一种电力信息物理系统韧性计算方法技术方案

本发明专利技术涉及一种电力信息物理系统韧性计算方法，其特征在于：构建电力信息物理系统的初始网络架构；构建信息系统与电力系统的节点多状态模型和支路状态模型，生成初始状态下电力信息物理系统的故障元件集合及有效网络；构建信息系统中的故障传播动力学模型；构建故障在电力系统中传播的节点功率平衡模型；构建故障在信息系统和电力系统间传播的病毒感染动力学模型；迭代求解获得故障在电力信息物理系统传播的稳定状态，计算电力信息物理系统的韧性指标。本发明专利技术通过综合分析电力系统与信息系统的运行结构差异，模拟故障在两个系统内部以及两个系统之间的传播机理，克服传统电力信息物理系统韧性研究的单一性和适应性问题。物理系统韧性研究的单一性和适应性问题。物理系统韧性研究的单一性和适应性问题。

【技术实现步骤摘要】
一种电力信息物理系统韧性计算方法


[0001]本专利技术涉及电力信息领域，尤其涉及一种电力信息物理系统韧性计算方法。

技术介绍

[0002]伴随着信息技术的不断提升与智能电网的快速发展，电力系统与信息系统的耦合日渐紧密，进而构成电力信息物理系统，实现信息网络与电力物理实体的数据交互与协调控制。一方面，信息系统对电力系统进行实时监测与控制，保证电力系统的优化调度和安全运行；另一方面，电力系统对信息系统中的信息系统进行供电，以维持通讯设备的正常工作。随着电力系统与信息系统在数据与控制功能上的深度融合，使得故障(包括信息网络故障及电力系统物理故障)在两个系统间的传播更加容易，导致故障影响范围扩大，降低电力信息物理系统运行的韧性，增加电力信息物理系统的安全风险。当信息系统遭受信息攻击后，部分信息节点功能失效导致电力系统失去监测和控制，进一步造成电力系统潮流过载从而引发连锁故障；同样的，当电力系统遭受物理攻击后，部分电力节点功能失效导致信息系统中通讯设备的工作电源缺失，无法正常工作，进一步导致信息系统故障传播。例如，在2003年9月28日意大利的大停电事故中，因部分电力节点故障导致信息系统中的通讯设备失去工作电源而失效，信息网因为这些失效的通讯设备发生解列，大量通讯设备无法正常工作，进一步导致电力系统失去控制能力，从而引发电网大停电。
[0003]在传统的电力信息物理系统韧性研究中，主要以最终稳定运行状态下系统网络拓扑中的最大连通性子网规模作为衡量指标。受信息系统的运行模式影响，因故障形成的若干微小子网失去与主网的联络，导致通信中断及相关功能失效，仅有最大连通性子网可保持正常运行。然而，最大连通性子网规模仅适用于分析信息系统的韧性，无法准确分析电力系统韧性。当电力系统因故障形成若干微小子网时，各电力系统子网仍能保持稳定运行。此外，目前的电力信息物理系统韧性研究主要通过简单、统一的网络模型对电力系统、信息系统进行模拟，未考虑两个系统在物理运行特性及故障传播机制方面的差异。在信息系统中，故障(例如恶意代码、木马软件)通过基于病毒感染的概率性传播机理扩大故障范围；而在电力系统中，故障传播受物理运行拓扑的影响较大，故障(例如电厂停电、输电线路断线)通过影响其他线路的载流量，导致部分线路过载及用户失电，从而扩大故障范围。
[0004]因此，有必要综合考虑电力系统与信息系统的运行结构与故障传播机制的差异，对电力信息物理系统的韧性进行计算。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了提供一种电力信息物理系统韧性计算方法，通过综合分析电力系统与信息系统的运行结构差异，模拟故障在两个系统内部以及两个系统之间的传播机理，从不同维度对电力信息物理系统的韧性进行计算。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种电力信息物理系统韧性计算方法，包括：
[0007]步骤1：构建电力信息物理系统的初始网络架构；
[0008]其中，所述电力信息物理系统包括信息系统和电力系统，电力信息物理系统的初始网络架构包括信息系统的初始网络架构和电力系统的初始网络架构，信息系统初始网络架构包括信息节点集合V
c
和信息支路集合L
c
，电力系统的初始网络架构{V
p
,L
p
}包括电力节点集合V
p
和电力支路集合L
p
；
[0009]步骤2：构建信息系统与电力系统的节点多状态模型和支路状态模型，设置初始状态下的故障元件比例，生成初始状态下电力信息物理系统的故障元件集合及有效网络；初始状态下电力信息物理系统的故障元件集合及有效网络包括：初始状态下信息系统的故障元件集合及有效网络和初始状态下电力系统的故障元件集合及有效网络；
[0010]步骤3：基于初始状态下信息系统的故障元件集合及有效网络，结合信息系统的节点多状态模型，模拟故障在信息系统中的传播机理，构建信息系统中的故障传播动力学模型；
[0011]步骤4：构建电力系统的正常运行状态下的节点功率平衡模型，基于初始状态下电力系统的故障元件集合及有效网络，构建故障在电力系统中传播的节点功率平衡模型；
[0012]步骤5：构建故障在信息系统和电力系统间传播的病毒感染动力学模型；
[0013]步骤6：基于电力信息物理系统的初始网络架构和故障元件集合，确定迭代时间步长，对步骤3至步骤5进行迭代计算，构建故障在电力信息物理系统传播的稳定状态；计算电力信息物理系统的韧性指标，得到韧性计算结果；其中，韧性指标包括信息系统韧性指标和电力系统韧性指标，信息系统韧性指标定义为：在故障传播稳定状态下，信息系统中最大且相互连接的有效网络规模相较于初始状态下有效网络规模的比例；电力系统韧性指标定义为：在故障传播稳定状态下，电力系统总负荷相较于初始状态下电力系统总负荷的比例。
[0014]具体的，步骤1中，信息节点包含用以数据交互的控制中心和通信设备，例如交换机、控制器等，其中控制中心由独立电源供电，其他通讯设备不具备独立电源；信息支路为用于数据传输的通讯通道，例如光缆、数据线等；两个信息节点由信息支路进行连接；
[0015]电力节点包含电源节点与负荷节点两种，其中电源节点用以提供发电功率，例如水电站、核电站、燃煤电厂、燃气电厂、抽水蓄能电站等；负荷节点为各类用电单元，包括居民住宅楼、工业园区、商业中心等。电力支路为电能的传输通道，包括各类输电线路、配电线路。两个电力节点由电力支路进行连接。
[0016]信息系统与电力系统之间存在数据传输及功能控制的联络通道，信息节点与电力节点通过联络通道相连接，使得信息节点与电力节点存在唯一对应关系。信息节点的运行状态受其关联的电力节点影响，电力节点为信息节点提供工作电源；同时，电力节点的运行状态也受其关联的信息节点影响，信息节点对电力节点进行控制和监测。
[0017]进一步地，所述步骤2具体为：
[0018]步骤201：当信息系统受到故障(例如恶意代码、木马软件)攻击时，将导致部分信息节点被病毒感染，从而影响信息节点的正常运行状态。同时，随着信息系统中病毒的不断传播，其他信息节点的运行状态也将受到影响，因此构建信息系统的节点多状态模型；
[0019]构建信息系统的节点多状态模型，描述不同运行状态的信息节点定义如下：
[0020]易感节点S
c
：信息节点正常工作但是可能会被病毒感染；
[0021]感染节点I
c
：信息节点已经被病毒感染，且具备向其他易感节点传播病毒的能力；
[0022]复原节点R
c
：被病毒感染的信息节点经过安全措施后被治愈，恢复正常工作；
[0023]失效节点D
c
：被病毒感染的信息节点无法被安全措施治愈，无法正常工作；
[0024]其中，S
c
、I
c
、R
c
、D
c
分别表示信息系统中易感节点、感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电力信息物理系统韧性计算方法，其特征在于：包括步骤1：构建电力信息物理系统的初始网络架构；其中，所述电力信息物理系统包括信息系统和电力系统，电力信息物理系统的初始网络架构包括信息系统的初始网络架构和电力系统的初始网络架构，信息系统初始网络架构包括信息节点集合和信息支路集合，电力系统的初始网络架构包括电力节点集合和电力支路集合；步骤2：构建信息系统与电力系统的节点多状态模型和支路状态模型，设置初始状态下的故障元件比例，生成初始状态下电力信息物理系统的故障元件集合及有效网络；其中，初始状态下电力信息物理系统的故障元件集合及有效网络包括：初始状态下信息系统的故障元件集合及有效网络和初始状态下电力系统的故障元件集合及有效网络；步骤3：基于初始状态下信息系统的故障元件集合及有效网络，结合信息系统的节点多状态模型，模拟故障在信息系统中的传播机理，构建信息系统中的故障传播动力学模型；步骤4：构建电力系统的正常运行状态下的节点功率平衡模型，基于初始状态下电力系统的故障元件集合及有效网络，构建故障在电力系统中传播的节点功率平衡模型；步骤5：构建故障在信息系统和电力系统间传播的病毒感染动力学模型；步骤6：基于电力信息物理系统的初始网络架构和故障元件集合，确定迭代时间步长，对步骤3至步骤5进行迭代计算，构建故障在电力信息物理系统传播的稳定状态；计算电力信息物理系统的韧性指标，得到韧性计算结果；其中，韧性指标包括信息系统韧性指标和电力系统韧性指标，信息系统韧性指标定义为：在故障传播稳定状态下，信息系统中最大且相互连接的有效网络规模相较于初始状态下有效网络规模的比例；电力系统韧性指标定义为：在故障传播稳定状态下，电力系统总负荷相较于初始状态下电力系统总负荷的比例。2.根据权利要求1所述的电力信息物理系统韧性计算方法，其特征在于：所述步骤2具体为：步骤201：构建信息系统的节点多状态模型；构建信息系统的节点多状态模型，描述不同运行状态的信息节点定义如下：易感节点S
c
：信息节点正常工作但是可能会被病毒感染；感染节点I
c
：信息节点已经被病毒感染，且具备向其他易感节点传播病毒的能力；复原节点R
c
：被病毒感染的信息节点经过安全措施后被治愈，恢复正常工作；失效节点D
c
：被病毒感染的信息节点无法被安全措施治愈，无法正常工作；其中，S
c
、I
c
、R
c
、D
c
分别表示信息系统中易感节点、感染节点、复原节点、失效节点的集合；步骤202：构建电力系统的节点多状态模型：构建电力系统的节点多状态模型，描述不同运行状态的电力节点定义如下：正常节点N
p
：能够正常工作的电力节点，可以被监测和控制；失控节点B
p
：能够正常工作的电力节点，但是不可以被监测和控制；失效节点D
p
：无法正常工作的电力节点；其中，N
p
、B
p
、D
p
分别表示电力系统中正常节点、失控节点、失效节点的集合；步骤203：构建信息系统与电力系统的支路状态模型；
根据运行状态差异，信息系统与物理系统的支路类型包括以下两种：有效支路NL
c
、NL
p
：能够正常工作的支路，可实现数据/电能传输功能；失效支路DL
c
、DL
p
：无法正常工作的支路，不能实现数据/电能传输功能；其中，NL
c
、DL
c
分别表示信息系统中有效支路、失效支路的集合，NL
p
、DL
p
分别表示电力系统中有效支路、失效支路的集合；步骤204：生成初始状态下电力信息物理系统的故障元件集合及有效网络；基于上述节点多状态模型及支路状态模型，设置初始状态下的故障元件比例，并按故障元件比例确定电力信息物理系统故障元件集合基于电力信息物理系统故障元件集合，生成初始状态下的有效网络其中，分别为初始状态下信息系统的感染节点、失效节点、失效支路的集合；分别为初始状态下电力系统的失控节点、失效节点、失效支路的集合；分别为初始状态下电力系统的失控节点、失效节点、失效支路的集合；分别为初始状态下信息系统的易感节点、复原节点、有效支路的集合；分别为初始状态下电力系统的正常节点、有效支路的集合；其中，元件指信息系统和物理系统的节点、支路；其中，故障元件集合包括信息系统的感染节点、失效节点、失效支路，以及电力系统的失控节点、失效节点、失效支路的集合；其中，有效网络是指电力信息物理系统中能够正常工作的节点与支路的集合，包括信息系统的易感节点、复原节点、有效支路的集合，以及电力系统的正常节点、有效支路的集合。3.根据权利要求1所述的电力信息物理系统韧性计算方法，其特征在于：所述步骤3具体为：基于初始状态下信息系统的故障元件集合及有效网络，结合信息系统的节点多状态模型，模拟故障在信息系统中的传播机理，构建信息系统中的故障传播动力学模型：型，模拟故障在信息系统中的传播机理，构建信息系统中的故障传播动力学模型：型，模拟故障在信息系统中的传播机理，构建信息系统中的故障传播动力学模型：型，模拟故障在信息系统中的传播机理，构建信息系统中的故障传播动力学模型：型，模拟故障在信息系统中的传播机理，构建信息系统中的故障传播动力学模型：式中，分别表示在初始状态下信息系统的易感节点、感染节点、复原节点、失效节点占信息节点总数的比例；分别表示t时刻易感节点、感染节点、复原节点、失效节点占信息节点总数的比例；分别表示易感节点、感染节点、复原节点、失效节点占信息节点总数的比例的变化量；β表示传播系数；k表示治愈概率；γ表示治愈速率；t表示迭代时间；
△
t表示迭代的时间步长；基于初始状态下信息系统的故障元件集合及有效网络，通过对信息系统的故障传播动力学模型进行求解，可计算得到t时刻信息系统的失效节点及支路并更新生成t
+
△
t时刻信息系统的有效网络其中，分别为t时刻信息系统的感染节点、失效节点、失效支路的集合；分别为t+
△
t时刻信息系统的易感节点、复原节点、有效支路的集合。4.根据权利要求1所述的电力信息物理系统韧性计算方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂腾，邓星，李雪，王立伟，郭璇，张芳，徐中中，赵军，王俊康，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，
类型：发明
国别省市：