关键词：电力系统；脆弱性；评估
近年来，电网规模的不断扩大以及系统元件的日益复杂使电力系统的资源在最大范围内得到了优化配置，但同时也降低了电力系统的安全稳定程度．由局部故障波及整个网络造成的大停电事故，在国内外已经多次发生，这类事故带来了重大的社会影响和经济损失，引起了人们对电网安全运行的高度重视．如何准确地分析电网当前的脆弱性以及潜在的危险，进而预防连锁故障的发生，是一项非常重要的研究课题．因此，在不能够预料的扰动发生的情况下，找出电力系统的薄弱环节，并采取相应的预防措施改善系统的运行状态，是电力系统脆弱性评估需要解决的问题。
一、电力–通信复合系统
电力–通信复合系统的脆弱性，首先需对融合电力与通信的复合系统进行建模分析。与单一的电力系统或通信系统建模不同，复合系统建模需要重点剖析通信对电力的影响机理,同时220kV 以上的高压输电网，不考虑配电网和发电厂、变电站的主接线。经过上述简化，电力系统就被描述为一个具有 n个节点和k条无向有权边的稀疏连通图。为了更好地分析电力–通信复合系统的运行方式，可将复合系统示意图的局部区域进行放大，如图所示。
可以看出在电力系统中各电气量以潮流的形式流经电力节点和支路，随着潮流的变化显示了随时间连续的电力系统运行方式。由此分析通信业务的下送是通信系统影响电力的直接方式，通信时延、误码或中断都有可能导致电力节点收到错误的信息，从而导致电力系统故障。将分别讨论电力系统通信系统的脆弱性，分析电力–通信复合系统的脆弱性。
二、电力–通信复合系统物理关联矩阵
电力–通信复合系统中电力与通信系统相互之间的物理关联特性，需要建立电力与通信物理关联矩阵Az，其中包括电力–电力关联子矩阵Ap通信–通信关联子矩阵Ac 和电力–通信关联子矩阵Af3 块内容。
1、电力–电力关联子矩阵。根据电力网络拓扑结构，由“0”和“1”两个逻辑元素表示电力系统中节点的关联状况，定义电力–电力物理关联子矩阵Ap。对一个具有n个节点的电力网络建立nxn 阶物理关联矩阵Ap=vp,ij(nxn)。vp,ij 为该矩阵中的元素，代表i 节点和j 节点的物理连接关系。i 和j 的取值范围为：1,2,n。
2、电力–通信关联子矩阵。电力–通信物理关联子矩阵Af。对一个具有n 个电力节点和m个通信节点的复合网络建立nxm 阶关联矩阵Af =vf,ij(nxm)。关联矩阵中元素vf,ij的值按如下定义：当节点i 和j 之间无信息传递链路时，vf,ij=0；当节点i 和j 之间有信息传递链路时，vf,ij=1。最后将关联子矩阵代入式，得到电力–通信复合系统物理关联矩阵，其中h=n+m。电力–通信复合系统关联矩阵通过描述复合系统的拓扑结构反映了通信系统影响电力系统的路径，而影响的量值需要建立电力–通信复合系统脆弱性指标来进行评判。
三、电力–通信复合系统脆弱性指标
对电力–通信复合系统脆弱性的研究，首先需考虑单独的电力系统和通信系统脆弱性。传统的电力或通信脆弱性计算方法已趋于成熟，所以为进一步研究复合系统的脆弱性，则需要对传统的研究方法进行筛选，提出新的脆弱性评估。
1、电力脆弱性指标。为了更好地综合拓扑结构和运行状态对电力系统脆弱性的影响，基于源流路径电气剖分的方法得到电力系统脆弱性指标[1]。对于电力–通信复合系统模型中的电力系统，通过电气剖分方法，求得所有源流路径链集合为L={Lq, q=1-NL}，定义源流路径链Lq 上第k 段剖分子支路的脆弱性指标T。
2、通信脆弱性指标。综合通信业务重要度和通道脆弱度提出了新型的通信脆弱性指标计算方法。首先利用枚举法列出电力通信系统中主要的通信业务，并根据每种业务所包含的属性，如实时性、可靠性、传输时延和误码率等，利用模糊层次分析法得到各类业务的重要度[2]。由于每种通信业务拥有的属性数量较多并且各属性在面对威胁时表现出的脆弱值不同，所以需要对不同的属性进行重要度分层。第1 层指标分为：实时性、可靠性和安全性；第2 层指标分为：实时性类型、信号时延、实时性要求、可靠性要求、保护通道、相关设备、误码率、安全性要求、安全区和接口方式。评估的指标体系如图所示。
将业务重要度作为对通信脆弱性评估的一个指标，重要度越高则同样的威胁可能引起的损失就越大。在计算通道脆弱度时，由于不同业务传输信息量的不同，可基于单个业务的传输速率比例衡量通道中总体业务重要度。并且通道脆弱性同样需要考虑通道本身的固有属性，包括通道长度、分插复用器ADM中继器个数等，这些属性会对通信业务在通信通道中传输的时延造成影响，为此引入业务传输实际时延与固有时延阀值之比来衡量通道脆弱性，通道固有时延阀值的计算，通信业务的传输时延越接近时延阀值，通信通道产生故障的可能性越高，即通信通道脆弱性越高。
3、复合系统脆弱性指标。复合系统的脆弱性指标计算首先需要考虑信息交互层的通道脆弱性，对复合系统分析中可知，每个电力节点可能向多个通信节点传送信息，同样每个通信节点也可能发送多个指令给电力节点，所以在计算复合节点间信息通道的脆弱性时需要融合信息传输的路由选择概率，公式如下：
综合电力脆弱性指标、通信脆弱性指标和信息交互层的通道脆弱性指标，得到考虑通信影响的电力系统脆弱性评估指标。由于通信因素直接影响到电力节点，且每一个电力节点可能有多条信息通道接收或传输通信业务，通信因素的融入不仅会直接影响到电力节点的脆弱性，同时也会间接影响到电力支路的脆弱性。所以在计算考虑通信影响的电力支路脆弱性指标Cp[Ep(i,j)]时，通信因素对其的影响可以简化用电力节点对其的影响代替，公式如下：
结束语：
通信系统为广域电力系统的可观性和可控性提供了技术保障，但时延、误码和中断等通信故障亦有可能导致电力系统非正常运行甚至引发连锁故障,反映电力–通信复合系统拓扑结构的复合系统关联矩阵，用以直观地分析通信系统影响电力系统；提出了电力–通信复合系统动态脆弱性评估方法。
参考文献：
[1] 彭明伟，唐跃中．电力调度数据网传输特性分析[J]．中国电机工程学报，2017，32(22)．
[2] 白晓民，赵伟.复杂系统理论在电力系统中的应用研究展望[J]．中国电机工程学报，2016，32(19)：1-9．
[3] 沈晓凡，舒治淮，刘宇．基于复杂网络理论的电力系统脆弱性分析[J]．电网技术，2018，32(16)：5-8．
论文作者:沈军
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期下
论文发表时间:2019/11/29
标签：通信论文; 电力论文; 脆弱性论文; 电力系统论文; 节点论文; 矩阵论文; 系统论文; 《中国电业》2019年第12期下论文;