论文总字数：26969字

摘 要

随着计算技术、通信技术和智能控制技术的迅速发展，传统电力系统正逐渐向电力信息物理融合系统转变，对电力信息物理融合系统进行合理建模及分析对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。本文首先提出一种电力信息物理耦合系统的静态建模方法，将电力信息物理系统抽象形成三层框架，包括物理实体层、信息物理耦合层、信息系统层，然后给出电力CPS单元耦合建模整体框架；其次在静态建模的基础上提出基于延时矩阵的电力信息物理耦合系统动态建模方法，针对实际电网的网络拓扑结构进行建模，计算出各节点之间的距离矩阵及电力业务延时矩阵，在不同时间断面发生故障的情形下制定不同安稳控制策略，灵活应对可能出现的物理层及通信层故障，使故障后的电网尽快恢复正常状态，最后运用算例验证所提动态建模方法的可靠性。本文还提出基于频率响应模型的灵敏度分析方法，判断通信系统延时对电力系统频率变化的灵敏度，对电力信息物理融合系统安全稳定分析有意义。

关键词： 信息物理融合系统， 延时矩阵， 动态建模， 灵敏度

Abstract

With the rapid development of computing technology, communication technology and intelligent control technology, the traditional power system is gradually changing to the cyber physical system. The modeling and analysis of the cyber physical system is of great significance to the safe and stable operation of the power system. Firstly, a static modeling method of cyber physical system is proposed in this thesis. The cyber physical system is abstracted to form three layers, including physical entity layer, information physics coupling layer, information system layer, and then the integrated framework of cyber physical system unit coupling modeling method is given. Then this thesis proposed the cyber physical dynamic modeling method. Time delay matrix is used to model the network topology of the actual power grid. The distance matrix between each node and the power service time delay matrix are calculated. In different time sections, different stability control strategy is formulated in the case of the fault. Finally, examples are given to verify the reliability of the dynamic modeling method. This thesis also proposed sensitivity analysis method based on the frequency response model, which is of great significance to the safety and stability analysis of the cyber physical system.

KEY WORDS: cyber-physical system, time delay matrix, dynamic modeling, sensitivity

目 录

摘要 1

Abstract 1

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1电力物理系统多源性 1

1.1.2电力通信网络复杂性 2

1.1.3电力信息系统多样性 3

1.2电力信息物理系统研究现状 3

1.2.1耦合建模方法研究现状 3

1.2.2灵敏度分析方法研究现状 5

1.3本文的研究目的和主要研究内容 6

第二章 电力信息物理耦合系统静态建模 7

2.1电力CPS架构 7

2.2基于关联矩阵的CPS耦合建模 8

2.2.1通信层网络建模 8

2.2.2物理层网络建模 10

2.2.3二次设备建模 11

2.2.4耦合建模 12

2.3本章小结 14

第三章 电力信息物理耦合系统动态建模 15

3.1动态建模背景分析 15

3.2基于延时矩阵的CPS动态建模方法 15

3.2.1电力CPS拓扑构建 15

3.2.2继电保护切除故障延时矩阵构建 16

3.2.3安稳控制切负荷延时矩阵构建 17

3.2.4动态策略制定 18

3.3算例分析 18

3.3.1通信系统正常运行 19

3.3.2继电保护动作前通信故障 20

3.3.3继电保护动作后通信故障 21

3.4本章小结 22

第四章 电力信息物理耦合系统灵敏性分析 22

4.1基于频率响应模型的CPS灵敏度分析 22

4.2算例分析 24

4.3本章小结 25

结论 26

攻读学士学位期间发表的成果 27

致谢 28

参考文献 29

绪论

引言

随着计算通信技术的迅速发展，信息系统和物理系统间的壁垒逐渐消除，形成了信息物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS）。CPS概念的提出引起了学术界及产业界的广泛关注并迎来了快速发展机遇。中国政府对于CPS的研究非常重视，大力支持CPS科研产业的发展。

CPS由计算技术、通信系统和物理实体组成，通过融合技术形成一个整体，具备实时感知、动态测控与信息服务等功能的复杂系统。在CPS中，通过嵌入式的计算设备与网络设备监视和控制物理过程，而这些活动也同时能够对物理过程和计算进行影响与反馈。CPS的主要应用领域非常广泛，并且会在不远的将来有更进一步的发展。例如将分布式微型发电机嵌入电网系统能够实现对负荷的精细化控制，从而保障电网的安全稳定运行。在智能楼宇中，网络化的建筑控制系统能提高能源供需效率，降低了能源浪费。利用通信系统中智能的认知无线电技术能充分发挥分布式通讯信道资源的控制技术优势。因此，CPS是基于环境感知，将计算资源和物理系统进行协同交互，极大地，提高了实时资源配置效率，使得CPS具有较强的自主性和适应性，能够实现长期稳定高效运行的新一代智能系统。

近年来，随着智能电网建设的不断发展，电网量测装置数量、通讯网络规模和决策中心数量都迅速增加，电力系统的自动化程度大大提高。此外，能源互联网的推广将大量外部数据信息引入电力系统中，多源数据成为决策的重要依据。电网与信息网的交互机理日渐复杂，现代电力系统已经发展成为具备各种CPS典型特征的电力CPS^[1]。

1.1.1 电力物理系统多源性

我国电力工业发展迅速，传统发电方式的发展具有鲜明特色，火电、煤电、水电装机发电量逐年增加；2015年全国新投产核电机组5台，新增大量装机容量。另一方面，我国地大物博，新能源与可再生能源具有巨大的开发潜力。目前正着眼于大力发展风能、太阳能等可再生能源，在资源集中、开发条件适宜的地区采取集约化基地式的开发方式，建设大规模可再生能源基地，优先实现就地能源消纳，并融入大电网，将剩余电能进行异地消纳；同时，根据不同地区的可再生能源资源开发建设小型风电、分布式光伏、生物质能、地热能、波浪能发电等，实现区域能源平衡消纳。

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