确，但侧重点却要落在相对重要的物理侧电网运行上。操作期间，需要借鉴“外网等值”的思路，将目光停留在物理系统的层面上，搭建科学、严谨的信息网络，借此创建物理系统“等值模型”，在此基础上，降低模型的复杂度。通过分析研究可知，系统中的状态量极为关键，在应用期间，可以将其抽象成“数据节点”，并在信息处理阶段，充当“信息支路”[4]。首末端节点是基础，也是核心，为输入与输出数据，涉及到的元件特性，分别指的是映射关系（传输与转换）。信息模块的搭建，需要从两部分入手，信息传输与信息处理。在电力系统中，这两类模块相互依托，但又相对独立。需要强调的是，在模型搭建中，两类模块紧密耦合的完成，主要靠信息交流实现。在控制系统中，一般情况下模块的数据输出非常特别，将汇集成总的信息池，作为模块的数据源，其作用是显著的。

2.3 信息故障建模

想要进行有效的故障评判，掌握故障的破坏力和影响程度，实现信息故障建模是较为稳妥的方法。在前文的介绍中，已经简单概述了物理耦合模型中，如何超精准完成混成计算。所以在进行脆弱性检验时，可以采用N-1分析方法，进行完整的可靠性/脆弱性评估。在现实工作中，只需扫描故障集，便可以进行相关操作，求解各故障下的各种状态。实践表明，信息系统的特性存在多个影响要素，除了信息支路模型对其影响较大外，系统拓扑性能也是重要决定因素。基于这样的前提，在现实工作中，信息网络的影响需要细致划分，将信息故障(CyberContingency)按照性质的不同分为两类。一类是拓扑故障；另一类是频次较高的支路故障。实践证明，无论是信息攻击错误，还是偶发性错误，故障都是较集中的，主要汇集在信息支路中。在现实应用中，若各信息处理模块功能完善，算法都经过准确校验，那么导致信息传输的错误只有可能是输入引起的，而现实中这类故障，有一个统一的名词，叫做支路信息故障。所以说，信息传输支路故障属于研究的重点。

3 系统的综合安全评估

在建模的基础上，可以有效实施综合安全评估，这是信息物理耦合系统发挥作用的关键。通过系统性研究可知，电力系统相对脆弱，其脆弱性可以借助科学的N-1方法来评估。这种N-1方法比较特别，具体来讲，要对可能发生的故障（支路故障）完成系统性的扫描，在此基础上找出故障成因，并分析系统响应方法。此外经研究发现，在信息系统中，不当的控制指令影响较大，皆是由信息故障造成的，一旦发现此类故障，物理系统稳定性将下降。在无故障比较的情况下，故障的严重性通过科学途径，可得到有效评估。

3.1 支路故障分析

前文已经提到了，支路故障属于重点，在现实应用中，该故障与拓扑故障存在实际性区别。支路故障原理简单，主要是数据映射关系的改变诱发的故障。从实际经验了解到，最常出现的支路故障按照表现可以总结为三类，下面将进行一一介绍。

3.1.1 传输错误

传输错误比较多发，是常见的故障类型。该故障发生时，可以明显看到系统状态的改变，由于该故障的出现，故障支路的输出数据将会与现实脱离，和实际的输入数据形成偏差。在现实应用中，引起这类故障的诱因众多，例如：固有系统量测误差等。需要注意的是，该故障会持续叠加误差，因此需要高度关注。

3.1.2 传输延迟

传输延迟同样常见，顾名思义，出现该故障意味着数据的传输将会变缓，从而出现延时情况。在现实工作中，传输延迟故障影响较大，会将原有的非事件模型更改为时间相关模型。

3.1.3 传输中断

除了上述几种情况外，传输中断也是要引起重视的。从实际经验中了解到，传输中断故障的发生，将阻碍信息的传输，并造成有效信息的缺失。在现实应用中，传输中断是对数据映射产生影响，在保留系统拓扑结构的前提下，阻碍信息的传输，该故障的发生，可以是大范围的，必须要引起重视。

3.2 灵敏度分析

在综合安全评估工作中，还有一项重要内容，那就是系统灵敏度的分析。由故障分析结果可知，在现实应用中，不同信息、不同信道构成因子不同，所发生的故障并不属于同一类型，对物理电网的影响自然也会差异较大。与传统信息网相比，电网系统可靠性评估需要制定明确的指标，在考虑网络信道可靠性基础上，综合评判对物理系统的影响。只有这样，才能发挥出信息物理耦合的作用，确保电力系统的稳定。在工作中，灵敏度分析思路如图2所示。

图2：灵敏度分析思路

从图2中可以看出，灵敏度是重要指标，当某个量发生变化时，影响其他量的数值，被叫做灵敏度。例如：现行电力系统中，当无功输出改变（某节点的），就会对整个系统电压产生影响，这种现象被称为无功-电压灵敏度。该指标具有指导作用，可以应用到脆弱性评估中，借此实现电压的稳步控制。

4 结论

综上所述，在未来信息物理融合建模应用将更加频繁，借助该基础分析框架，可以降低安全评估的复杂度，确保系统的运行优化，同时解决稳定性评估等问题。在信息物理融合建模的基础上，可以将系统故障分类，判断故障的影响力和破坏力，采取积极、稳妥措施，在控制住故障的同时，提升信息冗余度，确保系统信息可靠性。最终完成信息流的优化配置，夯实电网控制架构设计的基础，为量化分析提供保障。