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        基于排球超級(jí)聯(lián)賽算法的智能變電站安全評(píng)價(jià)方法

        2022-08-23 02:09:30席禹林冬于力蔣文輝陳光侵
        寧夏電力 2022年3期
        關(guān)鍵詞:隊(duì)伍變電站智能

        席禹,林冬,于力,蔣文輝,陳光侵

        (南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,廣東 廣州 511365)

        0 引言

        智能變電站網(wǎng)絡(luò)是電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,是我國(guó)能源安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)[1-3]。智能變電站具有高可靠性、高集成度、技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)勢(shì),采用智能設(shè)備、數(shù)字信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)信息共享,實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的自動(dòng)采集、測(cè)量、控制、分析、管理和報(bào)警等功能,最終實(shí)現(xiàn)智能變電站的無(wú)人值守和管理[4]。通過(guò)分析智能變電站的安全保護(hù)和控制措施及相關(guān)可視化技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)智能變電站繼電保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控、電力負(fù)荷的合理控制、智能變電站的集中管理,保證智能變電站運(yùn)行的穩(wěn)定性。比如,智能變電站可以通過(guò)電力設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行、管理、檢測(cè)以及分析等功能,實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、集中管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控等先進(jìn)功能[5]。另外,從我國(guó)目前電力行業(yè)的發(fā)展角度來(lái)看,智能變電站的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、事故預(yù)防上報(bào)以及自動(dòng)化運(yùn)維等功能目標(biāo),但是,智能變電站自身的安全管理問(wèn)題給相關(guān)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[6]。為了提高智能變電站運(yùn)維效率和質(zhì)量,降低其安全風(fēng)險(xiǎn),有必要利用優(yōu)化手段對(duì)智能變電站及其所在的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全管控優(yōu)化升級(jí)。為此,本文提出了一種基于排球超級(jí)聯(lián)賽算法[7]的面向智能變電站測(cè)控及相量測(cè)量裝置(phasor measurement unit,PMU)的安全評(píng)價(jià)方法,能夠利用排球超級(jí)聯(lián)賽算法統(tǒng)籌計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)總度量。其基本思路是構(gòu)造包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的多維層次結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合各層次網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)分析,自下向上地逐級(jí)融合安全因素分析,利用排球超級(jí)聯(lián)賽算法中各策略模塊的高效合作,通過(guò)多次迭代對(duì)各層次多維安全因素進(jìn)行融合分析,最終給出目前包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的整體系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。該技術(shù)簡(jiǎn)單高效,具有可行性和通用性,為研究識(shí)別和評(píng)估威脅提供有力參考,并協(xié)助后續(xù)管控,依據(jù)相關(guān)控制數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)變電站系統(tǒng)進(jìn)行分析并給出決策建議,有利于提高變電站系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

        1 現(xiàn)狀不足分析

        根據(jù)變電站安全架構(gòu)需求,文獻(xiàn)[8]提出了一種使用自適應(yīng)維護(hù)顧問(wèn)和系統(tǒng)維護(hù)優(yōu)化器的創(chuàng)新方法,以設(shè)計(jì)(實(shí)施)基于優(yōu)化條件的維護(hù)活動(dòng),并處理每個(gè)變電站出現(xiàn)的運(yùn)行變化。引入遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法來(lái)解決變電站的維護(hù)成本和可靠性問(wèn)題[9],并提出多目標(biāo)進(jìn)化算法來(lái)優(yōu)化變電站的維護(hù)策略。文獻(xiàn)[10]提出一種基于設(shè)備和應(yīng)用信息的變電站風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)方法,通過(guò)數(shù)據(jù)采集構(gòu)建了運(yùn)維信息模型,但沒(méi)有考慮到設(shè)備間的連接關(guān)系以及相應(yīng)的運(yùn)行重要等級(jí)。典型產(chǎn)品有美國(guó)施韋策工程實(shí)驗(yàn)室的SEL2020通信控制器[11]和賽比克公司的SMP網(wǎng)關(guān),兩者都提供智能電子設(shè)備的集成,并響應(yīng)遠(yuǎn)程用戶的各種維護(hù)請(qǐng)求,但是,我國(guó)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)具有地域廣、廠家多、自動(dòng)化設(shè)備種類多的特點(diǎn),相應(yīng)的維護(hù)工具是私有的,彼此不同,所以安全評(píng)價(jià)方法也不通用,傳統(tǒng)的維護(hù)系統(tǒng)難以滿足我國(guó)電力二次系統(tǒng)安全保護(hù)的要求。針對(duì)上述問(wèn)題,迫切需要提出一種高效的變電站安全評(píng)價(jià)方法[12],改進(jìn)維護(hù)模式。

        2 變電站測(cè)控及PMU裝置安全評(píng)價(jià)體系

        構(gòu)建變電站測(cè)控及安全評(píng)價(jià)體系是變電站能夠穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵,而這需要對(duì)影響變電站安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的識(shí)別和評(píng)估,構(gòu)建應(yīng)用功能、外圍接口和用戶數(shù)據(jù)等多維度本體安全威脅分析模型和安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

        基于變電站測(cè)控及PMU裝置本體安全威脅評(píng)估模型在構(gòu)建多層次、多維度網(wǎng)絡(luò)安全威脅評(píng)估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,結(jié)合安全威脅態(tài)勢(shì)分析人員在綜合態(tài)勢(shì)、區(qū)域態(tài)勢(shì)、組織態(tài)勢(shì)不同層面的關(guān)注和需求點(diǎn),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)間的通聯(lián)關(guān)系構(gòu)建綜合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和組織級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)3級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),模型框架如圖1所示。

        圖1 變電站測(cè)控及PMU裝置安全評(píng)價(jià)體系

        變電站測(cè)控及PMU裝置組織級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由主機(jī)、服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成[13],網(wǎng)絡(luò)中的邊表示節(jié)點(diǎn)間的通聯(lián)關(guān)系;區(qū)域級(jí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由該區(qū)域的組織構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)中的邊表示組織間的通聯(lián)關(guān)系;綜合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由多個(gè)區(qū)域構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)中的邊表示區(qū)域間的通聯(lián)關(guān)系。

        3 排球超級(jí)聯(lián)賽算法

        針對(duì)以上問(wèn)題和評(píng)價(jià)體系,本文提出了一種基于群體智能的變電站系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)方法,用于現(xiàn)有變電站測(cè)控及PMU裝置本體安全的評(píng)價(jià),并協(xié)助后續(xù)管控,使整個(gè)變電站系統(tǒng)能依據(jù)相關(guān)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出決策建議,有利于提高其系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。如圖2所示,具體的變電站系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)方法,包括以下步驟:

        圖2 變電站系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)步驟

        (1)以變電站測(cè)控及PMU裝置本體在內(nèi)的各設(shè)備為節(jié)點(diǎn),各設(shè)備間通過(guò)有線/無(wú)線進(jìn)行互聯(lián),將連接關(guān)系映射為各節(jié)點(diǎn)間的邊,邊的權(quán)重值代表連接關(guān)系重要等級(jí)或優(yōu)先級(jí)的量化;

        (2)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)自身的安全風(fēng)險(xiǎn)類、狀態(tài)類和攻擊損失類評(píng)估要素,以獲得局部安全度量,利用排球超級(jí)聯(lián)賽算法,對(duì)所有局部安全度量及其所關(guān)聯(lián)的邊進(jìn)行統(tǒng)籌融合,計(jì)算出此時(shí)的全局安全度量;

        (3)計(jì)算各劃分區(qū)域自身的安全風(fēng)險(xiǎn)類、狀態(tài)類和攻擊損失類評(píng)估要素,利用排球超級(jí)聯(lián)賽算法,對(duì)區(qū)域各類要素和全局安全度量進(jìn)行統(tǒng)籌融合,計(jì)算出此時(shí)各區(qū)域的綜合安全度量;

        (4)計(jì)算整體綜合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)類、狀態(tài)類和攻擊損失類評(píng)估要素,利用排球超級(jí)聯(lián)賽算法,將其與區(qū)域綜合安全度量進(jìn)行統(tǒng)籌融合,得出最終的網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)總度量。

        步驟(2)中,所述的統(tǒng)籌融合所有局部安全度量及其所關(guān)聯(lián)的邊,利用公式(1):

        式中:λ1~3—權(quán)重;

        α—節(jié)點(diǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)類要素;

        β—節(jié)點(diǎn)的安全狀態(tài)類要素;

        γ—節(jié)點(diǎn)的攻擊損失類要素。

        步驟(3)中,所述的統(tǒng)籌融合區(qū)域各類要素和全局安全度量,以計(jì)算出此時(shí)各區(qū)域的綜合安全度量,利用公式(2):

        式中:λ1~3—權(quán)重;

        V—節(jié)點(diǎn)的全局安全度量;

        α—區(qū)域的安全風(fēng)險(xiǎn)類要素;

        β—區(qū)域的安全狀態(tài)類要素;

        γ—區(qū)域的攻擊損失類要素。

        上述由Reza Moghdan等人提出的排球超級(jí)聯(lián)賽算法的流程如圖3所示,包括以下模塊:

        圖3 超級(jí)排球聯(lián)賽算法流程

        3.1 初始化生成策略

        用于起初所有個(gè)體生成與屬性分配,此期間全部個(gè)體被視為無(wú)差異,經(jīng)過(guò)隨機(jī)分配、適應(yīng)度計(jì)算后,完成整個(gè)初始化過(guò)程,利用公式(3)進(jìn)行初始化:

        式中:Ut,Lt—隊(duì)伍t中各隊(duì)員屬性值的上下界;

        —隊(duì)伍t的場(chǎng)上隊(duì)員的屬性;

        —隊(duì)伍t的候補(bǔ)隊(duì)員的屬性;

        r1,r2—隨機(jī)數(shù)。

        3.2 隊(duì)伍競(jìng)賽策略

        用于賽季中的賽事安排以及隊(duì)伍間勝負(fù)的判定,其中勝負(fù)概率依據(jù)隊(duì)伍各自所擁有的能量屬性進(jìn)行計(jì)算。隊(duì)伍能量屬性計(jì)算公式如下:

        式中:f(·)—目標(biāo)函數(shù);

        N—參加比賽的隊(duì)伍數(shù)目。

        計(jì)算隊(duì)伍t1贏得比賽的概率:

        同理,可知隊(duì)伍t2贏得比賽的概率為Pwinner(t2,t1)。通過(guò)比較Pwinner(t1,t2)和Pwinner(t2,t1)兩者大小,較大者判定為勝利的隊(duì)伍。

        3.3 勝方策略

        用于提高勝方隊(duì)伍的水平,作為獎(jiǎng)勵(lì)以推動(dòng)個(gè)體進(jìn)化,其中所涉及的提高方法為學(xué)習(xí)自身長(zhǎng)處,并汲取最強(qiáng)隊(duì)伍的優(yōu)點(diǎn)。作戰(zhàn)水平提高公式如下:

        式中:r1,r2—隨機(jī)數(shù);

        Tf(n)*—場(chǎng)上最佳隊(duì)伍;

        Ts(n)*—最佳候補(bǔ)隊(duì)伍。

        3.4 調(diào)整策略

        用于修正負(fù)方隊(duì)伍的作戰(zhàn)策略與整體規(guī)劃中的缺陷,此期間其教練會(huì)利用自身豐富經(jīng)驗(yàn)調(diào)整隊(duì)伍分配,確保在下次比賽中的表現(xiàn)能有所提高。

        3.5 分享策略

        用于彌補(bǔ)負(fù)方隊(duì)伍個(gè)體間水平的參差,以改善其整體水平,此期間其教練會(huì)綜合分析賽場(chǎng)上各位隊(duì)員的表現(xiàn)和整體作戰(zhàn)方案的優(yōu)劣,并積極融合勝方表現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn);所用公式如下:

        式中:r1,r2—隨機(jī)數(shù);

        Ut,Lt—隊(duì)員屬性值的上下界;

        —隊(duì)伍t的場(chǎng)上隊(duì)員屬性;

        —隊(duì)伍t的候補(bǔ)隊(duì)員屬性。

        3.6 學(xué)習(xí)策略

        用于提高所有隊(duì)伍的理論知識(shí)水平和實(shí)際作戰(zhàn)能力,在此過(guò)程中,各個(gè)隊(duì)伍教練會(huì)和場(chǎng)外專家一起分析總結(jié),并學(xué)習(xí)表現(xiàn)前三強(qiáng)隊(duì)伍的優(yōu)點(diǎn),對(duì)各自隊(duì)伍的隊(duì)員能力進(jìn)行提高,對(duì)各自的作戰(zhàn)方案進(jìn)行升級(jí),從而提高勝出概率。

        式中:r1,r2—隨機(jī)數(shù);

        C—常數(shù);

        m—當(dāng)前迭代次數(shù);

        M—事先設(shè)置的最大迭代次數(shù);

        R={1,2,3},為前三強(qiáng)的隊(duì)伍;

        x={f,s},為隊(duì)伍中的場(chǎng)上隊(duì)員和候補(bǔ)隊(duì)員。

        本實(shí)施案例采用一種智能變電站的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)方法:首先,構(gòu)造包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的多維層次結(jié)構(gòu)模型;隨后,結(jié)合各層次網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)分析,自下向上地逐級(jí)融合安全因素分析,利用排球超級(jí)聯(lián)賽算法中各策略模塊的高效合作,通過(guò)多次迭代對(duì)各層次多維安全因素進(jìn)行融合分析;最后,給出目前包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)的整體系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。實(shí)施本方法后,可以有效完成包括變電站及PMU裝置本體在內(nèi)整體系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        提出一種基于排球超級(jí)聯(lián)賽算法的智能變電站安全評(píng)價(jià)方法,可以面向智能變電站測(cè)控及PMU裝置的安全評(píng)價(jià)方法,能夠利用排球超級(jí)聯(lián)賽算法統(tǒng)籌計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)總度量。該技術(shù)簡(jiǎn)單高效,具有可行性和通用性,為研究識(shí)別和評(píng)估威脅提供有力參考,并協(xié)助后續(xù)管控,使整個(gè)變電站系統(tǒng)能依據(jù)相關(guān)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出決策建議,使智能變電站系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定。

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