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CN108280775B - 电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系及方法 - Google Patents

电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，电力信息物理系统混成计算架构体系包括三层独立的子体系，所述子体系为通信层混成计算体系、二次设备层混成计算体系和信息物理系统混成计算体系，各子体系支持对本层模型不同的特性的分析与处理；各子体系之间通过数据交互接口进行相互通信；针对电力信息物理系统多时间尺度、多管理主体、数据交互安全性和模型复杂的问题，提出了一种分层分布的计算算法体系和模型简化方法，建立了模型和算法按需响应的机制，实现了对复杂电力信息物理系统模型的合理简化、快速计算和精确分析，并且具有良好的数据安全性和可扩展性。

Description

电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系及方法
技术领域
本发明属于电力信息物理耦合系统领域，具体来说，涉及电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系及方法。
背景技术
随着计算技术、通信技术和智能控制技术的迅速发展，信息物理耦合系统(CPS)一经提出便引起学术界及产业界的广泛重视并保持快速发展。智能电网建设的不断发展，电网传感器数量、信息网络规模和决策单元数量都迅速增加，电力系统的自动化程度大大提高。此外，能源互联网的推广使得越来越多的外部信息通过各种业务途径直接或间接影响着电力系统控制决策，电力网络与信息网络的交互机理日益复杂。现代电力系统已发展成为具备各种CPS典型特征的电力信息物理系统(电力CPS)，然而，现有技术中，缺少电力信息物理系统的分层分布混成计算体系，无法采用CPS的技术手段对电力CPS进行建模和混成计算。现有的针对电力CPS进行建模与混成计算方面的研究刚刚起步，其多针对具体电力业务进行建模与计算，没有形成具体的理论与方法体系，具有较大的局限性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于：现有的针对电力CPS进行建模与混成计算方面的研究刚刚起步，其多针对具体电力业务进行建模与计算，没有形成具体的理论与方法体系，具有较大的局限性。
本发明公开一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系及方法，支撑电力信息物理系统的分析、计算和控制。
本发明技术方案如下。
一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，将电力信息物理系统划分为物理层、二次设备层、通信层和信息层(控制决策层)，层内网络采用邻接矩阵建立各层网络的模型，层内节点采用多元组的方式对关键特性进行建模，层间采用关联矩阵建立各层之间的关联关系模型；
电力信息物理系统的物理层、二次设备层、通信层和信息层各层之间以服务需求-服务响应的形式进行数据交互。
电力信息物理系统混成计算架构体系包括三层独立的子体系，所述子体系为通信层混成计算体系、二次设备层混成计算体系和信息物理系统混成计算体系，各子体系支持对本层模型不同的特性的分析与处理；各子体系之间通过数据交互接口进行相互通信。
通信层混成计算体系包括通信网络模型、通信网混成计算算法和通信层数据交互模块；
(101)通信网络模型为根据通信网络的实时数据或者历史数据或者仿真数据形成的通信网邻接矩阵；通信网络模型根据通信网络的不同通信性能指标建立不同颗粒度的通信网络，通信网络模型包括通信实时延时矩阵、通信网平均延时矩阵和通信可靠性矩阵；
(102)通信网混成计算算法包括支撑通信网本身的分析、优化和控制，支撑电力CPS其他层的分析、优化和控制；
(103)通信层数据交互模块用于支撑与其他层进行数据交互的数据和算法控制。
二次设备层混成计算体系包括二次设备层网络模型、二次设备层混成计算算法和二次设备层数据交互模块；
(201)二次设备层网络模型为根据二次设备层网络的实时数据、历史数据或者仿真数据形成的二次设备层邻接矩阵；二次设备层网络模型根据通信网络的不同通信性能指标建立不同颗粒度；
二次设备层网络模型包括二次设备层延时矩阵模型、二次设备层信息处理矩阵模型和二次设备可靠性矩阵；
(202)二次设备层混成计算算法包括二次设备网络本身的分析、优化和控制，支撑电力CPS其他层的分析、优化和控制；
(203)二次设备层数据交互模块用于支撑与其他计算体系进行数据交互的数据和算法控制。
信息物理系统混成计算体系包括：电力网络模型和信息层网络模型、信息物理混成计算算法和信息物理系统数据交互模块；
(301)电力网络模型和信息层网络模型根据电力网络和控制决策单元的实时数据、历史数据或者仿真数据形成。电力网络模型基于传统电网的静态、机电暂态和电磁暂态模型。信息网络模型为根据电力决策单元的控制逻辑建立的控制模型。
(302)信息物理混成计算算法用于分析信息层和物理层之间的交互影响关系，支持电力信息物理系统的分析、优化和控制。
(303)信息物理系统数据交互模块用于支撑与其他计算体系进行数据交互的数据和算法控制。
依据电力信息物理系统分层模型，通过每层的独立算法体系，以服务需求-服务响应的模式进行数据交互，建立支撑电力信息物理系统综合分析的分层分布计算按需响应的电力信息物理系统混成计算架构体系(电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系)。
一种电力信息物理系统的分层分布混成计算方法，包括以下步骤：
S1，根据电力信息物理系统的分析计算的目的，服务需求层在模型库和算法库中选择混成计算的模型和混成计算的算法执行电力信息物理系统混成计算；服务需求层为信息物理层混成计算体系、二次设备层混成计算体系或通信层混成计算体系中的任意一个计算体系；算法库指每个算法体系中的用于对本层数据进行处理的算法集合，如通信层混成计算算法库包括通信实时延时算法、通信网平均延时算法和通信可靠性算法；
S2，服务需求层根据电力信息物理系统混成计算所需的其他层数据支持，通过数据交互接口发布服务需求，将需求通过关联关系映射至提供数据服务的服务提供层。
S3，服务提供层采用与进行混成计算，并将计算的结果通过数据交互接口以服务响应的方式返回至服务需求层。
依照电力信息物理系统的分析计算的目的，从上至下依次执行电力信息物理系统混成计算、二次设备层混成计算和通信层混成计算。每层混成计算主要是根据分析计算的目的，选择混成计算的模型和混成计算的算法，根据选择的模型和算法进行混成计算，混成计算过程中可能会需要其他层的数据支持，则通过发布服务需求至其他层实现，其他层响应服务需求并将计算结果返回。如二次设备层在在需要计算某主站到某子站的策略执行延时时，其需要通信通道上的延时，则二次设备层发布计算通信通道延时，通信层响应二次设备层服务需求，将通道延时结果反馈至二次设备层。
本发明与现有技术相比，本发明包括以下优点：
1、本发明公开的一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，能够支撑电力信息物理系统的分析、计算和控制。
2、将电力信息物理系统划分为物理层、二次设备层、通信层和信息层(控制决策层)，电力信息物理系统混成计算架构体系包括三层独立的子体系，不同层数据分布存储和处理，克服了多主体利益冲突及数据安全性的问题；
3、电力信息物理系统的物理层、二次设备层、通信层和信息层各层之间以服务需求-服务响应的形式进行数据交互；电力信息物理系统混成计算架构体系各子体系之间通过数据交互接口进行相互通信；按需响应其他层不同需求的模型及计算方法，克服了电力信息物理系统多时间尺度、不同颗粒度复杂模型和分析的问题；针对电力信息物理系统多时间尺度、多管理主体、数据交互安全性和模型复杂的问题，提出了一种分层分布的计算算法体系和模型简化方法，建立了模型和算法按需响应的机制，实现了对复杂电力信息物理系统模型的合理简化、快速计算和精确分析，并且具有良好的数据安全性和可扩展性。
4、模型和算法均模块化形式建立，具有较好的灵活性和扩展性，为未来电力信息物理系统的分析与计算理论提供良好的扩展接口，适应未来发展。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为本发明的电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系结构图；
图2为本发明的电力信息物理系统的分层分布混成计算方法流程图；
图3为本发明具体实施方案中的安控业务通信拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，将电力信息物理系统划分为物理层、二次设备层、通信层和信息层(控制决策层)，层内网络采用邻接矩阵建立各层网络的模型，层内节点采用多元组的方式对关键特性进行建模，层间采用关联矩阵建立各层之间的关联关系模型；
电力信息物理系统的物理层、二次设备层、通信层和信息层各层之间以服务需求-服务响应的形式进行数据交互。
电力信息物理系统混成计算架构体系包括三层独立的子体系，所述子体系为通信层混成计算体系、二次设备层混成计算体系和信息物理系统混成计算体系，各子体系支持对本层模型不同的特性的分析与处理；各子体系之间通过数据交互接口进行相互通信。
通信层混成计算体系包括通信网络模型、通信网混成计算算法和通信层数据交互模块；
(101)通信网络模型为根据通信网络的实时数据或者历史数据或者仿真数据形成的通信网邻接矩阵；通信网络模型根据通信网络的不同通信性能指标建立不同颗粒度的通信网络，通信网络模型包括通信实时延时矩阵、通信网平均延时矩阵和通信可靠性矩阵；
(102)通信网混成计算算法包括支撑通信网本身的分析、优化和控制，支撑电力CPS其他层的分析、优化和控制；
(103)通信层数据交互模块用于支撑与其他计算体系进行数据交互的数据和算法控制。
二次设备层混成计算体系包括二次设备层网络模型、二次设备层混成计算算法和二次设备层数据交互模块；
(201)二次设备层网络模型为根据二次设备层网络的实时数据、历史数据或者仿真数据形成的二次设备层邻接矩阵；二次设备层网络模型根据通信网络的不同通信性能指标建立不同颗粒度；
二次设备层网络模型包括二次设备层延时矩阵模型、二次设备层信息处理矩阵模型和二次设备可靠性矩阵；
(202)二次设备层混成计算算法包括二次设备网络本身的分析、优化和控制，支撑电力CPS其他层(物理层、通信层和信息层)的分析、优化和控制；
(203)二次设备层数据交互模块用于支撑与其他层进行数据交互的数据和算法控制。
信息物理系统混成计算体系包括：电力网络模型和信息层网络模型、信息物理混成计算算法和信息物理系统数据交互模块；
(301)电力网络模型和信息层网络模型为根据电力网络和控制决策单元的实时数据、历史数据或者仿真数据形成的电力网络模型和信息层网络模型(控制决策模型)。电力网络模型基于传统电网的静态、机电暂态和电磁暂态模型。信息网络模型为根据电力决策单元的控制逻辑建立的控制模型。
(302)信息物理混成计算算法用于分析信息层和物理层之间的交互影响关系，支持电力信息物理系统的分析、优化和控制。
(303)信息物理系统数据交互模块用于支撑与其他层(二次设备层、通信层和信息层)进行数据交互的数据和算法控制。
依据电力信息物理系统分层模型，通过每层的独立算法体系，以服务需求-服务响应的模式进行数据交互，建立支撑电力信息物理系统综合分析的电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系。
如图2所示，一种电力信息物理系统的分层分布混成计算方法，包括以下步骤：
S1，根据电力信息物理系统的分析计算的目的，服务需求层在模型库和算法库中选择混成计算的模型和混成计算的算法执行电力信息物理系统混成计算；服务需求层为信息物理层混成计算体系、二次设备层混成计算体系或通信层混成计算体系中的任意一个计算体系；算法库指每个算法体系中的用于对本层数据进行处理的算法集合；如，通信层混成计算算法库包括通信实时延时算法、通信网平均延时算法和通信可靠性算法；
S2，服务需求层根据电力信息物理系统混成计算所需的其他层数据支持，通过数据交互接口发布服务需求，将需求通过关联关系映射至提供数据服务的服务提供层。如二次设备层混成计算体系进行二次设备层网络可靠性分析时需要通信网络对应通信通道的可靠性，此时二次设备层混成计算体系通过发起计算相关通信通道可靠性的服务请求，通信层混成计算体系根据交互接口关联关系计算相关通信通道可靠性并将计算的结果通过服务响应的模式返回至二次设备层混成计算体系。此过程中，二次设备层混成计算体系为服务需求层，通信层混成计算体系为服务提供层。
S3，服务提供层采用与进行混成计算，并将计算的结果通过数据交互接口以服务响应的方式返回至服务需求层。
依照电力信息物理系统的分析计算的目的，从上至下依次执行电力信息物理系统混成计算、二次设备层混成计算和通信层混成计算。每层混成计算主要是根据分析计算的目的，选择混成计算的模型和混成计算的算法，根据选择的模型和算法进行混成计算，混成计算过程中可能会需要其他层的数据支持，则通过发布服务需求至其他层实现，其他层响应服务需求并将计算结果返回。如二次设备层在在需要计算某主站到某子站的策略执行延时时，其需要通信通道上的延时，则二次设备层发布计算通信通道延时，通信层响应二次设备层服务需求，将通道延时结果反馈至二次设备层。
混成计算体系中一系列计算算法各司其职，协调完成电网信息物理系统中不同的分析计算功能。并且各类混成计算算法以模块化的形式存在，使其具有良好的可扩展性。由于混成计算算法多样，需要结合具体的分析场景来具体分析，无法做到一一解释，本实施例说明混成计算的算法。
如附图3所示的安控业务网络，分析需求为：分析二次设备S1→S2之间的可靠性，其具体算法流程如下：
1)根据S1→S2可靠性分析需求，选择二次设备层模型为可靠性模型，即可靠性关联矩阵，算法选择可靠性计算算法。2)进行二次设备可靠性分析计算，计算程序根据计算逻辑需要通信层数据支持。3)二次设备层发布可靠性分析服务需求。4)通信-二次设备交互接口根据S-C关联矩阵映射出C7和C8通信节点。5)通信层选择通信路径搜索算法搜索出C7→C8的通信路径附图中虚线所示，通信选择可靠性计算算法计算出C7→C8的通信可靠性。6)通信层通过通信-二次设备交互接口将C7→C8的通信可靠性返回至二次设备层，二次设备层可靠性分析算法根据返回通信可靠性计算S1→S2的可靠性。
可靠性具体的计算算法如下。首先，假设由通信网实时/历史数据得到的可靠性参数，则其通信邻接矩阵C如下式：
Figure GDA0002976374590000101
由于安控业务路由静态配置，通信层路径搜索算法搜索出主路径为C7→C2→C3→C8，备用路径为C7→C6→C5→C4→C3→C8。
然后由通信层可靠性分析算法进行可靠性分析，过程为：
Pm＝1-P7-2×P2×P2-3
Pb＝1-P7-6×P6×P6-5×P5×P5-4×P4×P4-3
Pvp＝Pm×Pb
Pvc＝1-P7×P3×P3-8×P8
Pv＝Pvc+Pvp-Pvc×Pvp＝0.2355％
其中，Pm为只有主路径(C7→C2→C3)的中断概率，Pb为只有备用路径(C7→C6→C5→C4→C3)的中断概率，Pv为C7→C8中断的概率。
然后将中断概率分析结果通过交互接口输出至二次设备层，二次设备层做后续的分析。
本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，其特征在于：将电力信息物理系统划分为物理层、二次设备层、通信层和信息层，层内网络采用邻接矩阵建立各层网络的模型，层内节点采用多元组的方式对关键特性进行建模，层间采用关联矩阵建立各层之间的关联关系模型；
电力信息物理系统的物理层、二次设备层、通信层和信息层各层之间以服务需求-服务响应的形式进行数据交互；
电力信息物理系统混成计算架构体系包括三层独立的子体系，所述子体系为通信层混成计算体系、二次设备层混成计算体系和信息物理系统混成计算体系，各子体系对本层模型不同的特性进行分析与处理；各子体系之间通过数据交互接口进行相互通信。
2.根据权利要求1所述的一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，其特征在于：
通信层混成计算体系包括通信网络模型、通信网混成计算算法和通信层数据交互模块；
（101）通信网络模型为根据通信网络的实时数据或者历史数据或者仿真数据形成的通信网邻接矩阵；通信网络模型根据通信网络的不同通信性能指标建立不同颗粒度的通信网络，通信网络模型包括通信实时延时矩阵、通信网平均延时矩阵和通信可靠性矩阵；
（102）通信网混成计算算法包括支撑通信网本身的分析、优化和控制，支撑电力信息物理系统的其他层的分析、优化和控制；
（103）通信层数据交互模块用于支撑通信层混成计算体系与其他计算体系进行数据交互的数据和算法控制。
3.根据权利要求1所述的一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，其特征在于：
二次设备层混成计算体系包括二次设备层网络模型、二次设备层混成计算算法和二次设备层数据交互模块；
（201）二次设备层网络模型为根据二次设备层网络的实时数据、历史数据或者仿真数据形成的二次设备层邻接矩阵；二次设备层网络模型根据通信网络的不同通信性能指标建立不同颗粒度；
二次设备层网络模型包括二次设备层延时矩阵模型、二次设备层信息处理矩阵模型和二次设备可靠性矩阵；
（202）二次设备层混成计算算法包括二次设备网络本身的分析、优化和控制，支撑电力CPS其他层的分析、优化和控制；
（203）二次设备层数据交互模块用于支撑与其他计算体系进行数据交互的数据和算法控制。
4.根据权利要求1所述的一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，其特征在于：
信息物理系统混成计算体系包括：电力网络模型和信息层网络模型、信息物理混成计算算法和信息物理系统数据交互模块；
（301）电力网络模型和信息层网络模型根据电力网络和控制决策单元的实时数据、历史数据或者仿真数据形成；电力网络模型基于传统电网的静态、机电暂态和电磁暂态模型；信息网络模型为根据电力决策单元的控制逻辑建立的控制模型；
（302）信息物理混成计算算法用于分析信息层和物理层之间的交互影响关系，支持电力信息物理系统的分析、优化和控制；
（303）信息物理系统数据交互模块用于支撑与其他计算体系进行数据交互的数据和算法控制。
5.根据权利要求1所述的一种电力信息物理系统的分层分布混成计算架构体系，其特征在于：
依据电力信息物理系统分层模型，通过每层的独立算法体系，以服务需求-服务响应的模式进行数据交互，建立支撑电力信息物理系统分析的分层分布计算按需响应的电力信息物理系统混成计算架构体系。
6.一种电力信息物理系统的分层分布混成计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据电力信息物理系统的分析计算的目的，服务需求层在模型库和算法库中选择混成计算的模型和混成计算的算法执行电力信息物理系统混成计算；服务需求层为信息物理层混成计算体系、二次设备层混成计算体系或通信层混成计算体系中的任意一个计算体系；算法库指每个计算体系中的用于对本层数据进行处理的算法集合；
S2，服务需求层根据电力信息物理系统混成计算所需的其他层数据支持，通过数据交互接口发布服务需求，将需求通过关联关系映射至提供数据服务的服务提供层；
S3，服务提供层采用与进行混成计算，并将计算的结果通过数据交互接口以服务响应的方式返回至服务需求层。
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