【精彩论文】考虑信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性评估

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

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周霞，杨洲

南京邮电大学

倪明

南瑞集团有限公司

引文信息

周霞, 杨洲, 倪明, 等. 考虑信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性评估[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 40-48.

ZHOU Xia, YANG Zhou, NI Ming，et al. Security evaluation of distribution network cps considering cyber-physical combinations for anticipated fault screening[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 40-48.

研究背景

随着智能电网和能源互联网战略的推进，信息与物理高度耦合已经成为了智能配电网的关键特征。信息系统的加入改善了配电网CPS（信息与物理高度耦合的配电网信息物理系统）的运行，但也给配电网CPS运行的安全性带来一定的风险和影响，严重时会通过信息物理耦合机制引发连锁故障，造成整个配电网CPS瘫痪。配电网CPS在当前的运行状态下，若受到大的扰动，为快速分析和评估配电网CPS的安全性，需建立预想故障集并对其进行筛选，同时信息侧的影响不容忽视，将信息预想故障与其进行组合并考虑信息-物理组合预想故障筛选后进行安全性评估是很有必要的。

论文所解决的问题及意义

本文主要通过生成信息-物理组合预想故障并筛选，对配电网CPS的安全性进行分析：

（1）构建信息和物理预想故障集，并根据拓扑相关性和业务相关性将两者进行组合，快速筛选出相关联的信息-物理预想故障，大大降低组合预想故障的数量。

（2）提出故障恢复率作为快速筛选预想故障的筛选规则，提出配电网CPS安全性评估指标，可以快速地定量评估配电网CPS安全性。

论文重点内容

为研究配电网CPS的安全性，本文按照“模型建立-预想故障生成与筛选-安全性评估指标”的思路提出一种基于信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性评估方法，具体流程如图1所示。

图1 配电网CPS安全性评估流程框图

1、配电网CPS关联矩阵模型

配电网CPS主要包括主干层、接入层和终端层，分别对应控制决策中心、通信网络/二次设备网络和物理网络。本文建立配电网CPS关联矩阵模型，可以有效地描述配电网CPS内部复杂的耦合关系，分析通信、信息和物理等各种因素对配电网CPS的影响及各层之间的交互影响关系。

2、信息-物理预想故障生成与筛选

（1）物理预想故障集

物理预想故障主要是针对拓扑结构的线路开断，逐一开断物理节点之间的线路，并对其进行供电恢复。

（2）信息预想故障集

信息系统承担着配电网CPS的各项业务，信息预想故障的发生可能导致业务无法执行，进而影响物理系统的安全运行。在本文所构建的模型中，信息传递过程中可能发生的预想故障从总体上可分为3类：信息监测设备采集数据错误、通信网络传输故障（延时、中断）和节点控制设备控制故障（拒动、误动）。

（3）信息物理预想故障的组合

从配电网CPS故障恢复的角度构建初始信息-物理组合预想故障集。具体的信息-物理组合预想故障生成流程见图2。

图2 信息-物理组合预想故障生成流程

（4）筛选指标

对于安全性评估来说，不可能对每一个预想故障都进行详细分析，这就需要进行快速故障扫描。而快速故障筛选(或者说故障扫描)，作为配电网CPS安全分析的重要组成功能之一，需要对大量预想故障进行筛选和排序，以减少需要进行详细分析的预想故障的数目。本文提出故障恢复率指标，作为信息-物理组合预想故障集的快速筛选指标，通过计算故障恢复率并排序筛选出严重的组合故障集。

3、安全性评估

针对故障恢复率筛选除信息-物理组合预想故障后，由于配电网CPS用户侧的需求不同，应针对各个区域提出更为详细的评估指标来分析其安全性，包括负荷损失程度、用户损失程度、故障恢复速度和故障恢复方案数指标。

4、算例分析

（1）算例系统

图3—4为算例物理侧和信息侧的拓扑结构图，物理侧包含33个负荷节点，两个联络开关和一个分布式电源；信息侧为一个50节点的网络。

图3 配电网CPS物理侧拓扑结构图

图4 配电网CPS信息侧拓扑结构图

（2）筛选结果与安全性评估

信息-物理组合预想故障的筛选采用故障恢复率作为筛选规则，计算并按由小到大排序，筛选出关键的信息-物理组合预想故障，筛选出6个组合故障如表1所示。

表1 关键信息-物理组合预想故障筛选结果

经故障恢复率筛选出的信息-物理组合预想故障，计算安全性指标，分析在负荷侧、用户侧和故障恢复能力的影响，计算结果如表2所示。

表2 安全性指标计算结果

研究结论

本文以配电网CPS故障恢复过程为切入点，分析信息系统故障对物理系统的间接影响，建立反映电力-信息耦合特性的配电网CPS关联矩阵模型，并且在配电网k(N-1+1)安全分析准则的基础上构建信息-物理组合预想故障集，提出考虑信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性分析与评估方法，为配电网CPS安全性评估提供一种新方法。

主要作者介绍

第一作者：周霞（1978—），女，博士，高级工程师，从事电力系统分析及控制、电力与通信相关领域研究，

E-mail：zhouxia@njupt.edu.cn。

第二作者：杨洲（1995—），男，硕士研究生，从事电力系统信息物理系统相关研究，

E-mail：yang_zhou0207@163.com。

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