基于关联特性矩阵的电网信息物理系统建模及设计

李涛

(陕西省渭南供电公司,714000)

0 引言

现代电力系统已具备信息物理系统的典型特征，物理过程与信息处理的密切融合，是电网信息物理系统的关键所在。随着科技的进步，电网发展逐渐智能化，是信息物理融合系统的典型。电网信息网络规模不断扩大，电力系统逐渐向自动化发展，传感器数量不断增加，决策单元数量也随之增加。此外，能源互联网也在深入推广，电力系统控制决策受到不断增加的外部信息直接或间接的影响，电网与信息网络的相互影响变得更为复杂。为确保系统的灵活性和有效性，建立电网信息物理系统模型有极大的作用，便于更好的分析、控制复杂的电网体系，通过3C技术的有机融合，将计算系统、物理环境、通信网络融为一体，形成一个多维异构复杂系统，该系统除提供信息服务外，还可以实时感知，完成动态控制。现有的通信信息系统和电力系统研究在理论和方法上已相对成熟但彼此割裂 。通过信息物理系统的技术手段，完成对电网信息物理系统建模具有重大意义[1]。

1 现状

目前在电网信息物理系统建模方面，研究正在逐步开展，在物理过程中，考虑到通信信息的作用效果，以此为基础进行建模与控制，侧重传统的物理实体与信息元素的有机融合。引入信息和物理系统的输入与输出信号，将信息的作用融合到每个信息物理模块内的传输、处理、执行过程中，双层多代理的电网信息物理系统框架，以集群理论为依据，划分信息物理系统集群，利用较少信息就能完成对其分布式控制；在闭环控制过程中，侧重连续物理过程与离散信息过程间的交互影响，分析、控制信息物理交互影响过程，基于此提出了电网信息物理系统动态建模方法，从分析与应用系统的实际情况出发，融合用有限状态机与混合逻辑动态模型，将电网信息物理系统进行抽象处理，把系统中的状态量用“数据节点”表示，将信息处理、传输等环节用“信息支路”表示，通过有向拓扑图建立信息物理系统静态模型，该方法更注重描述信息映射关系；信息物理耦合过程的建模与分析，侧重对过程特性的建模、分析与控制，采用关联矩阵的方法，建立耦合关系模型，对通信链路故障等进行量化分析，基于此提出对电网信息物理系统的分析方法，但此方面的研究方法大多针对具体业务，没有形成完整的建模与分析方法的框架体系，适应性有待提高[2]。

2 电网信息物理系统矩阵化建模

2.1 电网信息物理系统层次结构

本文从安全稳定控制应用出发，在实际运行时，实时感知物理电网的电压、电流等状态，并对其进行分析、判断，通过电缆和同步数字设备，安控子站将分析结果传输至安控主站，安控主站进行决策，下发控制指令，通过通信网络传输到安控子站，电网CPS实现完整的闭环控制过程，这个过程就是一个独立的电网CPS系统。信息物理耦合过程为：二次设备中的传感器转化能量流为信息流，经过传输和信息预处理，信息流转化为输入信息，根据输入信息，决策单元产生控制指令，将其传至物理实体。电网CPS系统结构如图1所示。

图1 电网CPS系统结构图

在电网CPS中，通过信息物理耦合层，信息系统层和物理实体层紧密联系，任意节点出现故障，都会影响电网CPS系统的安全性与稳定性[3]。

2.2 电网信息物理系统建模

本文提出的信息物理耦合层建模过程为：对通信网进行建模；以二次设备网与通信网的关联关系为依据，建立二次设备网络模型；然后通过关联特性矩阵将各层联合起来，形成完整的电网信息物理系统模型[4,5]，其框架如图2所示。

图2 整体建模框架

主要描述各层间的结构和逻辑关联关系。计算分析过程如图3所示。

图3 计算分析过程

电网CPS混成计算方法支撑通信、信号传输路径等搜索，使用其对模型进行各层的简化与等值，将二次设备网与通信网的作用效果反映至物理-信息耦合矩阵(P-I矩阵)中。基于模型和混成计算方法，可将信息和物理节点间的关联关系反映出来。

电网CPS建模中，通信网络最终稳定后的状态无需关注，只监测当前时段的通信性能。通信延时、中断、误码等性能(实时测量的或历史统计数据得到)需通信网模型描述。分析需求不同导致通信性能不同其表现形式不同，如分析通信中断对系统运行的影响时，可用“0-1”状态表示中断与否。分析通信中断对系统可靠性的影响时，需要描述为通信中断概率(通信可靠性)。因此为描述节点和支路的通信性能，本文选用具有可拓展性的多元组，如下式所示，Tij代表通信延时，PB,ij代表中断概率，PM,ij代表传输错误概率，i与j为节点。

CIj=[TIj，PB,Ij，PMIj，…]

基于通信节点和支路模型，对通信节点(m个)的通信网络进行建模。通信网邻接矩阵(C)的结构定义如下式所示，信息在通信网中的传输过程由C矩阵描述。CIj=[TIj，PBij，PMIj]，I=j，则Ij表示通信节点;I≠j，则表示通信支路。

二次设备网络是基于电力通信网之上的控制网络，服务于电网的测量、控制、分析和计算等功能。下文算例中展示的安全稳定控制网络就是一种二次设备网络。二次设备网络功能主要包括信息的传输和信息的预处理，其对电网CPS的影响除了表现在信号传递的延时、信号丢失和信号传输错误外，还体现在信息预处理的准确性和可靠性等方面。二次设备网络建模主要包括二次设备节点及网络拓扑建模，还包括与对应通信网络之间的关联关系的建模。

2.2.1 二次设备节点建模

本文对二次设备的节点建模方法如图4所示。

图4 二次设备节点建模方法

二次设备节点功能特性使用多元组描述，如下式所示。

Sii=[Fii(ainput),Tii(Fii),Pii(Fii),…]

Fii(ainput)代表信息处理算法，Tii(Fii)代表处理信息产生的延时，Pii(Fii)代表信息处理错误概率，以及二次设备内置的其他算法逻辑。对二次设备进行建模，形成对角矩阵(二次设备节点模型)如下式所示。

对包含的电网CPS网络，采用关联特性矩阵S-C(二次设备节点—通信节点)，对应关联关系，对采集信息上传过程进行描述，其结构定义如下，k为二次设备节点个数，m为通信节点个数。

采用可扩展多元组S-Cij=[S-CTP ，ij，S-CT,ij，S-CPB ，ij，…]来描述通信节点(i)和二次设备层节点(j)间的关联关系，S-CTP ，ij表示是否直连，S-CT ，ij表示延时，S-CPB,Ij表示中断概率。

2.2.2 二次设备网络建模

二次设备网络用来反映各节点之间性能，基于二次设备—通信网关联模型，如二次设备节点间延时不仅与其信息处理延时有关，还与通信网络性能有关。二次设备网络结构由矩阵S(二次设备网邻接矩阵)描述，其结构定义如下，其中SIj=[F(ainput),TIj,PBIj…]若i=j,则ij表示二次设备节点，若i≠j，则表示二次设备通道；k表示二次设备节点个数。

3 基于关联特性矩阵的电网信息物理系统的设计

建立物理设备S-P(或P-S)关联特性矩阵，建立S-I(I-S)(二次设备—信息关联特性矩阵)，联通物理实体层、信息系统层、信息物理耦合层，从而形成完整的电网信息物理系统模型。对电网信息物理系统网络，建立如下关联特性矩阵(其中n代表物理节点个数、m代表通信节点个数、k代表二次设备节点个数、1个信息应用节点)：P-S(物理一二次设备关联特性矩阵)矩阵为n×k阶矩阵，在信息采集过程中，建立物理实体与二次设备网的联系，其关联关系由P-S矩阵中的元素表示；S-P(二次设备—物理关联特性矩阵)矩阵为k×n阶矩阵，在命令执行过程中，建立二次设备网络和物理实体的关系，其关联关系由该矩阵元素表示；S-I(二次设备—信息关联特性矩阵)矩阵为k×l阶矩阵，二次设备上传实时分析结果，信息系统层决策单元接收上传结果，该过程中信息层与二次设备网的关联关系由该矩阵元素表示；I-S(信息一二次设备关联特性矩阵)矩阵为l×k阶矩阵，决策单元下发控制指令，二次设备接收指令，整个过程的特性由矩阵元素表示，该矩阵主要描述二次设备网络和信息系统层的关联关系[12-13]。本文以S-P为例(建立上述几个关联特性矩阵过程相似)，其定义过程如下：

采用多元组S-Pij=[S-PTP，ij，S-PT ij，S-PP M ,ij…]来描述物理层和二次设备层节点之间信息关联关系，其中i表示物理节点、j表示二次设备节点、S-PTP，ij表示ij之间的拓扑关联关系。可用“0—1”表示，若ij间没有直接交互关系，用0表示相应位置的元素。S-PTij表示交互延时(如执行控制命令的延时)，S-PPM,ij表示交互可靠程度(如正确执行控制命令的概率)。

4 电网信息物理系统模型的测试

本文以实际特高压交直流混联系统作为研究对象，对控制系统的安全性和稳定性进行监测，在系统处于N-2故障情况下，从暂态功角稳定裕度维度出发，分析不同通信链路的通信误码对其产生的影响，以此来验证模型的合理性。结果表明本文所提出的基于关联特性矩阵的电网信息物理系统模型实用性较高，可有效分析不同通信链路的性能对电网的影响；系统的设计能够提高电网信息物理系统的稳定性和安全性[6]。

5 总结

为进行电网信息物理耦合系统分析，建模是关键。本文通过分析电网信息物理系统的现状，提出基于关联特性矩阵的电网信息物理系统建模方法，描述了电网信息物理系统的交互机理。该方法抽象为物理层、信息层、二次设备层和通信层，通过分析通信、信息和物理等因素影响，包括各层间的交互影响，采用关联特性矩阵的方法描述各层内部及层与层之间的关系，建立了电网信息物理系统模型，并完成系统的设计。电网信息物理系统内部复杂的耦合关系，通过该模型完成有效的描述。但基于关了特性矩阵的电网信息物理系统建模及系统设计的过程仍然存在很多问题，需要不断完善、优化，比如混成计算方法与模型的有效融合，作为电网信息物理耦合系统分析的关键点，它将是后续研究检测的重点；本文的矩阵采用多元组的形式，通信网和二次设备网的特性研究(如延时、中断概率、处理错误概率)，这些值的获取需要准确有效，需要通过实时测量，应用理论计算，并结合历史统计与以往的经验判断等方式，这些都将是后续工作中深入研究的重点。