一種信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法

一種信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法
【專利摘要】一種信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法。其首先針對信息系統建立設備靜態連接模型和信息包動態傳輸模型，然后，考慮信息系統設備靜態連接的故障和信息系統信息包動態傳輸質量的不可靠(包括傳輸偏差、傳輸延時和傳輸路由錯誤)運用蒙特卡洛方法模擬微電網物理?信息系統的運行，以平均缺供電量和失負荷概率為指標，分析計算信息系統的不可靠對微電網運行的影響。最后針對信息系統設備靜態連接的故障和信息系統信息包動態傳輸的質量進行微電網運行可靠性靈敏度分析。該方法能找出對微電網運行可靠性影響較大的信息系統薄弱環節并為微電網系統的精細化規劃設計和運行管理提供科學建議。
【專利說明】
一種信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法
技術領域
[0001] 本發明屬于計算機控制技術領域，特別是涉及一種信息系統對微電網運行可靠性 影響的分析方法。
【背景技術】
[0002] 信息系統對電力系統的安全、高效、經濟運行起著重要的支撐作用。然而，信息系 統自身出現的故障也會影響電力系統的正常運行，隨著電氣物理系統與信息系統的耦合關 系日益密切，信息系統對電力系統可靠性的影響不能忽視。因此，分析信息系統與電氣物理 系統的耦合關系，量化信息系統對電力系統運行可靠性的影響，甄別并改善電氣物理-信息 系統薄弱環節，對提高電力系統的運行可靠性至關重要。
[0003] 微電網作為一種小型的發配用電系統，是一種深度融合計算、通信以及控制技術 的物理-信息系統。微電網的物理系統包括分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負荷等電 氣設備;信息系統包括數據采集器、狀態檢測器、控制器、通信設備以及高性能計算決策設 備等信息設備。為充分且有效地協調微電網內各類發電、儲能以及負荷的功率平衡關系，微 電網需要依靠安全可靠的信息系統實時采集各電氣設備的信息，并基于一定的策略為相關 受控設備下達命令執行信息，以保證整個微電網的電壓和頻率的穩定，同時支撐實現面向 經濟調度等目標的微電網能量管理和運行優化，信息系統一旦發生故障將很有可能極大地 影響微電網的安全穩定運行。
[0004] 關于信息系統對微電網可靠性影響的研究也已經出現，有些研究人員指出微電網 中通信控制終端的損壞會導致其所控制的設備退出運行，該研究只考慮了信息設備與電氣 設備的靜態耦合關系，但微電網中的負荷、分布式電源出力的不確定性較大，不同時刻、不 同信息設備的信息系統故障對微電網運行可靠性的影響效果可能有很大不同，因此需要在 模擬微電網物理-信息系統聯合運行的基礎上，分析信息系統對微電網運行可靠性的影響。

【發明內容】

[0005] 為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種信息系統對微電網運行可靠性影 響的分析方法。
[0006] 為了達到上述目的，本發明提供的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法 包括按順序執行的下列步驟：
[0007] 步驟1)建立信息系統信息設備靜態連接模型：首先，為信息系統中信息設備建立 靜態連接矩陣;然后，基于上述靜態連接矩陣，運用深度優先搜索算法，為信息系統中信息 設備建立通信路徑，最終得到信息設備靜態連接模型；
[0008] 步驟2)建立信息系統信息包動態傳輸模型：在步驟1)建立好的通信路徑上，考慮 信息包在通信路徑的傳輸過程中的傳輸偏差、傳輸延時和傳輸路由錯誤三種情況，為信息 包在信息系統的傳播建立動態傳輸模型；
[0009] 步驟3)模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態:考慮微電網負荷、電源出力的 不確定性，利用步驟1)獲得的通信路徑，采用步驟2)獲得的信息包動態傳輸模型，運用蒙特 卡洛方法模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態；
[0010]步驟4)微電網運行可靠性評價和靈敏度分析:通過步驟3)模擬運行后采集的平均 缺供電量和失負荷概率作為可靠性指標，分析計算信息系統的不可靠對微電網運行的影 響，最后針對信息系統中信息設備靜態連接的不可靠和信息包傳輸質量的不可靠進行微電 網運行靈敏度分析。
[0011]在步驟1)中，所述的建立信息系統信息設備靜態連接模型的方法包括如下步驟：
[0012] 步驟1.1)建立信息系統信息設備的靜態連接矩陣：
[0013] 將信息系統中每個信息設備定義為節點，兩個信息設備的連接關系定義為邊，將 通信網絡中的所有信息設備進行編號，確認信息設備之間的連接關系，建立靜態連接矩陣 A，那么若節點i與節點j相連，貝ljAij = l，否則Aij = 0;
[0014] 步驟1.2)基于上述靜態連接矩陣A，運用深度優先搜索算法為信息設備建立通信 路徑。
[0015] 在步驟1.2)中，所述的基于靜態連接矩陣A，利用深度優先搜索算法為信息設備建 立通信路徑的方法包括如下步驟：
[0016] 步驟1.2.1)運用蒙特卡洛模擬法，判斷步驟1.1)中獲得的靜態連接矩陣A中信息 設備是否出現故障，若此時有信息設備故障，則下一步執行步驟1.2.2);否則，下一步執行 步驟 1.2.3);
[0017] 步驟1.2.2)從靜態連接矩陣A中剔除存在故障的信息設備所對應的節點編號的行 與列，從而形成無故障信息設備靜態連接矩陣；
[0018] 步驟1.2.3)運用DFS算法為該信息系統中無故障的信息設備建立通信路徑，去除 冗余通道，以確保每兩個信息設備間只有一條通信路徑并保持通暢；
[0019] 步驟1.2.4)輸出無冗余的簡化通信網絡拓撲，最終得到該信息系統中信息設備的 靜態連接模型。
[0020] 在步驟2)中，所述的建立信息系統信息包動態傳輸模型的方法包括如下步驟：
[0021 ]步驟2.1)建立信息包模型：
[0022] 假設在時刻t待分析的通信網絡中有一信息包S需要通過信息系統中的信息設備 i，最終到達信息設備k，借鑒信息通信領域數據包的概念，可以將信息包模型表示為 S嚇風
[0023] 步驟2.2)利用上述信息包模型建立信息系統信息包傳輸誤差模型：
[0024] 設信息包傳輸過程中的有效載荷，即信息包的第一部分的傳輸誤差概率為 報頭信息，即信息包的第二部分的傳輸誤差概率為誤差量為時刻t的函數ei(t)，e2 (t)，則考慮信息傳輸誤差后，信息設備i輸出的信息按照式(1)、（ 2)計算：
[0025] S[nJ (/) = S[, (V) -int(rand(0,1) - )x (/) (1)
[0026] k，=k_int(rand(0, l)-Perr〇r2) Xe2(t) (2)
[0027] 步驟2.3)利用上述信息包模型建立信息傳輸延時模型：
[0028] 設信息傳輸過程中信息包的傳輸延時概率為PerrQrt，延時量為時刻t的函數et(t)， 則信息包通過信息設備i后的輸出用式(3)計算：
[0029] (r-int( rand(0J) ~ Perron )X (0) = (T) (^)
[0030] 綜合步驟2.2)中的信息包傳輸誤差模型和步驟2.3)中的信息包傳輸延時模型，得 到當信息包S通過信息設備i時的輸出狀況：
[0031 ] S[p,(i -ini(rand(0.1)-i^,,)j = 5；; (/)--int(rand(0.)xe,(/) (4)
[0032] k，=k_int(rand(0, l)-Perr〇r2) Xe2(t) (5)
[0033] 式(4)、（5)稱為傳輸路徑動態傳輸函數F。
[0034] 在步驟3)中，所述的運用蒙特卡洛方法模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態 的方法包括如下步驟：
[0035] 5.1)信息采集過程：由信息系統中的數據采集器和狀態檢測器采集微電網中電氣 設備的電量和狀態信息(如電壓、電流等電量信息和電機、開關的狀態信息），形成信息包S;
[0036] 5.2)信息上傳過程:通過步驟1)建立的通信路徑以及步驟2)建立的信息包動態傳 輸模型，即利用上述傳輸路徑動態傳輸函數F進行信息上傳；
[0037] 5.3)信息處理與決策過程:在信息設備的通信路徑和動態傳輸都正常的情況下， 信息包S被傳輸到微電網中央控制器，微電網中央控制器通過調度人員設定的微電網運行 目標處理數據實時優化調度運行，并形成每個微電網中電氣設備的命令信息包Sset;
[0038] 5.4)命令下傳過程:通過步驟1)建立的通信路徑以及步驟2)建立的信息包動態傳 輸模型，即利用上述傳輸路徑動態傳輸函數F將命令信息包S se3t傳回相應的微電網電氣設備 中；
[0039] 5.5)命令執行過程:微電網電氣設備依據信息包Sset完成相應的運行調整動作。
[0040] 在步驟4)中，所述的微電網運行可靠性評價和靈敏度分析包括如下步驟：
[0041 ]步驟4.1)可靠性指標計算：
[0042]微電網物理-信息系統的可靠性指標L0LP的計算公式如下：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] eensjPlolpi*別是第i個時間步長下蒙特卡洛模擬微電網運行后采集的平均缺 供電量和失負荷概率，η為蒙特卡洛模擬次數，將每次采集的指標累計并做平均處理，得到 所研究的微電網系統在信息系統的影響下的可靠性指標；
[0047]步驟4.2)靈敏度分析：
[0048] 依次改變各個信息設備的可靠性參數，包括可靠率、有效載荷傳輸誤差概率、信息 報頭傳輸誤差概率和傳輸延時概率，計算相應參數下的微電網可靠性指標，就能夠分析出 信息系統中哪個環節對微電網可靠性的影響最大。
[0049] 本發明提供的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法，首先針對信息系統 建立設備靜態連接模型和信息包動態傳輸模型，然后，考慮信息系統設備靜態連接的故障 和信息系統信息包動態傳輸質量的不可靠(包括傳輸偏差、傳輸延時和傳輸路由錯誤)運用 蒙特卡洛方法模擬微電網物理-信息系統的運行，以平均缺供電量(EENS)和失負荷概率 (LOLP)為指標，分析計算信息系統的不可靠對微電網運行的影響。最后針對信息系統設備 靜態連接的故障和信息系統信息包動態傳輸的質量進行微電網運行可靠性靈敏度分析。該 方法能找出對微電網運行可靠性影響較大的信息系統薄弱環節并為微電網系統的精細化 規劃設計和運行管理提供科學建議。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發明提供的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法流程圖。
[0051] 圖2為信息系統中信息設備連接關系圖；
[0052]圖3為基于DFS算法的信息設備通信路徑建立方法流程圖；
[0053]圖4為已建立好的信息設備通信路徑；
[0054]圖5為基于蒙特卡洛方法的微電網物理-信息系統的整體運行示意圖；
[0055]圖6為獨立微電網示意圖；
[0056]圖7為實施例中信息系統的信息設備連接關系圖；
[0057]圖8為蒙特卡洛模擬收斂過程圖；
[0058] 圖9為信息包動態傳輸質量對可靠性的影響靈敏度分析圖；
[0059] 圖10為信息終端可靠率對靈敏度的影響分析圖；
[0060] 圖11為通信線路可靠率對靈敏度的影響分析圖；
[0061] 圖12為交換機可靠率對靈敏度的影響分析圖；
【具體實施方式】
[0062] 下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的信息系統對微電網運行可靠性影響 的分析方法進行詳細說明。
[0063] 如圖1所示，本發明提供的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法包括按 順序執行的下列步驟：
[0064]步驟1)建立信息系統信息設備靜態連接模型：首先，為信息系統中信息設備建立 靜態連接矩陣;然后，基于上述靜態連接矩陣，運用深度優先搜索(DFS)算法，為信息系統中 信息設備建立通信路徑，最終得到信息設備靜態連接模型；
[0065] 步驟2)建立信息系統信息包動態傳輸模型：在步驟1)建立好的通信路徑上，考慮 信息包在通信路徑的傳輸過程中的傳輸偏差、傳輸延時和傳輸路由錯誤三種情況，為信息 包在信息系統的傳播建立動態傳輸模型；
[0066] 步驟3)模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態:考慮微電網負荷、電源出力的 不確定性，利用步驟1)獲得的通信路徑，采用步驟2)獲得的信息包動態傳輸模型，運用蒙特 卡洛方法模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態；
[0067] 步驟4)微電網運行可靠性評價和靈敏度分析:通過步驟3)模擬運行后采集的平均 缺供電量(EENS)和失負荷概率(L0LP)作為可靠性指標，分析計算信息系統的不可靠對微電 網運行的影響，最后針對信息系統中信息設備靜態連接的不可靠和信息包傳輸質量的不可 靠進行微電網運行靈敏度分析。
[0068] 在步驟1)中，所述的建立信息系統信息設備靜態連接模型的方法包括如下步驟：
[0069]步驟1.1)建立信息系統信息設備的靜態連接矩陣：
[0070]此步驟的目的是運用靜態連接矩陣A描述信息系統中各個信息設備之間的連接關 系，為信息系統通信路徑的建立提供拓撲基礎。具體過程如下：
[0071] 將信息系統中每個信息設備定義為節點，兩個信息設備的連接關系定義為邊。如 圖2所示，在信息系統中，微電網中央控制器負責監測和控制整個微電網的運行，交換機負 責微電網中信息的傳輸和轉發，信息通信方式為光纖通信。該系統是一個環形通信網絡，將 通信網絡中的所有信息設備進行編號，確認信息設備之間的連接關系，建立靜態連接矩陣 A，那么若節點i與節點j相連，則A^ = l，否則牝=0。現以圖2為例說明靜態連接矩陣建立過 程，其中微電網中央控制器、光纖1、交換機1等信息設備均表示為節點，分別編號為1、2、 3……。1號設備(微電網中央控制器)與2號設備(光纖1)直接相連，表示為A 12 = A21 = 1;交換 機1與交換機4不直接相連，則表示為Α37 = Α73 = 0。圖2中共包含16個信息設備，則該靜態連 接矩陣A為16X16矩陣。
[0072] 步驟1.2)基于上述靜態連接矩陣A，運用深度優先搜索算法為信息設備建立通信 路徑：
[0073] 此步驟的目的是剔除步驟1.1)獲得的靜態連接矩陣A中可能存在故障的信息設 備，為無故障的信息設備建立通信路徑。現實中的信息網絡的通信路徑通常存在冗余，兩點 之間保持順暢通信的通信路徑可能有多條，其中一條通信路徑上的信息設備損壞可能并不 影響這兩點之間的正常通信，因此，需要在得到信息設備靜態連接矩陣和通信網絡中所有 信息設備是否處于故障狀態的基礎上，為信息系統的信息設備建立通信路徑。
[0074] 深度優先搜索(Depth First Search，DFS)算法是圖論中的經典算法，利用深度優 先搜索算法可以產生目標圖的相應拓撲排序表，利用拓撲排序表可以方便地解決很多相關 的圖論問題，本發明利用DFS算法查找并建立各個信息設備之間的通信路徑。
[0075] 如圖3所示，在步驟1.2)中，所述的基于靜態連接矩陣A，利用深度優先搜索算法為 信息設備建立通信路徑的方法包括如下步驟：
[0076] 步驟1.2.1)運用蒙特卡洛模擬法，判斷步驟1.1)中獲得的靜態連接矩陣A中信息 設備是否出現故障，若此時有信息設備故障，則下一步執行步驟1.2.2);否則，下一步執行 步驟 1.2.3);
[0077] 步驟1.2.2)從靜態連接矩陣A中剔除存在故障的信息設備所對應的節點編號的行 與列，從而形成無故障信息設備靜態連接矩陣；
[0078]步驟1.2.3)運用DFS算法為該信息系統中無故障的信息設備建立通信路徑，去除 冗余通道，以確保每兩個信息設備間只有一條通信路徑并保持通暢；
[0079] 步驟1.2.4)輸出無冗余的簡化通信網絡拓撲，最終得到該信息系統中信息設備的 靜態連接模型。
[0080] 現利用上述通信路徑建立方法對圖2中的通信網絡進行簡化:有冗余的靜態連接 矩陣A已經求得，現假設交換機2與光纖6(兩個信息設備的編號分別為6和12)出現故障并退 出運行，那么靜態連接矩陣A中第6行第6列與第12行第12列需要剔除，并運用上述提出的通 信路徑建立方法，得到最終能夠正常運行的簡化通信網絡，如圖4所示。6號設備和12號設備 為故障設備，已經被剔除;4號設備和15號設備為經過DFS算法分析后無法與通信網絡中其 它部分形成完整路由的設備，因此無法參與正常通信；其余設備為可以正常運行并參與通 信的設備。可以看出，由于環狀結構具備冗余通道，盡管其中一個交換機出現故障，14號和 16號設備仍然能夠與節點1即1號設備(微電網中央控制器)保持通信通暢，從而保持正常運 行。但15號設備由于光纖6出現故障而無法與微電網中央控制器保持通信，從而退出運行。
[0081] 若要模擬信息系統的運行除了需要知道信息設備的連接關系和設備的通信路徑 (即步驟1中的信息系統設備靜態連接模型）外，還需要知道信息在通信路徑中的動態傳輸 狀態，下面通過步驟2)為信息在通信路徑中的動態傳輸狀態進行建模：
[0082] 在步驟2)中，所述的建立信息系統信息包動態傳輸模型的方法包括如下步驟： [0083]步驟2 · 1)建立信息包模型：
[0084] 假設在時刻t待分析的通信網絡中有一信息包S需要通過信息系統中的信息設備 i，最終到達信息設備k，借鑒信息通信領域數據包(Packet)的概念，可以將信息包模型表示 為 灸]。.
[0085] 該信息包模型中共含有兩部分信息，第一部分為有效載荷，即需要傳輸的信息量 值，如電壓、電流的量、開關變化量等;第二部分為報頭信息，包含信息包si.?最終需要送 達的地址，即信息設備k的地址，該地址可能是微電網中央控制器的地址，也有可能是某個 信息設備的通信地址，視運行過程中信息傳輸的情況而定。
[0086] 若信息包S在通過信息設備i時發生了傳輸擾動，則信息包模型中的 兩部分信息都有可能因為擾動而變化，從而在信息包S通過信息設備i后，信息包模型變為 下面具體分析通信路徑質量問題對信息包的影響，主要包括信息傳輸的誤 差和信息傳輸的延時兩種情況。
[0087] 步驟2.2)利用上述信息包模型建立信息系統信息包傳輸誤差模型：
[0088] 信息包傳輸過程中需要考慮信息傳輸的誤差，設信息包傳輸過程中的有效載荷 (信息包的第一部分）的傳輸誤差概率為Perrorl，報頭信息（信息包的第二部分）的傳輸誤差 概率為FWcxr2,誤差量為時刻t的函數ei(t)，e 2(t)，則考慮信息傳輸誤差后，信息設備i輸出 的信息按照式(1)、（2)計算：
[0089] SinJ (/) = (/) -inl:(rand(0,1) - )xe] (/) (1)
[0090] k，=k_int(rand(0, l)-Perr〇r2) Xe2(t) (2)
[0091 ] 式（1)、（2)中的rand(0,1)產生0~1之間的隨機數，int為取整函數，通過比較rand (〇，1)和誤差概率的大小來判斷所傳輸的信息是否會產生誤差。例如設1^^^ = 〇.2,在一次 信息傳輸過程中，若產生的隨機數為0.8,則ei(t)前面的系數為0,說明此時傳輸過程不產 生誤差，若產生的隨機數為0.15,則取整函數int輸出的值為-1，證明此時傳輸過程產生誤 差；
[0092] 步驟2.3)利用上述信息包模型建立信息傳輸延時模型：
[0093] 同理，設信息傳輸過程中信息包的傳輸延時概率為Perrcirt，延時量為時刻t的函數 et(t)，則信息包通過信息設備i后的輸出用式(3)計算：
[0094] Cd (rand(OJ) -)x^(/)) = ,V；; (/) (3)
[0095] 若式(3)中et(t)前面的系數為-1，則表示信息設備i直到t+et(t)的時刻才能輸出 信息包S，在t至t+e t(t)這段時間里不會輸出信息，從而產生了信息傳輸延時;若式(3)中et (t)前面的系數為0,則表示該傳輸過程不產生延時，信息設備i在t時刻就會輸出信息包s。
[0096] 綜合步驟2.2)中的信息包傳輸誤差模型和步驟2.3)中的信息包傳輸延時模型，就 可以得到當信息包S通過信息設備i時的輸出狀況：
[0097] (/ -ini(rand(0.1)-11,,,,,)) = S[, (/) -int( riind(0.)XcJi 0)
[0098] k，=k_int(rand(0, l)-Perr〇r2) Xe2(t) (5)
[0099] 式(4)、（5)稱為傳輸路徑動態傳輸函數F，其綜合考慮了信息設備故障、信息包傳 輸誤差和信息傳輸延時的因素;這樣首先應用步驟1)為信息傳輸構建一條通信路徑，然后 就可以通過步驟2)中的式(4)、（5)建立信息包在這條通信路徑的動態傳輸模型了。
[0100] 為了得到微電網的運行可靠性指標，需要進行多次微電網物理-信息系統的運行 模擬，將每次模擬得到的可靠性指標進行加和平均就會得到最終的微電網運行可靠性指 標。
[0101] 如圖5所示，在步驟3)中，所述的運用蒙特卡洛方法模擬微電網物理系統和信息系 統運行狀態的方法包括如下步驟：
[0102] 5.1)信息采集過程：由信息系統中的數據采集器和狀態檢測器采集微電網中電氣 設備的電量和狀態信息(如電壓、電流等電量信息和電機、開關的狀態信息），形成信息包S;
[0103] 5.2)信息上傳過程:通過步驟1)建立的通信路徑以及步驟2)建立的信息包動態傳 輸模型，即利用上述傳輸路徑動態傳輸函數F進行信息上傳；
[0104] 5.3)信息處理與決策過程:在信息設備的通信路徑和動態傳輸都正常的情況下， 信息包S被傳輸到微電網中央控制器，微電網中央控制器通過調度人員設定的微電網運行 目標處理數據實時優化調度運行，并形成每個微電網中電氣設備的命令信息包S set;
[0105] 5.4)命令下傳過程:通過步驟1)建立的通信路徑以及步驟2)建立的信息包動態傳 輸模型，即利用上述傳輸路徑動態傳輸函數F將命令信息包S se3t傳回相應的微電網電氣設備 中；
[0106] 5.5)命令執行過程:微電網電氣設備依據信息包Sse3t完成相應的運行調整動作。
[0107] 在模擬微電網的物理-信息系統運行過程中，信息系統的故障(包括信息設備故障 導致的通信路徑中斷、傳輸誤差、延時導致的信息包傳輸失真)很可能影響微電網的電力供 需平衡，從而影響微電網的可靠運行。因此，需要評估微電網在信息系統有可能發生故障的 情況下的運行可靠性。
[0108] 在步驟4)中，所述的微電網運行可靠性評價和靈敏度分析包括如下步驟：
[0109] 步驟4.1)可靠性指標計算：
[0110] 微電網物理-信息系統的可靠性指標(L0LP)的計算公式如下：
[0114] eensjPlolpi*別是第i個時間步長下蒙特卡洛模擬微電網運行后采集的平均缺
[0111]
[0112] 1 供電量和失負荷概率，η為蒙特卡洛模擬次數，將每次采集的指標累計并做平均處理，就可 得到所研究的微電網系統在信息系統的影響下的可靠性指標。
[0115] 步驟4.2)靈敏度分析：
[0116] 靈敏度分析旨在找出影響微電網運行的信息系統薄弱環節，表1給出了在模擬微 電網的物理-信息系統運行過程中信息系統中信息設備可靠性參數，以表1數據為基礎，依 次改變各個信息設備的可靠性參數(包括可靠率、有效載荷傳輸誤差概率、信息報頭傳輸誤 差概率和傳輸延時概率），計算相應參數下的微電網可靠性指標，就能夠分析出信息系統中 哪個環節對微電網可靠性的影響最大，從而為微電網的精細化規劃設計和運行管理提供科 學建議。
[0117] 表1信息系統中信息設備可靠性參數
[0118]
[0119] 下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述：
[0120] 圖6為獨立微電網示意圖，該獨立微電網有兩條母線，母線1接有負荷和微型燃氣 輪機MG。微型燃氣輪機MG受能量管理系統調度，是該微電網中的穩定出力，該獨立微電網提 供電壓頻率支撐，最大和最小出力分別為l〇〇kW和10kW。設定負荷為波動負荷，其概率分布 為平均值50kW的隨機分布。母線2上接有蓄電池 B和風力發電機WT，蓄電池 B的容量為 500kWh，最大出力為10kW。風力發電機WT最大出力為50kW。設定風力發電機WT出力為威布爾 分布。分布式電源與負荷均設有控制器(LC和MC)，這些控制器實時采集微電網物理系統中 各個電氣設備的電量和狀態信息，并通過通信網絡上傳到信息系統的微電網中央控制器 (MGCC)中，MGCC根據設定的運行策略和采集到的信息為所有電氣設備下達指令如負荷切削 設定、分布式電源出力設定、分布式電源啟停設定等等，這些指令通過通信網絡傳遞到各個 控制器中被執行。
[0121] 步驟1)建立信息系統信息設備靜態連接模型
[0122] 用步驟1)的方法為圖6所示微電網的信息系統建立靜態連接矩陣A，并運用深度優 先搜索算法為信息設備建立通信路徑(如圖7所示）。
[0123] 步驟2)建立信息系統信息包動態傳輸模型
[0124] 用式(4)、（5)，基于步驟1)建立的信息設備通信路徑，為信息系統中信息包傳輸的 動態過程進行建模。
[0125] 步驟3)模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態：
[0126] 微電網的目標是實現對分布式電源以及儲能設備的優化調度，保證長期穩定、經 濟運行，本發明選擇硬充電策略作為該獨立微電網的運行策略，其實微電網運行策略多樣， 本發明研究重點關注的是信息系統對微電網運行的影響，所研究的方法也適用于其它運行 策略。如圖5所示采用非序貫蒙特卡洛方法模擬微電網物理-信息系統的運行并應用年平均 失負荷概率(LOLP)和年平均缺供電量(EENS)來評估信息系統對該微電網運行時可靠性的 影響。
[0127] 步驟4)微電網運行可靠性評價和靈敏度分析
[0128] 步驟4.1)可靠性指標計算：
[0129] 以1小時為基本步長，圖8為蒙特卡洛模擬5000年運行得到的年平均失負荷量 (EENS)和年平均失負荷概率(L0LP)的變化曲線，可以看出計算過程收斂，得到年平均失負 荷量為1302.7kWh，年平均失負荷概率為0.336%。雖然信息系統傳輸信息的可靠性達到了 99.99%，誤差控制在3%以內，信息設備的可靠性也達到了99%，但由于信息系統和電力系 統的高度耦合，信息系統即使發生很小的誤差或延時都有可能引起命令執行的不準確，從 而破壞電力系統的供需平衡。而一旦信息系統信息設備發生故障，該通信路徑又沒有備份 的冗余通道，其后果可能是部分電氣系統直接退出運行，這會導致更大的事故發生。
[0130] 步驟4.2)靈敏度分析：
[0131] 在通信路徑質量對微電網運行可靠性影響的靈敏度分析中，令有效載荷的傳輸誤 差概率Perrorl、報頭信息（傳輸路由錯誤）的傳輸誤差概率和信息包的傳輸延時概率 Perrort從原始算例中的0.0001逐漸增加到0.001，觀察微電網可靠性指標的變化情況。如圖9 所示：
[0132] 從圖中可以分析出，傳輸誤差、延時、路由錯誤對失負荷概率的影響效果一致，而 對失負荷量的影響差別較大。路由錯誤對失負荷量的影響最大，因為路由器往往是通信系 統的關鍵節點，一旦傳輸路由出現錯誤，信息無法到達正確的電氣部分，那么相當于整個傳 輸鏈條失去作用，對電氣系統的運行會有較大影響。而傳輸誤差對系統可靠性影響最小，因 為信息的傳輸誤差控制在3%以內，僅僅會影響一小部分的供需平衡，因此相對影響較小。
[0133] 考慮通信終端、傳輸線、交換機三種信息設備的故障對系統可靠性的影響;令三種 設備的故障率λ逐漸增大到10倍，觀察可靠性指標的變化情況。
[0134] 圖10-圖12顯示了信息系統設備故障率對微電網運行可靠性影響靈敏度，信息終 端故障率對系統運行年缺供電量的靈敏度為111 4.45kW/ (次年），通信線路對系統年缺電量 的靈敏度為496.038kWA次年），路由器故障率對系統運行年缺供電量的靈敏度為 2371.749kW/(次年），由此可以看出，在如圖7的樹型網絡中，交換機故障對微電網可靠性的 影響最大，因為在樹形結構中，交換機是各個通信線路的交匯點，如果交匯節點發生故障， 則會導致多條通信線路退出運行，對電力系統的供電影響較大。另外，控制終端的不可靠對 微電網運行的缺電量貢獻最大，交換機次之，原因是控制終端的可靠性相對較低，且數量較 多，一旦某一個控制終端退出運行，其控制的電氣設備也退出運行，結果會對微電網影響較 大。而實際運行中交換機的故障率較小，因此盡管交換機的靈敏度最大，但是由于其運行可 靠性高，因此故障率極低，所以，實際運行中因為交換機故障而導致缺供電的情況相比于控 制終端故障少。
【主權項】
1. 一種信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法，其特征在于:所述的信息系統 對微電網運行可靠性影響的分析方法包括按順序執行的下列步驟： 步驟1)建立信息系統信息設備靜態連接模型：首先，為信息系統中信息設備建立靜態 連接矩陣;然后，基于上述靜態連接矩陣，運用深度優先搜索算法，為信息系統中信息設備 建立通信路徑，最終得到信息設備靜態連接模型； 步驟2)建立信息系統信息包動態傳輸模型：在步驟1)建立好的通信路徑上，考慮信息 包在通信路徑的傳輸過程中的傳輸偏差、傳輸延時和傳輸路由錯誤三種情況，為信息包在 信息系統的傳播建立動態傳輸模型； 步驟3)模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態:考慮微電網負荷、電源出力的不確 定性，利用步驟1)獲得的通信路徑，采用步驟2)獲得的信息包動態傳輸模型，運用蒙特卡洛 方法模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態； 步驟4)微電網運行可靠性評價和靈敏度分析:通過步驟3)模擬運行后采集的平均缺供 電量和失負荷概率作為可靠性指標，分析計算信息系統的不可靠對微電網運行的影響，最 后針對信息系統中信息設備靜態連接的不可靠和信息包傳輸質量的不可靠進行微電網運 行靈敏度分析。2. 根據權利要求1所述的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法，其特征在于： 在步驟1)中，所述的建立信息系統信息設備靜態連接模型的方法包括如下步驟： 步驟1.1)建立信息系統信息設備的靜態連接矩陣： 將信息系統中每個信息設備定義為節點，兩個信息設備的連接關系定義為邊，將通信 網絡中的所有信息設備進行編號，確認信息設備之間的連接關系，建立靜態連接矩陣Ajp 么若節點i與節點j相連，貝1JAi j = 1，否則Ai j = O; 步驟1.2)基于上述靜態連接矩陣A，運用深度優先搜索算法為信息設備建立通信路徑。3. 根據權利要求2所述的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法，其特征在于： 在步驟1.2)中，所述的基于靜態連接矩陣A，利用深度優先搜索算法為信息設備建立通信路 徑的方法包括如下步驟： 步驟1.2.1)運用蒙特卡洛模擬法，判斷步驟1.1)中獲得的靜態連接矩陣A中信息設備 是否出現故障，若此時有信息設備故障，則下一步執行步驟1.2.2);否則，下一步執行步驟 1.2.3)； 步驟1.2.2)從靜態連接矩陣A中剔除存在故障的信息設備所對應的節點編號的行與 列，從而形成無故障信息設備靜態連接矩陣； 步驟1.2.3)運用DFS算法為該信息系統中無故障的信息設備建立通信路徑，去除冗余 通道，以確保每兩個信息設備間只有一條通信路徑并保持通暢； 步驟1.2.4)輸出無冗余的簡化通信網絡拓撲，最終得到該信息系統中信息設備的靜態 連接模型。4. 根據權利要求1所述的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法，其特征在于： 在步驟2)中，所述的建立信息系統信息包動態傳輸模型的方法包括如下步驟： 步驟2.1)建立信息包模型： 假設在時刻t待分析的通信網絡中有一信息包S需要通過信息系統中的信息設備i，最 終到達信息設備k，借鑒信息通信領域數據包的概念，可以將信息包模型表示為步驟2.2)利用上述信息包模型建立信息系統信息包傳輸誤差模型： 設信息包傳輸過程中的有效載荷，即信息包的第一部分的傳輸誤差概率為報頭 信息，即信息包的第二部分的傳輸誤差概率為P_r2,誤差量為時刻t的函數ei(t)，e 2(t)，則 考慮信息傳輸誤差后，信息設備i輸出的信息按照式(1 )、（2)計算：k'=k-int(rand(0，l)-Perr〇r2) Xe2(t) (2) 步驟2.3)利用上述信息包模型建立信息傳輸延時模型： 設信息傳輸過程中信息包的傳輸延時概率為Perrort，延時量為時刻t的函數et(t)，則信 息包通過信息設備i后的輸出用式(3)計算： Slnd ((- int (rand(0,1) - )xe, (/)) = Si, (? (3) 綜合步驟2.2)中的信息包傳輸誤差模型和步驟2.3)中的信息包傳輸延時模型，得到當 信息包S通過信息設備i時的輸出狀況： (J -in^ (~Κ·η,")) = K (1)-in^(i'and(0.1) )xc, (I) (4) k'=k-int(rand(0,l)-Perr〇r2) Xe2(t) (5) 式(4)、（5)稱為傳輸路徑動態傳輸函數F。5. 根據權利要求1所述的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法，其特征在于： 在步驟3)中，所述的運用蒙特卡洛方法模擬微電網物理系統和信息系統運行狀態的方法包 括如下步驟： 5.1) 信息采集過程：由信息系統中的數據采集器和狀態檢測器采集微電網中電氣設備 的電量和狀態信息(如電壓、電流等電量信息和電機、開關的狀態信息），形成信息包S; 5.2) 信息上傳過程:通過步驟1)建立的通信路徑以及步驟2)建立的信息包動態傳輸模 型，即利用上述傳輸路徑動態傳輸函數F進行信息上傳； 5.3) 信息處理與決策過程:在信息設備的通信路徑和動態傳輸都正常的情況下，信息 包S被傳輸到微電網中央控制器，微電網中央控制器通過調度人員設定的微電網運行目標 處理數據實時優化調度運行，并形成每個微電網中電氣設備的命令信息包S set; 5.4) 命令下傳過程:通過步驟1)建立的通信路徑以及步驟2)建立的信息包動態傳輸模 型，即利用上述傳輸路徑動態傳輸函數F將命令信息包S se3t傳回相應的微電網電氣設備中； 5.5) 命令執行過程:微電網電氣設備依據信息包Sse3t完成相應的運行調整動作。6. 根據權利要求1所述的信息系統對微電網運行可靠性影響的分析方法，其特征在于： 在步驟4)中，所述的微電網運行可靠性評價和靈敏度分析包括如下步驟： 步驟4.1)可靠性指標計算： 微電網物理-信息系統的可靠性指標LOLP的計算公式如下：eensdPlolpi*別是第i個時間步長下蒙特卡洛模擬微電網運行后采集的平均缺供電 量和失負荷概率，η為蒙特卡洛模擬次數，將每次采集的指標累計并做平均處理，得到所研 究的微電網系統在信息系統的影響下的可靠性指標； 步驟4.2)靈敏度分析： 依次改變各個信息設備的可靠性參數，包括可靠率、有效載荷傳輸誤差概率、信息報頭 傳輸誤差概率和傳輸延時概率，計算相應參數下的微電網可靠性指標，就能夠分析出信息 系統中哪個環節對微電網可靠性的影響最大。
【文檔編號】H02J13/00GK105932775SQ201610345230
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】羅鳳章, 王成山, 張天宇, 王蕭宇, 邢秦浩, 周天
【申請人】天津大學