CN108320079B - 考虑信息***连接与传输的电力二次***风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑信息***连接与传输的电力二次***风险评估方法。本发明步骤如下:步骤1、对二次***中的信息***元件进行抽象,生成信息网络拓扑;并设置网络运行模拟次数N;步骤2、利用可靠性参数对相关元件进行状态抽样,去除信息网络拓扑中的故障部分,更新信息网络拓扑;步骤3、依据路由策略和数据包传输模型,模拟信息网络运行;如果网络运行次数达到N,进入步骤4;否则返回步骤2;步骤4、统计网络中上行任务与下行任务的完成情况,计算相关IED功能的失效概率;步骤5、根据IED功能的价值指标与失效概率,计算二次***的风险指标。本发明具有更好的扩展性、更强的适应性与更高的实用性。
Description
技术领域
本发明属于电力***自动化技术领域,具体涉及一种考虑信息***连接与传输的电力二次***风险评估方法。
背景技术
随着电力工业信息化程度不断加深,电力二次***(信息***)已成为整个电力***不可分割、赖以运行的重要组成部分。一方面,二次***的强大功能为电力***正常运行提供了技术保障;另一方面,二次***失效也可能影响电力***可靠运行,甚至导致***振荡或大范围停电事故。因此,建立有效的电力二次***风险评估方法对于完善电力***整体风险评估机制具有十分重要的意义。
目前,国内外已出现了许多关于二次***安全风险的研究,大体上可分为两类:一类仅针对信息***建模,着眼于二次***自身的安全与可靠,没有考虑信息层失效对电网物理层的影响;另一类则聚焦信息***在电力***中的具体应用,从特定设备、特定功能、特定***出发研究二次***失效对电力***的影响。此外,就二次***的信息传递而言,多数研究对信息***的动态传输特性考虑不足。
基于上述原因,本申请人希望提出一种更加通用的计及信息***静态连接与动态传输因素的电力二次***风险评估方法。
发明内容
本发明计及信息***静态连接与动态传输因素,提供了一种考虑信息***静态连接与动态传输的电力二次***风险评估方法。具体地,通过信息网络拓扑生成、信息网络运行模拟、风险指标计算等三大步实现二次***风险评估。该方法可为二次***的拓扑优化、关键元件辨识、风险管理等提供辅助决策依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤:
步骤S1、对二次***中的信息***元件进行抽象,生成信息网络拓扑。并设置网络运行模拟次数N。
步骤S2、利用可靠性参数对相关元件进行状态抽样,去除信息网络拓扑中的故障部分,更新信息网络拓扑。
步骤S3、依据路由策略和数据包传输模型,模拟信息网络运行。如果网络运行次数达到N,进入步骤S4;否则返回步骤S2。
步骤S4、统计网络中上行任务与下行任务的完成情况,计算相关IED功能的失效概率。
步骤S5、根据IED功能的价值指标与失效概率,计算二次***的风险指标。
所述的步骤S1中,对有关内容的说明和定义如下:
信息***元件包括监控主机、交换机、智能电子设备(IED)和通信线路。其中IED分为动作型IED和量测型IED。
所述的将信息***元件抽象生成信息网络拓扑,具体的:将监控主机、交换机和IED抽象为节点,通信线路抽象为边。其中,动作型IED和交换机之间的边由后者指向前者,量测型IED和交换机之间的边由前者指向后者,其余的边均为双向。边的方向代表信息传输的方向。
所述的步骤S2中,对有关内容的说明和定义如下:
相关元件的可靠性参数包括平均失效前时间(MTTF)、平均修复时间(MTTR)。采用蒙特卡洛方法对元件的状态进行抽样,0代表正常,1代表故障。将故障元件从网络拓扑中移除。对于边只需移除其本身;对于节点除了移除其本身还需移除与之相连的边。
所述的步骤S3中,对有关内容的说明和定义如下:
路由策略可根据实际需求进行制定,例如最短路径路由。
关于信息网络的运行,有如下假设:
(1)每个节点在每个时间步长里既能向相邻节点传输数据包也能接收来自相邻节点的数据包;
(2)每个节点在每个时间步长里最多能处理C个数据包;
(3)每个节点基于先进先出(FIFO)原则按顺序传输数据包;
(4)每个节点处的数据包队列可以无限长;
(5)数据包到达目的节点时自动从网络中消失;
(6)监控主机能够生成数据包,其目的节点为动作型IED;量测型IED能够生成数据包,其目的节点为监控主机。
关于数据包传输模型,假设在时刻t(t为整数)有一数据包P需在t+1时刻传输到节点m,其目的节点为D,则数据包P可表示为
P(t)=P(S,D,m,k) (公式1)
其中,S为数据包P的有效信息(如电气量或控制命令),可用二进制码表示;D、m除表示节点外也表示相应节点的地址;k为该数据包自生成开始已经过的时间步长数。
每经过一个时间步长,S和D的内容可能产生误差,m和k则自动更新。具体地,从时刻t到t+1,有
S′=S-int(θ-αS)ΔS (公式2)
D′=D-int(θ-αD)ΔD (公式3)
k′=k+1 (公式4)
其中,θ=rand(0,1)为0~1之间的随机数;int为取整函数;αS、αD分别为相应误差产生的概率;ΔS、ΔD为误差量。公式2、3即为传输误差模型。
此外,数据包传输还可能出现延时,数学表达为
P(t+x)=P(t),1≤x≤τ (公式5)
其中,τ为总计延时步长数;x为1~τ之间的整数。公式5即为传输延迟模型。实际中的延时现象是由信道拥塞导致的。在进行简单网络的模拟时,可通过公式6来生成τ:
τ=-int(θ-β)ΔT (公式6)
其中,β为产生延时的概率;ΔT为事先设定的延时量。
模拟信息网络运行,首先清空网络中的信息包。初始时刻t=0,在各监控主机节点处生成多个下行数据包,在各量测型IED节点处生成多个上行数据包。每经过一个时间步长,各数据包更新一次状态。每个数据包到达目的节点时所经历的时间步长由变量k记录。当所有数据包均到达目的节点时,当次模拟结束。
所述的步骤S4中,对有关内容的说明和定义如下:
数据包的生成标志着任务的发起。上行任务对应量测型IED功能的实现,下行任务对应动作型IED功能的实现,判定一项任务完成需同时满足以下三个条件:(1)传输了正确的有效信息S;(2)到达了正确的目的节点D;(3)传输经历的时间步长k在允许范围内。
假设某任务A对应某IED功能f,则在N次网络运行模拟中,功能f的失效概率Υf定义为
所述的步骤S5中,对有关内容的说明和定义如下:
对某IED功能f,其价值Vf可由该功能失效时对物理层电网的影响来衡量。具体指标可采用电力***可靠性指标电量不足期望值(EENS)、失负荷概率(LOLP)等。本发明中定义功能f的价值为考虑f失效时电力***的EENS值。
二次***的风险指标R定义为
R=∑ΥfVf (公式8)
其中,求和符号表示对***中所有的IED功能进行风险综合。
本发明有益效果如下:
本发明在已有的二次***风险评估方法的基础上,重点计及了信息***动态传输的影响,给出了一种基于功能失效概率的风险指标计算方法。与传统方法相比,本方法具有更好的扩展性、更强的适应性与更高的实用性。
具体实施方式
考虑信息***连接与传输的电力二次***风险评估方法,具体包括如下步骤:
步骤S1、对二次***中的信息***元件进行抽象,生成信息网络拓扑。并设置网络运行模拟次数N。
步骤S2、利用可靠性参数对相关元件进行状态抽样,去除信息网络拓扑中的故障部分,更新信息网络拓扑。
步骤S3、依据路由策略和数据包传输模型,模拟信息网络运行。如果网络运行次数达到N,进入步骤S4;否则返回步骤S2。
步骤S4、统计网络中上行任务与下行任务的完成情况,计算相关IED功能的失效概率。
步骤S5、根据IED功能的价值指标与失效概率,计算二次***的风险指标。
所述的步骤S1中,对有关内容的说明和定义如下:
信息***元件包括监控主机、交换机、智能电子设备(IED)和通信线路。其中IED分为动作型IED和量测型IED。
所述的将信息***元件抽象生成信息网络拓扑,具体的:将监控主机、交换机和IED抽象为节点,通信线路抽象为边。其中,动作型IED和交换机之间的边由后者指向前者,量测型IED和交换机之间的边由前者指向后者,其余的边均为双向。边的方向代表信息传输的方向。
所述的步骤S2中,对有关内容的说明和定义如下:
相关元件的可靠性参数包括平均失效前时间(MTTF)、平均修复时间(MTTR)。采用蒙特卡洛方法对元件的状态进行抽样,0代表正常,1代表故障。将故障元件从网络拓扑中移除。对于边只需移除其本身;对于节点除了移除其本身还需移除与之相连的边。
所述的步骤S3中,对有关内容的说明和定义如下:
路由策略可根据实际需求进行制定,例如最短路径路由。
关于信息网络的运行,有如下假设:
(7)每个节点在每个时间步长里既能向相邻节点传输数据包也能接收来自相邻节点的数据包;
(8)每个节点在每个时间步长里最多能处理C个数据包;
(9)每个节点基于先进先出(FIFO)原则按顺序传输数据包;
(10)每个节点处的数据包队列可以无限长;
(11)数据包到达目的节点时自动从网络中消失;
(12)监控主机能够生成数据包,其目的节点为动作型IED;量测型IED能够生成数据包,其目的节点为监控主机。
关于数据包传输模型,假设在时刻t(t为整数)有一数据包P需在t+1时刻传输到节点m,其目的节点为D,则数据包P可表示为
P(t)=P(S,D,m,k) (公式1)
其中,S为数据包P的有效信息(如电气量或控制命令),可用二进制码表示;D、m除表示节点外也表示相应节点的地址;k为该数据包自生成开始已经过的时间步长数。
每经过一个时间步长,S和D的内容可能产生误差,m和k则自动更新。具体地,从时刻t到t+1,有
S′=S-int(θ-αS)ΔS (公式2)
D′=D-int(θ-αD)ΔD (公式3)
k′=k+1 (公式4)
其中,θ=rand(0,1)为0~1之间的随机数;int为取整函数;αS、αD分别为相应误差产生的概率;ΔS、ΔD为误差量。公式2、3即为传输误差模型。
此外,数据包传输还可能出现延时,数学表达为
P(t+x)=P(t),1≤x≤τ (公式5)
其中,τ为总计延时步长数;x为1~τ之间的整数。公式5即为传输延迟模型。实际中的延时现象是由信道拥塞导致的。在进行简单网络的模拟时,可通过公式6来生成τ:
τ=-int(θ-β)ΔT (公式6)
其中,β为产生延时的概率;ΔT为事先设定的延时量。
模拟信息网络运行,首先清空网络中的信息包。初始时刻t=0,在各监控主机节点处生成多个下行数据包,在各量测型IED节点处生成多个上行数据包。每经过一个时间步长,各数据包更新一次状态。每个数据包到达目的节点时所经历的时间步长由变量k记录。当所有数据包均到达目的节点时,当次模拟结束。
所述的步骤S4中,对有关内容的说明和定义如下:
数据包的生成标志着任务的发起。上行任务对应量测型IED功能的实现,下行任务对应动作型IED功能的实现,判定一项任务完成需同时满足以下三个条件:(1)传输了正确的有效信息S;(2)到达了正确的目的节点D;(3)传输经历的时间步长k在允许范围内。
假设某任务A对应某IED功能f,则在N次网络运行模拟中,功能f的失效概率Υf定义为
所述的步骤S5中,对有关内容的说明和定义如下:
对某IED功能f,其价值Vf可由该功能失效时对物理层电网的影响来衡量。具体指标可采用电力***可靠性指标电量不足期望值(EENS)、失负荷概率(LOLP)等。本发明中定义功能f的价值为考虑f失效时电力***的EENS值。
二次***的风险指标R定义为
R=∑ΥfVf (公式8)
其中,求和符号表示对***中所有的IED功能进行风险综合。
Claims (3)
1.考虑信息***连接与传输的电力二次***风险评估方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤S1、对二次***中的信息***元件进行抽象,生成信息网络拓扑;并设置网络运行模拟次数N;
步骤S2、利用可靠性参数对相关元件进行状态抽样,去除信息网络拓扑中的故障部分,更新信息网络拓扑;
步骤S3、依据路由策略和数据包传输模型,模拟信息网络运行;如果网络运行次数达到N,进入步骤S4;否则返回步骤S2;
步骤S4、统计网络中上行任务与下行任务的完成情况,计算相关IED功能的失效概率;
步骤S5、根据IED功能的价值指标与失效概率,计算二次***的风险指标;
所述的步骤S1中,对有关内容的说明和定义如下:
信息***元件包括监控主机、交换机、智能电子设备(IED)和通信线路;其中IED分为动作型IED和量测型IED;
所述的将信息***元件抽象生成信息网络拓扑,具体的:将监控主机、交换机和IED抽象为节点,通信线路抽象为边;其中,动作型IED和交换机之间的边由后者指向前者,量测型IED和交换机之间的边由前者指向后者,其余的边均为双向;边的方向代表信息传输的方向;
所述的步骤S2中,对有关内容的说明和定义如下:
相关元件的可靠性参数包括平均失效前时间(MTTF)、平均修复时间(MTTR);采用蒙特卡洛方法对元件的状态进行抽样,0代表正常,1代表故障;将故障元件从网络拓扑中移除;对于边只需移除其本身;对于节点除了移除其本身还需移除与之相连的边;
所述的步骤S3中,对有关内容的说明和定义如下:
路由策略可根据实际需求进行制定;
关于信息网络的运行,有如下假设:
(1)每个节点在每个时间步长里既能向相邻节点传输数据包也能接收来自相邻节点的数据包;
(2)每个节点在每个时间步长里最多能处理C个数据包;
(3)每个节点基于先进先出(FIFO)原则按顺序传输数据包;
(4)每个节点处的数据包队列可以无限长;
(5)数据包到达目的节点时自动从网络中消失;
(6)监控主机能够生成数据包,其目的节点为动作型IED;量测型IED能够生成数据包,其目的节点为监控主机;
关于数据包传输模型,假设在时刻t有一数据包P需在t+1时刻传输到节点m,t为整数;其目的节点为D,则数据包P可表示为
P(t)=P(S,D,m,k) (公式1)
其中,S为数据包P的有效信息,可用二进制码表示;D、m除表示节点外也表示相应节点的地址;k为该数据包自生成开始已经过的时间步长数;
每经过一个时间步长,S和D的内容可能产生误差,m和k则自动更新;具体地,从时刻t到t+1,有
S′=S-int(θ-αS)ΔS (公式2)
D′=D-int(θ-αD)ΔD (公式3)
k′=k+1 (公式4)
其中,θ=rand(0,1)为0~1之间的随机数;int为取整函数;αS、αD分别为相应误差产生的概率;ΔS、ΔD为误差量;公式2、3即为传输误差模型;
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τ=-int(θ-β)ΔT (公式6)
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3.根据权利要求2所述的考虑信息***连接与传输的电力二次***风险评估方法,其特征在于所述的步骤S5中,对有关内容的说明和定义如下:
对某IED功能f,其价值Vf可由该功能失效时对物理层电网的影响来衡量;具体指标可采用电力***可靠性指标电量不足期望值(EENS)和失负荷概率(LOLP);定义功能f的价值为考虑f失效时电力***的EENS值;
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