基于电力系统节点重要性的耦合方法技术方案

本发明专利技术公开基于电力系统节点重要性的耦合方法及装置，该装置用于实现该方法，本方法包括基于电力系统模型创建级联失效模型；对模型中的电力网络实施级联失效攻击，在保证用电节点获取常规输入功率下，动态调节每个供电节点的实际输出功率，在动态调节中获取每个供电节点在每个稳态下的输出功率，分别计算出节点影响力和节点脆弱性，两者加权求和获得节点d0的重要性,基于节点的重要性从小到小排序生成新的电力网络，将新的电力网络与通信网络进行异配耦合，生成新的电力系统模型。本发明专利技术通过直流潮流模型计算得到节点重要性得到更准确的仿真结果，再将新的电力网络与通信网络进行异配耦合，提高电力系统网络在攻击下的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于电力系统节点重要性的耦合方法
本专利技术涉及网络级联
，特别涉及基于电力系统节点重要性的耦合方法。
技术介绍
电力网络作为新世纪对人类影响最深远的科技专利技术，其经济与社会地位不可估量。尤其是随着电力趋于共享化，社会化，复杂化的过程中，电力系统呈现出典型的复杂特性；与此同时，电网的安全作为影响居民正常生活，关系到生产安全的关键因素，更加受到广泛的关注和重视。近年来，全球许多国家和地区连续发生了数起大停电事故，不仅影响了自身电力网络的稳定供给，也对社会经济和生产带来了巨大损失。这些大停电事故，往往是由于一个微小的错误而引发的。因此，如何能够避免或是尽可能减小电力系统中级联失效带来的危害，是具有重大现实意义的热点课题。复杂网络作为一个21世纪初发来起来的新兴学科，为我们研究和分析电力系统提供了一个新的视角，它将整个电力系统映射成一个具有单层拓扑结构的电力网络，并通过电力传输，误差传播，级联失效等网络动力学思路解释大停电事故的潜在机制以及其可能的防控措施。2006年，西欧大陆互联电网发生大面积停电事故，在十几分钟内，大量线路和机组相继跳闸，整个大的电力网络瓦解成3个孤岛，造成了17GW的负荷损失，影响了超过1000万人的正常用电，造成的直接和间接经济损失不可估量。这个事故的起因仅仅是因为为了保证出航邮轮的安全，断开了一条西区海岸的380KV双回线路，从而导致东区负载大幅提升引发一连串的级联失效。而事后电力公司的分析报告表明，该事故的主要问题是：1.缺少完善的的电网安全分析，如果能够在关闭线路之前，分析出现在的网络状况下关闭线路之后可能产生的危害并阻止这次线路的关闭，就可以完全避免这次事故的发生。2.缺乏电网潮流异常的控制机制，在事故初期，仅仅是部分电机和线路产生了故障，如果此时可以及时切断关键线路，就可以切断故障的传播，降低事故影响。因此，对电力网络进行分析和控制，也就是实现智能电网具有现实意义。信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem，CPS)的提出与发展为促进电力系统与信息系统的深度融合，并最终实现电网智能化的目标提供了新的思路和实现途径。CPS是将计算机资源与物理系统深度融合的新型系统，通过在物理实体内嵌入传感芯片，实现对物理实体系统信息的采集和监控；同时通过信息通信网络，将物理实体中的芯片和设备相互连接，实现相互间的通信和共享。CPS也可以利用强大的计算机资源，实现对物理实体的事实控制和逻辑化管理，并且定期完成在线化重组和更新工作。这些特征使得CPS系统具有很强的适应性，灵活性，安全性和可靠性。CPS的应用可以给电力系统带来许多便利的同时，也存在着一些需要解决的弊端。由于CPS将电力系统分解成了信息网络和电力网络，信息网络对电力网络实施事实的监控和管理，电力网络向信息网络提供必要的能源。这也意味着控制系统暴露在信息网络的环境下，给电力系统带来了更多方面的隐患，对控制系统的攻击可能会更迅速地破坏电力系统的平衡，引发大规模的崩坏。为了提高智能电网的安全和稳定性，就必须保证其在受到信息网络攻击时仍具有较高的鲁棒性。人们在对物理信息融合系统的研究中，常常将其映射为一个两层相依的耦合网络。现有的对智能电网主要包括两个方面的研究：电力系统模型以及网络间耦合方式。电力系统模型有母板模型，主要考虑电力网络的拓扑结构，以节点的介数作为其在当前网络的负载值；有人提出了负荷导纳模型,初始设定恒定的节点电压和连边导纳，通过基尔霍夫定律计算出每个节点对应的负载值；有人提出了DC直流潮流模型，这个模型能够更好地模拟电力系统在现实中的运作情况，在仿真效果和运行效率上做了一个平衡。在网络间耦合方式上，主要包括随机耦合，同配耦合和异配耦合三种。这三种耦合方式针对单个网络中节点排序的高低，将两个网络中的节点一一对应的连接起来。有人首先提出了两层相依耦合网络的概念，并提出使用节点的度或者介数作为排序的一个标准；有人提出了在电力系统中，节点的初始负载是更加能够反映节点属性的参数。而在西欧电网大停电的例子中，停电事故的引发节点是整个电网最边缘的西部海岸节点，这个节点在传输中的负载极小，但却造成严重的级联失效。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提出基于电力系统节点重要性的耦合方法，旨在克服以上问题。为实现上述目的，本专利技术提出的基于电力系统节点重要性的耦合方法，其特征在于，包括如下步骤：S10将电力系统模型中的发电机节点视为供电节点，将消费节点视为用电节点，节点间电传输线路视为节点间的连线，由此抽象成电力网络；将电力系统通信网络中的通信节点按邻居节点数从小到大排序生成通信网络，由电力网络、通信网络和节点的供电或用电属性创建级联失效模型；S20初始化级联失效模型中所有节点的物理信息，对电力网络进行级联失效攻击，在保证用电节点获取常规输入功率下，动态调节每个供电节点的实际输出功率，以平衡级联失效模型的网络负载损失比例，在动态调节中获取每个供电节点在每个稳态下的输出功率；S30根据每个供电节点在每个稳态下的输出功率，使用直流潮流模型计算电力网络每条线路对应的功率值，获取电力网络在每个稳态下的网络负载和；假设电力网络中共有节点数为n，选取任一节点d0，若节点d0为被攻击节点，计算任一线路均不存在负荷超载时的网络负载失效比例ΔP(d0)，视ΔP(d0)为节点d0的影响力NI(d0)；若节点d0为非攻击节点，则根据其他节点d被攻击时，节点d0状态情况计算节点d0的存活比例，其视为节点d0的脆弱性；对节点d0的影响力NI(d0)和节点d0的脆弱性NV(d0)加权求和获得节点d0的重要性，将n个节点d0按其重要性从小到大排序生成新的电力网络；S40将新的电力网络与通信网络进行异配耦合DIS，生成新的电力信息物理融合系统。优选地，所述S30中使用直流潮流模型计算方法具体为：S301结合电力网络结构和节点属性，使用直流潮流模型计算每条线路的负载情况，采用如下公式：Pin＝TgPG-TdPD(1)Θ＝BPin(2)fij＝bij(θi-θj)(3)公式(1)中，假设网络中节点数为n，供电节点数为ng，用电节点数为nd，Tg和Td分别是是n*ng和n*nd的关联矩阵，其中Tg(i,j)＝1时表示供电节点j对应的是网络节点编号i。和分别表示供电节点的当前输出功率以及用电节点当前的输入功率，而计算结果Pin是一个n维向量，表示每个节点的功率注入情况，也就是电力来源；公式(2)中，B矩阵反映的是节点之间的电力传输能力，也就是线路的导纳，其计算结果必须满足基尔霍夫定律，即电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，计算结果Θ＝[θ1,θ2,…,θn]向量表示每个节点的当前电压相位角；公式(3)中，bij是B矩阵内的元素，表示节点i和节点j之间的导纳，(θi-θj)为i和j节点之间的电压相位角的差值，计算结果fij就是节点i和j之间的线路负载，若fij超过额定功率，线路因继电保护而跳闸，导致新的线路负载的产生，从而会引发更深层次的级联失效；S302定义节点的影响力表示为攻击某个节点后对整个网络的影响，视任一线路的fij均不存在负荷超载时的网络负载失效比例ΔP(d0)为节点的影响力NI(d0)，采用如下公式：其中D0代表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电力系统节点重要性的耦合方法，其特征在于，包括如下步骤：S10将电力系统模型中的发电机节点视为供电节点，将消费节点视为用电节点，节点间电传输线路视为节点间的连线，由此抽象成电力网络；将电力系统通信网络中的通信节点按邻居节点数从小到大排序生成通信网络，由电力网络、通信网络和节点的供电或用电属性创建级联失效模型；S20初始化级联失效模型中所有节点的物理信息，对电力网络进行级联失效攻击，在保证用电节点获取常规输入功率下，动态调节每个供电节点的实际输出功率，在动态调节中获取每个供电节点在每个稳态下的输出功率；S30根据每个供电节点在每个稳态下的输出功率，使用直流潮流模型计算电力网络每条线路对应的功率值，获取电力网络在每个稳态下的网络负载和；假设电力网络中共有节点数为n，选取任一节点d0，若节点d0为被攻击节点，计算任一线路均不存在负荷超载时的网络负载失效比例ΔP(d0)，视ΔP(d0)为节点d0的影响力NI(d0)；若节点d0为非攻击节点，则根据其他节点d被攻击时，节点d0状态情况计算节点d0的存活比例，其视为节点d0的脆弱性；对节点d0的影响力NI(d0)和节点d0的脆弱性NV(d0)加权求和获得节点d0的重要性，将n个节点d0按其重要性从小到大排序生成新的电力网络；S40将新的电力网络与通信网络进行异配耦合DIS，生成新的电力信息物理融合系统。...

【技术特征摘要】
1.基于电力系统节点重要性的耦合方法，其特征在于，包括如下步骤：S10将电力系统模型中的发电机节点视为供电节点，将消费节点视为用电节点，节点间电传输线路视为节点间的连线，由此抽象成电力网络；将电力系统通信网络中的通信节点按邻居节点数从小到大排序生成通信网络，由电力网络、通信网络和节点的供电或用电属性创建级联失效模型；S20初始化级联失效模型中所有节点的物理信息，对电力网络进行级联失效攻击，在保证用电节点获取常规输入功率下，动态调节每个供电节点的实际输出功率，在动态调节中获取每个供电节点在每个稳态下的输出功率；S30根据每个供电节点在每个稳态下的输出功率，使用直流潮流模型计算电力网络每条线路对应的功率值，获取电力网络在每个稳态下的网络负载和；假设电力网络中共有节点数为n，选取任一节点d0，若节点d0为被攻击节点，计算任一线路均不存在负荷超载时的网络负载失效比例ΔP(d0)，视ΔP(d0)为节点d0的影响力NI(d0)；若节点d0为非攻击节点，则根据其他节点d被攻击时，节点d0状态情况计算节点d0的存活比例，其视为节点d0的脆弱性；对节点d0的影响力NI(d0)和节点d0的脆弱性NV(d0)加权求和获得节点d0的重要性，将n个节点d0按其重要性从小到大排序生成新的电力网络；S40将新的电力网络与通信网络进行异配耦合DIS，生成新的电力信息物理融合系统。2.如权利要求1所述的基于电力系统节点重要性的耦合方法，其特征在于，所述S30中使用直流潮流模型计算方法具体为：S301结合电力网络结构和节点属性，使用直流潮流模型计算每条线路的负载情况，采用如下公式：Pin＝TgPG-TdPD(1)Θ＝BPin(2)fij＝bij(θi-θj)(3)公式(1)中，假设网络中节点数为n，供电节点数为ng，用电节点数为nd，Tg和Td分别是是n*ng和n*nd的关联矩阵，其中Tg(i,j)＝1时表示供电节点j对应的是网络节点编号i。和分别表示供电节点的当前输出功率以及用电节点当前的输入功率，而计算结果Pin是一个n维向量，表示每个节点的功率注入情况，也就是电力来源；公式(2)中，B矩阵反映的是节点之间的电力传输能力，也就是线路的导纳，其计算结果必须满足基尔霍夫定律，即电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，计算结果Θ＝[θ1,θ2,…,θn]向量表示每个节点的当前电压相位角；公式(3)中，bij是B矩阵内的元素，表示节点i和节点j之间的导纳，(θi-θj)为i和j节点之间的电压相位角的差值，计算结果fij就是节点i和j之间的线路负载，若fij超过额定功率，线路因继电保护而跳闸，导致新的线路负载的产生，从而会引发更深层次的级联失效；S302定义节点的影响力表示为攻击某个节点后对整个网络的影响，视任一线路的fij均不存在负荷超载时的网络负载失效比例ΔP(d0)为节点的影响力NI(d0)，采用如下公式：其中D0代表初始的电力网络节点集合，D0-d0代表攻击后级联失效的电力网络节点集合，表示网络中初始负载之和，P'D表示当前状态下网络负载之和，而结果ΔP()表示网络中的负载损失比例；S303定义节点的脆弱性表示为在其他节点遭受攻击时，某个节点可以存活下来的比例，公式如下：其中suv(d0,d)表示在其他节点d受到攻击时发生级联失效后，d0的状态：存活为1；否则为0，|D0|表示网络中的节点数目；S304对节点d0的影响力NI(d0)和节点d0的脆弱性加权求和获得节点d0的重要性，公式如下：IP(d0)＝w·NI(d0)+(1-w)·NV(d0)(6)其中w为权重系数，根据经验值取值。3.如权利要求1所述的基于电力系统节点重要性的耦合方法，其特征在于，所述在动态调节中获取每个供电节点在每个稳态下的输出功率的方法采用如下式子：其中Cmax代表供电节点的输入功率上限，Cmin代表供电节点的输出功率上限，ΣPG表示当前电力网络中供电节点的输出功率之和，ΣPD表示用电节点的输入功率之和，P(i+1)表示下一个稳态下供电节点的输出功率与不稳定状态下的功率对比，r表示发电机能够调节自身输出的比率。4.如权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴嘉婧，赖戎，郑子彬，张桔，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44