劉 放，蔡 曄，陳 洋，劉東奇

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，先進(jìn)的智能電子設(shè)備與信息技術(shù)引入電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為深度融合的信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)[1-4]。信息層與物理層的深度融合加強(qiáng)了物理層節(jié)點(diǎn)與信息層節(jié)點(diǎn)的耦合關(guān)系，在提升電網(wǎng)的可控性和可觀性的同時(shí)，也給電力系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)潛在的負(fù)面影響：信息層的潛在故障將會(huì)影響相應(yīng)的物理層元件，進(jìn)而影響整個(gè)電力信息物理系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[5-6]。

電力CPS中的信息層與物理層相互作用，當(dāng)對(duì)電力CPS可靠性進(jìn)行分析評(píng)估時(shí)，需考慮信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的耦合關(guān)系?，F(xiàn)有研究大多數(shù)將信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行分析[7-8]，少有研究從信息物理融合的角度展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[9]考慮了電網(wǎng)CPS中信息系統(tǒng)的監(jiān)視與控制功能并建立功能失效模型，提出表征2種功能對(duì)電網(wǎng)CPS可靠性影響的評(píng)估方式；文獻(xiàn)[10]研究了通信系統(tǒng)失效時(shí)對(duì)配電網(wǎng)供電恢復(fù)的影響，并提出基于多代理技術(shù)的配電網(wǎng)CPS可靠性評(píng)估方法；文獻(xiàn)[11]在實(shí)時(shí)通信的基礎(chǔ)上建立了電力系統(tǒng)與信息系統(tǒng)交互時(shí)域仿真模型，從而分析信息異常對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的影響；文獻(xiàn)[12]提出考慮應(yīng)用層設(shè)備應(yīng)用軟件和應(yīng)用層電網(wǎng)管理服務(wù)系統(tǒng)軟件失效的融合系統(tǒng)可靠性的評(píng)估方法；文獻(xiàn)[13]基于直流潮流模型建立了物理層與信息層的交互作用模型，分析了不同路由策略下的連鎖故障傳播情況。以上研究針對(duì)不同信息層故障探究了信息層對(duì)電力CPS可靠性的影響，但缺乏信息層故障對(duì)電力CPS可靠性影響的統(tǒng)一描述。因此，需要充分考慮信息層對(duì)電力CPS可靠性的影響。

本文建立配電網(wǎng)CPS融合框架，以配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)為實(shí)例，分析故障清除過(guò)程中信息層元件可靠性對(duì)物理層故障清除的影響，基于信息層元件工作狀態(tài)概率量化評(píng)估信息層對(duì)物理層的耦合作用。

1 配電信息物理融合系統(tǒng)分析

1.1 配電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代配電網(wǎng)是典型的信息物理融合系統(tǒng)。根據(jù)所連接的信息設(shè)備及其功能的差異，可將配電網(wǎng)CPS分為3層：配電網(wǎng)主干層、接入層、終端層[14]。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建配電網(wǎng)CPS架構(gòu)，如圖1所示。主干層包含配電主站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(supervisory control and data acquisition，SCADA)服務(wù)器、管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)服務(wù)器等，并采用光纖同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy，SDH)光通信技術(shù)連接配電主站及各個(gè)配電子站。接入層采用以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical network，EPON)技術(shù)連接配電子站及配電終端，實(shí)現(xiàn)配電終端與配電子站的實(shí)時(shí)通信，EPON由光線路終端(OPTICAL LINE TERMINAL，OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit，ONU)等元件構(gòu)成。終端層包含配電網(wǎng)饋線、線路斷路器、分段開(kāi)關(guān)等電力元件，以及饋線智能遠(yuǎn)動(dòng)終端(feeder remote terminal unit，F(xiàn)RTU)等智能配電終端。

圖1 配電網(wǎng)CPS架構(gòu)Figure 1 Framework of cyber-physical system in distribution

配電子站是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和信息樞紐，連接配電網(wǎng)的主干層和終端層，與配電主站和FRTU實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)所管轄區(qū)域的配電網(wǎng)的故障診斷、隔離及恢復(fù)處理。本文以配電子站饋線系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討信息層元件對(duì)物理層的影響。為了更加詳細(xì)地分析配電子站的信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)所提出的建模方法構(gòu)建配電子站的信息物理系統(tǒng)模型，如圖2所示，將配電子站分成子站層、終端層和過(guò)程層[15]。

圖2 配電子站CPS模型Figure 2 Cyber-physical system model of slave distribution station

配電子站CPS信息層元件主要為交換機(jī)通信鏈路、合并單元以及線路保護(hù)智能電子設(shè)備( intelligent electronic device，IED)等。交換機(jī)通信鏈路在信息層間接收、發(fā)送數(shù)字信號(hào)，在通訊過(guò)程中占據(jù)核心地位。子站層與終端層通過(guò)制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification，MMS)協(xié)議交換數(shù)據(jù)(如保護(hù)定值等)，在終端層內(nèi)通過(guò)面向通用對(duì)象的變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)協(xié)議交換數(shù)據(jù)(如閉鎖控制信息等)；終端層和過(guò)程層之間通過(guò)采樣值(SV)協(xié)議傳輸合并單元中電壓互感器(TV)和電流互感器(TA)的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)GOOSE協(xié)議傳輸控制數(shù)據(jù)(如跳閘信號(hào))。

配電子站物理層元件主要包括饋線、具有短路電流分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲鳌⒎侄伍_(kāi)關(guān)與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)等，開(kāi)關(guān)設(shè)備作為信息層與物理層連接的元件，起控制配電終端的作用，是信息層與物理層的耦合點(diǎn)。在配電子站CPS中，信息設(shè)備通常配置不間斷電源，短時(shí)間內(nèi)物理故障導(dǎo)致的供電中斷不影響信息系統(tǒng)的運(yùn)行。然而，信息系統(tǒng)的故障會(huì)對(duì)物理層造成影響，按照影響性質(zhì)的不同可分為直接和間接影響。直接影響是指信息元件或功能故障直接導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的物理元件故障，如配電網(wǎng)中的分布式電源信息中斷時(shí)相當(dāng)于電源退出運(yùn)行。間接影響是指信息系統(tǒng)故障不會(huì)直接導(dǎo)致物理系統(tǒng)元件失效，但會(huì)影響物理系統(tǒng)的運(yùn)行和控制，如配電網(wǎng)故障恢復(fù)控制過(guò)程中信息系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)影響故障的恢復(fù)，導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大。

1.2 故障清除過(guò)程中的信息物理融合關(guān)系

當(dāng)前，中性點(diǎn)不接地與經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地方式是中低壓等級(jí)配電網(wǎng)中性點(diǎn)的主要接地方式,單相接地是配電網(wǎng)最常見(jiàn)的故障。當(dāng)小電流接地方式下的配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相對(duì)地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，但線電壓卻依然對(duì)稱，因而不影響對(duì)用戶的連續(xù)供電，但長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)引發(fā)安全事故。因此，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，必須及時(shí)找到故障線路予以切除。此外, 在一些城市中也采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，當(dāng)小電阻接地方式下的配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以快速找到故障線路并及時(shí)切除。因此，在小電流接地方式的配電網(wǎng)中，信息元件的可靠性會(huì)對(duì)物理層的間接影響更為顯著。

在小電流接地方式下的配電網(wǎng)中，當(dāng)物理層發(fā)生單相接地故障時(shí)，電壓互感器或電流互感器檢測(cè)到故障信息后將其發(fā)送給合并單元，合并單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)交換機(jī)通信鏈路發(fā)送到配電子站。配電子站匯總故障信息后通過(guò)SDH通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給配電主站，主站確定故障區(qū)域后啟動(dòng)故障定位、故障隔離，產(chǎn)生跳閘信號(hào)發(fā)送到相應(yīng)斷路器，從而限制物理層故障的傳播范圍。本文將限制故障傳播的過(guò)程定義為故障清除。

在故障清除過(guò)程中，當(dāng)與故障線路相關(guān)聯(lián)的信息元件或功能失效時(shí)，斷路器可能不會(huì)及時(shí)動(dòng)作，無(wú)法及時(shí)隔離故障，進(jìn)而擴(kuò)大物理層的故障范圍。配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)的故障清除過(guò)程反映了信息層對(duì)物理層的耦合作用。本文考慮信息層元件的可靠性，分析饋線系統(tǒng)的故障清除過(guò)程，以概率的形式表征此種耦合作用。

2 故障清除過(guò)程中信息物理融合關(guān)系量化方法

2.1 故障傳播類型

為簡(jiǎn)化分析計(jì)算，對(duì)配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)故障清除過(guò)程進(jìn)行假設(shè)：①配電網(wǎng)中的所有元件使用獨(dú)立統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同種元件、對(duì)稱結(jié)構(gòu)之間的可靠性參數(shù)完全相同；②對(duì)不同位置的物理層故障進(jìn)行獨(dú)立分析，由于故障發(fā)生的概率較小，不考慮在不同位置同時(shí)發(fā)生故障的情形。

在故障清除過(guò)程中，當(dāng)物理元件發(fā)生故障時(shí)，由于各信息層元件工作狀態(tài)的不同，最終在物理層可能會(huì)出現(xiàn)不同的故障傳播范圍，如圖3所示。

圖3 故障傳播范圍Figure 3 Fault propagation range

本文將故障傳播范圍定義為3類：

1)終止傳播，即信息層元件正常工作，故障被及時(shí)清除，限制在初始故障位置(圖3(a))；

2)近鄰傳播，即與故障元件關(guān)聯(lián)的某個(gè)信息元件處于非正常工作狀態(tài)，導(dǎo)致故障傳播至其鄰域，其他信息元件正常工作將故障限制在該局部范圍內(nèi)(圖3(b))；

3)擴(kuò)散傳播，即信息層的交換機(jī)通信鏈路發(fā)生故障，配電網(wǎng)通訊系統(tǒng)癱瘓，采集的故障信息無(wú)法及時(shí)傳遞，故障元件未被切斷，導(dǎo)致故障逐漸擴(kuò)散到整個(gè)系統(tǒng)(圖3(c))。

2.2 信息層對(duì)故障傳播影響的量化

由故障傳播類型可知，信息層元件的工作狀態(tài)影響故障清除過(guò)程中的故障傳播范圍。由此，對(duì)于任意物理元件，計(jì)算與其相關(guān)聯(lián)的信息元件的工作狀態(tài)概率，即可得到物理層不同故障傳播場(chǎng)景的概率，以此表征信息層元件對(duì)物理層故障的影響。

將信息層元件工作可靠性建模為二狀態(tài)模型，即設(shè)定為0和1，其中0表示信息層元件處于正常工作狀態(tài)，1表示信息層元件處于非正常工作狀態(tài)(故障、通信延時(shí)阻塞以及誤動(dòng)作等)。信息層元件工作狀態(tài)過(guò)程變化如圖4所示，其中λ表示單個(gè)信息元件的故障速率，μ表示單個(gè)信息元件的修復(fù)速率。

圖4 信息層元件狀態(tài)Figure 4 States of cyber layer component

根據(jù)圖4可知，信息層獨(dú)立元件正常、非正常工作的概率分別為

(1)

(2)

考慮到電磁干擾的影響，信息層的通信將會(huì)產(chǎn)生延遲，如果交換機(jī)通信鏈路上的信息延遲超過(guò)閾值，GOOSE數(shù)據(jù)包將被丟棄，斷路器最終不會(huì)動(dòng)作。定義η為交換機(jī)的通信延遲概率，則交換機(jī)通信鏈路正常、非正常工作的概率分別為

(3)

p′=1-p

(4)

本文采用故障清除的可靠性算法流程如圖5所示，具體計(jì)算流程如下：

1)由信息層元件可靠性數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)～(4)計(jì)算信息層元件工作狀態(tài)的概率；

2)觸發(fā)物理層初始故障；

3)整合與物理層故障元件相關(guān)聯(lián)的信息層元件；

4)由信息層元件工作狀態(tài)確定物理層故障傳播類型，并枚舉故障傳播場(chǎng)景；

5)計(jì)算故障場(chǎng)景下相關(guān)信息元件工作狀態(tài)的概率乘積，表征各故障場(chǎng)景的概率。

圖5 算法流程Figure 5 Algorithm flowchart

3 算例分析

本文以某地區(qū)10 kV配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)作為實(shí)際算例，量化分析信息層元件可靠性對(duì)物理層故障清除過(guò)程的影響。饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)Figure 6 Feeder system of distribution network

信息層元件可靠性數(shù)據(jù)如表1所示；根據(jù)表1中的信息層元件可靠性數(shù)據(jù)，取η=0.3%，由式(1)～(4)計(jì)算得到各信息層元件正常、非正常工作概率，如表2所示?？紤]通信延遲，交換機(jī)通信鏈路的正常工作概率較其他信息層元件低。

表1 信息層元件可靠性數(shù)據(jù)Table 1 Cyber layer component reliability data

表2 單個(gè)信息層元件正常、非正常工作概率Table 2 Probability of normal and abnormal operation of a single cyber layer element

3.1 饋線段1故障清除量化分析

與圖6中饋線段1相關(guān)聯(lián)的元件有分段開(kāi)關(guān)1、合并單元1、線路保護(hù)IED及交換機(jī)通信鏈路。在饋線段1的故障清除過(guò)程中，存在3個(gè)故障場(chǎng)景：

1)相關(guān)信息元件均處于正常工作狀態(tài)，故障信息傳遞給配電子站，配電子站經(jīng)匯總后發(fā)送到配電主站，配電主站下發(fā)控制命令，分段開(kāi)關(guān)1動(dòng)作切斷饋線段1，使得故障被限制在饋線段1；

2)交換機(jī)通信鏈路處于非正常工作狀態(tài)，故障信息不能及時(shí)傳遞，饋線系統(tǒng)中所有斷路器與分段開(kāi)關(guān)均不能正常動(dòng)作，故障傳播到整個(gè)饋線系統(tǒng)；

3)分段開(kāi)關(guān)1、合并單元1和線路保護(hù)IED中的一個(gè)或者多個(gè)元件處于非正常工作狀態(tài)，分段開(kāi)關(guān)1不能正常動(dòng)作，其他信息元件均正常工作，分段開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)，故障被限制在饋線段1、2。

分別計(jì)算不同故障場(chǎng)景下各信息層獨(dú)立元件工作狀態(tài)的概率，整合計(jì)算得到饋線段1故障場(chǎng)景概率，如表3所示。

表3 饋線段1故障場(chǎng)景概率Table 3 Fault scenario probability of feeder segment 1

3.2 饋線段2故障清除量化分析

與圖6饋線段2相關(guān)聯(lián)的元件有分段開(kāi)關(guān)1和2、合并單元2和3、線路保護(hù)IED及交換機(jī)通信鏈路。在饋線段2故障清除過(guò)程中，存在4個(gè)故障場(chǎng)景：

1)相關(guān)信息元件正常工作，饋線段2及時(shí)被分段開(kāi)關(guān)1、2切斷，故障被限制在饋線段2；

2)交換機(jī)通信鏈路處于非正常工作狀態(tài)，故障信息不能及時(shí)發(fā)送傳遞，饋線系統(tǒng)中所有斷路器與分段開(kāi)關(guān)均不能正常動(dòng)作，故障傳播到整個(gè)饋線系統(tǒng)；

3)分段開(kāi)關(guān)1或2與其對(duì)應(yīng)的合并單元中的一個(gè)元件或均出現(xiàn)故障，導(dǎo)致分段開(kāi)關(guān)1或2不能切斷饋線段2，則故障傳播至臨近饋線段；如分段開(kāi)關(guān)2與其對(duì)應(yīng)合并單元中的一個(gè)元件處于非正常工作狀態(tài)或均處于非正常工作狀態(tài)，故障傳播至饋線段3，其余元件均正常工作，則故障范圍為饋線段2、3；

4)場(chǎng)景3出現(xiàn)在2個(gè)分段開(kāi)關(guān)和對(duì)應(yīng)合并單元上，或者線路保護(hù)IED出現(xiàn)故障，則分段開(kāi)關(guān)1、2不能正常動(dòng)作，其他元件均正常工作，故障范圍為饋線段1、2、3。

分別計(jì)算以上不同故障場(chǎng)景下各信息層獨(dú)立元件的工作狀態(tài)的概率，整合計(jì)算得到饋線段2故障場(chǎng)景概率，如表4所示。

表4 饋線段2故障場(chǎng)景概率Table 4 Fault scenario probability of feeder segment 2

饋線系統(tǒng)中剩余饋線段的故障清除過(guò)程與以上分析思路相同，可根據(jù)相關(guān)信息元件狀態(tài)的概率計(jì)算出對(duì)應(yīng)故障場(chǎng)景的概率。一般情況下，信息層元件可靠性較高，在故障局部傳播過(guò)程中，不同故障范圍的發(fā)生概率隨著故障范圍內(nèi)物理元件數(shù)量的增加而減小。如在饋線段2的故障清除過(guò)程中，故障被限制在饋線段2的概率為0.996 941 202，而傳播至一個(gè)臨近元件的概率計(jì)算結(jié)果為0.000 013 143，差異十分顯著。然而故障傳播到全部臨近元件時(shí)卻不符合這一規(guī)律，這是由于交換機(jī)通信鏈路的非正常工作增加了這一故障場(chǎng)景的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了配電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)框架，分析了信息層元件可靠性對(duì)配電網(wǎng)物理層故障清除過(guò)程的影響，基于信息層元件工作狀態(tài)的概率得到不同物理層故障傳播場(chǎng)景的概率，量化分析了信息層對(duì)物理層的耦合作用，以10 kV配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)為實(shí)例進(jìn)行分析計(jì)算，得到結(jié)論如下：

1)相較物理元件，信息元件的可靠性較高，引起連鎖故障的可能性較小，故障發(fā)生的概率也會(huì)隨著故障范圍內(nèi)物理元件數(shù)量的增多而減??；

2)在信息層元件中，交換機(jī)通信鏈路在配電網(wǎng)通訊系統(tǒng)中扮演核心角色，其可靠性對(duì)配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)影響最為顯著。