论文总字数：28542字

摘 要

61312115 邰伟

指导教师 汤奕

随着电力系统的不断发展与大规模互联，电网的智能化程度不断提高，电力系统与通信控制系统之间的相互协调与合作越来越紧密，电网规模的不断扩张带来了可观的经济效益，但是电网故障经常牵一发而动全身，引发的问题也更加严重，引发了对电力系统运行可靠性和风险评估的研究热度。

传统的电力系统可靠性评价通过求解解析模型的方法，只能确定某些特定的运行方式下电力系统的可靠性。在电网中电力流与信息流互相耦合影响，使得电力系统的运行呈现更多的随机性与复杂性，因此传统的确定性的方法已不能满足当下电力系统稳定性研究的需要。随着计算机计算速度与容量的发展，采用随机模拟方法分析工程可靠性问题成为可能，本文以蒙特卡洛模拟法作为工具，模拟电力网与通信网可能出现的各种运行状态，在研究现有的电力系统可靠性模型构建、求解方法的基础上，结合通信故障对电力系统的影响，对电力系统可靠性进行评价。具体内容如下：

1. 以主流的两种通信平台SCADA与WAMS为例，介绍通信系统的组成结构、可靠性的概念与影响因素，通过层次分析法，给出通信系统可靠性的评价指标体系；

2.从可靠性指标选取、状态选择方法、故障处理方式、负荷削减模型等方面分析电力系统可靠性评价的流程，利用Matlab软件建立电力系统可靠性评价的模型；

3.通通过分析电力系统与通信系统间的交互作用，给出电力通信复合系统的框架结构、关联特性与运行方式。基于通信系统部件对电力系统的监控作用，给出可靠性评价的基本算法和程序框图，并在IEEE9节点和57节点系统上进行案例仿真；

4. 对3中的算例仿真进行深化研究，研究通信系统的具体参数和拓扑结构的影响，并提出通信系统结构的优化策略。

关键词：电力通信复合系统，可靠性评价，蒙特卡洛模拟法，最优负荷削减模型，拓扑分析

Abstract

With the development of the power system, it’s getting widely interconnected and intelligent. The relationship between power system and the energy transport systems, communication systems, control systems is increasingly closer, which brings countless economic benefits, but may also worsen the events in power grid. As a result, the studies of power system reliability receive extensive attention.

Traditional techniques of power system reliability assessment are based on analytical models, which can only determine reliability index of power system in certain operation mode. However, power flow and information flow have mixed up into a complex and random power system, resulting in more stressed and unpredictable operating conditions. Deterministic approach can not satisfy the needs of modern power system. Improvements of high-speed computers with large-capacity storage have created the opportunity to analyze reliability problems using stochastic simulation methods. The Monte Carlo simulation is applied to simulate different operating conditions of power system and communication system. With the study of the existing models and algorithms for power system reliability evaluation, this thesis work on models and algorithm for power system considering communication system’s influences.

The main results are as follows:

1. This part takes two popular communication platform SCADA and WAMS as an example, describes the communication system structure, the definition of communication system reliability and its influencing factors. AHP is applied to get the evaluation system of reliability.
2. The power system reliability assessment is divided into several steps including choosing reliability index, state selection method, troubleshooting method, load shedding model. Matlab is applied for the model building of power system reliability.
3. By analyzing the interaction between power system and communication system, this part gives the structure, characteristic and operating mode of power-communication system. Based on the function of Monitoring/control infrastructures, the basic algorithm and procedure of power system reliability assessment is simulated and analyzed on IEEE 9-bus and 57-bus systems.
4. This part makes further research on the example in 3, discusses how specific parameters and topology of communication system makes difference, and proposes a optimization strategy of communication system structure.

Key Words: Power-communication system, reliability evaluation，Monte Carlo simulation，optimal load curtailment model, topology analysis

1. 绪论

1.1选题背景

电力系统的核心任务是将安全、稳定、可靠、经济的电力提供给用户。但是随着电力系统的日渐发展，结构日渐复杂，智能程度日渐提升，电网不仅本身在向大容量、多用户、高电压等方向发展，与通信网的融合也日益密切，造成了电力系统可靠性研究的复杂性。由于电力系统中各部件的损坏或故障，都会影响电力系统的可靠性，从而给经济发展与国民生活带来损失。电力系统可靠性研究是一项随着时代发展被赋予新的内涵的具有巨大经济价值和社会意义的前沿性课题。[^[1]]

传统的电力系统可靠性研究中，并未考虑通信设施的影响，通常假定通信监控设施是准确可靠的，然而，对最近的大停电事故进行调查，显示了监控系统可能存在故障，从而引发了电力一次系统的连锁中断。[^[2]]随着电网的发展与大规模互联，电力系统越来越依赖通信系统来保障其安全、稳定和高效的运行，电网中信息流与电力流互相交叉融合，形成了电力信息复合系统。在这样新的环境下，通信系统对于电力系统自身的运行方式会有不可忽略的影响。通信的误码、延时和中断等故障会使电力系统中的潮流信息不能及时被获取，保护装置的控制措施受到影响，从而使电网的协调控制失去保证。[^[3]]因此有必要对电力系统和通信系统之间的交互作用进行研究，在电力系统可靠性研究中加入通信系统可靠性这一影响因素，最终得到准确符合实际的电力系统可靠性指标，为电力系统保护提供辅助决策功能。

1.2选题意义

随着智能电网的发展，电力与信息一体化的趋势更加明显，电力网与通信网之间互相渗透，不断融合，为了保证电力系统的安全可靠运行，电力系统与电力通信系统的可靠性问题必须要统一考虑，传统电力系统可靠性的研究已不能满足这个要求，本课题在前人对电力系统可靠性与通信网可靠性研究的基础上，建立电力通信复合系统的框架，分析通信网对电力一次系统的影响，为电力系统稳定控制提供辅助性决策作用。

近年来对电力系统可靠性的研究已经逐渐深入，可靠性分析与电力风险评估己经成为目前电力系统控制与决策的重要手段，但由于历史和技术原因，现有的可靠性研究大多还是侧重于传统的一次电网，不能很好的反应通信对电网产生的影响。目前，对电力系统可靠性的分析决策主要还是基于确定性的解析法与枚举法做出的，如已经广泛应用的N-1原则。基于确定性的方法将只考虑发生概率大的事件，这在大部分情况下可以对电力系统的状态进行较好的描述，但是一旦小概率但后果及其严重的事件发生并没被考虑到，将造成巨大的经济和社会损失。比如，2003年的意大利大停电事故，就是由于一个小节点的失控产生了连锁反应，各个有电力或通信的设备之间互相耦合影响，最终导致调度系统失灵，从而诱发了更大规模的电力设备的失效。

从图论的角度来讲，电力一次系统与电力通信系统都是复杂网络，它们有各自不同的拓扑特性与工作特性，同时它们之间存在着广泛的信息交流和互相耦合。[^[4]]这两个网络组成了一个相互依存的更复杂的网络。通过本课题的研究，可以对电力系统与电力通信网的交互影响有进一步了解，改进现有可靠性分析模式与方法，建立针对电力通信复合系统可靠性的评价模型，确定该复合系统的具体定量可靠性指标，使之更加符合智能电网环境下对电力系统可靠性分析控制决策的要求，从而优化电力系统和通信系统中不合理的结构布局，使其可靠性指标最优化，研究成果可以为电网的保护策略提供理论依据。

1.3国内外研究现状

1.3.1 电力通信网可靠性研究

从一般通信网的研究方向上来看，通信网可靠性研究主要包含可靠性分析、可靠性设计和可靠性规划三个部分。从研究方法上来看，可以分为基于模型的方法、基于仿真的方法、基于图论的方法、以及基于概率论的方法。从研究指标上来看，可以分为抗毁性、生存性、有效性研究等等。大多数情况下，需要用多种研究方法与可靠性模型，共同解决在特定场景下系统的可靠性问题。

国外对于电力通信网的研究起点较早，相对成熟，主要从软件和硬件两个方面研究。其中对通信网算法分析、组织优化、管理策略等研究属于软件可靠性，对网络拓扑中的硬件设备的研究属于硬件可靠性。目前对硬件可靠性的理解已经相对深入，而对软件可靠性还没有突破性的进展。

在针对通信网可靠性的标准建立方面，日本和美国的相关部门均定义了一系列标准规范。

日本定义的“稳定基准”规范了在不同级别的通信设备异常情况下，通信网应能达到的可靠性指标。美国针对通信网的可靠性研究成立了一些专门机构，如联邦通信委员会成立的NRIC(Network Reliability and Interpretability Council)委员会。贝尔通信实验室也通过四个方面进行了通信网可靠性的研究工作，即：可靠性预测、设计、要求以及监控过程。

国内对电力通信网可靠性的研究相对起步较晚，研究的层面主要是从硬件可靠性的角度，包括网络拓扑的生存性、鲁棒性、连通性，网络设备的修复率、冗余度等方面。文献[^[5]]从通信设备入手，以传输、交换、控制等通信模块为考虑对象，综合分析了不同场景下各通信模块影响电力通信网可靠性的方式，但该文献忽视了电力通信网与一般通信网的差异。文献[^[6]]从网络应用层设备的角度，分别针对实施层、结构层、路由层、器件层等层面研究了电力通信网可靠性测度。文献[^[7]]根据指标权重法和AHP对电力通信网的可靠性进行了评价。文献[^[8]]运用变化系数法，对电力通信网进行分层分级，对其可靠性实施综合评估。这些研究大多数都是以单一的目标为研究对象，仅仅从拓扑稳定和业务运行的角度来分析可靠性，不能从全局的角度，掌控通信网信息流的动态运行方式，从而分析通信网可靠性的机理及变化过程。[^[9]]电力通信网是一个复杂网络，其可靠性分析要综合考虑设备、管理、环境、等多重要素，这样才能做出科学合理的可靠性评估。

1.3.2电力系统可靠性研究

电力系统可靠性研究的本质就是对可能出现的各类系统状态、故障发生情景、负荷减载方式进行分析，做出统筹决策，以充分发挥系统中设备自我修复的能力，保持系统最佳状态，从而为尽可能多的用户提供安全可靠的电能。[^[10]]

电力系统可靠性主要由两种研究方法，即确定性和概率性的方法，确定性的方法为传统方法，即基于给出的确定系统结构、运行方式和故障情景，通过稳定性分析和潮流计算，获得确定性的事件后果。最常用的确定性方法是N-1原则。这种方法简单方便，并且在大多数范围内行之有效，但是它只能对系统作出定性的“好”或“坏”的评价，无法给出定量的可靠性指标。随着电力系统的发展，系统大量互联，规模不断加大，拓扑逐渐复杂，与电力通信系统的联系也不可忽视，需要对电力系统的可靠性作出深入而定量的了解，由此促进了概率性方法的发展。概率性方法是基于场景进行研究的方法，对各个场景下的系统进行后果分析，并用概率模拟的方式统计发生各个场景的可能性，用模拟出的场景可靠性指标的概率分布期望代替其真实值，用来表征系统的可靠性，当模拟的场景数量足够多，精度就能达到可靠性研究的要求，这与确定性的方法相比，更加符合电力系统的实际需要，因此近年来概率性的方法在电力系统可靠性研究之中得到了广泛的应用。[^[11]]

在电力系统可靠性分析的概率性研究方法之中，综合累计得出的可靠度指标可以表达为如式(1-1)所示：

(1-1)

其中X代表电力系统全部场景情形的集合;f(x)代表场景x下的系统可靠性指标;p(x)代表场景x发生的概率。

根据电力场景的产生方式，可以将概率方法归纳为解析方法和模拟方法。

解析法也被称作枚举法，即通过枚举出各个元件的不同状态组合，罗列出电力系统可能出现的所有场景，通过解析计算得到各个场景的可靠性测度与该场景发生的综合概率，从而求解出系统的最终可靠性指标。这种方法的优点在于模型清晰、目标明确，适用于元件数量不多的电力系统。由于系统场景数量随着元件数量以指数速度增长，因此对大电力系统进行解析法分析需要很庞大的工作量。文献[^[12]]采用最小割集的方法，构建了输配电网络概率密度分析的解析运算策略。在解析法的实际应用中，通常通过忽略发生概率较小的场景来减少需要计算的场景数量，但会带来精度的下降，计算速度与结果精度之间存在矛盾。因此目前解析法常用于结构简单、规模不大的电力系统可靠性分析之中。

模拟法的全称为蒙特卡洛模拟方法，也称统计模拟方法和随机抽样方法，是二十世纪四十年代由于信息革命带来计算力的提升，而诞生的一种基于概率论的数值分析计算方法。其核心思想是概率模拟，求解过程可以总结为三个主要步骤：构造概率过程；随机取样模拟系统场景；建立估计量求解系统可靠性。[^[13]]

与确定性方法不同，蒙特卡洛模拟法的运算精度与系统规模不直接相关，而是样本规模有关，在规模庞大、设备状态复杂的电力系统中，模拟法在保证足够精度的前提下，也能实现较快的运算速度，这是解析法做不到的，同时模拟法的思路也很清晰明了，抽样过程简单方便，其所需要的巨大模拟次数与计算资源也随着现代高速计算机的发展得到初步解决，因此蒙特卡洛模拟法在电力系统可靠性上的应用越来越广。

电力系统可靠性的研究可以分为宏观与微观两个角度。从宏观方面研究电力系统可靠性，具有较高的理论深度，主要在于整体把握电力系统中影响可靠性的因素，对其相互影响机理进行分析，对可靠性评价、提升策略进行层次分析与建模。张伯明等学者从风险评估的角度，分析了基于可信性理论的电力系统运行风险的理论方法及在工程上的应用。2004年，我国启动了以提高大型互联电网运行可靠性基础为研究主题的国家重点基础研究发展计划项目，从宏观的角度研究面向电网安全稳定运行的理论方法和关键技术。[^[14]]

从微观角度分析某一个或者几个因素对电力系统可靠性影响是目前大多数研究的出发点，具有较强的应用价值。Alberta是德国一家著名的电力公司，文献[^[15]]通过对20多年来的天气情况与该公司输电线路的故障信息的研究，建立了输电线路状态与天气状况的分析模型，通过统计的方法阐述了天气对于电力系统运行环境的影响。文献[^[16]]则综合考虑了多种环境变量，以温湿度、天气、元件使用时长、线路负荷等为建模目标，建立了基于支持向量机的电网可靠性分析模型，研究了环境对电力系统可靠性的影响方式。文献[^[17]]从元件可靠性入手，以线路电压电流、负荷功率、系统频率、有功无功出力等作为研究对象，分析了这些对象的运行状态的变化对于元件可靠性的影响，建立了多目标条件下的元件可靠性模型，并将其运用于电力系统的可靠性评估之中。

近年来电力系统可靠性评估在计算模型、评估方法和工程运用上取得了诸多成果，但是这些评价方法大多仅从电力层面研究，较少考虑电力通信网中的信息流对电力系统运行可靠性的影响。随着电力通信网的不断发展，地位不断加重，针对电力网与通信网的联合可靠性的研究在逐渐兴起。在国外，美国电力科学研究院资助了一项综合研究电网与通信网智能一体化的项目：综合能源及通信系统体系结构（IECSA），该项目旨在建立一个标准开放式的电力通信设施框架。[^[18]]在该框架下，对系统中融合的电力流与信息流有充分的状态感知能力，电力系统具有安全、自治的特征，在平时通过电力市场的调节与智能配电网使得输配电的策略最优化，在系统部分故障的场景下，通过信息交互智能调整能源输送与设备投切方式，满足电力供应的需求。IECSA 指出，电力系统不单是一个由发电、输电、配电、用电等部分构成的“电力设施”系统，它还包括实现各部分之间信息交换的“信息设施”系统，“电力设施”和“信息设施”充分融合成复杂的耦合网络系统，这就是 IECSA 的基本框架体系。在这种体系下，电力系统与通信系统各部分之间需要进行大规模的数据交换与处理，综合考虑电力与通信融合的可靠性，是该项目所研究的重点。

在更具体细化的研究层面，瑞士的Marek Zima博士在文献[^[19]]中讨论了WAMS系统的基本设计和应用领域，运用初步的电力系统概率分析，计算了WAMS元件的可靠性对电力系统保护动作的影响。文献[^[20]]在配置PMU的节点之中引入了概率可观测性指标，从概率角度分析了基于WAMS的电力网络的可观测性。

国内的研究主要从复杂网络的交互影响层面来研究两个系统间的作用，文献[^[21]]将通信系统和电力一次系统作为耦合的复合系统研究，应用复杂网络理论揭示了连锁故障发生的机理，为研究两系统的交互影响提供了思路，文献[^[22]]从相依网络的角度，讨论了电力网络与通信网络间的耦合与依赖关系，并从中分析了电力脆弱性的产生原因。

总的来讲，由于之前对电力系统与通信系统的研究长期被分隔，这两个网络间的交互影响比较复杂，当下的研究程度才刚刚起步，不够深入，可用于知道工程实践的理论和方法还较少，仍然存在着很多实际问题等待研究。

1.4论文主要工作

本论文在结合传统电力系统可靠性研究的基础上，提出了一种考虑通信故障影响的电力系统可靠性评价策略，并且根据电力系统可靠性要求来优化通信系统拓扑结构的布局方式，具体工作主要体现在以下几方面：

1. 研究通信系统的架构及可靠性

当下电力通信平台主要有SCADA系统与WAMS系统，要研究它们对电力系统的影响，前提是对它们自身有深入的了解，因此第一阶段对电力通信系统的工作方式、组成原理进行了探究，同时也对影响电力通信系统可靠性的因素进行归纳，总结出通信网可靠性的评价层次。

1. 建立电力系统可靠性评价模型

在本节中，给出了电力系统可靠性的评价指标，提出了电力系统可靠性评价的整体流程，并对流程的每一步进行分析，运用Monte Carlo方法来模拟电力系统的不同运行状态，在电力系统的每个状态中，采用直流潮流法来获取系统的初始状态信息，最后根据最优负荷削减算法，对电力系统进行故障处理，得到最终的可靠性指标。

1. 考虑通信影响的电力系统可靠性评价算法及算例仿真

为了研究通信系统对电力系统可靠性的影响方式，对电力通信复合系统的关联特性和运行方式进行总结，重点研究通信系统中各元件的功能、作用范围和失效影响。在此基础上提出了考虑通信影响的电力系统可靠性评价算法和流程图，并对IEEE9节点系统进行算例仿真及分析。

1. 通信系统参数及拓扑结构对电力系统的影响

在上节对IEEE9节点系统仿真的基础上，通过改变通信系统的元件参数和拓扑结构，重新仿真，对结果进行比较，从数值分析中得到通信系统参数及拓扑结构的改变带来的影响。在此研究基础上，提出既满足经济性又能满足可靠性要求的通信系统拓扑结构优化配置策略。

第二章 通信系统构成及其可靠性研究

2.1通信系统的构成框架、主要功能

2.1.1电力通信网的概念

电力通信网是专门服务于电力系统运行、维护、监控的通信专网。根据不同的传输介质，将电力通信网络分为微波传输网、光纤传输网和电力线载波网络；根据实现业务的种类，电力通信网可分为数据调度网、通信监测网、程控交换网以及时钟同步网等不同形式的网络，从而实现为电力系统的高效安全运行提供通信支持。图2-1给出了电力通信网的总体框架，如图所示，电力通信网主要可以分为传输网、数据网、交换网与管理网四类网络，其中传输网是电力通信网的组成基础。[^[23]]

图2-1 电力通信网络总体框架

电力通信网是以电力业务为主要载体的专网，承担着负责电力信息传输、监控的任务，主要特点为信息量大、系统复杂，其稳定性对整个电力系统的安全稳定运行至关重要，因此对电力通信网进行安全风险评估，对于整个电力网络的运行、维护、管理等都有重要意义。

目前电力系统中的通信平台主要有数据采集与监控系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）和广域测量系统（Wide-Area Measurement System，WAMS）。

2.1.2 SCADA

SCADA是数据采集与监视控制系统，它的作用为远程监控。顾名思义，它包括数据采集与监视控制方面，数据采集负责电力状态信息的产生、发送、接收和处理；监视控制为主站发来的自动或人工调度控制功能。[^[24]]

SCADA的体系结构由上位机、下位机和通信网络组成，其中上位机主要由各种服务器与工作站组成，这些设备通过网络相连，承担对现场的监测功能。下位机包括各种输入与输出设备，输入设备承担数据采集功能，输出设备根据主站的控制指令，承担控制功能。通信网络则负责实现上、下位机间数据交换。

在电网的监测与控制过程中，SCADA主要负责以下四种主要功能：

1. 遥控：主站对变电站的被控对象进行远程控制操作。
2. 遥测：测量变电站的电力状态数据信息传送到主站。
3. 遥信：将变电站的被控对象信息传送到主站。
4. 遥调：主站对远方变电站的被控对象的工作状态和参数进行调整。

SCADA的特征是远程性和实时性，远程性表现在系统使用了通讯技术；实时性表现在实时的数据采集可以及时的调度设备、施加控制命令。

SCADA的优越性主要体现在集中控制，提高了效率和操作质量，同时产生了显著的经济效益；局限性主要体现在它只能监测系统稳态运行情况，测量周期只有秒级，并且数据不带时标，这就使得不同地理位置的数据缺乏准确的共同时标。

2.1.3 WAMS

电网广域监测系统以同步相角测量方法为核心技术，以同步相角测量单元（PMU）为核心测量元件，实现对电网动态信息的实时同步高速率监控。^[[25]]

WAMS通过GPS进行对时，实现全网数据处于同一个时标，保证数据的同步。与SCADA不同，它的测量频率很高，能够以数百赫兹的频率采集计算量测点的电流电压、功率、功角、相位等信息，实现数据的动态同步采集、运算、上传、存储功能。因此，WAMS适用于对电网信息进行动态监控。

WAMS主要包括调度中心、数据集中器和子站系统三方面，其结构框架图如图2-2所示。

图2-2 WAMS简易结构框图

近年来， WAMS的研究与应用越来越广，在电力系统的监测控制方面效果显著，主要有电网电压频率功角稳定性的监控、电网动态过程记录与事故分析、低频振荡过程分析及故障控制、电网静态稳定与暂态稳定预测与控制、电网运行方式动态建模等应用场景。

基于PMU的WAMS以高速率、带时标的数据测量方式，全面反应电力系统的动态特征。其突出特点是可以刻画时间—空间—幅值三维立体式的电力系统电磁与机电动态过程的全貌。但是WAMS作为一个发展尚未成熟的系统，需要大量的资金投入，运行经验不成熟，数据处理与控制手段还有待进一步研究，因此目前还不能完全替代SCADA。

2.1.4比较与总结

对当前主流的两种通信平台进行分析，可以发现它们各自的特性和使用条件，如表2-1所示：

表2-1 SCADA与WAMS的比较

SCADA的特点在于只能采集稳态量，其主站数据采集间隔时间一般较长，因此可用于电力系统的稳态分析，如进行静态状态估计和潮流计算分析等，但是难以反映系统在经受大规模扰动后的动态过程。基于PMU的WAMS则正好弥补了SCADA低采样速度的不足，能够以数十赫兹的采样率准确再现电力系统的三维动态时空过程。但是WAMS技术较新不够成熟，并且采集速度快造成数据信息量的庞大，不利于存储，因此现有电力系统主要采用SCADA进行检测控制。

根据两种系统的比较与现实情况的分析，可以考虑只在系统中关键重要的部分安装WAMS 系统，以WAMS对这部分系统进行实时测量、精确监控，并利用这些精细数据来验证并协同控制其它部分的SCADA数据。两种系统互相补充互相促进，共同为电力系统安全控制决策提供保障。

2.2通信系统可靠性综合评价

2.2.1 通信系统可靠性概念

电力通信系统可靠性的含义是在规定的标准和要求内，保持电力系统的正常业务传输、监测控制等需求的能力。[^[26]]

从拓扑结构来看，电力通信网的形式组成为通过线路有机连接各节点设备，从而形成一个以业务信息为载体的网络。因此研究电力通信网的可靠性问题，也就相当于于研究设备、线路以及这些元件组成的复杂系统的可靠性问题。[^[27]]

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