信息系统对微电网运行可靠性的影响分析

信息系统对微电网运行可靠性的影响分析

王治宇

国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司 内蒙古呼和浩特 010000 摘要 ：微电网是一种集成分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控与保护装置等的小型发配用电系统，属于典型的信息物理系统。对微电网内各个单元的协调优化控制很大程度上依赖安全可靠的信息系统，信息系统的失效将很有可能影响微电网的安全稳定运行。文中提出了一种旨在量化信息系统元件故障和信道质量对微电网运行可靠性影响的分析方法，首先建立信息系统静态连接模型和动态传输模型，然后运用蒙特卡洛方法模拟微电网信息物理系统的运行过程，，以电量不足期望和失负荷概率为指标，量化分析信息系统的不可靠对微电网运行可靠性的影响，并重点针对信息系统元件故障率和信道质量水平两方面的影响因素进行了灵敏度分析。算例结果验证了所提模型和方法的有效性。

关键词：微电网；信息物理系统；信息系统结构；运行可靠性；

前言

微电网作为一种小型的发配用电系统，是一种深度融合计算、通信以及控制技术的CPS。微电网的物理系统包括分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷等电气设备;信息系统包括数据采集器、状态检测器、控制器、通信设备以及高性能计算决策等设备。为充分且有效地协调微电网内各类发电、储能以及负荷的功率平衡关系，微电网需要依靠安全可靠的信息系统实时采集各电气设备的信息，并基于一定的策略为相关受控单元下达命令执行信息，以保证整个微电网的电压和频率的稳定，同时支撑实现面向经济调度等目标的微电网能量管理和运行优化，信息系统一旦发生故障将很有可能影响微电网的安全稳定运行。

一、微电网CPS建模

1.微电网CPS概述

微电网是一类深度融合计算、通信以及控制技术的CPS。微电网物理系统的安全稳定运行，需要依靠安全高效的信息系统实时监测微电网设备的运行情况并协调控制各个设备的运行状态。微电网的协调控制方式主要有两种∶集中控制和对等分散控制叼。其中，集中控制模式的微电网依靠中央控制系统实时采集信息并为相关微电网单元下达功率参考点信息，以保证微电网电压和频率的稳定。分散控制模式的微电网系统依靠各个设备之间的高效通信来调节各自的稳定运行点。两种模式下微电网的信息系统工作机理基本相同，均包括信息采集、信息上传、决策分析及控制命令下达、命令下传和命令执行的全过程。为便于说明问题，同时不失一般性，本文主要采用集中控制模式的微电网CPS作为研究对象（微电网CPS示意图见附录A图A1）。考虑到有关微电网物理系统的建模仿真已有相当多的研究成果，限于篇幅，本文重点研究微电网信息系统的建模和微电网CPS联合运行的可靠性分析方法。

2.微电网信息系统的静态连接模型

（1）信息系统拓扑邻接矩阵

在信息系统运行期间，信息动态传输路径的确定是以各个信息元件的物理连接关系为基础的。为此，使用节点邻接矩阵来描述信息系统各个元件间的物理连接关系，思路如下∶首先，将信息设备定义为节点，信息设备之间的连接关系定义为边。然后，基于设备之间的拓扑连接关系建立信息设备节点的拓扑邻接矩阵，表示为矩阵A，并规定若节点i与节点j相连，则Aij=1，否则Aij=0。

如图1（a）所示的信息系统，其中微电网中央控制器（MGCC）、光纤1、交换机1等信息设备均表示为节点，分别编号为1，2，3，…。1号设备（作为MGCC）与2号设备（光纤1）直接相连，表示为A2=An=1;交换机1与交换机4不直接相连，则A3，=A3=0。图1（a）中的信息系统共包含16个信息设备，则A为16×16阶矩阵。需要注意的是，不同于常规的节点设备与支路设备的拓扑连接表示方式，为问题分析的方便，本文所定义的拓扑邻接矩阵中，所有的信息设备（含通常所说的支路设备和节点设备）均为节点，支路仅表示节点间的拓扑连接关系。

（2）信息网络的路由分析方法

基于信息网络的拓扑邻接矩阵A和信息元件的两状态马尔可夫模型10，在信息网络的蒙特卡洛模拟运行中，首先判断是否存在信息元件故障，若存在，则依次从矩阵A中剔除故障信息元件所对应节点编号的行与列，从而形成无故障信息元件的拓扑邻接矩阵。假设图1（a）中的交换机2与光纤6（编号分别为6和12）故障并退出运行，则将矩阵A中的第6行和第6列及第12行和第12列剔除，如图1（c）所示。

运用DFS算法开展信息网络传输路径的路由分析，去除冗余通道形成便于分析的树状网络，确保每两个信息元件之间只有一条信道并保持通畅。如图1（b）所示，红色设备6和设备12为故障设备，已经被剔除;灰色设备4，8，11，14，15为经过DFS算法分析后无法与信息网络的其他部分形成完整路由的设备，因此无法参与正常通信;蓝色设备为可以正常运行并参与通信的设备。可以看出，由于环状结构具备冗余通道，尽管其中一个交换机故障，信息终端16仍然能够与节点1即MGCC保持通信通畅，从而保持正常运行。通过建立信息系统静态拓扑连接模型以及简化后的树状网络拓扑，可以为信息系统的动态模拟运行以及微电网CPS的联合模拟运行提供模型基础。

3.信息系统动态传输模型

在得到信息网络的静态拓扑模型后，就需要对信息系统的动态运行进行模拟，以下对信息系统中信息的动态传输过程进行建模。假设在时刻t待分析的信息网络中有一信息包S需要通过元件i，最终到达元件k，借鉴信息通信领域数据包（Packet）的概念，可以将其表示为S（Sst（t），k）。该信息包共含有两部分信息∶第一部分为有效载荷，即需要传输的信息量值，如电压电流的量、开关变化量等;第二部分为报头信息，包含信息包Sst（t）最终需要送达的地址，即元件k的地址，可能是MGCC的地址，也有可能是某个设备的通信地址，视运行过程中信息传输的情况而定。若信息包S在通过元件i时发生了传输扰动，则S（Sst（t），k）中的两部分信息都有可能因为扰动而变化，从而在信息包通过元件i后，信息包变为S'（S end（t），k'）。

二、微电网CPS可靠性分析方法

本文采用蒙特卡洛方法，在每个时间步长内，模拟信息元件的状态和信道质量水平，进而分析由于元件故障和信道传输性能的波动对微电网运行的影响。具体分析流程如下。步骤1;根据信息元件的拓扑连接关系形成信息网络的拓扑邻接矩阵。步骤2∶基于两状态转移模型，判断本次模拟运行中各信息元件的运行状态，并利用本文的网络路由分析方法去除故障元件和冗余结构，形成便于模拟运行的树状信息网络。步骤3∶读取本次模拟运行中微电网各电气设备的状态，包括分布式电源出力大小、负荷大小、蓄电池容量与荷电状态等。步骤4;模拟微电网CPS联合运行，包括信息采集、信息上传、MGCC分析决策并下达控制指令、指令下传和指令执行的全过程。步骤5∶以EENS和LOLP为指标，检验本次模拟运行的微电网运行效果。步骤6∶判断前后两次模拟的指标变化幅度是否达到精度要求或模拟次数（时长）是否超出设定要求，若达到要求则退出运行，输出可靠性指标，若不满足要求则进入步骤2，开展下一次模拟。

结束语

本文结论对于输配电网的CPS具有一定指导意义。本文方法亦可推广应用于输配电网的CPS建模和分析。下一步将继续深入探讨信息系统与输配电网的耦合环节和相互配合的机理，开展信息-电网的联合运行仿真分析，为发现系统规划运行的薄弱环节以及规划建设更加坚强的电网提供一定的决策支撑。

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