[发明专利]一种计及负荷优化重配的电力CPS可生存性量化评估方法

说明书

本发明针对电力信息物理融合系统(CPS)规模不断扩大且现有级联失效模型忽略信息流和潮流转移特性，使得可生存性难以快速有效评估的问题，提出一种计及负荷优化重配的电力CPS可生存性量化评估方法，首先，根据系统拓扑结构和关联关系，通过定义度函数和电气介数建立了度‑介加权电力CPS关联矩阵，实现了耦合CPS的形式化表征。然后，从CPS级联失效的结构连通性变化和风险传播范围两个维度出发，基于节点负荷容量限制、信息流择优分配策略、潮流优化方程和系统安全运行等约束条件设计了可生存性评估模型，最后，提出混沌Lévy搜索的萤火虫算法对评估模型进行高效求解，量化评估了电力CPS的可生存性。

技术领域

本发明涉及信息能源系统建模与安全评估领域，是一种计及负荷优化重配的电力CPS可生存性量化评估方法。

背景技术

随着能源互联网和智能电网的迅速发展，电力系统逐步演化为信息与物理系统深度耦合的复杂多维异构的电力信息物理融合系统。耦合系统的信息流-能量流交互日益频繁，在提升电网感知、计算、通信和控制能力的同时，也增加了CPS网络安全风险。信息系统受到攻击时可能导致物理系统元件误动或拒动，同时物理系统的失效会影响信息系统的可观和可控性而诱发双网的级联失效，扩大安全事故范围，显著降低耦合系统的可生存性。电力CPS可生存性是指：当耦合系统受到随机扰动或者蓄意攻击时，系统保持原有拓扑结构和运行状态的能力。因此，当耦合系统遭受扰动或攻击时，如何快速有效地评估电力CPS的可生存性对揭示系统固有脆弱性和扰动免疫力具有重要意义。

现有电力CPS可生存性评估方法主要是基于相依网络、渗流理论、潮流优化级联失效模型和博弈论等进行网络的脆弱性和鲁棒性分析，研究存在一定的局限性：(1)基于相依网络和渗流理论的结构脆弱性和鲁棒性分析忽略了信息节点、物理节点(发电节点、联络节点和负荷节点)的性质差异，且将级联失效过程简化为节点直接依赖失效，而实际CPS的节点有负荷容量，失效节点负荷会重新分配，当承载负荷超过容量时才会失效，这种简化会造成评估结果不准确；(2)基于潮流优化的级联失效模型侧重于物理网潮流优化，未综合考虑通信最优路由和信息流优化过程，难以真实反映CPS失效动态过程的可生存性变化；(3)基于博弈论的CPS脆弱性评估主要适用于较小规模算例系统，现在信息物理融合的系统规模愈加庞大、运行约束条件众多且复杂，需引入高效的智能求解算法来提升大规模CPS的评估效率。

发明内容

本发明的目的是，针对电力信息物理融合系统(Cyber Physical System,CPS)规模不断扩大且现有级联失效模型忽略信息流和潮流转移特性，使得可生存性难以快速有效评估的问题，提出一种计及负荷优化重配的电力CPS可生存性量化评估方法，首先，根据系统拓扑结构和关联关系，通过定义度函数和电气介数建立了度-介加权电力CPS关联矩阵，实现了耦合CPS的形式化表征。然后，从CPS级联失效的结构连通性变化和风险传播范围两个维度出发，基于节点负荷容量限制、信息流择优分配策略、潮流优化方程和系统安全运行等约束条件设计了可生存性评估模型。最后，提出混沌Lévy搜索的萤火虫算法对评估模型进行高效求解，评估方法能有效量化评估电力CPS的可生存性并提高大规模耦合系统的评估效率。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种计及负荷优化重配的电力CPS可生存性量化评估方法，其特征是，它包括以下步骤：

步骤1)根据系统拓扑结构和关联关系，构建度函数-电气介数加权的电力CPS关联矩阵，实现耦合CPS的形式化表征；

(1.1)将信息网表示为m个信息节点和n条通信链路的无向稀疏有权拓扑图G_c，边权定义为与边相连接两节点的度数函数，根据信息网内连接关系构建信息网关联矩阵；

(1.2)将发电厂、变电站和负荷抽象为发电、联络和负荷节点；节点间输电线路抽象为边，不考虑多环路输电，区分不同节点的性质差异和传输方向，输电边集为有向，将物理网表示为p个节点和q条输电线路的有向稀疏有权拓扑图G_p，边权定义为电气潮流介数，根据物理网内连接关系构建物理网关联矩阵；