基于信息物理融合的電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)脆弱性分析

黃新

【摘 要】論文針對(duì)信息物理融合的電力系統(tǒng)脆弱性展開(kāi)研究。通過(guò)選定的脆弱性指標(biāo)和分析方法，在模擬信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)受攻擊的情景下，對(duì)電力系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行分析。

【Abstract】This paper studies the vulnerability of power system based on the information physics fusion. Through the selected vulnerability index and analysis method， the vulnerability of the power system is analyzed under the scene of the attack of the analog information system node.

【關(guān)鍵詞】信息物理融合;電力系統(tǒng);脆弱性

【Keywords】 information physics fusion; power system; vulnerability

【中圖分類號(hào)】TM401+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2018）10-0187-02

1 引言

智能電網(wǎng)是一種典型的信息物理融合系統(tǒng)，它是由電力物理系統(tǒng)，信息系統(tǒng)通過(guò)信息鏈路通道有機(jī)地結(jié)合在一起構(gòu)成的交互系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比較，信息系統(tǒng)的介入為電力系統(tǒng)提供了神經(jīng)中樞控制中心，對(duì)電力系統(tǒng)中功率流通和電能質(zhì)量不斷做出調(diào)控作用，使得電能利用和系統(tǒng)運(yùn)行更加優(yōu)化，然而同時(shí)也增加了電力系統(tǒng)的脆弱性。融合信息系統(tǒng)的電力系統(tǒng)脆弱性分析對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有實(shí)際指導(dǎo)意義，對(duì)于智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有推進(jìn)作用。

2 信息物理融合電力系統(tǒng)建模

2.1 信息物理融合電力系統(tǒng)的物理模型

為了研究信息物理融合電力系統(tǒng)，首要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建立，按照對(duì)電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，本部分根據(jù)圖論知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)的概念，將信息物理融合電力系統(tǒng)劃分為三部分：信息系統(tǒng)層、電力系統(tǒng)層和信息-電力交互通道。

2.2 信息物理融合電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

為了研究信息物理融合電力系統(tǒng)中信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)相互之間的關(guān)聯(lián)特性，需要建立信息系統(tǒng)與電力物理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣，通過(guò)信息物理融合電力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣來(lái)描述復(fù)合系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，反映了信息系統(tǒng)影響電力系統(tǒng)的路徑，建立信息物理融合電力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣如式（2-1）所示：

3信息物理融合的電力系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)

3.1 電力系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)

在電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備之間的能量由電源到負(fù)荷流通，按照能量流的概念進(jìn)行分析，電力系統(tǒng)中的能量是按照功率的形式存在的。根據(jù)源流路徑電氣剖分法電力系統(tǒng)自然功率分配主要取決于電力支路上狀態(tài)分量的分布情況。

3.2 信息系統(tǒng)的脆弱性指標(biāo)

信息系統(tǒng)的脆弱性主要考慮兩個(gè)方面，一個(gè)是節(jié)點(diǎn)的脆弱性，一個(gè)是支路的脆弱性，信息交互鏈路之間的脆弱性，根據(jù)鏈路上的不同業(yè)務(wù)信息進(jìn)行分析和計(jì)算。信道傳輸延時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)量，業(yè)務(wù)的重要度等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的脆弱性造成影響。

3.3 信息物理融合電力系統(tǒng)的脆弱性指標(biāo)

4 信息物理融合的電力系統(tǒng)脆弱性分析

本文對(duì)于信息系統(tǒng)影響下電力系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行分析，提出了新型電力系統(tǒng)脆弱性分析方法，并就具體的電力系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性分析實(shí)施，做了定性和定量的分析。

4.1 脆弱性判斷機(jī)理

分析系統(tǒng)的脆弱性時(shí)，將脆弱值歸一到（1，0）之間，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和研究經(jīng)驗(yàn)，脆弱值在（0，0.5）為良好狀態(tài)、（0.5，0.7）為警告狀態(tài)、（0.7，0.9）為危險(xiǎn)狀態(tài)和（0.9，1）為退出運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)監(jiān)控狀態(tài)的劃定，在進(jìn)行評(píng)估后可以獲得電力系統(tǒng)脆弱值監(jiān)控狀態(tài)集合，集合中包含脆弱節(jié)點(diǎn)信息。

具體分析步驟為：①根據(jù)原始數(shù)據(jù)信息，形成信息物理融合電力系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣;②根據(jù)脆弱性指標(biāo)計(jì)算出系統(tǒng)的脆弱值，形成脆弱性矩陣;③根據(jù)受攻擊模式，重新形成脆弱矩陣;④形成脆弱集，對(duì)系統(tǒng)的脆弱情況做詳細(xì)分析。

4.2 脆弱性分析

因?yàn)樾畔⒐?jié)點(diǎn)是與電力節(jié)點(diǎn)通過(guò)信道鏈路聯(lián)系到一起的，越多的信息節(jié)點(diǎn)受到攻擊，對(duì)電力系統(tǒng)影響也就越大，本小節(jié)針對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)受攻擊模式下，分析電力系統(tǒng)的脆弱程度。圖1給出了信息節(jié)點(diǎn)1-2、1-3、2-3受攻擊情形下，電力系統(tǒng)脆弱性分析結(jié)果。

由圖1可見(jiàn)，在經(jīng)歷了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沖擊之后，電力系統(tǒng)的脆弱程度與未受攻擊時(shí)，更加嚴(yán)重了。從變化趨勢(shì)來(lái)看1-2受攻擊時(shí)，電力節(jié)點(diǎn)“1”“4”“5”“12”“15”“16”變化明顯;其中最為嚴(yán)重的是節(jié)點(diǎn)“1”“4”和節(jié)點(diǎn)“12”“16”，從數(shù)值上來(lái)看，都從0.5以內(nèi)跳躍到0.8左右，按照考量標(biāo)準(zhǔn)，這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)處于預(yù)警位置，應(yīng)該引起特別重視，尤其是節(jié)點(diǎn)“5”，原本就比較脆弱，受影響后，達(dá)到0.9，因此可能會(huì)退出運(yùn)行。1-3受攻擊時(shí)，節(jié)點(diǎn)“5”，原本就比較脆弱，受影響后，達(dá)到0.9，因此可能會(huì)退出運(yùn)行，同時(shí)“10”號(hào)點(diǎn)是躍變最大的，也說(shuō)明受攻擊影響下，節(jié)點(diǎn)“10”受沖擊最大，根據(jù)該點(diǎn)的重要程度，可能引起系統(tǒng)崩潰。2-3受攻擊時(shí)，12受沖擊最大，根據(jù)該點(diǎn)的重要程度，可能引起系統(tǒng)的崩潰。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沖擊之后，電力系統(tǒng)的脆弱程度與未受攻擊時(shí)，更加嚴(yán)重了，并且與受攻擊節(jié)點(diǎn)的位置密切相關(guān)。脆弱節(jié)點(diǎn)數(shù)量也大大增加，脆弱程度也進(jìn)一步增加了。需要采取一定的措施，對(duì)其進(jìn)行改善，否則將會(huì)引起大面積停電事故，系統(tǒng)可能崩潰。對(duì)于更多數(shù)量的節(jié)點(diǎn)受攻擊時(shí)，嚴(yán)重程度將進(jìn)一步增加，受電力節(jié)點(diǎn)之間的相互影響，網(wǎng)絡(luò)的總體脆弱度也會(huì)增加，因此需要及時(shí)進(jìn)行保護(hù)處理，改善系統(tǒng)的脆弱性。

5 總結(jié)

為了評(píng)估信息物理融合下電力系統(tǒng)的脆弱性，本文對(duì)這種新型系統(tǒng)的建模做了必要說(shuō)明，在脆弱性研究上，對(duì)信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬攻擊，通過(guò)對(duì)脆弱性指標(biāo)計(jì)算分析，定量對(duì)電力系統(tǒng)脆弱值進(jìn)行計(jì)算，來(lái)研究信息系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)脆弱性的影響。研究表明：多信息節(jié)點(diǎn)受攻擊時(shí)，對(duì)于直接相連的節(jié)點(diǎn)，受到頗大影響，對(duì)于原本就相對(duì)脆弱的電力節(jié)點(diǎn)，很可能因?yàn)槭軟_擊比較大而退出運(yùn)行;對(duì)于與受控節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的電力節(jié)點(diǎn)，其脆弱性也有一定程度上的增加;同時(shí)，電力系統(tǒng)脆弱節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大增加，網(wǎng)絡(luò)的總體脆弱程度進(jìn)一步增加，需要及時(shí)進(jìn)行保護(hù)處理，改善系統(tǒng)的脆弱性。

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