電力信息系統的耦合建模方法

劉 杉，譚陽紅，趙楓帆，李 杰

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

隨著電力網中的信息化程度不斷加深，傳統的單一電力網正逐步演化為電力網和信息網相結合的電力信息系統[1]。要保證電力信息系統的安全穩定運行，電力網和信息網缺一不可，信息網為電力網的穩定運行提供了精確的控制[2-3]，同時信息網也要靠電力網驅動[4]。因此，深入研究電力網和信息網間的正常數據交互具有重要意義，進而有必要建立考慮耦合的電力信息系統模型。

已有文獻以電力網拓撲為基礎，從3種不同方面構造電力信息系統模型[5]。第1種是從系統維護方面出發，針對電力網的防御配置缺乏對信息網特性的考慮,構造考慮攻擊和防御的信息交互模型[6]。第2種是從復雜網絡理論方面出發，利用信息網部分特性（如信息網與電力網拓撲的相似性以及信息網的無標度特性）建立信息網拓撲[7-8]。僅考慮信息網部分特征，將系統抽象為無向拓撲圖[9]或有向拓撲圖[10-11]的方法，不足以體現信息網的實際特性[12]，這是因為系統中信息網拓撲比電力網拓撲更加復雜，且并不是所有信息網均具有無標度特性。第3種是從系統開發運用方面出發，建立特定系統（如變電站自動化系統SAS或SCADA）或特定設備（如斷路器、變壓器）的電力信息系統模型[13-14]，其只反映信息網的采集和控制兩個特性，模糊了信息網采集數據的上傳過程和控制指令的下達過程。

本文從實際出發，分析了電力信息系統中的數據閉環流動全過程，將其抽象為有向拓撲圖，通過矩陣描述系統內部傳輸結構。以IEEE9節點系統為例，通過仿真電力網各節點電壓穩定調節過程，對比分析主導節點電壓變化曲線，驗證該模型的適用性和計算的準確性。

1 電力信息系統運行機理

圖1所示為系統控制結構示意圖，信息網通過傳感器采集電力網各物理實體的數據并傳送至控制中心，控制中心將采集的數據進行處理后，通過執行器對電力網數據進行調整，反映了電力網和信息網間的閉環數據流動，共同維持著電力網的穩定運行[15-16]。由此可知，建立系統耦合模型的前提需對系統內部的數據流動進行全過程分析[17]。

圖1 系統控制結構示意Fig.1 Schematic of system control structure

圖2所示為IEEE9節點系統結構示意圖，圖中電力網和信息網之間的耦合關系主要分為電力數據采集和電力數據調整兩種信息流動模式。

電力數據傳輸至控制中心的過程中，主要經歷以下步驟：每個傳感器對電力網中各元件的參數進行測量并輸出相應模擬量；各模擬量經過A/D模塊轉換為數字量；然后對各元件的數據進行預處理，并將處理過的數據集中在相應的路由器，準備進行數據的發送；主站通信前置機接收各個路由器所發送的數據，并選擇部分數據上傳至控制中心，其余數據將集中至數據庫，以便后續分析應用。

控制中心對電力網數據的調整過程主要分為：控制中心對電力數據進行分析處理產生控制指令（發電機的無功調整量ΔQG）；控制指令下發至路由器；路由器將不同控制指令經過A/D轉換下發至不同執行器；執行器按照控制指令電氣量調節各個發電機出力。

需要指出，電力網的有功和頻率等多個參數的控制對系統的穩定運行同樣重要，信息網需要采集相應參數數據并對其進行監控，因此，每個電力元件對應多個傳感器，分別采集元件的P、Q、Vl、VΦ等多種重要參數。此外，圖2采用無功電壓控制方式[18]。該控制方式將最能代表電力網電壓水平的一個節點電壓（即為主導節點）與其參考電壓比較后的差值轉化為電力網內發電機的無功調控量ΔQG，由此確定信息網中執行器與電力網中的發電機一一對應。

2 電力信息系統耦合模型

根據第1節所述系統數據閉環流動體系，將電力信息系統抽象為有向拓撲圖。對于電力網，將變壓器、發電機和負荷分別抽象為聯絡節點、發電節點和負荷節點，將輸電線路抽象為邊，拓撲方向由潮流決定。對于信息網，將傳感器、路由器和主控制中心等抽象為節點，數據傳輸線路抽象為邊，拓撲方向由數據流決定。以圖2為例，對其中部分信息節點進行編號。

首先將數據庫編號為0；其次按照電力網結構順序，將電力節點編號為1～9；最后對信息節點進行編號。典型的電力節點在信息網中的電力數據上傳過程如圖3所示，建立9×11的矩陣H。矩陣H的行代表電力節點，列代表信息節點的編號順序。以矩陣H的第1行為例，分析說明矩陣H中元素的物理意義，即

式中：H1代表圖3中的傳感器，包括H1,1、H1,2、H1,3、H1,4；H2代表圖3中的A D轉換模塊，包括H1,5、H1,6、H1,7、H1,8；H3代表圖3中的路由器，包括H1,9、H1,10；H4代表圖3中的主站通信前置機，包括H1,11。

圖3 Bus1的信息節點Fig.3 Cyber nodes of Bus1

控制中心對電力網的電力數據調整過程如圖4所示，建立1×10的矩陣HP如式（2）所示，行代表電力網的控制區域編號，列代表信息節點的編號順序。

式中：HP1代表圖4中的電壓設定值，包括HP1,1；HP2代表圖4中的A/D轉換模塊，包括HP1,2、HP1,5、HP1,7、HP1,9；HP3代表圖4中的控制中心，包括HP1,3；HP4代表圖4中的路由器，包括HP1,4；HP5代表圖4中的執行器，包括HP1,6、HP1,8、HP1,10。

圖4 Bus8的部分信息節點Fig.4 Part of cyber nodes of Bus 8

通過上述分析可知，矩陣H為電力節點1～9的數據上傳至控制中心對應的信息節點，依次編號為10～20，21～31，32～42，43～53，54～64，65～75，76～86，87～97，98～108。矩陣HP為控制中心下發指令所對應的信息節點編號為109～118。

信息網內部元件的耦合關系用矩陣C表示，假設信息網包含n個信息節點，其中矩陣C（n×n階）的任一元素cij表示節點i和節點j的聯系。若i=j，則表示信息節點，此時cij為節點儲存的數據；若i≠j，則表示節點i和節點j間的信息支路。當節點i指向節點j時，cij為1；其余情況時，cij為0。以圖4中信息節點HP1,4、HP1,5、HP1,7、HP1,9為例，建立4×4的矩陣C1為

式中：c1,1代表信息節點HP1,4儲存的數據ΔQG；c1,2代表由信息節點HP1,4指向信息節點HP1,5；c2,2代表信息節點HP1,5儲存的數據ΔQG1；以此類推。

電力網內部元件的耦合關系用矩陣P表示，假設電力網包含m個電力節點，矩陣P（m×m階）的任一元素pij表示節點i和節點j的聯系。若i=j，則表示此時pij為節點儲存的多變量數據參數X（X=[P Q VlVΦ]）；若i≠j，則表示節點i和節點j間的支路。節點i與節點j有直接連接時，pij為1；其余情況時，pij為0。

電力網和信息網間的耦合關系分為電力數據上傳和控制指令下達，分別用矩陣Wup（n×m階）和矩陣Wdown（m×n階）表示，矩陣中任一元素wupij和wdownij表示節點i和節點j的聯系，當節點i指向節點j時，wupij和wdownij為1；其余情況時，wupij和wdownij為0。

以IEEE9節點系統中發電機G1為例，建立矩陣Wup(1)和矩陣Wdown(1)分別為

式中：wup(1)1,1、wup(1)1,2、wup(1)1,3、wup(1)1,4代表發電機G1指向傳感器節點H1,1、H1,2、H1,3、H1,4，其余元素均為0；wdown(1)114,1代表執行器HP1,6（編號為114）指向發電機G1，其余元素均為0。

系統包含（n+m）個節點，耦合關系用矩陣W表示，W（(n+m)×(n+m)階）的結構定義如下：

系統中電力數據的上傳路徑為P→Wup→C，控制指令的下達路徑為C→Wdown→P，由此構成電力網和信息網間數據的正常交互，保障電力網穩定運行。

3 模型的仿真及分析

圖5所示為PowerFactory中的IEEE9節點系統，其電力網支路的電氣參數參考文獻[19]。選取圖5中Bus8為無功電壓控制的主導節點，G1、G2和G3為控制發電機。采用方案1和方案2進行模型仿真對比研究。方案1：對圖5所示系統不采取任何控制方式；方案2：對圖5所示系統采用本文的耦合控制方式。

圖5 IEEE9節點系統Fig.5 IEEE 9-bus system

表1為采用方案1時，在負荷無功參數QD5、QD6、QD8改變后，當前時刻下電力網中Bus8的電壓值V8以及發電機的出力值QG1、QG2、QG3。表1中t為時刻，各無功單位為Mvar。

表1 方案1下系統參數改變量Tab.1 Changes in system parameters under Scheme 1

根據表1中數據可知，隨著負荷增加，V8逐漸下降，要使電壓維持在（1.0±0.1）p.u.左右，則需調節電力網中發電機出力，即

設Bus8產生的電壓偏差為ΔV8，根據式（7）可得

式中：QG(t)為當前時刻電力網發電機發出的無功功率；V8(t)、ΔV8(t)分別為當前時刻Bus8的實際電壓和電壓偏差；QG(t+0.1)為下一時刻電力網內發電機發出的無功功率。

表2 方案2下系統參數改變量Tab.1 Changes in system parameters under Scheme 2

主導節點8的電壓變化如圖6所示。

圖6 主導節點8的電壓變化曲線Fig.6 Voltage changing curve of pilot Bus 8

圖6中，02：00時，V8(2)=0.98p.u.，下一時刻發電機無功調整量為 ΔQG(2)=[5.5;-17.7;6.2]；07：00時，V8(7)=0.98p.u.，下一時刻發電機無功調整量為ΔQG(7)=[-1.5;10;13.6]；09：00時，V8(9)=0.98p.u.，下一時刻發電機無功調整量為ΔQG(9)=[21.6;5.9;1.7]。即當系統負荷發生改變時，方案2通過改變發電機無功調整量可將節點電壓始終維持在（1.0±0.1）p.u.左右，而方案1中節點電壓逐漸下降失穩，由此可以看出本文設計的模型有助于進行電力網的電壓穩定計算，仿真曲線進一步說明該模型計算誤差小，能準確計算控制量。

4 結語

本文從電力信息系統的運行機理出發，建立考慮電力網和信息網耦合作用的電力信息系統模型，該模型克服以往復雜網絡建模內部傳輸結構模糊的不足，清晰明確地顯示系統內部的數據流動過程，并通過電力網節點電壓穩定調節仿真實驗驗證所提模型在工程適用性和計算準確性上的優點，實驗結果表明此模型能夠準確下達控制指令，維持電力網節點電壓的穩定，進而保障系統穩定運行。